Brevet FR3028681A1 — publié le 20160520

-1- Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la surveillance des réseaux électriques et l'optimisation de la consommation de l'énergie réactive. Elle concerne plus particulièrement un procédé pour automatiser la détection de l'énergie réactive et ainsi 10 permettre l'optimisation de la consommation d'énergie mise en oeuvre dans les réseaux électriques. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique une solution 15 décrite dans la demande de brevet FR2494055. Cette demande décrit un dispositif de compensation de l'énergie électrique réactive dans un réseau comportant au moins une unité de compensation branchée sur le réseau. L'unité de compensation comprend une inductance, un condensateur et un premier 20 interrupteur bidirectionnel à thyristors, et un second interrupteur directionnel à thyristors, et des moyens de commande comportant une porte logique « ou », reliée en entrée d'une part à un premier circuit de mesure avec détection d'un seuil prédéterminé de la tension aux bornes dudit premier 25 interrupteur et d'autre part à un second circuit de mesure avec détection d'un seuil prédéterminé de la tension aux bornes dudit second interrupteur. On connaît aussi la solution proposée par la demande de brevet FR2693601 décrivant un dispositif de compensation de 30 puissance réactive, qui comporte des moyens de mesure du courant dans le circuit principal d'alimentation électrique, en aval de la connexion de l'interrupteur commandé, et des moyens de mesure d'une grandeur représentative de la puissance apparente, connectés à la sortie des moyens de mesure de courant. 35 L'ouverture de l'interrupteur commandé est commandée lorsque 3028681 -2- ladite grandeur représentative dépasse une valeur de seuil prédéterminée. On connaît également dans l'état de la technique des solutions de régulation de courant pour un système de 5 compensation d'énergie réactive. La demande de brevet FR2873866 décrit un exemple de dispositif de régulation de courant. Le dispositif en question comprend un transformateur de couplage dont l'enroulement secondaire est destiné à être monté en série entre un réseau de distribution d'énergie électrique et un condensateur de compensation d'énergie réactive, un filtre actif comportant un onduleur, et une boucle de commande en courant estimant une valeur fondamentale de courant électrique, afin d'asservir en courant l'onduleur du filtre actif. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur portant sur des dispositifs de compensation de l'énergie électrique réactive 20 dans un réseau présentent plusieurs inconvénients. Certaines des solutions sont basées sur les seuils prédéterminés en machine, qui ne présentent pas de possibilité de détection à distance de l'énergie réactive et donc ne permettent pas de s'adapter aux situations réelles 25 d'utilisation. D'autres solutions nécessitent de faire intervenir des ouvriers sur place à des instants donnés. Cette solution ne permet pas une surveillance à distance et une optimisation permanente. 30 Par ailleurs, les solutions de l'art antérieur sont adaptées pour la compensation de la charge électrique individuelle. Il ne permet pas une gestion centralisée de plusieurs sites dans le même temps. Enfin, les solutions de l'art antérieur sont limitées 35 à la compensation passive. Les dispositifs de compensation doivent attendre le déclenchement du seuil prédéterminé pour 3028681 -3- commencer la compensation. Ils n'offrent pas la possibilité d'une compensation active préprogrammée. Solution apportée par l'invention 5 Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive dans un réseau d'électricité comportant un système de surveillance et de 10 réglage, ledit système comprenant un générateur d'électricité, des charges électriques, un compteur électrique, un système de compensation de puissance, une ligne de transport d'électricité, et un processeur électro-numérique. Le procédé comprend les étapes consistant à mesurer les puissances consommées par les 15 charges électriques par au moins un compteur électrique possédant des télé-relevés, à collecter l'ensemble de ces données et les transmettre au processeur électro-numérique pour l'établissement de courbes de données, à calculer le facteur de puissance des charges électriques, à identifier la nécessité de compenser l'énergie réactive lorsque le facteur de puissance calculé présente une valeur inférieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie, à déterminer le type et la configuration des systèmes de compensation à installer puis à piloter lesdits système de compensation. De préférence, la mesure de l'ensemble de données des charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance et la compensation de l'énergie sont automatisées. Selon un mode de réalisation particulier, la mesure de l'ensemble de données des charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance et la compensation de l'énergie sont contrôlées en temps réel et en distance. Selon un autre mode de réalisation, les étapes dans le procédé peuvent basculer entre un mode de mesure périodique 35 et un mode de mesure aléatoire dans le temps 3028681 -4- Selon une réalisation particulier, la compensation de l'énergie est réalisée par une compensation de l'énergie réactive selon un mode de compensation choisi parmi l'un des trois modes suivants : un mode de compensation individuelle, un 5 mode de compensation locale et un mode de compensation globale. Selon une autre réalisation particulière, la compensation de l'énergie est réalisée activement par une pré-programmation des paramètres. Cette invention présente plusieurs avantages, au 10 point de vue techniques, une meilleure adaptation du dimensionnement, les diminutions des chutes de tension et des pertes en ligne. Au point de vue économique, la suppression de la consommation d'énergie réactive et l'augmentation de la puissance active réduisent la facture de l'entreprise. 15 De plus, cette invention permet de réaliser un diagnostic énergétique à distance et tout particulièrement d'éviter l'envoi de techniciens sur site et la pose d'appareils coûteux pour la mesure. C'est un service sur mesure. 20 Description détaillée des figures La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant des exemples non limitatifs de réalisation, et se référant aux dessins annexés 25 où : - la figure 1 représente un diagramme schématique selon l'invention illustrant un système de surveillance et de réglage dans un réseau d'électricité ; - la figure 2 représente les vecteurs des parties 30 apparentes, actives et réactives du courant et de la puissance ; - la figure 3 représente la puissance active, la puissance réactive et la puissance apparente dans les circuits à courant alternatif triphasés ; - la figure 4 représente les facteurs de puissances 35 des trois phases collectées chaque seconde pendant une durée de 90 secondes. 3028681 -5- Description détaillée d'exemples non limitatifs de l'invention La figure 1 représente un diagramme schématique selon 5 l'invention illustrant un système de surveillance et de réglage d'alimentation électrique 100. Le système de surveillance comprend un générateur d'électricité 110, les charges électriques 120, un système de compensation de puissance réactive 130, une ligne de transport d'électricité 140, un 10 processeur électro-numérique 150 et un compteur électrique possédant les télé-relevés 160. Le générateur d'électricité 110 fournit de l'énergie aux charges électriques 120 via la ligne de transport d'électricité 140. Dans les circuits à courant alternatif, un 15 transformateur délivre un courant sous une certaine tension fixée. Selon les caractéristiques des charges électriques 120, ils peuvent être classés en tant que des récepteurs résistifs, des récepteurs inductifs et des récepteurs capacitifs. Les récepteurs inductifs et des récepteurs capacitifs induisent des 20 déphasages du courant par rapport à la tension. Ce déphasage provoque la consommation inutile de l'énergie électrique, qui ne correspond ni à la chaleur, ni au travail mécanique. Afin d'économiser de l'énergie, le système de compensation de puissance 130 est mis en place et configuré grâce au processeur 25 électro-numérique 150. Des compteurs électriques (160) possèdent des télé-relevés et mesurent les puissances consommées par les charges électriques selon le besoin d'utilisateur, soit ponctuellement dans un moment prédéterminé, soit automatiquement en continu. 30 Les compteurs électriques être situés soit du côté des charges électriques, soit du côté du générateur d'électricité, soit situé comme un intermédiaire. Les compteurs électriques transfèrent les données de puissances consommées par les charges électriques au processeur électro-numérique 150, où les données sont analysées grâce à l'algorithme qui permet de déterminer la 3028681 -6- configuration à appliquer au contrôleur du système de compensation de puissance 130. La figure 2 représente le déphasage du courant et de la puissance active et réactive. Les charges électriques 5 comportent les récepteurs inductifs, capacitifs et résistifs, qui peuvent induire le déphasage. Quand un récepteur inductif/capacitif est branché dans le circuit, le courant total Is sera déphasé de phi (cp) par rapport à la tension et décomposé en deux parties : le courant actif Ip = Is xcoscp , où la 10 composante est en phase avec la tension, et le courant réactif Iq = Is Xsincp , où la composante est déphasée de 90° de la tension. La formule de la puissance active : P = Ux k;xcoscp 15 cp est le déphasage du courant total par rapport à la tension, et le facteur coscp s'appelle la facteur de puissance, qui est souvent indiqué sur la plaquette électrique de la plupart des machines électriques. La puissance réactive Q est définie par analogie à la puissance active P : 20 Q = U x Is Xsincp La puissance réactive permet d'évaluer l'importance des récepteurs inductifs (moteurs, lampes fluorescentes,) et des récepteurs capacitifs (condensateurs,) dans l'installation. Le produit de la tension par le courant total s'appelle la 25 puissance apparente S : S=Ux/s La figure 3 représente la puissance active, la puissance réactive et la puissance apparente dans les circuits à courant alternatif triphasés. Ces données sont collectées chaque 30 seconde pendant une durée de 90 secondes. Les charges électriques, alimentées en courant alternatif, font intervenir des énergies actives et réactives, qui correspondent au travail respectivement sous des puissances actives et réactives pendant une certaine durée. L'énergie 35 active se transforme en énergie mécanique ou en chaleur. L'énergie réactive est due essentiellement aux récepteurs 3028681 -7- inductifs/capacitifs présentes dans les charges et ne correspond ni à la chaleur ni à un travail mécanique. De façon connue, l'énergie réactive peut être réduite en connectant sur la ligne de transport d'électricité le système de compensation, par 5 exemple, un système de batterie de condensateur. Le système de compensation peut intégrer aussi un filtre anti-harmonique, qui vise à réduire la distorsion des harmoniques et à éviter les pics engendrant la surconsommation et affectant la durée de vie des équipements. 10 La figure 4 représente les facteurs de puissances des trois phases collectées chaque seconde pendant une durée de 90 secondes. Le facteur de puissance cos cp sur une valeur de 0.75 est en dessous de la valeur seuil prédéfinie, ce qui indique un appel d'énergie réactive trop important des équipements de 15 l'installation. Le but de la compensation est de maximiser le facteur de puissance sans induire une surcompensation/surcharge. Par exemple, quand le facteur de puissance est au-dessous de 0.95, il déclenche une alerte email de déphasage élevé. De plus lorsque la compensation devient non nécessaire, une autre alerte 20 est envoyée. Le procédé pour optimiser la consommation de l'énergie comporte quatre étapes. La première étape consiste à mesurer, pendant une période de surveillance, les puissances consommées par des 25 charges électriques. La mesure est réalisée automatiquement en continu pendant une durée donnée ou jusqu'à une quantité d'énergie consommée prédéfinie. Par exemple, à partir des télé-relevés des compteurs électriques de nouvelle génération, les données sont collectées toutes les 10 minutes. Dans une usine où 30 les ouvriers travaillent de 8h à 20h, l'enregistrement des charges de puissance pendant une semaine va montrer les comportements typiques de consommation, tels que les changements des paramètres au moment du branchement de chaque machine. Lorsque la consommation d'énergie réactive dépasse un certain 35 seuil avant la fin de la semaine, indiquant alors un gaspillage d'énergie, la période de surveillance se termine plus tôt. 3028681 -8- La deuxième étape consiste à transmettre les données au processeur électro-numérique 150 lequel analyse le type de déphasage (avance ou retard), le moment de déphasage et la durée de déphasage. De manière connue, la phase du courant capacitif 5 est en avance de 90° par rapport à la phase de la tension tandis que la phase du courant inductif est en retard de 90°. Les récepteurs résistifs ne changent pas la phase du courant. La troisième étape est une étape de diagnostic au cours de laquelle l'algorithme de compensation calcule le 10 facteur de puissance et déclenche, si nécessaire, une alerte, en fonction notamment du contrat liant le fournisseur d'électricité et l'utilisateur qui possède les charges électriques. Un exemple est celui présenté sur la figure 4 : la valeur conseillée du facteur de puissance cos cp située dans la plage (0.95, 1) est 15 considérée comme la situation optimisée. En dehors de cette plage, le système de compensation est activé soit sous contrôle manuel, soit automatiquement. Afin d'assurer la stabilité du système de compensation, la durée du facteur de puissance en dehors de cette plage est aussi considérée. 20 La quatrième étape consiste à installer les équipements de compensation selon un mode de compensation adapté au réseau concerné et aux besoins de celui-ci. La compensation peut ainsi s'effectuer selon trois modes. Le premier mode consiste en une compensation 25 individuelle : les équipements de compensation sont raccordés directement aux bornes de chaque récepteur inductif/capacitif. Cette compensation est techniquement idéale puisqu'elle produit l'énergie réactive à l'endroit même où elle est consommée, et en quantité ajustée à la demande. Cependant, cette compensation est 30 utilisée de préférence pour la machine dont les horaires d'utilisation atteignent certaines heures et/ou l'énergie réactive atteint un certain seuil. Le deuxième mode consiste en une compensation locale : les équipements de compensation sont installés par 35 secteur. Dans un secteur, plusieurs machines avec des récepteurs différents sont branchées sur le même réseau d'alimentation 3028681 -9- électrique. La courbe des charges des puissances d'un secteur présente des puissances réactives et des énergies réactives par suite de l'annulation et de l'amplification du déphasage des machines différentes branchées dans ce secteur. 5 Le troisième mode consiste en une compensation globale : les équipements de compensation sont installés en tête des charges électriques et assurent l'ensemble des charges de la compensation. Ils permettent de soulager le transformateur installé par le fournisseur d'électricité. Cependant le 10 déphasage peut varier de façon aléatoire en raison de l'effet collectif de toutes les machines branchées. Toutes les étapes sont automatisées et peuvent être contrôlées en temps réel et à distance. Selon l'historique de consommation, les paramètres peuvent être programmés en amont 15 pour compenser activement l'utilisation des charges électriques. Selon l'exigence de l'utilisateur, les paramètres peuvent être différents au moment demandé, tel que la plage du facteur de puissance cos p peut être modifiée à distance de façon à présenter, par exemple, une valeur de l'après-midi différente 20 avec celle du matin et respectivement. En raison de la périodicité de certaines machines, le mode de mesure périodique pourrait masquer certaines informations. Le passage d'un mode de mesure périodique au mode de mesure aléatoire aide à vérifier certaines informations. 25 Aussi, et avantageusement, lorsque l'opération de mesure des puissances de la charge est en mode aléatoire, toutes les autres opérations basculent en mode aléatoire. REVENDICATIONS1 - Procédé pour optimiser la consommation de 5 l'énergie réactive dans un réseau électrique comportant un système de surveillance et de réglage d'alimentation électrique (100), ledit système comprenant un générateur d'électricité (110), des charges électriques (120), un système de compensation de puissance (130), une ligne de transport d'électricité (140), 10 un processeur électro-numérique (150) et un compteur possédant les télé-relevés (160) caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes consistant à : - mesurer des puissances consommées par les charges 15 électriques par au moins un compteur possédant des télé-relevés, - collecter des puissances consommées par les charges électriques et les transmettre au processeur électro-numérique pour l'établissement de courbes de données, - calculer un facteur de puissance des charges 20 électriques, - permettre une compensation de l'énergie réactive en fixant le type et la configuration des systèmes de compensation à installer, lorsque le facteur de puissance calculé présente une valeur inférieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie 25 - compenser l'énergie réactive par un actionnement des systèmes de compensation installés. 2 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive dans un réseau électrique selon la 30 revendication 1, caractérisé en ce que la mesure des puissances consommées par les charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance, la configuration et l'actionnement des systèmes de compensation sont automatisés. 35 3 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la mesure des 3028681 puissances consommées par les charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance, la configuration et l'actionnement des systèmes de compensation sont contrôlées en temps réel et à distance. 4 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que toutes les étapes dans le procédé peuvent basculer entre un mode de mesure périodique et un mode de mesure aléatoire dans le temps. 5 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la compensation de 15 l'énergie est réalisée par une compensation de l'énergie réactive selon un mode de compensation choisi parmi l'un des trois modes suivants: un mode de compensation individuelle, un mode de compensation locale et un mode de compensation globale. 20 6 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la compensation de l'énergie est réalisée activement par une pré-programmation d'une plage de valeurs du facteur de puissance. 25 l'énergie dans un revendications 1 â 6, caractérisé en systèmes de compensation à installer 30 d'actionnement dudit système. consommation de des ce que la configuration des consiste à définir le seuil 7 - Procédé pour optimiser la réseau électrique selon l'une quelconque