Brevet FR3049742A1 — publié le 20171006

PROCEDE D'OPTI MI SATI ON DE LA CONSOMMATI ON ELECTRI QUE D'UNE I NSTALLATI ON L'invention se rapporte à un procédé d'optimisation de la consommation électrique d'une installation. A force d'être utilisées dans les véhicules, les batteries électriques finissent par s'user et à fournir moins d'énergie. Le recyclage des batteries de véhicules électriques dans un environnement stationnaire est une solution envisageable pour une seconde vie desdites batteries. En effet, cette solution semble un compromis idéal pour les batteries n'ayant plus assez d'énergie pour une utilisation embarquée telle que les véhicules électriques, car elles fourniraient une autonomie insuffisante, mais assez pour être utilisées comme un générateur tampon capable à la fois d'emmagasiner de l'énergie à moindre coût, et de la restituer aux moments les plus opportuns selon les besoins. L'utilisation d'un système de stockage stationnaire permet de réduire la puissance consommée par une installation sur le réseau électrique du secteur. En effet, ledit stockage permet d'emmagasiner de l'énergie lorsqu'elle ne coûte pas cher ou lorsqu'elle est abondante, comme lorsqu'elle est issue d'une source d'énergie renouvelable, et de la restituer lorsque le site en a le plus besoin. Le défi qui se pose alors est celui de programmer les instants ainsi que les puissances de charge et de décharge du système de stockage, pour pouvoir réduire la consommation électrique sur le secteur de l'installation. Cette démarche doit être conduite en prenant en considération les contraintes du système de stockage, comme par exemple l'énergie maximum de charge et de décharge, la puissance maximum de charge et de décharge, etc. Dans le cadre de certains projets, il a été proposé un standard de communication visant à diminuer la consommation globale d'électricité d'un ensemble de bâtiments reliés par un réseau électrique. Concrètement, un serveur central envoie des messages à des serveurs locaux situés dans des bâtiments consommateurs de courant, afin de leur demander de diminuer leur 3049742 2 consommation dans une plage horaire comprise entre un instant To et un instant I. A ce sujet, la demande US2015/0019036A1 divulgue un procédé mettant en oeuvre des moyens permettant de satisfaire ce type de requête, 5 c'est-à-dire de réduire concrètement la consommation de courant entre l'instant To et l'instant I. Un inconvénient du procédé décrit dans ce document est que, en l'absence de réception d'un message émis par un serveur central, il est incapable de réduire de manière optimale la consommation électrique de l'installation. En effet, il ne met pas en oeuvre des moyens appropriés 10 capables de déterminer de façon autonome, les intervalles [To, Tf] optimum sur lesquels il faudrait réduire la consommation de l'installation, ainsi que les valeurs de puissance optimales à respecter en charge et en décharge dans ces intervalles. Un procédé d'optimisation de la consommation électrique d'une 15 installation selon l'invention, s'affranchit des inconvénients relevés dans l'état de la technique, notamment de la réception de messages extérieurs, en proposant une gestion énergétique du bâtiment autonome, efficace et à moindre coût. L'invention a pour objet un procédé d'optimisation de la consommation 20 électrique d'une installation reliée à un réseau de fourniture d'électricité, ladite installation étant également reliée à un système de stockage d'énergie apte à compléter au moins partiellement la puissance électrique fournie par le réseau dans une phase de décharge ou à stocker de la puissance électrique fournie par le réseau dans une phase de charge. La principale caractéristique d'un 25 procédé selon l'invention est qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape d'évaluation d'une puissance électrique moyenne consommée par l'installation (3) sur une période donnée, - une étape de charge ou de décharge du système de stockage, de manière à lisser sensiblement la puissance électrique fournie par 30 le réseau autour de la puissance moyenne. 3049742 3 Le principe d'un procédé d'optimisation selon l'invention est d'abaisser la consommation électrique de l'installation en provenance du réseau, en la complétant avec de l'énergie électrique fournie par un système de stockage comprenant des batteries électriques. Ce complément énergétique tient 5 compte de la consommation réelle en électricité de l'installation sur le réseau, et est donc déterminé de façon optimisée. Il ne s'agit pas d'un complément énergétique standard fourni de façon systématique, mais d'un complément qui est ajusté par rapport à la consommation en électricité de l'installation. Préférentiellement, les batteries électriques constituant le système de 10 stockage sont des batteries électriques de véhicules automobiles, qui sont recyclées car elles n'ont plus la capacité de remplir leur fonction au sein desdits véhicules. Un procédé d'optimisation selon l'invention propose d'utiliser l'énergie électrique en provenance du système de stockage de manière à lisser la consommation électrique de l'installation sur le réseau, sur une période 15 prédéfinie, autour de sa consommation moyenne sur ladite période. A titre d'exemple, la période prédéfinie peut aller de quelques heures à quelques jours. L'énergie électrique moyenne consommée par l'installation peut par exemple être mesurée et calculée automatiquement en temps réel, ou bien être déduite de consommations antérieures mesurées lors de périodes 20 identiques. Il est à noter que le terme « installation » est générique et désigne tout type de bâtiments susceptibles de consommer de l'électricité. Ainsi, une installation peut par exemple matérialiser un site industriel, ou une maison individuelle. Avantageusement, l'étape de charge ou de décharge inclut d'évaluer la 25 puissance P de charge ou de décharge qui minimise le terme suivant : minpJ =f7,Tof(1,+P)2dt Où - 30 - Pb est la puissance moyenne consommée par l'installation entre des instants To et Tf 3049742 4 - P est la puissance stockée ou délivrée par le système de stockage en charge ou en décharge respectivement (positive en charge et négative en décharge). De façon préférentielle, l'étape d'évaluation de la puissance électrique 5 consommée par l'installation est réalisée par un report de la puissance consommée le jour précédent sur la même période si le jour est un jour de semaine, ou par un report de la puissance consommée le même jour le weekend précédent sur la même période, s'il s'agit d'un jour de weekend. De cette manière, la consommation électrique de l'installation sur une période 10 donnée est supposée être identique à celle du jour précédent sur la même période s'il s'agit d'un jour de semaine. Pour un jour de week-end, on suppose que cette consommation est identique à celle du jour correspondant du week-end précédent. Préférentiellement, le système de stockage est également apte à 15 stocker de l'énergie issue d'une source d'énergie renouvelable. De façon avantageuse, la source d'énergie renouvelable est de type photovoltaïque. Avantageusement, un procédé selon l'invention comprend une étape de détermination de la puissance moyenne à fournir par le système de 20 stockage de l'énergie renouvelable sur une période, ladite étape étant réalisée par un report de la puissance fournie par le système de stockage le jour précédent sur la même période si le jour est un jour de semaine, ou par un report de la puissance fournie par le système de stockage le même jour le weekend précédent sur la même période s'il s'agit d'un jour de weekend, un 25 facteur correctif étant ajouté à ladite puissance reportée, pour tenir compte d'une éventuelle dispersion des conditions météorologiques d'un jour à l'autre. En effet, la météorologie présentant un caractère aléatoire, il est important de pouvoir corriger certaines disparités de celle-ci d'un jour à l'autre, pour crédibiliser et rendre plus fiable un procédé d'optimisation selon l'invention. 30 De façon préférentielle, la puissance fournie reportée à un instant donné d'un jour j, est calculée de la manière suivante : 3049742 5 piSS = piSSi kp (Pb,] - 1) Où, p_iss est la puissance fournie au même instant du jour j-1, 5 Pb est la puissance consommée audit instant du jour j, Pb,,-, est la puissance consommée au même instant du jour j-1, kp est un coefficient de correction adaptatif. Préférentiellement, un procédé selon l'invention comprend une étape de prise en compte des périodes au cours desquelles l'énergie renouvelable 10 est la plus abondante et en prenant en même temps en compte la variation de tarification de l'électricité du réseau électrique en fonction des heures creuses à tarif réduit ou des heures pleines à tarif plein, cette étape incluant de minimiser le paramètre, N min J =1(Pb + Pk)2T,+ 2c renouvelable P k=1 15 Où Ceiec = (poPi + ps2P2+...+PsNPN) représente le coût de l'électricité prélevé sur le secteur ; Où pg, représente le prix de l'électricité à la discrétisation i de la journée. Ainsi, dans les cas d'une tarification variable de l'énergie entre une heure creuse et une heure pleine, nous pouvons par 20 exemple avoir un prix horaire de 5 centimes entre Oh et 1h, de 8 centimes entre 7h et 20h, et de 5 centimes entre 20h et 23h. c renouvelable (prip pr2p2 pr NP apporté N ) représente le coût fictif par l'énergie photovoltaïque ; prk représentant la disponibilité de l'énergie renouvelable à la discrétisation k de la journée. 25 P =[Pi PN] est le vecteur des puissances du système de stockage aux discrétisations k de la journée. des paramètres de calibration qui permettent de faire l'arbitrage entre les différents termes du critère générale d'optimisation selon lequel on cherche à minimiser la variance de la consommation du site, le report 30 de consommation heure creuse/heure pleine pour minimiser l'énergie 3049742 6 consommée sur le secteur ou la maximisation d'exploitation des énergies renouvelables. Un procédé d'optimisation selon l'invention présente l'avantage de pouvoir réduire l'utilisation de l'électricité fournie par le réseau électrique du 5 secteur et donc de réduire la facture d'électricité de ladite installation. Il a de plus l'avantage de favoriser l'utilisation des énergies renouvelables telles que par exemple l'énergie solaire sans être limité sur la nature de ladite énergie renouvelable. Il présente enfin l'avantage d'être rigoureux et fiable, car il prend en compte de façon précise les conditions météorologiques ainsi que le 10 coût de l'électricité fournie par le réseau électrique. Pour la prise en compte des conditions météorologiques, il y a plusieurs façons de faire : - soit en connectant notre système à un système de prévision météorologique, 15 - soit on intègre dans nos stratégies des cartographies statistiques des données météorologiques. On donne ci-après une description détaillée d'un procédé d'optimisation selon l'invention en se référant aux figures suivantes : - La figure 1 est un diagramme illustrant un exemple de la 20 consommation électrique d'une installation et de l'apport potentiel d'une source d'énergie renouvelable, - La figure 2 est un logigramme illustrant les principales sources d'énergie mises en oeuvre dans un procédé d'optimisation selon l'invention, 25 - La figure 3 est un logigramme décrivant les principaux éléments pour la mise en oeuvre d'un procédé d'optimisation selon l'invention, - La figure 4 est un diagramme montrant une courbe illustrant un exemple de la consommation électrique d'une installation en 30 fonction du temps et de l'image de ladite courbe que l'on souhaite obtenir avec un procédé d'optimisation selon l'invention, 3049742 7 - Les figures 5a, 5b et 5c sont trois diagrammes illustrant respectivement un exemple de variation au cours du temps de la puissance électrique consommée par l'installation, de la commande de la puissance de charge et de décharge d'un 5 système de stockage d'énergie stationnaire, et de l'état de charge des batteries électriques constituant ledit système, - La figure 6 est un diagramme illustrant schématiquement la variation au cours du temps du prix de l'électricité consommée par l'installation. 10 Le recyclage des batteries de véhicule électrique dans un environnement stationnaire est une solution envisageable pour une seconde vie desdites piles. En effet cette solution semble un compromis idéal pour les batteries n'ayant plus assez d'énergie pour une utilisation embarquée telle que les 15 véhicules électriques car elles ne fourniraient pas une autonomie suffisante, mais assez pour être considérées comme un générateur tampon capable à la fois d'emmagasiner de l'énergie à moindre coût, et de la restituer aux moments les plus opportuns selon les besoins. En se référant à la figure 2, l'utilisation d'un système de stockage 20 stationnaire 1 comprenant des batteries 2 électriques recyclées, permet de réduire la puissance consommée par une installation 3 sur le réseau électrique 4 du secteur. En effet, le stockage permet d'emmagasiner l'énergie lorsqu'elle ne coûte pas cher ou lorsqu'elle est abondante dans le cas par exemple d'une énergie renouvelable 5 de type photovoltaïque, et de la restituer lorsque 25 l'installation 3 en a le plus besoin. En se référant à la figure 1, la courbe 30 illustre un exemple de la consommation électrique totale d'une installation 3, la courbe 31 un exemple de l'énergie électrique consommée par ladite installation 3 sur le réseau électrique 4 du secteur et la courbe 32 un exemple de l'énergie électrique 30 produite par une source énergétique renouvelable 5 de type photovoltaïque. Il est important de noter que lorsque l'installation 3 consomme de l'énergie électrique en provenance de la source renouvelable 5, la consommation électrique sur le réseau électrique 4 du secteur est significativement réduite. 3049742 8 Le terme « installation » est un terme générique couvrant un ou plusieurs bâtiments pouvant par exemple être industriel(s) ou domestique(s) comme une maison individuelle, et susceptible(s) de consommer de l'électricité. 5 Un procédé d'optimisation de la consommation électrique d'une installation selon l'invention, permet de programmer les instants ainsi que les puissances de charge et de décharge du système de stockage stationnaire 1 pour pouvoir réduire la puissance d'abonnement de l'installation 3. Ce but est notamment atteint en prenant en considération les contraintes liées au 10 système de stockage stationnaire 1 comprenant les batteries électriques 2, comme par exemple l'énergie maximale de charge et de décharge, l'état de charge maximal et minimal, etc. En se référant à la figure 2, un procédé d'optimisation selon l'invention comprend une étape de mise en oeuvre d'un système de stockage d'énergie 15 stationnaire 1 comprenant des batteries 2 recyclées et une étape de mise en oeuvre d'une source d'énergie renouvelable 5 de type photovoltaïque. Lesdites batteries 2, qui sont raccordées au réseau électrique 4 de l'installation 3, sont connectées à des organes assurant la charge/décharge de l'énergie depuis et vers ledit réseau 4. 20 L'un des buts d'un procédé d'optimisation selon l'invention, est de pouvoir optimiser la gestion énergétique de l'installation 3, d'une façon automatique et réaliste, et avec le moindre coût. Autrement dit, ledit procédé va favoriser l'utilisation de l'énergie renouvelable 5 de façon à réduire la consommation électrique de l'installation 3 au niveau du réseau électrique. 25 En se référant à la figure 3, un contrôleur est alloué à chaque batterie 2 pour permettre d'assurer le pilotage bas niveau de ladite batterie 2. Un contrôleur global 6 SC est mis en oeuvre pour assurer le contrôle haut niveau du système de stockage stationnaire 1. C'est à ce niveau, par exemple, que l'on fait l'allocation de puissance individuellement pour chaque 30 batterie 2, afin de répondre à un besoin global en puissance électrique, demandé par l'installation 3. De façon conventionnelle, un compteur 7 permet de mesurer la consommation électrique de l'installation 3. Le contrôleur global 6 comprend au moins un calculateur permettant de piloter un procédé 3049742 9 d'optimisation selon l'invention, en prenant en compte tous les paramètres liés à la consommation électrique de l'installation 3, ainsi que les caractéristiques des batteries 2 du système de stockage stationnaire 1. Voici la liste des notations des principaux paramètres qui vont être 5 utilisés pour la suite de la description détaillée. Pb : puissance électrique consommée par l'installation, P : puissance électrique du système de stockage stationnaire 1, qui est positive en charge et négative en décharge, J : critère d'optimisation 10 [Te, Tf] : intervalle de calcul de l'optimisation par exemple [0h, 24h (le lendem ain)] SOC : état de charge équivalent du système de stockage SOCmIn : SOC minimal au quel on permet la décharge. SOC"x : SOC maximal au quel on permet la charge. 15 Pdmal,n puissance maximale de la décharge PZ" : puissance maximale de la charge Ts: pas d'échantillonnage de l'algorithme de recherche de la période [TO, Tf], (par exemple 30mn). En se référant à la figure 4, un procédé d'optimisation selon l'invention 20 comprend une étape de détermination de la consommation électrique de l'installation 3 au cours d'une période prédéfinie, pouvant par exemple être de 24heures, ladite consommation étant matérialisée par la courbe 8 sur le diagramme de ladite figure 4. Le principe d'un procédé d'optimisation selon l'invention est d'ajouter 25 une puissance de charge ou de décharge (P) du système de stockage stationnaire 1 à la puissance (Pb ) consommée par l'installation 3 de manière à lisser cette dernière. Pour cela, nous retranchons de la valeur de la puissance électrique consommée par l'installation 3 sa valeur moyenne, et nous obtenons alors la 30 courbe 9. Ensuite nous cherchons à minimiser le terme 3049742 10 T f min./ = (Pb + P)2 dt To par ajout de la puissance de charge ou de décharge (P) afin de faire tendre la courbe 9 vers une droite parallèle à l'axe des abscisses. Le terme Pb correspond à la puissance électrique Pb consommée par l'installation 3, à laquelle a été retranchée la valeur moyenne de ladite consommation sur une 5 période prédéfinie. Il faut également tenir compte des contraintes du système de stockage. En effet, la capacité de stockage de l'ensemble des batteries 2 est comprise entre une valeur minimale d'état de charge SOC,',, et une valeur maximale SOCmax. 10 De plus, le système de stockage est fonctionnel uniquement pour une plage donnée de puissance de charge et de décharge. On peut alors formuler le problème d'autoconsommation de l'installation 3 comme étant un problème d'optimisation sous contrainte qui 15 peut être écrit comme suit : 20 25 30 Pour résoudre ce problème, nous allons procéder à une discrétisation de ces équations. 3049742 11 N mina- /(Pb+Pk)2T, P k=1 Pk SOCk - SOCk-1 EBat,max SOC min SOC k SOC max P;an REVENDICATIONS1. Procédé de lissage de la puissance électrique fournie par un réseau électrique à une installation à l'aide d'un système de stockage, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, une étape d'évaluation d'une puissance électrique moyenne consommée par l'installation (3) sur une période donnée, une étape de charge ou de décharge du système de stockage (1), de manière à lisser sensiblement la puissance électrique fournie par le réseau autour de la puissance moyenne. 2. Procédé de lissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de charge ou de décharge inclut d'évaluer la puissance P de charge ou de décharge qui minimise le terme suivant : mine J = f ôf (Pb + P)2dt Où: - Pb est la puissance moyenne consommée par l'installation entre des instants Tc, et Tf, - P est la puissance stockée ou délivrée par le système de stockage en charge ou en décharge respectivement. 3. Procédé de lissage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape d'évaluation de la puissance électrique consommée par l'installation (3) est réalisée par un report de la puissance consommée le jour précédent sur la même période si le jour est un jour de semaine, ou par un report de la puissance consommée le même jour le weekend précédent sur la même période, s'il s'agit d'un jour de weekend. 4. Procédé de lissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système de stockage possède des moyens aptes à stocker de l'énergie issue d'une source d'énergie renouvelable (5). 3049742 16 5. Procédé de lissage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source d'énergie renouvelable (5) est de type photovoltaïque. 6. Procédé de lissage selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination de la 5 puissance moyenne à fournir par le système de stockage de l'énergie renouvelable (5) sur une période, et en ce que ladite étape est réalisée par un report de la puissance fournie par le système de stockage le jour précédent sur la même période si le jour est un jour de semaine, ou par un report de la puissance fournie par le système de stockage le même 10 jour le weekend précédent sur la même période s'il s'agit d'un jour de weekend, un facteur correctif étant ajouté à ladite puissance reportée, pour tenir compte d'une éventuelle dispersion des conditions météorologiques d'un jour à l'autre. 7. Procédé de lissage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la 15 puissance fournie reportée à un instant donné d'un jour j, est calculée de la manière suivante : piSS piSS1 kp (pb,i Où, 20 Pi_iss est la puissance fournie au même instant du jour j-1, Pb,, est la puissance consommée audit instant du jour j, Pbj-i est la puissance consommée au même instant du jour j-1, kp est un coefficient de correction adaptatif. 8. Procédé de lissage selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, 25 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prise en compte des périodes au cours desquelles l'énergie renouvelable est la plus abondante et en prenant en même temps en compte la variation de tarification de l'électricité du réseau électrique en fonction des heures creuses ou pleines, cette étape incluant de minimiser le paramètre, 30 Mill = E(.75b ±pk)2Ts+ C dee C, renouvelable k=1 3049742 17 Où Cel" = (pgiPi +pg2P2 +...+pgNPN) représente le coût de l'électricité prélevé sur le secteur, /Dei représentant le prix de l'électricité à la discrétisation i de la journée ; Où c renouvelable (19,111+ pr2P2+ ...+ prNP,,,) représente le coût fictif apporté par 5 l'énergie photovoltaïque, prk représentant la disponibilité de l'énergie renouvelable à la discrétisation k de la journée ; Où P =[P, PN] est le vecteur des puissances du système de stockage aux discrétisations k de la journée ; Où ei,2 sont des paramètres de calibration.