Brevet FR3060242A1 — publié le 20180615

Identification d'un nuage passant au-dessus d'une ferme photovoltaïque L'invention concerne la production photovoltaïque et son optimisation. La multiplication d'installations solaires met à disposition des exploitants des informations précises, continues et en temps réel sur les éclairements reçus sur les surfaces couvertes par des installations et les courants produits par celles-ci. L'échantillonnage des mesures est également suffisamment élevé pour permettre une utilisation avancée de ces données. Cependant, ces informations ne sont pas pleinement exploitées aujourd'hui. En effet, le passage de nuages sur les installations solaires a un effet immédiat sur le courant et la puissance produits. Le suivi de ces courants peut être un indicateur fiable 15 caractérisant la trajectoire, la vitesse et la direction de ces nuages. Dans cette approche, les cellules solaires d'une ferme photovoltaïque, dont la production photovoltaïque peut être connue (par la mesure de la puissance produite ou de façon équivalente par la mesure du courant produit à une tension connue) peuvent jouer le rôle de capteurs au sol du rayonnement solaire. 20 Une tentative selon cette approche est décrite dans les documents : [1] J.L. Bosch, Y. Zheng & J. Kleissl, "Deriving cloud velocity from an array of solar radiation measurements" (2012), et [2] J.L. Bosch & J. Kleissl "Cloud motion vectors from a network of ground sensors in a 25 solar power plant" (2013) En effet, ces deux documents divulguent comment calculer la vitesse et la direction d'un nuage passant sur la ferme photovoltaïque. Le front nuageux est considéré alors comme uniforme et composé d'un seul nuage. A partir de calculs géométriques sur les temps de 30 passage du nuage (figure 1), la vitesse v et sa direction peuvent être calculées ensuite. La figure 1 illustre la manière dont les calculs de la vitesse et de la direction des nuages peuvent être réalisés. Certains panneaux photovoltaïques sont regroupés entre eux géographiquement. Chaque regroupement (références O, N, E de la figure 1) est appelé 10 3060242 2 « groupe » par la suite. Caque groupe est connecté à un module de connexion à partir duquel il est possible d'obtenir une mesure du courant ou de la puissance produite par ce groupe de panneaux. Ce module peut être un boitier dit de « jonction secondaire » (noté « SJB » ci-après), donnant la mesure de production par un groupe. Comme on le verra plus 5 loin, un groupe peut comporter plusieurs stands de cellules solaires. Dans la représentation de la figure 1, il est considéré qu'un seul nuage N (en gris) traverse trois groupes de panneaux photovoltaïques notés O, N et E, dans une ferme photovoltaïque. Chaque groupe est relié à un module de connexion à partir duquel il est possible d'obtenir une mesure du courant ou de la puissance produite. Ce module peut être un boitier dit de « jonction secondaire » (notée « SJB » ci-après), donnant la mesure de production par un groupe. Dans l'exemple représenté, le front du nuage passe d'abord au-dessus du point N à l'instant toN O. Ces points N, O et E sont idéalement les barycentres respectifs de groupes reliés à des SJB différents. La détection des nuages au niveau des SJB, directement à partir de leurs productions respectives peut être réalisée par détection d'une diminution mesurée dans le temps de la puissance ou du courant produits. Sur la figure 1, le vecteur ô représente le vecteur vitesse du nuage (vitesse et direction). Plus particulièrement, ce vecteur représente entièrement le mouvement du nuage : - sa norme y correspond à sa vitesse, et - l'angle a = (0E, i) correspond à sa direction. On cherche donc à déterminer y et a, à partir des temps toE et toN et des positions des 25 barycentres O, E et N des groupes. Bien entendu, le schéma de la figure 1 est très général, et modélise une situation quelconque : - au niveau du passage du nuage, 30 - de l'orientation de son front, représentée par l'angle p que fait le front du nuage avec la droite (0E), - ou encore au niveau de la position des groupes, représentée par l'angle 61 = (0E, ON), et - des distances DoE et DoN, distances respectives des points E et N par rapport au point O. 3060242 3 On définit également deux nouveaux points CE et CN, projetés respectifs des points E et N sur le front du nuage selon la direction du vecteur i. On se place dans un repère orthonormal direct, de centre O et d'axe des abscisses de direction OE . Les coordonnées 5 des différents points et vecteurs dans ce repère sont donc : 0 = (0; 0) E = (DOE; 0) N = (DON cos(B) ; DON sin(0)) CE = (CEx; CEy) CN = (CNx; CNy) "1-) = (V cos(a); v sin(a)) Partant de ces coordonnées, les équations cinématiques décrivent le mouvement du nuage (sachant qu'à toN 0, E se trouve sur le front du nuage) comme suit : NCN = toN19 CNN = toN1-9> CEE = toEf9> Par projections sur le repère orthonormal, on obtient le système à quatre équations: DON COS(0) - CNx = toNV cos(a) (1) DON sin(0) - CNy = tON y s111(a) (2) DOE CEx = tOE y cos(a) (3) -CEy = tOE v s111(a) (4) En se servant du fait que tan(/3) = CNy = CEy CNx CEx (5) 10 on peut exprimer CNy CNx à partir des équations (1) et (2) comme suit : DON (sin(0) - cos(0) tan(/3)) tON (6) v(sin(a) - cos(a) tan(/3)) De même, en injectant l'égalité (4) dans l'égalité (3) et en reliant CEx et CEy par la relation (5), on a : -DOE tan(/3) tOE - v(sin(a) (7) n(a) - cos(a) tan(/3)) 15 3060242 4 Or, toE et toN sont connus, mais /3 est inconnu. En faisant le rapport de (7) et (6), on obtient tOE -DoE tan(/3) tON D ON (Sin(9) cos(0) tan(/3)) ce qui permet de trouver 5 sin(0) t COS(B) tONDOE (8) tOE DON tan(/3) = En injectant indifféremment cette expression l'égalité dans (7) ou (6), on a alors tOE [si tON sin(0) T., n(61) cos(a) - sin(a) cos(0)] + DON = DOE I- JON 19 . tOE 61 tON sin(0) soit -n sin( - a) + T. sin (a) = (9) DOE DON 19 L'équation (9) n'a alors d'inconnues que a et v. On a alors une équation et deux inconnues. 10 Ensuite, pour avoir une deuxième équation et résoudre ainsi le problème, la méthode particulière présentée dans les documents [1] et [2] fait l'hypothèse (pas nécessairement observée en pratique) que deux nuages passent successivement à la même vitesse i (mêmes a et y) au-dessus des trois groupes représentées par O, E et N. Les deux nuages n'ont pas besoin d'avoir leurs fronts orientés de la même manière (i.e. « leurs angles » 15 pouvant être différents). On a alors quatre temps de décalage toNi 0 et toN2 0 respectivement associés aux passages du premier nuage et du deuxième nuage. La donnée de ces quatre temps permet d'écrire deux fois l'équation (9) : 20 ce qui permet de trouver la direction a et la vitesse y des deux nuages (supposés les mêmes). Néanmoins, cette hypothèse n'est pas observée en pratique. t0E1 . tON1 . { sin(0) -T., sin(61 - a) + DON 19 = DOE LiON 19 t0E2 tON2 sin(0) -T., n sin(61 - a) + sin(a) = DOE DON ON 19 (10) 3060242 5 En réalité, le front nuageux se compose souvent de plusieurs nuages distincts évoluant à des vitesses différentes (du fait de leur taille et leur altitude, comme illustré sur la figure 2). Les centrales photovoltaïques sont donc confrontées à une multitude de passages de nuages 5 dont certains sont simultanés (plusieurs nuages sur une même ligne de front). Néanmoins, il est préférable de différencier les nuages entre eux afin de déterminer leurs caractéristiques (vitesse, direction, trajectoire, taille, opacité) et utiliser ces caractéristiques pour une estimation plus fine des prévisions météorologiques et/ou de production par d'autres groupes prévus dans la trajectoire des nuages. 10 En effet, si deux nuages passent au-dessus d'une ferme photovoltaïque, ils peuvent présenter des caractéristiques différentes telles que leur opacité et/ou leur taille. Ces paramètres ont une influence importante sur la courbe de production (courant, puissance) des groupements de panneaux photovoltaïques, et in fine de la ferme photovoltaïque. Dans 15 le cas d'une caractérisation de ces nuages pour un diagnostic d'état de la ferme, on comprend alors l'intérêt de mener cette différenciation pour ne pas fausser la prévision de production. La présente invention vient améliorer la situation. 20 Elle propose à cet effet un procédé mis en oeuvre par des moyens informatiques de détection d'un passage nuageux au-dessus d'une ferme photovoltaïque comportant une pluralité de groupes de modules solaires, chaque groupe étant relié à un boîtier relié auxdits moyens informatiques et délivrant une mesure de production électrique du groupe, le procédé comportant : - obtenir, pour chaque groupe, une mesure de production à différents instants successifs, - établir une variation temporelle de la production pour chaque groupe, - évaluer la dérivée relativement au temps de la variation de production, et comparer ladite dérivée à un seuil, pour chaque groupe, un nuage étant détecté comme passant au-dessus d'un groupe dans le cas où la dérivée estimée pour ce groupe est inférieure à un seuil prédéterminé. On entend par « modules solaires » un ensemble de cellules solaires, ou de panneaux solaires ou encore de stands de panneaux solaires. On entend alors par « groupe de 3060242 6 modules » un ensemble de cellules, de panneaux, ou de stands, le critère de groupe étant lié à la possibilité de récupérer une mesure de production photovoltaïque (intensité ou puissance électrique) globale de ce groupe, par exemple au niveau d'un boitier de jonction secondaire (SJB) auquel sont reliés tous les modules d'un groupe, ou encore au niveau 5 d'un onduleur auquel sont reliés tous les modules du groupe. Ainsi, l'invention permet une détection fine et certaine d'un nuage passant au-dessus d'un groupe de modules, ce qui permet de suivre ensuite le passage de ce nuage au-dessus d'autres groupes de modules de la ferme photovoltaïque. On peut ensuite estimer par 10 exemple une prévision de baisse de production globale à l'échelle de la ferme photovoltaïque. On peut en outre détecter par exemple qu'une baisse de production de l'un des groupes est inférieure à une baisse attendue pour ce groupe, ce qui permet de déterminer éventuellement que des modules de ce groupe sont défaillants. En outre, il peut être mené simplement des prévisions météorologiques sur une variation de degré 15 d'ensoleillement. Dans une forme de réalisation, un nuage est détecté à un instant t comme passant au-dessus d'un groupe dans le cas où la dérivée didsr (t) estimée pour ce groupe est telle que : dIsjB (t) til, en notant T = T12 - Til , on calcule le coefficient de corrélation : f tti2 (t) ) (t - -c)clt ftfi dt (02dt ftfi cil, dt (t - -c)2dt tel entre les dérivées des productions des premier et deuxième groupes, respectivement dit et d12 dt - Par l'inégalité de Cauchy-Schwarz, on a 0 til si les dérivées de leurs productions -d/1 dt dt et (-d/2 préalablement avancé de T = ti2 - Ti ) sont très fortement corrélées, par dt exemple avec p > 0,50. En outre, si, pour un nuage passé au-dessus du groupe SJB1, on détecte deux nuages passés 25 au-dessus du groupe SJB2 et qui donnent un coefficient de corrélation supérieur à 0,50, on sélectionne comme nuage identifié celui qui donne le plus fort coefficient de corrélation. P= 3060242 14 A ce stade, le calcul du coefficient de corrélation entre /1 et 12 avancée dei ne mènerait pas forcément à conclure que le même nuage est passé au-dessus des deux groupes. En effet, comme on le voit d'ailleurs sur la figure 4, les niveaux de production /1 et 12 des groupes, avant et après être recouverts par le nuage, ne sont pas forcément identiques. 5 Ceci est dû au fait que les deux groupes se trouvent en des points différents de la centrale, recevant des éclairements différents selon leur environnement spécifique. Ainsi, il convient de considérer uniquement les dérivées des productions, et non les productions elles-mêmes. 10 Par ce calcul du coefficient de corrélation entre les dérivées des productions, il devient possible de déterminer au-dessus de quels groupes un même nuage est passé. Néanmoins, ce seul critère peut s'avérer éventuellement fragile lorsque plusieurs nuages forment un front nuageux. Un autre critère pouvant être pris en compte est par exemple, lorsqu'un 15 nuage recouvre le premier groupe entre tiret tfi, une approximation grossière de sa vitesse : .'L21_ + Vapproxi t!1 - tu où L1 est la longueur du premier groupe et /1 sa largeur. Ainsi, pour déterminer si le nuage ayant recouvert le deuxième groupe à l'instant t12 est le même que celui ayant recouvert le r premier groupe entre filet on peut déterminer un bornage du type ox Vapproxi I (X2 - X1)2 + (Y2 - Y1)2 R Iti - ti1 2 I R X vapp 20 avec R= 5 par exemple. On considère ainsi que le nuage progresse approximativement à la même vitesse pour traverser le premier groupe que pour rejoindre le deuxième groupe, ce qui traduit l'hypothèse selon laquelle les nuages ont une vitesse évoluant peu. 25 On peut ainsi identifier le parcours de chaque nuage sur une centrale. Pour une détection fine et plus certaine, on peut établir ces corrélations sur plus de deux groupes d'une centrale, bien entendu. On peut ainsi améliorer la précision des informations sur les 3060242 15 nuages, notamment calculer la vitesse et la direction des nuages et fournir des services associés à la prévision météorologique, la prévision de production, à la recherche d'équilibre du réseau de distribution. 5 Comme indiqué ci-avant, il est possible d'utiliser le procédé ci-avant en relevant plutôt des mesures puissance produite par les groupes de modules. La présente invention vise en outre un programme informatique pour la mise en oeuvre du procédé ci-avant. Un exemple d'ordinogramme d'un algorithme général d'un tel 10 programme informatique est illustré sur la figure 5. Les données initiales d'entrée du programme (stockées en mémoire non volatile d'une unité de traitement informatique) peuvent comporter les données relatives à : - dans la ferme photovoltaïque, la disposition et la localisation précise de chaque 15 groupe, ainsi que leurs dimensions, - au temps d'échantillonnage des mesures de production issues de chaque boitier SJB. Ensuite, en référence à la figure 5, au cours d'une première étape Si, les différentes 20 mesures de production Ij sur les différents boitiers SJB sont remontées à un dispositif informatique pour la mise en oeuvre du procédé et les dérivées de ces différentes mesures relativement au temps dlj/dt sont calculées. A l'étape S2, chacune de ces dérivées estimées est comparée à un seuil Sj qui peut être 25 propre au groupe de panneaux auquel est relié un boîtier donnant la mesure correspondante. Ce seuil Sj peut être fonction par exemple du nombre de stands que comporte ce groupe, et/ou encore de la production de ce groupe Ij, comme présenté précédemment. Dans le cas où la dérivée est inférieure au seuil (flèche OK), il est tiré de cette observation qu'un nuage commence à recouvrir ce groupe. 30 A l'étape S3, on détermine un instant de début de recouvrement et un instant de fin de recouvrement tfi (recouvrement maximal) de ce groupe par le nuage, et ces données sont 3060242 16 stockées en mémoire MEM du dispositif (figure 6 commentée plus loin), à l'étape S4, avec la valeur de la dérivée estimée. Les étapes Si à S4 sont appliquées pour tous les groupes reliés à leurs boitiers respectifs 5 SJB. On a simplement illustré sur la figure 5, en détails, la situation dans laquelle, outre un groupe produisant la quantité mesurée Ij et étant recouvert par un nuage (flèche OK en sortie du test S2), un autre groupe produisant la quantité mesurée Ik est recouvert progressivement par un nuage (flèche OK en sortie du test S6, ici avec une comparaison au seuil Sk propre au groupe correspondant). Ainsi, les étapes Si à S4 peuvent être réitérées 10 sur ce groupe dans le cas où il est détecté un recouvrement nuageux sur ce groupe et portent alors les références S5 à S8 de la figure 5. Ensuite, à l'étape S9 de la figure 5, il est calculé une corrélation p entre les dérivées des productions mesurées Ij et Ik sur ces deux groupes. Si cette corrélation dépasse un seuil S2 15 à l'étape S10, alors il est déterminé à l'étape S12 qu'il s'agit du même nuage qui a recouvert progressivement les groupes de productions Ij et Ik. Sinon (flèche KO en sortie du test S10), il s'agit d'un nuage différent (étape S11). Dans le cas où il s'agit du même nuage, après l'étape S12, il peut être estimé la vitesse f)c,/, de déplacement de ce nuage et sa direction à l'étape S13. Cette estimation peut s'effectuer par exemple par la technique de 20 l'art antérieur présentée en introduction ci-avant en relation avec les documents [1] et [2], ou grossièrement, simplement en déterminant les groupes qui ont été recouverts en fonction de la topologie de la ferme photovoltaïque et en anticipant sur les prochains groupes qui sont les suivants sur une même ligne que les groupes de productions Ij et Ik. En tout état de cause, à l'étape suivante S14, il est possible de déterminer les prochains 25 groupes qui seront progressivement recouverts par le nuage. Il est possible en outre de déterminer un instant à partir duquel ils seront recouverts (par une estimation fine de la vitesse comme présenté dans [1] et [2], ou par une estimation grossière comme présenté précédemment). Il est donc possible d'anticiper dans le temps, à une étape 515, une baisse de production future de la ferme photovoltaïque. 30 On se réfère maintenant à la figure 6 pour décrire un dispositif informatique DIS pour la mise en oeuvre de l'invention. Ici, la ferme photovoltaïque comporte plusieurs stands de panneaux photovoltaïques formant des groupes connectés chacun à un boitier commun 3060242 17 SJB1, SJB2, SJBN, chacun des boitiers étant relié à un onduleur OND1, OND2, ONDN, dans l'exemple illustré. Le dispositif informatique DIS comporte une interface INT pour récupérer les mesures de production Ii, 12, ... IN, issues de ces boitiers, ainsi qu'un circuit de traitement incluant un processeur PROC et une mémoire MEM. Il s'agit 5 d'une unité mémoire MEM comportant un ou plusieurs blocs stockant : - les instructions du programme d'ordinateur selon l'invention, - ainsi que les données définitives telles que les données de topologie de la ferme ou le temps d'échantillonnage, et - des données temporaires (telles que celles stockées aux étapes S4 et S8 par exemple 10 commentées ci-avant en référence à la figure 5). Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. 15 Ainsi, par exemple, on a décrit ci-avant le cas de l'identification d'un nuage dans un passage nuageux par la détection d'une dérivée temporelle de production inférieure à un seuil. L'invention pourrait de façon équivalente s'appliquer à la détection d'un trou de lumière dans un passage nuageux, ou à la détection de la fin d'un passage nuageux et un retour à un degré d'ensoleillement maximum par la détection d'une dérivée temporelle de 20 la production, qui est cette fois supérieure à un seuil. Le regroupement des panneaux photovoltaïques en stands, puis en groupes reliés à des boitiers SJB respectifs est présenté ici à titre illustratif. Il convient de retenir qu'un groupe à considérer, est l'ensemble de panneaux minimum relié à un boitier SJB. Par ailleurs, ces 25 boitiers SJB ont été définis ci-avant comme procurant la mesure quasi-instantanée de la production photovoltaïque d'un groupe. Néanmoins, ces mesures peuvent être obtenues par d'autres moyens selon les fermes photovoltaïques, par exemple auprès des onduleurs comme illustré à titre d'exemple sur la figure 6. REVENDICATIONS1. Procédé mis en oeuvre par des moyens informatiques de détection d'un passage nuageux au-dessus d'une ferme photovoltaïque comportant une pluralité de groupes de modules solaires, chaque groupe étant relié à un boîtier relié auxdits moyens informatiques et délivrant une mesure de production électrique du groupe, le procédé comportant : - obtenir, pour chaque groupe, une mesure de production à différents instants successifs (Tsample), - établir une variation temporelle de la production pour chaque groupe, - évaluer la dérivée relativement au temps de la variation de production, et comparer ladite dérivée à un seuil, pour chaque groupe, un nuage étant détecté comme passant au-dessus d'un groupe dans le cas où la dérivée estimée pour ce groupe est inférieure à un seuil prédéterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel un nuage est détecté à un instant t comme passant au-dessus d'un groupe dans le cas où la dérivée dIsjB (t) estimée pour ce groupe dt est telle que : dis:1B (0 G -A Isjg(t Tsample) dt où le terme A est une constante positive indépendante du temps, et Isjg (t Tsample) est la production de ce groupe à l'instant t moins une période Tsample d'échantillonnage des mesures. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le terme A est fonction d'une opacité minimum de nuage opacinin observée sur la ferme photovoltaïque. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le terme A est inversement proportionnel à une dimension qu'occupent les modules solaires du groupe. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel chaque groupe comporte une pluralité de stands de modules solaires et dans lequel le terme A est inversement proportionnel à une dimension moyenne d'un stand et à un nombre de stands Nstands que comporte le groupe. 3060242 19 6. Procédé selon la revendication 5, prise en combinaison avec la revendication 3, dans lequel un nuage est détecté à un instant t comme passant au-dessus d'un groupe dans le cas dis:1B où la dérivée dt (t) estimée pour ce groupe est telle que : dIsjg Isjg(t - Tsamp 1 vmin est une le) dt (t) opacinin V L2 + 12 Nstands ,min 5 où L et / sont respectivement des longueur et largeur moyennes de stand, et vitesse de nuage minimale observée sur la ferme photovoltaïque. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant, pour discriminer un nuage dans un front nuageux : 10 - évaluer des dérivées, relativement au temps, des variations de production respectives d'au moins deux groupes respectifs, à des instants respectifs décalés d'une durée T, - estimer une corrélation entre lesdites dérivées, un nuage identique étant détecté comme passant au-dessus de deux groupes différents dans le cas où la corrélation estimée entre les dérivées respectives de ces deux groupes est 15 supérieure à une valeur seuil prédéterminée. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la corrélation est donnée par : ftti2 (t) ) (t - -c)clt P= (t)2 dt f tfl dI2 (t - -c)2c/t 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel, pour déterminer si un nuage 20 recouvrant un deuxième groupe de coordonnées (x2, y2) dans la ferme photovoltaïque, à un instant ti2, est le même que celui ayant recouvert un premier groupe de coordonnées (x1, yi) dans la ferme photovoltaïque, à un instant t1, on détermine un bornage défini par : Vapproxi 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, le nuage ayant recouvert le premier groupe entre les instants tiret tfi, la vitesse du nuage est donnée par approximation selon la relation : Vapproxi tf t- J1 11 où L1 et /1 sont les longueur et largeur du premier groupe. 5 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, comportant : - déterminer en fonction d'une topologie prédéterminée de la ferme photovoltaïque et d'une détection d'un recouvrement d'un groupe de modules par un nuage, des groupes de modules suivants, susceptibles d'être recouverts par le nuage, pour évaluer une prévision 10 de perte de production future de la ferme photovoltaïque (S15). 12. Dispositif informatique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant : - une interface de réception connectée à une pluralité de boitiers respectifs de groupes, 15 pour recevoir des mesures respectives de production électrique desdits groupes, et - un circuit de traitement comportant un processeur relié à ladite interface. 13. Programme informatique caractérisé en ce qu'il comporte des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 11, lorsque ce programme est 20 exécuté par un processeur.