Brevet FR3060229A1 — publié le 20180615

Commande en puissance d'onduleurs d'une installation photovoltaïque pour la participation au réglage en fréquence du réseau de distribution électrique La présente invention concerne la gestion d'une installation photovoltaïque, de production d'électricité, comportant une pluralité d'onduleurs assurant le raccordement entre des panneaux photovoltaïques de l'installation et un réseau de distribution d'électricité. Elle concerne notamment un procédé permettant à de telles installations de participer à la régulation de la fréquence du réseau, sans recours à un moyen de stockage d'énergie électrique, et sans modification du contrôle interne des onduleurs actuellement disponibles dans le commerce. Actuellement, en France au moins, les services nécessaires au réglage de la fréquence (fréquence nominale de 50 Hz en France) sont réalisés essentiellement par les producteurs conventionnels (en charge de la production telle qu'issue de l'hydraulique, du nucléaire, etc.). Les producteurs d'énergies de type communément appelé « énergies renouvelables » (éolien, photovoltaïque, etc.) en sont dispensés. Ces services de réglage de fréquence ont pour but d'aider à stabiliser la fréquence du réseau autour d'une fréquence nominale (50 Hz en France). Pour ce faire, il est demandé à certains producteurs (notamment les producteurs conventionnels en France) : - d'augmenter la puissance en cas de constat de sous-fréquence du réseau (symptomatique d'un manque de production ou d'une surconsommation dans le système), - de diminuer la puissance en cas de constat de de sur-fréquence (symptomatique d'un excès de production ou d'un manque de consommation). Un producteur conventionnel peut y procéder en fixant le point de consigne à fréquence nominale de son installation en-dessous de la puissance maximale de celle-ci. Ainsi par exemple, si la fréquence est en-dessous de sa valeur nominale de 50 Hz, par exemple 49,8 Hz, alors il est souhaité que l'installation produise davantage d'énergie électrique (plus précisément de puissance active) pour compenser le manque de production et pour faire en sorte que la fréquence du réseau revienne à sa valeur nominale de 50 Hz. Inversement, il peut être demandé aux producteurs de diminuer provisoirement leur production en cas de constat d'une sur-fréquence sur le réseau (fréquence supérieure à la fréquence nominale, par exemple 50,2 Hz au lieu de 50 Hz en France, symptomatique d'une surproduction d'énergie électrique dans le système). En outre, le soutien dynamique à la fréquence, par une libération très rapide de la réserve, permet d'améliorer la qualité de fourniture dans les réseaux sensibles, comme les systèmes insulaires, en intervenant très rapidement suite à une perturbation. 3060229 2 Aujourd'hui, en France au moins, les producteurs d'énergies de type « énergies renouvelables » (éolien, photovoltaïque, etc.) sont dispensés de participer au réglage de fréquence. Ainsi, les installations photovoltaïques sont habituellement pilotées pour que les panneaux photovoltaïques extraient à chaque instant le maximum de puissance solaire disponible. Ce pilotage 5 se fait par le contrôle interne de chaque onduleur, avec des algorithmes qui permettent de trouver le point de fonctionnement optimal du panneau solaire (courant, tension) afin d'extraire un maximum de puissance. Le type d'algorithme habituellement utilisé pour réaliser ce pilotage est appelé « Maximum Power Point Tracking » (« MPPT » ci-après) et consiste en la recherche du maximum de puissance fournie par chaque panneau, en fonction de la tension appliquée à ses bornes. Le point 10 de fonctionnement associé est appelé « Maximum Power Point » (« MPP » ci-après). Cependant, avec le développement massif des énergies renouvelables sur les réseaux électriques, il est de plus en plus souvent demandé aux nouvelles installations (y compris celles de type à « énergies renouvelables ») de participer au soutien dynamique et/ou au réglage de la fréquence. Dans le cas d'une sur-fréquence, des solutions existent pour diminuer temporairement la puissance 15 produite par des producteurs d'énergie renouvelable. Ces solutions permettent uniquement de participer à la réserve « à la baisse » (c'est-à-dire de diminuer la production quand la fréquence augmente). Dans le cas de producteurs exploitant l'énergie éolienne par exemple, il est possible de piloter la vitesse mécanique des turbines ou l'angle de calage des pales des turbines éoliennes afin de diminuer la puissance produite. 20 Dans le cas des installations photovoltaïques, on peut diminuer la puissance produite en s'écartant de la tension correspondant au point de fonctionnement MPP des panneaux l'alimentant. Une telle réalisation est proposée dans le document FR 15 59128 au nom de la demanderesse. Cependant, cette stratégie implique le contrôle interne de l'onduleur relié à un panneau ou un groupe de panneaux photovoltaïques. Or, l'onduleur est généralement verrouillé par le constructeur pour qu'il 25 ne puisse être utilisé que comme une « boite noire » par l'exploitant. En revanche, de nombreux onduleurs commerciaux restent pilotables en puissance, c'est-à-dire que l'exploitant peut envoyer une consigne de puissance active -cons cons à l'onduleur, et cette puissance sera produite en sortie de l'onduleur (avec une certaine précision et un certain retard), si toutefois cette puissance reste inférieure à celle PMPP correspondant à son MPP. Si la consigne de puissance 30 Pcons est supérieure à Pmpp de l'onduleur, alors la puissance produite sera limitée à la puissance maximale disponible, c'est-à-dire la puissance Pmpp (appelée le « MPP » par la suite). Concrètement, un exploitant d'un onduleur photovoltaïque peut diminuer la puissance produite en envoyant une consigne de puissance inférieure au MPP de l'onduleur. Ainsi, cette puissance Pions cons peut être considérée comme une consigne de limitation de puissance active. 3060229 3 Afin de pouvoir soutenir le réseau en cas de baisse de fréquence, il convient de maintenir une réserve « à la hausse », et ainsi conserver une marge entre la puissance disponible et la puissance réellement injectée au réseau. La variabilité des ressources primaires (vent, soleil, etc.) rend particulièrement difficile cette constitution de réserve. 5 La solution technique souvent retenue pour répondre à cette difficulté et contribuer au soutien dynamique et/ou au réglage de fréquence consiste à ajouter un dispositif de stockage au sein de l'installation. Néanmoins, cette solution présente comme inconvénient majeur un investissement supplémentaire à réaliser dans un tel dispositif de stockage. La présente invention vient améliorer cette situation. 10 A cet effet, il est proposé une modification intrinsèque du fonctionnement des onduleurs photovoltaïques et donc une modification des modes habituels de leur pilotage. Selon un premier aspect, l'invention propose un procédé, mis en oeuvre par des moyens informatiques, de contrôle de la puissance électrique produite par une installation de panneaux 15 photovoltaïques pour constituer une réserve de puissance, l'installation comportant un ensemble de N onduleurs pour piloter la puissance produite par lesdits panneaux photovoltaïques, le procédé, mené itérativement sur des onduleurs successifs parmi l'ensemble des N onduleurs, comprenant : - Emettre des consignes respectives à un nombre k d'onduleurs parmi l'ensemble des N onduleurs, pour produire chacun une puissance maximale, le nombre k étant inférieur au nombre N et les k 20 onduleurs étant déterminés pour une itération donnée du procédé, - Obtenir des k onduleurs des mesures de puissances maximales produites respectivement par les k onduleurs et enregistrer en mémoire lesdites mesures pour les k onduleurs, ladite mémoire stockant en outre N-k mesures obtenues de N-k onduleurs complémentaires lors d' au moins une itération précédente du procédé, 25 - Estimer, par lecture du contenu de la mémoire, une puissance maximale totale susceptible d'être produite par l'ensemble des N onduleurs de l'installation, - Obtenir une information relative à une quantité de puissance de réserve à constituer, et déterminer une puissance globale à produire de sorte que l'écart entre ladite puissance globale et ladite puissance maximale totale corresponde à ladite quantité de puissance de réserve à constituer, 30 - Maintenir les consignes des k onduleurs de produire une puissance maximale, et émettre des consignes respectivement à N-k onduleurs complémentaires pour produire une puissance cible 3060229 4 inférieure à une puissance maximale, afin que la somme des N-k puissances cibles et des k puissances maximales corresponde à ladite puissance globale à produire, - Choisir parmi les N onduleurs un ou plusieurs onduleurs suivants pour remplacer les k onduleurs dans une itération suivante du procédé. 5 Ainsi, la présente invention vient utiliser simplement la faculté actuelle des onduleurs connus à déterminer leur point de fonctionnement permettant de délivrer une puissance maximale, ce qui permet ainsi de déterminer la réserve en puissance possible de l'installation, par déterminations cycliques des puissances maximales de tous les onduleurs. Certains de ces onduleurs (k onduleurs) sont alors pilotés afin d'atteindre cette puissance maximale alors que les autres onduleurs (N-k 10 onduleurs) peuvent participer à la constitution de réserve, et ce successivement (par exemple par permutation circulaire). L'invention ne nécessite donc qu'un dispositif informatique communiquant avec les onduleurs pour piloter leur fonctionnement selon un tel procédé. Dans une réalisation avantageuse, une temporisation est appliquée entre l'émission des consignes 15 aux k onduleurs et l'obtention des mesures de puissances maximales des k onduleurs, afin de tenir compte d'une latence de recherche par chaque onduleur du maximum de puissance pouvant être produite. Cette recherche peut être typiquement une routine préexistante (dite « MPPT ») et décrite plus en détails plus loin. 20 Dans une réalisation, chaque consigne aux k onduleurs d' atteindre la puissance maximale comporte une consigne de rampe temporelle à respecter, pour une augmentation progressive de la puissance produite par chacun des k onduleurs. Une telle réalisation permet d'éviter des pics de puissance produite, au-delà d'une consigne de puissance globale à respecter, comme on le verra plus loin. 25 Dans une réalisation, avant l'émission d'une consigne de puissance cible à un onduleur donné, il est vérifié si ledit onduleur donné a reçu une consigne de production de puissance maximale à l'itération précédente du procédé, et le cas échéant la consigne de puissance cible à cet onduleur donné comporte une consigne de rampe temporelle à respecter pour une diminution progressive de la puissance produite par cet onduleur donné jusqu'à la puissance cible. Là encore, une telle 30 réalisation permet d'éviter des baisses non voulues de production de puissance, au-deçà d'une consigne de puissance globale à respecter. 3060229 5 Dans cette réalisation, combinée à la précédente, les rampes d'augmentation et de diminution sont choisies avantageusement pour conserver sur l'ensemble des N onduleurs une puissance globale produite correspondant à ladite puissance globale à produire. Cette précaution permet de lisser la puissance globale produite en la rendant conforme à la consigne globale calculée, comme on le 5 verra en particulier sur la figure 4B commentée plus loin. Dans une réalisation, chaque consigne de puissance cible est déterminée pour respecter un même écart entre la puissance cible et la puissance maximale pour tous les N-k onduleurs complémentaires. Une telle réalisation permet de répartir la réserve à constituer sur les N-k 10 onduleurs qui ne sont pas à leur maximum de puissance produite. Dans une réalisation, la réserve précitée de puissance de l'installation est constituée en vue de libérer toute ou partie de ladite réserve en fonction d'une déviation de fréquence par rapport à une fréquence nominale d'un réseau de distribution d'électricité auquel les onduleurs sont connectés. 15 En particulier, l'information précitée relative à une quantité de puissance de réserve à constituer peut être une valeur directement mesurée de la fréquence du réseau de distribution, en fonction de laquelle est calculée ladite quantité de puissance de réserve à constituer. En variante, cette information relative à une quantité de puissance de réserve à constituer peut être une consigne de constitution de réserve reçue d'une entité gestionnaire du réseau de distribution. 20 Dans une réalisation, dans une itération suivante du procédé, on choisit, parmi les N onduleurs, k onduleurs suivants pour remplacer k onduleurs précédents d'une itération précédente (en respectant donc le même nombre k d'une itération à la suivante). Typiquement, on peut prévoir une permutation cyclique de k onduleurs à chaque itération, parmi les N onduleurs. 25 La présente invention vise aussi un programme informatique (et son support mémoire) comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé ci-avant, lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Les figures 3 et 5 sont des ordinogrammes possibles de l'algorithme général d'un tel programme Les figures 6 et 7 sont des ordinogrammes possibles de sous-routines particulières de 30 cet algorithme général. 3060229 6 La présente invention vise aussi un dispositif informatique comportant un circuit de traitement comprenant un processeur pour la mise en oeuvre du procédé ci-avant. Comme illustré sur la figure 2 commenté en détails plus loin, le circuit de traitement inclut en outre au moins : - une interface de communication (INT) avec les onduleurs, et 5 - une mémoire (STO) d'enregistrement des mesures de puissances maximales produites successivement par les onduleurs. Ainsi, le procédé permet la gestion des consignes de puissance active de chaque onduleur du système, en fonction : 10 - des mesures de puissance active de chaque onduleur, pratiquement en temps réel, et - d'une mesure en temps réel de fréquence du réseau de distribution au point de raccordement (et/ou d'un signal de contrôle en provenance d'une entité gestionnaire de réseau). Ce procédé permet à des installations photovoltaïques préexistantes d'être adaptées, sans remplacement des onduleurs actuels ni prévision de nouveaux capteurs, pour participer au réglage 15 de la fréquence. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-après d'exemples de réalisation de l'invention, et à l'examen des dessins annexés sur lesquels : 20 - la figure 1 illustre une installation à panneaux photovoltaïques pilotés par des onduleurs, communiquant avec un dispositif au sens de l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif au sens de l'invention, - la figure 3 illustre des étapes principales d'un procédé au sens de l'invention, dans un exemple de réalisation, 25 - la figure 4A illustre une variation de fréquence du réseau de distribution d'électricité, en entrée de paramètre pour un dispositif de gestion d'une installation à trois onduleurs dont les puissances délivrées sont illustrées sur la figure 4B (bas de la figure 4B pour les puissances individuelles délivrées), - la figure 5 illustre un ordinogramme détaillé d'un exemple de réalisation d'un procédé selon 30 l'invention, 3060229 7 - la figure 6 illustre un détail de réalisation de l'étape S3 de la figure 5, - la figure 7 illustre un détail de réalisation de l'étape S12 de la figure 5. La présente invention concerne la gestion d'une installation de panneaux photovoltaïques telle 5 qu'illustrée sur la figure 1. L'installation comporte plusieurs panneaux photovoltaïques reliés par groupes PV1, PV2, PVN à des onduleurs respectifs OND1, OND2, ONDN. Les panneaux produisent de l'électricité par effet photovoltaïque et chaque onduleur auquel ils sont reliés peut être piloté en puissance produite Ppl, Pp2, PpN en sortie de chaque onduleur, par un dispositif informatique (type ordinateur) DIS. A cet effet, le dispositif DIS peut émettre une consigne 10 CONS1, CONS2, CONSN, pour chaque onduleur OND1, OND2, ONDN. En particulier, cette consigne pour un onduleur peut être d'atteindre un maximum de puissance produite PMPP. Une fois cette valeur de puissance PMPP atteinte par un onduleur, ce dernier transmet habituellement au dispositif DIS la puissance maximale atteinte PMPP. Ainsi, le dispositif DIS peut connaitre à tout moment une mesure de cette puissance maximale atteignable PMPP. Cette valeur PMPP est variable et 15 dépend bien entendu des conditions d'ensoleillement (elle est d'autant élevée que l'ensoleillement est important). Ainsi, la valeur PMPP que transmet chaque onduleur au dispositif DIS représente une mesure (flèches MES1, MES2, MESN) à un instant courant de la puissance maximale pouvant être atteinte et que peut délivrer cet onduleur (et dépendant ainsi du degré d'ensoleillement à cet instant courant). 20 Plus précisément, les onduleurs sont habituellement pilotés pour que leurs panneaux photovoltaïques extraient à chaque instant le maximum de la puissance solaire disponible. Le type d'algorithme de commande habituellement utilisé pour réaliser ce pilotage est appelée « Maximum Power Point Tracking » (« MPPT ») et consiste en la recherche du maximum de puissance fournie par chaque panneau, en fonction de la tension appliquée à ses bornes. Le point de fonctionnement 25 associé est appelé « Maximum Power Point » (« MPP »). On peut également diminuer (« brider ») la puissance produite par un onduleur en s'écartant de la tension correspondant au point de fonctionnement MPP des panneaux l'alimentant. Dans ce cas, la puissance produite Pp est inférieure à la puissance PMPP. En pratique, les algorithmes de contrôle du point de fonctionnement des panneaux photovoltaïques sont intégrés dans une unité de contrôle-commande des onduleurs 30 disponibles dans le commerce, et verrouillés par les constructeurs. Ainsi, pour un utilisateur, l'onduleur se comporte comme une « boite noire », avec un choix restreint de modes de pilotage externe. Néanmoins, la plupart des onduleurs proposent au moins deux modes de pilotage : 3060229 8 - le pilotage au MPP : l'onduleur fonctionne en mode MPP pour délivrer la puissance maximum PMPP à un instant courant et utilise un algorithme de type MPPT pour extraire le maximum de puissance à tout instant, - le pilotage par consigne de puissance Pcons : l'onduleur reçoit une consigne de puissance, par 5 exemple venant d'un appareil externe, et essaie de réaliser cette consigne. Si la puissance solaire disponible est suffisante, l'onduleur cherche alors un point de fonctionnement du panneau photovoltaïque permettant de réaliser la consigne de puissance demandée (par exemple en modifiant la tension aux bornes du panneau par rapport à la tension donnant la puissance maximale PMPP). On peut considérer dans ce cas que l'onduleur est « bridé » car il n'exploite pas le panneau 10 au maximum et n'extraie donc pas le maximum de puissance disponible. Cependant il fournit bien une puissance correspondant à la consigne qui lui a été envoyé. En revanche, si la consigne de puissance envoyée à l'onduleur est supérieure à la puissance solaire disponible, l'onduleur cherche à fonctionner au maximum de puissance disponible, c'est-à-dire en pilotage « MPP » tant que cette puissance maximum disponible reste inférieure à la consigne. 15 On considère, dans le cadre de la présente invention, que les onduleurs peuvent chacun recevoir : - une consigne de puissance permettant de brider la puissance du panneau si la puissance disponible le permet, et - un ordre de fonctionner au MPP, et ainsi trouver le point de puissance maximum grâce aux algorithmes de type MPPT implémentés dans le contrôleur interne de l'onduleur. 20 L'invention propose alors de profiter de ces modes possibles de fonctionnement pour constituer une réserve de puissance électrique générée par les panneaux et contribuer ainsi à l'équilibre de la fréquence du réseau de distribution électrique (comme le but décrit dans le document FR 15 59128). Il s'agit par exemple de corriger un écart de fréquence Af par rapport à une fréquence nominale (en France de 50 Hz). En principe, plus la fréquence est haute (Af >0) et plus il 25 convient de réduire la puissance produite. Plus la fréquence est basse (Af REVENDICATIONS1. Procédé, mis en oeuvre par des moyens informatiques, de contrôle de la puissance électrique produite par une installation de panneaux photovoltaïques pour constituer une réserve de puissance, l'installation comportant un ensemble de N onduleurs pour piloter la puissance produite par lesdits panneaux photovoltaïques, le procédé, mené itérativement sur des onduleurs successifs parmi l'ensemble des N onduleurs, comprenant : - Emettre des consignes respectives à un nombre k d'onduleurs parmi l'ensemble des N onduleurs, pour produire chacun une puissance maximale (a), le nombre k étant inférieur au nombre N et les k onduleurs étant déterminés pour une itération donnée du procédé, - Obtenir des k onduleurs des mesures de puissances maximales produites respectivement par les k onduleurs et enregistrer en mémoire lesdites mesures pour les k onduleurs (c), ladite mémoire stockant en outre N-k mesures obtenues de N-k onduleurs complémentaires lors d'au moins une itération précédente du procédé, - Estimer, par lecture du contenu de la mémoire, une puissance maximale totale susceptible d'être produite par l'ensemble des N onduleurs de l'installation (d), - Obtenir une information relative à une quantité de puissance de réserve à constituer, et déterminer une puissance globale à produire de sorte que l'écart entre ladite puissance globale et ladite puissance maximale totale corresponde à ladite quantité de puissance de réserve à constituer (e), - Maintenir les consignes des k onduleurs de produire une puissance maximale, et émettre des consignes respectivement à N-k onduleurs complémentaires pour produire une puissance cible inférieure à une puissance maximale, afin que la somme des N-k puissances cibles et des k puissances maximales corresponde à ladite puissance globale à produire (f), - Choisir parmi les N onduleurs un ou plusieurs onduleurs suivants pour remplacer les k onduleurs dans une itération suivante du procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une temporisation (b) est appliquée entre l'émission des consignes aux k onduleurs et l'obtention des mesures de puissances maximales des k onduleurs, pour tenir compte d'une latence de recherche par chaque onduleur du maximum de puissance pouvant être produite. 3060229 22 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque consigne aux k onduleurs d'atteindre la puissance maximale comporte une consigne de rampe temporelle à respecter, pour une augmentation progressive de la puissance produite par chacun des k onduleurs. 5 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, avant l'émission d'une consigne de puissance cible à un onduleur donné, il est vérifié si ledit onduleur donné a reçu une consigne de production de puissance maximale à l'itération précédente du procédé, et le cas échéant la consigne de puissance cible à cet onduleur donné comporte une consigne de rampe temporelle à respecter pour une diminution progressive de la puissance produite par cet onduleur donné jusqu'à la 10 puissance cible. 5. Procédé selon la revendication 4, prise en combinaison avec la revendication 3, dans lequel les rampes d'augmentation et de diminution sont choisies pour conserver sur l'ensemble des N onduleurs une puissance globale produite correspondant à ladite puissance globale à produire. 15 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque consigne de puissance cible est déterminée pour respecter un même écart entre la puissance cible et la puissance maximale pour tous les N-k onduleurs complémentaires. 20 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite réserve de puissance de l'installation est constituée en vue de libérer toute ou partie de ladite réserve en fonction d'une déviation de fréquence (4f) par rapport à une fréquence nominale d'un réseau de distribution d'électricité auquel les onduleurs sont connectés. 25 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite information relative à une quantité de puissance de réserve à constituer est une valeur mesurée de la fréquence du réseau de distribution, en fonction de laquelle est calculée ladite quantité de puissance de réserve à constituer. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite information relative à une quantité de 30 puissance de réserve à constituer est une consigne de constitution de réserve reçue d'une entité gestionnaire du réseau de distribution. 3060229 23 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, dans une itération suivante du procédé, on choisit, parmi les N onduleurs, k onduleurs suivants pour remplacer k onduleurs précédents d'une itération précédente, en effectuant une permutation cyclique de k onduleurs à 5 chaque itération. 11. Programme informatique caractérisé en ce qu'il comporte des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, lorsque ce programme est exécuté par un processeur. 10 12. Dispositif informatique comportant un circuit de traitement comprenant un processeur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, le circuit de traitement incluant en outre au moins : - une interface de communication (INT) avec les onduleurs, et 15 - une mémoire (STO) d'enregistrement des mesures de puissances maximales produites successivement par les onduleurs.