Brevet FR3092709A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : Dispositif d'alimentation électrique d'au moins un organe de consommation d'énergie électrique ou d'au moins un organe de restitution d'énergie électrique [pool La présente invention concerne le domaine des véhicules électriques. [0002] Il est connu d'alimenter un moteur électrique, notamment un moteur électrique dont la tension d'alimentation présente une valeur fixe ou régulée, entrainant un organe de traction d'un véhicule, à partir d'un élément de stockage d'énergie électrique. En revanche, lorsqu'une pluralité d'éléments de stockage d'énergie électrique sont répartis en différents endroits d'un véhicule et interconnectés pour alimenter en énergie électrique au moins un moteur électrique entraimmt un organe de traction dudit véhicule, une répartition physique inégale des éléments de stockage relativement au(x) moteur(s) peut générer des chutes de tension dans les câbles d'interconnexions. Les énergies délivrées par les éléments de stockage peuvent devenir erratiques, et engendrer d'énormes appels de courant entre les éléments de stockage. [0003] L'invention a donc pour but de proposer une solution à tout ou partie de ces problèmes. [0004] A cet effet, la présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique d'au moins un organe de consommation d'énergie électrique ou d'au moins un organe de restitution d'énergie électrique ou d'au moins un organe de consommation et de restitution d'énergie électrique d'une installation électrique, le dispositif comprenant une pluralité de générateurs d'énergie électrique, chaque générateur de la pluralité étant connecté électriquement en parallèle avec les autres générateurs, chaque générateur comprenant une unité de calcul, un convertisseur de puissance et un élément de stockage et de restitution d'énergie électrique, le convertisseur de puissance d'un générateur étant bidirectionnel et configuré pour contrôler une valeur d'une grandeur de réglage sur la base d'une puissance électrique de charge ou de décharge de l'élément de stockage dudit générateur, la puissance électrique de charge ou de décharge étant calculée en temps-réel par l'unité de calcul en fonction : - d'une fonction des valeurs des grandeurs de réglage de la puissance électrique de charge ou de décharge de chacun des éléments de stockage et de restitution des autres générateurs, et - d'une puissance de consigne P déterminée, et - d'un nombre de générateurs qui sont dans un état. de fonctionnement déterminé, la somme des puissances électriques de charge ou de décharge de chaque élément de stockage de chaque générateur de la pluralité étant égale à la puissance électrique de 2 consigne P déterminée. [0005] Selon ces dispositions, la régulation de la valeur de la grandeur de réglage de chaque générateur de la pluralité de générateurs du dispositif est distribuée sur chaque générateur qui est configuré pour assurer cette régulation de manière autonome en fonctions des informations qu'il reçoit de chacun des autres générateurs. [0006] Selon un mode de réalisation, l'invention comprend une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes, seules ou en combinaison. [0007] Selon un mode de réalisation, l'au moins un organe de consommation est configuré pour exclusivement consommer une énergie électrique fournie par le dispositif, l'au moins un organe de restitution est configuré pour exclusivement restituer une énergie électrique au dispositif, l'organe de consommation et de restitution est configuré pour alternativement consommer une énergie électrique délivrée par le dispositif, ou pour restituer une énergie électrique au dispositif. [0008] Selon un mode de mise en oeuvre la puissance de consigne déterminée est déterminée par une différence entre une tension de consigne de l'installation électrique et une tension mesurée aux homes de chaque générateur. [0009] Selon ces dispositions, les valeurs des grandeurs de réglage convergent vers les mêmes valeurs, quelles que soient les conditions initiales ou les impédances de l'installation entre chaque générateur, tout en conservant une tension de l'installation électrique régulée autour de la tension de consigne de l'installation électrique. [0010] Selon un mode de réalisation, la fonction de la fonction des valeurs des grandeurs de réglage et de la puissance de consigne, est une fonction de Lyapounov. [0011] Selon ces dispositions, pour une puissance de consigne donnée, la puissance électrique de charge ou de décharge est répartie de manière non équitable sur les différents éléments de stockage et de restitution électrique, de manière à ce que la grandeur de réglage de la puissance électrique soit maintenue équilibrée sur l'ensemble des générateurs, quelles que soient les conditions initiales. [0012] Selon un mode de réalisation, l'installation électrique est un véhicule motorisé, par exemple un tramway, ou un train, ou un bus, ou un camion, ou bateau, ou un aéronef. [0013] Selon un mode de réalisation, l'organe de consommation d'énergie électrique est un moteur électrique réversible, configuré pour fonctionner alternativement dans un mode de consommation d'énergie électrique, et dans un mode de restitution d'énergie électrique. [0014] Selon un mode de réalisation, la puissance électrique de charge ou de décharge est calculée par l'unité de calcul selon une périodicité temporelle déterminée, au moins en partie, en fonction de la fréquence de fonctionnement ou de la fréquence de coupure du convertisseur de puissance du générateur, selon un temps de réponse du système. [0015] Selon un mode de réalisation, la grandeur de réglage d'une puissance électrique est 3 une tension électrique ou une intensité de courant électrique ou un comptage cumulé d'une charge électrique traversant l'élément de stockage. [0016] Selon ces dispositions, la tension ou l'intensité au bornes des éléments de stockage des générateurs est équilibrée, quelles que soient les conditions initiales, quelle que soit la valeur énergétique des éléments de stockage, quel que soit le nombre de générateurs connectés en parallèle. [0017] Selon ces dispositions, la puissance de consigne est fractionnée instantanément et ajustée de manière à équilibrer les tensions, ou les courants aux bornes des éléments de stockage. [0018] Selon ces dispositions, la somme des puissances calculées par générateurs sera toujours égale à la puissance de consigne. [0019] Selon un aspect, l'invention concerne également un procédé pour la fourniture d'une énergie électrique à ou pour la récupération d'une énergie électrique restituée par, au moins un organe de consommation d'énergie électrique ou au moins un organe de restitution d'énergie électrique ou au moins un organe de consommation et de restitution d'énergie électrique, d'une installation électrique, l'énergie électrique étant délivrée par ou restituée à une pluralité de générateurs d'énergie électrique, chaque générateur de la pluralité étant connecté électriquement en parallèle avec les autres générateurs, chaque générateur comprenant une unité de calcul, un convertisseur de puissance bidirectionnel et un élément de stockage et de restitution d'énergie électrique, le procédé comprenant les étapes suivantes sont mises en oeuvre puis répétées selon une fréquence temporelle de répétition, par chaque générateur de la pluralité de générateurs: - lecture par l'unité de calcul dudit générateur d'une valeur d'une grandeur de réglage du convertisseur de puissance dudit générateur, et de la valeur de la grandeur de réglage du convertisseur de puissance des autres générateurs ; - lecture par l'unité de calcul de la valeur d'un état du fonctionnement dudit générateur, et de la valeur d'un état du fonctionnement de chacun des autres générateurs de la pluralité; - transmission par l'unité de calcul aux autres générateurs de la valeur de la grandeur de réglage du convertisseur de puissance dudit générateur et de l'état du fonctionnement dudit générateur ; - calcul par l'unité de calcul d'un nombre de générateurs qui sont dans un état de fonctionnement déterminé, à partir de la valeur de l'état du fonctionnement dudit générateur, et de la valeur de l'état du fonctionnement de chacun des autres gé- nérateurs de la pluralité ; - calcul par l'unité de calcul d'une puissance électrique de charge ou de décharge de l'élément de stockage dudit générateur, en fonction : - d'une fonction de la valeur de la grandeur de réglage de la puissance électrique de charge ou de décharge de chacun des éléments de stockage et de restitution dudit générateur et des autres générateurs, et - d'une puissance de consigne déterminée et du nombre de générateurs qui sont dans un état de fonctionnement déterminé, [0020] la somme des puissances électriques de charge ou de décharge de chaque élément de stockage de chaque générateur de la pluralité étant égale à la puissance électrique de consigne déterminée ; - contrôle de la valeur de de la grandeur de réglage de l'élément de stockage et de restitution dudit générateur sur la base de la puissance électrique de charge ou de décharge calculée par l'unité de calcul dudit générateur. [0021] Selon un mode de mise en oeuvre, l'invention comprend une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes, seules ou en combinaison. [0022] Selon un mode de mise en oeuvre, l'au moins un organe de consommation est configuré pour exclusivement consommer une énergie électrique fournie par le dispositif, l'au moins un organe de restitution est configure pour exclusivement restituer une énergie électrique au dispositif, l'organe de consommation et de restitution est configure pour alternativement consommer une énergie électrique délivrée par le dispositif, ou pour restituer une énergie électrique au dispositif [0023] Selon un mode de mise en oeuvre, la fonction de la valeur de la grandeur de réglage de la puissance électrique de charge ou de décharge, est une fonction de Lyapounov. [0024] Selon un mode de mise en oeuvre, la fréquence temporelle de répétition est dé- terminée au moins en partie en fonction de la fréquence de fonctionnement ou de la fréquence de coupure du convertisseur de puissance du générateur. [0025] Pour sa bonne compréhension, un mode de réalisation et/ou de mise en oeuvre de l'invention est décrit en référence aux dessins ci-annexés représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation ou de mise en oeuvre respectivement d'un dispositif et/ou d'un procédé selon l'invention. Les mêmes références sur les dessins désignent des éléments similaires ou des éléments dont les fonctions sont similaires. [0026] [fig.1] est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention ; [0027] [fig.2] est une représentation schématique d'un générateur selon l'invention ; [0028] [fig.3] est une représentation schématique des échanges de données entre plusieurs générateurs d'un dispositif selon l'invention ; [0029] [fig.4] est une représentation schématique des étapes d'un procédé selon l'invention. [0030] Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, le dispositif d'alimentation électrique selon l'invention comprend une pluralité de générateurs d'énergie électrique (1011, 101,, 1013), chaque générateur de la pluralité étant connecté électriquement en parallèle avec les autres générateurs, de manière à fournir l'énergie électrique requise par au moins un organe de consommation d'énergie électrique ou de restitution d'énergie électrique ou de consommation et de restitution d'énergie électrique (102,) d'une installation électrique ; l'au moins un organe de consommation est configuré pour exclusivement consommer une énergie électrique fournie par le dispositif ; l'au moins un organe de restitution est configuré pour exclusivement restituer une énergie électrique au dispositif ; l'au moins un organe de consommation et de restitution est configuré pour alternativement consommer une énergie électrique délivrée par le dispositif, ou pour restituer une énergie électrique au dispositif; selon un mode de réalisation, l'installation électrique est un véhicule motorisé, par exemple un tramway, ou un train, ou un bus , ou un bateau ou un aéronef ; et l'organe de consommation électrique est par exemple un moteur électrique réversible, configuré pour fonctionner alternativement dans un mode de consommation d'énergie électrique, et dans un mode de restitution d'énergie électrique et configuré pour actionner un moyen de propulsion ou de traction dudit véhicule. A titre d'exemple, le véhicule est un tramway comportant une ou plusieurs rames ou wagons, chaque rame ou wagon étant équipé d'une ou plusieurs roues motrices entrainécs par un ou plusieurs moteurs électriques ; par ailleurs une ou plusieurs rames ou wagons du tramway peuvent être équipes chacune d'un ou plusieurs générateurs électriques (1011, 101,,1013) selon l'invention. Les rames qui sont équipés de roues électriquement motorisées peuvent être différentes des rames qui sont équipés d'un ou plusieurs générateurs électriques, les générateurs électriques montés sur différentes rames étant électriquement connectés les uns avec les autres et aux diffèrent moteurs électriques, par exemple le long d'au moins un câble déployé sur l'ensemble des rames, de manière à assurer en parallèle la fourniture de la puissance électrique requise par ces moteurs électriques. Les moteurs électriques peuvent avoir des puissances différentes. [0031] Selon un mode de réalisation, les générateurs électriques peuvent être en tout ou partie groupés au sein d'un ou plusieurs coffres comprenant plusieurs générateurs couplés en parallèle, les coffres étant alors eux-mêmes connectés entre eux les uns avec les autres pour assurer en parallèle la fourniture de la puissance électrique requise par ces moteurs électriques. [0032] Selon le mode de réalisation de type tramway ou train qui vient d'être décrit, les gé- nérateurs, et/ou les coffres groupant plusieurs générateurs, sont répartis physiquement à différents endroits du train, de sorte que certains peuvent être proches du ou des moteurs électriques 1021 d'entrainement des roues motrices du train, tandis que d'autres peuvent être plus éloignés Certains peuvent être raccordés à proximité d'une charge électrique supplémentaire comme les systèmes de climatisation. Cette répartition physique inégales des fonctions engendre des chutes de tension dans le ou les câbles d'interconnexions. 6 [0033] Sans un système de compensation ou de régulation, les énergies délivrées par chaque générateurs et/ou coffres seraient erratiques, engendrant d'énormes appels de courant entre générateurs et/ou coffres. [0034] Comme cela est illustré à la figure 2, selon un mode de réalisation, chaque générateur du dispositif comprend un convertisseur de puissance bidirectionnel CPk et un élément de stockage ESk d'énergie électrique. Le convertisseur de puissance est par exemple un convertisseur de 133 KW. Le convertisseur de puissance permet d'adapter une grandeur physique de type tension et/ou courant présente sur le réseau d'interconnexion des générateurs en une grandeur Vk de type tension et/ou courant correspondant au besoin des éléments de stockage d'énergie électrique. [0035] Afin que tous les éléments de stockage d'énergie des générateurs répartis sur le réseau d'alimentation des moteurs électriques soient sollicités de la même manière un procédé de calcul d'une puissance de charge et/ou de décharge ajustée pour chaque élément de stockage de chaque générateur est mis en oeuvre de façon à ce qu'une décharge de l'élément de stockage le plus chargé est privilégiée, et/ou une charge de l'élément de stockage le moins chargé est privilégié. Selon ces dispositions, la charge des différents éléments de stockage est sans cesse ramenée à un équilibre, et la circulation de courants intempestifs entre les éléments de stockage est évitée. [0036] La puissance de charge ou de décharge, ajustée pour chaque élément de stockage de chaque générateur, est calculée en fonction d'une puissance P de consigne liée à la demande des moteurs électriques d'entraînement des roues motrices. [0037] Le procédé de régulation est mis en oeuvre par chaque générateur de manière répartie. A cet effet, comme cela est illustré sur la figure 2, chaque générateur 1011, 1012.1011 comprend une unité de calcul UCk, l'unité de calcul d'un générateur étant configurée pour d'une part transmettre à toutes les unités de calculs des autres générateurs, selon une périodicité déterminée, une valeur de la grandeur Vis, caractéristique d'un réglage de l'élément de stockage du générateur, et d'autre part pour recevoir les valeurs de la grandeur Vk caractéristique d'un réglage de l'élément de stockage des autres générateurs interconnectés sur le réseau d'alimentation des moteurs. [0038] Le procédé de régulation prend également en compte la perte éventuelle d'un ou plusieurs générateurs du fait d'une panne éventuelle. Pour cela, chaque générateur 1011 entretien un indicateur Nk de son état de fonctionnement, qui est distribué par les unités de calcul de chaque générateur à toutes les unités de calculs des autres générateurs. Ces dispositions permettent d'assurer le fonctionnement du dispositif même en cas de panne d'un générateur 101k. [0039] Selon un aspect de l'invention, l'invention concerne un procédé. [0040] Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, les étapes suivantes, illustrées sur la figure 4, sont mises en oeuvre en temps-réel, puis répétées par chaque générateur selon 7 une fréquence temporelle de répétition, avec: [0041] - une étape de lecture 101 par l'unité de calcul UCk dudit générateur d'une valeur d'une grandeur VI, de réglage du convertisseur de puissance dudit générateur, et de la valeur de la grandeur Vk de réglage du convertisseur de puissance des autres générateurs ; - une étape de lecture 102 par l'unité de calcul UCk de la valeur d'un état Nk du fonctionnement dudit générateur, et de la valeur d'un état Nk du fonctionnement de chacun des autres générateurs 101, 101,,1013 de la pluralité; - une étape de transmission 103 par l'unité de calcul UCk aux autres générateurs de la valeur de la grandeur Vk de réglage du convertisseur de puissance dudit générateur et de l'état Nk du fonctionnement dudit générateur ; - une étape de calcul 104 par l'unité de calcul UCk d'un nombre de générateurs 101' 1012.1013 qui sont dans un état de fonctionnement déterminé, à partir de la valeur de l'état Nk du fonctionnement dudit générateur, et de la valeur de l'état Nk du fonctionnement de chacun des autres générateurs 101,, 101,,1013 de la pluralité ; - une étape de calcul 105 par l'unité de calcul UCk d'une puissance électrique Pcalk de charge ou de décharge de l'élément de stockage ESk dudit générateur, en fonction : - d'une fonction de la valeur de la grandeur Vk de réglage de la puissance électrique Pcalk de charge ou de décharge de chacun des éléments de stockage et de restitution dudit générateur et des autres générateurs 1011, 1012.1013, et - d'une puissance de consigne P déterminée et du nombre de générateurs 1011, 1012, 1013 qui sont dans un état de fonctionnement déterminé, [0042] la somme des puissances électriques Pcalk de charge ou de décharge de chaque élément de stockage de chaque générateur de la pluralité étant égale à la puissance électrique de consigne P déterminée ; - contrôle 106 de la valeur de de la grandeur Vk de réglage de l'élément de stockage et de restitution dudit générateur 1011, 1012.1011 sur la base de la puissance électrique Pcalk de charge ou de décharge calculée par l'unité de calcul dudit générateur 101,, 101 2.1011. [0043] Selon un mode de réalisation, la grandeur Vk de réglage correspond à un comptage cumulé d'une charge électrique traversant chaque élément de stockage ESk. [0044] Selon un mode de mise en oeuvre la puissance de consigne est déterminée par une différence entre une tension de consigne TC de l'installation électrique et une tension mesurée TM1, TM2, TM3 aux bornes de chaque générateur. [0045] Selon ces dispositions, les valeurs des grandeurs Vk de réglage convergent vers les mêmes valeurs, quelles que soient les conditions initiales ou les impédances 1, 2, 3 de l'installation entre chaque générateur 101, 1012,1013, tout en conservant une tension de l'installation électrique régulée autour de la tension de consigne TC de l'installation 8 électrique. [0046] La fréquence temporelle de répétition des étapes du procédé est déterminée, au moins en partie, en fonction de la fréquence de coupure ou de fonctionnement du convertisseur de puissance de chaque générateur ; Ainsi, la fréquence temporelle de répétition des étapes doit être supérieure ou égale à la fréquence de coupure ou de fonctionnement des convertisseurs de puissance. [0047] Selon un mode de mise en oeuvre, lorsque les générateurs sont groupés au sein d'un même coffre, la grandeur VI, de réglage est de préférence une tension électrique et la fréquence temporelle de répétition des étapes est de préférence plus élevée ; ainsi une fréquence temporelle correspondant à une période d'environ 5 ms est avantageuse. [0048] Selon un autre mode de mise en oeuvre, lorsque les générateurs sont dispersés phy- siquement sur un réseau d'alimentation électrique distribué, la dispersion physique des générateurs est à l'origine d'impédances différentes 1, 2, 3 sur les différentes parties du réseau sur lesquelles sont raccordées les bornes des générateurs, comme cela est illustré sur la figure 1 ; la compensation de ces différentes impédances aux bornes des générateurs est de préférence réalisée en utilisant une intensité de courant électrique pour la régulation des charges et décharges des éléments de stockage des générateurs, et en répétant les étapes du procédé de régulation selon une fréquence temporelle moins élevée que lorsque les générateurs sont groupés au sein d'un coffre ; ainsi une fréquence temporelle correspondant, par exemple, à une période d'environ 80 ms est avantageuse. [0049] Selon un mode de réalisation, lorsqu'un générateur est en défaut de fonctionnement, chaque générateur est configuré pour déterminer un nombre de générateur qui sont en état de bon fonctionnement : la valeur de l'état Nk de chaque générateur en état de bon fonctionnement est égale à 1, par exemple, et la valeur de l'état Nk de chaque générateur en état de non fonctionnement est égale à 0, de sorte qu'en additionnant, à l'étape de calcul 104, les valeurs reçues pour l'état NI, de chaque générateur, l'unité de calcul UCk de chaque générateur est en mesure de déterminer de manière autonome le nombre de générateurs qui sont en mesure de contribuer à l'alimentation en énergie électrique des organes de consommation électrique de l'installation. Chaque générateur est ainsi en mesure d'appliquer à la puissance de consigne P un ratio adapté pour que la puissance totale délivrée par l'ensemble des générateurs reste égale à la puissance de consigne P, après prise en compte de la régulation des valeurs de la grandeur VI de réglage de la charge et décharge des éléments de stockage selon une fonction déterminée. [0050] Selon un mode de mise en oeuvre, la fonction des valeurs de la grandeur Vk de réglage de la charge et de la décharge des éléments de stockage est une fonction de Lyapounov. Selon ces dispositions, pour une puissance de consigne donnée, la 9 puissance électrique de charge ou de décharge est répartie de manière non équitable sur les différents éléments de stockage et de restitution électrique, de manière à ce que la grandeur de réglage de la puissance électrique soit maintenue équilibrée sur l'ensemble des générateurs, quelles que soient les conditions initiales. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]