Brevet FR3131473A1 — publié le 20230630

Procédé de commande d’une puissance fournie à un réseau électrique (3) présentant une fréquence nominale, par un groupe de production électrique comportant une centrale de production électrique (1) et un système de stockage d’énergie à batteries (2), ce procédé comportant les étapes suivantes : – acquisition par un contrôleur d’hybridation (14) d’un premier signal (8) représentatif de la puissance à fournir au réseau électrique (3) ; – production, par le contrôleur d’hybridation (14), d’une consigne (10) de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries (2) ; – production, par le contrôleur d’hybridation (14), d’un signal de substitution (23) représentatif de la puissance à fournir par la seule centrale de production électrique (2) ; – acquisition, par un contrôleur de centrale (15) comportant une entrée (16) d’acquisition d’un signal représentatif de la puissance à fournir par la centrale de production électrique (1), dudit signal de substitution (23). Figure pour l’abrégé : Fig.1 PROCÉDÉ DE COMMANDE D’UNE PUISSANCE FOURNIE A UN RÉSEAU ÉLECTRIQUE, AVEC CONTRÔLEUR D’HYBRIDATION L’invention concerne le domaine de la production d’énergie électrique et de la gestion des réseaux de distribution d’énergie électrique. Elle concerne plus particulièrement les stratégies mises en œuvre au sein des centrales de production électrique pour maintenir la stabilité en fréquence des réseaux électriques. ART ANTÉRIEUR Dans la gestion de réseaux électriques, il existe plusieurs mécanismes, généralement normalisés, qui permettent à tout instant le maintien de l’équilibre entre la consommation et la production d’énergie électrique. Ces mécanismes permettent de stabiliser les caractéristiques électriques du réseau au niveau local, national, ou à plus large échelle. Par exemple, il existe en Europe un premier mécanisme dénommé « FCR » (pour Frequency Containment Reserve, en anglais) ou « réglage primaire de fréquence », qui permet de moduler la puissance produite par les groupes de production électrique en fonction de la déviation de la fréquence du réseau électrique. Cette déviation traduit en effet un déséquilibre entre production et consommation. De nombreuses solutions spécifiques sont implémentées au niveau des groupes de productions électriques et permettent de répondre plus ou moins rapidement aux sollicitations en fréquence. Les réserves de stabilisation de la fréquence réagissent automatiquement pour compenser les déviations de fréquence et stabiliser la fréquence à une valeur stationnaire. La principale exigence technique pour le réglage primaire de fréquence est une réaction automatique et proportionnelle aux écarts de fréquence dans un délai de quelques secondes. Par ailleurs, les réseaux électriques évoluent vers une hybridation des centrales de production électrique traditionnelles avec des systèmes de stockage (batteries, volants d’inertie, etc). Cette hybridation permet d’améliorer les performances globales du système. Avec la tendance à l’augmentation de la part des énergies renouvelables dans le bouquet énergétique, les événements de fluctuation du réseau deviennent difficiles à anticiper compte tenu des aspects météorologiques locaux aux centrales de production solaire ou éolien. La demande de brevet EP2721710 décrit un groupe de production électrique comportant une centrale de production électrique et un système de stockage d’énergie à batteries dont la fonction est d’assister la centrale de production électrique dans le maintien de la fréquence nominale du réseau électrique. L’invention a pour but d’améliorer les stratégies de gestion des groupes de production électrique de l’art antérieur, dans le cadre du maintien de la stabilité en fréquence du réseau. À cet effet, l’invention vise un procédé de commande d’une puissance fournie à un réseau électrique présentant une fréquence nominale, par un groupe de production électrique comportant une centrale de production électrique et un système de stockage d’énergie à batteries, ce procédé comportant des étapes : – d’acquisition d’un premier signal représentatif de la puissance à fournir au réseau électrique ; – d’acquisition d’un deuxième signal représentatif de l’état de charge du système de stockage d’énergie à batteries ; – de commande de la centrale de production électrique et de commande du système de stockage d’énergie à batteries, de sorte à fournir une puissance au réseau électrique en fonction du premier signal et du deuxième signal. Dans ce procédé, l’acquisition du premier signal est réalisée par un contrôleur d’hybridation comportant une entrée d’acquisition d’un signal représentatif de la puissance à fournir au réseau électrique. Ce procédé comporte de plus les étapes suivantes : – détermination, par le contrôleur d’hybridation, de la puissance relative d’une part à la centrale de production électrique, et d’autre part au système de stockage d’énergie à batteries ; – production, par le contrôleur d’hybridation, d’une consigne de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries ; – production, par le contrôleur d’hybridation, d’un signal de substitution représentatif de la puissance à fournir par la seule centrale de production électrique ; – acquisition, par un contrôleur de centrale comportant une entrée d’acquisition d’un signal représentatif de la puissance à fournir par la centrale de production électrique, dudit signal de substitution ; – production, par le contrôleur de centrale, de consignes pour des organes de production de la centrale de production électrique. Les étapes décrites ne sont pas exécutées nécessairement dans l’ordre indiqué. Notamment, certaines peuvent être exécutées simultanément. L’invention permet une mise en œuvre efficiente de tout mécanisme de régulation auquel un producteur d’énergie électrique est astreint, qui exige un retour à la fréquence nominale du réseau électrique, en un temps déterminé, en vue de participer à son échelle à l’équilibrage entre la fourniture et la consommation de puissance électrique sur le réseau. L’invention permet de réaliser ces fonctions classiques avec une sollicitation moindre des actionneurs, des organes mécaniques, ou d’autres éléments physiques, dont la centrale de production électrique est pourvue et dont la commande permet de moduler la puissance que la centrale fournit au réseau. Ces éléments physiques de la centrale sont susceptibles d’usure, nécessitent de la maintenance, et présentent un coup énergétique d’actionnement. Le système de stockage d’énergie à batteries est exploité au mieux pour ménager ces éléments physiques, en prenant en charge les variations rapides et franches de la puissance à produire. L’utilisation d’un système de stockage d’énergie à batteries présente les mêmes avantages que ceux connus de l’art antérieur, notamment le fait que la réponse de tels systèmes de stockage est de l’ordre de une seconde, et qu’ils sont ainsi très efficients pour gérer les variations rapides de fréquence nominale, nécessitant une augmentation ou une baisse rapide de la puissance fournie au réseau électrique. L’invention permet de bénéficier de ces avantages en pilotant le système de stockage d’énergie à batteries sur l’ensemble de sa plage de fonctionnement, tout en réduisant sa dégradation, et ce en ménageant la centrale de production électrique. Le pilotage de la centrale de production électrique optimise l’utilisation des organes électromécaniques et contribue à la diminution de la fatigue et du vieillissement mécanique. L’invention est particulièrement adaptée dans le domaine du soutien et de la participation des unités de productions d’origine renouvelable à la stabilité du réseau électrique. Notamment, les centrales hydroélectriques bénéficient actuellement de certaines dérogations permettant de ne pas participer au réglage primaire de fréquence, ou d’y participer avec des temps de réponse aménagés. Ces dérogations sont vouées à disparaître, et l’invention permet notamment l’hybridation de ces centrales de production électriques de manière efficiente, peu couteuse, et peu intrusive. Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – le premier signal et le signal de substitution sont de même nature ; – le premier signal est la fréquence du réseau électrique et le signal de substitution est une fréquence de réseau électrique fictive ; – le procédé comporte une étape de filtrage du premier signal pour en extraire une composante basse fréquence dont la fréquence est inférieure à un seuil prédéterminé, le signal de substitution étant produit au moins à partir de ladite composante basse fréquence ; – l’étape de filtrage comporte une opération de détermination de la différence entre la fréquence du réseau électrique et sa fréquence nominale ; – à l’étape de filtrage, le filtrage est appliqué à un signal constitué de l’acquisition en continu de ladite différence entre la fréquence du réseau électrique et sa fréquence nominale ; – la valeur de la fréquence nominale du réseau électrique est combinée à ladite composante basse fréquence pour produire le signal de substitution ; – l’étape de filtrage est réalisée par un filtre passe bas dont la fréquence de coupure correspond audit seuil prédéterminé de fréquence ; – le filtre passe bas présente une constante de temps correspondant à environ un tiers de la constante de temps de la centrale de production électrique ; – le procédé comporte une étape de production, par le contrôleur d’hybridation, d’un signal relatif à la gestion de charge du système de stockage d’énergie à batteries, ledit signal étant combiné à ladite composante basse fréquence, pour produire le signal de substitution ; – le signal relatif à la gestion de charge du système de stockage d’énergie à batteries est relatif à un paramètre d’état de charge cible du système de stockage d’énergie à batterie ; – à l’étape de production d’une consigne de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries, le contrôleur d’hybridation détermine la puissance de stabilisation de la fréquence électrique correspondant au signal de substitution ; – à l’étape de production d’une consigne de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries, le contrôleur d’hybridation détermine, à partir du premier signal, une puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique ; – la consigne de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries est produite à partir de la différence entre ladite puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique et ladite la puissance de stabilisation de la fréquence électrique correspondant au signal de substitution ; – le procédé comporte un mode de désactivation du système de stockage d’énergie à batteries dans lequel le contrôleur d’hybridation produit un signal de substitution qui reproduit le premier signal ; – le procédé comporte de plus les étapes suivantes : filtrage du premier signal pour en extraire une composante basse fréquence dont la fréquence est inférieure à un seuil prédéterminé ; production de consignes pour des organes de production de la centrale de production électrique, à partir de ladite composante basse fréquence ; détermination, à partir d’un modèle de la centrale de production électrique, d’une puissance théorique de stabilisation de la fréquence du réseau électrique par la centrale de production électrique, cette puissance théorique de stabilisation étant relative à la production de la seule centrale de production électrique en vue d’une stabilisation de la fréquence du réseau électrique, lorsque lesdites consignes pour des organes de production de la centrale de production électrique sont mises en œuvre ; détermination, à partir du premier signal, d’une puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique ; production d’une consigne de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries, à partir de la différence entre ladite puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique et ladite puissance théorique de stabilisation ; – la centrale de production électrique est une centrale hydroélectrique, ledit modèle de la centrale de production électrique étant un modèle de centrale hydroélectrique ; – ledit modèle de la centrale de production électrique comporte au moins une pluralité de consignes de puissance mises en rapport avec le temps de réponse correspondant, nécessaire à la centrale de production électrique pour atteindre la puissance correspondant à la consigne ; – ledit modèle de la centrale de production électrique est conforme à une équation mettant en relation ladite puissance théorique de stabilisation avec : un signal représentatif de la production de consignes pour des organes de production de la centrale de production électrique ; un gain relatif au rapport entre la puissance produite par la centrale de production électrique et la puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique ; et une constante de temps de réponse en puissance, relative à la centrale de production électrique ; – à l’étape de détermination de ladite puissance théorique de stabilisation, ledit modèle de la centrale de production électrique est appliqué au moins à ladite composante basse fréquence ; – ledit modèle de la centrale de production électrique est appliqué au moins à une combinaison de ladite composante basse fréquence et d’un signal relatif à la gestion de charge du système de stockage d’énergie à batteries ; – le signal relatif à la gestion de charge du système de stockage d’énergie à batteries est relatif à un paramètre d’état de charge cible du système de stockage d’énergie à batteries ; – à l’étape de filtrage, c’est un signal constitué de l’acquisition en continu de ladite différence entre la fréquence du réseau électrique et sa fréquence nominale, qui est filtré pour en extraire la composante basse fréquence ; – ledit modèle de la centrale de production électrique est appliqué à un signal combinant au moins la valeur de la fréquence nominale du réseau électrique à ladite composante basse fréquence ; – l’étape de filtrage est réalisée par un filtre passe bas du premier ordre ; – le filtre passe bas présente un gain sensiblement égal à 1 ; – la puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique est déterminée par un coefficient contractuel K FCR multiplié par la différence entre la fréquence du réseau électrique et sa fréquence nominale. PRÉSENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels : – la est une représentation schématique d’un groupe de production électrique hybride, et du réseau électrique associé ; – la est un schéma-blocs illustrant le contrôleur d’hybridation de la ; – la est un bloc diagramme illustrant le procédé selon l’invention. Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures. Procédé de commande d’une puissance fournie à un réseau électrique (3) présentant une fréquence nominale, par un groupe de production électrique comportant une centrale de production électrique (1) et un système de stockage d’énergie à batteries (2), ce procédé comportant des étapes : – d’acquisition d’un premier signal (8) représentatif de la puissance à fournir au réseau électrique (3) ; – d’acquisition d’un deuxième signal (9) représentatif de l’état de charge du système de stockage d’énergie à batteries (2) ; – de commande de la centrale de production électrique (1) et de commande du système de stockage d’énergie à batteries (2), de sorte à fournir une puissance au réseau électrique (3) en fonction du premier signal (8) et du deuxième signal (9) ; ce procédé étant caractérisé en ce que l’acquisition du premier signal (8) est réalisée par un contrôleur d’hybridation (14) comportant une entrée (19) d’acquisition d’un signal représentatif de la puissance à fournir au réseau électrique, et en ce qu’il comporte les étapes suivantes : – détermination, par le contrôleur d’hybridation (14), de la puissance relative d’une part à la centrale de production électrique (1), et d’autre part au système de stockage d’énergie à batteries (2) ; – production, par le contrôleur d’hybridation (14), d’une consigne (10) de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries (2) ; – production, par le contrôleur d’hybridation (14), d’un signal de substitution (23) représentatif de la puissance à fournir par la seule centrale de production électrique (2) ; – acquisition, par un contrôleur de centrale (15) comportant une entrée (16) d’acquisition d’un signal représentatif de la puissance à fournir par la centrale de production électrique (1), dudit signal de substitution (23) ; – production, par le contrôleur de centrale (15), de consignes (11) pour des organes de production (5, 6) de la centrale de production électrique (1). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier signal (8) et le signal de substitution (23) sont de même nature. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier signal (8) est la fréquence du réseau électrique (3) et le signal de substitution (23) est une fréquence de réseau électrique fictive. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de filtrage du premier signal (8) pour en extraire une composante basse fréquence (34) dont la fréquence est inférieure à un seuil prédéterminé, le signal de substitution (23) étant produit au moins à partir de ladite composante basse fréquence (34). Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’étape de filtrage comporte une opération de détermination de la différence entre la fréquence du réseau électrique et sa fréquence nominale. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, à l’étape de filtrage, le filtrage est appliqué à un signal constitué de l’acquisition en continu de ladite différence entre la fréquence du réseau électrique et sa fréquence nominale. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de la fréquence nominale du réseau électrique (3) est combinée à ladite composante basse fréquence (34) pour produire le signal de substitution (23). Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l’étape de filtrage est réalisée par un filtre passe bas dont la fréquence de coupure correspond audit seuil prédéterminé de fréquence. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le filtre passe bas présente une constante de temps correspondant à environ un tiers de la constante de temps de la centrale de production électrique (1). Procédé selon l’une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de production, par le contrôleur d’hybridation (14), d’un signal (33) relatif à la gestion de charge du système de stockage d’énergie à batteries (2), ledit signal (33) étant combiné à ladite composante basse fréquence (34), pour produire le signal de substitution (23). Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le signal (33) relatif à la gestion de charge du système de stockage d’énergie à batteries (2) est relatif à un paramètre (29) d’état de charge cible du système de stockage d’énergie à batterie (2). Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape de production d’une consigne (10) de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries (2), le contrôleur d’hybridation (14) détermine la puissance de stabilisation de la fréquence électrique correspondant au signal de substitution (23). Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, à l’étape de production d’une consigne (10) de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries (2), le contrôleur d’hybridation (14) détermine, à partir du premier signal (8), une puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique (3). Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la consigne (10) de puissance pour le système de stockage d’énergie à batteries (2) est produite à partir de la différence entre ladite puissance totale attendue de stabilisation de la fréquence du réseau électrique et ladite la puissance de stabilisation de la fréquence électrique correspondant au signal de substitution (23). Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un mode de désactivation du système de stockage d’énergie à batteries (2) dans lequel le contrôleur d’hybridation (14) produit un signal de substitution (23) qui reproduit le premier signal (8).