Brevet FR3131480A1 — publié le 20230630

Procédé de synchronisation, mis en œuvre dans un système de convertisseurs (26) qui comporte une pluralité de groupes de convertisseurs (25) connectés parallèlement entre eux, le procédé de synchronisation comprenant les étapes de : - définir dynamiquement et en temps réel un groupe de convertisseurs maître à partir de valeurs du paramètre de fonctionnement global ; - acquérir un paramètre de configuration qui dépend d’au moins une source de puissance externe (28, 29, 30) susceptible d’être connectée au système de convertisseurs ; - faire mettre en œuvre, par le groupe de convertisseurs maître, un algorithme de contrôle global défini en fonction du paramètre de configuration. FIGURE DE L’ABREGE: Fig.3 Synchronisation entre mini-réseaux L’invention concerne le domaine des mini-réseaux électriques, plus communément appelés « mini-grids ». ARRIERE PLAN DE L’INVENTION On assiste aujourd’hui, dans certains pays où le taux d'ensoleillement est important et où le réseau électrique traditionnel n'est pas accessible sur l'ensemble du territoire, au développement de « mini-grids », que l’on peut traduire par « mini-réseaux électriques ». Les mini-grids sont de petites centrales électriques alimentant des réseaux de distribution locaux de faible puissance desservant des agglomérations spécifiques (comprenant typiquement entre quelques dizaines à quelques milliers d’abonnés), qui peuvent être hors réseau ou interconnectées au réseau central. Les mini-grids sont généralement déployés dans les zones rurales avec une densité de population plus élevée pour fournir une alimentation alternative fiable. Un mini-grid comporte classiquement un ou des champs solaires photovoltaïques (comprenant chacun plusieurs panneaux photovoltaïques connectés en série et en parallèle), une ou des batteries pour stocker l’énergie électrique produite à partir de l'énergie solaire, et un ou des convertisseurs de puissance destinés à convertir l’énergie électrique pour produire une alimentation alternative sous une tension adaptée au réseau. Certains mini-grids dits « hybrides » intègrent en outre un groupe électrogène. Le groupe électrogène est notamment utilisé la nuit, lorsque la charge des batteries à la tombée du jour est insuffisante pour subvenir aux besoins des abonnés pendant la nuit. L’interconnexion des mini-grids isolés permet d’améliorer de manière importante les performances, la fiabilité et la disponibilité de ces mini-grids. Les mini-grids peuvent ainsi échanger de l’énergie, de sorte qu’un mini-grid, disposant d’un surplus d'énergie, peut alimenter un mini-grid qui a un déficit énergétique. Le surplus d’énergie d'un mini-grid peut par exemple être utilisé pour charger la batterie d'un autre mini-grid. On optimise de la sorte la durée de vie des batteries et l’exploitation de l’énergie globalement disponible sur le réseau, et on limite donc les délestages ainsi que l’utilisation des groupes électrogènes dont le fonctionnement nécessite du carburant et est donc très coûteux. Cependant, la connexion sur un même bus AC de différentes sources de tension nécessite impérativement que ces dernières soient parfaitement synchronisées en fréquence et en tension, sous peine de voir circuler, dans les câbles de puissance les reliant, des sur-courants importants pouvant endommager les matériels et faire déclencher les protections. Une méthode connue pour synchroniser entre eux des convertisseurs de puissance utilise une stratégie « master/slave ». Cette méthode nécessite l’échange en « temps réel » des informations de fréquence et de tension entre le convertisseur maître et ses esclaves sur un bus filaire de communication (de type CAN ou RS485). Une liaison de communication rapide est en effet nécessaire pour gérer rapidement le flux de puissance. Cette méthode pose les problèmes suivants. Tout d’abord, la perte du « maître » entraîne un black-out plus ou moins temporaire du réseau global formé par ces mini-grids interconnectés. Le réseau global est donc peu robuste. D’autre part, comme les convertisseurs sont éloignés les uns des autres, il est nécessaire d’utiliser de très longs câbles de communication pour les connecter entre eux. Or, de tels câbles sont bien évidemment très coûteux et complexes à installer. OBJET DE L’INVENTION L’invention a pour objet de synchroniser et de connecter entre eux plusieurs mini-grids éloignés les uns des autres, de manière à obtenir un réseau global robuste, et sans nécessiter de câbles de communication de longueur importante. En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé de synchronisation, mis en œuvre dans un système de convertisseurs qui comporte une pluralité de groupes de convertisseurs, chaque groupe de convertisseurs comprenant un ou des convertisseurs regroupés localement, chaque convertisseur étant connecté à au moins un panneau photovoltaïque et à au moins une batterie pour alimenter au moins un abonné, les convertisseurs comprenant tous une sortie reliée à un même bus de puissance, de sorte que les groupes de convertisseurs sont connectés parallèlement entre eux en étant reliés audit bus de puissance, chaque groupe de convertisseurs comprenant au moins un module de communication radiofréquence pour communiquer avec les autres groupes de convertisseurs, le procédé de synchronisation comprenant les étapes de : - faire échanger régulièrement par les groupes de convertisseurs, en utilisant les modules de communication radiofréquence, des valeurs d’au moins un paramètre de fonctionnement global associées chacune à un groupe de convertisseurs distinct ; - définir dynamiquement et en temps réel un groupe de convertisseurs maître à partir de ces valeurs du paramètre de fonctionnement global ; - acquérir un paramètre de configuration, représentatif d’une configuration de connexion dans laquelle se trouve le système de convertisseurs et qui dépend d’au moins une source de puissance externe susceptible d’être connectée au système de convertisseurs, et d’un type de ladite source de puissance externe ; - faire mettre en œuvre, par le groupe de convertisseurs maître, un algorithme de contrôle global permettant de synchroniser entre eux et de gérer des flux de puissance globaux entre les groupes de convertisseurs, l’algorithme de contrôle global étant défini en fonction du paramètre de configuration. Les groupes de convertisseurs (ou « clusters ») sont donc connectés en parallèle sur un même bus de puissance. Le procédé de synchronisation selon l’invention permet leur fonctionnement synchrone par la combinaison de plusieurs stratégies complémentaires qui dépendent des sources de puissance externes connectées au système de convertisseurs. L’algorithme de contrôle global est ainsi adapté en fonction des sources de puissances externes connectées au système de convertisseurs : le procédé est donc efficace quelle que soit la configuration du réseau global comprenant le système de convertisseurs. Le procédé de synchronisation selon l’invention ne nécessite pas de liaison filaire. Chaque groupe de convertisseurs peut être le groupe de convertisseurs maître (arbitrage rotatif), de sorte que la perte d’un groupe ne peut pas conduire à la perte totale de l’alimentation. La sélection du groupe de convertisseurs maître dépend du paramètre de fonctionnement global, dont la valeur est propre à chaque groupe de convertisseurs. Le paramètre de fonctionnement global est par exemple représentatif de l’état de charge des batteries du groupe de convertisseurs, ce qui garantit la disponibilité du groupe de convertisseurs maître, qui met en œuvre l’algorithme de contrôle global. Le système est ainsi très robuste. On note de plus que le système de convertisseurs est facilement extensible. Il est en effet très simple de rajouter un groupe de convertisseurs, qu’il suffit de connecter sur le bus AC parallèlement aux autres. Le procédé de synchronisation est ainsi extrêmement flexible. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel, pour chaque groupe de convertisseurs, le paramètre de fonctionnement global est un état de charge global représentatif des états de charge des batteries connectées aux convertisseurs dudit groupe de convertisseurs, le groupe de convertisseurs maître étant le groupe de convertisseurs qui est associé à une valeur maximale des états de charge globaux. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, comprenant en outre l’étape, pour chaque groupe de convertisseurs, de : - définir dynamiquement et en temps réel un convertisseur maître local dudit groupe de convertisseurs à partir de valeurs d’au moins un paramètre de fonctionnement local associées chacune à un convertisseur distinct dudit groupe de convertisseurs ; - faire mettre en œuvre, par le convertisseur maître local, un algorithme de contrôle local permettant de synchroniser entre eux et de gérer des flux de puissance locaux entre les convertisseurs dudit groupe de convertisseurs. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel l’algorithme de contrôle global est mis en œuvre par le convertisseur maître local du groupe de convertisseurs maître. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel, pour chaque convertisseur, le paramètre de fonctionnement local est un état de charge de la batterie connectée audit convertisseur, le convertisseur maître local dudit groupe de convertisseurs étant le convertisseur qui est associé à une valeur maximale des états de charge. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel, lorsque la configuration de connexion est une première configuration de connexion dans laquelle aucune source de puissance externe n’est connectée au système de convertisseurs, l’algorithme de contrôle global comprend les étapes de : - déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est inférieure ou égale à un seuil minimal ; - si ce n’est pas le cas, piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme ; - si c’est le cas, déconnecter le système de convertisseurs des abonnés. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel, lorsque la configuration de connexion est une deuxième configuration de connexion dans laquelle un groupe électrogène peut être connecté à un groupe de convertisseurs particulier, l’algorithme de contrôle global comprend les étapes de : - déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est inférieure ou égale à un seuil minimal ; - si ce n’est pas le cas, piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme ; - si c’est le cas, utiliser une puissance externe fournie par le générateur électrogène en synchronisant des sorties des convertisseurs sur une tension externe produite par le groupe électrogène, puis, lorsque les batteries sont rechargées, déconnecter le groupe de convertisseurs particulier du groupe électrogène et piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel, lorsque la configuration de connexion est une troisième configuration de connexion dans laquelle un réseau de puissance externe ou un groupe électrogène peut être connecté à un groupe de convertisseurs particulier, ou une quatrième configuration de connexion dans laquelle un réseau de puissance externe ou un groupe électrogène peut être connecté à un groupe de convertisseurs particulier, et un onduleur photovoltaïque peut être connecté au bus de puissance, l’algorithme de contrôle global comprend les étapes de : - déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est inférieure ou égale à un seuil minimal et, si c’est le cas : - si le groupe électrogène est connecté au groupe de convertisseurs particulier, utiliser une première puissance externe fournie par le générateur électrogène en synchronisant des sorties des convertisseurs sur une première tension externe produite par le groupe électrogène puis, lorsque les batteries sont rechargées, déconnecter le groupe de convertisseurs particulier du groupe électrogène et piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme ; - si le groupe électrogène n’est pas connecté au groupe de convertisseurs mais que le réseau de puissance externe est connecté au groupe de convertisseurs particulier, utiliser une deuxième puissance externe fournie par le réseau de puissance externe en synchronisant des sorties des convertisseurs sur une deuxième tension externe produite par le réseau de puissance externe. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel l’algorithme de contrôle global comprend en outre les étapes, si la valeur maximale des états de charge globaux est supérieure au seuil minimal, de déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est supérieure ou égale à un seuil maximal et : - si ce n’est pas le cas, de piloter les convertisseurs en utilisant la régulation prédéfinie ; - si c’est le cas, et si le réseau de puissance externe est connecté au groupe de convertisseurs particulier, d’injecter un surplus d’énergie provenant des batteries dans le réseau de puissance externe. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel, si aucun onduleur photovoltaïque n’est connecté au bus de puissance, la régulation prédéfinie est une régulation par statisme, et, si un onduleur photovoltaïque est connecté au bus de puissance, la régulation prédéfinie est une régulation utilisant un contrôle par décalage de fréquence. On propose de plus un procédé de synchronisation tel que précédemment décrit, dans lequel les coefficients n et m utilisés pour la régulation par statisme sont tels que : - si une impédance de sortie des convertisseurs est purement résistive, on a : n = , m = , - si une impédance de sortie des convertisseurs est purement inductive, on a : n = m = où est une tension maximale admissible en sortie des convertisseurs, est une tension minimale admissible, est une puissance active maximale admissible, est une puissance active minimale admissible, est une fréquence maximale admissible, est une fréquence minimale admissible, est une puissance réactive maximale admissible, est une puissance réactive minimale admissible. On propose de plus un convertisseur comprenant une unité de traitement dans laquelle est mis en œuvre le procédé de synchronisation tel que précédemment décrit. On propose de plus un programme d’ordinateur comprenant des instructions qui conduisent l’unité de traitement du convertisseur tel que précédemment décrit à exécuter les étapes du procédé de synchronisation tel que précédemment décrit. On propose de plus un support d'enregistrement lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d’ordinateur tel que précédemment décrit. L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d’un mode de mise en œuvre particulier non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels : la représente un convertisseur (SGC) ; la représente un groupe de convertisseurs ; la représente un système de convertisseurs ; la représente des groupes de convertisseurs communiquant entre eux via des modules de communication radiofréquence ; la représente deux groupes de convertisseurs et les paramètres échangés ; la représente les paramètres échangés au sein d’un convertisseur ; la représente des étapes d’un algorithme de configuration générale ; la représente des étapes d’un algorithme de sélection du groupe de convertisseurs maître ; la représente des étapes d’un algorithme de synchronisation ; la représente des étapes d’un algorithme de détection ; la représente des étapes d’un algorithme de calcul de l’état de charge global d’un groupe de convertisseurs ; la représente des étapes d’un algorithme de de protection ; la figure 13 représente des graphiques comprenant des droites représentant des fonctions linéaires en fonction de P et en fonction de Q, lors de la mise en œuvre d’une régulation par statisme, dans le cas d’une impédance de sortie inductive ; la figure 14 représente des graphiques comprenant des droites représentant des fonctions linéaires en fonction de P et en fonction de Q, lors de la mise en œuvre d’une régulation par statisme, dans le cas d’une impédance de sortie résistive ; la représente des graphiques montrant les coefficients de statisme dans le cas d’une impédance de sortie résistive ; la représente des étapes de l’algorithme de contrôle global utilisé dans la première configuration de connexion ; la représente des échanges de puissance dans la première configuration de connexion ; la représente des étapes de l’algorithme de contrôle global utilisé dans la deuxième configuration de connexion ; la représente des échanges de puissance dans la deuxième configuration de connexion ; la représente des étapes de l’algorithme de contrôle global utilisé dans la troisième configuration de connexion ; la représente des échanges de puissance dans la troisième configuration de connexion ; la représente des étapes de l’algorithme de contrôle global utilisé dans la quatrième configuration de connexion ; la représente des échanges de puissance dans la quatrième configuration de connexion ; la représente des étapes d’un algorithme de contrôle local mis en œuvre par un convertisseur maître local ; la représente des étapes d’un algorithme de contrôle esclave mis en œuvre par un convertisseur esclave Procédé de synchronisation, mis en œuvre dans un système de convertisseurs (26) qui comporte une pluralité de groupes de convertisseurs (25), chaque groupe de convertisseurs comprenant un ou des convertisseurs (1) regroupés localement, chaque convertisseur étant connecté à au moins un panneau photovoltaïque (2) et à au moins une batterie (3) pour alimenter au moins un abonné, les convertisseurs comprenant tous une sortie (18) reliée à un même bus de puissance (10), de sorte que les groupes de convertisseurs sont connectés parallèlement entre eux en étant reliés audit bus de puissance, chaque groupe de convertisseurs comprenant au moins un module de communication radiofréquence (16) pour communiquer avec les autres groupes de convertisseurs, le procédé de synchronisation comprenant les étapes de : - faire échanger régulièrement par les groupes de convertisseurs (25), en utilisant les modules de communication radiofréquence, des valeurs d’au moins un paramètre de fonctionnement global associées chacune à un groupe de convertisseurs distinct ; - définir dynamiquement et en temps réel un groupe de convertisseurs maître à partir de ces valeurs du paramètre de fonctionnement global ; - acquérir un paramètre de configuration, représentatif d’une configuration de connexion dans laquelle se trouve le système de convertisseurs (26) et qui dépend d’au moins une source de puissance externe (28, 29, 30) susceptible d’être connectée au système de convertisseurs, et d’un type de ladite source de puissance externe ; - faire mettre en œuvre, par le groupe de convertisseurs maître, un algorithme de contrôle global permettant de synchroniser entre eux et de gérer des flux de puissance globaux entre les groupes de convertisseurs, l’algorithme de contrôle global étant défini en fonction du paramètre de configuration. Procédé de synchronisation selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque groupe de convertisseurs (25), le paramètre de fonctionnement global est un état de charge global représentatif des états de charge des batteries (3) connectées aux convertisseurs (1) dudit groupe de convertisseurs, le groupe de convertisseurs maître étant le groupe de convertisseurs qui est associé à une valeur maximale des états de charge globaux. Procédé de synchronisation selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre l’étape, pour chaque groupe de convertisseurs (25), de : - définir dynamiquement et en temps réel un convertisseur maître local dudit groupe de convertisseurs à partir de valeurs d’au moins un paramètre de fonctionnement local associées chacune à un convertisseur distinct dudit groupe de convertisseurs ; - faire mettre en œuvre, par le convertisseur maître local, un algorithme de contrôle local permettant de synchroniser entre eux et de gérer des flux de puissance locaux entre les convertisseurs dudit groupe de convertisseurs. Procédé de synchronisation selon la revendication 3, dans lequel l’algorithme de contrôle global est mis en œuvre par le convertisseur maître local du groupe de convertisseurs maître. Procédé de synchronisation selon la revendication 4, dans lequel, pour chaque convertisseur, le paramètre de fonctionnement local est un état de charge de la batterie connectée audit convertisseur, le convertisseur maître local dudit groupe de convertisseurs étant le convertisseur qui est associé à une valeur maximale des états de charge. Procédé de synchronisation selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, lorsque la configuration de connexion est une première configuration de connexion dans laquelle aucune source de puissance externe n’est connectée au système de convertisseurs (26), l’algorithme de contrôle global comprend les étapes de : - déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est inférieure ou égale à un seuil minimal ; - si ce n’est pas le cas, piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme ; - si c’est le cas, déconnecter le système de convertisseurs des abonnés. Procédé de synchronisation selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel, lorsque la configuration de connexion est une deuxième configuration de connexion dans laquelle un groupe électrogène (28) peut être connecté à un groupe de convertisseurs particulier, l’algorithme de contrôle global comprend les étapes de : - déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est inférieure ou égale à un seuil minimal ; - si ce n’est pas le cas, piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme ; - si c’est le cas, utiliser une puissance externe fournie par le générateur électrogène en synchronisant des sorties des convertisseurs sur une tension externe produite par le groupe électrogène, puis, lorsque les batteries sont rechargées, déconnecter le groupe de convertisseurs particulier du groupe électrogène et piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme. Procédé de synchronisation selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel, lorsque la configuration de connexion est une troisième configuration de connexion dans laquelle un réseau de puissance externe (29) ou un groupe électrogène (28) peut être connecté à un groupe de convertisseurs particulier, ou une quatrième configuration de connexion dans laquelle un réseau de puissance externe ou un groupe électrogène peut être connecté à un groupe de convertisseurs particulier, et un onduleur photovoltaïque (30) peut être connecté au bus de puissance, l’algorithme de contrôle global comprend les étapes de : - déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est inférieure ou égale à un seuil minimal et, si c’est le cas : - si le groupe électrogène est connecté au groupe de convertisseurs particulier, utiliser une première puissance externe fournie par le générateur électrogène en synchronisant des sorties des convertisseurs sur une première tension externe produite par le groupe électrogène puis, lorsque les batteries sont rechargées, déconnecter le groupe de convertisseurs particulier du groupe électrogène et piloter les convertisseurs en utilisant une régulation par statisme ; - si le groupe électrogène n’est pas connecté au groupe de convertisseurs mais que le réseau de puissance externe est connecté au groupe de convertisseurs particulier, utiliser une deuxième puissance externe fournie par le réseau de puissance externe en synchronisant des sorties des convertisseurs sur une deuxième tension externe produite par le réseau de puissance externe. Procédé de synchronisation selon la revendication 8, dans lequel l’algorithme de contrôle global comprend en outre les étapes, si la valeur maximale des états de charge globaux est supérieure au seuil minimal, de déterminer si la valeur maximale des états de charge globaux est supérieure ou égale à un seuil maximal et : - si ce n’est pas le cas, de piloter les convertisseurs en utilisant la régulation prédéfinie ; - si c’est le cas, et si le réseau de puissance externe est connecté au groupe de convertisseurs particulier, d’injecter un surplus d’énergie provenant des batteries dans le réseau de puissance externe. Procédé de synchronisation selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel, si aucun onduleur photovoltaïque (30) n’est connecté au bus de puissance (10), la régulation prédéfinie est une régulation par statisme, et, si un onduleur photovoltaïque (30) est connecté au bus de puissance (10), la régulation prédéfinie est une régulation utilisant un contrôle par décalage de fréquence. Procédé de synchronisation selon l’une des revendications 6 à 10, dans lequel les coefficients n et m utilisés pour la régulation par statisme sont tels que : - si une impédance de sortie des convertisseurs est purement résistive, on a : n = , m = , - si une impédance de sortie des convertisseurs est purement inductive, on a : n = m = où est une tension maximale admissible en sortie des convertisseurs, est une tension minimale admissible, est une puissance active maximale admissible, est une puissance active minimale admissible, est une fréquence maximale admissible, est une fréquence minimale admissible, est une puissance réactive maximale admissible, est une puissance réactive minimale admissible. Convertisseur (1) comprenant une unité de traitement (7) dans laquelle est mis en œuvre le procédé de synchronisation selon l’une des revendications 1 à 11. Programme d’ordinateur comprenant des instructions qui conduisent l’unité de traitement (7) du convertisseur (1) selon la revendication 12 à exécuter les étapes du procédé de synchronisation selon l’une des revendications 1 à 12. Support d'enregistrement lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d’ordinateur selon la revendication 13.