Brevet FR3132185A1 — publié le 20230728

L'invention concerne un procédé de contrôle d'un système de production d'énergie (1), comprenant : - une liaison de connexion (6) ; - un système de turbine (3) comprenant une machine électrique (31), une turbine (32) et un contrôleur de turbine (9), appliquant une consigne de paramètre de fluide à la turbine (32) influençant la puissance électrique délivrée ; - un système de stockage d'énergie (14) ; comprenant les étapes suivantes : -a) la réception d'un premier point de consigne Ps0 ; et -b) la réception d'un point de consigne de puissance ultérieur Ps1; c) sur la base d’un contrôle par modèle prédictif de la puissance électrique générée par le système de turbine (3), déterminer des paramètres de fonctionnement successifs pour que Ph atteigne Ps1 avec une quantité minimale d’énergie complémentaire ; d) jusqu’à Ph=Ps1, appliquer une puissance électrique Pb sur la liaison de connexion (6). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Procédé de contrôle d’un système de production d'énergie avec un système de stockage d’énergie pour des services à réponse rapide L'invention concerne une stratégie de surveillance afin d'optimiser le fonctionnement d'un système de production d'énergie hybride utilisant un système de turbine produisant de l'énergie électrique à un réseau à courant alternatif, comme source primaire d'énergie, et un système de stockage d'énergie, comme source secondaire. En particulier, l'invention porte sur la gestion des variations importantes du point de consigne de puissance électrique. De nombreuses centrales électriques, notamment des barrages hydroélectriques, comprennent un système de turbine afin de produire de l'énergie électrique transférée à un réseau CA par une liaison de connexion. Des variations importantes de la puissance électrique peuvent être demandées par le gestionnaire de réseau CA au système de production d'énergie. En raison de ses limites physiques, le système de turbine ne peut pas fournir instantanément une variation significative de sa puissance électrique de sortie. Par exemple, la réactivité d'un système hydraulique à une variation importante du point de consigne de puissance est généralement supérieure à 30 secondes, compte tenu notamment de l'inertie de la colonne d'eau dans les conduits en amont reliés à la turbine. Les fournisseurs d'énergie électrique peuvent tirer des revenus à partir d’exigences du gestionnaire de système. Ces besoins se définissent sous la forme de requêtes de fourniture d'énergie à un réseau, requêtes qui imposent parfois des temps d'activation très courts, typiquement inférieurs à 1s. De telles requêtes de puissance peuvent être demandées afin de compenser la différence entre la production et la consommation à l'échelle du réseau électrique. De tels services peuvent procurer des revenus importants aux fournisseurs d'électricité si ces délais d’ajustement de la puissance de sortie sont respectés. Le système hydraulique peut être associé à un système de stockage d'énergie pour augmenter la réactivité du système de turbine pour un nouveau point de consigne de puissance électrique appliqué. Un circuit de commande reçoit un point de consigne de puissance électrique envoyé par le gestionnaire de réseau CA ou calculé à partir de la déviation de fréquence observée au niveau du point de connexion et, en fonction de ce point de consigne, commande un transfert de puissance transitoire entre la liaison de connexion et le système de stockage d'énergie en pilotant de manière sélective la charge ou la décharge du système de stockage d'énergie. Lorsqu'un nouveau point de consigne est soudainement reçu, le système de stockage d'énergie contribue à cette variation en participant immédiatement à la variation de puissance avec la turbine. Cependant, un tel système repose actuellement sur un système de stockage d'énergie ayant une capacité importante, ce qui augmente son coût et son encombrement. Afin d'améliorer la diffusion des systèmes de production d'énergie comprenant un système de stockage d'énergie, il est important de maintenir leur coût aussi bas que possible. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte donc sur un procédé de contrôle d'un système de production d’électricité, comprenant : -une liaison de connexion comprenant une interface de connexion pour la connexion à un réseau CA ; - un système de turbine comprenant une machine électrique, une turbine et un contrôleur de turbine, le contrôleur de turbine étant configuré pour délivrer au moins une consigne de paramètre de fluide à la turbine influençant la puissance électrique délivrée par la machine électrique, la machine électrique délivrant une puissance électrique instantanée Ph au lien de connexion ; - un système de stockage d'énergie connecté à la liaison de connexion, le procédé de contrôle comprenant les étapes suivantes : -a) recevoir une première consigne de puissance électrique Ps0 à délivrer à l'interface de connexion et contrôler le système de turbine afin de délivrer une puissance électrique Ph0 = Ps0 sur l'interface de connexion ; et - b) recevoir une consigne de puissance électrique ultérieure Ps1, avec ΔPs = Ps1 - Ps0, avec Ps1 > Ps0 ; c) en se basant sur un contrôle à modèle prédictif de la puissance électrique générée par le système de turbine, déterminer des paramètres de fonctionnement successifs du contrôleur de turbine de façon à ce que Ph atteigne Ps1 avec une quantité minimale d’énergie complémentaire ; -d) Jusqu’à ce que Ph=Ps1, appliquer une puissance électrique Pb sur la liaison de connexion (6) au moyen du système de stockage d’énergie, avec Pb+Ph=Ps1, et appliquer les paramètres de fonctionnement successifs au contrôleur de turbine. L’invention concerne également les variantes suivantes. Un homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes des variantes suivantes peut être combinée indépendamment avec les caractéristiques qui précèdent, sans constituer une généralisation intermédiaire. Selon encore une variante, le système de stockage d'énergie dispose d'une énergie disponible instantanée Eess, le procédé comprenant en outre la détermination de l'énergie complémentaire Emin que le système d'énergie électrique doit fournir au lien de connexion pour remplir la condition Ps1=Pb+Ph jusqu’à ce que Ph=Ps1, dans lequel l’étape d) est déclenchée seulement lorsque Eess> Emin. Selon encore une autre variante, l’étape d) est déclenchée moins de 5 secondes après l’étape b). Selon encore une autre variante, l’étape d) est déclenchée moins de 1 seconde après l’étape b). Selon encore une autre variante, l’étape c) est réalisée en évaluant itérativement la puissance instantanée Ph, en comparant la puissance instantanée évaluée Ph à la puissance électrique anticipée par le contrôle par modèle prédictif, déterminer des paramètres de fonctionnement successifs mis à jour pour le contrôleur de turbine de sorte que Ph atteigne Ps1 avec une quantité minimale d’énergie complémentaire. Selon encore une autre variante, le contrôleur de turbine est un contrôleur PID, les paramètres de fonctionnement successifs étant des valeurs successives d’au moins une variable de gain choisie parmi un gain proportionnel, un gain d’intégration et un gain de dérivation. Selon encore une autre variante, ladite turbine est une turbine hydraulique, et dans lequel ladite consigne de paramètre de fluide est une consigne d'ouverture de vanne directrice de la turbine hydraulique. Selon encore une autre variante, la première consigne de puissance électrique reçue Ps0 est reçue du réseau CA. Selon encore une autre variante, la première consigne de puissance électrique reçue Ps0 est calculée par le système de production de puissance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront plus clairs à partir de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et de manière non limitative, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : est une représentation schématique d'un système de production d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ; est un schéma illustrant l'évolution des puissances électriques fournie sur l’interface de connexion avec une gestion de puissance selon l’invention ; illustre l’énergie fournie par le dispositif de stockage d’énergie durant la gestion de puissance de la ; illustre les puissances électriques fournies sur l’interface de connexion selon une gestion de puissance de référence ; illustre l’énergie fournie par le dispositif de stockage d’énergie durant la gestion de puissance de la . La est une représentation schématique d'un système de production d'énergie 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le système de production d'énergie 1 comprend un système de turbine 3, un système de stockage d'énergie 14 et une liaison de connexion 6. L'invention sera divulguée dans l'exemple spécifique d'un système de turbine hydraulique, mais peut également être appliquée à d'autres systèmes de turbine, comme les turbines à gaz. Le système de turbine 3 comprend une machine électrique 31 (généralement une machine synchrone) et une turbine 32 couplée à la machine électrique 31. Le système de turbine 3 est essentiellement conçu pour fournir une puissance électrique à la liaison de connexion 6. Le système de turbine 3 peut également être réversible et être conçu pour fonctionner comme une pompe-turbine. La liaison de connexion 6 comprend une interface de connexion 62 pour un réseau CA 2. La machine électrique 31 et le système de stockage d'énergie 14 sont reliés électriquement à la liaison de connexion 6. La machine électrique 31 est configurée pour générer de l'énergie électrique et la transférer au réseau CA 2 via l'interface de connexion 62. Le système de stockage d'énergie 14 est configuré pour fournir ou absorber de la puissance électrique vers/depuis l'interface de connexion 62. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le système de stockage d'énergie 14 comprend un transducteur électrique CA/CC 12 et un convertisseur CC 13. L'interface CA du convertisseur CA/CC 12 est connectée à la liaison de connexion 6 et l'interface CC du convertisseur CA/CC 12 est connectée au transducteur électrique CC 13 qui permet le transfert de puissance entre la liaison de connexion 6 et le transducteur CC 13. L'interface de connexion 6 est connectée à un réseau CA 2, généralement un réseau CA triphasé. Le réseau CA 2 peut demander de la puissance électrique en fournissant des points de consigne de puissance correspondants au système de production d'énergie 1. Le fonctionnement du système de production d'énergie 1 est piloté par un système de contrôle. Le système de contrôle de l'exemple illustré comprend un superviseur principal 7, un contrôleur 8 pour la machine électrique 31, un contrôleur 141 du système de stockage d'énergie et un contrôleur 9 pour la turbine 32. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le système de production d'énergie 1 est contrôlé comme suit. Le contrôleur 9 est configuré pour appliquer une consigne d’un paramètre de fluide à la turbine 32, ce paramètre influençant la puissance électrique fournie par la machine électrique 31. Plus précisément, pour une turbine hydraulique 32, la consigne de paramètre de fluide peut être une consigne d’ouverture de vanne directrice de la turbine 32. La machine électrique 31 fournit ainsi une puissance électrique instantanée Ph au lien de connexion 6. Le contrôleur 7 reçoit du réseau alternatif 2 une consigne P* à délivrer sur l'interface de connexion 62 (la consigne P* peut également être calculée localement par le contrôleur 7, par exemple en tenant compte des variations de fréquence). Avant l'instant t=0, la valeur de la consigne P* est Ps0. Le système de turbine 3 est donc commandé pour délivrer une puissance Ph0 = Ps0 sur l'interface de connexion 62. Le système de stockage d'énergie 14 n'est donc pas utilisé, ou peut être chargé ou utilisé transitoirement. A l'instant t = 0, la valeur de la consigne P* est Ps1. ΔPs=Ps1-Ps0, avec Ps1 >Ps0. Ainsi, à l'instant t=0, une augmentation brutale de la valeur de consigne P* est demandée. A partir d'un contrôle par modèle prédictif de la puissance électrique générée par le système de turbine 3, des paramètres de fonctionnement successifs du contrôleur de turbine 9 sont déterminés, afin que la puissance Ph atteigne la valeur Ps1 avec une quantité minimale d'énergie complémentaire à fournir par le système de stockage d'énergie 14. Ainsi, le contrôleur 7 envoie successivement des consignes de puissance hydraulique Ph* au contrôleur de turbine 9 jusqu'à ce que le système atteigne l'équilibre. Le contrôleur 7 envoie également des consignes de puissance successives Pb* au système de stockage d'énergie 14 jusqu'à ce que le système atteigne l'équilibre. Les consignes de puissance sont définies pour suivre la relation Ph*+Pb*= Ps1. Les contrôleurs à modèles prédictifs (pour MPC soit Model predictive controllers en langue anglaise) s'appuient sur des modèles dynamiques d'un processus, le plus souvent des modèles empiriques linéaires obtenus par identification d’un système. Les modèles utilisés dans les contrôleurs à modèles prédictifs sont généralement destinés à représenter le comportement de systèmes dynamiques complexes. Les contrôleurs à modèles prédictifs sont basés sur une optimisation itérative à horizon fini sous les contraintes d'un modèle de système. A l'instant t, l'état courant du système est échantillonné et une stratégie de contrôle minimisant les coûts est calculée (par un algorithme de minimisation numérique) pour un horizon temporel relativement court dans le futur : [ t , t + T ], t étant l'instant courant et T le temps de prédiction ou l'horizon de prédiction. Plus précisément, un calcul en ligne ou à la volée est utilisé pour explorer les trajectoires d'état qui émanent de l'état actuel et pour trouver (via la solution des équations d'Euler-Lagrange par exemple) une stratégie de contrôle minimisant les coûts jusqu'au temps t + T. Seule la première étape de la stratégie de contrôle est mise en œuvre sur l’intervalle temporel [t, t+Ts], Ts étant le temps d'échantillonnage du contrôleur, puis l'état du système est à nouveau échantillonné, et les calculs sont répétés à partir du nouvel état courant, donnant un nouveau contrôle et un nouveau chemin d'état prédit. L'horizon de prédiction continue d'être décalé vers le futur et pour cette raison, les contrôleurs à modèles prédictifs sont également appelés contrôleurs d'horizon fuyant. Jusqu'à ce que le système hydraulique se stabilise à la puissance de sortie visée (Ph atteint Ps1), le système de stockage d'énergie 14 applique une puissance électrique réelle Pb sur la liaison de connexion 6, avec Pb + Ph = Ps1. Simultanément, les paramètres de fonctionnement successifs fournis par le contrôleur de turbine 9 sont appliqués à la turbine 32. Typiquement, les paramètres de fonctionnement successifs déterminés par le contrôleur 7 sont des consignes de puissance de la turbine 32. Ces consignes sont déterminées par le contrôle de modèle prédictif, en minimisant une fonction de coût définie comme la quantité d'énergie complémentaire à fournir durant l'horizon de prédiction à la turbine pour répondre aux exigences de haut niveau associées à la nouvelle consigne de puissance. Comme objectif secondaire, le même procédé est utilisé pour assurer l'asservissement de l'état de charge du système de stockage d'énergie 14. Le calcul du meilleur ensemble de paramètres de fonctionnement du contrôleur de turbine 9 inclut également les contraintes suivantes : i) l'énergie complémentaire à fournir ne doit pas être supérieure à ce que le système de stockage d'énergie 14 peut absorber (ou fournir) en fonction de son état de charge réel, ii) la puissance complémentaire prévue ne doit pas être supérieure à ce que le système de stockage d'énergie 14 peut absorber (ou fournir) en fonction de son état de santé réel, iii) les marges de stabilité du système de turbine 3 et de son contrôleur 9 doivent être respectées. La illustre des puissances correspondantes appliquées sur l'interface de connexion 62 selon l'invention. La illustre en pointillés la puissance électrique globale fournie sur l'interface de connexion 62. La puissance hydraulique Ph fournie sur l'interface de connexion 62 est illustrée en trait plein. La illustre la quantité d'énergie devant être délivrée par le dispositif de stockage d'énergie 14 pendant la même période (correspondant à la zone entre les lignes en trait plein et en pointillés de la ). Comme on peut le voir, l'énergie fournie par le dispositif de stockage d'énergie 14 jusqu'à ce que Ph atteigne Ps1 est par exemple d'environ 1 kW.h. La illustre la puissance électrique globale fournie sur l'interface de connexion 62 en pointillés, pour une gestion de puissance de référence. Selon cette gestion de puissance selon l’état de la technique, la turbine 32 est commandée pour fournir une puissance hydraulique Ph qui reste inférieure à Ps1. La puissance hydraulique Ph fournie sur l'interface de connexion 62 est illustrée en trait plein. La illustre la quantité d'énergie devant être délivrée par le dispositif de stockage d'énergie 14 pendant la même période de gestion d'énergie. Comme on peut le voir, l'énergie fournie par le dispositif de stockage d'énergie 14 jusqu'à ce que Ph atteigne Ps1 est d'environ 1,5 kW.h. Par conséquent, selon l'invention, l'énergie requise du dispositif de stockage d'énergie 14 est réduite. Ainsi, un dispositif de stockage d'énergie 14 avec une capacité réduite (et donc un coût et un encombrement inférieurs) peut être utilisé. Pour s'assurer que le dispositif de stockage d'énergie 14 est en mesure de fournir l'énergie requise au lien de connexion 6, le contrôleur 7 détermine également la quantité d'énergie complémentaire Emin que le système de stockage d'énergie 14 doit fournir au lien de connexion 6. pour répondre à l'exigence Ps1= Pb+Ph jusqu'à Ph = Ps1. La puissance électrique satisfaisant l'exigence Pb + Ph = Ps1 et l'application des paramètres de fonctionnement successifs déterminés de la turbine 32 ne sont déclenchées que lorsque l'énergie disponible instantanée du système de stockage d'énergie 14 satisfait Eess > Emin. En fonction des exigences fixées par les gestionnaires de réseau, la puissance électrique répondant à l'exigence Pb+Ph= PS1 et l'application des paramètres de fonctionnement successifs déterminés de la turbine 32 sont déclenchées moins de 5s après la réception de la consigne de puissance électrique Ps1, de préférence moins de 2 s, de préférence moins de 1 s, de préférence moins de 500 ms, et de préférence moins de 300 ms. Selon une autre variante de ce mode de réalisation de l'invention, le système de génération d'énergie 1 est commandé de la manière suivante. Dans ce mode de réalisation, le contrôleur de turbine 9 est un contrôleur PID, ayant au moins un gain variable (soit un ou plusieurs parmi un gain proportionnel, un gain d'intégration et un gain de dérivation). Comme pour la variante précédente, le contrôleur de turbine 9 est configuré pour appliquer une consigne de paramètre de fluide à la turbine 32 influençant la puissance électrique délivrée par la machine électrique 31. La machine électrique 31 délivre ainsi une puissance électrique instantanée Ph à la liaison de connexion 6. Le contrôleur 7 reçoit du réseau alternatif 2 une consigne P* à délivrer sur l'interface de connexion 62. Avant l'instant t=0, la valeur de la consigne P* est Ps0. Le système de turbine 3 est donc commandé pour délivrer une puissance Ph0 = Ps0 sur l'interface de connexion 62. Le système de stockage d'énergie 14 n'est donc pas utilisé, ou peut être chargé ou utilisé transitoirement. A l'instant t = 0, la valeur de la consigne P* est Ps1. ΔPs=Ps1-Ps0, avec Ps1 >Ps0. Ainsi, à l'instant t=0, une augmentation brutale de la valeur de consigne P* est demandée. A partir d'un contrôle à modèle prédictif de la puissance électrique générée par le système de turbine 3, des valeurs successives d'un gain variable du contrôleur de turbine 9 sont déterminées, afin que la puissance Ph atteigne la valeur Ps1 avec une quantité minimale d'énergie complémentaire fournie par le système de stockage d'énergie 14. Des valeurs successives peuvent être déterminées pour plusieurs gains différents du contrôleur de turbine 9. Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) comprenant : -une liaison de connexion (6) comprenant une interface de connexion (62) pour la connexion à un réseau CA (2) ; - un système de turbine (3) comprenant une machine électrique (31), une turbine (32) et un contrôleur de turbine (9), le contrôleur de turbine étant configuré pour délivrer au moins une consigne de paramètre de fluide à la turbine (32) influençant la puissance électrique délivrée par la machine électrique (31), la machine électrique (31) délivrant une puissance électrique instantanée Ph au lien de connexion (6) ; - un système de stockage d'énergie (14) connecté à la liaison de connexion (6) ; le procédé de contrôle comprenant les étapes suivantes : -a) recevoir une première consigne de puissance électrique Ps0 à délivrer à l'interface de connexion (62) et contrôler le système de turbine (3) afin de délivrer une puissance électrique Ph0 = Ps0 sur l'interface de connexion ; et - b) recevoir une consigne de puissance électrique ultérieure Ps1 (2) , avec ΔPs = Ps1 - Ps0, avec Ps1 > Ps0 ; c) en se basant sur un contrôle à modèle prédictif de la puissance électrique générée par le système de turbine (3), déterminer des paramètres de fonctionnement successifs du contrôleur de turbine (9à de façon à ce que Ph atteigne Ps1 avec une quantité minimale d’énergie complémentaire ; -d) Jusqu’à ce que Ph=Ps1, appliquer une puissance électrique Pb sur la liaison de connexion (6) au moyen du système de stockage d’énergie (14), avec Pb+Ph=Ps1, et appliquer les paramètres de fonctionnement successifs au contrôleur de turbine (9). Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon la revendication 1, dans lequel de système de stockage d’énergie (14) dispose d’une énergie disponible instantanée Eess, le procédé comprenant en outre la détermination de l’énergie complémentaire Emin que le système d’énergie électrique (14) doit fournir au lien de connexion (6) pour remplir la condition Ps1=Pb+Ph jusqu’à ce que Ph=Ps1, dans lequel l’étape d) est déclenchée seulement lorsque Eess> Emin. Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape d) est déclenchée moins de 5 secondes après l’étape b). Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon la revendication 3, dans lequel l’étape d) est déclenchée moins de 1 seconde après l’étape b). Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les paramètres de fonctionnement successifs sont les points de fonctionnement de la turbine, dans lequel l’étape c) est réalisée en évaluant itérativement la puissance instantanée Ph, en comparant la puissance instantanée évaluée Ph à la puissance électrique anticipée par le contrôle par modèle prédictif, déterminer des paramètres de fonctionnement successifs mis à jour pour le contrôleur de turbine (9) de sorte que Ph atteigne Ps1 avec une quantité minimale d’énergie complémentaire. Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le contrôleur de turbine (9) est un contrôleur PID, les paramètres de fonctionnement successifs étant des valeurs successives d’au moins une variable de gain choisie parmi un gain proportionnel, un gain d’intégration et un gain de dérivation. Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite turbine (32) est une turbine hydraulique, et dans lequel ladite consigne de paramètre de fluide est une consigne d’ouverture de vanne directrice de la turbine hydraulique (32). Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première consigne de puissance électrique reçue Ps0 est reçue du réseau CA (2). Procédé de contrôle d'un système de production d'électricité (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première consigne de puissance électrique reçue Ps0 est calculée par le système de production de puissance (1).