FR3079072A1 - Dispositif de maintenance pour bancs de batteries d'une centrale electrique solaire - Google Patents

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charge
battery
power
battery bank
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FR1858095A
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Romain Tardy-Marcantoni
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Original Assignee
Sagemcom Energy and Telecom SAS
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Abstract

Dispositif de maintenance destiné à effectuer des charges de maintenance sur les bancs de batteries. (9) d'une centrale électrique solaire (2), le dispositif de maintenance comportant un module d'alimentation (20) connecté à un bus de puissance (6) relié à la fois au panneau photovoltaïque et aux bancs de batterie, des premiers moyens de connexion pilotables pour connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries au bus de puissance, des deuxièmes moyens de connexion pilotables pour sélectivement connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries à une sortie (S) du module d'alimentation (20), et une unité électrique de pilotage (23) agencée pour piloter les premiers moyens de connexion et les deuxièmes moyens de connexion en connectant un banc de batteries particulier (9k) à la sortie du module d'alimentation (20) et en déconnectant ledit banc de batteries particulier (9k) du bus de puissance lorsqu'il convient d'effectuer une charge de maintenance sur ledit banc de batteries particulier.

Description

OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour objet de permettre d'effectuer automatiquement, sans intervention humaine, les charges de maintenance des bancs de batteries d'une centrale électrique « purement » solaire.
RESUME DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose un dispositif de maintenance destiné à effectuer des charges de maintenance sur une pluralité de bancs de batteries d'une centrale électrique solaire qui comprend aussi au moins un panneau photovoltaïque, le dispositif de maintenance comportant un module d'alimentation ayant au moins une entrée pouvant être connectée à au moins un bus de puissance relié à la fois au panneau photovoltaïque et aux bancs de batterie, des premiers moyens de connexion pilotables pour sélectivement connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries au bus de puissance, des deuxièmes moyens de connexion pilotables pour sélectivement connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries à une sortie du module d'alimentation, et une unité électrique de pilotage agencée pour piloter les premiers moyens de connexion et les deuxièmes moyens de connexion en connectant un banc de batteries particulier à la sortie du module d'alimentation et en déconnectant ledit banc de batteries particulier du bus de puissance lorsqu'il convient d'effectuer une charge de maintenance sur ledit banc de batteries particulier, et en déconnectant le banc de batteries particulier de la sortie du module d'alimentation et en reconnectant ledit banc de batteries particulier au bus de puissance lorsqu'une charge de maintenance n'est pas requise.
Le dispositif de maintenance permet de réaliser les charges de maintenance des bancs de batteries de la centrale électrique solaire de manière automatique, sans intervention humaine. L'énergie électrique nécessaire à ces charges de maintenance provient, via le bus de puissance, soit directement des panneaux photovoltaïques, soit des bancs de batteries qui ne sont pas en maintenance, de sorte que le dispositif de maintenance est compatible avec une centrale électrique purement solaire.
On propose de plus une centrale électrique solaire comportant des bancs de batteries et un dispositif de maintenance tel que celui qui vient d'être décrit.
On propose de plus un procédé de maintenance utilisant un dispositif de maintenance tel que celui qui vient d'être décrit et comportant les étapes de :
définir une date à laquelle il convient d'effectuer une charge de maintenance sur un banc de batteries particulier ;
recevoir des informations relatives à des prévisions météorologiques et/ou à un état de charge des bancs de batteries et/ou à une heure en cours de la journée actuelle ;
démarrer la charge de maintenance sur le banc de batteries particulier à partir de ces informations ;
piloter les premiers moyens de connexion et les deuxièmes moyens de connexion pour connecter le banc de batteries particulier à d'alimentation et pour déconnecter ledit batteries particulier du bus la sortie du module de puissance.
banc de un programme d'ordinateur pour mettre en traitement d'un œuvre, par un dispositif de
On propose en outre comprenant des instructions composant électrique de maintenance intégré dans une centrale électrique solaire, un procédé de maintenance tel que décrit plus tôt.
On propose aussi des moyens caractérisés en ce qu'ils stockent d'ordinateur comprenant des instructions un composant électrique de maintenance intégré solaire, un procédé de de de un pour stockage, programme mettre en traitement d'un dans une centrale maintenance tel que œuvre, par dispositif électrique celui qui vient d'être décrit.
L'invention sera mieux comprise à la lumière description qui suit d'un mode de mise en particulier non limitatif de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, de la œuvre parmi lesquels :
la figure 1 représente une centrale électrique solaire dans laquelle est intégré un dispositif de maintenance selon l'invention ;
la figure 2 représente des étapes d'un procédé de maintenance utilisant le dispositif de maintenance selon l'invention ;
la figure 3 est un graphique sur lequel sont représentées des courbes de décharge en fonction du régime de décharge d'un élément de batterie d'un banc de batteries, c'est-à-dire des courbes de tension aux bornes de l'élément de batterie en fonction du temps ;
la figure 4 est un graphique sur lequel sont représentées des courbes de relevés de tension, de courant et d'état de charge de deux bancs de batteries ;
les figures 5a à 5g forment un tableau comprenant des relevés de paramètres électriques effectués sur deux bancs de batteries de type EXIDE OPzS 1990 ;
la figure 6 est un tableau comprenant, des valeurs de capacité (en Ah) d'un banc de batteries de type OPzS Solar 1990 en fonction du régime de décharge ;
la figure 1 est un tableau comprenant des valeurs de capacité et de courant de décharge d'un banc de batteries en fonction du régime de décharge.
En DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION de
référence à la figure 1, le dispositif
maintenance selon 1': invention 1 est intégré dans une
centrale électrique « purement » solaire 2, c'est-à-dire
alimentée uniquement par 1 'énergie solaire. Cette
centrale électrique solaire 2 est ici destinée à
alimenter électriquement des équipements de
télécommunication 3.
La centrale électrique solaire 2 comprend une
pluralité de panneaux photovoltaïques 4 qui sont reliés
chacun à un convertisseur DC-DC 5. La centrale électrique solaire 2 comprend de plus un premier bus de puissance 6 et un deuxième bus de puissance 7. Le premier bus de puissance 6 et le deuxième bus de puissance 7 sont reliés aux panneaux photovoltaïques 4 via les convertisseurs DCDC 5. Les panneaux photovoltaïques 4 transforment l'énergie solaire en énergie électrique. Les convertisseurs DC-DC 5 convertissent la tension de sortie des panneaux photovoltaïques 4 de sorte que la tension appliquée sur le premier bus de puissance 6 soit égale à -48V et la tension appliquée sur le deuxième bus de puissance 7 soit égale à 0V. On obtient ainsi une tension de bus qui est normalement égale à 48VDC entre le premier bus de puissance 6 et le deuxième bus de puissance 7 (ou, plus exactement, entre le deuxième bus de puissance 7 et le premier bus de puissance 6). Les équipements de télécommunication 3 sont reliés au premier bus de puissance 6 et au deuxième bus de puissance 7 et sont alimentés électriquement par le premier bus de puissance 6 et le deuxième bus de puissance 7.
La centrale électrique solaire 2 comporte de plus une pluralité de bancs de batteries 9. Chaque banc de batteries 9 comporte ici 24 éléments de batterie de 2V. Chaque banc de batteries 9 est relié via un premier conducteur 10 au premier bus de puissance 6 et via un deuxième conducteur 11 au deuxième bus de puissance 7. Chaque banc de batteries 9 comprend une sonde de température 13 qui mesure la température de l'un des éléments de batterie dudit banc de batteries 9. On considère que la température du banc de batteries 9 en question peut être estimée par la température mesurée par la sonde de température 13.
La centrale électrique solaire 2 comporte aussi un premier contrôleur 14. Le premier contrôleur 14 gère un certain nombre de fonctionnalités mises en œuvre dans la centrale électrique solaire 2. En particulier, le premier contrôleur 14 gère le fonctionnement des convertisseurs DC-DC 5 et calcule l'état de charge des batteries (ou SoC, pour State of Charge).
La centrale électrique solaire 2 comporte de plus un deuxième contrôleur 15. Le deuxième contrôleur 15 est un contrôleur de . supervision. Il est notamment agencé pour communiquer avec le premier contrôleur 14 et avec un serveur de supervision déporté 16, situé à distance de la centrale électrique solaire 2.
Le serveur de supervision 16 acquiert des données produites par un site web de prévisions météorologiques 17 .
Le dispositif de maintenance selon l'invention 1 forme quant à lui un équipement individuel qui est intégré dans la centrale électrique solaire 2.
Le dispositif de maintenance 1 comporte un boîtier à l'intérieur duquel sont intégrés un module d'alimentation 20, des premiers moyens de connexion qui comportent ici des premiers contacteurs de puissance 21, des deuxièmes moyens de connexion qui comportent ici des deuxièmes contacteurs de puissance 22, et une unité électrique de pilotage 23.
Le module d'alimentation 20 produit un courant de charge de maintenance sous une tension de charge de maintenance, pour réaliser les charges de maintenance de chaque banc de batteries 9 individuellement.
Le module d'alimentation 20 comporte une première entrée El reliée au premier bus de puissance 6, une deuxième entrée E2 reliée au deuxième bus de puissance 7, et une sortie S. Le module d'alimentation 20 comprend un convertisseur buck-boost et un module de contrôle du convertisseur buck-boost.
Les premiers contacteurs de puissance 21 sont pilotables pour sélectivement connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries 9 au premier bus de puissance 6. Chaque premier contacteur de puissance 21 est associé à un banc de batteries 9 distinct, et chaque deuxième contacteur de puissance 22 est associé à un banc de batteries 9 distinct.
Chaque premier contacteur de puissance 21 est monté sur un premier conducteur 10 qui relie un banc de batteries 9 au premier bus de puissance 6. Chaque deuxième contacteur 22 est monté entre la sortie S du module d'alimentation 20 et une entrée d'un banc de batteries 9.
L'unité électrique de pilotage 23 pilote le dispositif de maintenance 1. L'unité électrique de pilotage 23 comporte au moins un composant électrique de traitement qui gère le fonctionnement de l'unité électrique de pilotage 23 et donc du dispositif de maintenance 1. Le composant électrique de traitement est par exemple un processeur, un microcontrôleur, un FPGA, un ASIC, etc. Le composant électrique de traitement est adapté à exécuter des instructions d'un programme pour réaliser les tâches qui sont dédiées à l'unité électrique de pilotage 23.
On note que le dispositif de maintenance 1 peut être intégré facilement dans une centrale électrique solaire existante sans qu'il soit nécessaire de modifier ladite centrale électrique solaire. Il suffit en effet pour cela de connecter le dispositif de maintenance 1 au premier bus de puissance 6 et au deuxième bus de puissance 7, d'une part, et aux bancs de batteries 9, d'autre part.
On décrit maintenant, en référence à la figure 2, un procédé de maintenance des bancs de batteries 9, qui utilise le dispositif de maintenance selon l'invention 1.
L'unité électrique de pilotage 23 acquiert un calendrier (étape El) et une table d'état (étape E2). Le calendrier définit les dates de maintenance prévisionnelles pour chacun des bancs de batteries 9. La table d'état contient les dates des charges de maintenance réalisées pour chaque banc de batteries 9.
L'unité électrique de pilotage 23 calcule alors la date prévisionnelle à laquelle il convient de réaliser la prochaine charge de maintenance sur un banc de batteries particulier 9k (étape E3). La date prévisionnelle est alors comparée avec la date courante (étape E4). Tant que la date courante est antérieure à la date prévisionnelle, le procédé de maintenance réitère l'étape E4.
Lorsque la date courante atteint la date prévisionnelle, l'unité électrique de pilotage 23 acquiert via le deuxième contrôleur 15 des informations relatives à des prévisions météorologiques.
En effet, l'énergie nécessaire à la charge de maintenance est fournie soit par la production photovoltaïque (jour), soit par l'énergie stockée dans les bancs de batteries 9 non déconnectés (nuit ou passage nuageux). Pendant la charge de maintenance, la centrale électrique solaire 2 présente une capacité de batteries réduite. Cette capacité réduite ne doit pas entraîner de rupture de service (alimentation des équipements de télécommunication). Cela implique que la production solaire doit être maximale. On met donc en place un système de lecture des prévisions météorologiques afin d'autoriser une charge de maintenance.
L'unité électrique de pilotage 23 détermine par conséquent si une condition liée à ces informations est vérifiée (étape E5) . Ici, la condition à valider est que les prévisions météorologiques soient favorables pour les jours à venir. On utilise un critère lié à la nébulosité. Par exemple, une prévision des trois prochains jours avec une nébulosité inférieure à 10% est considérée comme un facteur favorable.
Si cette condition est vérifiée, l'unité électrique de pilotage 23 acquiert via le deuxième contrôleur 15 des informations relatives à un état de charge des batteries du banc de batteries particulier 9k. L'unité électrique de pilotage 23 détermine alors si une condition liée à ces informations est vérifiée (étape E6) . La condition à valider est que l'état de charge soit supérieur à un seuil de charge prédéterminé qui est ici égal à 95%.
Si cette condition est vérifiée, l'unité électrique de pilotage 23 acquiert via le deuxième contrôleur 15 des informations relatives à l'heure en cours de la journée courante. L'unité électrique de pilotage 23 détermine alors si une condition liée à ces informations est vérifiée (étape E7) . Cette condition est que l'heure en cours corresponde à la fin de la journée actuelle. L'heure correspondant à la fin de la journée est configurable. La configuration peut prendre en compte les heures de lever et de coucher du soleil, par exemple sous forme tabulée, éventuellement acquises auprès d'un service d'éphémérides.
Si cette condition est vérifiée, la charge de maintenance démarre sur le banc de batteries particulier 9k.
L'unité électrique de pilotage 23 pilote le premier contacteur de puissance 21 et le deuxième contacteur de puissance 22 associés au banc de batteries particulier 9k de manière à connecter le banc de batteries particulier 9k à la sortie du module d'alimentation 20 et de manière à déconnecter ledit banc de batteries particulier 9k du premier bus de puissance 6. L'unité électrique de pilotage 23 commande pour cela une ouverture du premier contacteur de puissance 21 (étape E8) et une fermeture du deuxième contacteur de puissance 22 (étape E9).
On lance alors une mesure de la durée de la charge de maintenance. La durée de la charge de maintenance doit être égale à un temps configurable tl. Ce temps configurable tl est fourni par le fabricant des batteries (charge d'égalisation périodique à appliquer en utilisation solaire, cyclage). généralement compris entre périodicités de 1 à 3 mois.
Puis, la température particulier 9k est mesurée
Ce temps configurable est
24h et du banc grâce à
72h pour des de batteries la sonde de température 13 associée (étape Ell).
L'unité électrique de pilotage 23 calcule alors la tension de charge qu'il convient d'appliquer en entrée du banc de batteries particulier 9k pour réaliser la charge de maintenance (étape E12).
La tension de charge est égale à une tension d'égalisation totale du banc de batteries particulier 9k. La tension d'égalisation totale est la même pour tous les bancs de batteries 9. La tension d'égalisation de chaque élément de batterie est fixée à 2,4 VDC, soit 57,6 VDC pour chaque banc de batteries 9 de 24 éléments de batterie. Cette tension d'égalisation est la tension minimale fixée par les fabricants de batteries pour une charge d'égalisation (batterie à électrolyte liquide). Le choix de cette tension d'égalisation de 2,4 VDC permet de préserver les équipements de télécommunication (ou « charge ») contre une surtension lors des reconnexions ou en cas d'une reconnexion accidentelle.
Cette tension de charge peut être ajustée en cas d'utilisation de batteries d'une autre technologie, par exemple de batteries étanches (GEL).
La tension de charge qui vient d'être décrite est en réalité une tension de charge nominale pour une température de référence Tref- La température de référence Tref est donnée par le fabricant des batteries et est égale typiquement à 20°C ou 25°C.
La tension de charge réelle doit donc être compensée en fonction de la température du banc de batteries particulier 9k en cours de maintenance.
On définit ainsi une tension de consigne UCOnsigne (V) qui correspond à la tension de charge compensée en température.
On a :
Uconsigne (V) — Légalisation + (Tref ~ Teatt) * ϋκ,τθιηρ * ^éléments .batteries r avec :
Légalisation (V) =2,4 VDC par élément de batterie, soit 57,6 VDC pour un banc de batteries 9 ;
Tref (°C) : température de référence (typiquement égale à 20°C ou 25°C), fournie par le fabricant des batteries ;
Tfiatt (°C) : température (en temps réel) d'une batterie qui est représentative de la température du banc de batteries particulier n ;
UK.Temp (V) : coefficient de tension lié à la température et fourni par le fabricant des batteries. Sa valeur est par exemple de 3mV/°C/élément de batterie ;
Néléments.batteries : nombre d'éléments de batterie en série, ici égal à 24).
La tension de consigne UCOnsigne (V) est alors transmise au module de contrôle du convertisseur buckboost du module d'alimentation 20.
Le module de contrôle met en œuvre une boucle de régulation de tension pour commander le convertisseur buck-boost de manière à assurer que la tension de sortie du module d'alimentation reste égale à la tension de consigne (ou tout au moins le plus proche de possible de la tension de consigne - étape E13).
Si la tension de consigne est supérieure à la tension de bus présente entre le premier bus de puissance 6 et le deuxième bus de puissance 7 (soit 48VDC) , le convertisseur buck-boost du module d'alimentation 20 est commandé en boost. Si la tension de consigne est inférieure à la tension de bus, le convertisseur buckboost est commandé en buck.
Le module de contrôle met aussi en œuvre une boucle de régulation de courant agencée pour limiter un courant de charge de maintenance en sortie du module d'alimentation 20. Cette boucle de régulation de courant permet d'assurer que le courant de charge de maintenance demeure inférieur à un seuil de courant prédéfini. Le seuil de courant prédéfini est ici fixé à :
I (A) = 0,01 * CIO.
CIO représente la capacité en Ah des batteries pour une décharge complète en 10 heures. La capacité d'un banc de batteries dépend du courant moyen de décharge (régime de décharge). Elle est exprimée en fonction du nombre d'heures d'autonomie jusqu'à la tension d'arrêt. C10 représente la capacité (en Ah) des batteries pour une décharge complète en 10 heures (régime de 10 heures). Cette capacité est fournie par le fabricant des batteries. On note que, dans tout ce document, le temps t en heure correspond à l'indice du régime (par exemple pour C10 : t = 10 heures).
Puis, on vérifie que la tension de bus entre le premier bus de puissance 6 et le deuxième bus de puissance 7 demeure supérieure ou égale à un seuil de tension prédéfini (étape E14).
En effet, si la tension de bus devient trop faible, cela indique que l'état de charge des éléments de batterie des bancs de batteries 9 restés connectés au premier bus de puissance 6 est anormalement bas. Cet état de charge trop bas peut par exemple être dû à un défaut ou à une recharge diurne insuffisante. Si la tension de bus est effectivement inférieure au seuil de tension prédéfini, la charge de maintenance est arrêtée et le banc de batteries particulier 9k en cours de maintenances (avec un état de charge proche de 100% de SoC) est reconnecté au premier bus de puissance 6 et est utilisé pour alimenter les équipements de télécommunication 3.
Une alarme est également générée (étape E15). Cette alarme peut indiquer à un opérateur qu'une intervention sur la centrale électrique solaire 2 est nécessaire. Cette alarme peut de même indiquer qu'une action externe est nécessaire pour déterminer les causes de l'anomalie.
La valeur du seuil de tension prédéfini est configurable. Par défaut, le seuil de tension prédéfini sera configuré pour correspondre à un état de charge équivalent à environ 25% de SoC (State of Charge).
La valeur du seuil de tension prédéfini est déterminée en utilisant les courbes de décharge en fonction du régime de décharge, fournies par le fabricant des batteries.
On calcule tout d'abord le courant moyen de décharge en ampere ( Imoyen.de.décharge) · θη a Z
Imoyen.de.décharge (A) = Icharge.principale + Isystème .maintenancer 3V6C Z
Icharge.principale (A) : courant moyen consommé par les équipements de télécommunication 3 (en ampère) ;
Isystème.maintenance (A) z courant maximum consommé par le dispositif de maintenance 1 (en ampère). Ce courant est égal à 0,01 * C10 d'un unique banc de batteries 9.
Le seuil de tension prédéfini Useun correspond donc à un état de charge équivalent à 25% de SoC en fonction du courant moyen de décharge en ampère (Imoyen.de.décharge)
Les courbes de décharge des fabricants des batteries ont comme ordonnée la tension pour un élément de batterie et comme abscisse le temps en heure de décharge. Chaque courbe de décharge représente un régime de décharge différent par rapport à une capacité de référence (Cx).
Afin de déterminer la courbe correspondante, il est nécessaire de calculer l'autonomie nominale (Nbheure.décharge.total) en heures des éléments de batterie des bancs de batteries 9 restés connectés au premier bus de puissance 6, c'est-à-dire des batteries de la totalité des bancs de batteries 9 à l'exception du banc de batteries particulier 9k dont la maintenance est en cours.
La capacité en régime de décharge Cx des éléments de batteries restés connectés au premier bus de puissance 6 (Cah.total) se calcule en additionnant la capacité respective (CAh) de tous les bancs de batteries 9 (Nbbancs) moins le banc de batteries particulier 9k en maintenance. La capacité est exprimée en ampère-heure. On note que tous les bancs de batteries 9 ont ici strictement la même capacité.
On a :
CAh : capacité unitaire d'un banc de batteries — C Ah. total (Ah) CAA * — Nbheure. décharge. total
Imoyen.de.décharge·
On convertit l'état de
CAh .total charge en heures de décharge
3θΤ1ί1 ( Hseuil. de. tension) ·
SoCseuii (%) : Seuil par défaut à 25% ;
~ H-geuj_;]_. de. tension (heures) — Nbheure . décharge . total
SoCseuii) / 100.
On lit de SoC minimum, qui est fixé * (100 alors sur les courbes fournis fabricant des batteries le seuil de tension par le prédéfini correspondant
On aux heures de décharge seuil, fournit un exemple pour illustrer ce qui vient d'être dit.
On se solaire 2 chacun une place dans le cas où comporte capacité trois bancs la centrale
Le courant moyen télécommunication 3 respective de consommé est prédéfini correspond
25% de SoC.
donc égal à un par à 60A.
électrique de batteries 9 ayant 2000Ah en régime C120. les équipements de Le seuil de tension état de charge équivalent à
On a :
A
I charge.principale ·
Isystème.maintenance — 0,01 * 2000 = 20 A ; Imoyen. de. décharge = 40 + 20 = 80 A ;
CAh.total = 2000 * (3 - 1) = 4000 Ah ;
Nbheure.décharge.total ~ 4000 / 80 = 50 heures ;
Hseuil. ds. tension — 50 * (100 25) / 100 — 37,5 heures.
En référence à la figure 3, le fabricant des batteries fournit les courbes de décharge pour les régimes de décharge en 48 heures (courbe Cl) , en 100 heures (courbe C2 ) et en 12 0 heures (courbe C3) . Une interpolation est nécessaire pour produire la courbe C4 correspondant au régime de décharge en 50 heures.
On constate que le seuil de tension prédéfini correspondant à 37,5 heures est égal à Useun = 1,94 V par élément de batterie, soit à 46, 56 VDC pour des bancs de batteries 9 ayant 24 éléments de batterie.
En référence de nouveau à la figure 2, si la tension de bus est supérieure ou égale au seuil de tension prédéfini, ce qui correspond à un fonctionnement normal, on vérifie que la température du banc de batteries particulier 9k en cours de maintenance est bien inférieure ou égale à un seuil de température prédéfini (étape E16) . La valeur du seuil de température prédéfini est fournie par le fabricant des batteries.
Une température supérieure au seuil de température prédéfini correspond en effet à une température anormalement élevée. Si la température devient supérieure au seuil de température prédéfini, la charge de maintenance est arrêtée et une alarme est générée (étape E15) .
On attend alors la fin du temps configurable (étape E17) . Si le
1' étape E18.
temps configurable est écoulé, on passe à Sinon, on retourne à l'étape EU.
la fin de la charge de 9k.
L'étape maintenance du banc de batteries
E18 correspond à particulier
La charge de maintenance requise. Il convient batteries particulier d'alimentation 20 et n'est donc donc de déconnecter alors plus le banc de
9k de la sortie du module de reconnecter ledit banc de batteries particulier 9k au premier bus de puissance 6. Pour cela, l'unité électrique de pilotage 23 ouvre le deuxième contacteur de puissance 22 déconnecter le banc de batteries sortie du module d'alimentation 20, contacteur de puissance 21, ce qui le banc de batteries particulier puissance 6.
Un ordre est alors envoyé au de recalculer l'état de charge des bancs de batteries , ce qui particulier et referme permet de
9k de la le premier permet de reconnecter 9k au premier bus de premier contrôleur (étape E20). La charge de maintenance a en effet perturbé le calcul de l'état de charge de l'ensemble des bancs de le re-calibrer.
batteries 9, et il est nécessaire note qu'en l'absence d'un système charge (SoC) intelligent mis en contrôleur 14, est nécessaire pour système d'estimation batteries (SoC).
Les étapes qui d'estimation d'état intelligent un redémarrage du forcer celui-ci de
On de œuvre dans le premier premier contrôleur à réinitialiser de 1 ' état de viennent d'être son charge des bancs de décrites sont réalisées à nouveau successivement pour chacun des bancs de batteries 9.
alors autres
On note que lorsqu'un banc de batteries déconnecté du premier bus de puissance 6, pendant les phases de charge diurne, la totalité du courant produit consommé par répartit sur connectés au est par les les les panneaux photovoltaïques 4 et non équipements de télécommunication 3 se bancs de batteries 9 qui sont restés premier bus de puissance 6. Il faut donc assurer que ce courant ne dépasse pas le courant maximal autorisé chacun des bancs de batteries 9.
par qui du
On présente maintenant les résultats de travaux ont été réalisés pour vérifier la faisabilité dispositif de maintenance selon l'invention 1.
Des relevés périodiques d'une charge de maintenance en mode hybride ont tout d'abord été effectués. Ces relevés sont fournis dans les tableaux des figures 5a à 5g. Dans cette configuration hybride, les bancs de batteries 9 restent connectés en permanence au premier bus de puissance 6, et c'est un groupe électrogène qui fournit toute l'énergie nécessaire pour la durée de la charge de maintenance.
Cette étude permet d'évaluer la demande énergétique pour la charge de maintenance de batteries plomb-acide en site pure solaire.
Les relevés présentés correspondent à une charge de maintenance de 2 bancs de batteries de type EXIDE OPzS 1990 (plomb-acide à électrolyte liquide) de 1990Ah en régime C120, connectés en parallèle. Le redresseur est de type hybride : énergie solaire, groupe électrogène et batteries.
L'énergie (Ah) nécessaire pour cette charge de maintenance s'exprime de la façon suivante :
Figure FR3079072A1_D0001
Figure FR3079072A1_D0002
Sur la figure 4, la courbe C5 correspond à la tension de charge de maintenance, en fonction du temps, aux bornes des deux bancs de batteries en maintenance, la courbe C6 correspond au courant de charge de maintenance, la surface SI à l'énergie nécessaire pour la charge de maintenance, et la courbe C7 à l'état de charge des bancs de batterie.
Les relevés périodiques sont alors exploités en étant ramenés à un seul banc de batteries 9 : toutes les valeurs des relevés ont été divisées par deux. Les relevés périodiques permettent de décomposer par périodes les énergies W(Ah) suivantes.
La consommation d'énergie totale sur la période de 48 heures est :
Wtotal.maintenance 714 / z La consommation ’ = 356, 5 Ah.
d'énergie sur la première période
nocturne 30 est :
Wnocturnel .maintenance = 33 9 / 2 = 169, 5 Ah.
La consommation d'énergie sur la première période
diurne 31 est :
Wdiurnel.maintenance — 157 / 2 = 78,5 Ah.
La consommation d'énergie sur la deuxième période
nocturne 32 est :
Wnocturne2 .maintenance 103 /2=51,5 Ah.
La consommation d'énergie sur la deuxième période
diurne 33 est :
Wdiurne2.maintenance ~' 114 / 2 = 57 Ah
Ensuite, on étudie par simulation un scénario de
charge de maintenance via le dispositif de maintenance selon l'invention 1.
On utilise les données suivantes pour la simulation :
courant consommé par la charge (ici, par les équipements de télécommunication) = 20 A ;
tension de bus = 48 VDC ;
utilisation de 2 bancs de batteries type OPzS (plomb acide à électrolyte liquide, tubulaire) ;
capacité = 1990 Ah en C120 ;
- 24 éléments de batterie de 2V en série dans chaque banc de batteries ;
les capacités fournies par le fabricant de batteries en fonction du régime de décharge correspondent aux capacités du tableau de la figure 6 ;
- rendement énergétique charge/décharge des batteries de cette technologie : environ 90% prévisions météorologiques favorables pour les 3 jours à venir ;
début de la charge de maintenance au coucher du soleil, état de charge des batteries de 95% de SoC (State of Charge) ;
durée diurne = durée nocturne = 12 heures ; données de conception du site :
o panneaux photovoltaïques :
puissance installée de 10 kWc (kiloWatt-crête) ;
technologie poly-cristallin.
o potentiel de production d'énergie moyenne par jour :
mois le plus défavorable = 35,40 kWh ;
mois le plus favorable = 44 kWh.
Les calculs sont focalisés sur la première période nocturne 30 puisqu'elle est la plus consommatrice d'énergie. Si, après cette première période nocturne 30, les batteries sont en mesures de retrouver un état de charge supérieur ou égal à 95% de SoC, cela permet de valider le fonctionnement de cette invention.
On calcule alors l'énergie nécessaire pour la première période nocturne 30 : WnoctUrnei.nécessaire (Ah) .
On a :
Wnocturnel.nécessaire (Ah) = ^décharge.batteries * Hnoturnelr âVOC ;
~ I décharge.batteries (A) = ( ^charge + I système.maintenance) r
Icharge (A) : courant moyen de la charge (équipement télécom) ;
Isystème.maintenance (A) : courant maximum du système de maintenance (fixé à 0,01*C10) ;
~ Hnoturnei (heures) : durée en heure de la période nocturne.
On obtient les valeurs numériques suivantes :
— Icharge 20 A — Isystème .maintenance · 0,01 * 1411 = 14,11 A /
Hnoturnei : 12 heures ;
~ Idécharge.batteries = 20 + 14,11 = 34,11 A ;
~ Wnocturnel .nécessaire = 34,11 * 12 = 409,32 Ah.
Cependant, la capacité d'une batterie plomb-acide n'est pas constante. Elle dépend du courant de décharge. Il est donc nécessaire de calculer la capacité des batteries restées connectées au premier bus de puissance 6 et correspondant au courant de décharge de la première période nocturne. Pour permettre ce calcul, il est nécessaire de connaître les capacités de références qui sont fournies par le fabricant des batteries. Puis, à partir ces tables, on calcule la capacité réelle. Ce calcul est réalisé grâce la loi de Peukert's.
On calcule le coefficient k de Peukert's en fonction de deux couples de points. On a :
IA (A) : courant de décharge pour un régime A ;
tA (heures) : temps de décharge pour un régime
A ;
IB (A) : courant de décharge pour un régime B ;
tB (heures) : temps de décharge pour un régime B.
On trouve :
Figure FR3079072A1_D0003
On obtient les valeurs numériques qui suivent. On
utilise la table des capacités fournies par le fabricant
et correspondant au tableau de la figure 7.
On calcule tout d'abord les courants de décharges
pour chaque régime de la table :
I(A) = C (Ah) / t (heures).
Pour le calcul de k, on utilise en référence pour le régime (A) le régime CIO, ainsi que le régime (B) qui borne notre courant de décharge (Idécharge.batteries)
On a :
Idécharge. batteries = 54,11 A.
Le régime (B) = C48 borne le courant de décharge.
On a donc :
Figure FR3079072A1_D0004
On calcule la capacité réelle (C) via l'expression normalisée de la capacité en fonction de la valeur normalisée du courant.
On a :
Figure FR3079072A1_D0005
Avec :
CIO (Ah) : capacité des batteries pour un régime de décharge CIO (10 heures) ;
110 (A) : courant des batteries pour un régime de décharge CIO (10 heures) ;
I (A) : courant de décharge réel des batteries (Idécharge.batteries) ;
k : Coefficient de Peukert's
On obtient la valeur numérique suivante :
1411 /34,1131,148-1
1141,17
1741 Ah.
On calcule alors l'état de charge SoC (State of
Charge) des batteries restées connectées au premier bus de puissance 6 après la première période nocturne.
On a :
SoCinitiai (%) = SoC de départ (en début de première période nocturne).
On a donc :
SoC (»/„) = „ 100^ _ (100 _ SoCirMlal)
On obtient la valeur numérique suivante :
/1741 -409,32 \ z
SoC = [---—---* 100J - (100 - 95) = 71,5 %
Ce niveau de décharge est correct. La capacité des bancs de batteries restés connectés au premier bus de puissance 6 est supérieure à 2/3 de leur capacité.
La marge avec un état de charge SoC de 25 % (correspondant à Useuii) est suffisante (pas de confusion possible pour le système).
On calcule l'énergie solaire nécessaire W (Wh) pendant la première période diurne (avec une météorologie favorable) pour :
recharger les batteries du système principal à un état de charge SoC de 95% (égal à l'état de charge du début de la 1ère période nocturne) ;
alimenter la charge (équipements de télécommunication) ;
alimenter le dispositif de maintenance.
On a :
— Erecharge .batterie .principales. diurnel (Wh) : énergie nécessaire pour recharger les batteries pendant la première période diurne ;
Wnocturnei. nécessaire (Ah) : énergie nécessaire pour la première période nocturne ;
USystèitie (V) : tension nominale du dispositif de maintenance ;
R : Rendement énergétique charge/décharge des batteries ;
E charge, diurnei. (Wh) = énergie nécessaire pour alimenter la charge (équipements de télécommunication) pendant la première phase diurne ;
Icharge (A) : courant moyen consommé par la charge (équipements de télécommunication)
Hdiurnei · 12 heures ;
Isystème.maintenance (A) : courant maximum consommé par le dispositif de maintenance (fixé à 0,01*C10, voir plus haut) ;
— ESySteme .maintenance. diurnel (Wh) I énergie nécessaire pour alimenter le dispositif de maintenance pendant la première période diurne ;
Etotai. necessaire, diurnei (Wh) : énergie nécessaire totale pour la première période diurne (retour état de SoC des batteries et alimentation charge + dispositif de maintenance) ;
(Wh)
Wnocturnel.nécessaire
Erecharge.batterie.principales.diurne * Usystème / (R / 100) ;
~ Echarge.diurne1 (Wh) — I charge * — Esysteme.maintenance.diurnel
Usystème * Hdiurnel r ~ Etotal.necessaire.diurnel
Erecharge.batterie.principales.diurnel Esysteme.maintenance.diurnel·
On obtient les valeurs numériques suivantes : ~ Erectiarge. batterie .principales . diurne (Wh) 409,32 * (90 / 100) = 17683 Wh ;
Echarge. diurne! (Wh) = 20 * 48 * 12 = 11520 Wh ; ~ Egysteme .maintenance. diurnel (Wh) = 14,11 * 48 *
8127 Wh ;
— Etotal .necessaire.diurnel (Wh) = 17 683 +
37330 Wh = 37,33 kWh.
L'énergie nécessaire pour la première prévoit à 44 kWh (Wh)
37,33 kWh. La conception du site journalière moyenne de 35,40 kWh mois.
On détermine l'écart entre la
Usystème * Hdiurnel r ~ I système.maintenance (Wh)
Echarge.diurnel
11520 + 8127 journée est de production suivant le une production moyenne du mois le plus défavorable nécessaire pour la première journée (ΔΕ) :
— Eproduction.journalière.moyenne ( kWh ) :
et j ournalière
1'énergie production journalière moyenne du mois le plus défavorable (donnée de conception) ;
ΔΕ (kWh)
Etotal.necessaire.diurnel ·
On obtient :
^production. j ournalière .moyenne
ΔΕ (kWh) = 35,40 - 37,33 = - 1,93 kWh.
Cet écart n'entraine pas de risque pour l'alimentation des équipements de télécommunication.
En effet, la capacité des batteries permet de combler ce déficit sans impact significatif sur l'autonomie de la centrale électrique solaire et des équipements de télécommunication.
On estime en effet la capacité totale des batteries par la formule suivante :
Capacité nominal totale * tension système à 1990Ah * 2 bancs * 48VDC = 191 kWh.
Par ailleurs, les moyennes journalières données par la conception ne prennent pas en compte la météorologie du jour. Les logiciels de conception se basent en effet sur des bases de données et estiment la production mensuelle pour le site en question. Il est donc probable que le mois avec l'estimation de production le plus faible est lié à un mois avec une météorologie très fluctuante (dégradée) . En divisant le mois par le nombre de jour, on obtient une estimation de production jour qui se retrouve donc avec une part de météorologie dégradée.
La conception du dispositif de maintenance selon l'invention 1 est donc probablement basée sur des prévisions météorologiques défavorables. La production par jour sera donc en réalité supérieure à la moyenne journalière du mois prévu par la conception.
L'énergie nécessaire pour la deuxième journée est inférieure à la 1ère journée car la charge de maintenance demande moins de courant (voir figure 4) . On peut donc considérer que l'énergie consommée est inférieure ou égale à l'énergie produite.
Les relevés et simulations réalisés permettent donc de conclure que le dispositif de maintenance selon l'invention est parfaitement réalisable sans dégrader les performances de la centrale électrique solaire 2.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de maintenance destiné à effectuer des charges de maintenance sur une pluralité de bancs de batteries (9) d'une centrale électrique solaire (2) qui comprend aussi au moins un panneau photovoltaïque (4), le dispositif de maintenance comportant un module d'alimentation (20) ayant au moins une entrée pouvant être connectée à au moins un bus de puissance (6) relié à la fois au panneau photovoltaïque et aux bancs de batterie, des premiers moyens de connexion pilotables pour sélectivement connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries au bus de puissance, des deuxièmes moyens de connexion pilotables pour sélectivement connecter ou déconnecter individuellement chaque banc de batteries à une sortie (S) du module d'alimentation (20), et une unité électrique de pilotage (23) agencée pour piloter les premiers moyens de connexion et les deuxièmes moyens de connexion en connectant un banc de batteries particulier (9k) à la sortie du module d'alimentation (20) et en déconnectant ledit banc de batteries particulier (9k) du bus de puissance lorsqu'il convient d'effectuer une charqe de maintenance sur ledit banc de batteries particulier, et en déconnectant le banc de batteries particulier de la sortie du module d'alimentation et en reconnectant ledit banc de puissance lorsqu'une de batteries particulier au bus charge de maintenance n'est pas requise.
  2. 2. Dispositif de maintenance selon la revendication 1, dans lequel l'unité électrique de pilotage (23) est agencée pour recevoir des informations relatives à des prévisions météorologiques et/ou à un état de charge des bancs de batteries et/ou à une heure en cours d'une journée actuelle, et pour démarrer une charge de maintenance à partir de ces informations.
  3. 3. Dispositif de maintenance selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le module d'alimentation (20) comprend un convertisseur buck-boost et un module de contrôle du convertisseur buck-boost.
  4. 4. Dispositif de maintenance selon la revendication 3, dans lequel le module de contrôle est agencé pour mettre en œuvre une boucle de régulation de tension destinée à assurer qu'une tension de charge de maintenance produite par le module d'alimentation reste égale à une tension de consigne qui est définie en fonction d'une température du banc de batteries particulier.
  5. 5. Dispositif de maintenance selon la revendication 3, dans lequel le module de contrôle est aussi agencé pour mettre en œuvre une boucle de régulation de courant destinée à limiter un courant de charge de maintenance en sortie du module d'alimentation (20) .
  6. 6.
    Dispositif de maintenance selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les premiers moyens de connexion comportent une pluralité de premiers contacteurs de puissance (21) associés chacun à un banc de batteries (9), et dans lequel les deuxièmes moyens de connexion comportent une pluralité de deuxièmes contacteurs de puissance (22) associés chacun à un banc de batteries (9).
  7. 7. Centrale électrique solaire (2) comportant des bancs de batteriei maintenance (1) selon précédentes.
  8. 8. Procédé de dispositif de maintenance précédentes et comportant ; (9) et un l'une des maintenance selon l'une des les étapes de :
    dispositif de revendications utilisant un revendications définir une date à laquelle il convient d'effectuer une charge de maintenance sur un banc de batteries particulier (9k) ;
    recevoir des informations relatives à des prévisions météorologiques et/ou à un état de charge des bancs de batteries et/ou à une heure en cours de la journée actuelle ;
    démarrer la charge de maintenance sur le banc de batteries particulier (9k) à partir de ces informations ;
    piloter les premiers moyens de connexion et les deuxièmes moyens de connexion pour connecter le banc de batteries particulier (9k) à la sortie du module d'alimentation (20) et pour déconnecter ledit banc de batteries particulier du bus de puissance.
  9. 9. Procédé de maintenance selon la revendication
    8, dans lequel la charge de maintenance ne démarre que si les prévisions météorologiques sont favorables pour les jours à venir et si l'état de charge des bancs de batteries est supérieur à un seuil de charge prédéterminé et si l'heure en cours correspond à la fin de la journée actuelle.
  10. 10. Procédé de maintenance selon la revendication 8, comportant en outre les étapes, suite à l'étape de pilotage, de mesurer une température du banc de batteries particulier (9k), de calculer une tension de consigne en fonction de la température, et de contrôler le module d'alimentation pour maintenance égale à
  11. 11. Procédé qu'il qénère une tension de charge de la tension de consigne.
    de
    10, maintenance selon l'une des comportant en outre l'étape de de bus sur le bus de puissance égale à un seuil de tension revendications 8 à vérifier qu'une tension demeure supérieure ou prédéfini, et de produite une alarme si la tension de bus devient inférieure au seuil de tension prédéfini.
  12. 12. Programme d'ordinateur comprenant des instructions pour mettre en œuvre, par un composant électrique de traitement d'un dispositif de maintenance intégré dans une centrale électrique solaire, un procédé de maintenance selon l'une des revendications 8 à 11.
    5
  13. 13. Moyens de stockage, caractérisés en ce qu'ils stockent un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour mettre en œuvre, par un composant électrique de traitement d'un dispositif de maintenance intégré dans une centrale électrique solaire, un procédé 10 de maintenance selon l'une des revendications 8 à 11.
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