ITCS20100005A1

ITCS20100005A1 - SYSTEM AND METHOD FOR THE INTELLIGENT EXCHANGE OF ELECTRICITY BETWEEN THE ELECTRIC DISTRIBUTION NETWORK AND A BATTERY

Info

Publication number: ITCS20100005A1
Application number: IT000005A
Authority: IT
Inventors: Francesco Antonio Amoroso; Gregorio Cappuccino
Original assignee: Francesco Antonio Amoroso; Gregorio Cappuccino
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-08-25

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione avente per TITOLO: DESCRIPTION of the invention having the TITLE:

“Sistema e metodo per lo scambio intelligente di energia elettrica tra la rete di distribuzione elettrica ed una batteria” "System and method for the intelligent exchange of electricity between the electricity distribution network and a battery"

La presente invenzione riguarda un sistema elettronico ed un metodo di gestione dei processi di scambio bidirezionale di energia tra una batteria e la rete di distribuzione dell’energia elettrica. L’invenzione proposta consente di effettuare tali processi di scambio di energia in una o più fasi temporali, ciascuna caratterizzata da un proprio istante iniziale, una durata e una corrente massima di valore compreso tra zero ed il valore della massima corrente ammissibile dalla batteria. La determinazione del numero di fasi temporali, dell’istante in cui ciascuna debba avere inizio, della loro durata e della corrente massima ceduta alla batteria o prelevata da essa in ciascuna fase del processo di scambio di energia avviene attraverso una o più fasi di negoziazione tra l’utente proprietario della batteria ed il soggetto abilitato alla gestione della rete di distribuzione dell’energia elettrica. The present invention relates to an electronic system and a method for managing bidirectional energy exchange processes between a battery and the electricity distribution network. The proposed invention allows these energy exchange processes to be carried out in one or more time phases, each characterized by its own initial instant, a duration and a maximum current of a value between zero and the value of the maximum permissible current from the battery. The determination of the number of time phases, the instant in which each must begin, their duration and the maximum current transferred to the battery or taken from it in each phase of the energy exchange process takes place through one or more negotiation phases between the user who owns the battery and the person authorized to manage the electricity distribution network.

Descrizione dello stato dell’arte Description of the state of the art

Il miglioramento dell’ efficienza energetica, l’uso di fonti rinnovabili, e la riduzione dell’emissione di sostanze inquinanti nell’atmosfera sono fattori chiave per lo sviluppo di un sistema energetico sostenibile, che sia in grado di garantire la salvaguardia ambientale e la crescita economica. The improvement of energy efficiency, the use of renewable sources, and the reduction of the emission of pollutants into the atmosphere are key factors for the development of a sustainable energy system, which is able to guarantee environmental protection and growth. economic.

Ciò sta spingendo una grande quantità di Paesi (tra cui l’Italia) a porre tra le priorità di intervento la realizzazione di progetti di sviluppo energetico sostenibile. This is pushing a large number of countries (including Italy) to place the implementation of sustainable energy development projects among their intervention priorities.

Per garantire la realizzazione degli obiettivi discussi, è necessaria una profonda trasformazione del sistema di distribuzione della potenza elettrica, che dovrà essere in grado di: To ensure the achievement of the objectives discussed, a profound transformation of the electrical power distribution system is necessary, which must be able to:

<■>consentire servizi di tipo “demand response” (DR); <■> to allow “demand response” (DR) services;

<■>supportare sistemi di generazione distribuita e di immagazzinamento di energia; <■> to support distributed generation and energy storage systems;

<■>supportare l’adozione su larga scala di veicoli elettrici evitando il sovraccarico della rete. <■> support the large-scale adoption of electric vehicles avoiding network overload.

A questo scopo, la vecchia rete di distribuzione di energia elettrica dovrà essere trasformata in una “rete intelligente” (smart grid), in cui i vari dispositivi connessi alla rete siano dotati di sistemi di controllo e di comunicazione con il soggetto abilitato alla gestione della rete di distribuzione dell’energia elettrica (che nel seguito della trattazione sarà indicato come “gestore”) e/o tra di essi. For this purpose, the old electricity distribution network will have to be transformed into a "smart grid", in which the various devices connected to the network are equipped with control and communication systems with the person authorized to manage the electricity distribution network (which will be referred to in the following as the "operator") and / or between them.

In particolare, l’ implementazione di una smart grid in grado di gestire in maniera efficiente la presenza di veicoli elettrici è un problema molto sentito all’interno delle comunità scientifica ed industriale. Questo perché l’adozione su larga scala di veicoli elettrici potrebbe essere molto promettente nell’ottica di ridurre le emissioni, il consumo di petrolio, i costi di trasporto ed i costi per i consumatori, ma potrebbe rappresentare un nuovo carico significativo per le reti primarie e secondarie di distribuzione durante il periodo in cui la rete di distribuzione deve fornire l’energia necessaria per effettuare il processo di carica della batteria. In particular, the implementation of a smart grid capable of efficiently managing the presence of electric vehicles is a deeply felt problem within the scientific and industrial communities. This is because the large-scale adoption of electric vehicles could be very promising in terms of reducing emissions, oil consumption, transportation costs and costs for consumers, but could represent a significant new burden for primary networks. and secondary distribution during the period in which the distribution network must supply the energy necessary to carry out the battery charging process.

La distribuzione sul territorio di utenti possessori di sistemi di accumulo a batteria per una pluralità di scopi (trazione elettrica, alimentazione di carichi elettrici in generale, energy Storage), offre anche la possibilità ai soggetti gestori delle reti elettriche di poter attingere all’energia precedentemente immagazzinata dagli utenti. Questo risulta particolarmente utile durante le ore di picco dei consumi sulla rete o in caso di black out o guasti alle centrali di produzione o alle grosse dorsali di distribuzione dell’energia elettrica. In questi casi il gestore della rete può richiedere ai vari utenti la disponibilità a consentire che la batteria di loro proprietà fornisca energia alla rete (modalità di funzionamento che nel seguito della trattazione sarà indicata come “scarica della batteria”) in cambio di un corrispettivo economico, generalmente variabile a seconda dei casi. The distribution on the territory of users possessing battery storage systems for a plurality of purposes (electric traction, power supply of electric loads in general, energy Storage), also offers the possibility to the operators of the electricity grids to be able to draw on the energy previously stored by users. This is particularly useful during peak hours of consumption on the network or in the event of a blackout or failure of production plants or large electricity distribution backbones. In these cases, the grid operator may ask the various users to be willing to allow the battery owned by them to supply energy to the grid (operating mode which will be referred to as "battery discharge" later in the discussion) in exchange for an economic consideration. , generally variable depending on the case.

Per consentire alla rete di distribuzione di energia elettrica di sopportare il carico derivante dalla richiesta di energia da parte degli utenti e di sfruttare con la massima efficienza la possibilità di prelevare energia da questi ultimi, sarà necessaria una gestione intelligente dell’ attività di carica e scarica delle batterie. In order to allow the electricity distribution network to bear the load deriving from the energy demand by users and to exploit with maximum efficiency the possibility of withdrawing energy from the latter, an intelligent management of the charging and discharging activity will be necessary. of the batteries.

Allo stato dell’arte, sono stati proposti sistemi intelligenti basati su un opportuno scheduling temporale dei vari processi di carica di ciascuna batteria connessa alla rete nell’arco di un dato periodo di tempo stabilito. Tuttavia, in tali sistemi la carica è effettuata sempre alla stessa velocità, cioè utilizzando sempre lo stesso valore massimo di corrente di carica, che tipicamente è quello che consente la carica veloce del dispositivo. In the state of the art, intelligent systems have been proposed based on an appropriate time scheduling of the various charging processes of each battery connected to the network over a given period of time. However, in such systems the charge is always carried out at the same speed, that is, always using the same maximum charge current value, which typically is the one that allows fast charging of the device.

Il concetto alla base dei sistemi convenzionali è mostrato in Fig. 1. Lo schema in figura riporta un tipico caso di scheduling temporale dell’attività di carica di n batterie. The concept underlying the conventional systems is shown in Fig. 1. The diagram in the figure shows a typical case of time scheduling of the charging activity of n batteries.

Per semplicità, e senza limitare la validità della trattazione, si suppone che le n batterie siano identiche e richiedano la stessa quantità di energia per essere ricaricate. Inoltre, si suppone che il valore massimo ammissibile della corrente di carica sia lo stesso per tutte le batterie. In questo caso, effettuando la carica usando sempre lo stesso livello di corrente (secondo i metodi classici), il gestore della rete di distribuzione dell’energia elettrica deve prevedere n slot identici di potenza da allocare per ogni batteria. For simplicity, and without limiting the validity of the discussion, it is assumed that the n batteries are identical and require the same amount of energy to be recharged. Furthermore, it is assumed that the maximum allowable value of the charging current is the same for all batteries. In this case, by always charging using the same current level (according to classical methods), the electricity distribution network manager must provide n identical power slots to be allocated for each battery.

L’unico grado di libertà che il gestore della rete può avere riguarda la possibilità (a seguito di un accordo negoziato di volta in volta con gli utenti proprietari delle batterie) di erogare gli n slot in istanti temporali diversi allo scopo di evitare il sovraccarico della rete di distribuzione, come mostrato in Fig. 1. The only degree of freedom that the network operator may have concerns the possibility (following an agreement negotiated from time to time with the users who own the batteries) to supply the n slots at different moments in time in order to avoid overloading the distribution network, as shown in Fig. 1.

Ovviamente, lo scheduling temporale della carica delle n batterie deve essere effettuato dal gestore della rete in maniera tale da prevedere la possibilità di erogare energia per situazioni di emergenza e carichi imprevisti in un qualsiasi istante di tempo. Questo si traduce nella necessità di mantenere il carico della rete di distribuzione sempre al di sotto della massima capacità della rete. Sfortunatamente, la scarsa flessibilità dei metodi e dei sistemi classici di carica basati su una corrente di carica fissata può limitare fortemente l’efficienza nell’uso della rete di distribuzione. Obviously, the temporal scheduling of the charge of the n batteries must be carried out by the network manager in such a way as to provide for the possibility of supplying energy for emergency situations and unexpected loads at any instant of time. This translates into the need to keep the load on the distribution network always below the maximum capacity of the network. Unfortunately, the lack of flexibility of classical charging methods and systems based on a fixed charge current can severely limit the efficiency in the use of the distribution network.

Ovviamente, anche nel caso di scarica della batteria, cioè nella modalità in cui la rete diventa utilizzatore dell’energia immagazzinata nelle batterie degli utenti, una tale gestione limita fortemente il pieno sfruttamento delle risorse disponibili (si immagini ad esempio il caso in cui gli utenti siano disposti a cedere solo una certa aliquota dell’energia immagazzinata). Obviously, even in the case of battery discharge, i.e. in the way the network becomes a user of the energy stored in the users' batteries, such management severely limits the full exploitation of the available resources (imagine for example the case in which users are willing to give up only a certain portion of the stored energy).

Descrizione dell’invenzione Description of the invention

L’invenzione proposta riguarda un metodo ed un sistema per fornire energia ad una batteria dalla rete o viceversa superando le limitazioni discusse in precedenza. The proposed invention concerns a method and a system to supply energy to a battery from the network or vice versa, overcoming the limitations discussed above.

Nel caso di carica della batteria, oltre alla possibilità di gestire l’istante iniziale in cui si effetua la fase di carica, il metodo proposto prevede anche la possibilità di scegliere il valore massimo della corrente erogata dalla rete di distribuzione alla bateria durante la fase di carica (deta “corrente di carica”). Tale valore è compreso tra zero ed il valore massimo ammissibile per la particolare bateria in questione, ed è scelto a seguito di un accordo tra il gestore e l’utente proprietario della bateria (di seguito sarà indicato semplicemente come “utente”) in una fase di negoziazione. In the case of battery charging, in addition to the possibility of managing the initial instant in which the charging phase is carried out, the proposed method also provides for the possibility of choosing the maximum value of the current supplied by the distribution network to the battery during the charging phase. charge (called "charge current"). This value is between zero and the maximum admissible value for the particular battery in question, and is chosen following an agreement between the operator and the user who owns the battery (hereinafter it will be referred to simply as "user") in a phase negotiation.

Il principio alla base del metodo proposto è mostrato in Fig. 2. Anche in questo caso, per semplicità, è supposto che le n baterie siano identiche, richiedano la stessa quantità di energia per essere ricaricate, e siano caraterizzate dallo stesso valore massimo ammissibile di corrente di carica. Sulla base del metodo proposto, il gestore e l’utente possono accordarsi sull’istante di avvio, sulla durata, e sulla massima corrente del processo di carica. The principle underlying the proposed method is shown in Fig. 2. Also in this case, for simplicity, it is assumed that the n batteries are identical, require the same amount of energy to be recharged, and are characterized by the same maximum admissible value of charging current. Based on the proposed method, the manager and the user can agree on the start-up time, duration, and maximum current of the charging process.

Per ogni bateria, ciò può consentire al gestore, ad esempio, di allocare il massimo livello di potenza possibile per una finestra temporale di durata ridota, o un livello di potenza inferiore per una durata più lunga del processo (Fig. 2). Pertanto, il metodo proposto garantisce una maggiore flessibilità nello stabilire lo scheduling delle operazioni e può consentire una maggiore efficienza nello sfrutamento dell’intera capacità della rete. For each battery, this can allow the operator, for example, to allocate the maximum possible power level for a time window of reduced duration, or a lower power level for a longer duration of the process (Fig. 2). Therefore, the proposed method guarantees greater flexibility in establishing the scheduling of operations and can allow greater efficiency in exploiting the entire network capacity.

Allo scopo di aumentare ulteriormente i gradi di libertà per il gestore della rete, il metodo proposto prevede anche che la carica di una bateria possa essere effettuata in più fasi temporali distinte, ognuna delle quali caraterizzata da un istante iniziale, una durata ed una corrente massima di carica compresa tra zero ed il valore massimo ammissibile per la bateria in questione (Fig. 3). In order to further increase the degrees of freedom for the grid operator, the proposed method also provides that the charging of a battery can be carried out in several distinct time phases, each of which is characterized by an initial instant, a duration and a maximum current. of charge between zero and the maximum admissible value for the battery in question (Fig. 3).

Il numero di fasi temporali del processo di carica della bateria, ed i parametri relativi ad ogni fase temporale (istante iniziale, durata e massima corrente di carica) sono stabiliti o rideterminati a seguito di una fase di negoziazione tra gestore ed utente che può essere effettuata: The number of time phases of the battery charging process, and the parameters relating to each time phase (initial instant, duration and maximum charge current) are established or redetermined following a negotiation phase between operator and user that can be carried out :

<■>al momento della stipula del contrato tra le parti; <■> at the time of signing the contract between the parties;

<■>preliminarmente all’avvio della carica tramite un sistema di controllo e comunicazione tra il sistema di carica della batteria ed un sistema centrale di gestione della rete di distribuzione; <■> before starting the charge through a control and communication system between the battery charging system and a central management system of the distribution network;

<■>durante il processo di carica su richiesta del gestore e/o dell’utente tramite il medesimo sistema di controllo e comunicazione tra il sistema di carica della batteria ed il sistema di gestione della rete di distribuzione. <■> during the charging process at the request of the manager and / or user through the same control and communication system between the battery charging system and the distribution network management system.

Per realizzare il nuovo metodo è anche proposto un nuovo sistema elettronico per la carica della batteria. Tale sistema (detto BATTERY MANAGER), è elettricamente connesso alla rete di distribuzione di energia elettrica ed alla batteria, e gestisce un flusso bidirezionale di segnali di controllo con il sistema di gestione e/o supervisione della rete di distribuzione di energia elettrica (detto SUPERVISOR). La comunicazione tra il BATTERY MANAGER ed il SUPERVISOR consente di gestire le varie fase di negoziazione tra gestore ed utente necessarie a stabilire i parametri relativi ai processi di carica della batteria. To implement the new method, a new electronic system for charging the battery is also proposed. This system (called BATTERY MANAGER) is electrically connected to the electricity distribution network and to the battery, and manages a bidirectional flow of control signals with the management and / or supervision system of the electricity distribution network (called SUPERVISOR ). The communication between the BATTERY MANAGER and the SUPERVISOR allows to manage the various negotiation phases between the manager and the user necessary to establish the parameters relating to the battery charging processes.

Tale comunicazione può essere implementata mediante tecnologie wireless, via cavo, telefonica, o tramite la stessa rete di distribuzione di energia, ricorrendo ad una tecnologia di tipo Power Line Communication. In ogni caso, il funzionamento dell’ invenzione proposta non è affetto dalla particolare tecnologia e dal particolare protocollo utilizzati per la comunicazione tra il BATTERY MANAGER ed il SUPERVISOR. This communication can be implemented through wireless technologies, via cable, telephone, or through the energy distribution network itself, using a Power Line Communication technology. In any case, the operation of the proposed invention is not affected by the particular technology and the particular protocol used for communication between the BATTERY MANAGER and the SUPERVISOR.

All’interno del BATTERY MANAGER è implementata un’opportuna logica di controllo per la determinazione del numero di fasi temporali, dell’istante iniziale, della durata e della corrente massima di ciascuna fase temporale del processo di carica sulla base della negoziazione tra gestore ed utente. In Fig. 4 è mostrato lo schema a blocchi dell’intero sistema comprendente il sistema BATTERY MANAGER proposto, il SUPERVISOR, la batteria (detta BATTERY) e la rete di distribuzione elettrica. An appropriate control logic is implemented inside the BATTERY MANAGER to determine the number of time phases, the initial instant, the duration and the maximum current of each time phase of the charging process on the basis of the negotiation between the manager and the user. . Fig. 4 shows the block diagram of the entire system including the proposed BATTERY MANAGER system, the SUPERVISOR, the battery (called BATTERY) and the power distribution network.

L’idea relativa alla carica della batteria alla base della presente invenzione può essere usata anche per gestire la cessione di energia alla rete durante la fase di scarica della batteria, introducendo un metodo di trasferimento di energia elettrica da una batteria alla rete di distribuzione che avvenga in una o più fasi temporali distinte. Anche in questa modalità operativa, ogni fase temporale del processo di scarica è caratterizzata da un istante iniziale, una durata temporale ed una corrente massima erogata dalla batteria alla rete (detta “corrente di scarica “) compresa tra zero ed il valore massimo di corrente erogabile dalla batteria. Il numero di fasi temporali, il valore dell’istante iniziale e la durata di ciascuna fase temporale del processo di scarica vengono stabilite attraverso il medesimo meccanismo di negoziazione tra il gestore della rete di distribuzione di energia elettrica e l’utente discusso in precedenza. Questa ulteriore modalità operativa può essere implementata realizzando il BATTERY MANAGER proposto in maniera tale da gestire un flusso bidirezionale di energia elettrica tra la batteria e la rete di distribuzione (Fig. 4). The idea relating to battery charging underlying the present invention can also be used to manage the transfer of energy to the grid during the battery discharge phase, introducing a method of transferring electrical energy from a battery to the distribution grid that occurs in one or more distinct time phases. Even in this operating mode, each time phase of the discharge process is characterized by an initial instant, a time duration and a maximum current delivered by the battery to the mains (called "discharge current") between zero and the maximum current that can be supplied. from the battery. The number of time phases, the value of the initial instant and the duration of each time phase of the discharge process are established through the same negotiation mechanism between the manager of the electricity distribution network and the user discussed above. This further operating mode can be implemented by making the proposed BATTERY MANAGER in such a way as to manage a bidirectional flow of electricity between the battery and the distribution network (Fig. 4).

In questo caso, il sistema di comunicazione tra il BATTERY MANAGER ed il SUPERVISOR consente di gestire anche le varie fasi di negoziazione tra gestore ed utente necessarie a stabilire i parametri relativi ai processi di erogazione di energia dalla batteria alla rete di distribuzione. In this case, the communication system between the BATTERY MANAGER and the SUPERVISOR also allows you to manage the various negotiation phases between the operator and the user necessary to establish the parameters relating to the energy supply processes from the battery to the distribution network.

Un’opportuna logica di controllo all’ interno del BATTERY MANAGER determina il numero di fasi temporali distinte del processo di erogazione di energia, e l’istante iniziale, la durata e la corrente massima di ciascuna fase temporale sulla base della negoziazione tra gestore ed utente. An appropriate control logic inside the BATTERY MANAGER determines the number of distinct time phases of the energy supply process, and the initial instant, duration and maximum current of each time phase on the basis of the negotiation between the operator and the user. .

Riferimenti References

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Claims

Claims 1) An electronic device for managing the process of transferring energy from the electricity distribution network to a battery (called the battery "charging" process), including: a) an electrical connection to the electricity distribution network; b) an electrical connection to the battery; c) a data exchange system with the management and / or supervision system of the electricity distribution network; d) a control system to carry out the charging process in one or more time phases, each characterized by an initial instant, a time duration, and a maximum value of the current supplied by the electricity distribution network and absorbed by the battery (called Battery “charge current”) with a value between zero and the maximum current value that the battery can absorb; e) a control system for determining the number of time phases of the charging process and for determining the initial instant, duration and maximum charge current of each time phase of the process through one or more negotiation phases with the entity authorized to manage the electricity distribution network (called "manager" of the electricity distribution network); 2) An electronic device for managing the process of transferring electricity from a battery to the electricity distribution network (called the battery "discharge" process), including: a) an electrical connection to the electricity distribution network; b) an electrical connection to the battery; c) a data exchange system with the management and / or supervision system of the electricity distribution network; d) a control system to carry out the discharge process in one or more time phases, each characterized by an initial instant, a time duration and a maximum value of the current supplied by the battery and absorbed by the electricity distribution network (called " discharge current "of the battery) with a value between zero and the value of the maximum current that can be supplied by the battery; e) a control system for determining the number of time phases of the discharge process, and for determining the initial instant, duration and maximum current of each time phase of the process through one or more negotiation phases with the operator of the electricity distribution network. 3) An electronic device for managing the bidirectional exchange of energy between a battery and the electricity distribution network including the devices according to claims 1 and 2. 4) A method of managing the electricity supplied by the electricity distribution network to a battery during the battery charging process, including the following elements: a) the charging process takes place in one or more distinct time phases; b) each temporal phase of the charging process is characterized by an initial instant, a temporal duration and a maximum charging current; c) the value of the maximum charge current during each time phase of the charging process is between zero and the maximum current value that the battery can absorb; d) the number of time phases, the initial instant and the duration of each time phase of the charging process are established through one or more negotiation phases between the manager of the electricity distribution network and the user who owns the battery; e) the maximum value of the charge current in each time phase of the charging process is established through a negotiation phase between the manager of the electricity distribution network and the user who owns the battery. 5) The method of claim 4, in which the negotiation phases take place through remote communication between the device of claim 1 and the management and / or supervision system of the electricity distribution network; 6) A method of managing the electricity supplied by a battery to the electricity distribution network during the battery discharge process, including the following elements: a) the discharge process takes place in one or more distinct time phases; b) each time phase of the discharge process is characterized by an initial instant, a time duration and a maximum discharge current; c) the number of time phases, initial rest and the duration of each time phase of the discharge process are established through one or more negotiation phases between the manager of the electricity distribution network and the user who owns the battery; d) the value of the maximum discharge current in each time phase of the discharge process is between zero and the maximum current value that can be supplied by the battery. 7) The method of claim 6, in which the negotiation phases take place through remote communication between the device of claim 2 and the manager of the electricity distribution network. 8) A method of managing the bidirectional exchange of energy between a battery and the electricity distribution network including the methods referred to in claims 4, 6. 9) A method of managing the bidirectional exchange of energy between a battery and the electricity distribution network including the methods referred to in claims 4, 5, 6, 7.