Méthode de réglage de puissance absorbée par au moins un vé ^¬ hicule alimenté électriquement

La présente invention concerne principalement une méthode de réglage de puissance absorbée par au moins un véhicule ali ^¬ menté électriquement selon le préambule de la revendication 1 et un calculateur associé.

Les systèmes d'alimentation d'énergie de traction d'une ligne de métro ou autres formes de transport public (tram, trolley, bus guidés, trains, véhicules autoguidés (sans chauffeur), etc.) subissent des fluctuations énergétiques qui dépendent principalement du nombre de véhicules en ligne ainsi que de leur synchronisme. La consommation énergétique, qui croît avec le nombre de véhicules, n'est pas constante et dépend fortement des phases de fonctionnement (accélération, palier de vitesse, ralentissement) des véhicules. Ces variations rapides en énergie sont à l'origine de crêtes de puissance délivrées par des installations fixes. Ces crêtes de

puissance ont une action prépondérante sur la qualité de la distribution d'énergie de la ligne, mais également sur des pertes en ligne qui augmentent et qui affectent le rendement énergétique global d'un réseau de transport public. Il est également à noter que, dans de nombreux cas, cesdites crêtes engendrent des pénalités contractuelles avec un fournisseur d ' énergie . En prenant l'exemple d'une ligne de métro, le dimensionnement des installations de distribution d'énergie de la ligne, calculé pour la capacité maximale du nombre de véhicules, autorise l'exploitation de la ligne dans tous les modes de fonctionnement (heures de pointe et heures creuses) . Le dimensionnement desdites installations doit tenir compte des crêtes de puissance de façon à garantir la disponibilité et la fiabilité du réseau de transport. Pour remédier à la baisse de la qualité de la distribution de l'énergie par les rails d'alimentation, des alimentations (« feeders ») sont généralement installées pontuellement en long de ligne pour limiter de trop fortes chutes de tension ainsi que des pertes en ligne. En ce qui concerne un engagement contractuel avec le fournisseur d'énergie, deux solutions existent

actuellement afin de palier aux problèmes précités:

1) abonnement surdimensionné auprès du fournisseur, mais plus cher

2) abonnement dimensionné au plus juste auprès du

fournisseur, mais pénalité applicable en cas de dépassement de puissance.

Ces impératifs contractuels, face aux obligations de

performance constituent un dilemme difficile à résoudre. Dans les deux cas, des surconsommations ont lieu et présentent donc aussi un désavantage environemental certain quant à des mesures globales de réduction en besoin énergétique.

Un but de la présente invention est de proposer une méthode visant à minimiser de fortes crêtes en puissance absorbée lors d'appel de courant d'au moins un véhicule. Dans la même visée, il s'agit de plus de pouvoir respecter un cadre de consommation respectueux des conditions d'un fournisseur d'énergie et donc aussi de l'environnement en évitant des surconsommations énergétiques. Une telle méthode est présentée au travers des caractéristi ^¬ ques de la revendication 1.

A partir d'une méthode de réglage de puissance absorbée par au moins un véhicule alimenté par au moins :

- une unité de stockage d'énergie électrique,

- un réseau électrique au sol fournissant au véhicule au moins un courant d'appel utile au démarrage du véhicule, l'invention prévoit que avant et au moins pendant le démar ^¬ rage du véhicule, le courant d'appel est réglé à une valeur moyenne constante et des variations dudit courant d' appel au- tour de la valeur moyenne sont maintenues minimales en com ^¬ mandant au moins un apport variable de compensation d' énergie de l'unité de stockage d'énergie audit véhicule

La valeur moyenne constante est dimensionnée sous un seuil maximal de consommation autorisé par un fournisseur. Tout appel de courant nécessitant un dépassement de ce seuil tel que sous forme d'une crête de puissance est ainsi avantageusement compensé par l'apport variable énergétique apte à fournir de l'énergie au véhicule en toute indépendance du réseau élec- trique lié au fournisseur. Il en ressort que des conditions contractuelles et physiques d'un fournisseur sont respectées et en adaptant le seuil à rester dans sous un palier minimal en maximisant l'apport variable, des économies énergétiques sont ainsi profitables pour un gérant de transport public ainsi que pour l'environnement.

Un ensemble de sous-revendications présente également des avantages de l'invention. II existe plusieurs moyens avantageux de mettre en œuvre la méthode selon l'invention qui peuvent être utilisés dynami ^¬ quement en combinaison linéaire en fonction de leur état de stockage énergétique instantané. Parmi eux :

- l'unité de stockage d'énergie délivre de l'énergie depuis une structure au sol vers le véhicule : il s'agit par exemple de régler l'apport variable requis en complément du courant d'appel constant délivré par le fournisseur au moyen d'unités de stockage d' énergie en station par exemple munie de super ^¬ condensateurs ou autre batteries rechargeables (aux heures creuses) . - l'unité de stockage d'énergie est embarquée dans au moins un véhicule : il est en effet possible de libérer l'apport variable d'énergie si un surplus d'énergie est stocké par exemple dans une super-capacité ou une batterie embarquée. En effet, il est aussi connu que beaucoup de types de

véhicule comportent de nos jours un dispositif de stockage embarqué (bus, tramway, métro, etc.) et cette caractéristique rend avantageusement applicable la méthode selon l'invention par délivrance d'énergie du véhicule même.

Idéalement, l'unité de stockage d'énergie stocke et délivre de l'énergie au moyen d'un élément capacitif de forte puis ^¬ sance tel qu'au moins un super-condensateur. Ce type de stoc ^¬ kage est parfaitement bien adapté pour délivrer une énergie sous forme de puissance en crête et a l'avantage d'être aussi rechargeable sur une courte durée et une forte puissance, mais aussi sur une plus longue durée sans ainsi requérir une forte puissance donc en phase d'heures creuses où la consom ^¬ mation possible d'énergie pour la recharge (par exemple du réseau fournisseur) peut être plus économique.

Aussi, l'unité de stockage d'énergie est rechargeable par ré ^¬ cupération d'énergie provenant au moins d'une des sources suivantes :

- du véhicule, idéalement pendant son freinage ;

- du réseau électrique au sol, hors d'une phase de démarrage du véhicule, idéalement en heures creuses de trafic.

Cette recharge ainsi prédictive est donc prévue afin de pou ^¬ voir palier à des appels ultérieurs de courant très fort, su- jets à des crêtes de puissance.

Afin de pouvoir déterminer la valeur moyenne constante requise ainsi que l'apport variable d'énergie associé et dispo ^¬ nible, l'unité de stockage d'énergie est avantageusement com- mandée par un algorithme de dimensionnement (sous forme d'un calculateur) en besoin énergétique prenant en compte un sché ^¬ ma de trafic d'une pluralité de véhicules, la valeur moyenne du courant d'appel aussi minimale que possible et les res ^¬ sources en apport variable d'énergie et, si disponible, un groupe d'unités complémentaires de stockage d'énergie, ce groupe étant bien entendu idéalement découplé d'un apport si ^¬ multané du fournisseur.

A titre d'exemple fort avantageux, le groupe d'unités complé- mentaires de stockage d'énergie peut comprendre un nombre adaptable d'unités de stockage embarquées dans des véhicules à l'arrêt ou même stationnés dans une zone de ga ^¬ rage/maintenance/livraison, en particulier à des heures creuses de trafic. Ces unités « passives vis-à-vis du trafic » permettent ainsi de fournir au moins une contribution pour l'apport variable d'énergie (contre des crêtes de puissance) requis au réseau de transport public « actif » (via les rails/caténaires) . Ledit algorithme de dimensionnement suit idéalement une logi ^¬ que de minimisation de pic de puissance en provenance du ré ^¬ seau électrique au sol en compensant lesdits pics par les ap ^¬ ports variables énergétiques distribués par au moins une uni ^¬ té de stockage d'énergie, en particulier lors du démarrage de véhicules. Selon ce principe, l'algorithme de dimensionnement suit une logique de minimisation de la valeur moyenne du cou ^¬ rant d'appel, du moins pour maintenir ladite valeur égale ou inférieure à un seuil-cible de consommation énergétique ac ^¬ cordé par un distributeur du réseau électrique au sol. Plus l'algorithme détecte de sources susceptibles de contribuer à maximiser l'apport variable, plus il réussira à avantageuse ^¬ ment minimiser le seuil-cible de la valeur moyenne du courant d'appel sujet à une ou des crêtes de puissance subites. Enfin, l'invention prévoit un calculateur pour la mise en œuvre de la méthode comprenant un module de détermination du courant d'appel autour d'une valeur moyenne imposée par le réseau électrique au sol et un module de commande des varia- tions imposées aux niveaux de stockage et de délivrance d'énergie d'au moins une unité de stockage d'énergie afin de pouvoir réguler l'apport variable potentiellement disponible contre une prévision de crête de puissance attendue. Ce cal ^¬ culateur est un support idéal pour exécuter l'algorithme de dimensionnement précité aboutissant à la compensation des crêtes de puissance requise tout en limitant l'appel de cou ^¬ rant à une valeur seuil acceptable.

Il est possible de prévoir que le module de détermination et le module de commande sont embarqués, en particulier dans des applications de transports publics dont les véhicules dispo ^¬ sent de moyens de communications propres et interagissant en ^¬ tre eux ou/et via un réseau de communication au sol. Ainsi, un groupe de véhicule d'une ligne de métro ayant une res- source disponible d'énergie embarquée peut ainsi répondre à l'apport variable utile lors d'un appel de courant d'un des véhicules. Lors de période libres de crêtes fréquentes en puissance, lesdits véhicules tâchent de recharger (autonome- ment ou depuis le réseau fournisseur sous respect de la consommation maximale autorisée) leur unité de stockage em ^¬ barquée afin de pouvoir prévoir un prochain appel de courant sujet à crête. Pour profiter de toute ressource disponible véhicule/sol et permettre de transmettre des commandes de re ^¬ charge/décharge, le calculateur peut donc être simplement re- lié à une interface de communication entre sol et véhicule.

Pour la mise en œuvre de la méthode selon l'invention, des systèmes de stockage d' énergie par super-condensateurs repré ^¬ sentent aujourd'hui des solutions très prometteuses, non seu- lement comme éléments complémentaires aux sous-stations non réversibles, mais également comme compensateurs actifs des chutes de tension, génératrices de pointes de courant, aux points sensibles des réseaux d'alimentation. Une première approche pour un tel système est ainsi de dispo ^¬ ser, aux endroits sensibles de la ligne (généralement en bout de ligne) , une sous-station à base de stockage énergétique, pour compenser des chutes de tension ohmiques (caractéristi ^¬ ques des systèmes d'alimentation à courant continu) et assu- rer une récupération du freinage électrique des véhicules dans tous modes de fonctionnement (aussi en heures creuses) . Cette solution a ainsi pour principal avantage de faire sup ^¬ porter des pics de courant aux unités de stockage du sol. Il en résulte alors un redimensionnement de l'alimentation sol (transformateur et redresseur) adapté à une puissance

moyenne. Ce type de solution, bien qu'en améliorant les per ^¬ formances globales de la ligne en particulier sur le freinage électrique, n'empêche toutefois pas les appels de courant liés à la mise en vitesse des véhicules. Les chutes de ten- sion dans les barres d'alimentation de la ligne qu'ils indui ^¬ sent peuvent alors être à l'origine de l'installation d'une ou plusieurs dispositifs intégrant des unités de stockage au sol afin de contrôler la tension délivrée par les rails de distribution en différents points sensibles de la ligne.

La seconde approche pour un tel système, qui comporte des unités de stockage embarquées, peut sembler complémentaire à la première approche, mais elle apparaît toutefois plus at ^¬ tractive à plusieurs égards. Par sa capacité de stockage em- barquée (stockage « d'énergie » est sous-entendu), elle pré ^¬ sente l'avantage de fournir le complément énergétique inhé ^¬ rent à la phase de la mise en vitesse d'une rame d'unités de métro par exemple. Dans ces conditions, des pics de courant ne sont alors plus supportés par des rails de distribution mais par des équipements de gestion des unités de stockage embarquées. Des chutes de tension dans les rails de distribu ^¬ tions sont alors réduites et l'ajout de feeders n'est alors plus indispensable. Un autre aspect est relatif à une indé ^¬ pendance énergétique induite par des équipements de stockage embarqués, ce que ne permet pas la première approche. Chaque ressource de stockage embarqué, dédié aux équipements de traction du véhicule, fournit alors l'énergie complémentaire liée à chaque mise en vitesse du véhicule ce qui n'exclut en aucune façon la possibilité de fournir de l'énergie à un au ^¬ tre véhicule. Dans le premier cas (stockage au sol), l'ex ^¬ ploitation de N véhicules peut être à l'origine d'un pic de courant égal à N fois celui d'un véhicule, pour autant que les véhicules soient synchronisés. Dans la seconde approche, les pics de courant supportés par la ligne n'existent pas, quelque soit le nombre de véhicules en ligne (en synchronisme ou pas) ce qui est très avantageux pour le dimensionnement et les performances du système. Le dimensionnement des équipe ^¬ ments du sol s'effectue alors sur la base d'une consommation moyenne multipliée par le nombre de véhicules.

Les dispositifs de stockage embarqués comprennent des conver- tisseurs électriques et procurent de fait, une grande flexi ^¬ bilité de manœuvre. Différentes stratégies de commande peu ^¬ vent être mises en place afin d'optimiser la consommation énergétique de chaque véhicule et donc de supprimer les crê ^¬ tes de puissance supportées par les installations fixes. Dans ces conditions, les pertes en ligne sont considérablement ré ^¬ duites et ne nécessitent plus l'ajout de feeders. Un autre aspect est relatif au maintien de la tension des rails d'ali ^¬ mentation qui, par la suppression des pics de courant, permet d'obtenir des performances améliorées. Toutes ces raisons conduisent à ne plus sur-dimensionner les installations de fourniture de l'énergie. La suppression des crêtes de puis ^¬ sance s'appuie sur un algorithme de dimensionnement et de commande des unités de stockage embarquées qui, pour chaque inter-station, impose une puissance absorbée constante en cas d'appel de courant. Les unités de stockage embarquées pour ^¬ voient dès lors au complément énergétique (apport variable régulé) afin de satisfaire les phases de fonctionnement liées au parcours du véhicule (accélération, palier de vitesse et ralentissement) et qui requièrent une puissance instantanée fluctuante .

Des exemples de réalisation et d'application sont fournis à l'aide de figures décrites :

Figures 1A, 1B Exemple de crête de puissance de l'état de

l'art,

Figures 2A, 2B, 2C, 2D Exemple de mise en oeuvre de la mé ^¬ thode selon l'invention. La figure 1A présente un profil de courant I (A) requis et ab ^¬ sorbé par un véhicule se déplaçant en fonction du temps t(s) . la figure 1B présente un profil associé de vitesse V(m/s) du- dit véhicule en fonction du temps t(s) . La méthode selon l'invention n'a pas été appliquée à ces deux simulations.

Les résultats de ces deux simulations illustrent bien l'appel de courant que doit délivrer une sous-station (Fig. l.a) . Cet appel existe pendant toute la phase de mise en vitesse du vé ^¬ hicule (principalement au démarrage du véhicule entre t=0s et t=40s) . Des équipements d'apport énergétiques de sous- stations doivent être dimensionnés pour supporter ce type de surcharge sachant que plusieurs véhicules peuvent démarrer en même temps. Cet appel de courant est par ailleurs néfaste à la qualité de la distribution de l'énergie, car il induit des chutes de tension dans les barres de distribution. En conclu ^¬ sion, les appels de courant nécessitent un surdimensionnement des installations (sous-stations) ainsi que la mise en place de feeders éventuels lorsque les chutes de tension dans les barres de distribution sont trop importantes. Ces deux as- pects augmentent ainsi les coûts d' installation et de gestion d'une ligne de transport public.

La figure 2A présente un profil de courant I (A) requis et ab- sorbé par le même véhicule se déplaçant en fonction du temps t(s) . la figure 1B présente un profil associé de vitesse V(m/s) dudit véhicule en fonction du temps t(s) . La méthode selon l'invention a été appliquée à ce eu de nouvelles simu ^¬ lations. Pour l'illustrer, la figure 2C présente la contribu- tion sous forme d'apport variable d'énergie ( additionnelle- ment à la valeur moyenne constante - environ 385 A - de la figure 2A) provenant de l'unité de stockage d'énergie (ici embarquée comme un super-condensateur) . Pour rappel, un courant négatif signifie la fourniture de l'énergie de l'unité de stockage embarquée (entre t= 18 et 40s); un courant posi ^¬ tif atteste de la recharge des unités de stockage embarquées (entre t=0 et 18s et entre t=60 et 70s) .

La simulation montre que le courant délivré par des rails d'alimentation (Fig.2A) est, au régime transitoire près, constant (385 A) . Les besoins liés à une propulsion du véhi ^¬ cule (Fig. 2B) sont pourvus, en complément de ceux délivrés par les rails (réseau fournisseur) , par les unités de stoc ^¬ kage embarquées (Fig.2C) . La mise en vitesse (démarrage) du véhicule s'accompagne d'un appel de courant qui, cette fois, est supporté par les unités de stockages embarquées (Fig.2C, entre t=18 et 40s) . L'algorithme de calcul imposant un appel de courant de réglage à valeur moyenne fixe absorbé par le véhicule (courant rails / fournisseur) , il en découle un cou- rant additif variable supporté par les unités de stockage em ^¬ barquées. Dans ces conditions, le dimensionnement des sous- stations ne nécessitent plus la prise en compte d'appel de courant (courant constant dans les rails) . De la même façon, l'installation éventuelle de feeders n'est plus nécessaire au bon fonctionnement du système. La Figure 1D représente enfin une tension (« scaps ») d'une unité de stockage embarqu fournissant l'apport variable d'énergie.