Architecture complète d’un BESS : de la cellule jusqu’au réseau électrique
Articles précédents : Cellule–Module–Rack | BMS | PCS | EMS
Après avoir étudié séparément les principaux éléments d’un système de stockage d’énergie par batteries :
Cellule → Module → Rack → BMS → PCS → EMS
nous pouvons maintenant les réunir afin de comprendre l’architecture complète d’un BESS – Battery Energy Storage System.
L’objectif de cet article est de passer du plus petit composant, la cellule électrochimique, jusqu’au raccordement du système au réseau électrique.
Il est important de distinguer dès le départ trois architectures différentes :
la chaîne batterie,
la chaîne de puissance,
et la chaîne de contrôle et de communication.
1. Qu’est-ce qu’un BESS ?
Un BESS – Battery Energy Storage System est un système capable de stocker de l’énergie électrique dans des batteries puis de la restituer lorsque l’installation en a besoin.
En français, on parle de :
Système de stockage d’énergie par batteries
Un BESS industriel ne désigne donc pas uniquement une batterie.
Il comprend généralement :
les cellules ;
les modules ;
les racks ;
le BMS ;
les protections DC ;
le PCS ;
les protections AC ;
éventuellement un transformateur ;
les systèmes de mesure ;
l’EMS ;
les systèmes de communication ;
le refroidissement ou chauffage ;
les équipements de sécurité.
L’architecture réelle dépend naturellement du constructeur et de la puissance du projet.
2. Première étape : la cellule
Tout commence avec la :
Cellule de batterie
La cellule est l’élément électrochimique dans lequel l’énergie est réellement stockée.
Pour une cellule LFP, on peut par exemple avoir une tension nominale voisine de :
3,2 V
avec une capacité exprimée en :
Ah – ampères-heures
L’énergie nominale peut être estimée par :
Énergie (Wh) = Tension (V) × Capacité (Ah)
Par exemple :
3,2 V × 280 Ah = 896 Wh
soit environ :
0,896 kWh
Une cellule seule ne suffit évidemment pas pour constituer un BESS industriel.
3. Plusieurs cellules forment un module
Les cellules sont donc regroupées dans des :
Modules de batteries
Les connexions peuvent être réalisées en série et/ou en parallèle selon l’architecture du fabricant.
La connexion en série permet principalement d’augmenter :
la tension
tandis que la connexion en parallèle permet principalement d’augmenter :
la capacité en Ah et la capacité de courant.
Par exemple, 16 cellules de 3,2 V connectées en série donnent approximativement :
16 × 3,2 = 51,2 V
Si chaque cellule possède une capacité de 280 Ah :
Énergie module ≈ 51,2 × 280 = 14,34 kWh
Nous obtenons donc :
Cellules → Module
4. Plusieurs modules forment un rack
Le niveau supérieur est le :
Rack de batteries
Un rack contient plusieurs modules interconnectés.
Supposons que 10 modules de :
51,2 V – 280 Ah
soient connectés en série.
La tension du rack devient :
512 V DC
et son énergie nominale est approximativement :
143 kWh
La chaîne physique devient alors :
Cellule → Module → Rack
Selon le BESS, plusieurs racks peuvent ensuite être regroupés afin d’obtenir la capacité énergétique totale souhaitée.
5. Le système batterie
Lorsque plusieurs racks sont assemblés, nous obtenons ce que l’on peut appeler de manière générale le :
Battery System
ou :
Système batterie
La tension continue peut atteindre plusieurs centaines de volts, voire davantage selon l’architecture.
À ce niveau, nous avons déjà une quantité importante d’énergie stockée.
Mais cette batterie doit être surveillée et protégée.
C’est le rôle du BMS.
6. BMS – Battery Management System
Le BMS – Battery Management System, ou système de gestion de batterie, est chargé de surveiller, protéger et gérer l’état de la batterie est le système chargé de surveiller et gérer l’état de la batterie.
Il peut notamment surveiller :
les tensions des cellules ;
les températures ;
le courant batterie ;
le SOC ;
le SOH ;
l’équilibrage des cellules ;
différents états et défauts.
On peut résumer son rôle par :
Mesurer → Estimer → Protéger → Communiquer
Le BMS détermine également les limites dans lesquelles la batterie peut fonctionner.
Par exemple :
Puissance maximale de charge : 100 kW
Puissance maximale de décharge : 150 kW
Ces limites peuvent évoluer en fonction du SOC, de la température et de l’état des cellules.
7. Les protections côté DC
Entre la batterie et le convertisseur de puissance, on trouve généralement différents équipements de protection et de coupure.
Selon la conception, il peut s’agir notamment de :
fusibles DC ;
contacteurs DC ;
sectionneurs ;
dispositifs de surveillance d’isolement ;
mesure de courant ;
précharge ;
protection contre certaines surtensions.
Une représentation simplifiée serait :
Batterie → Protections DC → PCS
Ces équipements permettent notamment d’isoler la batterie en cas de maintenance ou de certaines conditions de défaut.
8. Le circuit de précharge
Le côté DC du PCS contient généralement des condensateurs.
Si la batterie était directement raccordée à des condensateurs déchargés, un courant transitoire très élevé pourrait apparaître.
Un :
Circuit de précharge
permet donc d’augmenter progressivement la tension du bus DC avant la fermeture complète du circuit principal.
On peut représenter la séquence simplifiée ainsi :
Batterie → Résistance de précharge → DC Link
puis :
Batterie → Contacteur principal → DC Link
La logique exacte dépend du constructeur.
9. PCS – Power Conversion System
Nous arrivons ensuite au :
PCS – Power Conversion System
Le PCS constitue l’interface de puissance entre :
la batterie DC
et :
le réseau AC
Sa fonction fondamentale est bidirectionnelle.
Pendant la charge :
AC → DC
Pendant la décharge :
DC → AC
La chaîne devient :
Batterie DC ⇄ PCS ⇄ Réseau AC
10. Charge du BESS
Pendant la charge, l’énergie provient du réseau, du photovoltaïque ou d’une autre source disponible sur le site.
Le flux énergétique peut être représenté ainsi :
Réseau AC → PCS → Batterie DC
Le PCS transforme le courant alternatif en courant continu adapté au système batterie.
La batterie absorbe alors l’énergie.
Le SOC augmente progressivement.
11. Décharge du BESS
Pendant la décharge, le phénomène est inverse.
Le flux devient :
Batterie DC → PCS → Réseau AC
L’énergie stockée dans les cellules est fournie au PCS.
Celui-ci réalise la conversion :
DC → AC
et injecte la puissance dans l’installation.
12. Du PCS au tableau électrique
La sortie AC du PCS doit être raccordée à l’installation électrique.
On retrouve donc généralement :
PCS → Protections AC → Tableau électrique
Les protections peuvent notamment comprendre, selon la conception :
disjoncteur ;
sectionneur ;
protections contre les surintensités ;
protections tension/fréquence ;
protections différentielles lorsque l’architecture les requiert ;
dispositifs de découplage réseau.
Les protections exactes dépendent du réseau, de la puissance et des normes applicables au projet.
13. Le transformateur
Dans certaines installations, la tension de sortie du PCS correspond directement à celle du réseau interne.
Dans d’autres projets, un :
Transformateur
est nécessaire.
Par exemple :
Batterie DC → PCS → 400 V AC → Transformateur → Réseau moyenne tension
Le transformateur peut permettre d’élever la tension du BESS jusqu’au niveau du réseau auquel il doit être connecté.
Il faut donc retenir que le transformateur n’est pas systématiquement placé de la même manière dans tous les BESS.
Il dépend de l’architecture choisie.
14. La chaîne complète de puissance
Nous pouvons maintenant représenter la chaîne énergétique principale :
Cellules
↓
Modules
↓
Racks
↓
Bus batterie DC
↓
Protections DC
↓
PCS
↓
Protections AC
↓
Transformateur si nécessaire
↓
Tableau / Réseau électrique
C’est cette chaîne qui transporte réellement la puissance électrique.
15. Les compteurs d’énergie
Pour gérer correctement le BESS, il faut savoir ce qui se passe dans l’installation.
Des :
Energy Meters / Compteurs d’énergie
sont donc installés à différents points.
Ils peuvent mesurer notamment :
tension ;
courant ;
fréquence ;
puissance active ;
puissance réactive ;
puissance apparente ;
facteur de puissance ;
énergie importée ;
énergie exportée.
Les compteurs peuvent utiliser des :
CT – Current Transformers
pour mesurer les courants.
16. Où placer les mesures ?
Selon l’objectif du projet, plusieurs points de mesure peuvent être nécessaires.
Par exemple :
Point de raccordement au réseau
Il permet de mesurer :
Import réseau / Export réseau
Départ BESS
Il permet de connaître :
Charge / Décharge du BESS
Production photovoltaïque
Il permet de connaître :
Production PV
Charges du site
Il permet d’estimer ou mesurer :
Consommation du bâtiment ou de l’usine
L’EMS utilise ces informations pour comprendre les flux énergétiques du site.
17. EMS – Energy Management System
Le niveau supérieur est constitué par le :
EMS – Energy Management System
ou :
Système de gestion de l’énergie
Le EMS ne transporte pas directement de puissance.
Il reçoit des informations, les analyse et détermine comment utiliser le BESS.
On peut résumer :
Mesurer → Analyser → Décider → Commander
18. Que décide l’EMS ?
L’EMS peut décider par exemple :
Charger le BESS à 50 kW
ou :
Décharger le BESS à 80 kW
ou encore :
Maintenir l’importation réseau sous 100 kW
Il peut appliquer différentes stratégies :
Peak Shaving ;
autoconsommation photovoltaïque ;
limitation d’importation ;
limitation d’exportation ;
Zero Export ;
optimisation tarifaire ;
maintien d’une réserve d’énergie ;
coordination avec certaines charges.
19. BMS, PCS et EMS
À ce stade, il devient essentiel de bien distinguer les trois systèmes.
BMS
Le BMS connaît et protège la batterie.
Il surveille les cellules et détermine les limites disponibles.
PCS
Le PCS convertit et contrôle la puissance.
Il réalise :
AC ⇄ DC
EMS
L’EMS choisit la stratégie énergétique.
Il décide quand charger ou décharger et quelle puissance demander.
Une formule simple permet de retenir leurs fonctions :
BMS = protège
PCS = convertit
EMS = décide
20. Exemple d’une décharge complète
Supposons que le site consomme :
150 kW
L’exploitant souhaite limiter la puissance réseau à :
100 kW
L’EMS calcule :
150 − 100 = 50 kW
Il demande donc au BESS :
Décharge = 50 kW
Le BMS vérifie l’état de la batterie.
Supposons :
SOC = 70 %
et :
Décharge maximale autorisée = 100 kW
La demande est donc possible.
Le PCS reçoit la consigne :
50 kW
La chaîne de puissance devient :
Batterie → PCS → Tableau électrique → Charges
Le réseau fournit :
100 kW
Le BESS fournit :
50 kW
La charge reçoit :
150 kW
21. Exemple pendant la charge
Supposons maintenant qu’une installation photovoltaïque produise :
120 kW
alors que le site ne consomme que :
70 kW
Le surplus vaut :
120 − 70 = 50 kW
Si le BMS autorise la charge et que le SOC n’est pas trop élevé, l’EMS peut demander :
Charge BESS = 50 kW
Le flux devient :
PV → Installation + BESS
La puissance excédentaire est ainsi stockée dans les batteries.
22. MW et MWh : deux notions différentes
Lorsqu’on parle de BESS, deux valeurs sont particulièrement importantes :
la puissance
et :
l’énergie
Prenons un BESS annoncé :
1 MW / 2 MWh
Cela signifie approximativement :
1 MW
pour la puissance maximale de charge ou de décharge selon les conditions du système,
et :
2 MWh
pour la quantité d’énergie nominale stockable annoncée.
Si le système pouvait fournir 1 MW de manière constante avec 2 MWh utilisables, la durée théorique serait :
2 MWh ÷ 1 MW = 2 heures
D’où une règle importante :
MW = puissance
MWh = énergie
Il ne faut pas confondre les deux.
23. Le système thermique
Une batterie produit de la chaleur pendant son fonctionnement.
Un BESS doit donc généralement disposer d’un :
Système de gestion thermique
Selon la conception, il peut utiliser :
ventilation ;
climatisation ;
refroidissement liquide ;
chauffage.
L’objectif est de maintenir les cellules dans une plage de température adaptée.
Une température homogène entre cellules est également importante pour limiter les différences de vieillissement.
24. La sécurité incendie
Les BESS industriels doivent également intégrer une stratégie de sécurité adaptée aux risques liés aux batteries.
Selon le projet et la technologie, on peut retrouver :
détection de fumée ;
détection de température ;
détection de gaz ;
alarmes ;
ventilation ;
dispositifs d’extinction ou de limitation ;
arrêt d’urgence ;
compartimentage.
La conception exacte doit être définie selon le fabricant, le type de batterie et les exigences réglementaires du projet.
25. SCADA et supervision
Un BESS peut également être connecté à un :
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition
Le SCADA permet notamment à l’exploitant de visualiser :
SOC ;
puissance BESS ;
tension ;
courant ;
températures ;
alarmes ;
état des disjoncteurs ;
état du PCS ;
état du BMS ;
énergie chargée et déchargée.
L’opérateur peut ainsi superviser l’installation depuis une interface graphique.
26. Communications
Les équipements du BESS doivent échanger un grand nombre d’informations.
On peut rencontrer, selon les constructeurs :
CAN
Modbus RTU
Modbus TCP
Ethernet
ou d’autres protocoles industriels.
La chaîne de communication peut être représentée de manière simplifiée :
BMS ↔ PCS ↔ EMS ↔ SCADA
avec également les compteurs, automates et autres systèmes de contrôle.
27. Puissance et communication : deux réseaux différents
Cette distinction est très importante pour comprendre un schéma BESS.
Il existe d’une part la :
Chaîne de puissance
qui transporte les kW ou MW :
Batterie → PCS → Réseau
et d’autre part la :
Chaîne de communication
qui transporte les données :
BMS ↔ PCS ↔ EMS ↔ Compteurs
Par exemple, un câble Ethernet entre un compteur et l’EMS ne transporte pas l’énergie du BESS.
Il transporte uniquement des informations.
28. Architecture globale simplifiée
Nous pouvons maintenant représenter le système dans son ensemble :
┌───────────────────┐
│ EMS │
│ Gestion énergie │
└─────────┬─────────┘
│
Commandes / Data
│
┌─────────▼─────────┐
│ PCS │
│ DC ⇄ AC │
└──────┬───────┬────┘
│ │
DC AC
│ │
│ ▼
Batterie Tableau
│ │
▼ ▼
BMS Réseau
À cela viennent s’ajouter :
Compteurs → EMS
BMS → limites → PCS / EMS
SCADA ↔ équipements
29. Vision complète de la chaîne
Nous pouvons maintenant réunir toute notre série :
Cellule
↓
Module
↓
Rack
↓
Système batterie
↓
BMS
↓
Protections DC
↓
PCS
↓
Protections AC
↓
Transformateur si nécessaire
↓
Tableau électrique
↓
Réseau
avec en parallèle :
Compteurs → EMS → Consignes
et :
BMS → Informations et limites
30. Un BESS est donc un système, pas une simple batterie
C’est probablement la notion la plus importante à retenir.
Lorsque l’on regarde un conteneur BESS de l’extérieur, on peut penser qu’il contient simplement une énorme batterie.
En réalité, il contient ou travaille avec plusieurs sous-systèmes :
Stockage
Conversion
Protection
Mesure
Communication
Contrôle
Gestion énergétique
Gestion thermique
Sécurité
C’est l’intégration correcte de tous ces éléments qui transforme un ensemble de cellules en un véritable système de stockage d’énergie.
Conclusion
Nous avons commencé notre étude avec un élément de seulement quelques volts :
la cellule
Puis nous avons progressivement construit :
Cellule → Module → Rack → Batterie
Nous avons ensuite ajouté :
BMS → surveillance et protection
PCS → conversion DC/AC
EMS → gestion énergétique
Enfin, nous avons raccordé le tout :
au tableau électrique et au réseau.
Nous pouvons donc résumer l’architecture d’un BESS par trois grandes chaînes.
Chaîne batterie
Cellule → Module → Rack
Chaîne de puissance
Batterie DC → PCS → Réseau AC
Chaîne de contrôle
BMS + Compteurs → EMS → PCS
Comprendre ces trois chaînes permet déjà de lire beaucoup plus facilement un schéma électrique de BESS et de déterminer le rôle de chaque équipement.
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