Método para controlar un sistema de generación de energía eléctrica basado en fuentes de energía, en particular en fuentes de energía renovables, y el dispositivo controlador relacionado.

Método para controlar un sistema de generación de energía eléctrica,

basado en una fuente de energía almenos, en particular una fuente de energía renovable, de preferencia una fuente fotovoltaica o una fuente de célulade combustible, operando dicho sistema según una actuación de operación representable por una función deenergía de salida al menos, indicadora de la actuación, que tiene un valor óptimo al menos, siendo dependiente laoperación de dicho sistema de dos parámetros controlables (X; Y) al menos, el método se caracteriza por queperturba los valores de dos parámetros controlables (X; Y) al menos siguiendo los pasos siguientes:

a) asume preliminarmente para cada uno de dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos, unsigno de perturbación (SX, SY) seleccionado entre un signo positivo y un signo negativo como signo de laperturbación inmediatamente precedente del parámetro controlable respectivo, y asume un parámetro controlable encurso seleccionado entre dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos;

b) aplica una o más perturbaciones al parámetro controlable en curso con el mismo signo deperturbación en curso, en donde antes de cada perturbación del parámetro controlable en curso (X; Y) se verifica sila operación de dicho sistema cumple una o más restricciones de operación, y cuando se detecta que al menos unade dichas una o más restricciones ha sido violada se ejecuta el paso c), siendo aplicadas dichas una o másperturbaciones al parámetro controlable en curso con tal de que se detecte que, después de cada perturbaciónaislada, decrece una distancia de un valor al menos de dicha función indicadora de la actuación de dicho un valoróptimo, mientras que cuando se detecta que dicha distancia aumenta, se ejecuta el paso c);

c) asume como parámetro controlable en curso un parámetro controlable seleccionado entre dichosdos parámetros controlables (X; Y) al menos que es diferente del parámetro perturbado durante el paso b);

d) asume como signo de perturbación en curso del parámetro controlable en curso el signo opuestoal signo de la perturbación inmediatamente precedente del mismo parámetro controlable en curso, y retorna al pasob).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IT2010/000066.

Solicitante: UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI SALERNO.

Nacionalidad solicitante: Italia.

Dirección: Via Ponte Don Melillo 1 84084 Fisciano (SA) ITALIA.

Inventor/es: EGIZIANO,LUIGI, FEMIA,NICOLA, PETRONE,GIOVANNI, SPAGNUOLO,GIOVANNI, VITELLI,MASSIMO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G05F1/67 FISICA.G05 CONTROL; REGULACION.G05F SISTEMAS DE REGULACION DE VARIABLES ELECTRICAS O MAGNETICAS (regulación de la distribución en el tiempo o de la periodicidad de impulsos en los sistemas de radar o de radionavegación G01S; regulación de la corriente o de la tensión, especialmente adaptada para su uso en relojes electrónicos G04G 19/02; sistemas que funcionan en bucle cerrado para regular variables no eléctricas por medios eléctricos G05D; control de la alimentación de energía eléctrica a los computadores digitales G06F 1/26; para obtener las características de funcionamiento deseadas de electroimanes con armadura H01F 7/18; regulación de redes de distribución de energía eléctrica H02J; regulación de la carga de baterías H02J 7/00; regulación del valor de salida de convertidores estáticos, p. ej. reguladores de conmutación, H02M; regulación del valor de salida de generadores eléctricos H02N, H02P 9/00; control de transformadores, reactancias o bobinas de choque H02P 13/00; regulación de la respuesta de frecuencia, ganancia, potencia de salida máxima, amplitud o ancho de banda de amplificadores H03G; regulación de la sintonización de circuitos resonantes H03J; control de generadores de oscilaciones o de impulsos electrónicos H03L; regulación de las características de líneas de transmisión H04B; control de fuentes eléctricas de luz H05B 39/04, H05B 41/36, H05B 45/10, H05B 45/20, H05B 47/10; control eléctrico de aparatos de rayos X H05G 1/30). › G05F 1/00 Sistemas automáticos en los que las desviaciones de una magnitud eléctrica en relación a uno o a varios valores predeterminados son detectadas a la salida y reintroducidas en un dispositivo interior al sistema para llevar el valor detectado a su valor o a sus valores predeterminados, es decir, sistemas retroactivos. › de la potencia máxima que puede suministrar un generador, p. ej. una célula solar.

PDF original: ES-2405685_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Método para controlar un sistema de generación de energía eléctrica basado en fuentes de energía, en particular en fuentes de energía renovables, y el dispositivo controlador relacionado.

La invención presente se refiere a un método para controlar un sistema de generación de energía eléctrica, basado en fuentes de energía, en particular en fuentes de energía renovable, de preferencia fuentes fotovoltaicas o de células de combustible, adaptativas dinámicamente por medio de la técnica de Perturb&Observe o P&O (perturbación y observación) realizada sobre la base de dos variables de control al menos, el método es simple, fiable, eficiente, preciso y económico, y optimiza la actuación de todo el sistema por medio de adaptación dinámica a las condiciones instantáneas de operación de la fuente de energía.

La invención presente se refiere además al dispositivo controlador relacionado.

En particular, se describe el método según la invención haciendo referencia a un dispositivo inversor de una sola etapa para un convertidor electrónico, con salida de corriente alterna y entrada de corriente continua (cc-ca) , basado en el control de un ciclo de conmutación o técnica de OCC, también llamado control de un ciclo o técnica de OCC, que permite maximizar la energía extraída del campo fotovoltaico por medio de adaptación dinámica a las condiciones instantáneas de operación del campo fotovoltaico, optimizando simultáneamente tanto el control del MPPT como el factor de energía de salida o PF-out del convertidor cc-ca.

Además, el método según la invención se describe haciendo referencia a un dispositivo controlador para una célula de combustible que permite optimizar la eficiencia de la operación de la célula por medio de adaptación dinámica a sus condiciones instantáneas de operación.

Aunque en la siguiente descripción se hace referencia a la aplicación del método de control para controladores electrónicos específicos para fuentes fotovoltaicas y para membranas de electrolito de polímero o células de combustible PEM, debe entenderse que el método de control (y el dispositivo de control relacionado) según la invención puede ser aplicado a cualquier controlador y convertidor, con entrada de cc o de ca y/o salida, ambas de monofase y multifase, para cualquier fuente de energía que opere en modo aislado (suministrando energía eléctrica de cc o ca, ya sea monofase o multifase, a una carga) y/o conectado a una red de distribución de energía eléctrica, en particular una fuente de energía renovable, tal como sistemas fotovoltaicos, células de combustible (también células diferentes de las PEM) , turbinas de viento y otras fuentes, que tienen condiciones de operación específicas y particulares consideradas como preferenciales respecto a la energía producida, eficiencia energética, grado de esfuerzo de los componentes, vida, o cualquier otro factor de evaluación, pueden ser escogidos para una fuente específica, y cuyas condiciones son variables, debido a factores climáticos o físicos, o factores de cualquier naturaleza, ya sean controlables o incontrolables, ya sean predecibles o impredecibles, e identificables por medio de uno o más puntos particulares de una o más curvas características eléctricas o no eléctricas de salida de la fuente tales como energía-voltaje, energía-corriente, voltaje-corriente, corriente-voltaje, eficiencia-voltaje, eficienciacorriente u otras similares a éstas.

Además, en la descripción siguiente se hace referencia específica a una realización del método de control basado en la técnica de P&O realizada sobre la base de dos variables de control, pero debe tenerse en cuenta que el método de control puede realizar la técnica de P&O sobre la base de un número mayor de variables de control.

Actualmente, los inversores fotovoltaicos de etapa única están ganando más interés, respecto a los de multietapa, debido a la simplicidad, fiabilidad y al poco costo del circuito. Un puente H controlado que usa la técnica de OCC ha sido descrito por Y. Chen y K. Ma. Smedley, en “A cost-effective single-stage inverter with máximum power polnt tracking”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, Nº 5, de septiembre de 2004, pp. 1289 - 1294, que introduce el uso de un controlador analógico basado en el OCC para obtener una energía máxima de una fuente fotovoltaica y, simultáneamente, una gran calidad de la forma de onda de la corriente a la salida del inversor que es inyectada al circuito de distribución de energía eléctrica de ca al que está conectado el inversor.

El documento de EE.UU. US 5 798 631 A describe un dispositivo para controlar un sistema de generación de energía eléctrica, en particular una fuente de energía renovable y un método de operación de este dispositivo.

El documento de EE.UU. US 2005/209898 A1 describe un método y un aparato para resolver un problema de optimización de restricciones.

La patente europea EP 0 356 191 A2 describe métodos y aparatos para asignación de recursos optimizando funciones convexas no lineales con restricciones lineales.

Sin embargo, dicho enfoque sufre algunas limitaciones.

Una limitación se debe al hecho de que las ecuaciones de diseño propuestas para modelar el inversor no permiten optimizar éste en términos de la energía entregada y de la calidad de la corriente de salida.

Una segunda limitación es debida a la incapacidad del controlador para seguir el punto de energía máxima de la fuente fotovoltaica cuando varían las condiciones climáticas. En otras palabras, el inversor fotovoltaico propuesto por Chen y Smedley no es capaz de realizar realmente el seguimiento del punto de energía máxima (o MPTT) , porque no se modifica ningún parámetro de control según los valores en curso del nivel de irradiación y de temperatura, y por tanto las mejores actuaciones del efecto fotovoltaico son solamente aseguradas por las condiciones climáticas prefijadas. Este hecho causa un fuerte compromiso durante la determinación de parámetros, para extraer la energía máxima de la fuente fotovoltaica con el nivel de luz solar más probable en el sitio de interés mediante la reducción de la penalización en la producción de energía bajo condiciones medioambientales significativamente diferentes de las más probables.

Una solución para superar dichos inconvenientes ha sido propuesta por N. Femia, D. Granozio, Petrone, G. Spagnuolo, y M. Vitelli. en “Optimized One Cycle Control in Photovoltaic Grid Connected Applications”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 42, Nº 3, de julio de 2006, pp. 963 - 973, y por la solicitud de patente PCT Nº WO2007/007360 A2.

En particular, dichas descripciones proponen una solución que permite establecer los parámetros de diseño del controlador de OCC para obtener una energía próxima a la máxima energía obtenible con el nivel de luz solar deseado, o según una media a lo largo de un intervalo de luz solar, y para fijar el máximo nivel de distorsión de la corriente de salida.

Además, la solución propuesta por estas dos descripciones ha introducido la posibilidad de usar un controlador del MPPT que permite regular el valor de un parámetro adecuado del circuito analógico que realiza la función de OCC, para maximizar la energía fotovoltaica producida bajo condiciones climáticas variables.

M. Fortunato, A. Giustiniani, G. Petrone, G. Spagnuolo, y M. Vitelli, en su “Máximum Power Point Tracking in a One Cycle Controlled Single Stage Photovoltaic Inverter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, Nº 7, de julio de 2008, pp. 2684 - 2693, han propuesto consideraciones adicionales a la solución ilustrada, para comprender el potencial del inversor que tiene dispuesto el controlador del MPPT de variable única con respecto al inversor más simple, cuya actuación depende estrictamente de la función de actuación elegida para realizar la optimización y de los resultados de dicho método.

Entrando en mayores detalles, en la Figura 1 se muestra el diagrama del circuito de una estructura clásica de un inversor de OCC de etapa única (según se describe en las cuatro descripciones anteriores) , en donde un convertidor cc-ca, conectado por su entrada a la fuente fotovoltaica 1 y por su salida a la red de distribución 2, comprende un puente H que tiene cuatro conmutadores de energía de semiconductores M1 – M4 (de preferencia realizados por medio de MOSFETs o IGBTs respectivos) , un condensador masivo de alta capacidad C que sostiene un canal de comunicación cc, también conocido por la expresión “bus”, y un inductor de filtro de salida L. El inversor está controlado por una... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para controlar un sistema de generación de energía eléctrica, basado en una fuente de energía al menos, en particular una fuente de energía renovable, de preferencia una fuente fotovoltaica o una fuente de célula de combustible, operando dicho sistema según una actuación de operación representable por una función de energía de salida al menos, indicadora de la actuación, que tiene un valor óptimo al menos, siendo dependiente la operación de dicho sistema de dos parámetros controlables (X; Y) al menos, el método se caracteriza por que perturba los valores de dos parámetros controlables (X; Y) al menos siguiendo los pasos siguientes:

a) asume preliminarmente para cada uno de dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos, un signo de perturbación (SX, SY) seleccionado entre un signo positivo y un signo negativo como signo de la perturbación inmediatamente precedente del parámetro controlable respectivo, y asume un parámetro controlable en curso seleccionado entre dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos;

b) aplica una o más perturbaciones al parámetro controlable en curso con el mismo signo de perturbación en curso, en donde antes de cada perturbación del parámetro controlable en curso (X; Y) se verifica si la operación de dicho sistema cumple una o más restricciones de operación, y cuando se detecta que al menos una de dichas una o más restricciones ha sido violada se ejecuta el paso c) , siendo aplicadas dichas una o más perturbaciones al parámetro controlable en curso con tal de que se detecte que, después de cada perturbación aislada, decrece una distancia de un valor al menos de dicha función indicadora de la actuación de dicho un valor óptimo, mientras que cuando se detecta que dicha distancia aumenta, se ejecuta el paso c) ;

c) asume como parámetro controlable en curso un parámetro controlable seleccionado entre dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos que es diferente del parámetro perturbado durante el paso b) ;

d) asume como signo de perturbación en curso del parámetro controlable en curso el signo opuesto al signo de la perturbación inmediatamente precedente del mismo parámetro controlable en curso, y retorna al paso b) .

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que, en el paso c) , el parámetro controlable en curso (X; Y) es perturbado por una cantidad respectiva de perturbación en curso dependiendo dicha distancia de un valor detectado de dicha una función indicadora de actuación (P; iP) al menos de dicho un valor óptimo (Ptarget) al menos.

3. Método según la reivindicación 1 ó la 2, caracterizado por que, cuando en el paso b) se detecta que una de dichas una o más restricciones al menos ha sido violada, el método ejecuta, antes del paso c) , los pasos siguientes:

e) restablece el parámetro controlable en curso al valor que precedía a la perturbación inmediatamente precedente;

f) asume como parámetro controlable en curso un parámetro controlable seleccionado entre dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos que sea diferente del parámetro perturbado durante el paso b) ;

g) asume como signo de perturbación en curso del parámetro controlable en curso el mismo signo de la perturbación inmediatamente precedente del mismo parámetro controlable en curso, y retorna al paso b) .

4. Método según la reivindicación 1 ó la 2, caracterizado por que, cuando en el paso b) se detecta que una de dichas una o más restricciones al menos ha sido violada el método ejecuta, antes del paso c) , los pasos siguientes:

e’) restablece el parámetro controlable en curso al valor que precedía a la perturbación inmediatamente precedente;

f’) asume como parámetro controlable en curso un parámetro controlable seleccionado entre dichos dos parámetros controlables (X; Y) al menos que sea diferente del parámetro perturbado durante el paso b) ;

g’) asume como signo de perturbación en curso del parámetro controlable en curso el mismo signo de la perturbación inmediatamente precedente del mismo parámetro controlable en curso;

h) aplica una perturbación al parámetro controlable en curso con el signo de la perturbación en curso;

i) verifica si la operación de dicho sistema cumple una o más restricciones de operación;

j) cuando en el paso i) se detecta que se cumplen dichas una o más restricciones, retorna al paso b) ;

k) cuando en el paso i) se detecta que una de dichas una o más restricciones al menos ha sido violada, restablece el parámetro controlable en curso al valor precedente de la perturbación inmediatamente precedente, asumiendo como signo de la perturbación en curso del parámetro controlable en curso el signo opuesto al signo de la perturbación inmediatamente precedente del mismo parámetro controlable en curso, y retorna al paso b) .

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sistema de generación de energía eléctrica comprende una fuente fotovoltaica (1) conectada a un dispositivo inversor de una etapa, comprendiendo medios de conmutación (M1 – M4) , conectados a su vez a una red o circuito eléctrico de ca (2) que tiene al menos una fase, de frecuencia de pulsación Ogrid, en el que los medios de conmutación (M1 – M4) se conectan periódicamente, con periodo Ts menor que el periodo Tgrid correspondiente a la frecuencia de pulsación Ogrid, a la fuente (1) , capaz de entregar un voltaje vg (t) de valor medio Vg, a la red (2) para que la corriente de salida i0 (t) de cada fase del dispositivo inversor esté en fase con el voltaje v0 (t) de la misma fase que la red (2) , cuyo valor máximo es V0, máx, estando controlados los medios de conmutación (M1 – M4) por medios electrónicos de control (10, 20) que operan según un control sobre un ciclo de conmutación único de los medios de conmutación (M1 – M4) , percibiendo el dispositivo inversor una inductancia de salida L y comprendiendo un sensor para detectar una corriente de salida del dispositivo inversor que tiene una ganancia Rs que está conectada en serie a la red (2) , comprendiendo los medios de control electrónicos (10, 20) :

-un circuito integrador reajustable (9) que tiene una constante de tiempo 1 tal que 1 < Ts, cuya entrada recibe una señal de voltaje (Vc – Kg*vg) igual a la diferencia entre un voltaje de control Vc y un voltaje proporcional mediante un primer factor Kg al voltaje de salida vg (t) de la fuente (1) ,

-medios de comparación (14) , capaces de entregar una señal indicadora de la comparación de un voltaje [Rs ·i0 (t) ] suministrado por dicho sensor para detectar una corriente de salida con la suma de la señal de salida del circuito integrador (9) y un voltaje [K·v0 (t) ] proporcional mediante un segundo factor K al voltaje v0 (t) de la rejilla (2) , y

-medios de generación (11, 12, 13) capaces de recibir la señal de salida de los medios de comparación (14) y una señal indicadora de la fase de la red (2) para proporcionar una o más señales para controlar los medios de conmutación (M1 – M4) ,

siendo el sistema de generación de energía eléctrica capaz de cumplir con las restricciones de operación siguientes:

-la señal de entrada del circuito integrador (9) es siempre positiva,

-en cualquier instante, el voltaje de entrada del dispositivo inversor es mayor que el voltaje de salida de éste, y

en donde:

P0 (S) es la energía media de salida del dispositivo para un conjunto S de condiciones de operación,

Pg, MPP (Smáx) es la energía máxima suministrable por la fuente (1) ,

a es un primer coeficiente de sobrecarga, siendo a; 1, y

y es un segundo coeficiente, siendo y < 1.

el método se caracteriza por que dicha una función indicadora de la actuación del sistema al menos es una energía fotovoltaica generada por el sistema, por que un valor óptimo al menos es una energía fotovoltaica máxima generable por el sistema, y por que dichos dos parámetros controlables al menos han sido seleccionados de un grupo que comprende la ganancia Rs del sensor para detectar una corriente de salida del dispositivo inversor, la constante de tiempo 1, el voltaje de control Vc, el primer factor Kg, y el segundo factor K.

6. Método según la reivindicación 5, en el que el dispositivo inversor de etapa única está conectado, en lugar de a una red o circuito eléctrico de ca (2) que tiene una fase al menos, a una carga de ca que tiene una fase al menos, de frecuencia de pulsación Ogrid, y en el que el voltaje v0 (t) es, en lugar del voltaje de una fase de la red (2) , un voltaje de referencia de una fase de dicha carga.

7. Método según la reivindicación 5 ó la 6, caracterizado por que el sistema de generación de energía eléctrica es capaz de cumplir además una al menos de las dos restricciones de operación siguientes:

- el voltaje de control Vc y el primer factor Kg son tales que:

Vc > Kg (Vg + iVg)

donde iVg es la amplitud de pico a pico de la oscilación del voltaje vg (t) ;

- el segundo factor K es tal que:

Vg -iVg > (1 + K) ·V0, máx

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones de la 5 a la 7, caracterizado por que dichos dos parámetros controlables al menos consisten en o comprenden el voltaje de control Vc y el segundo factor K.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 4, en el que el sistema de generación de energía eléctrica es un sistema de célula de combustible o FCS, comprendiendo una pila de células (23) , a las que un compresor (20) suministra aire presurizado, estando regulada una presión dentro de la pila (23) por una velocidad Ocmd del compresor (20) y una abertura 1 de una válvula de contrapresión (26) , comprendiendo el sistema un controlador (60) que recibe de una o más tablas de referencia (51) valores nominales respectivos de la velocidad Ocmd y de la abertura 1 correspondientes a un valor objeto Ptarget de la energía de salida del sistema, el método se caracteriza por que una función indicadora de la actuación al menos es una energía de salida Pnet generada por el sistema, por que dicho al menos un valor óptimo es el valor de la energía objeto Ptarget, y por que dichos dos parámetros controlables al menos consisten en o comprenden la velocidad Ocmd del compresor (20) y la abertura 1 de la válvula de contrapresión (26) .

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado por que dicha una o más restricciones operativas han sido seleccionadas del grupo que comprende las tres restricciones siguientes:

- la velocidad Ocmd del compresor (20) no difiere del valor nominal respectivo en más de un primer valor umbral,

- dicha presión dentro de la pila (23) no excede un valor máximo respectivo, y

- la abertura 1 de la válvula de contrapresión (26) no difiere del valor nominal respectivo en más de un segundo valor umbral.

11. Un dispositivo controlador (60) para controlar un sistema de generación de energía eléctrica, basado en una fuente de energía al menos, en particular una fuente de energía renovable, de preferencia una fuente fotovoltaica o una fuente de célula de combustible, operando dicho sistema según la actuación de operación representable por una función de energía de salida al menos, indicadora de la actuación, teniendo un valor óptimo al menos, siendo dependiente la operación de dicho sistema de dos parámetros controlables (X; Y) al menos por el dispositivo controlador, el dispositivo controlador se caracteriza por que comprende medios electrónicos de proceso para ejecutar el método según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 10.

CONTROLADOR BASADO EN P&O


 

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