CIRCUITO PARA LA ALIMENTACION DE ENERGIA ELECTRICA A UNA RED DE DISTRIBUCION ELECTRICA.

Sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía de tensión continua (1,

101) con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía, en el que como mínimo existen dos tomas (206, 205, 204 +n) del transformador (104, 9, 28) o de múltiples transformadores (201, 202, 200 +n), en el que las tomas de transformadores (206, 205, 204 +n) están dotadas en forma conmutable de elementos de conmutación (105, 106, 104 +n; 301, 302, 300 +n 25, 26, 27, 6, 7, 8, 16, 17, 18), para modificar la relación de tensión del transformador y al transformador o a los transformadores les están preconectados un inversor (103, 4, 14, 34, 24) que comprende conmutadores de semiconductores, en el que existe una carga regulable (2, 102) en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía (1, 101), mientras de una toma de transformador se conmute a otra del transformador, y en el que el sistema está realizado de manera tal que, mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación de tensión entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN), caracterizado porque el sistema está realizado de modo que mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación aproximada entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN) y una adaptación fina por medio del inversor (103, 4, 14, 34, 24), y porque la carga regulable (2, 102) está dispuesta del lado de corriente continua y realizada como chopper de resistencia o chopper de frenado

Circuito para la alimentación de energía eléctrica a una red de distribución eléctrica.

La invención se refiere a un sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía.

Muchas fuentes de energía eléctrica, como los generadores fotovoltaicos, centrales de energía eólica con generador de imanes permanentes, motores de combustión interna de velocidad variable, pilas de combustible, baterías y similares presentan, frecuentemente, una tensión fuertemente variante y una elevada impedancia interna. Las fuentes de energía de este tipo pueden presentar una tensión continua o una tensión alterna mono o trifásica de frecuencia variable.

Para alimentar energía eléctrica proveniente de fuentes de este tipo a una red de distribución de energía, se conocen dispositivos adaptadores como, por ejemplo, un inversor fotovoltaico. La red de distribución de energía puede ser tanto una red de distribución de energía pública como también una red insular para uno o unos pocos usuarios.

Un dispositivo regulador conocido de este tipo tiene el objetivo de adaptar la tensión y la frecuencia a las condiciones de la red de distribución de energía que ha de ser alimentada. Además, el dispositivo se usa para la producción de un punto de funcionamiento, en lo posible óptimo, para la fuente de energía de modo que se consigue un rendimiento energético máximo. Ello es conocido también con el término de regulación Maximum Power Point o bien regulación MPP.

En muchos casos, debido a exigencias tecnológicas o regulaciones y normas específicas de los países, es necesaria una separación galvánica entre la fuente de energía y la red de distribución.

Sin embargo, los dispositivos adaptadores con separación galvánica conocidos tienen una eficiencia ostensiblemente menor que los que no tienen separación galvánica.

Se conocen sistemas de circuitos con un transformador de baja frecuencia (frecuencia igual a la frecuencia en la EVN. A la fuente de energía con resistencia interna elevada se le postconecta un inversor mono o un inversor trifásico. Cuando la fuente de energía es una fuente de tensión continua como, por ejemplo, un generador fotovoltaico o una pila de combustible, el inversor se conecta en forma directa. En fuentes de tensión alterna, como centrales eólicas o hidroeléctricas con generador de imanes permanentes, todavía se interconecta un rectificador. El inversor está realizado como puente H en instalaciones monofásicas o como puente trifásico en instalaciones trifásicas. Al inversor se le postconecta un puente H y un transformador. En el secundario del transformador está conectada la red de distribución de energía.

También se conocen instalaciones con un transformador de alta frecuencia (frecuencia mayor que en la EVN, típicamente 1 KHz a 1 MHz). A la fuente de energía con una resistencia interna elevada se le postconecta un inversor de alta frecuencia (inversor HF). Cuando la fuente de energía es una fuente de tensión continua como, por ejemplo, un generador fotovoltaico o una pila de combustible, el inversor HF se conecta en forma directa. En fuentes de tensión alterna como, por ejemplo, centrales eólicas o hidroeléctricas, se interconecta un rectificador.

El inversor HF produce una tensión alterna de alta frecuencia que es transformada al secundario por medio del transformador H. Allí, la tensión alterna es rectificada por medio de un rectificador. El rectificador alimenta un circuito intermedio de tensión continua. En instalaciones monofásicas, el circuito intermedio de tensión continua tiene postconectado como puente H un inversor de baja frecuencia o un puente trifásico en instalaciones trifásicas. Por medio de un filtro sinusoidal se conecta la red de distribución con un inversor de baja frecuencia.

Debido a que, en los casos aquí descritos, la fuente de energía presenta una tensión fuertemente variable, frecuentemente debe montarse un accionador de adaptación entre la fuente de energía y el inversor HF, para mantener estable en el secundario el circuito intermedio de tensión continua. Ello es el caso, en particular, cuando el inversor HF está realizado como convertidor resonante. Es cierto que los convertidores resonantes poseen un elevado grado de eficiencia, pero no pueden usarse para la adaptación de la tensión. Un convertidor resonante de este tipo se conoce del documento EP 1 458084 A2.

Si el inversor HF es realizado como inversor de conmutación dura, puede usarse para la adaptación de tensión necesaria, pero presenta, sin embargo, un mal grado de eficiencia.

También se conocen instalaciones de este tipo con un transformador de baja frecuencia. La relación de tensión del transformador se escoge de forma tal que, con una tensión en la fuente de energía que se presenta en un generador fotovoltaico con máxima irradiación y elevada temperatura ambiente y tensión de red máxima, todavía es posible alimentar una EVN. La corriente en el primario del transformador es, sin embargo, muy elevada. Los conmutadores de semiconductores del inversor de baja frecuencia deben estar dimensionados para estas corrientes elevadas y, al mismo tiempo, para la tensión máxima de la fuente de energía. Las pérdidas aumentan debido a las pérdidas de conmutación en los conmutadores de semiconductores del inversor de baja frecuencia. Además, se presentan otras desventajas. El transformador de baja frecuencia es grande y pesado. En el primario del transformador resultan corrientes elevadas, porque la relación de tensión debe estar adaptada al caso de tensión mínima en la fuente de energía y tensión máxima en la red de distribución de energía. Por lo demás, las pérdidas en semiconductores aumentan con la tensión creciente en la fuente de energía.

También se conocen sistemas de circuitos de este tipo con un transformador HF. En ello, se diferencia entre conmutaciones con inversor HF de conmutación resonante y inversor HF de conmutación dura.

En conmutaciones con inversor es HF de conmutación dura, la relación de tensión del transformador se elige de forma tal que, por ejemplo, en un generador fotovoltaico con máxima irradiación y elevada temperatura ambiente y tensión de red máxima, todavía pueda alimentarse energía a la red. Con ello, la corriente en el primario del transformador HF es, sin embargo, también muy elevada. Los conmutadores de semiconductores del inversor HF deben estar dimensionados para estas corrientes elevadas y, al mismo tiempo, para la tensión máxima de la fuente de energía. Debido a la pérdida de conmutación en los conmutadores de semiconductores del inversor HF, aumentan las pérdidas con tensión creciente en la fuente de energía. Desventajosas son corrientes elevadas en el primario del transformador HF, pérdidas considerables en los semiconductores debidas al funcionamiento de conmutación dura, porque en este punto de funcionamiento se producen elevadas pérdidas de conmutación en los semiconductores de potencia, así como un grado de eficiencia reducido del circuito de adaptación.

En un inversor HF de conmutación resonante se ha dispuesto una etapa de adaptación adicional, para poner a disposición una tensión estable en el circuito intermedio de tensión continua, detrás del rectificador. Esta etapa de adaptación es conmutada delante del inversor HF o detrás de la rectificación HF. Está realizada, por ejemplo, como accionador elevador o como accionador reductor. Una etapa de adaptación de este tipo requiere, sin embargo, costos adicionales y necesita espacio adicional. Por lo demás, en una etapa de este tipo se producen pérdidas adicionales. Por consiguiente, dicha variante requiere un conversor de adaptación adicional, en la que el grado de eficiencia del circuito de adaptación es reducido debido a un accionador adicional de este tipo.

Del documento JP 07 015 971 A se conoce un sistema de circuitos para generadores fotovoltaicos con sus curvas características típicas. Los circuitos presentan un inversor en el primario o secundario de un transformador.

En una variante de circuito del documento JP 07 015 971A, del lado de salida a un puente del primario le sigue un transformador. Por medio de un conmutador o bien de un relé de inversión pueden modificarse el número de espiras del primario...

1. Sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía de tensión continua (1, 101) con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía, en el que como mínimo existen dos tomas (206, 205, 204 +n) del transformador (104, 9, 28) o de múltiples transformadores (201, 202, 200 +n), en el que las tomas de transformadores (206, 205, 204 +n) están dotadas en forma conmutable de elementos de conmutación (105, 106, 104 +n; 301, 302, 300 +n 25, 26, 27, 6, 7, 8, 16, 17, 18), para modificar la relación de tensión del transformador y al transformador o a los transformadores les están preconectados un inversor (103, 4, 14, 34, 24) que comprende conmutadores de semiconductores, en el que existe una carga regulable (2, 102) en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía (1, 101), mientras de una toma de transformador se conmute a otra del transformador, y en el que el sistema está realizado de manera tal que, mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación de tensión entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN), caracterizado porque el sistema está realizado de modo que mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación aproximada entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN) y una adaptación fina por medio del inversor (103, 4, 14, 34, 24), y porque la carga regulable (2, 102) está dispuesta del lado de corriente continua y realizada como chopper de resistencia o chopper de frenado.

2. Sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía de tensión continua (1, 101) con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía, en el que como mínimo existen dos tomas (206, 205, 204 + n) del transformador (104, 9, 28) o de múltiples transformadores (201, 202, 200 +n), en el que las tomas de transformadores (206, 205, 204 +n) están dotadas en forma conmutable de elementos de conmutación (105, 106, 104 +n; 301, 302, 300 +n 25, 26, 27, 6, 7, 8, 16, 17, 18), para modificar la relación de tensión del transformador y al transformador o a los transformadores les están preconectados un inversor (103, 4, 14, 34, 24) que comprende conmutadores de semiconductores, en el que existe una carga regulable (2, 102) en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía (1, 101), mientras de una toma de transformador se conmute a otra del transformador, y en el que el sistema está realizado de manera tal que, mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación de tensión entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN), caracterizado porque el sistema está realizado de modo que mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación aproximada entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN) y una adaptación fina por medio del inversor (103, 14, 34, 24), y porque la carga regulable (402) está dispuesta del lado de corriente continua y realizada como convertidor de corriente (403) que carga un acumulador de energía (404).

3. Sistema de circuito, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada transformador (104, 9, 28; 201, 202, 200 +n) está realizado como transformador monofásico, como transformador bifásico, como transformador trifásico o como transformador multifásico.

4. Sistema de circuito, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la conmutación están dispuestos relés, contactores, conmutadores, seccionadores o semiconductores entre las diferentes tomas de transformador (206, 205, 204 + n) del transformador (104, 9, 28) o entre las diferentes tomas de los transformadores (201, 202, 200 +n).

5. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la fuente de energía (101) es un generador fotovoltaico, una pila de combustible, una batería, una central eólica con generador de imanes permanentes, una máquina de combustión interna con generador de imanes permanentes o una central hidroeléctrica con generador de imanes permanentes.

6. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la red de distribución de energía (EVN) es una red de distribución de energía pública o una red insular con uno o más usuarios.

7. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada transformador es un transformador de baja frecuencia, cuya frecuencia de trabajo es igual a la frecuencia de la red de distribución de energía.

8. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque cada transformador está realizado como transformador HF y cuya frecuencia es mayor que la frecuencia de la red de distribución de energía.

9. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el transformador o los transformadores tienen preconectados un inversor (103, 14, 34, 24), que comprende transistores MOS, IGBTs, GTOs o tiristores.

10. Sistema de circuitos, según la reivindicación 9, caracterizado porque el inversor (103, 14, 34, 24) es un inversor monofásico o trifásico.

11. Sistema de circuito según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el inversor (4) comprende como mínimo un condensador resonante (5; 31, 32; 41, 42), así como un transformador realizado como transformador HF (9) y un circuito rectificador (10, 43) y forma un convertidor resonante (15), en el que la frecuencia resonante, formada por el condensador de resonancia por medio de la inductancia de dispersión del transformador (9), es mayor o menor que la frecuencia de conmutación del inversor.

12. Sistema de circuitos, según la reivindicación 11, caracterizado porque uno o más condensadores resonantes (5; 41, 42) están dispuestos en el secundario del transformador (9).

13. Sistema de circuitos, según la reivindicación 11, caracterizado porque uno o más condensadores resonantes (5) están dispuestos en el primario del transformador (9).

14. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el inversor (14) presenta una red en semipuente.

15. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el inversor (14) presenta una red en puente completo.

16. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la inductancia de dispersión de cada transformador puede ser complementada por una o más inductancias adicionales, para conseguir la frecuencia de resonancia deseada.

17. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de conmutación para conmutar entre las diferentes tomas de transformador o entre los diferentes transformadores están dispuestos en el primario del transformador o de los transformadores.

18. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de conmutación para conmutar entre las diferentes tomas de transformador o entre los diferentes transformadores están dispuestos en el secundario del transformador o de los transformadores.

19. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 9 a 16, caracterizado por una realización tal que, después de la conmutación y antes de una liberación de impulsos de inversor, la tensión de entrada es ajustada mediante la regulación de carga de modo tal, que corresponde a la tensión momentánea de un condensador de inversor (11) multiplicada por la relación de tensión del transformador.

20. Sistema de circuitos, según la reivindicación 16, caracterizado por una realización tal que los impulsos del inversor (4, 14 ó 34) asignado del convertidor resonante (15) pueden conectarse directamente sin ajuste gradual de nuevo con toda la relación de impulsos, después que la tensión de entrada ha sido ajustada mediante la regulación de carga de modo tal que corresponde a la tensión momentánea en el condensador de inversor (11) multiplicada por la relación de tensión del transformador.

21. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una realización tal, que el sistema de circuitos para una carga regulable (102) es usado también para, antes de la conexión de los inversores (4, 14, 24 ó 34) reducir la tensión de entrada a un valor que permite la operación de los inversores (4, 14, 24 ó 34), sin que se superen en estos inversores las exigencias respecto de la rigidez dieléctrica de los conmutadores de semiconductores.