DISPOSITIVO PARA LA ALIMENTACION DE ENERGIA ELECTRICA PROVENIENTE DE UNA FUENTE DE ENERGIA.

Dispositivo (1) para la alimentación de energía eléctrica proveniente de un generador solar a una red de distribución de energía eléctrica (15),

comprendiendo el dispositivo (1) un transformador (112) para la separación galvánica, un inversor resonante (11) con interruptores de semiconductor (a-d; A, B), uno o más condensadores resonantes (17; 18, 19; 20, 21) y un rectificador (113), caracterizado por una realización sin un chopper elevador y sin un chopper reductor, estando el dispositivo adaptado de modo tal, que el inversor resonante (11) funciona de modo completamente resonante cuando la tensión de trabajo está en un punto de funcionamiento MPP, existente en funcionamiento normal, estando en el funcionamiento MPP la corriente del transformador primario compuesta de semiondas sinusoidales, y operando en el modo de conmutación dura cuando las tensiones exceden el punto de funcionamiento (MPP), de modo que la corriente del transformador primario se compone de secciones sinusoidales, presentándose el funcionamiento en el modo de conmutación dura solamente en una fase de arranque del generador solar

Dispositivo para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía.

La invención se refiere a un dispositivo para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía con tensión de fuente variable a una red de distribución eléctrica, comprendiendo el dispositivo un transformador para la separación galvánica, un inversor resonante con interruptores de semiconductor, uno o más condensadores resonantes y un rectificador.

Muchas fuentes de energía eléctrica, en particular generadores solares, instalaciones de energía eólica con los denominados generadores de imanes permanentes, motores de combustión interna de velocidad variable, pilas de combustible, baterías y semejantes presentan frecuentemente una tensión fuertemente variable y una impedancia interna relativamente elevada. Por lo general, en dichas fuentes de energía existe una tensión continua, pero también fuentes de energía con una tensión alterna monofásica o trifásica de frecuencia variable pueden variar fuertemente en su tensión de fuente.

Para poder alimentar energía eléctrica desde fuentes de este tipo a una red de distribución de energía, se requiere de un dispositivo de adaptación. Para la energía eléctrica puesta a disposición por un generador solar se conocen inversores solares adaptados, en particular, a la característica de células solares o fotovoltaicas. La red de distribución de energía puede ser tanto una red pública de distribución de energía o una red insular para uno o unos pocos usuarios.

Un dispositivo de adaptación del tipo mencionado tiene múltiples funciones.

Por un lado, debe realizar una adaptación de la tensión producida y frecuencia entregada a las condiciones en la red de distribución de energía a alimentar. Por otra parte, debe conseguirse la producción de un punto de funcionamiento, en lo posible óptimo, para la fuente de energía. En generadores solares debería aplicarse una así denominada regulación MPP (Maximum Power Point o punto de funcionamiento de máxima potencia) óptima, de modo de conseguir un rendimiento energético máximo. Además, en la alimentación deben observar y cumplirse todas las prescripciones de seguridad de conformidad con las normas actuales y/o las reglas vigentes de la técnica.

Si se obtiene una elevada eficiencia se mejora con ello la economía del dispositivo de adaptación y se reduce la pérdida de calor de la planta, produciendo así menos problemas térmicos. En muchos casos, debido a exigencias tecnológicas o debido a regulaciones y normas específicas de los países, es necesaria una separación galvánica entre la fuente de energía y la red de distribución. Un dispositivo de adaptación con separación galvánica presenta, por regla general, una menor eficiencia que un dispositivo de adaptación sin separación galvánica.

Se conocen dispositivos de adaptación con separación galvánica realizados en forma de inversores monofásicos o trifásicos con un transformador de baja frecuencia o con un transformador de alta frecuencia.

En una primera variante, a una fuente de energía con una elevada resistencia interna se le postconecta un inversor monofásico o trifásico. Si en la fuente de energía se trata de una fuente de tensión continua, en particular de un generador de energía solar o de una pila de combustible, el inversor puede conectarse directamente. En fuentes de tensión alterna, en particular en instalaciones eólicas o hidroeléctricas con un generador de imanes permanentes, además debe montarse un rectificador. Generalmente, el inversor está realizado en instalaciones monofásicas como puente en H o como puente trifásico en instalaciones trifásicas.

Por regla general, al inversor se le postconecta un puente en H y un transformador. La red de distribución de energía está conectada al secundario del transformador. Una disposición de este tipo se conoce desde hace mucho tiempo.

En la variante con un transformador de baja frecuencia, la relación de transformación del transformador debe escogerse de manera tal que todavía sea posible alimentar energía eléctrica, pese a una tensión reducida o mínima en la fuente de energía y tensión de red máxima. En particular, la tensión mínima se presenta en un generador solar con radiación máxima y, de este modo, con corriente elevada y a temperatura ambiente elevada. Consecuentemente, la corriente en el primario del transformador puede tornarse muy elevada. Los interruptores de semiconductor del inversor de baja frecuencia deben estar configurados, por una parte, para esta corriente elevada y, por otra parte, simultáneamente también para la tensión máxima de la fuente de energía. Condicionado por las pérdidas por conmutación en los interruptores de semiconductor del inversor de baja frecuencia, las pérdidas aumentan con tensión creciente en la fuente de energía.

La variante con el transformador de baja frecuencia presenta, además, otros inconvenientes.

El transformador de baja frecuencia tiene dimensiones relativamente grandes y es muy pesado. Esta variante trabaja con corrientes elevadas en el primario del transformador, porque la relación de transformación debe estar ajustada al caso de tensión mínima en la fuente de energía y tensión máxima en la red de distribución de energía. Además, las pérdidas de semiconductores aumentan con tensión creciente en la fuente de energía. Otra desventaja es que, cuanto mayor es la tensión de estado de "no conducción" máxima admitida de los semiconductores tanto mayor son las pérdidas en estado de conducción y por conmutación, lo que tiene por consecuencia una menor eficiencia del dispositivo de adaptación.

En la segunda variante con un transformador de alta frecuencia, a una fuente de energía con una resistencia interna relativamente elevada le es postconectado un inversor de alta frecuencia (inversor HF). Si en la fuente de energía se trata de una fuente de tensión continua, en particular de un generador solar o de una pila de combustible, el inversor de alta frecuencia puede conectarse directamente. En fuentes de tensión alterna, como instalación eólica o hidroeléctrica con un generador de imanes permanentes, además debe montarse un rectificador.

El inversor de alta frecuencia produce una tensión alterna de alta frecuencia que es transformada por medio de un transformador de alta frecuencia en su lado secundario. Allí, la tensión alterna es rectificada por medio de un diodo rectificador.

El rectificador alimenta un circuito intermedio de tensión continua. A continuación del circuito intermedio de tensión continua está conectado un inversor de baja frecuencia (inversor LF) como puente en H en instalaciones monofásicas o en instalaciones trifásica como puente trifásico. La red de distribución es conectada con el inversor de baja frecuencia por medio de un filtro sinusoidal.

Debido a que la fuente de energía presenta en los casos aquí descritos una tensión fuertemente oscilante, frecuentemente debe conectarse un adaptador entre la fuente de energía y el inversor de alta frecuencia, para mantener estable del lado secundario un circuito intermedio de corriente continua. Ello es particularmente el caso cuando el inversor de alta frecuencia está ejecutado como convertidor resonante. Si bien los convertidores resonantes tienen una elevada eficiencia no pueden, contrariamente, usarse para la adaptación de tensión.

En el documento EP 1 458 084 A2 se menciona un dispositivo con un inversor de alta frecuencia en modo de conmutación resonante. En este caso, se usa un convertidor CC/CC con un transformador de alta frecuencia. Una tensión continua de entrada, que puede ser puesta a disposición, en particular, por un generador solar, es convertida por medio de un puente integral en una tensión alterna y transformada mediante el transformador de alta frecuencia. En el lado del secundario se encuentra, asimismo, un puente integral realizado de manera tal, que el convertidor puede ser operado en forma bidireccional. Una inductancia adicional y un condensador adicional, conectados en serie con el arrollamiento secundario del transformador de alta frecuencia, forman un circuito resonante.

Debido a que la tensión de salida del generador solar está sometida a fuertes fluctuaciones, pero debe haber una tensión estable en el circuito intermedio de tensión continua detrás del rectificador, en la práctica debe disponerse una etapa de adaptación adicional. Dicha etapa de adaptación puede estar dispuesta antes o después del convertidor CC/CC. Puede...

1. Dispositivo (1) para la alimentación de energía eléctrica proveniente de un generador solar a una red de distribución de energía eléctrica (15), comprendiendo el dispositivo (1) un transformador (112) para la separación galvánica, un inversor resonante (11) con interruptores de semiconductor (a-d; A, B), uno o más condensadores resonantes (17; 18, 19; 20, 21) y un rectificador (113), caracterizado por una realización sin un chopper elevador y sin un chopper reductor, estando el dispositivo adaptado de modo tal, que el inversor resonante (11) funciona de modo completamente resonante cuando la tensión de trabajo está en un punto de funcionamiento MPP, existente en funcionamiento normal, estando en el funcionamiento MPP la corriente del transformador primario compuesta de semiondas sinusoidales, y operando en el modo de conmutación dura cuando las tensiones exceden el punto de funcionamiento (MPP), de modo que la corriente del transformador primario se compone de secciones sinusoidales, presentándose el funcionamiento en el modo de conmutación dura solamente en una fase de arranque del generador solar.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, dispuesto para y caracterizada porque en el punto de funcionamiento (MPP) los interruptores de semiconductor (a-d; A, B) del inversor resonante (11) son operados con un ciclo de servicio que es mayor que la mitad del período de la frecuencia resonante de un circuito oscilante compuesto de el o de los condensador(es) resonante(s) y de una inductancia de dispersión del transformador, con amplitudes de impulso entre 30% y 50% del periodo de la frecuencia elemental, de modo que una tensión en un condensador de circuito intermedio (12) no desciende por debajo del valor mínimo necesario para la alimentación de la red (15), aún cuando la tensión (MPP) de la fuente de energía adopta un mínimo impuesto por el sistema, y con tensiones de la fuente de energía por encima de la tensión (MPP) es operada con amplitudes de impulsos entre cero y 50%, de modo que la tensión en el condensador de circuito intermedio (12) no excede un valor máximo dado por la rigidez dieléctrica de los interruptores de semiconductor (a-d, A, B) del inversor de red (13), aún cuando la tensión de la fuente de energía excede la tensión de trabajo (MPP).

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el inversor resonante (11) y en el inversor de red (13) se usan interruptores de semiconductor de la misma rigidez dieléctrica.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una realización tal que, en funcionamiento en modo de conmutación dura por encima del punto de funcionamiento (MPP), la corriente de transformador del transformador (112) se compone de secciones sinusoidales.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el transformador (112) es un transformador de alta frecuencia (112) y es operado con una frecuencia que es mayor que la frecuencia de la red de distribución de energía (15).

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el transformador (112) tiene preconectado un inversor de alta frecuencia (111), que es parte del inversor resonante (11) y que comprende los semiconductores (a-d; A, B), en particular transistores MOS, IGBTs, GTOs.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el inversor de red (13) es un inversor monofásico o trifásico.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el inversor resonante (11) comprende un puente integral.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes 1 a 8, caracterizado porque el inversor resonante (11) comprende un semipuente.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque el inversor resonante (11) está diseñado como circuito de derivación central.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el rectificador (113) está diseñado como semipuente.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque como mínimo un condensador resonante (18, 19) está conectado en serie o en paralelo con un circuito resonante respecto del arrollamiento primario del transformador (112).

13. Dispositivo para la alimentación de energía eléctrica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un condensador resonante (20, 21) está conectado en serie o en paralelo con el arrollamiento secundario del transformador (112).

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los condensadores (18, 19) de un semipuente dispuesto en el primario del transformador (112) son utilizados como condensadores resonantes.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes 1 a 13, caracterizado porque los condensadores (20, 21) de un semipuente dispuesto en el secundario son utilizados como condensadores resonantes.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un inversor de alta frecuencia (111), el transformador (112) y el rectificador (113) forman un inversor resonante que es un convertidor CC/CC, estando la frecuencia propia, formada por uno o más condensadores resonantes (17; 18, 19; 20, 21) con una inductancia de dispersión del transformador (112), mayor que una frecuencia de conmutación del inversor resonante (11), para minimizar las pérdidas por conmutación en los interruptores de semiconductor (a-d; A, B) del inversor resonante (11) respecto de un funcionamiento en modo de conmutación dura.

17. Dispositivo para la alimentación de energía eléctrica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la inductancia de dispersión del transformador (112) es complementada por una o más inductancias adicionales, para conseguir una frecuencia resonante deseada.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el primario están conectados múltiples inversores resonantes (11) en paralelo con la fuente de energía y, en el secundario, conectados a un condensador de circuito intermedio (12) común, siendo los diferentes convertidores resonantes controlados por reloj de forma alternada.

19. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el inversor resonante (11) está conectado con un inversor de red (13).

20. Sistema con un dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes y la fuente de energía, caracterizado porque la fuente de energía es un generador solar (10), 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 (generador PM).

21. Uso de un dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes en una red pública de distribución de energía que abastece una pluralidad de usuarios o una red insular con uno o más usuarios.

22. Procedimiento de funcionamiento de un dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la fuente de energía es un generador solar fotovoltaico con como mínimo un punto MPP de una curva característica de generador solar, siendo el inversor resonante (11) operado en el punto MPP de modo completamente resonante y con tensiones por encima del punto de funcionamiento MPP en modo de conmutación dura.

23. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los diodos D5 a D8 del inversor resonante (113) tienen montados en paralelo semiconductores de potencia desconectables, de modo que el circuito puede ser operado en forma bidireccional cuando la fuente de energía es un acumulador de energía, por ejemplo una batería.