ONDULADOR, EN ESPECIAL PARA INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS.

Ondulador (1) para transformar un voltaje eléctrico continuo, en especial una fuente fotovoltaica de voltaje continuo, en un voltaje alterno con una entrada de voltaje continuo de dos conexiones (DC+, DC-), entre las que está prevista en disposición paralela una conexión de puente, en cuyas salidas de voltaje alterno (C,D) están previstas inductancias de red (L1,L2), y una salida de voltaje alterno con dos conexiones (AC1,AC2), caracterizado porque está previsto un primer ramal de puente (Z1) con por lo menos cuatro elementos conectores en serie dispuestos del primero al cuarto (S1, S2, S3, S4) y un segundo ramal de puente (Z2) con por lo menos un quinto y un sexto elemento de conexión (S5,S6) y porque entre la salida de voltaje alterno (C), que proviene del segundo ramal de puente (Z2) entre el quinto y el sexto elemento de conexión, y en cada caso los puntos de unión (A,B) entre el primero y el segundo elementos de conexión o bien entre el tercero y el cuarto elementos de conexión (S1,S2 o bien S3,S4) del primer ramal del puente (Z1), está conectado en cada caso un diodo (D7, D8) en sentido de paso opuesto, de modo que en cada caso uno de los conectores centrales segundo y tercero (S2 o S3) del primer ramal de puente (Z1) y en cada caso uno de los diodos (D7 o D8) conduce una corriente de marcha libre en un estado desacoplado del voltaje continuo

Ondulador, en especial para instalaciones fotovoltaicas.

La invención se refiere a un ondulador para transformar un voltaje eléctrico continuo, en especial una fuente fotovoltaica de voltaje continuo en un voltaje alterno, con una entrada de voltaje continuo de dos conexiones, entre las que está prevista una conexión de puente en una disposición paralela, en cuyas salidas de corriente alterna están previstas inductancias de red y una salida de voltaje alterno con dos conexiones.

La invención no se limita a las instalaciones fotovoltaicas, sino que puede aplicarse también a baterías y otros generadores de voltaje continuo.

En la transformación de la corriente generada en las instalaciones fotovoltaicas es importante no solo un alto rendimiento sino también los aspectos de seguridad, por ejemplo la protección contra voltajes elevados.

Los generadores fotovoltaicos generan voltaje continuo, por ello esta corriente tiene que transformarse en un voltaje que tenga la frecuencia de red de la amplitud correspondiente con el fin de alimentarse en una red de abastecimiento de energía o en una red aislada. Esto exige un ondulador apropiado. El rendimiento de la transformación de voltaje deberá ser lo más alto posible, con el fin de permitir el funcionamiento económicamente viable de la instalación.

Por otro lado pueden surgir problemas en cuanto a los potenciales peligrosos de contacto. Son conocidos los onduladores con separación galvánica mediante un transformador, para evitar estos problemas de seguridad. Pero, el uso de un transformador conduce a pérdidas adicionales y por tanto un peor rendimiento.

Otros aspectos son los costes, la vida útil y el peso del ondulador. Los onduladores no transformadores cumplen estos requisitos de forma casi ideal.

Si no hay separación galvánica y, por tanto, si se omiten las pérdidas adicionales de transformador entre el lado DC (continua) y AC (alterna) se reduce por un lado la energía disipada del ondulador, pero por otro lado conduce a problemas referentes a las corrientes de fuga de los generadores fotovoltaicos, que podrían conducir a potenciales elevados de contacto en los componentes de la instalación. En función de la topología pueden surgir saltos grandes de potencial en la frecuencia de la red o saltos grandes de potencial de frecuencia elevada en la fuente de corriente continua. Ambos inconvenientes conducen a corrientes de fuga AC considerables y eventualmente no tolerables por razones de seguridad, que desde los generadores de corriente continua se dirigen al entorno a través de las capacidades parásitas inevitables de estos generales con respecto al potencial de tierra.

Una solución sin transformador para evitar las corrientes de fuga capacitivas es conocida por el documento DE 10 2004 037 446 A1. En él se describe que, si se omite el transformador en los alimentadores solares estándar, el potencial de referencia de un generador solar no conectado a tierra varía dinámicamente respecto a la tierra con los impulsos de pulsador (vibrador) del ondulador. Con ello se forman corrientes de fuga capacitivas en el generador solar, que por un lado pueden dañar las células solares y por otro lado pueden generar voltajes de contacto, incluso en la superficie de vidrio de los paneles solares. Por tanto, el ondular que se emplee allí está compuesto de un convertidor de voltaje continuo, que convierte el voltaje continuo en un voltaje +/ simétrico con respecto al potencial de tierra y un pulsador, que genera impulsos de corriente alterna. Como transistores de potencia pueden utilizarse los IGBT y los MOSFET.

Otra disposición de conexiones de un ondulador no transformador de instalaciones fotovoltaicas se representa y describe en DE 102 21 592 A1. La conexión comprende una conexión en puente con dos senderos, en los que en cada caso están previstos un conector y una serie de diodos conectados. De este modo surgen senderos de marcha libre, a lo largo de los cuales puede propagarse una corriente de inductancia. De este modo se mejora el rendimiento y se reduce el rizado de corriente. Con los senderos adicionales surge un desacoplamiento óhmico entre el generador solar y las conexiones de voltaje alterno mientras dura la marcha libre, con lo cual se evitan los saltos de potencial en el generador solar a frecuencias altas. Los conectores de puente se realizan con preferencia en forma de MOSFET o de IGBT.

Otro ondulador no transformador para la fuente fotovoltaica de voltaje continuo se ha descrito con más detalle en el documento DE 10 2004 030 912 B3. Gracias a un elemento de conexión desacoplador previo al puente es posible un funcionamiento asimétrico sin averías de alta frecuencia. Para ello los conectores funcionan con la frecuencia de la red o con alta frecuencia. En el estado desacoplado surge una corriente de marcha libre, lo cual es posible gracias al correspondiente circuito de marcha libre. Esto permite un alto rendimiento y un menor rizado de corriente. Para ello se propone que solo se ejecuten en forma de MOSFET los elementos conectores actuados por alta frecuencia. Es cierto que estos componentes presentan por principio un diodo antiparalelo, que se denomina "body-diode", pero estos diodos se encienden y se apagan lentamente y presentan una elevada carga de paro. Por este motivo es conveniente emplear los conectores superiores del puente, p.ej. los IGBT, que pueden conectarse con diodos discretos antiparalelos adicionales, pero que tienen el inconveniente de pérdidas mayores, si se comparan con los MOSFET.

El objeto de la invención consiste en desarrollar un ondulador no transformador del máximo rendimiento, sin que en el lado del generador puedan aparecer averías de alta frecuencia ni corrientes de fuga capacitivas.

Para alcanzar este objetivo se propone según la invención una conexión, en la que están previstos un primer ramal de puente con cuatro elementos conectores dispuestos en serie y un segundo ramal de puente con dos elementos conectores dispuestos en serie y que entre la conexión de voltaje alterno, que sale del segundo ramal del puente, y el punto de unión, que corresponde a los conectores previstos en el segundo ramal del puente y en cada caso uno de los puntos de unión entre los dos conectores superiores y los dos conectores superiores del primer ramal de puente está conectado en cada caso un diodo en sentido de paso opuesto, de modo que en cada caso uno de los conectores medios del primer ramal de puente y en cada caso uno de los diodos conduce una corriente de marcha libre en un estado desacoplado del voltaje continuo.

Otras características y formas de ejecución ventajosas de la invención se definen en las reivindicaciones secundarias.

El ondulador de la invención posee un rendimiento muy elevado (en la disposición de ensayo > = 98,5%), de modo que es óptimo para las instalaciones fotovoltaicas. Por el hecho de que el primer ramal de puente está previsto que tenga cuatro elementos de conexión dispuestos en serie y los dos conectores centrales, en cada caso con uno de los dios adicionales que unen los dos ramales del puente, forman una marcha libre, durante la marcha libre puede conseguirse un desacoplamiento óhmico muy ventajoso, de modo que el generador solar funciona aislado de la red en determinadas fases del transporte interno de energía eléctrica. Los dos conectores externos se emplean para separar el circuito de corriente continua o están diseñados como conectores de desacoplamiento. En el estado desacoplado actúa el circuito de marcha libre que posee diodos adicionales, que conduce una corriente de marcha libre en un estado desacoplado del voltaje continuo. De este modo pueden evitarse las averías de alta frecuencia y las corrientes de fuga capacitivas del generador solar o por lo menos pueden reducirse en gran manera.

Gracias al sistema de conexiones de la invención es posible que de todos los conectores del sistema se puedan emplear aquellos que actualmente tengan las pérdidas menores, con independencia de que estén presentes o no los diodos antiparalelos en función de los componentes. Dado que no son necesarios para el funcionamiento de la conexión, es posible prescindir de ellos.

De este modo, para cada conector concreto puede lograrse el funcionamiento óptimo gracias a un dimensionado adecuado. Esto no era posible en las soluciones hasta ahora conocidas de la bibliografía técnica.

Esta configuración de conexiones se caracteriza en especial porque el circuito de marcha libre posee dos componentes realizados en forma de diodos adicionales, por ejemplo discretos, que están conectados en...

1. Ondulador (1) para transformar un voltaje eléctrico continuo, en especial una fuente fotovoltaica de voltaje continuo, en un voltaje alterno con una entrada de voltaje continuo de dos conexiones (DC+, DC-), entre las que está prevista en disposición paralela una conexión de puente, en cuyas salidas de voltaje alterno (C,D) están previstas inductancias de red (L1,L2), y una salida de voltaje alterno con dos conexiones (AC1,AC2), caracterizado porque está previsto un primer ramal de puente (Z1) con por lo menos cuatro elementos conectores en serie dispuestos del primero al cuarto (S1, S2, S3, S4) y un segundo ramal de puente (Z2) con por lo menos un quinto y un sexto elemento de conexión (S5,S6) y porque entre la salida de voltaje alterno (C), que proviene del segundo ramal de puente (Z2) entre el quinto y el sexto elemento de conexión, y en cada caso los puntos de unión (A,B) entre el primero y el segundo elementos de conexión o bien entre el tercero y el cuarto elementos de conexión (S1,S2 o bien S3,S4) del primer ramal del puente (Z1), está conectado en cada caso un diodo (D7, D8) en sentido de paso opuesto, de modo que en cada caso uno de los conectores centrales segundo y tercero (S2 o S3) del primer ramal de puente (Z1) y en cada caso uno de los diodos (D7 o D8) conduce una corriente de marcha libre en un estado desacoplado del voltaje continuo.

2. Ondulador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todos los elementos de conexión del primero al sexto (S1, S6) y todos los diodos (D7,D8) están integrados en un modulo semiconductor.

3. Ondulador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una forma de ejecución como ondulador no transformador.

4. Ondulador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una forma de ejecución multifásica.

5. Procedimiento de activación de un ondulador (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

- están presentes tanto las señales de activación con la frecuencia de red como las de la frecuencia elevada de los elementos de conexión del primero al sexto (S1-S6) de la conexión de puente,

- el segundo elemento de conexión (S2) está actuado con frecuencia de red y el primero y el sexto elemento de conexión (S1,S6) están actuados con frecuencia elevada durante una media onda del voltaje de red y el tercer elemento de conexión (S3) está actuado con la frecuencia de red y el cuarto y el quinto elemento de conexión (S4,S5) están actuados con una frecuencia elevada durante la otra media onda del voltaje de red y

- el primero, cuarto, quinto y sexto elementos de conexión (S1, S4, S5, S6) se activan de forma asimétrica, de modo que en cada caso se activan el primero y el cuarto elementos de conexión (S1,S4) del primer ramal del puente (Z1) mientras que el quinto y el sexto elementos de conexión (S5, S6) del segundo ramal del puente (Z2) se activan con la misma frecuencia y

- durante por lo menos una fase de marcha libre fluye corriente de marcha libre a través del segundo elemento de conexión S2 y uno de los dos diodos (D7) durante media onda de voltaje de red o una corriente de marcha libre fluye a través del tercer elemento de conexión S3 y el otro diodo (D8) durante la otra media onda del voltaje de red, de modo que durante la marcha libre el circuito de voltaje alterno está desacoplado del circuito de voltaje continuo.

6. Procedimiento de activación según la reivindicación 5, caracterizado porque el segundo y el tercer elementos de conexión (S2,S3) del primer ramal del puente (Z1) están conectados con la frecuencia de red, en especial con 50 Hz o 60 Hz, mientras que los otros dos elementos de conexión primero y cuarto (S1,S4) del primer ramal de puente (Z1) así como los elementos de conexión quinto y sexto (S5,S6) del segundo ramal de puente están actuados con alta frecuencia, en especial del intervalo de kHz.

7. Procedimiento de activación según la reivindicación 5, caracterizado porque el primer elemento de conexión (S1) del primer ramal de puente (Z1) y el sexto elemento de conexión (S6) del segundo ramal del puente (Z2) se actúan de forma sincrónica durante la primera media onda del voltaje de red y el elemento de conexión (S4) del primer ramal del puente (Z1) y el elemento de conexión (S5) del segundo ramal del puente (Z2) están actuados de modo sincrónico durante la otra media onda del voltaje de red.

8. Procedimiento de activación según la reivindicación 7, caracterizado porque los elementos de conexión adicionales existentes en el primer ramal del puente (Z1) se convierten en elementos de alta frecuencia de modo sincrónico con los otros dos elementos de conexión quinto y sexto (S5,S6) del segundo ramal del puente (Z2).

9. Procedimiento de activación según la reivindicación 7 ú 8, caracterizado porque una parte de los elementos de conexión, en especial los elementos de conexión actuados con alta frecuencia, el primero, segundo, cuarto y quinto (S1, S2, S4, S5) se activan con modulación de anchura de impulso.

10. Procedimiento de activación según una de las reivindicaciones de 5 a 9 caracterizado porque el voltaje eléctrico continuo se genera con un generador fotovoltaico.