Circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna especialmente diseñado para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica sin transformador,

y que permite la puesta a tierra de uno de los terminales de entrada (2) del generador fotovoltaico, consiguiendo trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada y tener un alto rendimiento

Circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna. La invención tiene su principal campo de aplicación en la industria destinada al diseño de dispositivos electrónicos, y más particularmente a los concebidos dentro del sector de los sistemas de potencia para conversión de energía solar fotovoltaica. La invención también puede ser aplicable en otros campos como la generación de energía mediante células electro-químicas u otros dispositivos que proporcionen una energía continua.

La invención proporciona una estructura de conversión dc/ac (corriente continua/corriente alterna) especialmente diseñada para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica sin transformador, que permite la puesta a tierra de uno de los terminales de entrada del generador fotovoltaico, consiguiendo trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada y tener un alto rendimiento.

Antecedentes de la invención

Los sistemas fotovoltaicos de conexión a red están formados por un conjunto de paneles fotovoltaicos (también denominado campo o generador fotovoltaico) y una etapa de conversión (también denominada inversor) que acondiciona la energía producida por los paneles y la inyecta a la red eléctrica. Generalmente se trata de instalaciones de carácter privado, en las que se busca maximizar el beneficio económico obtenido por la venta de la energía producida a las compañías eléctricas. Por ello, se buscan inversores baratos, fiables y de alta eficiencia.

Tradicionalmente, en este tipo de instalaciones se ha incluido un transformador, entre el inversor y la red eléctrica, que proporciona un aislamiento galvánico entre la instalación y la red eléctrica. Sin embargo, el hecho de que este transformador trabaje a baja frecuencia (50/60 Hz) aumenta el tamaño, peso y precio de la etapa de conversión, reduciendo al mismo tiempo su rendimiento.

Una opción para eliminar el transformador de baja frecuencia, manteniendo el aislamiento galvánico de la instalación, es utilizar dentro del convertidor una etapa de conversión DC/DC con transformador de alta frecuencia. El uso de un transformador de alta frecuencia permite reducir el tamaño y peso de la etapa de conversión, sin embargo aumenta la complejidad de la misma, reduciendo al mismo tiempo su rendimiento y su fiabilidad.

La eliminación del transformador (tanto de alta como de baja frecuencia) permite obtener una etapa de conversión más sencilla, barata y ligera, mejorando al mismo tiempo el rendimiento de la misma. Por ello, en los últimos años, el uso de estructuras de conversión sin transformador se ha vuelto muy popular.

Determinadas instalaciones fotovoltaicas requieren la puesta a tierra (aterramiento) de uno de los terminales del campo fotovoltaico. En algunos casos, este requerimiento es de carácter tecnológico. Es el caso de instalaciones en las que se utilizan determinados paneles fotovoltaicos de capa fina, donde aterrando el negativo se evita una degradación prematura del panel, o de instalaciones en las que se desea eliminar completamente la circulación de corrientes por tierra a través de la capacidad parásita del campo fotovoltaico para mejorar el comportamiento electromagnético de la etapa de conversión. En otros casos, la necesidad de aterrar viene determinada por la normativa vigente, como el NEC (National Electrifical Code) de Estados Unidos.

Habitualmente, los sistemas fotovoltaicos de conexión a red se conectan a redes del tipo T-N (en las que el neutro de red se encuentra puesto a tierra). En este tipo de redes, el uso de una etapa de conversión con aislamiento galvánico (con transformador de baja o alta frecuencia) permite aterrar uno de los terminales del campo fotovoltaico sin que aparezcan problemas para el funcionamiento de la etapa de conversión. Sin embargo, aterrar el campo fotovoltaico en etapas de conversión sin transformador basadas en estructuras de conversión tradicionales, como el puente en H o las mostradas en los documentos de patente DE10221592A1, DE102004030912B3 y WO2008015298A1 no resulta posible.

Con el fin de solucionar los problemas planteados al aterrar el campo fotovoltaico en etapas de conversión sin transformador se han desarrollado nuevas topologías como la propuesta en DE 196 42 522 C1. Sin embargo, la corriente inyectada a la red por esta topología es pulsante, lo que requiere un gran filtro de salida para amortiguar los armónicos de corriente.

Este problema se soluciona en DE 197 32 218 C1. Esta estructura se basa en la unión de dos convertidores dc/dc: Zeta y Cuk. El control de los semiconductores se realiza de manera que durante el semiciclo positivo de la tensión de red el convertidor se comporta como un Zeta y durante el semiciclo negativo como un Cuk. Sin embargo, en esta topología, como en DE 196 42 522 C1, al carecer de etapa dc/dc elevadora, la fluctuación de potencia característica de los sistemas monofásicos provoca un rizado en la tensión del campo fotovoltaico a una frecuencia igual al doble de la frecuencia de red que provoca una disminución de la energía obtenida en el campo fotovoltaico por fluctuación de tensión en torno al punto de máxima potencia.

En US 2004 0164557 Al se presenta una topología sencilla que permite aterrar el negativo del campo fotovoltaico. El funcionamiento de esta topología se basa en la obtención de una tensión continua bipolar (positiva y negativa respecto al negativo del campo fotovoltaico), es decir un bus de continua con el punto medio puesto a tierra. A partir de este bus, el uso de un medio puente permite obtener tensiones de salida senoidales. El hecho de utilizar la tensión del campo fotovoltaico como tensión positiva en el bus de continua hace que la estructura no pueda ser utilizada con tensiones de campo fotovoltaico inferiores a la máxima tensión de red.

En DE 10 2006 012 164 Al se presenta una topología que permite aterrar uno de los terminales de entrada, consiguiendo a su salida una tensión continua bipolar. Sin embargo, todos los semiconductores utilizados deben soportar la máxima tensión de bus, que deberá ser al menos dos veces la máxima tensión de red, lo que aumenta las pérdidas de conmutación y disminuye el rendimiento de la etapa de conversión.

En US 2008 0266919 se presenta otra topología que permite obtener una tensión continua bipolar. En este caso se utilizan dos convertidores dc/dc de tipo elevador-reductor. Sin embargo, el primer convertidor dc/dc debe manejar toda la potencia del sistema. Además, los semiconductores utilizados deben soportar la tensión de bus, que deberá ser al menos dos veces la máxima tensión de red, lo que incrementa las pérdidas de la topología, disminuyendo su rendimiento.

Otra topología que permite obtener una tensión continua bipolar es la propuesta en WO 2008 151587 A1. Esta topología utiliza dos transistores gobernados por la misma señal de control, tres diodos y dos bobinados acoplados magnéticamente para conseguir una tensión de salida bipolar. El modo de funcionamiento propuesto, hace que en todo momento la corriente consumida por la etapa dc/dc, vista desde el campo fotovoltaico, sea una corriente pulsante y, por tanto, la corriente en la bobina W1 será mayor a la que circularía en caso de que la corriente fluyese de manera continua hacia la etapa dc/dc, con el consiguiente aumento de pérdidas en semiconductores y bobinas.

Las topologías propuestas en US 2004 0164557 Al, DE 10 2006 012 164 A1, US 2008 0266919, y WO 2008 151587 A1 se basan en la obtención de una tensión continua bipolar (bus con el punto medio aterrado). Para obtener una tensión alterna a partir de esta tensión bipolar, se pueden utilizar topologías dc/ac como el medio puente o medio puente NPC:

1. Circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna, siendo un circuito inversor monofásico que acondiciona y convierte energía eléctrica de corriente continua en energía eléctrica de corriente alterna, que comprende: