DISPOSITIVO INVERSOR DE ETAPA ÚNICA, Y MÉTODO DE CONTROL RELACIONADO, PARA CONVERTIDORES DE POTENCIA A PARTIR DE FUENTES DE ENERGÍA, EN PARTICULAR FUENTES FOTOVOLTAICAS.

El dispositivo inversor de etapa única, para los convertidores de potencia de fuentes de energía de dc (1) a una red eléctrica de ac (2) que tiene al menos una fase,

de frecuencia de pulsación ωgrid, que consta de medios de conmutación (M1-M4) capaces de conectar periódicamente, con periodo TS menor que el periodo Tgrid que corresponde a la frecuencia de pulsación ωgrid, una fuente (1), capaz de poner a la salida un voltaje vg(t) de valor medio Vg, a la red (2) de manera que la corriente de salida del dispositivo io(t) está en fase con el voltaje vo(t) de al menos una fase de la red (2), el valor máximo del cual es Vo,max, los medios de conmutación (M1-M4) que son controlados mediante medios de control (10, 20) que funcionan de acuerdo con un control sobre un ciclo de conmutación único de los medios de conmutación (M1-M4), el dispositivo que ve una inductancia de salida L, el dispositivo que comprende un resistor de detección de la resistencia RS conectado en serie a la red (2), los medios electrónicos de control (10, 20) que comprenden; - un circuito integrador reiniciable (9) que tiene una constante de tiempo τ<TS, la entrada del cual recibe una señal de voltaje (VC-Kg*vg) igual a la diferencia entre un voltaje de control VC y un voltaje proporcional por un primer factor Kg al voltaje de salida vg(t) de la fuente (1), - los medios comparadores (14), capaces de poner a la salida una señal indicativa de la comparación de una caída del voltaje [RS•io(t)] en el resistor de detección con la suma de la señal de salida del circuito integrador (9) y un voltaje [K•vo(t)] proporcional por un segundo factor K al voltaje vo(t) de la red (2), y - los medios generadores (11, 12, 13) capaces de recibir la señal de salida desde los medios comparadores (14) y una señal indicativa de la fase de la red (2) para proporcionar una o más señales para controlar los medios de conmutación (M1-M4). el voltaje de control VC y el primer factor Kg que son tales para cumplir la siguiente primera restricción el dispositivo que se caracteriza porque cumple una segunda restricción por la cual la señal de entrada del circuito integrador (9) es siempre positiva, porque cumple una tercera restricción por la cual, en cualquier instante de tiempo, el voltaje de entrada de los medios de conmutación (M1-M4) es mayor que el voltaje de salida de los mismos, y porque cumple una cuarta restricción por la cual donde: - Po(S) es la potencia media de salida del dispositivo para un conjunto S de condiciones de funcionamiento, - Pg,MPP(Smax) es la potencia máxima entregable por la fuente (1), - α es un primer coeficiente de sobrecarga con α ≥q 1, y - γ es un segundo coeficiente, con γ < 1

Dispositivo inversor de etapa única, y método de control relacionado, para convertidores de potencia a partir de fuentes de energía, en particular fuentes fotovoltaicas.

La presente invención concierne a un dispositivo inversor de etapa única para un convertidor electrónico de potencia, con salida de corriente alterna y entrada de corriente continua (dc-ac), para fuentes de energía, en particular fuentes de energía renovables, preferentemente fuentes fotovoltaicas, basadas en la denominada técnica de control de un ciclo de conmutación u OCC, con seguimiento del punto de máxima potencia o MPPT que es estático o posiblemente adaptativo dinámicamente a través de la técnica Perturbar y Observar o P&O, el dispositivo que es simple, fiable, eficiente, preciso, y económico, que optimiza simultáneamente tanto el control del MPPT como el Factor de Potencia de salida o PF de salida del convertidor dc-ac, para lograr también posiblemente el seguimiento del punto de máxima potencia real del campo fotovoltaico a través de la adaptación dinámica para las condiciones instantáneas de funcionamiento del campo fotovoltaico.

La presente invención concierne además al método relacionado de escalamiento de los parámetros característicos de tal dispositivo inversor y el método de control relacionado.

En la siguiente descripción se hará referencia específica a la aplicación de los convertidores dc-ac de potencia monofásicos para las fuentes fotovoltaicas de energía conocidas como los denominados sistemas "conectados a red" (conectados a una red de distribución de energía de corriente alterna), pero se debería entender que el dispositivo inversor (y el método de control relacionado) de acuerdo con la invención puede ser aplicado tanto a los convertidores monofásicos como multifásicos para cualquier fuente de energía, en particular renovable, tal como las celdas de combustible, turbinas de viento, y otras fuentes que tienen un punto de máxima potencia variable, o más generalmente un punto de conveniencia de máxima energía, a la entrada, y un PF de salida restringido en la salida. Más en general, el dispositivo inversor de acuerdo con la invención se puede aplicar a los convertidores para cualquier fuente de energía que se caracterice por la existencia de condiciones particulares de funcionamiento específico que se consideren preferenciales, en relación con la energía producida, la eficiencia energética, el grado de fatiga de los componentes, la vida o cualquier otro factor de evaluación que se pueda definir para una fuente específica, y cuyas condiciones son variables, debido a factores climáticos o físicos o factores de cualquier naturaleza, los cuales son tanto controlables como incontrolables, tanto predecibles como impredecibles, e identificables a través de un punto particular de una de las curvas características eléctricas de salida de la fuente tales como potencia-voltaje, potencia-corriente, voltaje-corriente, corriente-voltaje, eficiencia-voltaje, eficiencia-corriente y otras similares a las mismas.

Se conoce que los convertidores electrónicos de potencia usados en los sistemas fotovoltaicos denominados "conectados a red" logran la doble función de extraer la máxima potencia del campo fotovoltaico (MPPT) y entregar la potencia extraída a la red de corriente alterna o AC con el Factor de Potencia de salida alto (PF de salida), en donde la corriente está en fase con el voltaje y presenta una distorsión armónica baja.

El mercado actualmente ofrece varios inversores fotovoltaicos, generalmente basados en una arquitectura de doble etapa, del tipo mostrado en la Figura 1 para una aplicación monofásica, interpuesta entre la fuente fotovoltaica 1 y la red de distribución de energía eléctrica de ac 2. Tal arquitectura presenta como principal ventaja cierta facilidad de diseño e implementación gracias a la separación de las dos funcionalidades del MPPT y la conversión dc-ac con el control del PF de salida: la primera se logra por el convertidor dc-dc 3, controlado por el módulo de seguimiento del punto de máxima potencia MPPT 4 conectado a la salida de la fuente 1, mientras que la funcionalidad de conversión dc-ac se logra a través del convertidor dc-ac 5, controlado por el módulo 6 conectado a la entrada de la red 2.

A través de un cuidado diseño del controlador de cada etapa, es posible lograr rendimiento satisfactorio en términos tanto de la eficiencia de la extracción de energía desde el campo fotovoltaico 1 como de la eficiencia eléctrica de conversión desde el campo fotovoltaico 1 a la red 2.

No obstante, tal sistema presenta algunos inconvenientes y limitaciones, tales como: los altos costes de los componentes de las dos etapas de potencia; la caída del rendimiento a niveles bajos de corriente; la dinámica básicamente baja debida al paso de energía a través del canal principal de dc mantenido por un condensador masivo de alta capacidad 7; la necesidad de establecer el voltaje masivo sin suprimir la ondulación del segundo armónico de la red.

Dado que el coste de un sistema fotovoltaico está compuesto cerca del 50% por el coste de los módulos fotovoltaicos y por el 30-40% por el inversor fotovoltaico, reducir el coste del último puede ser sin duda un incentivo interesante para una difusión más amplia del uso de las fuentes renovables para la producción de energía eléctrica, satisfaciendo de esta manera una necesidad difusa social, económica, y ambiental.

Consecuentemente, en los últimos años se han desarrollado algunos dispositivos intentando solventar el problema de los costes de un inversor fotovoltaico. Tales soluciones se basan en:

- el uso de los inversores de etapa única, en donde las funcionalidades del MPPT, la inversión dc-ac, y el control del PF de salida se integran en un circuito de potencia único;

- el desarrollo de técnicas de control integradas que permiten lograr la función combinada del MPPT, inversión dc-ac, y control del PF de salida; y

- la implementación de los circuitos de control integrados en un microprocesador, desarrollados y optimizados para asegurar el logro de las funcionalidades necesarias para el inversor fotovoltaico de etapa única de una forma robusta y adaptativa con respecto a las características del campo fotovoltaico de la fuente.

En particular, Y. Chen y K. Ma. Smedley, en "Un inversor monoetapa rentable con seguimiento del punto de máxima potencia", Transacciones en Electrónica de Potencia del IEEE, Vol. 19, Nº 5, septiembre de 2004, páginas 1289-1294, han propuesto recientemente la aplicación del control OCC, como se muestra en la Figura 2, a un inversor de etapa única para uso fotovoltaico, en donde un convertidor dc-ac, conectado en su entrada a la fuente fotovoltaica 1 y en su salida a la red 2, comprende cuatro conmutadores de potencia semiconductores M1-M4 (preferentemente implementados a través de los respectivos MOSFET o IGBT). El inversor de etapa única se controla mediante una unidad de accionamiento 8, que funciona en base de los valores de ciertas cantidades eléctricas en la entrada y salida del mismo convertidor, a través de la técnica de Control de Un Ciclo, para controlar el voltaje de un convertidor sobre un ciclo de conmutación único. Más en detalle, como también se revela por K.M. Smedley, S. Cuk, "Control de un ciclo de convertidores de conmutación", Transacciones en Electrónica de Potencia del IEEE en el Volumen 10, Artículo 6, noviembre de 1995 páginas 625-633, la técnica de OCC es una técnica de control no lineal que ofrece ventajas significativas en términos de rechazo del ruido de línea y velocidad de respuesta, que se basa en la función de integración de una variable adecuada (voltaje o corriente), con forma de onda de conmutación, para imponer su valor medio igual a un valor indicado por una señal de referencia de control (en particular un voltaje de control Vc).

No obstante, el escalamiento del controlador de OCC 19 de la Figura 2, destinado a una aplicación MPPT fotovoltaica, requiere un planteamiento de diseño/circuito adecuado y un ajuste preciso de los parámetros del circuito, para ser capaz de lograr realmente tanto el control del MPPT como la optimización del PF de salida con rendimiento comparable a aquél de un sistema de doble etapa de buen rendimiento actual. En el sistema de la Figura 2, la potencia pasa desde el campo fotovoltaico 1 a la red 2 a través del inversor, que funciona como un denominado convertidor masivo (es decir un convertidor dc-dc que proporciona un voltaje medio de salida menor que el voltaje dc de entrada...

1. El dispositivo inversor de etapa única, para los convertidores de potencia de fuentes de energía de dc (1) a una red eléctrica de ac (2) que tiene al menos una fase, de frecuencia de pulsación ω_grid, que consta de medios de conmutación (M1-M4) capaces de conectar periódicamente, con periodo T_S menor que el periodo T_grid que corresponde a la frecuencia de pulsación ω_grid, una fuente (1), capaz de poner a la salida un voltaje v_g(t) de valor medio V_g, a la red (2) de manera que la corriente de salida del dispositivo i_o(t) está en fase con el voltaje v_o(t) de al menos una fase de la red (2), el valor máximo del cual es V_o,max, los medios de conmutación (M1-M4) que son controlados mediante medios de control (10, 20) que funcionan de acuerdo con un control sobre un ciclo de conmutación único de los medios de conmutación (M1-M4), el dispositivo que ve una inductancia de salida L, el dispositivo que comprende un resistor de detección de la resistencia R_S conectado en serie a la red (2), los medios electrónicos de control (10, 20) que comprenden;

- un circuito integrador reiniciable (9) que tiene una constante de tiempo τ<T_S, la entrada del cual recibe una señal de voltaje (V_C-K_g*v_g) igual a la diferencia entre un voltaje de control V_C y un voltaje proporcional por un primer factor K_g al voltaje de salida v_g(t) de la fuente (1),

- los medios comparadores (14), capaces de poner a la salida una señal indicativa de la comparación de una caída del voltaje [R_S•i_o(t)] en el resistor de detección con la suma de la señal de salida del circuito integrador (9) y un voltaje [K•v_o(t)] proporcional por un segundo factor K al voltaje v_o(t) de la red (2), y

- los medios generadores (11, 12, 13) capaces de recibir la señal de salida desde los medios comparadores (14) y una señal indicativa de la fase de la red (2) para proporcionar una o más señales para controlar los medios de conmutación (M1-M4).

el voltaje de control V_C y el primer factor K_g que son tales para cumplir la siguiente primera restricción

el dispositivo que se caracteriza porque cumple una segunda restricción por la cual la señal de entrada del circuito integrador (9) es siempre positiva, porque cumple una tercera restricción por la cual, en cualquier instante de tiempo, el voltaje de entrada de los medios de conmutación (M1-M4) es mayor que el voltaje de salida de los mismos, y porque cumple una cuarta restricción por la cual

donde:

- P_o(S) es la potencia media de salida del dispositivo para un conjunto S de condiciones de funcionamiento,

- P_g,MPP(S_max) es la potencia máxima entregable por la fuente (1),

- α es un primer coeficiente de sobrecarga con α ≥q 1, y

- γ es un segundo coeficiente, con γ < 1.

2. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el voltaje de control V_C y el primer factor K_g son tales que:

donde ΔV_g es la amplitud pico a pico de la oscilación del voltaje v_g(t).

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el segundo factor K es tal que:

donde ΔV_g es la amplitud pico a pico de la oscilación del voltaje v_g(t).

4. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque el circuito integrador reiniciable (9) se reinicia cuando |R_S*i_o|>|K*V_o|-v_m*t/T_S.

5. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque los medios electrónicos de control (10, 20) además comprenden medios electrónicos de procesamiento (21), conectados en su entrada a la fuente (1) para determinar la potencia de la misma con periodo de muestreo T_a, capaz de poner a la salida al menos una señal capaz de variar el valor de al menos un parámetro correspondiente, seleccionado del grupo que consta de la resistencia R_S, la constante de tiempo τ, el voltaje de control V_C, el primer factor K_g, el segundo factor K, y una combinación de ellos, perturbando continuamente la potencia media de salida P_o(S) para buscar el punto de máxima potencia de salida de acuerdo con el denominado método de escalar la colina.

6. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los medios electrónicos de procesamiento (21) son capaces de detectar el voltaje y la corriente de salida instantánea de la fuente (1).

7. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, caracterizado porque T_a>T_s.

8. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque los medios electrónicos de procesamiento (21) ponen a la salida el voltaje de control V_c, que se proporciona como entrada al circuito integrador (9).

9. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque los medios electrónicos de control (10, 20) se integran al menos parcialmente en al menos un microprocesador y/o al menos un procesador de señal digital y/o al menos un micro controlador.

10. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la fuente (1) es tal que el punto de potencia de entrada máxima del dispositivo es variable y/o el factor de la potencia de salida o PF de salida del dispositivo es variable con el conjunto S de condiciones de funcionamiento.

11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la fuente (1) es una fuente de energía renovable.

12. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la fuente (1) es una fuente fotovoltaica, las condiciones de funcionamiento del conjunto S que son una o más condiciones seleccionadas del grupo que comprende el nivel de luz solar, la temperatura, y la degradación de la fuente.

13. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la red eléctrica (2) es una red monofásica o trifásica.

14. El método de ciclo de conmutación único de control de los medios de conmutación (M1-M4) de un dispositivo inversor de etapa única, para los convertidores de potencia de fuentes de energía de dc (1) a una red eléctrica de ac (2) que tiene al menos una fase, de frecuencia de pulsación ω_grid, en donde los medios de conmutación (M1-M4) conectan periódicamente, con el periodo T_s menor que el periodo T_grid que corresponde a la frecuencia de pulsación ω_grid, una fuente (1) capaz de poner a la salida un voltaje v_g(t) de valor medio V_g, a la red (2) de manera que la corriente de salida del dispositivo i_o(t) de cada fase está en fase con el voltaje v_o(t) de la misma fase de la red (2) el valor máximo del cual es V_o,max, el método que consta de los siguientes pasos:

A. integrar, de acuerdo con una constante de tiempo τ tal que τ<T_s, una señal de voltaje (V_c- K_g* v_g) igual a la diferencia entre un voltaje de control V_c y un voltaje proporcional por un primer factor K_g al voltaje de salida v_g(t) de la fuente (1),

B. comparar una caída de voltaje [R_s•i_g(t)], en un resistor de detección de resistencia R_S conectado en serie a la red (2), con la suma del resultado de la integración del paso A con un voltaje [K•v_o(t)] proporcional por un segundo factor K al voltaje v_o(t) de la red (2), y

C. generar una o más señales para controlar los medios de conmutación (M1-M4) en base al resultado de la comparación del paso B, el voltaje de control V_c y el primer factor K_g que son tales que cumplen la primera restricción:

donde L es la inductancia de salida vista por el dispositivo inversor, el método que está caracterizado porque la señal de voltaje integrada en el paso A siempre es positiva, porque el voltaje de entrada de los medios de conmutación (M1-M4) es mayor que el voltaje de salida del mismo, y porque

donde:

- P_o(S) es la potencia media de salida del dispositivo para un conjunto S de condiciones de funcionamiento,

- P_g,MPP(S_max) es la potencia máxima entregable por la fuente (1),

- α es un primer coeficiente de sobrecarga, con α ≥q 1, y

- γ es un segundo coeficiente, con γ < 1.

15. El método de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque el voltaje de control V_C y el primer factor K_g son tales que:

donde ΔV_g es la amplitud pico a pico de la oscilación del voltaje v_g(t).

16. El método de acuerdo con la reivindicación 14 o 15, caracterizado porque el segundo factor K es tal que:

donde ΔV_g es la amplitud pico a pico de la oscilación del voltaje v_g(t).

17. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 14 a 15, caracterizado porque el resultado de la integración del paso A se reinicia cuando |R_S*i_o|>|K*v_o|-v_m*t/T_S.

18. El método de escalamiento de un dispositivo inversor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque los valores de la resistencia R_S, de la constante de tiempo τ, del voltaje de control V_C, del primer factor K_g, y del segundo factor K son tales que minimizan al menos una figura de mérito seleccionada del grupo que comprende:

- una figura de mérito Ψ₀, igual a

donde S₀ es un conjunto S de condiciones de funcionamiento específicas y P_g(S₀) es la potencia entregada por la fuente en correspondencia del conjunto S₀ de las condiciones de funcionamiento específicas, y

- una figura de mérito Ψ₃, igual a la desviación cuadrática media de la potencia máxima P_g,MPP(S) entregable por la fuente (1) y la potencia de salida del dispositivo P_o(S) sobre el intervalo completo [S_min, S_max] de los conjuntos S de las condiciones de funcionamiento, es decir

donde S_min y S_max son conjuntos de las condiciones de funcionamiento específicas por las cuales P_g,MPP(S) asume, respectivamente, el valor mínimo y el máximo dentro del intervalo [S_min, S_max].

19. El método de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque la figura de mérito Ψ₀ = Ψ₁ se calcula para el conjunto S_min de condiciones de funcionamiento específicas.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 18 o 19, caracterizado porque la figura de mérito Ψ₀ = Ψ₂ se calcula para el conjunto S_max de condiciones de funcionamiento específicas.

21. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque los valores de la resistencia R_S, de la constante de tiempo τ, del voltaje de control V_C, del primer factor K_g, y del segundo factor K se determinan a través de al menos una técnica numérica o bien determinística o bien estocástica.

22. El método de acuerdo con la reivindicación 21, caracterizado porque dicha al menos una técnica numérica o bien determinística o bien estocástica comprende una estimación a través del método Montecarlo y/o unos algoritmos de búsqueda tipo evolutivo, preferentemente un algoritmo genético.

23. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 a 22, caracterizado porque el dispositivo es un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12.

24. El dispositivo controlador (10, 20), caracterizado porque es capaz de funcionar como los medios electrónicos de control mezzo de un dispositivo inversor de etapa única de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

25. El dispositivo controlador (10, 20) de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque es capaz de realizar el método del ciclo de conmutación único de control de los medios de conmutación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17.