MÉTODO Y APARATO DE CONTROL DE SISTEMA DE ENERGÍA ALTERNATIVA.

Un método para controlar un sistema de energía alternativa multivariable con una pluralidad de modos en el que el sistema se configura para funcionar a partir de un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (EESD) y un dispositivo de generación de energía alternativa (AEGD),

comprendiendo el método: acoplar una entrada de EESD del sistema a un bus de cc a través de un primer dispositivo de flujo de potencia que controla el flujo de potencia entre el EESD y el bus de cc, y acoplar una entrada de AEGD al bus de cc a través de un circuito de bloqueo inverso configurado para evitar que la corriente fluya desde el bus de cc al AEGD; monitorizar una pluralidad de variables de control de interés en el sistema que incluyen la corriente de EESD y la tensión de EESD, la tensión de bus de cc y la corriente de AEGD; seleccionar una de las variables de control para el control de regulación y regular la variable de control seleccionada con respecto a un punto de consigna deseado sin dejar de monitorizar las restantes variables de control; y conmutar selectivamente el control de regulación a una de las variables de control restantes y regular esa variable de control con respecto a un punto de consigna deseado si se detecta que esa variable de control supera un valor permitido, caracterizado porque la selección y la conmutación selectiva se llevan a cabo de acuerdo con un orden de prioridad dependiente del modo actual del sistema de energía alternativa

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere en general a sistemas de energía alternativa, y en concreto se refiere al control de tales sistemas. 5

Los sistemas de energía alternativa representan una alternativa cada vez más viable o un complemento a la red eléctrica pública convencional. Por ejemplo, los avances en las tecnologías de generación y regulación de potencia han aumentado la densidad de potencia y fiabilidad de los sistemas de generación basados en pilas de combustible de manera que esos tipos de sistemas son cada vez más razonables para su uso en el suministro de energía local para residencias y pequeñas empresas, e incluso en 10 proporcionar oportunidades para la cogeneración en la que un sistema de energía alternativa conectado a la red inyecta una parte de su potencia de salida a la red pública.

Por lo general, tales sistemas convierten la potencia de cc de una pila de combustible (u otra fuente local) en potencia de ca utilizando un convertidor de potencia. Además, tales sistemas incluyen por lo general una o más baterías para proporcionar potencia de reserva, y, por lo menos de forma temporal, 15 proporcionar mayor potencia de la que puede proporcionarse mediante la fuente primaria, p. ej., la pila de combustible. Como tal, el típico sistema de energía alternativa incluye fuentes de energía múltiples (p. ej. pila de combustible y baterías de reserva) y es necesario poder regular más de una variable del sistema de alimentación. Ejemplos de variables de interés incluyen, pero no se limitan a, corriente de pila de combustible, tensión y/o corriente de batería, y tensión de bus de cc. 20

Monitorizar tales sistemas basados en una pluralidad de variables de sistema diferentes, potencialmente conflictivas, presenta un desafío de control significativo, especialmente en los casos en los que el sistema opera en y conmuta entre una variedad de modos, como el autónomo, conectado a la red, etc. Por ejemplo, en determinados modos de funcionamiento, puede haber un elemento o un número limitado de elementos de control dentro del sistema que pueden utilizarse para efectuar la regulación deseada. 25

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención US 2003/006745 describe un método para monitorizar un sistema de energía alternativa multivariable, definido en las reivindicaciones adjuntas comprende un método y un aparto para controlar un sistema multivariable que utiliza un componente de control común, en el que la monitorización de control y la lógica de selección seleccionan la variable de control a regular en base a unos 30 modos de control deseados y los estados de las variables monitorizadas. Un sistema de ejemplo combina una pluralidad de lazos de control en un circuito de control común que se configura con la respuesta de control apropiada, p. ej., ganancias, retardos, filtrado, etc., teniendo en cuenta la variable de control a regular.

Aunque el lazo de control global se cierra a través de sólo una variable de retroalimentación al mismo tiempo, es decir, la respuesta de regulación se dirige a una variable de control seleccionada, el 35 aparato de ejemplo continúa monitorizando todas las variables de control de interés para determinar si cualquiera entra en una condición no permitida o fuera de los límites. En caso afirmativo, el aparato puede cambiar su control a la regulación de la variable fuera de los límites y puede incluir una lógica para establecer una jerarquía o prioridad de control para determinar qué variable tiene prioridad en términos de su selección para el control fuera de los límites. 40

En una forma de realización de ejemplo, la presente invención comprende un método de control de un sistema multivariable, como un sistema de energía alternativa, en el que el método comprende monitorizar una pluralidad de variables de control de interés en el sistema, seleccionar una de las variables de control para el control de regulación y regular la variable de control seleccionada con respecto a un punto de consigna deseado sin dejar de monitorizar las restantes variables de control, y conmutar selectivamente el 45 control de regulación sobre una de las restantes variables de control y regular esa variable de control con respecto a un punto de consigna deseado si se detecta que esa variable de control es superior a su valor permitido. Por ejemplo, un controlador multivariable puede regular uno de entre la tensión de batería, la corriente de batería, la corriente de pila de combustible, la tensión de bus de cc interna etc., y conmutar selectivamente de regular una de esas variables a otra en base a un modo de funcionamiento deseado y en 50 base a si alguna de ellas supera los límites operativos admisibles.

En una forma de realización, el método de ejemplo anterior o variaciones del mismo se implementan como instrucciones de un programa informático almacenadas en un medio legible por un ordenador para su ejecución mediante, por ejemplo, un procesador digital de señal (DSP) u otro

microprocesador o circuito de lógica. Como tal, la lógica de procesamiento de ejemplo asociada con la presente invención puede implementarse total o parcialmente en el dominio de procesamiento digital.

En otra forma de realización de ejemplo, la presente invención comprende un aparato de control del sistema de energía alternativa. El aparato de ejemplo comprende un convertidor bidireccional para acoplar una o más baterías a un bus de cc incluido dentro del aparato, un circuito de bloqueo inverso para acoplar una pila de combustible al bus de cc, un circuito convertidor de potencia para generar potencia de salida de ca a partir de la potencia de cc en el bus de cc, y un circuito de control multivariable configurado 5 para seleccionar una de un conjunto de variables de control para el control de regulación con respecto a un punto de consigna correspondiente deseado sin dejar de monitorizar las restantes variables de control. Un conjunto de variables de control de ejemplo comprende dos o más de entre una corriente de pila de combustible, una corriente de batería, una tensión de batería, y una tensión de bus de cc. Además, el circuito de control multivariable de ejemplo se configura para conmutar selectivamente el control de 10 regulación a otra de las variables de control y regular esa variable de control con respecto a un punto de consigna correspondiente deseado si se detecta que esa variable de control es superior a un valor permitido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Fig. 1 es un diagrama de un sistema de control multivariable de ejemplo configurado como un sistema de control de energía alternativa de acuerdo con la presente invención. 15

La Fig. 2 es un diagrama de un cargador de batería o convertidor bidireccional de ejemplo que puede implementarse en el sistema de la Fig. 1.

La Fig. 3 es un diagrama de un controlador de convertidor bidireccional de ejemplo que puede implementarse en el sistema de la Fig. 1.

La Fig. 4 es un diagrama de un circuito de control multivariable de ejemplo que puede 20 implementarse en el sistema de la Fig. 1.

La Fig. 5 es un diagrama de un limitador de magnitud/velocidad de punto de consigna de ejemplo que puede implementarse en el sistema de la Fig. 1.

La Fig. 6 es un diagrama de un relé de control triestado de ejemplo que puede implementarse en el sistema de la Fig. 1. 25

Las Figs. 7A y 7B son diagramas de un controlador de modo de ejemplo que puede implementarse en el sistema de la Fig. 1.

La Fig. 8 es un diagrama de lógica de control de modo de ejemplo asociada con el funcionamiento en modo Paralelo a la Red, en el que la regulación del convertidor de tensión de ejemplo se basa en la potencia de salida más que en la tensión. 30

La Fig. 9 es un diagrama de un regulador PID de ejemplo que puede implementarse en el sistema de la Fig. 1.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Fig. 1 ilustra un sistema de control multivariable 10 de ejemplo que se configura para el funcionamiento en un sistema de energía alternativa. El sistema 10 comprende un controlador multivariable 35 12, que comprende un "control de cc" 14 y un "control de ca" 16, junto con unos controles lógicos de mayor nivel, un bus de cc compartido (común) 18, un convertidor bidireccional 20, un circuito de bloqueo inverso 22, un convertidor de tensión 24, un circuito convertidor 26, y uno o más sensores 28 para soportar...

1. Un método para controlar un sistema de energía alternativa multivariable con una pluralidad de modos en el que el sistema se configura para funcionar a partir de un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (EESD) y un dispositivo de generación de energía alternativa (AEGD), comprendiendo el método:

acoplar una entrada de EESD del sistema a un bus de cc a través de un primer dispositivo de 5 flujo de potencia que controla el flujo de potencia entre el EESD y el bus de cc, y acoplar una entrada de AEGD al bus de cc a través de un circuito de bloqueo inverso configurado para evitar que la corriente fluya desde el bus de cc al AEGD;

monitorizar una pluralidad de variables de control de interés en el sistema que incluyen la corriente de EESD y la tensión de EESD, la tensión de bus de cc y la corriente de AEGD; 10

seleccionar una de las variables de control para el control de regulación y regular la variable de control seleccionada con respecto a un punto de consigna deseado sin dejar de monitorizar las restantes variables de control; y

conmutar selectivamente el control de regulación a una de las variables de control restantes y regular esa variable de control con respecto a un punto de consigna deseado si se detecta que esa variable 15 de control supera un valor permitido,

caracterizado porque la selección y la conmutación selectiva se llevan a cabo de acuerdo con un orden de prioridad dependiente del modo actual del sistema de energía alternativa.

2. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente almacenar uno o más valores de parámetros para cada una de las variables de control, y configurar un circuito de control para 20 utilizar los valores de parámetros almacenados correspondientes a una variable de control concreta donde esa variable de control concreta se selecciona para el control de regulación.

3. El método de la reivindicación 2, en el que el circuito de control comprende un controlador PID, y en el que los valores de parámetros almacenados para cada variable de control comprenden por lo menos uno de entre un término de ganancia proporcional, un término de ganancia integral, y un término de 25 ganancia derivativa.

4. El método de la reivindicación 3, que comprende adicionalmente proporcionar un lazo de control individual para cada variable de control, y cerrar el lazo de control correspondiente a la variable de control seleccionada a través del controlador PID.

5. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente definir un orden de 30 prioridad de control que determine la variable de control concreta seleccionada para el control de regulación si se detecta que dos o más de las variables de control superan sus valores permitidos.

6. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente designar un variable de control concreta como variable de regulación por defecto, y asignar una prioridad de control más baja a la variable de regulación por defecto. 35

7. El método de la reivindicación 1, en el que la selección de una de las variables de control para el control de regulación y la regulación de la variable de control seleccionada con respecto a un punto de consigna deseado mientras se continúa monitorizando las variables de control restantes comprende regular la variable de control seleccionada controlando el flujo de potencia entre el EESD y el bus de cc sensible a la medición de un error entre la variable de control seleccionada y el punto de consigna deseado 40 para la variable de control seleccionada.

8. El método de la reivindicación 7, en el que la conmutación selectiva del control de regulación a una de las variables de control restantes y la regulación de esa variable de control con respecto a un punto de consigna deseado si se detecta que esa variable de control supera un valor permitido comprende seleccionar una de las variables de control restantes como nueva variable de control de regulación y controlar 45 el flujo de potencia entre el EESD y el bus de cc sensible a un error entre un valor medido de la nueva variable de control de regulación y un punto de consigna correspondiente deseado.

9. El método de la reivindicación 8, en el que el primer dispositivo de flujo de potencia comprende un convertidor bidireccional que controla el flujo de corriente del convertidor bidireccional sensible a un ciclo de servicio de una señal de conmutación aplicada, y en el que controlar el flujo de potencia 50 comprende controlar el ciclo de servicio de la señal de conmutación.

10. El método de la reivindicación 1, en el que el sistema de energía alternativa comprende adicionalmente un convertidor de ca que se acopla selectivamente a un sistema eléctrico de ca en un modo de funcionamiento en modo Paralelo a la Red del sistema de energía alternativa.

11. El método de la reivindicación 10, que comprende adicionalmente regular selectivamente la corriente de AEGD y la tensión de bus de cc haciendo funcionar el convertidor de ca como segundo 5 dispositivo de flujo de potencia para controlar el flujo de potencia entre el bus de cc y el sistema eléctrico de ca.

12. El método de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente, cuando funciona en el modo Paralelo a la Red, regular selectivamente la tensión de EESD y la corriente de EESD a través del primer dispositivo de flujo de potencia, y regular selectivamente la corriente de AEGD y la tensión de bus de 10 cc a través del segundo dispositivo de flujo de potencia.

13. El método de la reivindicación 1, en el que, en un modo de carga del sistema de energía alternativa, definiendo el orden de prioridad de control como la tensión de bus de cc, la corriente de AEGD, y la tensión de EESD o la corriente EESD como una función de sus valores con respecto a su configuración máxima. 15

14. El método de la reivindicación 1, en el que, en un modo de no carga del sistema de energía alternativa, definiendo el orden de prioridad de control como la tensión de bus de cc, y la corriente de AEGD.

15. El método de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente seleccionar una de las variables de control como una variable por defecto, y establecer la variable por defecto a una prioridad más baja en el orden de prioridad de control. 20

16. Un aparato de control multivariable para controlar un sistema de energía alternativa, comprendiendo el aparato:

un primer dispositivo de flujo de potencia para acoplar un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (EESD) a un bus de cc dentro del sistema de control de energía alternativa, estando configurado el primer dispositivo de flujo de potencia para controlar el flujo de potencia entre el EESD y el bus 25 de cc;

un circuito de bloqueo inverso para acoplar un dispositivo de generación de energía alternativa (AEGD) a un bus de cc, estando configurado el circuito de bloqueo inverso para evitar que la corriente fluya al AEGD desde el bus de cc;

un circuito de control multivariable para monitorizar un conjunto de variables de control que 30 comprende dos o más de entre una tensión de EESD, una corriente de EESD, una corriente de AEGD, y una tensión de bus de cc;

dicho circuito de control multivariable configurado para controlar el primer dispositivo de flujo de potencia en uno o más modos de funcionamiento del sistema de energía alternativa para regular una de las variables de control seleccionada, en base a un orden de prioridad dependiente del modo, con respecto a un 35 punto de consigna correspondiente deseado, y para cambiar qué variable de control se selecciona para el control de regulación sensible a la detección de que una variable de control no seleccionada supera un valor permitido.

17. El aparato de la reivindicación 16, en el que el aparato incluye adicionalmente un convertidor de ca para generar una potencia de ca a partir de una potencia de cc suministrada por el bus de 40 cc, el convertidor de ca opera como segundo dispositivo de flujo de potencia controlando el flujo de potencia entre el bus de cc y un sistema eléctrico de ca externo, y en el que, en un modo de funcionamiento en modo Paralelo a la Red en el que el convertidor de ca se acopla al sistema eléctrico externo, el circuito de control multivariable se configura para regular una seleccionada de entre la corriente de AEGD y la tensión de bus de cc controlando el segundo dispositivo de flujo de potencia y simultáneamente para regular una 45 seleccionada de entre la tensión de EESD y la corriente de EESD controlando el primer dispositivo de flujo de potencia.

18. El aparato de la reivindicación 17, en el que el circuito de control multivariable comprende un circuito de control de cc configurado para controlar el primer dispositivo de flujo de potencia, y un circuito de control de ca configurado para controlar el segundo dispositivo de flujo de potencia. 50

19. El aparato de la reivindicación 18, en el que el circuito de control de cc se configura para regular una seleccionada de entre la tensión de EESD, la corriente de EESD, la corriente de AEGD, y la tensión de bus de cc, si no se encuentra en el modo Paralelo a la Red.

20. El aparato de la reivindicación 16, en el que el primer dispositivo de flujo de potencia comprende un convertidor bidireccional que controla el flujo de corriente entre el EESD y el bus de cc en respuesta a un ciclo de servicio de una señal de conmutación aplicada, y en el que el circuito de control multivariable se configura para regular la variable de control seleccionada controlando el ciclo de servicio de la señal de conmutación. 5

21. El aparato de la reivindicación 16, en el que uno o más modos incluyen un modo de carga de EESD, y en el que el circuito de control multivariable se configura para monitorizar la tensión de EESD y la corriente de EESD con respecto a unos valores máximos permitidos, y para seleccionar uno de ellos para el control de regulación en base a esa monitorización.

22. El aparato de la reivindicación 21, en el que el circuito de control multivariable se configura 10 para seleccionar la corriente de EESD para un control de regulación en el modo de carga si ni la tensión de EESD ni la corriente de EESD superan sus valores máximos permitidos respectivos.

23. El aparato de la reivindicación 16, en el que el circuito de control multivariable se configura para funcionar en un modo inactivo en el que ajusta el punto de consigna correspondiente a la tensión de bus de cc a un valor mínimo de manera que la tensión de bus de cc tenga menos probabilidad de ser 15 seleccionada para el control de regulación haciendo que sea menos probable que la tensión de bus de cc caiga fuera de un intervalo permitido.

24. El aparato de la reivindicación 23, en el que el circuito de control multivariable se configura adicionalmente para ajustar el punto de consigna correspondiente a la corriente de AEGD de manera que permita que la corriente de AEGD aumente hasta un valor máximo permitido antes de intentar regular la 20 corriente de AEGD a la baja.

25. El aparato de la reivindicación 24, en el que el circuito de control multivariable se configura para ajustar los puntos de consigna correspondientes a la tensión de bus de cc y la corriente de AEGD en base a la recepción de unos valores de órdenes de un circuito de control supervisor.

26. El aparato de la reivindicación 16, en el que el circuito de control multivariable comprende: 25

un circuito de entrada de lazo de control para cada variable de control en el conjunto de variables de control;

un circuito de selección de modo para seleccionar un modo de regulación en base a la recepción de una o más señales de detección desde cada uno de los circuitos de entrada de lazo de control; y 30

un circuito regulador PID configurado para generar una señal de control para el primer dispositivo de flujo de potencia en base a un error entre la variable de control seleccionada y su punto de consigna correspondiente deseado.

27. El aparato de la reivindicación 26, en el que el circuito regulador PID se configura para ajustar uno o más de entre un término de ganancia derivativa, un término de ganancia proporcional, y término 35 de ganancia integral en base a la variable de control seleccionada.

28. El aparato de la reivindicación 27, en el que el circuito regulador PID se configura para ajustar sus operaciones para la regulación de cada una de las variables de control en el conjunto de variables de control estableciendo uno o más de los términos de ganancia en base a uno o más parámetros almacenados para cada variable de control. 40

29. El aparato de la reivindicación 26, que comprende adicionalmente un segundo circuito regulador PID configurado para controlar un convertidor de ca como segundo dispositivo de flujo de potencia, y en el que, cuando el aparato está funcionando en un modo Paralelo a la Red, el circuito de control multivariable se configura para regular una seleccionada de entre la corriente de EESD y la tensión de EESD controlando el primer dispositivo de flujo de potencia a través del primer circuito regulador PID y se configura 45 para regular una seleccionada de entre la corriente de AEGD y la tensión de bus de cc controlando el segundo circuito regulador PID a través del segundo circuito regulador PID.

30. El aparato de la reivindicación 16, en el que el primer dispositivo de flujo de potencia comprende un controlador de convertidor bidireccional configurado para controlar una corriente de convertidor bidireccional que fluye entre el EESD y el bus de cc sensible a un ciclo de servicio de la señal de 50 control.