Acondicionador de energía de tipo sin aislamiento proporcionado entre una fuente de energía de corriente continua y una fuente de energía comercial para convertir una entrada de corriente continua de la fuente de energía de corriente continua en una salida de corriente alterna para la interconexión de utilidad con la fuente de energía comercial y la salida de la corriente alterna convertida de salida,

que comprende un circuito para retener un potencial sobre un lado del electrodo negativo de la corriente de salida directa a un nivel de potencial equivalente o superior a un potencial de tierra de la salida de corriente alterna, en el que el circuito comprende:

un primer circuito para cortar una tensión de corriente continua de la fuente de energía de corriente continua a una primera frecuencia como una frecuencia del sistema para generar una primera secuencia de tensiones de onda cuadrada que incluye una pluralidad de tensiones de onda cuadrada que tiene un nivel de tensión que los cambios en una relación lado positivo a un primer potencial de referencia, como un potencial en el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua;

un segundo circuito para, utilizando un potencial de la primera secuencia de onda cuadrada tensiones como un segundo potencial de referencia, cortar una salida del primer circuito a una segunda frecuencia de un número predeterminado de veces más alta que la primera frecuencia para generar una segunda secuencia tensiones de onda cuadrada, incluyendo una pluralidad de tensiones de onda cuadrada que tiene un nivel de tensión que es menor que el nivel de tensión de la primera secuencia de tensiones de onda cuadrada en el lado positivo y los cambios en un lado negativo en relación con el segundo potencial de referencia, estando el segundo circuito configurado para sumar las primera y segunda secuencias de tensiones de onda cuadrada para generar una tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada que incluye una pluralidad de tensiones de onda cuadrada que tiene un nivel de tensión que cambia los lados positivo y negativo por turnos en la forma de onda sinusoidal relativa al primer potencial de referencia; y un tercer circuito para cortar la tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada a una frecuencia determinada por una tercera temporización que depende de si una diferencia de tensión del mismo a una tensión sinusoidal de onda resulta en un valor positivo o un valor negativo, y la salida de la tercera secuencia de corte de tensiones de onda cuadrada como una salida de carga/descarga, estando el tercer circuito configurado para modular el ancho de pulso carga/descarga en una salida de ancho de pulso (PWM) de frecuencia superior a la tercera frecuencia de modo que la diferencia de tensión entre la tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada y la tensión de onda sinusoidal está corregida para generar, a partir de la tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada y la salida de ancho de pulso modulado, una tensión de onda sinusoidal que cambia continuamente a los lados positivo y negativo en relación con el primer potencial de referencia, para dar salida a la tensión generada por la onda sinusoidal a una carga, en el que:

el primer circuito incluye un primer circuito de conmutación que tiene un primer y un segundo elemento de conmutación conectados en serie entre sí, el circuito de conmutación primero está conectado en paralelo a un primer condensador conectado a entre los electrodos positivo y negativo de la fuente de energía de corriente continua, los elementos de conmutación primera y segunda se configuran para ser encendidos y apagados por turnos a la primera frecuencia;

el segundo circuito incluye un circuito de conexión en paralelo con un segundo condensador y un segundo circuito de conmutación, un lado de la conexión en paralelo del circuito de conexión en paralelo están conectados a una porción de conexión, donde los elementos de conmutación primero y segundo están conectados en serie entre sí, teniendo el segundo circuito de conmutación un tercero y un cuarto elemento de conmutación conectados en serie entre sí, los elementos de conmutación tercero y cuarto están configurados para ser encendidos y apagados por turnos a la segunda frecuencia;

el tercer circuito incluye un circuito de conexión en paralelo con un tercer condensador y un tercer circuito de conmutación y un cuarto circuito de conmutación conectado en paralelo con el circuito de conexión en paralelo, teniendo el tercer circuito de conmutación un quinto y un sexto elemento de conmutación conectados en serie entre sí, una porción de conexión, donde los elementos de conmutación quinto y sexto están conectados en serie entre sí estando conectados a una porción de conexión, donde los elementos de conmutación tercero y cuarto están conectados en serie entre sí, los elementos de conmutación quinto y sexto están configurados para ser encendidos y apagados por turnos a la tercera frecuencia, y el cuarto circuito de conmutación que tiene un séptimo y un octavo elemento de conmutación conectado en serie entre sí, los elementos de conmutación séptimo y octavo están configurados para ser controlados en el ancho de pulso (PWM) en la frecuencia de modulación de ancho de pulso (PWM) .

Acondicionador de energía y sistema de generación de energía fotovoltaica solar.

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un acondicionador de energía para la conversión de una energía de corriente continua generada por fuentes de energía de corriente continua, tal como una célula solar de película delgada y una célula de combustible, en una energía de corriente alterna para la interconexión de utilidad, y un sistema solar fotovoltaico de generación de energía en que se utiliza el acondicionador de energía.

Descripción de la técnica relacionada

En la perspectiva de la protección del medio ambiente mundial, hay proyectos en curso de manera proactiva en los últimos años para el desarrollo de un sistema de generación de energía mediante una célula solar que llama la atención como una energía limpia inagotable. En un ejemplo del sistema de generación de energía, una energía de corriente continua generada por la célula solar es convertida por un acondicionador de energía en una energía de corriente alterna que tiene una frecuencia comercial para la interconexión de utilidad, de manera que la energía de corriente alterna convertida se suministra a una carga del hogar conectada a un sistema de energía comercial, y la energía excedente, si la energía de corriente alterna excede del consumo de energía mediante la carga del hogar, se devuelve al sistema como un flujo inverso de energía.

El acondicionador de energía utilizado en el sistema de generación de energía solar fotovoltaica convencionalmente incluye un inversor para convertir la energía de corriente continua generada por la célula solar en corriente alterna, y un dispositivo de protección para la interconexión de utilidad. Hay dos tipos de dispositivos, tales como un acondicionador de energía; un dispositivo aislante en el que una unidad de corriente continua y una unidad de corriente alterna están aisladas eléctricamente entre sí mediante un transformador de aislamiento, y un dispositivo de tipo no aislado en el que el transformador de aislamiento no se utiliza. Comparando estos dos dispositivos diferentes, este último dispositivo de tipo no aislado, que es más ventajoso en su rendimiento de conversión de energía, se utiliza más frecuentemente. Un ejemplo de este último dispositivo se indica en el documento de patente japonesa citado 1 (publicación de patente japonesa no examinada Nº 2002-10496) .

La figura 20 ilustra un ejemplo de un sistema solar fotovoltaico de generación de energía provisto de un acondicionador de energía de tipo no aislado. Un acondicionador de energía 36 ilustrado en el dibujo es operativo para la interconexión de utilidad con una fuente de energía comercial 2. El acondicionador de energía 36 está provisto de un condensador de filtrado 33 para igualar la energía generada y emitida desde un panel solar fotovoltaico 1, un inversor 34 de control PWM, un filtro 35 que tiene un reactor y un condensador, y un circuito de control no se muestran.

En el acondicionador de energía 36, la energía generada emitida desde el panel solar fotovoltaico 1 se iguala mediante el condensador de filtrado 33. El inversor 34 tiene elementos de conmutación 37-40, que son, por ejemplo, cuatro MOSFET donde los diodos están conectados en paralelo invertidos entre sí. El acondicionador de energía 36 controla una operación de conmutación de los elementos de conmutación 37-40 en el inversor 34 (los elementos de conmutación se conectan y se desconectan) a una frecuencia tan alta como alrededor de 18 kHz para convertir así la energía generada del panel solar fotovoltaico 1 igualada mediante el condensador de filtrado 33 en una energía de corriente alterna que se sincroniza con un sistema de energía comercial y emite la energía convertida. El acondicionador de energía 36 suministra la energía de corriente alterna convertida mediante el filtro 35 a una carga no mostrada o la suministra al sistema como un flujo inverso de energía. Una célula solar predominantemente usada en el panel solar fotovoltaico 1 hoy es una célula solar cristalina superior en su eficiencia de conversión de energía.

Otro ejemplo de la célula solar cada vez más a menudo utilizada es una célula solar de película fina barata ventajosa porque un volumen considerablemente reducido de silicio es utilizado como su material, su proceso de producción simplificado, permitiendo la producción de un panel solar fotovoltaico que tiene un área mayor. Una desventaja conocida de la célula solar de película delgada de silicio amorfo es que un potencial en un lado del electrodo negativo del mismo es posiblemente más bajo que un potencial de tierra, que acelera la degradación de envejecimiento.

Para evitar la degradación de envejecimiento de la célula solar de película delgada, es necesario ajustar el potencial en el lado del electrodo negativo para ser igual al potencial de tierra. Un acondicionador de energía aislante, en el que una unidad de corriente continua y una unidad de corriente alterna están aisladas eléctricamente entre sí mediante un transformador de aislamiento, puede establecer el potencial en el lado del electrodo negativo de la célula solar, que es el lado de corriente continua, al potencial de tierra.

A diferencia del acondicionador de energía aislante, un acondicionador de energía de tipo no aislado 36 que se ilustra en la figura es 20 excelente en su eficiencia de conversión de energía, sin embargo, tiene el problema a resolver, que es el fracaso para mantener el potencial en el lado del electrodo negativo, que es un lado de entrada del acondicionador de energía 36, en el nivel del potencial de tierra, porque diferentes potenciales de referencia se utilizan en el lado de corriente continua y el lado de corriente alterna.

En las fuentes de energía de corriente continua distintos de la célula solar, tal como una célula de combustible y un generador de energía, es deseable conectar a tierra su lado del electrodo negativo en vista a una mejor seguridad para un evento tal como fuga eléctrica. El acondicionador de energía convencional de tipo no aislado tenía dificultad en mantener el potencial en el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua a un nivel de potencial igual a un potencial de tierra de una salida de corriente alterna.

La publicación de patente WO 02063758 describe un aparato inversor para convertir tensión continua en tensión alterna y a la inversa, que comprende un primer conversor VSC en conexión en cascada con al menos un segundo conversor VSC. También tiene una unidad adaptada para controlar los dispositivos semiconductores de los conversores y así generar el aparato conversor una tensión de fase que está constituida por la suma de las tensiones generadas en dicho primer y segundo conversor VSC. El primer conversor VSC tiene entre su polo positivo y negativo una tensión continua que es sustancialmente mayor que la tensión continua del segundo conversor VSC entre su polo positivo y negativo.

La publicación de la patente DE No. 102005040543 describe un circuito inversor estático con al menos una válvula estática inversora superior e inferior que presenta un módulo de fase, con lo que estos módulos de fase son conductores eléctricos laterales de tensión CC conectados con una barra de bus de tensión de CC positiva y negativa y en el que cada válvula del inversor estático presenta al menos dos subsistemas de dos polos, que están eléctricos conectados en serie. El paralelo eléctrico es de acuerdo a la invención en los terminales de cada subsistema de un dispositivo de protección conectado. Así, uno recibe un circuito inversor estático con reservas de energía distribuidas, que se pueden continuar utilizando en un redundante de problemas.

Calais M. et al. "Multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaic systems: an overview" describe inversores de fuente de tensión de múltiples niveles que ofrecen varias ventajas en comparación con sus partes contrarias convencionales. Mediante la sintetización de la tensión del terminal de salida de CA a partir de varios niveles de tensiones de CC, se pueden producir formas de onda de escalera, que se acercan a la forma de onda sinusoidal con baja distorsión armónica, reduciendo así los requisitos de filtrado. La necesidad de varias fuentes en el lado de CC del inversor hace atractiva la tecnología de múltiples niveles para aplicaciones fotovoltaicas. Este documento proporciona una visión general de las diferentes topologías de múltiples niveles... [Seguir leyendo]

1. Acondicionador de energía de tipo sin aislamiento proporcionado entre una fuente de energía de corriente continua y una fuente de energía comercial para convertir una entrada de corriente continua de la fuente de energía de corriente continua en una salida de corriente alterna para la interconexión de utilidad con la fuente de energía comercial y la salida de la corriente alterna convertida de salida, que comprende un circuito para retener un potencial sobre un lado del electrodo negativo de la corriente de salida directa a un nivel de potencial equivalente o superior a un potencial de tierra de la salida de corriente alterna, en el que el circuito comprende:

un primer circuito para cortar una tensión de corriente continua de la fuente de energía de corriente continua a una primera frecuencia como una frecuencia del sistema para generar una primera secuencia de tensiones de onda cuadrada que incluye una pluralidad de tensiones de onda cuadrada que tiene un nivel de tensión que los cambios en una relación lado positivo a un primer potencial de referencia, como un potencial en el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua;

un segundo circuito para, utilizando un potencial de la primera secuencia de onda cuadrada tensiones como un segundo potencial de referencia, cortar una salida del primer circuito a una segunda frecuencia de un número predeterminado de veces más alta que la primera frecuencia para generar una segunda secuencia tensiones de onda cuadrada, incluyendo una pluralidad de tensiones de onda cuadrada que tiene un nivel de tensión que es menor que el nivel de tensión de la primera secuencia de tensiones de onda cuadrada en el lado positivo y los cambios en un lado negativo en relación con el segundo potencial de referencia, estando el segundo circuito configurado para sumar las primera y segunda secuencias de tensiones de onda cuadrada para generar una tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada que incluye una pluralidad de tensiones de onda cuadrada que tiene un nivel de tensión que cambia los lados positivo y negativo por turnos en la forma de onda sinusoidal relativa al primer potencial de referencia; y un tercer circuito para cortar la tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada a una frecuencia determinada por una tercera temporización que depende de si una diferencia de tensión del mismo a una tensión sinusoidal de onda resulta en un valor positivo o un valor negativo, y la salida de la tercera secuencia de corte de tensiones de onda cuadrada como una salida de carga/descarga, estando el tercer circuito configurado para modular el ancho de pulso carga/descarga en una salida de ancho de pulso (PWM) de frecuencia superior a la tercera frecuencia de modo que la diferencia de tensión entre la tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada y la tensión de onda sinusoidal está corregida para generar, a partir de la tercera secuencia de tensiones de onda cuadrada y la salida de ancho de pulso modulado, una tensión de onda sinusoidal que cambia continuamente a los lados positivo y negativo en relación con el primer potencial de referencia, para dar salida a la tensión generada por la onda sinusoidal a una carga, en el que:

el primer circuito incluye un primer circuito de conmutación que tiene un primer y un segundo elemento de conmutación conectados en serie entre sí, el circuito de conmutación primero está conectado en paralelo a un primer condensador conectado a entre los electrodos positivo y negativo de la fuente de energía de corriente continua, los elementos de conmutación primera y segunda se configuran para ser encendidos y apagados por turnos a la primera frecuencia;

el segundo circuito incluye un circuito de conexión en paralelo con un segundo condensador y un segundo circuito de conmutación, un lado de la conexión en paralelo del circuito de conexión en paralelo están conectados a una porción de conexión, donde los elementos de conmutación primero y segundo están conectados en serie entre sí, teniendo el segundo circuito de conmutación un tercero y un cuarto elemento de conmutación conectados en serie entre sí, los elementos de conmutación tercero y cuarto están configurados para ser encendidos y apagados por turnos a la segunda frecuencia;

el tercer circuito incluye un circuito de conexión en paralelo con un tercer condensador y un tercer circuito de conmutación y un cuarto circuito de conmutación conectado en paralelo con el circuito de conexión en paralelo, teniendo el tercer circuito de conmutación un quinto y un sexto elemento de conmutación conectados en serie entre sí, una porción de conexión, donde los elementos de conmutación quinto y sexto están conectados en serie entre sí estando conectados a una porción de conexión, donde los elementos de conmutación tercero y cuarto están conectados en serie entre sí, los elementos de conmutación quinto y sexto están configurados para ser encendidos y apagados por turnos a la tercera frecuencia, y el cuarto circuito de conmutación que tiene un séptimo y un octavo elemento de conmutación conectado en serie entre sí, los elementos de conmutación séptimo y octavo están configurados para ser controlados en el ancho de pulso (PWM) en la frecuencia de modulación de ancho de pulso (PWM) .

2. Acondicionador de energía según la reivindicación 1, en el que el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua como un lado de corriente continua están conectados a tierra.

3. Acondicionador de energía según la reivindicación 1, en el que: la fuente de energía comercial comprende un cableado a tierra, y el primer circuito, el segundo circuito y el tercer circuito están dispuestos entre la entrada de corriente continua y la fuente de energía comercial.

4. Acondicionador de energía según la reivindicación 3, en el que:

la fuente de energía comercial es una fuente de energía comercial de tres fases de conexión en Y, donde se conecta a tierra un punto neutro;

el acondicionador de energía está configurado para convertir la entrada de corriente continua de la fuente de energía de corriente continua en una fase de tres alterna de alimentación de corriente para la interconexión de utilidad con fases de la fuente de energía trifásica comercial, y para dar salida a la corriente de alimentación alterna trifásica convertida como la salida de corriente alterna, y el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua como un lado de corriente continua se conecta al punto neutro de la fuente de energía comercial trifásica de conexión Y como un lado de corriente alterna para ser conectado a tierra.

5. Acondicionador de energía según la reivindicación 3, en el que el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua como un lado de corriente continua están conectados a tierra.

6. Acondicionador de energía según la reivindicación 1, en el que:

la fuente de energía comercial es una fuente de energía comercial de conexión en Y de tres fases, donde se conecta a tierra un punto neutro;

el acondicionador de energía está configurado para convertir la entrada de corriente continua de la fuente de energía de corriente continua en una fase de tres alterna de alimentación de corriente para la interconexión de utilidad con fases de la fuente de energía trifásica comercial, y para dar salida a la corriente de alimentación alterna trifásica convertida como la salida de corriente alterna;

el primer circuito, el segundo circuito y el tercer circuito se proporcionan entre la entrada de corriente continua y la fuente de energía comercial trifásica conexión en Y; y el potencial en el lado del electrodo negativo de la fuente de energía de corriente continua como un lado de corriente continua en el funcionamiento es igual a un potencial de tierra.

7. Sistema solar fotovoltaico de generación de energía que comprende una célula solar de película delgada como la fuente de energía de corriente continua y el acondicionador de energía según la reivindicación 2.