Convertidor solar en dos etapas con control de la tensión de bus de c.c.

Un sistema (100) para el suministro de alimentación en c.a. a una red eléctrica de c.

a. a partir de una fuente dealimentación en c.c., comprendiendo:

un convertidor elevador (220) acoplado a la fuente de alimentación en c.c.;

un bus de c.c. acoplado a dicho convertidor elevador, proporcionando dicho convertidor elevador unaalimentación en c.c. a dicho bus de c.c.;

un inversor (230) acoplado a dicho bus de c.c., configurado dicho inversor para convertir la alimentación en c.c.de dicho bus de c.c. en una alimentación en c.a. en base, al menos en parte, a un índice de modulación;

un sistema de supervisión que comprende un sensor (228) de la tensión del bus de c.c. y un sensor (238) de lacorriente de salida en c.a., proporcionando dicho sensor de la tensión del bus de c.c. una señal derealimentación de la tensión del bus de c.c. en base a la tensión del bus de c.c., proporcionando dicho sensorde corriente de salida en c.a. una señal de realimentación de la corriente de salida en c.a. en base a lacorriente de salida en c.a. de dicho inversor;

un sistema de control (300) configurado para controlar la tensión del bus de c.c. para que sea sustancialmenteigual a un punto de consigna variable de la tensión del bus de c.c., configurado dicho sistema de control paraajustar el punto de consigna variable de la tensión del bus de c.c. en base, al menos en parte, a la señal derealimentación de la tensión del bus de c.c. y la señal de realimentación de la corriente de salida en c.a. demodo que el índice de modulación de dicho inversor permanezca sustancialmente constante; caracterizadoporque:

el sistema de control (300) comprende:

un regulador de tensión (306) configurado para comparar la señal de realimentación de la tensión delbus de c.c. con un punto de consigna variable de la tensión del bus de c.c., proporcionando dichoregulador de tensión (306) una orden de referencia de corriente real en base a la comparación de latensión del bus de c.c. y el punto de consigna de tensión del bus de c.c.;

un regulador de corriente real (312) configurado para comparar la orden de referencia de corrientereal con la señal de realización de corriente de salida de c.a. de dicho inversor, proporcionandodicho regulador de corriente real una orden de tensión real en base a la comparación de la orden dereferencia de corriente real con la corriente de salida en c.a. de dicho inversor, configurado dichoregulador de corriente real para normalizar la orden de tensión real en base a la señal derealimentación de tensión del bus de c.c. para proporcionar una primera orden de modulación paradicho inversor; y

un regulador de corriente reactiva (320) configurado para comparar el punto de consigna decorriente reactiva con la señal de realimentación de corriente de salida en c.a., proporcionando dichoregulador de corriente reactiva una orden de tensión reactiva en base a la comparación del punto deconsigna de la corriente reactiva con la señal de realimentación de corriente de salida en c.a.,configurado dicho regulador de corriente reactiva para normalizar la orden de tensión reactiva enbase a la señal de realimentación de la tensión del bus de c.c. para proporcionar una segunda ordende modulación para dicho inversor.

Convertidor solar en dos etapas con control de la tensión de bus de c.c.

La presente invención se refiere en general al campo de la generación de energía solar y, más particularmente, a procedimientos y sistemas para el control de la tensión de bus de c.c. en un convertidor de energía solar.

La generación de energía solar se está convirtiendo en una fuente de energía progresivamente más grande en todo el mundo. Los sistemas de generación de energía solar incluyen típicamente una o más matrices fotovoltaicas (matrices PV) que tienen múltiples células solares interconectadas que convierten la energía solar en alimentación en c.c. a través del efecto fotovoltaico. Para interconectar la salida de las matrices PV a una red eléctrica, es necesario un convertidor solar para cambiar la salida de corriente en c.c. y tensión en c.c. de la matriz PV en una forma de onda de corriente en c.a., 60/50 Hz que suministre energía a la red eléctrica.

Existen varios convertidores de energía solar para la interconexión de la salida en c.c. de una matriz PV en alimentación en c.a. Una implementación de un convertidor de energía solar consiste en dos etapas, una etapa de convertidor elevador y una etapa de inversor. El convertidor elevador controla el flujo de alimentación en c.c. desde la matriz PV hacia un bus de c.c. El inversor convierte la alimentación suministrada al bus de c.c. en una corriente de

c.a. y una tensión de c.a. que se puede transmitir hacia la red de c.a.

Los convertidores de energía solar existentes utilizan sistemas de control para regular el convertidor elevador y el inversor para compensar varias variables del sistema, tales como la magnitud de la tensión de la red de c.a., caídas de tensión a través de los dispositivos de alimentación, tal como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) , diodos y reactores usados en el convertidor de energía solar, transformadores y conductores usados en el sistema de recogida de energía solar y otras variables del sistema. Para adaptarse a un intervalo de trabajo normal de la tensión de red, tal como, por ejemplo ± 10% de la tensión de red nominal, los sistemas de control regularán típicamente la tensión del bus de c.c. del convertidor de energía solar para operar en un punto de consigna de tensión del bus de c.c. fijo, tal como aproximadamente el 110% de la tensión de red de c.a. nominal. El uso de un punto de consigna de tensión del bus de c.c. fijo, sin embargo, no optimiza la eficiencia del convertidor de energía solar, dando como resultado frecuentemente temperaturas de unión de los semiconductores más elevadas para los IGBT y diodos del convertidor de energía solar y producciones más altas de las frecuencias armónicas en la red de c.a.. Esto es verdad particularmente cuando la tensión de la red de c.a. es menor que la tensión del bus de c.c.

Tal disposición se desvela por ejemplo, en la Solicitud de Patente del Reino Unido GB 2 419 968.

Así, existe la necesidad de un convertidor de energía solar que regule la tensión del bus de c.c. para incrementar la eficiencia del convertidor de energía solar que supere las desventajas anteriores.

Se expondrán en parte varios aspectos y ventajas de la invención en la descripción a continuación, o pueden quedar claros a partir de la descripción, o pueden ser aprendidos a través de la puesta en práctica de la invención.

Una realización ejemplar de la presente divulgación se dirige a un aparato para el suministro de alimentación en c.a. a una red eléctrica de c.a. a partir de una fuente de alimentación en c.c., de acuerdo con la reivindicación 1.

Otra realización ejemplar de la presente invención se dirige a un procedimiento para el control de una tensión del bus de c.c. en un sistema para proporcionar alimentación en c.a. a una red eléctrica de c.a. a partir de una fuente de alimentación en c.c., de acuerdo con la reivindicación 2.

Se pueden realizar variaciones y modificaciones a estas realizaciones ejemplares de la presente divulgación.

Se comprenderán mejor varias características, aspectos y ventajas de la presente invención con referencia a la descripción a continuación y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan y constituyen una parte de la presente especificación, ilustran realizaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención, en los que:

la Figura 1 proporciona un diagrama de bloques de un sistema convertidor de energía solar de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente divulgación;

la Figura 2 proporciona un diagrama del circuito de un sistema de generación de energía solar de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente divulgación;

la Figura 3 representa un diagrama del circuito de una topología de regulador para un sistema convertidor de energía solar de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente divulgación;

la Figura 4 representa un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente divulgación; y

la Figura 5 representa un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo de acuerdo con otra realización de ejemplo de la presente divulgación.

Se hará referencia ahora en detalle a realizaciones de la invención, ilustrándose uno o más detalles de las mismas en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización, se pueden usar con otra realización para producir una realización aún mejor. Así, se pretende que la presente invención englobe tales modificaciones y variaciones tal como entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

En general, la presente divulgación se dirige a procedimientos y aparatos para el suministro de alimentación en c.a. a una red eléctrica de c.a. a partir de una fuente de alimentación en c.c., tal como una matriz PV. La Figura 1 representa un diagrama de bloques conceptual de un convertidor de alimentación 100 de ejemplo en dos etapas usado para convertir alimentación en c.c. 115 desde una matriz PV 110 en alimentación en c.a. adecuada para suministrar a una red de eléctrica de c.a. 140. La primera etapa del convertidor de alimentación 100 puede incluir un convertidor de c.c. a c.c. 120, tal como un convertidor elevador, que transmite la alimentación en c.c. 125 hacia un bus de c.c. La segunda etapa del convertidor de alimentación puede ser un inversor 130 que convierte la alimentación en c.c. 125 en el bus de c.c. en una alimentación en c.a. 135 adecuada para ser suministrada a una red eléctrica de c.a. 140.

Un sistema de control 150 puede controlar la tensión de bus de c.c. en el bus de c.c. mediante el control de la corriente de salida en c.a. del inversor 130. En particular, el inversor 130 se puede regular mediante el sistema de control 150 de modo que el flujo de alimentación real (es decir la parte real del vector producto de la tensión de c.a. de salida del inversor y la corriente de c.a. de salida del inversor) para la red de c.a. 140 a partir del inversor 130 es igual a la alimentación suministrada al bus de c.c. por el convertidor de c.c. a c.c. 120. La variación de la corriente de

c.a. de salida del inversor dará como resultado un cambio en la tensión de c.a. de salida del inversor, en base a la impedancia del transformador de salida y la red eléctrica. Por ello, el control de la alimentación de salida del inversor es posible mediante el ajuste de la corriente de salida de c.a. El ajuste de la alimentación de salida del inversor inducirá en correspondencia un cambio en la tensión de bus de c.c. en el bus de c.c. Por ello, mediante el control de la corriente en c.a. de salida del inversor 130, se controlan también la tensión en c.a. de salida correspondiente del inversor 130 y la tensión de bus de c.c. en el bus de c.c.

La corriente de c.a. de salida del inversor 130 y, correspondientemente, la tensión de bus de c.c. en el bus de c.c., se puede regular usando un sistema de control 150 que controle el inversor 130. El sistema de control 150 puede regular la salida del inversor 130 de modo que la tensión del bus de c.c. opere en un punto de consigna variable de tensión del bus de c.c. La pérdida por conmutación de los semiconductores... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (100) para el suministro de alimentación en c.a. a una red eléctrica de c.a. a partir de una fuente de alimentación en c.c., comprendiendo:

un convertidor elevador (220) acoplado a la fuente de alimentación en c.c.;

un bus de c.c. acoplado a dicho convertidor elevador, proporcionando dicho convertidor elevador una alimentación en c.c. a dicho bus de c.c.; un inversor (230) acoplado a dicho bus de c.c., configurado dicho inversor para convertir la alimentación en c.c. de dicho bus de c.c. en una alimentación en c.a. en base, al menos en parte, a un índice de modulación; un sistema de supervisión que comprende un sensor (228) de la tensión del bus de c.c. y un sensor (238) de la

corriente de salida en c.a., proporcionando dicho sensor de la tensión del bus de c.c. una señal de realimentación de la tensión del bus de c.c. en base a la tensión del bus de c.c., proporcionando dicho sensor de corriente de salida en c.a. una señal de realimentación de la corriente de salida en c.a. en base a la corriente de salida en c.a. de dicho inversor; un sistema de control (300) configurado para controlar la tensión del bus de c.c. para que sea sustancialmente

igual a un punto de consigna variable de la tensión del bus de c.c., configurado dicho sistema de control para ajustar el punto de consigna variable de la tensión del bus de c.c. en base, al menos en parte, a la señal de realimentación de la tensión del bus de c.c. y la señal de realimentación de la corriente de salida en c.a. de modo que el índice de modulación de dicho inversor permanezca sustancialmente constante; caracterizado porque:

el sistema de control (300) comprende:

un regulador de tensión (306) configurado para comparar la señal de realimentación de la tensión del bus de c.c. con un punto de consigna variable de la tensión del bus de c.c., proporcionando dicho regulador de tensión (306) una orden de referencia de corriente real en base a la comparación de la tensión del bus de c.c. y el punto de consigna de tensión del bus de c.c.;

un regulador de corriente real (312) configurado para comparar la orden de referencia de corriente real con la señal de realización de corriente de salida de c.a. de dicho inversor, proporcionando dicho regulador de corriente real una orden de tensión real en base a la comparación de la orden de referencia de corriente real con la corriente de salida en c.a. de dicho inversor, configurado dicho regulador de corriente real para normalizar la orden de tensión real en base a la señal de

realimentación de tensión del bus de c.c. para proporcionar una primera orden de modulación para dicho inversor; y un regulador de corriente reactiva (320) configurado para comparar el punto de consigna de corriente reactiva con la señal de realimentación de corriente de salida en c.a., proporcionando dicho regulador de corriente reactiva una orden de tensión reactiva en base a la comparación del punto de

consigna de la corriente reactiva con la señal de realimentación de corriente de salida en c.a., configurado dicho regulador de corriente reactiva para normalizar la orden de tensión reactiva en base a la señal de realimentación de la tensión del bus de c.c. para proporcionar una segunda orden de modulación para dicho inversor.

2. Un procedimiento (400) para el control de una tensión del bus de c.c. en un sistema para proporcionar

alimentación en c.a. a una red eléctrica de c.a. desde una fuente de alimentación en c.c. (110) , comprendiendo dicho procedimiento:

proporcionar una alimentación en c.c. a un bus de c.c. a una tensión del bus de c.c.; convertir la alimentación en c.c. en el bus de c.c. en una alimentación en c.a. con un inversor (130) acoplado al bus de c.c., teniendo el inversor una corriente de salida en c.a.;

45 controlar la tensión del bus de c.c. para que sea sustancialmente igual a un punto de consigna de la tensión del bus de c.c.; variar el punto de consigna de tensión del bus de c.c. en base en parte a la tensión de bus de c.c. en el bus de

c.c. y la corriente de salida en c.a. del inversor (130) ; variar el punto de consigna de tensión del bus de c.c. en base, al menos en parte, al índice de modulación para

50 el inversor (130) ; comparar la tensión del bus de c.c. con el punto de consigna de tensión del bus de c.c.; generación de una señal de orden de referencia de corriente real en base a dicha comparación de la tensión del bus de c.c. con el punto de consigna de tensión del bus de c.c.; comparar la señal de la orden de referencia de corriente real con la corriente de salida en c.a.;

55 generar una señal de orden de tensión real (314) en base a dicha comparación de la señal de orden de referencia de corriente real con la corriente de salida en c.a.; normalizar la señal de orden de tensión real en base a la tensión del bus de c.c. de salida para generar una orden de modulación de tensión real; proporcionar una orden de modulación de tensión real al inversor para controlar el inversor;

60 comparar un punto de consigna de corriente reactiva con la corriente de salida en c.a.; generar una señal de orden de tensión reactiva (322) en base a dicha comparación del punto de consigna de la

corriente reactiva con la corriente de salida en c.a.; normalizar la señal de orden de tensión reactiva en base a la tensión del bus de c.c. de salida para generar una orden de modulación de tensión reactiva; proporcionar la orden de modulación de tensión reactiva al inversor para controlar el inversor;

determinar una señal de realimentación (326) del índice de modulación a partir de al menos uno de entre la orden de modulación de la tensión real y la orden de modulación de tensión reactiva; comparación de la señal de realimentación del índice de modulación con un punto de consigna del índice de modulación; generar una señal de orden de punto de consigna de tensión del bus de c.c. en base a dicha comparación del

índice de modulación con el punto de consigna del índice de modulación; y variar el valor del punto de consigna del índice de modulación en base a la señal de la orden de punto de consigna de tensión del bus de c.c.