Unidad de alimentación de potencia CC/CC, para simular una fuente de energía eléctrica que tiene unacurva característica de voltaje-corriente variable como función de un parámetro externo,

que comprende: una fuentede voltaje continuo (3); un bloque de síntesis (15) de dicha curva característica; un bucle de realimentación (19) quegenera una señal de control (d) para un conmutador (5), como función de una señal de error (Ierr) obtenida por lacomparación de la corriente (IL) alimentada por dicha unidad de alimentación de potencia y un valor de la corriente(Iref) determinado por dicho bloque de síntesis (15) de la curva característica; en la que para cada valor de voltaje desalida (Vout) de dicha unidad de alimentación de potencia, dicho bloque de síntesis (15) genera dicho valor decorriente (Iref) que corresponde sustancialmente al valor de corriente que, sobre dicha curva característica,corresponde al valor de voltaje de salida (Vout) de la unidad de alimentación de potencia; caracterizada porque dichobucle de realimentación (19) está diseñado de manera tal que la señal de control (d) de dicho bucle derealimentación (19) se hace independiente del voltaje de salida (Vout) de la unidad de alimentación de potencia alcombinar el valor de una señal de realimentación (d2) obtenida por una red de realimentación (21) con un valor devoltaje (VOC) de dicha fuente de voltaje continuo (3) y con el valor de voltaje de salida (Vout) de la unidad dealimentación de potencia.

Unidad dinámica de alimentación eléctrica, que simula una fuente de potencia eléctrica

Sector técnico

La presente invención se refiere al sector de las fuentes de potencia renovable, y más en particular, al diseño de unidades de acondicionamiento de potencia eléctrica para la generación de potencia por medio de dichas fuentes renovables. De manera específica, la presente invención se refiere a una fuente de potencia eléctrica adecuada para simular una fuente de energía renovable conectable a la entrada de un inversor, en particular, un panel fotovoltaico, un aerogenerador u otro dispositivo para convertir energía primaria renovable en potencia eléctrica.

Estado de la técnica

Para tratar el problema de la contaminación ambiental y de la demanda siempre creciente de potencia eléctrica, incluso para usos domésticos, se fomenta en la actualidad la instalación de equipos generadores de potencia distribuidos para suministrar cargas de dimensiones moderadas, por ejemplo, en el sector de las viviendas domésticas y en estructuras comerciales o en el sector industrial. Estos equipos generadores utilizan fuentes de energías alternativas, y en particular, fuentes renovables, tales como, en particular, energía solar utilizando células fotovoltaicas, formando paneles fotovoltaicos o los llamados campos fotovoltaicos, o potencia eólica utilizando aerogeneradores. Estos últimos tienen de manera típica un rotor accionado por el viento, y un generador que convierte la energía mecánica recogida en el eje del rotor en energía eléctrica.

De manera típica, una fuente de energía alternativa de este tipo, que genera una corriente continua, está asociada con una unidad de acondicionamiento de la potencia que comprende, como mínimo, un inversor. El inversor está conectado en paralelo a la red de alimentación de potencia eléctrica y/o a una carga local, de manera que una carga local genérica puede ser alimentada por la red eléctrica o por el inversor de manera alternativa, o por ambos. Cuando la potencia alimentada por la fuente alternativa es insuficiente para alimentar la carga, es alimentada totalmente o en parte por potencia conseguida de la red. En vez de ello, cuando la carga absorbe menos potencia que la disponible de la fuente alternativa, o cuando no se alimenta la carga, la potencia generada por la fuente alternativa es alimentada a la red eléctrica.

En algunos casos, la fuente alternativa está conectada a una red de distribución a la que está conectada solamente una carga y opcionalmente una batería de almacenamiento, pero no la red de alimentación de potencia eléctrica.

La fuente de energía conectada a la entrada del inversor puede estar constituida por uno o varios paneles fotovoltaicos. Estos pueden estar conectados a la red y a la carga con intermedio de convertidores que deben llevar a cabo sustancialmente dos funciones: en primer lugar, deben asegurar que, cuando varíen las condiciones operativas, la potencia máxima posible sea extraída siempre de la fuente renovable. En segundo lugar, deben asegurar que la corriente a la salida del convertidor se encuentren en fase con el voltaje de la red. La primera de las dos funciones es definida también como MPPT (Maximum Power Point Tracking) .

En realidad, en el caso de paneles fotovoltaicos, por ejemplo, la potencia que puede ser extraída del campo de los paneles fotovoltaicos depende de las condiciones de irradiación o insolación, es decir, de la cantidad de energía solar incidente en las células y, es una función del voltaje aplicado en el propio campo de paneles fotovoltaicos y, por lo tanto, en la entrada del convertidor. La figura 1 muestra un diagrama de la característica voltaje-corriente de un campo típico de paneles fotovoltaicos, así como la tendencia de la potencia que puede ser extraída del campo de paneles fotovoltaicos (Ppv) para diferentes condiciones de irradiación solar cuando el voltaje en el campo de paneles fotovoltaicos es variable. Las referencias P1, P2, ...Pn indican las curvas de potencia como función del voltaje V en el campo de paneles fotovoltaicos o campo fotovoltaico para diferentes condiciones de irradiación Irr. Las curvas P1, P2, ...Pn se relacionan a una irradiación decreciente Irr. La referencia I indica la característica voltaje-corriente del campo de paneles fotovoltaicos.

De la figura 1 se puede apreciar que cada curva Pi tiene un máximo que está caracterizado por voltajes V progresivamente más bajos al disminuir la irradiación. En otras palabras, al disminuir la irradiación solar, tal como es evidente, la potencia eléctrica que puede ser extraída del campo de paneles fotovoltaicos también disminuye y, además, la potencia máxima se obtiene haciendo que el campo de paneles fotovoltaicos funcione a voltajes que varían con la temperatura y la irradiación. La referencia M indica la curva en la que están situados los máximos de las curvas P1, P2, ...Pi...Pn.

La curva de voltaje-corriente de un campo o panel fotovoltaico, varía también como función de la irradiación solar, es decir, de la potencia por unidad de superficie recibida por el panel. La figura 2 muestra a título de ejemplo la tendencia de una serie de curvas I1, I2, In representativas de la corriente alimentada por el panel o campo fotovoltaico cuando el voltaje de salida (indicado en abscisas) , es decir, el voltaje en la entrada del inversor, varía para diferentes valores de la irradiación solar. Más en particular, la potencia por unidad de superficie del panel disminuye, tal como se ha indicado por la flecha de la figura 2, que pasa de la curva I1 a la curva In.

Las unidades de acondicionamiento de potencia eléctrica que deben encontrarse en interfaz con un campo fotovoltaico u otra fuente de potencia eléctrica renovable, se deben comprobar en condiciones que reproducen las condiciones operativas, es decir, con una fuente de entrada que se comporta de la manera mostrada en los diagramas de las figuras 1 y 2. En el caso de inversores de gran potencia, esto es difícil, dado que no siempre se dispone de un campo fotovoltaico de dimensiones suficientes para generar la potencia requerida por este tipo de aparato, que puede alcanzar varias decenas de kW.

La figura 3 muestra una familia de curvas características de voltaje-corriente de un aerogenerador, cuando varía la velocidad del viento Vv que hace girar el rotor del generador. Se puede apreciar una tendencia análoga a la de las curvas de la figura 2.

El documento US2005/0051209 da a conocer un sistema y método para implementar células solares virtuales, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. In, en el trabajo B.H. Jeong y otros, “Virtual-Implemented Solar Cells System with New cell Model”, (Sistema de Células Solares Implementadas de Modo Virtual con nuevo Modelo de célula) , se da a conocer un modelo para célula solar, para la reconstrucción de la salida de un sistema fotovoltaico.

Objetivos y resumen de la invención

De acuerdo con un aspecto, un objeto de la presente invención consiste en dar a conocer un simulador de una fuente de energía eléctrica que permite reproducir las características de un panel fotovoltaico u otra fuente de energía renovable.

Este objetivo es conseguido mediante una unidad de alimentación de potencia CC/CC, de acuerdo con la reivindicación 1. Otras características ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes.

Sustancialmente, de acuerdo con un primer aspecto, la invención se refiere a una unidad de alimentación de potencia CC/CC para simular una fuente de potencia eléctrica que tiene una curva característica variable de voltajecorriente como función de un parámetro externo, típicamente un parámetro externo incontrolable, tal como potencia solar irradiada, velocidad del viento, o similar. La unidad de alimentación de potencia comprende: una fuente de voltaje continuo; un bloque de síntesis de la curva característica; una red de realimentación que genera una señal de control para un conmutador; como función de una señal de error obtenida comparando la corriente alimentada por dicha unidad de alimentación de potencia y un valor de corriente determinado por dicho bloque de síntesis de la curva característica.

El bloque de síntesis de la curva característica es un bloque que, como función del voltaje de salida de la unidad de alimentación de potencia, genera una señal indicadora de la corriente o proporcional a la corriente que debe suministrar... [Seguir leyendo]

1. Unidad de alimentación de potencia CC/CC, para simular una fuente de energía eléctrica que tiene una curva característica de voltaje-corriente variable como función de un parámetro externo, que comprende: una fuente de voltaje continuo (3) ; un bloque de síntesis (15) de dicha curva característica; un bucle de realimentación (19) que genera una señal de control (d) para un conmutador (5) , como función de una señal de error (Ierr) obtenida por la comparación de la corriente (IL) alimentada por dicha unidad de alimentación de potencia y un valor de la corriente (Iref) determinado por dicho bloque de síntesis (15) de la curva característica; en la que para cada valor de voltaje de salida (Vout) de dicha unidad de alimentación de potencia, dicho bloque de síntesis (15) genera dicho valor de corriente (Iref) que corresponde sustancialmente al valor de corriente que, sobre dicha curva característica, corresponde al valor de voltaje de salida (Vout) de la unidad de alimentación de potencia; caracterizada porque dicho bucle de realimentación (19) está diseñado de manera tal que la señal de control (d) de dicho bucle de realimentación (19) se hace independiente del voltaje de salida (Vout) de la unidad de alimentación de potencia al combinar el valor de una señal de realimentación (d2) obtenida por una red de realimentación (21) con un valor de voltaje (VOC) de dicha fuente de voltaje continuo (3) y con el valor de voltaje de salida (Vout) de la unidad de alimentación de potencia.

2. Unidad de alimentación de potencia, según la reivindicación 1, caracterizada porque la señal (d2) generada por dicha red de realimentación (21) , en base a la señal de error (Ierr) , es dividida por el voltaje de circuito abierto (VOC) de la fuente de energía eléctrica que debe simular la unidad de alimentación de potencia (1) y la proporción entre el voltaje de salida (Vout) y el voltaje de circuito abierto (VOC) es añadido al resultado de dicha división, obteniendo de esta manera una señal de control (d) independiente del voltaje de salida (Vout) de la unidad de alimentación de potencia (1) .

3. Unidad de alimentación de potencia, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dicho bloque de síntesis es diseñado para simular, como mínimo, una curva característica de un panel fotovoltaico.

4. Unidad de alimentación de potencia, según la reivindicación 3, caracterizada porque dicho bloque de síntesis (15) está diseñado para simular una serie de curvas características de un panel fotovoltaico, correspondiendo a una serie de condiciones diferentes de insolación de irradiación solar.

5. Unidad de alimentación de potencia, según la reivindicación 1, caracterizada porque dicho bloque de síntesis (15) está diseñado para simular, como mínimo, una curva característica de un aerogenerador.

6. Unidad de alimentación de potencia, según la reivindicación 5, caracterizada porque dicho bloque de síntesis está diseñado para simular una serie de curvas características de un aerogenerador, correspondiendo a una serie de velocidades distintas del viento.

7. Unidad de alimentación de potencia, según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicho bloque de síntesis (15) contiene una serie de datos almacenados que corresponden a una serie de puntos de una curva característica, estando definido cada punto por un valor de voltaje y por un valor de corriente.

8. Unidad de alimentación de potencia, según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque bloque de síntesis (15) contiene una serie de datos almacenados que corresponden a una serie de puntos de varias curvas características, estando definido cada punto por un valor de voltaje y por un valor de corriente, y correspondiendo cada curva a un valor distinto de dicho parámetro externo.

9. Unidad de alimentación de potencia, según una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque dicho bloque de síntesis (15) contiene una serie de datos almacenados que corresponden a una serie de puntos de una curva característica, estando definido cada punto por un valor de voltaje y por un valor de corriente, correspondiendo dicha curva característica a un valor de dicho parámetro externo, y porque dicho bloque de síntesis

(15) determina los puntos de curvas características que corresponden a diferentes valores de dicho parámetro externo al multiplicar los valores de dicha curva característica por uno o varios coeficientes predeterminados (kj) .

10. Método para llevar a cabo pruebas de un inversor que convierte una potencia de entrada en voltaje continuo en una potencia de salida en voltaje alterno, estando controladas la fase y la frecuencia del mismo, caracterizado por conectar una unidad de alimentación de potencia (1) , según lo reivindicado en una o varias de las reivindicaciones anteriores, a la entrada del inversor, y por simular con dicha unidad de alimentación de potencia (1) el comportamiento de una fuente que genera una potencia eléctrica sometida a fluctuaciones como función de dicho parámetro externo no controlable.

11. Método, según la reivindicación 10, caracterizado porque simula, con dicho alimentación de potencia, el comportamiento de un panel fotovoltaico.