Método de control para un aparato que convierte corriente continua en corriente alterna.

La presente invención corresponde a un método de control aplicable a estructuras de conversión corriente continua/corriente alterna,

dc/ac, especialmente diseñado para sistemas fotovoltaicos. Elmétodo de control propuesto permite reducir las pérdidas de conmutación de los semiconductores, mejorando el rendimiento de la estructura de conversión. La invención también puede ser aplicable en otros campos de energía, como la generación de energía mediantecélulas electroquímicas o la energía eólica.

Mïtodo de control para un aparato que convierte corriente continua en corriente alterna Objeto de la invenciïn La invenciïn proporciona un mïtodo de control aplicable a estructuras de conversiïn dc/ac (corriente continua / corriente alterna) , especialmente diseïado para sistemas fotovoltaicos, que tiene por objeto mejorar la eficacia de la estructura de conversiïn. La invenciïn tambiïn puede ser aplicable en otros campos de generaciïn de energïa,

como la generaciïn de energïa mediante cïlulas electroquïmicas o energïa eïlica.

Antecedentes de la invenciïn Los sistemas fotovoltaicos gozan hoy en dïa de un amplio reconocimiento en nuestra sociedad. Se trata de instalaciones formadas por un conjunto de paneles fotovoltaicos (campo fotovoltaico) y un convertidor electrïnico, que acondiciona la energïa producida por los paneles para su inyecciïn a la red elïctrica o para alimentaciïn de cargas, segïn se trate de instalaciones conectadas a la red elïctrica o de sistemas aislados.

Los diferentes paneles fotovoltaicos disponibles en el mercado y las caracterïsticas particulares de cada instalaciïn hacen que, para una misma potencia, las tensiones del campo fotovoltaico resultante tomen valores muy diferentes. Por ello, resulta interesante el uso de convertidores que presenten un amplio rango de tensiïn de entrada. Debido al carïcter reductor de las estructuras de conversiïn dc/ac, habitualmente a la entrada de los convertidores fotovoltaicos se incluyen una o varias etapas dc/dc elevadoras. La figura 1 muestra de manera esquemïtica un convertidor fotovoltaico formado por la uniïn de una etapa dc/dc y otra dc/ac. Entre ambas etapas, en el

denominado bus de continua, se coloca una capacidad (Cbus) para estabilizar la tensiïn de salida de la etapa dc/dc. Dicha tensiïn se denomina tensiïn de bus (Vbus) .

Tanto la etapa dc/dc como la dc/ac se controlan mediante lazos de control cuyo funcionamiento varïa segïn se trate de una instalaciïn aislada o conectada a red:

- En instalaciones de conexiïn a red, la etapa dc/dc controla la tensiïn de entrada del convertidor para extraer la mïxima potencia del campo fotovoltaico, mientras que la etapa dc/ac regula la tensiïn de bus por medio del control de la amplitud de la corriente inyectada a la red. -En instalaciones aisladas la etapa dc/dc regula la tensiïn de bus y la etapa dc/ac se encarga del control de la tensiïn de salida proporcionada por el convertidor a las cargas.

En ambos casos, los respectivos lazos de control determinarïn las consignas que se introducen en el modulador de cada etapa para establecer las ïrdenes de encendido y apagado de los diferentes transistores que constituyen la etapa. Los moduladores utilizados suelen ser del tipo PWM (Pulse Width Modulation / Modulaciïn por ancho de pulsos) o vectorial.

El valor de la tensiïn de bus requerida queda determinado por: el tipo de estructura de conversiïn dc/ac utilizada, el valor de la tensiïn de red o tensiïn senoidal de salida en el caso de sistemas aislados, y la tensiïn que cae en la inductancia del convertidor. Para un correcto funcionamiento, la tensiïn mïnima aplicada por la etapa dc/ac inversora 45 a su salida (Vinv, min) debe ser superior a la suma del valor de pico de la tensiïn de red (o tensiïn senoidal de salida

#

en sistemas aislados) () , y la tensiïn que cae en la inductancia del convertidor (VL) , tal y como puede verse en la

Vred

figura 2. La tensiïn aplicada a la salida de la etapa dc/ac depende de la topologïa utilizada. Asï, por ejemplo, para una etapa dc/ac de puente en H (figura 3) , la tensiïn aplicada por la etapa dc/ac coincide con la tensiïn de bus. En este caso:

#

Vbusref , min ∀ Vinv, min ∀ Vred 2 !VL 2

De forma genïrica la tensiïn de bus de referencia mïnima (Vbusref, min) se puede expresar como:

#

V ∀ K # V 2 ! V 2

busref , min red L

donde K es una constante que depende de la topologïa de conversiïn utilizada. Asï, para etapas dc/ac del tipo puente en H K=1 y para etapas dc/ac de la familia del medio puente K=2.

En el caso de instalaciones conectadas a red, la variaciïn del valor eficaz de la tensiïn de red en el tiempo plantea dos opciones a la hora de determinar el valor de referencia de la tensiïn de bus:

1. Utilizar un valor constante, calculado a partir del valor de pico de la mïxima tensiïn de red admisible #

(Vred , mïx ) .

#

V ∀ K # V 2 ! V 2

busref , min red , max L

2. Variar el valor de la referencia de la tensiïn de bus en funciïn del valor de pico de la tensiïn de red en cada instante.

V ∀ K # V # 2 ! V 2

busref , min red L

En esta ïltima tïcnica del estado de la tïcnica, la tensiïn de bus disminuye cuando se trabaja con tensiones de red bajas, lo que reduce las pïrdidas de conmutaciïn de los semiconductores.

En el estado de la tïcnica, el valor de referencia de la tensiïn de bus se suele incrementar respecto al valor mïnimo seïalado en los casos anteriores. Asï, se permite un margen de maniobra durante posibles transitorios y se mejora al mismo tiempo la calidad de la corriente inyectada a la red. La calidad de la corriente inyectada a la red se evalïa mediante el THD (Distorsiïn Armïnica Total) , factor que mide la amplitud de los armïnicos frente al armïnico fundamental.

I ! I ! I ! I ! ...

THD ∀

#100

I1

Segïn lo anterior, los convertidores del estado de la tïcnica permiten obtener valores de THD de corriente muy inferiores a los lïmites marcados por las diferentes normativas. La figura 4 muestra, a modo de ejemplo, la evoluciïn de la corriente en la bobina (L/2) y la tensiïn de salida de una etapa dc/ac monofïsica de puente en H, funcionando segïn el mïtodo del estado de la tïcnica explicado anteriormente, para una referencia de tensiïn de bus de un 10 % superior al valor de pico de la tensiïn de red.

Si la tensiïn de bus es menor que Vbusref, min, el modulador entra en saturaciïn, perdiïndose el control de la corriente en los mïximos de la tensiïn de red, lo que conllevarï un aumento en el THD de corriente. Por ello, los convertidores del estado de la tïcnica evitan esta saturaciïn.

Por otra parte, la importancia de maximizar la energïa producida por la instalaciïn requiere el uso de elementos de gran eficacia. Para mejorar la eficacia del convertidor, es necesario reducir las pïrdidas del mismo. Las pïrdidas de un convertidor electrïnico pueden agruparse en tres grandes grupos:

1. Pïrdidas asociadas a los semiconductores de potencia. Estas pïrdidas se dividen a su vez en:

-Pïrdidas de conducciïn: proporcionales a la corriente y a la tensiïn de saturaciïn de los semiconductores. -Pïrdidas de conmutaciïn: proporcionales a la corriente, la tensiïn que soportan los semiconductores en corte y la frecuencia de conmutaciïn.

2. Pïrdidas en los componentes inductivos. Son las pïrdidas que aparecen en elementos como las bobinas o el transformador de salida del convertidor.

3. Pïrdidas asociadas a la electrïnica de control. En este grupo se engloban las pïrdidas de la fuente de alimentaciïn y pïrdidas del sistema de circuitos de control (circuitos integrados, resistencias, microprocesadores, etc) .

El uso de componentes mïs eficientes mejora la eficacia del convertidor. Sin embargo, se debe llegar a un compromiso eficacia-precio, que limita la eficacia del convertidor.

Las pïrdidas asociadas a los semiconductores y a las bobinas, dependen de la topologïa de conversiïn utilizada. Una estructura dc/ac comïnmente utilizada en convertidores fotovoltaicos es el puente en H (figura 3) con modulaciïn PWM unipolar, estructura que ha demostrado una buena relaciïn eficacia-complejidad. Sin embargo, con el fin de mejorar las prestaciones del puente en H, se han desarrollado topologïas de conversiïn dc/ac que presentan menores pïrdidas, como las descritas en los documentos EP1369985, US2005286281, o WO2008015298A1. Estas topologïas mejoran la eficacia de la estructura dc/ac, pero aumentan la complejidad de la estructura de conversiïn. Se divulga un mïtodo para controlar una estructura de conversiïn para convertir corriente continua en corriente alterna en NISHIDA Y ET AL.: “A NOVEL TYPE OF UTILITY-INTERACTIVE INVERTER FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM”. En: “Power Electronics and Motion Control Conference, 2004. Conference Proceedings. IPEMC 2004. La cuarta Internacional de Xi'an, China, 14-16 de agosto, 2004” 2004, ISBN: 978-7-560518 volumen 3, pïginas 1785-1790.

Descripciïn de la invenciïn La presente invenciïn... [Seguir leyendo]

1. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna formada por al menos una etapa dc/ac con sus respectivos lazos de control y su respectivo modulador, caracterizado por que comprende:

- calcular una tensiïn de bus de referencia (Vbus ref) de cada etapa dc/ac mediante un regulador (Reg) para que cada etapa dc/ac trabaje en saturaciïn durante un tiempo controlado, donde la tensiïn de entrada de cada etapa dc/ac es menor que una mïnima tensiïn de bus de referencia (Vbusref, min) ; -mantener sin conmutar, durante el periodo de saturaciïn, los transistores de cada etapa dc/ac.

2. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con la reivindicaciïn 1, caracterizado por que la tensiïn de bus de referencia (Vbus ref) de cada etapa dc/ac se obtiene mediante dicho regulador (Reg) que controla la distorsiïn armïnica total (THD) de la corriente de salida de cada etapa dc/ac.

3. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con la reivindicaciïn 1, caracterizado por que la tensiïn de bus de referencia (Vbus ref) de cada etapa dc/ac se obtiene mediante dicho regulador (Reg) que controla un tiempo de saturaciïn (tsat) de cada etapa dc/ac durante un determinado periodo de tiempo.

4. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con la reivindicaciïn 3, caracterizado por que el periodo de tiempo se selecciona entre un mïltiplo y un submïltiplo del periodo de la tensiïn de red.

5. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende determinar la amplitud de la corriente de salida de cada etapa dc/ac mediante un lazo de control de la tensiïn de entrada de cada etapa dc/ac.

6. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con la reivindicaciïn 5, caracterizado por que comprende determinar una referencia que se introduce en el modulador de cada etapa dc/ac mediante al menos un lazo de control de corriente de cada etapa dc/ac.

7. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la tensiïn de bus de referencia de cada etapa 35 dc/ac se controla mediante al menos una etapa de entrada dc/dc.

8. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con reivindicaciïn 7, caracterizado por que comprende determinar la amplitud de la corriente de cada etapa dc/dc mediante un lazo de control de la tensiïn de cada etapa dc/ac.

9. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con la reivindicaciïn 8, caracterizado por que comprende determinar una referencia que se introduce en el modulador de cada etapa dc/ac mediante un lazo de control de corriente.

10. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las etapas dc/ac son monofïsicas.

11. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las etapas dc/ac son trifïsicas. 50

12. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las etapas dc/ac son multinivel.

13. Mïtodo de control para estructura de conversiïn de corriente continua a corriente alterna de acuerdo con

cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que estï especialmente diseïado para su uso en instalaciones fotovoltaicas.