Sistema y método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica.

El objeto de la invención es proporcionar un sistema y método degestión de potencia para instalaciones fotovoltaicas de conexióna red eléctrica,

que incorpora un control de potencia activa y/oreactiva que tiene en cuenta en cada momento los requerimientos de la red, para permitir hacer frente a las demandas transitoriasque aparezcan en ella, participando en la regulación de la red eléctrica y contribuyendo a la estabilidad y calidad de la misma.

Sistema y método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica

La presente invención tiene su campo de aplicación en los sistemas de generación de potencia mediante energías renovables, y más particularmente, mediante energía solar fotovoltaica.

Antecedentes de la invención

Las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red gozan hoy en día de un amplio reconocimiento en nuestra sociedad. Se trata de instalaciones formadas por una pluralidad de generadores fotovoltaicos (campo fotovoltaico) y al menos un convertidor electrónico, que acondiciona la energía producida por el campo fotovoltaico (corriente continua) para su inyección a la red eléctrica (corriente alterna).

En este sentido, la Patente de Estados Unidos con número de publicación 28122449 A1 divulga un esquema de control para que una unidad fotovoltaica dirija adecuadamente la inyección de potencia activa y reactiva en una red de distribución radial. Se divulga un control de potencia activa y reactiva a partir de consignas preestablecidas, pero no se divulga cómo se establecen o determinan las consignas preestablecidas.

Existen otros documentos, relacionados con la técnica anterior, como, por ejemplo, el documento IEEE, páginas 1463-1468, 15-19 de junio de 28 de DELFINO, F y col. titulado An integrated active and reactive power control scheme for grid-connected photovoltaic production systems donde se divulga un sistema que intenta superar esos problemas derivados de las fluctuaciones de la luz solar, pero sin tener en cuenta cómo gestionar la potencia activa y reactiva.

Se entiende por generador fotovoltaico cualquier dispositivo capaz de transformar la energía solar en energía eléctrica.

Todo generador fotovoltaico tiene una curva característica tensión-intensidad (V-l). Esta curva varía con la irradiancia y la temperatura del generador fotovoltaico. Asociada a esta curva V-l existe una curva tensión-potencia (V-P) que relaciona la energía producida por el generador fotovoltaico con su tensión de trabajo. Con el fin de maximizar la energía producida por el campo fotovoltaico, los convertidores fotovoltaicos están dotados de al menos un seguidor del punto de máxima potencia (MPP). Dicho seguidor de MPP (generalmente estructuras de conversión dc/dc con control de la tensión de entrada) determina la tensión de trabajo que maximiza la energía producida por la asociación de generadores conectados al mismo.

Por otra parte, la irradiancia que incide sobre el generador es función del ángulo formado por el plano del panel que es perpendicular al sol. Con el fin de aumentar la energía producida por las instalaciones fotovoltaicas, a menudo se utilizan seguidores solares sobre los que se colocan los generadores fotovoltaicos. Los seguidores solares son estructuras móviles en uno o dos ejes (azimutal y cenital) controladas por una serie de actuadores que orientan los generadores fotovoltaicos hacia el sol, maximizando la irradiancia que incide sobre ellos.

Los sistemas fotovoltaicos de conexión a red inyectan la energía producida por la instalación a la red eléctrica. Para garantizar la estabilidad de la red eléctrica y mantener la frecuencia y tensión dentro de los límites establecidos debe haber un equilibrio entre la potencia generada y la potencia consumida. En caso de desequilibrios entre potencia generada y consumida, las diferentes fuentes generadoras deben reajustar la potencia generada, volviendo a establecer el equilibrio. Para ello las fuentes convencionales están obligadas a aportar un extra o limitar la potencia activa (P) y aportar o consumir potencia reactiva (Q) cuando sea demandado por la red eléctrica. En concreto, se cumple la siguiente relación:

S = P + IQ

S = potencia aparente o compleja P = potencia activa Q = potencia reactiva

En los sistemas fotovoltaicos, la energía generada está estrechamente ligada a las condiciones meteorológicas, lo que provoca una falta de control sobre ella. La dificultad de estimar la potencia que puede aportar el sistema fotovoltaico en cada momento, ante la incertidumbre de irradiancia, hace que los sistemas fotovoltaicos del estado de la técnica no dispongan de una reserva de potencia que pueda aportarse ante un aumento de la demanda.

Por otro lado, en los sistemas fotovoltaicos del estado de la técnica, la inyección de corriente a la red se realiza con un factor de potencia preestablecido (generalmente cp=1), por lo que no se participa en la regulación de potencia reactiva.

A medida que el número de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red aumenta, se incrementan los efectos negativos que tienen sobre la estabilidad de la red eléctrica. Por tanto, hay una necesidad de desarrollar un sistema

de gestión que permita controlar la potencia activa y reactiva proporcionando al sistema una reserva de potencia (activa y reactiva) que permita hacer frente a demandas transitorias que aparezcan en la red eléctrica.

El objeto de la invención es proporcionar un sistema de gestión de potencia para instalaciones fotovoltaicas de conexión a red, incorporando un control de potencia activa y reactiva que tiene en cuenta en cada momento los requerimientos de la red. El sistema de gestión proporciona a la instalación fotovoltaica una reserva de potencia activa y reactiva que permite hacer frente a demandas transitorias que aparezcan en la red eléctrica. Por medio de dicha gestión, la instalación fotovoltaica puede comportarse como una fuente de energía convencional (térmica, nuclear...) participando en la regulación de la red eléctrica y contribuyendo a la estabilidad y calidad de la misma.

Sumario de la invención

Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados anteriormente, la presente invención consiste en un método y sistema de gestión de potencia para instalaciones fotovoltaicas de conexión a red, que incorpora un control de potencia activa y reactiva, teniendo en cuenta las necesidades de la red en cada momento. La invención proporciona una reserva de potencia activa y reactiva que permite hacer frente a demandas transitorias que aparezcan en la red eléctrica.

La invención se define por un método para gestión de potencia en una instalación fotovoltaica con las fases en la reivindicación independiente 1, un segundo método para gestión de potencia en una instalación fotovoltaica con las fases en la reivindicación independiente 8, y un sistema para gestión de potencia en una instalación fotovoltaica con los rasgos técnicos en la reivindicación independiente 11.

La presente invención se refiere al sistema de gestión de potencia de una instalación fotovoltaica formado por:

- al menos una unidad de control (UC) que realiza la gestión de potencia activa y/o reactiva de la instalación fotovoltaica,

- al menos un generador fotovoltaico,

- al menos un convertidor electrónico (CE) para transformar corriente continua en corriente alterna.

En caso de realizar gestión de potencia activa, el sistema dispone de al menos un conjunto formado por los anteriores generadores fotovoltaicos sobre los que se tiene un control individualizado de su producción de energía. Dicho conjunto se denomina unidad mínima de control de potencia (UMCP).

Para realizar el control de potencia activa de la instalación fotovoltaica, la presente invención comprende las siguientes etapas:

- Establecer una consigna de reserva de potencia activa para la instalación.

- Determinar un primer conjunto de UMCP que operan sin limitar su potencia activa.

- Realizar una estimación de la potencia producible por la instalación fotovoltaica.

- Determinar un segundo conjunto de UMCP que operan limitando su potencia activa a un valor determinado.

La limitación de potencia activa de los elementos del segundo conjunto de UMCP puede establecerse a través de la consigna de reserva de potencia activa y de la estimación de la potencia producible.

A su vez, la estimación de la potencia producible mencionada anteriormente puede obtenerse a través de alguno o varios de los siguientes métodos:

- Mediante las potencias generadas por el primer conjunto de UMCP.

- Mediante al menos una célula fotovoltaica equilibrada.

-Teniendo en cuenta la orientación de cualquiera de los conjuntos de UMCP respecto al sol.

- A partir de un muestreo de la curva V-l de la UMCP, que se obtiene a partir de la variación de la tensión de trabajo periódica de la UMCP.

En una realización preferida de la invención, la consigna de reserva de potencia activa se determina a partir de un algoritmo de optimización económica y/o un lazo de control de la frecuencia de red y/o a partir de cualquier otro... [Seguir leyendo]

1. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica que está dotada de una pluralidad de unidades mínimas de control de potencia (12i... 12n) (11i... 11 m) llevando a cabo el método un control de potencia activa que comprende las siguientes fases:

- establecer una consigna de reserva de potencia activa para la instalación; donde dicha consigna de reserva de potencia activa se selecciona de entre un algoritmo de optimización económica, un lazo de control de frecuencia de red, requisitos externos, un lazo de control de la tasa de variación de salida de potencia de la instalación y una combinación de los mismos;

- determinar un primer conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12i... 12n) que operan sin limitar su potencia activa;

- realizar una estimación de la potencia activa producible por la instalación fotovoltaica;

- determinar un segundo conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12-i... 12n) que operan limitando su potencia activa a un valor determinado; donde dicha limitación se establece a partir de la consigna de reserva de potencia activa y a partir de la estimación de la potencia activa producible.

2. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la estimación de la potencia activa producible se obtiene mediante al menos una opción seleccionada del grupo que consiste en:

- la potencia generada por el primer conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12-i... 12n),

- al menos una célula fotovoltaica calibrada,

- la orientación de cualquiera de los conjuntos de unidades mínimas de control de potencia (12-|... 12n) con respecto al sol,

- una muestra de la curva V-l de las unidades mínimas de control de potencia (12i... 12n) obtenida mediante una variación de la tensión de trabajo periódica de las unidades mínimas de control de potencia (12-i... 12n).

3. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el número de unidades que forman el segundo conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12-1... 12n) se selecciona en función de la limitación de la potencia activa demandada a dicho conjunto, y teniendo en cuenta que el número de unidades que forman el primer conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12-|... 12n) debe constituir una muestra representativa de la instalación fotovoltaica.

4. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que un porcentaje de la reserva de potencia activa se obtiene modificando la orientación de al menos una de las unidades del segundo conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12-|... 12n).

5. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que un porcentaje de la reserva de potencia activa se consigue mediante el control de la tensión de trabajo de al menos una de las unidades del segundo conjunto de unidades mínimas de control de potencia (12!... 12n).

6. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que un porcentaje de la reserva de potencia activa se obtiene mediante la conexión y desconexión de al menos una unidad mínima de control de potencia (12!... 12n).

7. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que un porcentaje de la reserva de potencia activa deseada se obtiene a partir del consumo de una carga controlada.

8. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica que está dotada de al menos un convertidor electrónico (111... 11 m), realizando el método un control de potencia reactiva que comprende las siguientes fases:

- establecer una consigna de potencia reactiva para la instalación fotovoltaica, donde dicha consigna de reserva de potencia reactiva se selecciona de entre un algoritmo de optimización económica, un lazo de control de tensión de red, requisitos externos y una combinación de los mismos;

- determinar la potencia reactiva generada o consumida por cada convertidor electrónico de la Instalación de una manera coordinada entre los diferentes convertidores electrónicos a través de un bloque que ejecuta un algoritmo de optimización en función de los siguientes criterios:

i) la potencia activa de cada convertidor electrónico;

¡i) la potencia reactiva de cada convertidor electrónico;

iii) la proporción de potencia reactiva producida respecto a su capacidad.

9. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que comprende modificar la consigna de potencia reactiva en al menos uno de los convertidores electrónicos, mediante un lazo de regulación de tensión interno para mantener su tensión de salida dentro de unos límites previamente establecidos.

1. Método para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que el control de potencia reactiva se realiza independientemente en cada uno de los convertidores electrónicos.

11. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica que comprende:

- al menos una unidad de control (14) donde dicha unidad de control (14) comprende medios para la gestión de potencia en la instalación fotovoltaica, seleccionados de entre medios de gestión de potencia activa, medios de gestión de potencia reactiva y una combinación de los mismos;

- al menos una Unidad Mínima de Control de Potencia (12i... 12) que consiste en un conjunto de generadores fotovoltaicos donde la producción de energía de cada Unidad Mínima de Control de Potencia se controla Individualmente;

- al menos un convertidor electrónico (111... 11 m) para transformar corriente continua en corriente alterna;

- una unidad de control local (13-i... 13m) asociada a cada unidad mínima de control de potencia (12-i... 12n); una red de comunicaciones que ¡nterconecta al menos una unidad de control local (13-1... 13m) con al menos la unidad de control (14) y con al menos un convertidor electrónico (111... 11 m).

12. Sistema para la gestión de potencia en una Instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que los medios de gestión de potencia activa de la unidad de control comprenden los siguientes medios:

- medios de monitorización de la potencia activa de las diferentes unidades mínimas de control de potencia (12!... 12n);

- medios de establecimiento del modo de funcionamiento de cada unidad mínima de control de potencia (12i... 12n);

- medios de envío de consignas de potencia activa a cada unidad mínima de control de potencia (12-i... 12n).

13. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que la unidad de control UC y la unidad de control local UCL forman parte de un único dispositivo.

14. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que incluye un dispositivo de control de la posición respecto al sol de al menos una unidad mínima de control de potencia (12i... 12n).

15. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que incluye un dispositivo de control de la tensión de trabajo de al menos una unidad mínima de control de potencia (12-|... 12n).

16. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que incluye al menos una carga controlada que consume la energía activa generada por la instalación fotovoltaica, siendo esta un porcentaje de la reserva de potencia activa de la instalación.

17. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado por que la carga controlada es un elemento seleccionado entre una carga eléctrica y una unidad de almacenamiento de energía, a su vez seleccionada entre un electrolizador, una batería, un volante de inercia y un supercondensador.

18. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado por que la unidad de control comprende medios de control de las variaciones de salida de potencia de la instalación, usando la energía almacenada en cada unidad de almacenamiento de energía.

19. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado por que dicha carga controlada se conecta en paralelo a la entrada de los convertidores electrónicos (11!... 11m).

2. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado por que dicha carga controlada se conecta en paralelo a la salida de los convertidores electrónicos

(11i... 11m).

21. Sistema para la gestión de potencia en una instalación fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que la unidad de control (14), la unidad de control local (131... 13n) y el convertidor electrónico (11i... 11 m) se alojan en una opción de cubierta seleccionada entre cubiertas diferentes y la misma cubierta.