Método y aparato para controlar un sistema híbrido de alimentación.

Un controlador de potencia para un sistema híbrido de alimentación,

comprendiendo el controlador de potencia:

un bus común (50) de CC que tiene una tensión de CC, al menos un convertidor de energía (20) acoplado eléctricamente entre un dispositivo generador de energía eléctrica y el bus común (50) de CC, incluyendo cada convertidor de energía (20):

una señal de tensión (26) correspondiente a la tensión de CC presente en el bus (50) de CC, al menos un dispositivo (40) de almacenamiento de energía; y

un regulador (30) de energía acoplado eléctricamente entre el dispositivo (40) de almacenamiento de energía de CC y el bus común (50) de CC, en el que el regulador de energía (30) incluye:

una señal de tensión (36) correspondiente a la tensión de CC presente en el bus (50) de CC, caracterizado por que el o cada convertidor (20) de energía incluye una unidad de control (25) configurada para controlar la conversión de energía entre el dispositivo generador de energía eléctrica y el bus común de CC independientemente de cualquier otro convertidor (20), y

el regulador de energía incluye una unidad de control (35) configurada para controlar la conversión de energía entre el dispositivo de almacenamiento de energía de CC y el bus común de CC independientemente del o de cada convertidor (20) y para mantener la tensión de CC a un valor sustancialmente constante.

Método y aparato para controlar un sistema híbrido de alimentación ANTECEDENTES DEL INVENTO

1. Campo del Invento

El invento se refiere a un método y aparato para controlar un sistema híbrido de alimentación. Específicamente, este invento gestiona un flujo de energía y potencia entre una o más fuentes generadoras de alimentación energética, dispositivos de almacenamiento, cargas, y la red de servicio público o un sistema de alimentación fuera de la red, cada uno de los cuales está acoplado a un bus común de CC.

2. Descripción de la Técnica Relacionada

En los últimos años, las crecientes demandas de energía y los crecientes problemas acerca de los suministros de combustibles fósiles y su contaminación correspondiente han conducido a un Interés acrecentado en fuentes de energía renovables. Dos de las fuentes de energía renovable más comunes y mejor desarrolladas son la energía fotovoltalca y la energía eóllca. Otras fuentes de energía renovable pueden incluir pilas o celdas de combustible, energía hidroeléctrica, energía de las mareas, y generadores de blocombustibles o blomasas. Sin embargo, utilizar fuentes de energía renovable para generar energía eléctrica presenta un nuevo conjunto de desafíos.

Uno de los mayores desafíos para conectar fuentes de energía renovable a redes de CA existentes, ya sea la red de servicio público o un sistema situado fuera de la red, es que las fuentes de energía renovable proporcionan un suministro de energía variable. El suministro puede variar, por ejemplo, de acuerdo con la cantidad de viento, la cobertura de nubes, o el momento del día. Además, las diferentes fuentes de energía proporcionan diferentes tipos de energía eléctrica. Una turbina eólica, por ejemplo está mejor adecuada para proporcionar energía de Corriente Alterna (CA) mientras que una célula fotovoltaica están mejor adecuada para proporcionar energía de Corriente Continua (CC). Como resultado, combinar múltiples fuentes de energía renovable con otros sistemas generadores, tales como la red de servicio público o microturbinas y generadores independientes, en un único sistema con una salida de CA requiere integrar cada una de estas diferentes fuentes de energía. Debido a la naturaleza variable de la energía suministrada por las fuentes renovables, puede ser deseable integrar un dispositivo de almacenamiento en el sistema de alimentación. El dispositivo de almacenamiento de energía puede ser cargado durante periodos de producción de pico por la fuente renovable o, alternativamente por la red de servicio público u otra fuente generadora. El dispositivo de almacenamiento de energía puede entonces suministrar energía de nuevo a la red cuando la fuente renovable está generando menos energía de la requerida por las cargas en un sistema independiente de la red o menos de la que es solicitada por la Instalación en un sistema unido a la red.

Los intentos anteriores para integrar múltiples fuentes de energía renovable requieren típicamente conectar individualmente cada fuente de energía así como el dispositivo de almacenamiento a una red, en que la red puede ser o bien una red autónoma o la red de servicio público. Cada fabricante de una fuente generadora, por ejemplo la turbina eólica o la agrupación fotovoltaica, o carga proporciona un convertidor de potencia para conectar la fuente o carga a la red. Esta aproximación da como resultado típicamente una indeseable doble conversión de potencia, primero convirtiendo la fuente generadora a una tensión de CA compatible con la red de servicio público y a continuación de nuevo a una tensión de CC compatible con el dispositivo de almacenamiento.

Otros intentos de integrar múltiples fuentes han utilizado un controlador de alto nivel que gestiona el flujo de energía por cada uno de los dispositivos. Por ejemplo, múltiples fuentes de CA que operan en paralelo en un sistema independiente de la red requieren típicamente conmutadores de transferencia y un esquema de control para seleccionar las fuentes generadoras deseadas. Tales sistemas de integración requieren típicamente software complejo concebido a medida para cada sistema. Además de otras fuentes generadoras o cargas al sistema requieren una modificación subsiguiente del software de integración y del hardware de conexión. Consecuentemente, este esquema de control complejo limita la flexibilidad de integrar fuentes generadoras futuras u otras modificaciones a un sistema de alimentación.

Las solicitudes de patentes Norteamericana US2003/227276 y US2005/200133 y las solicitudes de patente Japonesa JP2006129585 y JP2004088900 describen sistemas en los que hay previsto un único controlador para gestionar la entrada/salida de potencia de distintos componentes dentro de un sistema. Las reivindicaciones independientes están delimitadas contra el documento US2005/200133.

RESUMEN Y OBJETOS DEL INVENTO

Consistente con lo anterior y de acuerdo con el invento como ha sido realizado y ampliamente descrito aquí, se ha descrito un método y aparato para controlar un sistema híbrido de alimentación de energía en detalle adecuados para permitir que un experto en la técnica haga uso del invento.

El presente invento proporciona un método simplificado de controlar potencia entre las distintas fuentes y cargas en un sistema de alimentación. Un dispositivo de conversión de potencia está previsto entre cada fuente generadora y un bus de CC común. Cada dispositivo de conversión de potencia convierte cualquier energía eléctrica generada por la fuente

generadora de acuerdo a un algoritmo de control optimizado para la fuente generadora particular independiente de otras fuentes o cargas. Por ejemplo, el seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPP), como es conocido en la técnica, puede ser utilizado sobre un convertidor conectado a una agrupación fotovoltaica para proporcionar máxima transferencia de potencia o de energía desde la fuente generadora al bus de CC común. Un dispositivo de almacenamiento de CC y un regulador de potencia, que conecta el dispositivo de almacenamiento de CC al bus común de CC, están también previstos. Cuando el exceso de potencia de la requerida por las cargas conectadas al sistema está siendo generado, el dispositivo de almacenamiento de CC carga hasta que alcanza la máxima capacidad. Si la demanda de potencia por las cargas excede de la potencia que es generada en el sistema, el dispositivo de almacenamiento de CC descarga para satisfacer la demanda extra. El regulador de potencia vigila el nivel de tensión en el bus de CC como un indicador para determinar si el suministro excede de la demanda o si la demanda excede del suministro. Además, si el sistema de alimentación incluye una carga de CA Independiente de la red o está conectado a la red de servicio público, hay previsto un inversor entre el bus común de CC y el sistema de CA. El controlador inversor es capaz de proporcionar un flujo de potencia bidireccional de tal modo que la energía en exceso generada por las fuentes puede ser suministrada a la red de servicio público cuando la potencia generada excede de la potencia demandada. De manera similar, puede ser extraída energía de la red de servicio público cuando la potencia generada por las fuentes cae para satisfacer la potencia demandada por el sistema de alimentación.

Específicamente entonces, el presente invento es un controlador para un sistema híbrido de alimentación que Incluye al menos un convertidor de energía. Cada convertidor de energía está eléctricamente acoplado a un dispositivo generador de energía eléctrica. El aparato incluye al menos un dispositivo de almacenamiento de energía de CC. Un regulador de energía está acoplado eléctricamente a los dispositivos de almacenamiento de energía de CC. Un bus de CC es entonces acoplado eléctricamente a cada uno de los convertidores de energía y al regulador de energía. El regulador de energía incluye una primera señal de tensión que indica el valor de una tensión de CC presente en el bus de CC con una primera unidad de control que mantiene la tensión de CC en un valor sustancialmente constante.

Así es un primer objeto del invento proporcionar un aparato para regular el flujo de potencia en un sistema híbrido de alimentación con un sistema de control simplificado que utiliza un bus común de CC. El sistema de control permite que cada convertidor funcione en un punto operativo deseable para el tipo particular del dispositivo generador acoplado al convertidor y generalmente independiente de los otros convertidores.

El controlador de potencia puede además incluir una segunda señal de tensión que indica el valor de la tensión de CC presente en el bus de CC y una segunda unidad de control configurada para inhabilitar... [Seguir leyendo]

1. Un controlador de potencia para un sistema híbrido de alimentación, comprendiendo el controlador de potencia:

un bus común (50) de CC que tiene una tensión de CC, al menos un convertidor de energía (20) acoplado eléctricamente entre un dispositivo generador de energía eléctrica y el bus común (50) de CC, incluyendo cada convertidor de energía (20):

una señal de tensión (26) correspondiente a la tensión de CC presente en el bus (50) de CC, al menos un dispositivo (40) de almacenamiento de energía; y

un regulador (30) de energía acoplado eléctricamente entre el dispositivo (40) de almacenamiento de energía de CC y el bus común (50) de CC, en el que el regulador de energía (30) incluye:

una señal de tensión (36) correspondiente a la tensión de CC presente en el bus (50) de CC,

caracterizado por que el o cada convertidor (20) de energía incluye una unidad de control (25) configurada para controlar la conversión de energía entre el dispositivo generador de energía eléctrica y el bus común de CC independientemente de cualquier otro convertidor (20), y

el regulador de energía incluye una unidad de control (35) configurada para controlar la conversión de energía entre el dispositivo de almacenamiento de energía de CC y el bus común de CC independientemente del o de cada convertidor (20) y para mantener la tensión de CC a un valor sustancialmente constante.

2. El controlador de potencia según la reivindicación 1, en el que al menos un dispositivo (40) de almacenamiento de energía de CC es una pila de combustible regenerativa.

3. El controlador de potencia según la reivindicación 1 que comprende además un inversor (60) acoplado eléctricamente al bus (50) de CC para convertir la tensión de CC a una tensión de CA.

4. El controlador de potencia según la reivindicación 3 en el que el inversor (60) suministra potencia a una carga de CA independiente de una red de servicio público.

5. El controlador de potencia según la reivindicación 3 en el que el inversor (60) está conectado a la red de servicio público y suministra potencia a una de la red, de una carga de CA, o a una combinación de las mismas.

6. El controlador de potencia según la reivindicación 5 en el que el Inversor (60) proporciona un flujo de potencia bldlrecclonal.

7. El controlador de potencia según la reivindicación 1 en el que el dispositivo generador de energía eléctrica es uno de entre una fuente generadora eólica, fotovoltaica, hidroeléctrica, de biocombustible, de mareas, o de biomasa.

8. El controlador de potencia según la reivindicación 1 en el que la unidad de control (35) del regulador (30) comprende además:

un procesador (32) configurado para proporcionar una pluralidad de señales de control;

un dispositivo de memoria (34) para almacenar un programa capaz de ser ejecutado en el procesador;

una sección (38) de conversión de potencia que recibe las señales de control procedentes del procesador para transferir energía bien desde el dispositivo de almacenamiento (40) al bus (50) de CC o bien desde el bus (50) de CC al dispositivo de almacenamiento (40) para mantener la tensión de CC en un valor sustancialmente constante.

9. El controlador de potencia según la reivindicación 1 en el que la unidad de control (25) del convertidor (20) comprende además:

un procesador (22) configurado para proporcionar una pluralidad de señales de control;

un dispositivo de memoria (24) para almacenar un programa capaz de ser ejecutado en el procesador;

una sección (28) de conversión de potencia que recibe las señales de control procedentes del procesador para convertir energía eléctrica procedente del dispositivo generador a la tensión de CC sobre el bus (50) de CC.

10. El controlador de potencia según la reivindicación 1 en el que al menos un convertidor (20) de energía suplementario acoplado a un generador de energía eléctrica suplementario puede ser acoplado al bus (50) de CC sin modificar ninguno de los convertidores (20) de energía existentes ni el regulador (30) de energía.

11. El controlador de potencia según la reivindicación 1, en el que la unidad de control (25) del convertidor de energía (20) está configurada para regular el flujo de potencia procedente del dispositivo generador de energía al bus (50) de CC

mientras la tensión de CC en el bus (50) de CC está por debajo de un valor máximo predeterminado y para inhabilitar el flujo de potencia procedente del dispositivo generador de energía cuando la tensión de CC en el bus (50) de CC está por encima de un valor máximo predeterminado, y en el que la unidad de control (35) del regulador de energía (30) está configurada para mantener la tensión de CC en un valor sustancialmente constante independientemente de la primera unidad de control (25).

12. El controlador de potencia según la reivindicación 11 que comprende además un inversor (60) acoplado eléctricamente entre el bus (50) de CC y una red de CA para convertir la tensión de CC a una tensión de CA, en el que el inversor (60) Incluye una señal de tensión (66) correspondiente al nivel de tensión de CC presente en el bus (50) de CC y una unidad de control (65) configurada para proporcionar un flujo de potencia bidirecclonal entre el bus (50) de CC y la red de CA.

13. El controlador de potencia según la reivindicación 12 en el que un único sensor de tensión proporciona cada una de las señales de tensión (26, 36, 66) para el convertidor de energía (20), el regulador de energía (30) y el inversor (60).

14. Un método para regular el flujo de potencia entre una pluralidad de componentes conectados por un bus común (50) de CC en un sistema híbrido de alimentación que comprende las operaciones de:

prever al menos un convertidor de energía (20), teniendo cada convertidor de energía (20) una primera señal (26) de tensión de CC y una primera unidad de control (25) configurada para acoplar una fuente generadora de energía eléctrica al bus (50) de CC;

vigilar una tensión de CC presente en el bus (50) de CC con la primera señal (26) de tensión de CC;

prever un regulador de energía (30) que tiene una segunda señal (36) de tensión de CC y una segunda unidad de control (35) configurada para acoplar un dispositivo (40) de almacenamiento de energía eléctrica al bus (50) de CC;

vigilar la tensión de CC presente en el bus (50) de CC con la segunda señal de tensión (36);

caracterizado por que el método comprende además convertir la energía eléctrica generada por cada fuente generadora a una tensión de CC y una corriente de CA para conexión al bus (50) de CC con el convertidor (20) de energía correspondiente Independientemente de cualquier otro convertidor (20) cuando la tensión de CC vigilada es menor que un valor máximo predeterminado; y

regular la tensión de CC a un valor sustancialmente constante con la segunda unidad de control (35) independientemente de la operación del o de cada convertidor de energía (20).

15. El método según la reivindicación 14 que comprende además las operaciones de:

prever un Inversor (60), teniendo el Inversor (60) una tercera señal (66) de tensión de CC y una tercera unidad (65) de control configurada para acoplar el bus (50) de CC a una red de tensión de CA;

vigilar la tensión de CC presente en el bus (50) de corriente continúa con la tercera señal (66) de tensión de CC; y convertir tensión bien de CC a CA o bien de CA a CC con el Inversor (60).