Control de fuente de alimentación para generador de energía.
Un sistema (100, 200) para conectar un apilamiento de celdas de combustible (250) a una red de CA (280)para proporcionar energía a la misma,
que comprende:
un convertidor de CC a CC (140, 240) a conectar al apilamiento de celdas de combustible (250);
un bus de CC regulado en tensión (110, 210) conectado al convertidor de CC a CC (140, 240);
un inversor bidireccional (120, 220) conectado al bus de CC (110, 210), y a conectar entre el bus de CC(110, 210) y la red de CA (280); y
al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) del apilamiento de celdas de combustible (250) conectadoal bus de CC (110, 210).
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2007/002972.
Solicitante: CERES INTELLECTUAL PROPERTY COMPANY LIMITED.
Inventor/es: ELLIOTT,CHARLES RICHARD, EVANS,CHRISTOPHER JOHN, WATKINS,STEPHEN JAMES.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02J3/38 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O LA DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ELECTRICA. › H02J 3/00 Circuitos para redes principales o de distribución, de corriente alterna. › Disposiciones para la alimentación en paralelo de una sola red por dos o más generadores, convertidores o transformadores.
- H02J5/00 H02J […] › Circuitos para transferir energía eléctrica entre redes de corriente alterna y de corriente continua (H02J 3/36 tiene prioridad).
- H02M7/797 H02 […] › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 7/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente continua; Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente alterna. › utilizando solamente dispositivos semiconductores.
PDF original: ES-2448581_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Control de fuente de alimentación para generador de energía [0001] La presente invención hace referencia a la generación de energía. En especial, la presente invención hace referencia a sistemas para controlar la conexión de un apilamiento de celdas de combustible y una red de 5 CA.
Antecedentes de la invención [0002] Las celdas de combustible pueden ser una solución útil, eficiente y respetuosa con el medio ambiente para la generación de energía. Tienen pocas partes móviles y son altamente eficientes en la conversión de energía contenida en el combustible en electricidad utilizable y, en algunos casos, calor utilizable. Las celdas de combustible generan corriente continua (CC) . En general, una celda de combustible generará CC a una tensión del orden de 1V y, cuando funcione bajo carga, entre 0, 3 V y 0, 8 V. La tensión cambia, dependiendo de los parámetros de funcionamiento de las celdas de combustible y la carga absorbida.
En general, la energía de una celda de combustible resulta insuficiente para satisfacer los requisitos de carga eléctrica de las aplicaciones para las que se facilitan las celdas de combustible. Por tanto, se conectan múltiples celdas de combustible juntas para formar un apilamiento de celdas de combustible, con la preferencia de conectar de manera eléctrica las celdas de combustible en una disposición en serie. Un apilamiento de celdas de combustible incluye elementos adicionales, que incluyen colectores de aire y combustible y medios para extraer la energía eléctrica del apilamiento de celdas de combustible.
Un sistema de celdas de combustible incorporará al menos uno de dichos apilamientos de celdas de combustible, así como los componentes de gestión de combustible y aire (como un ventilador, válvulas y filtros) , un sistema de control, y la electrónica de potencia para permitir que la energía eléctrica de la celda de combustible sea convertida a la forma correcta para alimentar la carga o cargas eléctricas a las que está conectada. Dichas cargas eléctricas podrían ser cargas de corriente continua (cargas de CC) o cargas de corriente alterna (cargas de CA) . Los ejemplos de dichas cargas incluyen baterías, bombas y ventiladores,
motores, red de suministro local, redes locales y la red nacional.
Los apilamientos de celdas de combustible pueden usarse para proporcionar electricidad a una "red" de corriente alterna (CA) (como la red nacional de Reino Unido) . Las "redes" alternativas pueden incluir generadores o inversores autónomos conectados a una fuente de CC, de hecho cualquier sistema de CA. Dichos sistemas de celdas de combustible, cuando están conectados a la red, proporcionan una red distribuida de 30 generación de energía, y: son especialmente útiles para proporcionar energía extra a una red en momentos de demanda máxima de energía, cuando la red se encuentra bajo una alta carga. Debido a la naturaleza de funcionamiento, que requiere que se proporcione combustible y aire a la celda de combustible bajo condiciones correctas de temperatura, y en algunos casos presión, los sistemas de celdas de combustible no empiezan ni paran de manera instantánea de generar electricidad. En su lugar, tienen periodos de "aumento" y 35 "disminución", entre estar completamente apagado y en su capacidad operativa. Además, los sistemas de celdas de combustible necesitan dispositivos auxiliares, que permiten el funcionamiento de los apilamientos de celdas de combustible. Los ejemplos de dichos dispositivos auxiliares son ventiladores de aire, que mantienen la temperatura operativa en los niveles correctos, y bombas de combustible, que proporcionan el combustible a los apilamientos de celdas de combustible para permitirles generar energía, etc. Puesto que el apilamiento de celdas 40 de combustible genera tensión de CC, y la red exige tensión de CA, el sistema de celdas de combustible requiere la conversión de energía de CC cuando se suministre la energía a una red. Debido al tiempo de rampa de un apilamiento de celdas de combustible, hay momentos en los que las cargas auxiliares deben alimentarse desde la red, de manera que siempre cuenten con energía de funcionamiento, incluso cuando el apilamiento de celdas de combustible no suministre energía. El documento WO 2005/036684 describe electrónica de potencia conocida 45 para un sistema alimentado por celdas de combustible. El documento US 2002/0047309 describe un convertidor de CC a CC conocido y un sistema de gestión de energía.
Sumario de la invención [0006] La presente invención busca superar o mejorar al menos una de las desventajas asociadas a la técnica precedente.
Según la invención proporciona se acopla un bus de CC entre un apilamiento de celdas de combustible y una red de CA, y se acopla una carga auxiliar de CC, que puede ser una carga parásita de la al menos una celda de combustible, al bus de CC y es alimentada desde dicho bus.
Según la invención, se proporciona un convertidor de CC a CC entre la al menos una celda de combustible y el bus de CC. Este puede transformar la tensión generada por la al menos una celda de combustible a la tensión a ser portada en el bus de CC. En modos de realización, el convertidor de CC a CC aumenta la tensión de la salida de tensión no regulada por la al menos una celda de combustible a una tensión regulada portada en el bus de CC, que es superior a la tensión de salida de la al menos una celda de combustible. El convertidor de CC a CC puede ser un transformador de alta frecuencia, por ejemplo, con una frecuencia entre 20KHz y 100KHz. Pueden usarse diferentes tipos de convertidor CC/CC, incluyendo, sin carácter limitativo, de medio puente, de puente completo o en contrafase (push-pull) . En un modo de realización, se usa un puente completo con un transformador de aislamiento.
Según la invención, se regula la tensión del bus de CC, y se proporciona un inversor bidireccional entre el bus de CC y la red de CA. En modos de realización de la invención, el inversor bidireccional puede controlar la tensión en el bus de CC y puede proporcionar la regulación de tensión. En modos de realización de la invención, el inversor bidireccional está configurado para regular la tensión en el bus de CC cuando el sistema está conectado a la red de CA, y puede hacerlo.
En modos de realización de la invención, la carga auxiliar de CC es una carga parásita de la al menos una celda de combustible, es decir, una carga que es necesaria para que la al menos una celda de combustible funcione. En modos de realización de la invención, la carga auxiliar de CC incluye un ventilador para la al menos una celda de combustible. En modos de realización, la carga auxiliar incluye una bomba de combustible para la al menos una celda de combustible.
En modos de realización de la invención, el sistema incluye un bus de CC regulado en tensión conectado entre un convertidor de CC a CC y un inversor bidireccional, estando conectado también el inversor bidireccional a una red de CA, y el convertidor de CC a CC estando conectado también a la al menos una celda de combustible, donde al menos una carga auxiliar de CC de la al menos una celda de combustible está conectada al bus de CC regulado en tensión. Por lo tanto, el sistema puede hacerse significativamente más pequeño y más ligero a costa de una leve pérdida de eficacia.
Al proporcionar carga (s) auxiliar (es) de CC de la al menos una celda de combustible en el bus de CC, se evita la transformación de corriente generada por la al menos una celda de combustible de CC a CA de la red de suministro y de nuevo a CC para alimentar las cargas auxiliares. De esta manera, se exige solo un único paso de conversión para proporcionar la energía a la carga de CC, tanto si es desde la al menos una celda de combustible, como si es desde la red de CA.
Además, si las cargas auxiliares de CC se alimentan desde la salida no regulada de la al menos una celda de combustible, en lugar de desde el bus de CC, durante el inicio cuando la celda de combustible no está generando ninguna energía, el sistema debe funcionar en reversa para alimentar las cargas conectadas a la celda de combustible. En este caso, sería necesario un contactor para evitar aplicar una tensión a la celda de combustible, lo cual no es deseable. Dichos contactores son generalmente grandes, caros y ruidosos.
Las cargas de CC situadas en sistemas de energía CC no regulados están diseñados generalmente para un intervalo concreto de tensiones de CC (por ejemplo 40-60 V) para adecuarse la condición operativa de la (s) celda (s) de combustible. Sin embargo, esto significa que si se produce una unidad de energía ligeramente superior, por ejemplo, con más capas, o una unidad con la misma salida de energía pero diferente ratio... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un sistema (100, 200) para conectar un apilamiento de celdas de combustible (250) a una red de CA (280) para proporcionar energía a la misma, que comprende:
un convertidor de CC a CC (140, 240) a conectar al apilamiento de celdas de combustible (250) ; un bus de CC regulado en tensión (110, 210) conectado al convertidor de CC a CC (140, 240) ; un inversor bidireccional (120, 220) conectado al bus de CC (110, 210) , y a conectar entre el bus de CC (110, 210) y la red de CA (280) ; y al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) del apilamiento de celdas de combustible (250) conectado al bus de CC (110, 210) .
2. Un sistema (200) según la reivindicación 1, donde el inversor bidireccional comprende un convertidor de CA a CC (220) .
3. Un sistema (100, 200) según la reivindicación 1 o reivindicación 2, donde el inversor bidireccional (120, 220) se configura para regular la tensión en el bus de CC (110, 210) .
4. Un sistema (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el inversor bidireccional (120, 220) se configura para regular la tensión en el bus de CC (110, 210) cuando el sistema (100, 200) está conectado a la red de CA (280) .
5. Un sistema (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el convertidor de CC a CC (140, 240) se configura para regular la tensión en el bus de CC (110, 210) .
6. Un sistema (100, 200) según la reivindicación 5, donde el convertidor de CC a CC (140, 240) se configura para regular la tensión en el bus de CC (110, 210) cuando el sistema (100, 200) no está conectado a la red de CA (280) .
7. Un sistema (200) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además al menos una carga auxiliar de CA (270) conectada en el lado de la red de CA del inversor bidireccional (220) .
8. Un sistema (200) según la reivindicación 7, donde la carga auxiliar de CA (270) es una carga auxiliar del apilamiento de celdas de combustible (250) .
9. Un sistema (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el sistema está configurado para proporcionar energía de CC a la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) , a través del bus de CC (110, 210) , al menos parcialmente desde la red de CA (280) cuando el apilamiento de celdas de combustible (250) no está proporcionando suficiente energía para la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) .
10. Un sistema (100, 200) según la reivindicación 9, donde el inversor bidireccional (120, 220) está adaptado para proporcionar corrección del factor de potencia activa a la carga auxiliar de CC (130, 230) cuando la carga auxiliar de CC (130, 230) es alimentada al menos parcialmente desde la red de CA (280) .
11. Un sistema (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el sistema está configurado para proporcionar energía a la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) , a través del bus de CC (110, 210) , desde el apilamiento de celdas de combustible (250) cuando el apilamiento de celdas de combustible
(250) está proporcionando suficiente energía para la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) .
12. Un sistema (200) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además al menos un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (320) conectado al bus de CC (110, 210) .
13. Un sistema (200) según la reivindicación 12, que comprende además un convertidor de CC a CC adicional (310) , conectado entre el bus de CC (210) y el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (320) .
14. Un método para controlar un sistema de generación de energía (100, 200) que incluye un apilamiento de celdas de combustible (250) que alimenta una red de CA (280) , comprendiendo el método proporcionar energía a un bus de CC regulado en tensión (110, 210) , y al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) del apilamiento de celdas de combustible (250) conectada al bus de CC (110, 210) , donde:
en un primer modo, se proporciona energía de CC regulada en tensión a la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) desde la red de CA (280) , a través de un inversor bidireccional (120, 220) y el bus de CC regulado en tensión (110, 210) ; y
en un segundo modo, se proporciona energía de CC regulada en tensión a la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) desde el apilamiento de celdas de combustible (250) , a través de un convertidor de CC a CC (140, 240) y el bus de CC regulado en tensión (110, 210) .
15. Un método según la reivindicación 14, donde:
un primer submodo del primer modo, se proporciona energía a la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) desde la red de CA (280) solamente, sucediendo el primer submodo del primer modo cuando el apilamiento de celdas de combustible (250) no está produciendo energía; y en un segundo submodo del primer modo, se proporciona energía a la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) desde ambos la red de CA (280) y el apilamiento de celdas de combustible (250) , sucediendo el segundo submodo del primer modo cuando el apilamiento de celdas de combustible (250) está produciendo menos energía de la que la al menos una carga auxiliar de CC (130, 230) consume.
16. Un método según la reivindicación 14 o 15, donde, en el primer modo, la tensión del bus de CC es regulada 15 por un convertidor de CA a CC (240) entre la red de CA (280) y el bus de CC (210) .
17. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de la 14 a la 16, donde, en el segundo modo, la tensión del bus de CC es regulada por un convertidor de CA a CC (240) entre la red de CA (280) y el bus de CC (210) .
18. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de la 14 a la 17, donde, en el segundo modo, se proporciona energía a la red de CA (280) desde el apilamiento de celdas de combustible (250) .
19. Un método según la reivindicación 14 o 15, donde, en el segundo modo sucede cuando el apilamiento de celdas de combustible (250) está produciendo más energía de la que la al menos una carga auxiliar de CC (230) consume.
20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de la 14 a la 19, que comprende además un tercer
modo en el que el sistema de generación de energía está aislado de la red de CA (280) y la tensión del bus de 25 CC es regulada por el convertidor de CC a CC (240) .
21. Un método según la reivindicación 20, donde, en el tercer modo, se proporciona una red de CA local (280) por un convertidor de CA a CC entre la red de CA local (280) y el bus de CC (210) .
22. Un método según las reivindicaciones de la 14 a la 21, que comprende además un cuarto modo en el que no
se extrae energía desde el apilamiento de celdas de combustible (250) , no se alimenta ninguna carga auxiliar y la 30 energía se proporciona a un controlador del sistema (300) .
23. Un método según la reivindicación 22, donde, en el cuarto modo, también se proporciona energía a al menos una carga auxiliar de CA (270) del sistema.
24. Un método según cualquiera de las reivindicaciones de la 14 a la 23, donde la tensión del bus de CC es de entre 300 y 500 voltios CC.
25. Un método según la reivindicación 24, donde la tensión del bus de CC es aproximadamente 400 voltios CC.
26. Un dispositivo de generación de energía, que comprende un sistema (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 13.
27. Un dispositivo de generación de energía según la reivindicación 26, estando configurado el dispositivo para producir calor utilizable.
CONVERTIDORA apilamiento de INVERSOR a red de CACC -CC celdas de
BIDIRECCIONAL combustible
CARGA AUXILIAR DE
CC
A apilamiento de celdas de combustible CONVERTIDOR CC -CC INVERSOR BIDIRECCIONAL a red de CA
CARGA
AUXILIAR DE CC
CONVERTIDOR
CC -CC
DISPOSITIVO DE
ALMACENAMIENTO
CONTROLADOR CONTROLADOR
APILAMIEN- TO DE CELDAS
CC : CC
DE
COMBUS- TIBLE
CARGA AUX DE CC CARGA AUXILIAR DE CA
ººººººººººººººº
CONTROLADOR
CONTROLADOR
APILAMIEN- TO
DE CELDAS DE
CC : CC
COMBUS- TIBLE
CARGA AUX
DE CC CARGA AUXILIAR DE
CA DISPOSITIVO DE
CC
: CC
ALMACENA-CONTROLADOR
MIENTO
CONTROLADOR CONTROLADOR
APILAMIEN- TO DE
CC : CC
CELDAS DE
COMBUS-
TIBLE
CARGA AUX DE CC
CARGA AUXILIAR DE
CA
CC
: CC
CONTROLADOR BUS DE CC
USO
O ALMACENAMIENTO
CC O SISTEMA DE
CELDAS DE
COMBUSTIBLE
CERRADOCERRADOABIERTOABIERTO
RED CC
CC
Bus CC
Celda de combustible CC CA
230 V CA
400 V CC Cargas auxiliares Cargas auxiliares
Energía
celda
combustible > Energía
auxiliar CC
Funcionamiento
Iniciar/detener
Exportación de red CC/CA
Importación red CC/CA
CC/CA regula
bus CC/CA regula bus Relé
apagado
Energía
celda
combustible < Energía
auxiliar CC
Relé apagado
Red perdida Red restaurada Sistema deshabilitado Sistema habilitado Aislado
Apagado
Sistema
deshabilitado Funcionamiento en isla CC/CA apagado
CC/CC regula
bus Bus no regulado Relé
abierto Relé abierto
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