MÉTODO Y CIRCUITO PARA LA BÚSQUEDA Y SEGUIMIENTO DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA DE TRANSDUCTORES DE ENERGÍA.

Método y circuito para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores de energía.

Método y circuito para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) de transductores o captadores de energía.

El método propuesto transfiere la energía captada por un transductor a un condensador situado a su salida. Cuando la tensión del condensador excede un cierto umbral (VTH), un convertidor conmutado situado entre el transductor y la carga que se pretende alimentar, se activa y transfiere la carga eléctrica del condensador a la carga de salida, hasta que la tensión del condensador baja por debajo de otro umbral (VTL), momento en el cual el convertidor se desactiva y el proceso se vuelve a repetir. Durante los tiempos de inactividad del convertidor se obtiene un valor proporcional a la diferencia de potencias del transductor correspondientes a dos valores diferentes de su tensión de salida. El cálculo de dicha diferencia se basa en la medida de tiempos de carga del condensador. Minimizando la diferencia se sitúa al transductor en su punto de máxima potencia.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200902188.

Solicitante: UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: PENELLA LÓPEZ,María Teresa, LÓPEZ LAPEÑA,Oscar, GASULLA FORNER,MANEL.

Fecha de Publicación: 4 de Septiembre de 2012.

Clasificación Internacional de Patentes:

G05F1/67 FISICA. › G05 CONTROL; REGULACION. › G05F SISTEMAS DE REGULACION DE VARIABLES ELECTRICAS O MAGNETICAS (regulación de la distribución en el tiempo o de la periodicidad de impulsos en los sistemas de radar o de radionavegación G01S; regulación de la corriente o de la tensión, especialmente adaptada para su uso en relojes electrónicos G04G 19/02; sistemas que funcionan en bucle cerrado para regular variables no eléctricas por medios eléctricos G05D; control de la alimentación de energía eléctrica a los computadores digitales G06F 1/26; para obtener las características de funcionamiento deseadas de electroimanes con armadura H01F 7/18; regulación de redes de distribución de energía eléctrica H02J; regulación de la carga de baterías H02J 7/00; regulación del valor de salida de convertidores estáticos, p. ej. reguladores de conmutación, H02M; regulación del valor de salida de generadores eléctricos H02N, H02P 9/00; control de transformadores, reactancias o bobinas de choque H02P 13/00; regulación de la respuesta de frecuencia, ganancia, potencia de salida máxima, amplitud o ancho de banda de amplificadores H03G; regulación de la sintonización de circuitos resonantes H03J; control de generadores de oscilaciones o de impulsos electrónicos H03L; regulación de las características de líneas de transmisión H04B; control de fuentes eléctricas de luz H05B 39/04, H05B 41/36, H05B 45/10, H05B 45/20, H05B 47/10; control eléctrico de aparatos de rayos X H05G 1/30). › G05F 1/00 Sistemas automáticos en los que las desviaciones de una magnitud eléctrica en relación a uno o a varios valores predeterminados son detectadas a la salida y reintroducidas en un dispositivo interior al sistema para llevar el valor detectado a su valor o a sus valores predeterminados, es decir, sistemas retroactivos. › de la potencia máxima que puede suministrar un generador, p. ej. una célula solar.
H02J7/35 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 7/00 Circuitos para la carga o despolarización de baterías o para suministrar cargas desde baterías. › con células sensibles a la luz.

Fragmento de la descripción:

Método y circuito para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores de energía.

Sector de la técnica

Captación de energía, Transductores de energía, Termogeneradores, Células solares, industria fotovoltaica y energía solar.

Estado de la técnica

Los transductores de energía, por ejemplo, los térmicos (termogeneradores o termopilas) o los paneles solares, presentan un máximo en la curva potencia-tensión. En particular, la Fig. 1 muestra dos curvas genéricas de corriente-tensión y potencia-tensión para un panel solar, donde se aprecia el punto de máxima potencia (MPP, en inglés). El MPP varía con la irradiancia y la temperatura. Las técnicas y circuitos de MPPT son usados para obtener la máxima potencia. La Fig. 2 ilustra el concepto. Un convertidor conmutado (por ejemplo, un convertidor continua-continua) adapta la tensión de salida del transductor (por ejemplo, un panel solar) a una carga (por ejemplo, una batería). Un algoritmo de control (MPPT), que en general requiere la medida de la tensión (v_s) y la corriente (i_s) que está suministrando el transductor, sitúa a éste en su punto de máxima potencia.

Las técnicas de MPPT han sido ampliamente utilizadas para paneles solares, sobre todo de gran potencia, existiendo diferentes métodos (T. Esram, P.L. Chapman, IEEE Trans Energy Conversion, vol. 22, no. 2, pp. 439-449 (2007)), aunque también para transductores mecánicos (G.K. Ottman, H.F. Hofmann, A.C. Bhatt, G.A. Lesieutre, IEEE Trans Power Electr, vol. 17, no. 5 (2002)), termogeneradores (R.Y. Kim, J.S. Lai, IEEE Trans Power Electr, vol. 23, no. 5, pp- 2310-2318 (2008)) y en antenas (T. Paing, J. Shin, R. Zane, Z. Popovic, IEEE Trans Power Electr, vol. 23, no. 3 (2008)). Según el método de control utilizado, estas técnicas pueden clasificarse en indirectas y directas (V. Salas, E. Olías, A. Barrado, A. Lázaro, Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, pp 1555-1578 (2006)). Los métodos indirectos se basan en el uso de bases de datos o funciones matemáticas obtenidas a partir de datos empíricos a fin de estimar el MPP. Uno de los más populares y sencillos es el método FOCV (Fractional Open Circuit Voltage, en inglés) que está basado en el hecho de que el MPP es aproximadamente proporcional a la tensión en circuito abierto del panel (V_oc). Sin embargo, dicho método requiere desconectar el panel de la carga para medir V_oc periódicamente, con la consiguiente pérdida de energía, y fijar una constante óptima de proporcionalidad para obtener un valor lo más cercano posible al MPP. El valor de dicha constante cambia según el tipo de panel y la irradiación. Los métodos directos, por el contrario, siguen el verdadero MPP sin tener un conocimiento previo de las características del panel. La desventaja es que suelen requerir la medida de dos parámetros, tensión y corriente, a fin de estimar la potencia del panel. Uno de los métodos más populares de este tipo es el P&O (Perturb and Observe), en el que se mide la potencia antes y después de provocar una perturbación de tensión en el panel. Dependiendo del resultado de la diferencia de potencias, el valor de tensión del panel se incrementará o decrementará a fin de situarse en el MPP.

Descripción de la invención

A diferencia de los métodos directos propuestos con anterioridad, el método de la invención que se expone se basa en un principio distinto que no requiere de la medida de la corriente. Puede ser aplicado a todos aquellos transductores de energía que presenten un máximo en su curva potencia-tensión, como por ejemplo a paneles o células solares, transductores térmicos y mecánicos, y antenas.

La energía captada por el transductor se transfiere a un condensador (C_in) conectado en paralelo (Fig. 3). Cuando la tensión en bornes del condensador (v_s) excede un cierto umbral (V_TH), un convertidor conmutado, situado entre el transductor y la carga que se pretende alimentar, se activa y transfiere la carga eléctrica del condensador a la carga de salida, hasta que la tensión del condensador baja por debajo de otro umbral (V_TL), momento en el cual el convertidor se desactiva y el proceso se vuelve a repetir. De esta forma, los transistores del convertidor solo conmutan durante un periodo corto de tiempo correspondiente a la descarga del condensador. Por tanto, el coste energético que supone el control del convertidor es muy pequeño.

Durante los tiempos de inactividad del convertidor toda la energía del transductor se acumula en el condensador y, por tanto, la potencia de salida del transductor es igual a la potencia de entrada del condensador. La potencia media en el condensador durante un intervalo de tiempo T dentro del periodo de inactividad del convertidor es igual a

donde T viene definido como el intervalo de tiempo que tarda la tensión en C_in en aumentar desde V_m-V_h a V_m+V_h.

Si se obtiene la potencia media para dos intervalos de tensión [V_m1-V_h, V_m1+V_h] y [V_m2-V_h, V_m2+V_h] y se calcula su diferencia, se obtiene

donde T₁ y T₂ son los intervalos de tiempo respectivos a V_m1 y V_m2 (Fig. 4). En la Fig. 4, T_Carga, que se corresponde con el periodo de inactividad del convertidor conmutado, es el intervalo de tiempo que tarda la tensión de C_in en aumentar desde V_m-V_TL hasta V_m+V_TH, Y T_Desc, que se corresponde con el periodo de actividad del convertidor conmutado, es el intervalo de tiempo que tarda la tensión de C_in en disminuir desde V_m+V_TH hasta V_m-V_TL.

El método propuesto sitúa al transductor en su MPP minimizando ΔP y en concreto el factor L≡(V_m2T₁-V_m1T₂). Para ello, se miden los tiempos T₁ y T₂ de carga de C_in durante dos intervalos de tensión diferentes [V_m1-V_h, V_m1+V_h] y [V_m2-V_h, V_m2+V_h] y siempre dentro del intervalo de inactividad del convertidor. Los intervalos de tensión se fijan a partir de una circuitería de control adecuada que tiene como parámetro de entrada v_s. Un algoritmo actualiza los nuevos valores de V_m1 y V_m2 en función del signo y magnitud de L. El método no precisa de la medida de corriente, presentando, pues, una alternativa a los métodos directos de MPPT propuestos hasta la fecha.

Una particularización del método considera los dos intervalos de tensión y de tiempo consecutivos, tal y como se muestra en la Fig. 5. En este caso:

Dando lugar a las siguientes expresiones

Nuevamente, se miden los tiempos T₁ y T₂ y un algoritmo actualiza el nuevo valor de V_mc en función de L. El valor de V_mc también se puede actualizar utilizando un control integral dado por la expresión:

donde V_mc(n) se muestrea al final de cada ciclo, τ_INT es una constante de integración, y n es el número de ciclo. El valor de V_mc se incrementará para V_mc < V_MPP, y se decrementará...

Reivindicaciones:

1. Método para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores de energía, del tipo que comprende realizar la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de un transductor de energía con el fin de controlar un convertidor conmutado, situado entre dicho transductor de energía y una carga, para transferir energía desde dicho transductor de energía a dicha carga, estando dicho método caracterizado porque comprende:

- monitorizar la tensión de un condensador (C_in) conectado a la salida del transductor de energía, y en función del resultado de dicha monitorización:

- activar dicho convertidor conmutado cuando la tensión (V_s) de dicho condensador (C_in) excede un cierto valor umbral (V_TH), para transferir la carga eléctrica del condensador (C_in) a la carga de salida, o

- desactivar dicho convertidor conmutado cuando la tensión (V_s) de dicho condensador (C_in) baja por debajo de otro valor umbral (V_TL);

- buscar dicho punto de máxima potencia:

- midiendo unos tiempos T₁ y T₂ de carga del condensador (C_in) durante dos intervalos diferentes [V_m1-V_h, V_m1+V_h] y [V_m2-V_h, V_m2+V_h] de dicha tensión (V_s) de dicho condensador (C_in), siempre dentro del intervalo de inactividad del convertidor, donde V_m1 y V_m2 son dos valores diferentes y próximos de la tensión (V_s) de dicho condensador (C_in) y V_h es un valor arbitrario y pequeño respecto a V_m1 y V_m2; y

- minimizando el factor L≡(V_m2T₁-V_m1T₂) mediante la actualización o generación de nuevos valores de V_m2 y V_m1, en función del signo y magnitud de L, y la correspondiente fijación de los dos intervalos [V_m1-V_h, V_m1+V_h] y [V_m2-V_h, V_m2+V_h] mediante una circuitería de control.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque los dos intervalos de tensión [V_m1-V_h, V_m1+V_h] y [V_m2-V_h, V_m2+V_h] y de tiempo T₁ y T₂ son consecutivos en un mismo período de carga del condensador (C_in), dentro del periodo de inactividad del convertidor conmutado, y porque comprende generar dichos nuevos valores V_m1, V_m2 mediante la generación y actualización del valor de una tensión de control V_mc utilizando un control integral, donde V_m1 = V_mc-V_h y V_m2 = V_mc+V_h.

3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende la fijación de los dos intervalos de tensión [V_m1-V_h, V_m1+V_h] y [V_m2-V_h, V_m2+V_h] mediante la generación de una tensión de referencia mediante un conversor digital analógico, y su comparación con la tensión (V_s) de dicho condensador (C_in), comprendiendo el método cambiar dinámicamente dicha tensión de referencia, mediante un microcontrolador, para determinar los intervalos de tiempo T₁ y T₂ y calcular el factor L≡(V_m2T₁-V_m1T₂).

4. Circuito para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores de energía, caracterizado porque comprende un sistema de control previsto para implementar el método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con el fin de controlar un convertidor conmutado, situado entre un transductor de energía y una carga, para transferir energía desde dicho transductor de energía a dicha carga.

5. Circuito según la reivindicación 4, caracterizado porque dicho sistema de control está previsto para implementar el método según la reivindicación 3, comprendiendo dicho sistema de control:

• un temporizador para medir dichos tiempos T₁ y T₂;

• un conversor digital analógico que proporciona una tensión de referencia;

• un comprador de tensión (CMP₁) con una de sus entradas conectada a la salida de dicho conversor digital analógico y otra de sus entradas en conexión con uno de los terminales de dicho condensador (C_in), estando dicho comparador de tensión (CMP₁) previsto para comparar dicha tensión de referencia con la caída de tensión (V_s) del condensador (C_in);

• un puerto de entrada digital y un puerto de salida digital;

• un microcontrolador en conexión con:

- la salida de dicho comparador de tensión (CMP₁), a través de dicho puerto de entrada digital, para recibir la señal fruto de dicha comparación,

- dicho temporizador, para conocer los tiempos medidos T₁ y T₂,

- dicho conversor digital analógico, para controlarlo para cambiar dicha tensión de referencia dinámicamente con el fin de determinar los intervalos de tiempo T₁ y T₂, y

- dicho puerto de salida digital, el cual está en conexión con dicho convertidor conmutado, estando el microcontrolador previsto para habilitar o deshabilitar el convertidor conmutado a través de dicho puerto de salida digital.

6. Circuito según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho microncontrolador incorpora a dicho temporizador, a dicho conversor digital analógico, a dicho puerto de entrada digital y a dicho puerto de salida digital.

7. Circuito según la reivindicación 4, caracterizado porque dicho sistema de control está previsto para implementar el método según la reivindicación 2, comprendiendo dicho sistema de control:

• un primer interruptor (SW₁) activable para conectar a un terminal de salida dicha tensión V_h;

• un segundo interruptor (SW₂) activable de manera selectiva para conectar a un terminal de salida, alternativamente, dicha tensión de control V_mc o una tensión -V_mc;

• un comparador de histéresis (CMP₄) dispuesto para comparar la caída de tensión (V_s) del condensador (C_in) con dichos valores umbrales (V_TH, V_TL) y, como resultado de dicha comparación, activar, a través de su salida, dicho convertidor conmutado durante un tiempo determinado (T_Desc) de descarga del condensador (C_in).

• un primer comparador (CMP₁) dispuesto para comparar la caída de tensión (V_s) del condensador (C_in) con V_mc-2V_h, y un tercer comparador (CMP₂) dispuesto para comparar la caída de tensión (V_s) del condensador (C_in) con V_mc+2V_h, estando dichos primer y tercer comparadores (CMP₁, CMP₃) previstos para, cuando la caída de tensión (V_s) del condensador (C_in) se encuentra entre V_mc-2V_h y V_mc+2V_h, suministrar una señal de salida que, junto con una respectiva señal de salida suministrada por dicho comparador de histéresis (CMP₄) durante los intervalos de tiempo T₁ y T₂, habilite dicho segundo interruptor (SW₂) y haga que dicho primer interruptor (SW₁) conecte su terminal salida a la tensión V_h;

• un segundo comparador (CMP₂) dispuesto para comparar la caída de tensión (V_s) del condensador (C_in) con V_mc, y previsto para hacer conmutar a dicho segundo interruptor (SW₂) entre dichas tensiones V_mc y -V_mc, en función del resultado de dicha comparación;

• un sumador conectado a los terminales de salida de dichos primer (SW₁) y segundo (SW₂) interruptores y previsto para sumar las tensiones existentes en los mismos y suministrar el resultado de dicha suma por su salida;

• un integrador con su entrada conectada a la salida del sumador y previsto integrar las señales de salida de los interruptores (SW₁, SW₂), sumadas por el sumador, dando lugar a una señal V|NT suministrada por su salida;

• un circuito de muestreo y retención con una entrada conectada a la salida de dicho integrador y previsto para muestrear la señal V_INT al final de un tiempo de carga (T_Carga) del condensador (C_in), proporcionando un nuevo valor de V_mc; y

• un circuito con una entrada conectada a la salida de dicho circuito de muestreo y retención y previsto para proporcionar a partir de dicho nuevo valor de V_mc los nuevos valores V_mc-2V_h y V_mc+2V_h.

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