BR112015028865B1 - Sistema de alimentação para conversores eletrônicos e método para acionar o sistema - Google Patents

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Julián Balda Belzunegui
Roberto González Senosiáin
Luis PÉREZ NICUESA
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Abstract

sistema e método de alimentação para conversores eletrônicos. o objeto da invenção é proporcionar um sistema e um método de alimentação para os diversos elementos que formam os conversores eletrônicos de potência cc/ca que garanta o funcionamento dos conversores durante condições de funcionamento normal e condições de funcionamento anormal, estando especialmente desenhado para sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica e capaz de proporcionar à sua saída tensões contínuas e alternadas a partir de pelo menos uma fonte de energia cc (1) e pelo menos uma fonte de energia ca (2), que basicamente compreende uma saída para cargas cc (6) conectada à saída de um conversor cc/cc (3), cuja entrada está conectada à fonte de energia cc (1), uma saída ca para cargas críticas (7) conectada a um primeiro seletor (5) configurado para alternar entre uma primeira posição onde a dita saída ca para cargas críticas (7) está conectada à saída de um primeiro conversor cc/ca (4), cuja entrada está conectada à fonte de energia cc (1), e uma segunda posição onde a dita saída ca para cargas críticas (7) está conectada à fonte de energia ca (2), uma saída ca para cargas não críticas (8) conectada à fonte de energia ca (2) e uma unidade de controle (9) que controla o funcionamento do dito primeiro seletor (5).

Description

OBJETIVO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção tem seu principal campo de aplicação na indústria destinada ao desenho de dispositivos eletrônicos e, mais particularmente, aos concebidos dentro do sector dos conversores eletrônicos de potência para energia solar fotovoltaica.
[002] O objetivo da invenção é fornecer um sistema de alimentação para diversos elementos que formam os conversores eletrônicos de potência CC/CA (CC- corrente continua-, CA—corrente alternada), que garanta o funcionamento dos conversores durante condições de funcionamento normal e condições de funcionamento anormal, especialmente desenhada para sistemas fotovoltaicos conectados à rede eléctrica, caracterizado por sua robustez, simplicidade, segurança, flexibilidade, baixo custo e baixa manutenção.
ANTECEDENTES
[003] As instalações fotovoltaicas de conexão à rede estão formadas por um conjunto de módulos fotovoltaicos (gerador fotovoltaico) e um conversor eletrônico de potência CC/CA, também denominado inversor, que acondiciona a energia produzida pelos módulos fotovoltaicos e a injeta à rede elétrica.
[004] O inversor converte a energia de corrente continua (CC) que gera os módulos fotovoltaicos a corrente alternada (CA). Os inversores são conversores eletrônicos de potência formados por diferentes elementos. De maneira geral, ditos elementos podem ser: uma etapa de potência (onde se realiza a conversão de corrente continua a alternada), uma etapa de filtragem, dispositivos de controle, elementos de sensor, fontes de alimentação, proteções, relé para as monitorizações, relé ou contator de conexão à rede e ventiladores, entre outros.
[005] Para alimentar os diferentes elementos que formam o conversor, no estado da técnica se encontram diferentes opções. Uma delas consiste em alimentar os dispositivos de controle e elementos de sensor desde uma fonte de alimentação CC/CC que toma energia do gerador fotovoltaico. O resto de elementos de maior potência, como podem ser os contatores, relé para a monitorização, ventiladores, etc., se alimentam em corrente alternada (CA) desde a rede de fornecimento, já que geralmente estão desenhados para sua alimentação alternada.
[006] As regulações de conexão à rede de inversores fotovoltaicos, incluem a necessidade de que os inversores permaneçam conectados à rede durante faltas de tensão, garantindo a continuidade de fornecimento e, portanto, a estabilidade do sistema.
[007] Nos inversores com sistemas de alimentação desde a rede de alternada uma falta de tensão provoca uma falta de alimentação dos elementos e, no caso em que os elementos alimentados sejam contatores, a abertura dos mesmos. Se concretamente se trata do contator de conexão à rede, se provocará a desconexão do inversor à rede, não cumprindo o estabelecido nas relações.
[008] Para solucionar este problema no estado da técnica se encontram diferentes soluções.
[009] A primeira delas consiste em adicionar ao conversor sistemas de alimentação ininterrupta que garanta a continuidade de fornecimento. No entanto, ditos sistemas incorporam baterias que encarecem o sistema e sua manutenção, sendo ao mesmo tempo pouco robusto.
[010] A segunda consiste em incorporar baterias de condensadores, armazenando energia que será posteriormente utilizada para alimentar os distintos elementos durante o transcurso da falta de rede. O principal inconveniente é que este sistema se deve desenhar tendo em conta o tempo máximo da falta de tensão. Nas atuais regulações, segundo os diferentes requerimentos dos países, estes tempos variam porque o desenho de uma solução universal é difícil. Além disso, nesta solução a relação entre energia e volume ocupado é baixa, porque é necessário destinar um grande espaço para as baterias de condensadores dentro do conversor.
[011] Outra opção consiste em substituir os contatores por seccionadores monitorados. Estes elementos comutam seu estado de aberto a fechado e vice- versa quando se lhe aplica um sinal ao motor que os governa. No caso em que a alimentação auxiliar falte de forma permanente e seja necessário trocar de estado, não será possível e não se cumpririam os requerimentos das regulações que obrigam a desconexão perante uma falta de tensão ou perda da rede de fornecimento.
[012] Por último, na bibliografia também pode ser encontrado sistemas que se alimentam em sua totalidade desde o lado contínuo, isto é, desde o gerador fotovoltaico. Isto implica, por um lado, uma etapa de conversão CC/CC de potência média, diminuindo a eficiência do sistema e aumentado o custo final do conversor.
[013] A presente invenção apresenta um sistema de alimentação que proporciona saídas diferenciadas para diferentes tipos de cargas:
[014] Carga crítica: aquela na qual não se pode cessar seu fornecimento de energia para um correto funcionamento do equipamento, isto é, CC ou CA, como por exemplo os controles, captadores e elementos de conexão à rede como contatores.
[015] Carga não crítica: aquela na qual pode cessar seu fornecimento de energia. Se trata de elementos que podem ser desconectados temporalmente, como por exemplo, durante uma falta de rede, devido ao fato que sua ausência durante um tempo pequeno não tem repercussão sobre o correto funcionamento do sistema. Um exemplo disto seriam os ventiladores de refrigeração, onde o aumento da temperatura do sistema não se vê alterado durante uma falta de rede.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[016] A invenção proposta consiste em um sistema de alimentação para conversores eletrônicos de potência capaz de proporcionar a sua saída tensões continua e alternada. O sistema toma a energia de uma fonte de energia CC, por exemplo, um gerador fotovoltaico e uma fonte de energia CA, por exemplo, a rede elétrica. A invenção proposta, tem diferentes saídas que podem ser de CC e CA, o que permite atribuir cargas críticas ou não críticas a cada uma delas.
[017] O sistema está formado por uma fonte de energia CC a qual se conectam dois conversores, um conversor CC/CC e um primeiro conversor CC/CA.
[018] O conversor CC/CC pode apresentar vários níveis de tensão de saída, por exemplo, +5 V, -5 V, +12 V.
[019] As saídas CA podem ser monofásicas e/ou trifásicas.
[020] O sistema apresenta ao menos uma saída para cargas CC que é conectada à saída do conversor CC/CC.
[021] O sistema apresenta ao menos duas saídas CA:
[022] Ao menos uma saída CA para cargas críticas que pode ser conectada ao primeiro conversor CC/CA ou a fonte de energia CA.
[023] Ao menos uma saída CA para cargas não críticas que está conectada à fonte de energia CA.
[024] O sistema apresenta ao menos uma unidade de controle que seleciona a fonte de energia usada para a saída CA para cargas críticas em função da disponibilidade das fontes de energia nas entradas do sistema. Em um estado de funcionamento, a saída CA para cargas críticas é alimentada desde a fonte de energia CA. Em outro estado de funcionamento, a saída CA para cargas críticas é alimentada desde a fonte de energia CC através do primeiro conversor CC/CA. Um primeiro seletor é aquele que alimenta a saída CA para cargas críticas desde a fonte de energia CA ou desde a fonte de energia CC através do primeiro conversor CC/CA. O primeiro seletor é selecionado entre dispositivos mecânicos, comutadores, diodos, etc.
[025] A saída CA para cargas não críticas se alimenta a partir da fonte de energia CA.
[026] Em uma realização preferida da invenção, a unidade de controle está integrada ao primeiro conversor CC/CA e controla o funcionamento do primeiro seletor para selecionar a partir de onde se alimenta a saída CA para cargas críticas em função da disponibilidade da fonte de energia CC e da fonte de energia CA. Se, por exemplo, a fonte de energia CC é um gerador fotovoltaico, à noite não fornece energia e a saída CA para cargas críticas se alimenta diretamente da fonte de energia CA (por exemplo, a rede de CA). Enquanto que quando o gerador fotovoltaico é capaz de fornecer energia à saída CA para cargas críticas, troca a posição do primeiro seletor para alimentar dita saída através do primeiro conversor CC/CA. Uma das vantagens deste sistema é que o comportamento do sistema é independente das flutuações da rede elétrica, por exemplo, quedas de tensão.
[027] Em uma segunda realização preferida similar à primeira, se inclui ainda um primeiro conversor CA/CC que se conecta entre a saída CA para cargas críticas e a saída para cargas CC, proporcionando energia na saída para cargas CC desde a saída CA para cargas críticas.
[028] Em uma terceira realização preferida similar à primeira, no lugar de uma única saída para cargas CC se inclui ao menos uma saída CC para cargas não críticas e ao menos uma saída CC para cargas críticas. Também se inclui um segundo conversor CA/CC que se conecta entre a fonte de energia CA e a saída CC para cargas não críticas, podendo proporcionar energia também à saída CC para cargas críticas a partir da fonte de energia CA segundo o controle que exerce a unidade de controle. Para isso, se dispõe de um segundo seletor que permite alimentar a saída CC para cargas críticas a partir do conversor CC/CC ou a partir do segundo conversor CA/CC. O segundo seletor é selecionado dentre dispositivos mecânicos, comutadores, diodos, etc.
[029] Uma quarta realização preferida similar à terceira ainda compreende um segundo conversor CC/CA adicional cujo lado CC está conectado à saída do conversor CC/CC e cujo lado CA está conectado na saída CA para cargas críticas.
[030] Se consegue assim um sistema robusto, que permite reduzir o custo, melhorar o rendimento e aumentar a flexibilidade do sistema, graças a sua simples instalação, frente a outras propostas. Com este sistema, é possível utilizar contatores e elementos de controle e monitorização em CC atualmente muito estendidos no mercado.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[031] Para complementar a descrição que se está realizando e com objeto de ajudar a uma melhor compreensão das características da invenção, de acordo com um exemplo preferido de realização prática do mesmo, se acompanha como parte integrante de dita descrição, um jogo de desenhos onde com carácter ilustrativo e não limitativo, foi representado o seguinte:
[032] Figura 1. Mostra um esquema simplificado do sistema da invenção proposta conforme uma primeira realização preferida da invenção.
[033] Figura 2. Mostra um esquema simplificado do sistema da invenção proposta conforme uma segunda realização preferida da invenção.
[034] Figura 3. Mostra um esquema simplificado do sistema da invenção proposta conforme uma terceira realização preferida da invenção.
[035] Figura 4. Mostra um esquema simplificado do sistema da invenção proposta conforme uma quarta realização preferida da invenção.
REALIZAÇÃO PREFERIDA DA INVENÇÃO
[036] Na fig. 1 se representa uma realização preferida do sistema da invenção proposta. Uma entrada ao sistema é uma fonte de energia CC (1), que pode ser por exemplo um painel fotovoltaico, e a outra entrada do sistema é uma fonte de energia CA (2), que pode ser por exemplo a rede eléctrica. A fonte de energia de CC (1) é conectada à entrada de um conversor CC/CC (3). A saída para cargas CC (6) de dito conversor CC/CC (3) tem capacidade para conectar-se a cargas CC (críticas e/ou não críticas), se trata da saída para cargas CC (6). O sistema conta com duas saídas de cargas CA, uma saída CA para cargas críticas (7) e outra saída CA para cargas não críticas (8). A saída CA para cargas críticas (7) pode ser conectada a um primeiro conversor CC/CA (4) ou a fonte de energia CA (2) segundo a posição de um primeiro seletor (5), estando o primeiro conversor CC/CA (4) conectado por sua vez à fonte de energia CC (1). A saída CA para cargas não críticas (8) se conecta à fonte de energia CA (2). Uma unidade de controle (9) administra o funcionamento do primeiro seletor (5) para selecionar a fonte de energia (1, 2) usada na saída CA para cargas críticas (7).
[037] Assim, se a fonte de energia CC (1) compreende painéis fotovoltaicos, o funcionamento deste sistema seria o seguinte: em funcionamento normal a unidade de controle (9) mantém o primeiro seletor (5) em uma primeira posição correspondente à alimentação da saída CA para cargas críticas (7) desde dita fonte de energia CC (1) através do primeiro conversor CC/CA (4), enquanto que em funcionamento anormal a unidade de controle (9) aciona o primeiro seletor (5) para passar a uma segunda posição correspondente à alimentação da saída CA para cargas críticas (7) diretamente a partir da fonte de energia CA (2).
[038] Se define funcionamento normal quando a fonte de energia CC (1) está disponível, e o primeiro conversor CC/CA (4) funciona. Se define funcionamento anormal quando não se cumpre ao menos uma das condições que definem o funcionamento normal.
[039] Na fig. 2 se representa uma realização preferida da invenção na qual ao sistema da fig. 1 se adiciona um primeiro conversor CA/CC (10) conectado entre a saída CA para cargas críticas (7) e a saída para cargas CC (6). Assim, de um modo similar ao descrito anteriormente, em funcionamento normal a unidade de controle (9) mantém o primeiro seletor (5) em uma primeira posição na qual a saída CA para cargas críticas (7) é alimentada através do primeiro conversor CC/CA (4). A saída para cargas CC (6) é alimentada tanto através do conversor CC/CC (3) quanto através do primeiro conversor CA/CC (10). Durante funcionamento anormal, o primeiro seletor (5) comuta uma segunda posição onde se alimenta a saída CA para cargas críticas (7) diretamente desde a fonte de energia CA (2), e a saída para cargas CC (6) é alimentada tanto através do conversor CC/CC (3) quanto através do primeiro conversor CA/CC (10).
[040] Uma das vantagens que se obtém com a realização preferida da fig. 2 é que em caso de que a fonte de energia CC (1) não esteja disponível, a saída para cargas CC (6) é alimentada desde a fonte de energia CA (2) através do primeiro conversor CA/CC (10).
[041] Outra opção que permite alimentar a saída para cargas CC (6) desde a fonte de energia CA (2) corresponde a uma realização preferida da invenção representada na fig. 3 que compreende ao menos uma saída CC para cargas críticas (11) e uma saída CC para cargas não críticas (14). Neste caso, além dos elementos representados na fig. 1, o sistema compreende um segundo conversor CA/CC (12) que se conecta à fonte de energia CA (2). A saída de dito segundo conversor CA/CC (12) está conectada à saída CC para cargas não críticas (14) e, em função da posição de um segundo seletor (13), também a saída CC para cargas críticas (11). A saída CC para cargas críticas (11) pode ser conectada tanto ao segundo conversor CA/CC (12) quanto ao conversor CC/CC (3). A unidade de controle (9) será a encarregada de administrar o funcionamento do segundo seletor (13) para a conexão da saída CC para cargas críticas (11) ao segundo conversor CA/CC (12) ou então ao conversor CC/CC (3).
[042] Deste modo, o funcionamento do sistema pode ser similar ao descrito com relação à fig. 1. Em funcionamento normal, a unidade de controle (9) ordena ao primeiro seletor e ao segundo seletor (5, 13) que adotem uma primeira posição correspondente à alimentação da saída CC para cargas críticas (11) e da saída CA para cargas críticas (7) a partir da fonte de energia CC (1). Em outras palavras, o primeiro seletor (5) está em uma primeira posição correspondente à conexão da fonte de energia CC (1) com a saída CA para cargas críticas (7) através do primeiro conversor CC/CA (4) e o segundo seletor (13) está em uma primeira posição correspondente à conexão da fonte de energia CC (1) com a saída CC para cargas críticas (11) através do conversor CC/CC (3). Em caso de funcionamento anormal (por exemplo, não está disponível a fonte de energia CC), a unidade de controle (9) ordena ao primeiro seletor (5) e ao segundo seletor (13) que adotem uma segunda posição correspondente a alimentação da saída CC para cargas críticas (11) e da saída CA para cargas críticas (7) desde dita fonte de energia CA (2). Em outras palavras, o primeiro seletor (5) passa a uma segunda posição correspondente à conexão direta da fonte de energia CA (2) com a saída CA para cargas críticas (7) e o segundo seletor (13) passa a uma segunda posição correspondente à conexão da fonte de energia CA (2) com a saída CC para cargas críticas (11) através do segundo conversor CA/CC (12).
[043] Neste caso, se define funcionamento normal quando a fonte de energia CC (1) está disponível, e o primeiro conversor CC/CA (4) e o conversor CC/CC (3) funcionam. Se define funcionamento anormal quando não se cumpre ao menos uma das condições que definem o funcionamento normal.
[044] O sistema representado na fig. 4 é similar ao descrito na fig. 3 mais também compreende um segundo conversor CC/CA (15) conectado entre a saída do conversor CC/CC (3) e a saída CA para cargas críticas (7). Além disso, igual ao sistema descrito na fig. 3, o sistema da fig. 4 inclui um segundo conversor CA/CC (12) que se conecta entre a fonte de energia CA (2) e a saída CC para cargas não críticas (14). Além disso, a saída CC para cargas críticas (11) pode conectar-se tanto à saída CC do segundo conversor CA/CC (12) quanto à saída CC do conversor CC/CC (3). Uma unidade de controle (9) administra o funcionamento do segundo seletor (13) de modo que a saída CC para cargas críticas (11) pode ser alimentada desde dito segundo conversor CA/CC (12) ou desde o conversor CC/CC (3).
[045] Preferencialmente, em qualquer das configurações descritas neste documento se contempla que a unidade de controle esteja integrada no primeiro conversor CC/CA (4), no segundo conversor CC/CA (15), no conversor CC/CC (3), ou no segundo conversor CA/CC (12).
[046] Com relação ao sistema representado na fig. 3, o sistema da fig. 4 proporciona redundância. Por exemplo, em caso de falha da fonte de energia CC (1) e do segundo conversor CA/CC (12), a saída de CC para cargas críticas (11) é alimentada desde a fonte de energia CA (2) através do segundo conversor CC/CA (15).
[047] O sistema proposto na presente invenção inclui, em uma realização preferida, que a fonte de energia CC (1) é um gerador fotovoltaico ou um sistema de armazenamento de energia, tal como baterias, ultra capacitores ou pilhas de combustível, entre outros.

Claims (6)

1. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO PARA CONVERSORES ELETRÔNICOS, capaz de proporcionar à sua saída, tensões contínuas e alternadas a partir de pelo menos uma fonte de energia CC (1) e pelo menos uma fonte de energia CA (2), a fonte de energia CC sendo um gerador fotovoltaico e o sistema de alimentação caracterizado por compreender: - uma saída para cargas CC (6) conectada à saída de um conversor CC/CC (3), cuja entrada está conectada à fonte de energia CC (1), - uma saída CA para cargas críticas (7) conectada a um primeiro seletor (5) configurado para alternar entre uma primeira posição onde a dita saída CA para cargas críticas (7) está conectada à saída de um primeiro conversor CC/CA (4), cuja entrada está conectada à fonte de energia CC (1), e uma segunda posição onde a dita saída CA para cargas críticas (7) está conectada à fonte de energia CA (2), - uma saída CA para cargas não críticas (8) conectada à fonte de energia CA (2), - uma unidade de controle (9) que controla o funcionamento do dito primeiro seletor (5), e - um primeiro conversor CA/CC (10), cuja entrada está conectada à saída CA para cargas críticas (7), e cuja saída está conectada à saída para cargas CC (6).
2. SISTEMA, de acordo a reivindicação 1, caracterizado pela unidade de controle (9) estar integrada no primeiro conversor CC/CA (4), no segundo conversor CC/CA (15), no conversor CC/CC (3), ou no segundo conversor CA/CC (12).
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fonte de energia CA (2) ser a rede elétrica.
4. MÉTODO PARA ACIONAR O SISTEMA, conforme definido pela reivindicação 1, caracterizado por compreender: - em condições de funcionamento normal, a unidade de controle (9) mantém o primeiro seletor (5) em uma primeira posição correspondente à alimentação da saída CA para cargas críticas (7) desde a fonte de energia CC (1) através do primeiro conversor CC/CA (4); e - em condições de funcionamento anormal, a unidade de controle (9) aciona o primeiro seletor (5) para passar a uma segunda posição correspondente à alimentação da saída CA para cargas críticas (7) diretamente desde a fonte de energia CA (2).
5. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO PARA CONVERSORES ELETRÔNICOS, capaz de proporcionar à sua saída, tensões contínuas e alternadas a partir de pelo menos uma fonte de energia CC (1) e pelo menos uma fonte de energia CA (2), a fonte de energia CC sendo um gerador fotovoltaico e o sistema de alimentação_caracterizado por compreender: uma saída para cargas CC (6) conectada à saída de um conversor CC/CC (3), cuja entrada está conectada à fonte de energia CC (1), uma saída CA para cargas críticas (7) conectada a um primeiro seletor (5) configurado para alternar entre uma primeira posição, onde a dita saída CA para cargas críticas (7) está conectada à saída de um primeiro conversor CC/CA (4), cuja entrada está conectada à fonte de energia CC (1) e uma segunda posição, onde a dita saída CA para cargas críticas (7) está conectada à fonte de energia CA (2), uma saída CA para cargas não críticas (8) conectada à fonte de energia CA (2), uma unidade de controle (9) que controla o funcionamento do dito primeiro seletor (5), - uma saída CC para cargas críticas (11) conectada a um segundo seletor (13) configurado para alternar entre uma primeira posição, onde a dita saída CC para cargas críticas (11) está conectada à saída do conversor CC/CC (3), cuja entrada está conectada à fonte de energia CC (1) e uma segunda posição, onde a dita saída CC para cargas críticas (11) está conectada à saída de um segundo conversor CA/CC (12), cuja entrada está conectada à fonte de energia CA (2), uma saída CC para cargas não críticas (14) conectada à saída do segundo conversor CA/CC (12), onde a unidade de controle (9) controla ainda o funcionamento do dito segundo seletor (13); e um segundo conversor CC/CA (15), cujo lado CC está conectado à saída do conversor CC/CC (3), e cujo lado CA está conectado à saída CA para cargas críticas (7).
6. MÉTODO PARA ACIONAR O SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender: - em condições de funcionamento normal, a unidade de controle (9) mantém o primeiro seletor (5) em uma primeira posição correspondente à alimentação da saída CA para cargas críticas (7) desde a fonte de energia CC (1) através do primeiro conversor CC/CA (4), e o segundo seletor (13) em uma primeira posição correspondente à conexão da fonte de energia CC (1) com a saída CC para cargas críticas (11) através do conversor CC/CC (3); e - em condições anormais de funcionamento, a unidade de controle (9) aciona o primeiro seletor (5) para passar a uma segunda posição correspondente à alimentação da saída CA para cargas críticas (7) diretamente desde a fonte de energia CA (2), e o segundo seletor (13) para passar a uma segunda posição correspondente à alimentação da saída CC para cargas críticas (11) desde a fonte de energia CA (2) através do segundo conversor CA/CC (12).
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