BR112016015798B1 - Sistema de armazenamento de energia híbrido e método de controle de duas ou mais unidades de armazenamento de energia em um sistema de armazenamento de energia híbrido - Google Patents

Abstract

método e aparelho para controlar um sistema de armazenamento de energia híbrido. em um aspecto dos ensinamentos aqui, um aparelho de controle (30) e método de controle correspondente usam filtragem por unidade em uma pluralidade de controladores de compartilhamento de potência (32 1-n), para obter um sinal de comando de compartilhamento de potência para os respectivos dentre uma pluralidade de unidades de armazenamento de energia (22 1-n) diferentes em um sistema de armazenamento de energia híbrido. o sistema de armazenamento de energia híbrido inclui dois ou mais tipos de unidades de armazenamento de energia e o sinal de comando de compartilhamento de potência para cada unidade de armazenamento de energia é obtido filtrando-se um sinal de entrada com o uso de um filtro que tem uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade de armazenamento de energia. o sinal de entrada reflete variações de carga na rede elétrica (10) e pode ser gerado localmente ou fornecido por um nó remoto. embora os ciclos de controle de compartilhamento de potência usados para cada unidade de armazenamento de energia possam ser vantajosamente os mesmos em termos de arquitetura e implantação, cada um dos ciclos usa valores adequados e possivelmente individualizados de filtragem dedicada de um ou mais dos outros parâmetros de controle, para que cada unidade de armazenamento de energia seja operada de modo que complemente suas características de armazenamento de energia.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[001] A presente invenção geralmente se refere a sistemas de armazenamento de energia, e se refere particularmente a sistemas de armazenamento de energia híbridos que envolvem dois ou mais tipos de unidades de armazenamento de energia.

ANTECEDENTES

[002] As redes elétricas híbridas, que incluem as redes elétricas localizadas a bordo usadas em veículos marítimos, representam uma área de interesse crescente e rápido desenvolvimento, não apenas devido ao fato de essas redes poderem reduzir significativamente emissões de gás causadores do efeito estufa como consequência de sua eficácia potencialmente maior. Nesse contexto, uma rede elétrica "híbrida" inclui uma ou mais fontes de geração e um ou mais sistemas de armazenamento de energia. O(s) sistema(s) de armazenamento de energia fornece(m) um mecanismo para armazenar parte da energia produzida pela(s) fonte(s) de geração e/ou obtida através de um ou mais processos regenerativos, e para fornecer parte ou toda a energia armazenada à rede, por exemplo, para corresponder a demandas de carregamento de pico e/ou para suavizar as variações de demanda impostas na(s) fonte(s) de geração.

[003] Quando uma rede elétrica híbrida incluir mais de um tipo de unidade de armazenamento de energia, por exemplo, uma unidade de armazenamento de energia com base em bateria e uma unidade de armazenamento de energia com base em capacitor, o sistema de armazenamento de energia, representado por esses diferentes tipos de unidades de armazenamento de energia, pode ser referido como um sistema de armazenamento de energia híbrido. Embora o uso de diferentes tipos de unidades de armazenamento de energia em um sistema de armazenamento de energia híbrido ofereça a promessa de maior eficácia de sistema ou, pelo menos, flexibilidade operacional maior, esses benefícios se dão à custa de complexidade aumentada. Posto de modo simples, os benefícios prometidos não são obtidos sem o controle inteligente do sistema de armazenamento de energia híbrido. Além disso, existe um risco real de que a complexidade aumentada e/ou o custo do controle de sistemas de armazenamento de energia híbridos pesem sobre os benefícios potenciais de tais sistemas.

[004] Por exemplo, abordagens conhecidas ao controle de compartilhamento de potência para sistemas de armazenamento de energia híbridos se estendem a casos que envolvem unidades de armazenamento de energia de dois tipos diferentes. O controle nesse contexto convencional tem base em medições tanto de potência de carga quanto em corrente de carga e essas medições são frequentemente difíceis de obter quando a rede elétrica híbrida inclui cargas distribuídas. Essas desvantagens, não obstante, de abordagens conhecidas incluem filtrar um sinal de medição para obter um componente de sinal filtrado para controlar uma unidade de armazenamento de energia de um primeiro tipo, e um componente de sinal restante para controlar uma unidade de armazenamento de energia de um segundo tipo.

[005] Embora a abordagem acima seja eficaz nos contextos limitados em que a mesma é aplicada, a mesma não é prontamente adaptável a sistemas de armazenamento de energia híbridos que envolvam múltiplos tipos de unidades de armazenamento de energia. Além disso, a abordagem convencional acima é mal adequada para sistemas de armazenamento de energia híbridos que envolvam cargas distribuídas, possivelmente em barramentos diferentes, em que as medições de barramento local podem ser críticas para a operação ideal das diversas unidades de armazenamento de energia.

SUMÁRIO

[006] Em um aspecto dos ensinamentos no presente documento, um aparelho de controle e método de controle correspondente usam filtragem por unidade em uma pluralidade de controladores de compartilhamento de potência, para obter um sinal de comando de compartilhamento de potência para os respectivos dentre uma pluralidade de unidades de armazenamento de energia diferentes em um sistema de armazenamento de energia híbrido. O sistema de armazenamento de energia híbrido faz parte de uma rede elétrica híbrida e inclui dois ou mais tipos de unidades de armazenamento de energia. O sinal de comando de compartilhamento de potência para cada unidade de armazenamento de energia é obtido filtrando-se um sinal de entrada com o uso de um filtro que tem uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade de armazenamento de energia. O sinal de entrada reflete variações de carga de rede elétrica e pode ser gerado localmente ou fornecido por outro nó. Embora os circuitos de controle de compartilhamento de potência usados para cada unidade de armazenamento de energia possam ser vantajosamente os mesmos em termos de arquitetura e implantação, cada um dos tais circuitos usa valores adequados e possivelmente individualizados de filtragem dedicada de um ou mais dentre outros parâmetros de controle, para que cada unidade de armazenamento de energia seja operada de modo que complemente suas características de armazenamento de energia.

[007] Em uma modalidade exemplificativa, um aparelho de controle é configurado para controlar um sistema de armazenamento de energia híbrido que inclui duas ou mais unidades de armazenamento de energia associadas a uma rede elétrica que compreende um ou mais barramentos elétricos. Pelo menos duas das unidades de armazenamento de energia têm características diferentes de armazenamento de energia e as diferentes dentre as unidades de armazenamento de energia podem estar associadas ao mesmo barramento elétrico na rede elétrica ou com diferentes barramentos elétricos na rede. O aparelho de controle contemplado inclui um controlador de compartilhamento de potência que corresponde a cada unidade de armazenamento de energia, e um controlador de estado de carregamento que corresponde a cada unidade de armazenamento de energia. Cada controlador de estado de carregamento é configurado para controlar o carregamento e o descarregamento da unidade correspondente de armazenamento de energia através de uma unidade conversora local associada, em resposta a um sinal de comando de compartilhamento de potência gerado pelo controlador correspondente de compartilhamento de potência.

[008] Vantajosamente, o sinal de comando de compartilhamento de potência gerado para o controlador de estado de carregamento de cada unidade de armazenamento de energia é adequado às características da unidade de armazenamento de energia, com base no controlador correspondente de compartilhamento de potência que inclui um circuito de filtro que é configurado para obter um sinal filtrado de entrada, com base na filtragem de um sinal de entrada para o controlador de compartilhamento de potência de acordo com uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade correspondente de armazenamento de energia. O sinal de entrada reflete variações de carga na rede elétrica e, assim, pode ser entendido como uma entrada de controle à qual o controlador de compartilhamento de potência responde dinamicamente. Cada controlador de compartilhamento de potência inclui adicionalmente um circuito de controle configurado para gerar o sinal de comando de compartilhamento de potência como uma combinação do sinal filtrado de entrada e de um sinal de comando de estado estacionário que representa uma condição-alvo de estado estacionário da unidade correspondente de armazenamento de energia.

[009] Em outra modalidade, um método de controle de duas ou mais unidades de armazenamento de energia que tem características diferentes de armazenamento de energia. O método inclui controlar o descarregamento e o carregamento de cada unidade de armazenamento de energia por meio de um controlador de estado de carregamento que é configurado para controlar um conversor que corresponde à unidade de armazenamento de energia em resposta a um sinal de comando de potência de compartilhamento de potência gerado individualmente para a unidade de armazenamento de energia. No presente contexto, a geração individualizada do sinal de comando de potência de compartilhamento de potência para cada unidade de armazenamento de energia inclui obter um sinal de entrada para cada unidade de armazenamento de energia que reflete variações de carga na rede elétrica, filtrar o sinal de entrada para cada unidade de armazenamento de energia por meio de um circuito de filtro que tem uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade de armazenamento de energia, para obter um sinal filtrado de entrada, e combinar o sinal filtrado de entrada para cada unidade de armazenamento de energia com um sinal de comando de estado estacionário para a unidade de armazenamento de energia, sendo que o dito sinal de comando de estado estacionário representa uma condição-alvo de estado estacionário da unidade de armazenamento de energia.

[0010] Certamente, a presente invenção não está limitada aos recursos e vantagens acima. As pessoas versadas na técnica reconhecerão recursos e vantagens adicionais mediante leitura da descrição detalhada a seguir, e mediante a visualização dos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] A Figura 1 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um aparelho de controle para controlar um sistema de armazenamento de energia híbrido.

[0012] As Figuras 2A a 2C são diagramas de bloco do aparelho de controle de acordo com diversas disposições exemplificativas.

[0013] A Figura 3 é um diagrama de blocos de um circuito de compensação de atraso usado em uma ou mais modalidades de um aparelho de controle para controlar um sistema de armazenamento de energia híbrido.

[0014] A Figura 4 é uma plotagem de características exempli- ficativas de filtro, para os filtros sintonizados usados no aparelho de controle ensinado no presente documento.

[0015] A Figura 5 é um fluxograma lógico de uma modalidade de um método de controle de um sistema de armazenamento de energia híbrido, de acordo com o processamento ensinado no presente documento.

[0016] A Figura 6 é um diagrama de blocos de uma modalidade de uma disposição de controlador de compartilhamento de potência e de estado de carregamento, para uma pluralidade de unidades de armazenamento de energia.

[0017] A Figura 7 é um diagrama de blocos de outra modalidade de uma disposição de controlador de compartilhamento de potência e de estado de carregamento, para uma pluralidade de unidades de armazenamento de energia.

[0018] A Figura 8 é um diagrama de blocos de uma modalidade de uma disposição de controlador de compartilhamento de potência e de estado de carregamento, para um supercapacitor e uma bateria como dois tipos diferentes de unidades de armazenamento de energia em um sistema de armazenamento de energia híbrido.

[0019] A Figura 9 é um diagrama de blocos de um sistema de computador configurado para otimizar o controlar conforme fornecido pelo aparelho de controle ensinado no presente documento, para controlar um sistema de armazenamento de energia híbrido.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0020] A Figura 1 ilustra uma rede elétrica híbrida ou sistema 10, que inclui um ou mais barramentos elétricos 12, por exemplo, o barramento de CC 12-1, 12-2. A rede elétrica híbrida 10 inclui adicionalmente uma ou mais fontes de geração 14 e circuitos de acoplamento 16 correspondentes, para acoplar as fontes de geração 14 a um barramento elétrico 12 respectivo, por exemplo, a fonte de geração 14-1 se acopla ao barramento 12-1 através do circuito de acoplamento 16-1, enquanto a fonte de geração 14-2 se acopla ao barramento 12-2 através do circuito de acoplamento 16-2. Para um caso exemplificativo em que um dado barramento elétrico 12 é um barramento de CC, o(s) circuito(s) de acoplamento 16, cada um, compreende um conversor CA/CC. Os circuitos de acoplamento 16 podem ser conectar os seus barramentos elétricos 12 respectivos através de disjuntores de circuito 17.

[0021] Deve ser observado que, quando os sufixos não forem necessários para clareza, qualquer um dos numerais de referência 12, 14 e 16 podem ser usados sem sufixos para referência ao singular ou ao plural. Uma abordagem similar é tomada no restante dessa discussão, em relação a certos outros numerais de referência no presente documento.

[0022] A rede elétrica híbrida 10 fornece potência a uma ou mais cargas 18, e, de interesse particular no presente documento, a rede elétrica híbrida 10 inclui um sistema de armazenamento de energia híbrido 20, que inclui duas ou mais unidades de armazenamento de energia 22, sendo que cada unidade de armazenamento de energia 22 é acoplada a um barramento elétrico 12 respectivo por meio de uma unidade conversora local 24. A título de exemplo não limitante, o diagrama retrata uma quantidade de unidades de armazenamento de energia 22-1 a 22-n, e uma quantidade correspondente de unidades respectivas de conversor local 24-1 a 24-n. No presente contexto, "n" é um número inteiro que tem um valor de dois ou mais.

[0023] Diferentes unidades de armazenamento de energia 22 podem se acoplar ao mesmo barramento elétrico 12 ou a diferentes barramentos elétricos 12 dentro da rede elétrica 10. Dessa forma, será entendido que cada unidade de armazenamento de energia 22 tem um barramento elétrico 12 "correspondente", que é o barramento elétrico 12 na rede elétrica 10 a qual essa unidade de armazenamento de energia 22 particular é acoplada. Diferentes unidades de armazenamento de energia 22 podem ter, portanto, o mesmo barramento elétrico 12 correspondente, ou podem ter diferentes barramentos elétricos 12 correspondentes, dependendo de se os mesmos se acoplam ao mesmo barramento elétrico 12 ou a diferentes barramentos elétricos 12 na rede elétrica 10.

[0024] Adicionalmente, deve ser presumido que pelo menos duas das unidades de armazenamento elétrico 22 são de tipos diferentes — isto é, que pelo menos duas das unidades de armazenamento elétrico 22 usam diferentes tecnologias de armazenamento de energia e, portanto, têm características substancialmente diferentes de armazenamento de energia.

[0025] Sujeito à limitação supracitada, n unidades de armazenamento de energia podem representar até n tecnologias diferentes de armazenamento de energia. Nesse contexto, a atribuição "híbrida" conforme aplicado ao sistema de armazenamento de energia 20 indica o uso de mais de um tipo de tecnologia de armazenamento de energia e a atribuição "híbrida" conforme aplicado à rede elétrica 10 indica o uso de armazenamento de energia em conjunto com a geração de energia.

[0026] De acordo com esta descrição, a rede elétrica 10 inclui, vantajosamente, ou é associada de outro modo a um aparelho de controle 30, que é configurado para controlar cada unidade de armazenamento de energia 22, está de modo adequado a suas características particulares de armazenamento de energia, com base no uso de filtragem de sinal de controle dedicado em relação a cada unidade de armazenamento de energia 22. Conforme será visto, o aparelho de controle 30 prevê controle distribuído robusto, e oferece disposições "em série" ou "em paralelo" dos controladores de compartilhamento de potência 32 e dos controladores de estado de carregamento 34 que formam o aparelho de controle 30. Essa flexibilidade mantém o controle robusto e adequado de cada unidade de armazenamento de energia 22, independentemente de se seus controladores de compartilhamento de potência 32 correspondentes são interconectados em um sentido de controle, e independentemente do fato de os sinais de entrada de controle comum ou localizada são usados para acionar os controladores de compartilhamento de potência 32.

[0027] Para n unidades de armazenamento de energia 22, pelo menos funcionalmente, existem n controladores de compartilhamento de potência 32 e n controladores de estado de carregamento 34, com os respectivos pares dos controladores de compartilhamento de potência 32 e controladores de estado de carregamento 34 que correspondem às respectivas dentre as unidades de armazenamento de energia 22. Adicionalmente, o termo "controlador" conforme usado no contexto dos controladores de compartilhamento de potência 32 e dos controladores de estado de carregamento 34 denota o conjunto de circuito fixo ou programado, junto com quaisquer interfaces de comunicação ou sinalização necessárias, por exemplo, para sinais ou medições de entrada de recebimento, para o intercontrolador que sinaliza entre um controlador de compartilhamento de potência 32 e seu controlador correspondente de estado de carregamento 34, ou para a sinalização de comando/controle proveniente de um dado dente os controladores de estado de carregamento 34 a sua unidade de armazenamento de energia 22 / unidade conversora local 24 respectiva.

[0028] Em pelo menos uma modalidade, o conjunto de circuitos que compreende cada controlador de compartilhamento de potência 32 e seu controlador correspondente de estado de carregamento 34 é implantado de modo programático por meio de um ou mais microprocessadores, DSPs, FPGAs, ASICs ou outro conjunto de circuitos de processamento digital. Esse conjunto de circuitos é configurado pelo menos parcialmente de acordo com a execução de instruções de programa que compreendem um programa de computador armazenado em uma base não transitória em um meio legível por computador que está incluído ou é acessível ao conjunto de circuitos de processamento digital que compreende os controladores 32 e 34.

[0029] Com esses detalhes de implantação não limitante em mente, o aparelho de controle contemplado 30 é configurado para controlar um sistema de armazenamento de energia híbrido 20 que compreende duas ou mais unidades de armazenamento de energia 22. Cada unidade de armazenamento de energia é associada a um barramento elétrico 12 correspondente na eletricidade híbrida e que tem características diferentes de armazenamento de energia. O aparelho de controle 30 inclui um controlador de compartilhamento de potência 32 que corresponde a cada unidade de armazenamento de energia 22. Cada controlador de compartilhamento de potência 32 é configurado para gerar um sinal de comando de compartilhamento de potência. O aparelho de controle 30 inclui adicionalmente um controlador de estado de carregamento 34 que corresponde a cada unidade de armazenamento de energia 22. Cada controlador de estado de carregamento 34 é configurado para controlar o carregamento e o descarregamento da unidade correspondente de armazenamento de energia 22 através de uma unidade conversora local associada 24, em resposta ao sinal de comando de compartilhamento de potência gerado pelo controlador correspondente de compartilhamento de potência 32.

[0030] Como um exemplo não limitante, n igual a dois e o sistema de armazenamento de energia híbrido 20 inclui duas unidades de armazenamento de energia 22, denotadas como 22-1 e 22-2. De modo correspondente, o aparelho de controle 30 inclui um primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1 e um primeiro controlador de estado de carregamento 34-1 correspondente, sendo que ambos correspondem à primeira unidade de armazenamento de energia 22-1. De modo similar, o aparelho de controle 30 nesse caso exemplificativo inclui adicionalmente um segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 e um segundo controlador de estado de carregamento 342 correspondente, sendo que ambos correspondem à segunda unidade de armazenamento de energia 22-2.

[0031] A Figura 2A ilustra detalhes exemplificativos para um dado controlador de compartilhamento de potência 32 e seu controlador correspondente de estado de carregamento 34, sendo que ambos são mostrados em contexto com sua unidade correspondente de armazenamento de energia 22 e sua unidade conversora local associada 24—denotadas como PEC 24, em que PEC significa "conversor eletrônico de potência". A modalidade ilustrada é uma implantação de modo de corrente e, entre outras coisas, essa configuração significa que o sinal de comando de compartilhamento de potência é gerado como um sinal de comando de modo de corrente, para entrada para o controlador de estado de carregamento 34.

[0032] O controlador de compartilhamento de potência 32 exemplificativo inclui um circuito de filtro 40 que é configurado para obter um sinal filtrado de entrada 42, filtrando-se um sinal de entrada 44 ao controlador de compartilhamento de potência 32. A filtragem é realizada de acordo com uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade correspondente de armazenamento de energia 22 e o sinal de entrada 44 reflete as variações de carga na rede elétrica 10. Conforme descrito no presente documento, o sinal de entrada 44 a cada controlador de compartilhamento de potência 32 pode ser derivado pelo controlador de compartilhamento de potência 32 de acordo com as medições de rede local, ou pode ser fornecido por outro controlador de compartilhamento de potência 32, ou pode ser fornecido por algum outro nó remoto, por exemplo, a partir de medições globais de amplitude de sistema, como a carga de sistema geral.

[0033] Em todo o caso, cada controlador de compartilhamento de potência 32 implantado no aparelho de controle 30 inclui vantajosamente um circuito de filtro 40 dedicado que tem sua resposta de filtro adequada às características de armazenamento de energia do tipo de unidade correspondente de armazenamento de energia. Por exemplo, ao considerar uma disposição em que uma primeira unidade de armazenamento de energia 22-1 seja uma unidade de armazenamento de energia com base em supercapacitor e uma segunda unidade de armazenamento de energia 22-2 seja uma unidade de armazenamento de energia com base em bateria. No presente contexto, o circuito de filtro 40 do controlador de compartilhamento de potência 32 que corresponde à unidade de armazenamento de energia com base em supercapacitor é configurado para ter uma resposta de frequência mais alta que o circuito de filtro 40 do controlador de compartilhamento de potência 32 que corresponde à unidade de armazenamento de energia com base em bateria.

[0034] O sinal de entrada 44 representa potência dinâmica, medições de corrente ou tensão para a rede elétrica 10, tais medições podem ser feitas localmente no controlador de compartilhamento de potência 32, ou ser fornecido por outro controlador de compartilhamento de potência 32 ou outro nó, ou ambos. Por sua vez, o sinal filtrado de entrada 42 representa uma versão filtrada das medições de potência, corrente ou tensão dinâmicas que é adequada às respectivas características de armazenamento de energia da unidade correspondente de armazenamento de energia 22.

[0035] Em uma modalidade, o sinal de entrada 44 a cada controlador de compartilhamento de potência 32 compreende um sinal de diferença que representa um sinal de diferença de tensão entre uma tensão de barramento medido da rede elétrica 10 e uma configuração de tensão nominal. Por exemplo, o sinal de diferença pode ser formado como a diferença entre uma configuração de tensão de barramento nominal e um sinal de medição de tensão de barramento obtidos para o barramento elétrico 12 que corresponde à unidade de armazenamento de energia 22 que está associada ao controlador de compartilhamento de potência 32. De modo complementar, um circuito de controle 46 no controlador de compartilhamento de potência 32 é configurado para gerar o sinal de comando de compartilhamento de potência anteriormente mencionado, identificado a partir deste ponto no presente contexto com o numeral de referência "48", como uma combinação do sinal filtrado de entrada 42 e um sinal de comando de estado estacionário 50 que representa uma condição-alvo de estado estacionário da unidade correspondente de armazenamento de energia 22.

[0036] No exemplo não limitante ilustrado, o sinal de comando de compartilhamento de potência 48 é identificado como IES_ref, para denotar que o mesmo é uma referência de controle de modo de corrente para entrada para o controlador de estado de carregamento 34, que é denotado no diagrama como prevendo o controle de baixo nível da unidade conversora local 24, usada para controlar o carregamento e o descarregamento da unidade correspondente de armazenamento de energia 22. Em mais detalhes, um circuito combinante 52 no circuito de controle 46 combina o sinal de comando de estado estacionário 50 com o sinal filtrado de entrada 42, para obter o sinal de comando de compartilhamento de potência 48, que é denotado como 48'.

[0037] No exemplo ilustrado, o sinal 48' é atravessado em um limitador 54 no circuito de controle 46, para obter o sinal de comando de compartilhamento de potência 48, que é sujeito aos limites impostos pelo limitador 54. Dessa forma, em uma ou mais modalidades, o sinal de comando de compartilhamento de potência 48 é obtido combinando- se o sinal filtrado de entrada 42 com um sinal de comando de estado estacionário 50 que representa uma potência-alvo de carregamento ou descarregamento de estado estacionário, uma corrente de carregamento ou descarregamento de estado estacionário, ou um estado de carga de estado estacionário para a unidade correspondente de armazenamento de energia 22, e adicionalmente passando-se o sinal combinado 48' através de um limitador 54.

[0038] O sinal de comando de estado estacionário 50 é emitido de um circuito de comutação 56, que pode ser implantado de modo programático em uma ou mais modalidades. Por exemplo, o circuito de comutação 56 compreende lógica de computador que seleciona o sinal de fonte para emitir para o circuito combinante 52 como o sinal de comando de estado estacionário 50. Nesse exemplo, o circuito de comutação 56 emite o sinal de comando de estado estacionário 50 tanto como um primeiro sinal de comando de entrada 58 ou como um sinal de comando de entrada derivado 60.

[0039] O primeiro sinal de comando de entrada 58, no presente contexto, é um sinal de comando de corrente de estado estacionário denotado como IES*. O "*" denota que o sinal em questão é uma entrada de comando externo ao controlador de compartilhamento de potência 32, e que a notação é usada ao longo de todo o restante desta descrição. O primeiro sinal de comando de entrada 58 no exemplo ilustrado vem de um computador otimizador de custo de combustível ou outro nó 62 que é acoplado de modo comunicativo ao controlador de compartilhamento de potência 32, como por um enlace de Ethernet ou outro enlace de comunicação. Deste ponto em diante, o nó 62 será referido como o nó de otimização de custo 62.

[0040] O sinal de comando de entrada derivado 60 é derivado por um circuito regulador 64 com base em um segundo sinal de comando de entrada 66, que, no presente contexto compreende, um sinal de comando de estado de carga de estado estacionário (SOC) denotado como SOC*, e um sinal de estado de carga medido ou estimado 68 denotado como SOC. De acordo com essa notação, SOC* denota o estado de carga alvo ou desejado para a unidade de armazenamento de energia 22 que corresponde ao controlador de compartilhamento de potência 32, e o SOC denota o estado de carga real — conforme medido ou estimado de outro modo — para a unidade correspondente de armazenamento de energia 22.

[0041] Para essas e outras medições ou estimativas, o controlador de compartilhamento de potência 32 e o controlador de estado de carregamento 34 em uma ou mais modalidades incluem ou estão associadas a uma unidade de medição 70. A unidade de medição 70 inclui, por exemplo, um ou mais circuitos de sensor ou medição, por exemplo, para detecção de potência, corrente e/ou tensão em relação ao barramento elétrico 12 correspondente e/ou para a detecção de potência, corrente, tensão e/ou de estado de carga em relação à unidade de armazenamento de energia 22. Conforme é conhecido pelas pessoas versadas na técnica, tal conjunto de circuitos pode incluir interfaces de amostragens de sinal que têm o conjunto de circuitos de digitalização, para obter valores digitais que representam as medições analógicas que correspondem a uma corrente, tensão, carga, etc. Em geral, pelo menos algumas medições de rede local — por exemplo, quaisquer dentre um ou mais dentre potência, corrente, tensão, estado de carga, etc. — são tomados e alimentados tanto no ciclo de controle de baixo nível implantado pelo controlador de estado de carregamento 34 e o ciclo de controle de compartilhamento de potência implantado pelo controlador de compartilhamento de potência 32.

[0042] Outros detalhes ilustrados incluem um circuito de adaptação de filtro 72, que é implantado em uma ou mais modalidades do controlador de compartilhamento de potência 32 contemplado. O circuito de adaptação de filtro 72 permite que a resposta de filtro do circuito de filtro 40 seja ressintonizada de acordo com a mudança de otimização ou alvos de controle e/ou para ser adequada individualmente às características particulares de armazenamento de energia da unidade individual de armazenamento de energia 22 com a qual o controlador de compartilhamento de potência 32 está associado.

[0043] O circuito de adaptação de filtro 72 exemplificativo inclui um circuito de ajuste 74 que produz sinais de ajuste 76 (ΔK) e 78 (ΔT), que representam ajustes ao ganho de filtro K e à constante de tempo T do circuito de filtro 40. Esses ajustes têm base em, por exemplo, uma pluralidade de sinais de entrada, que incluem: (1) o estado de carga medido ou estimado, o SOC, o sinal anteriormente mencionado 68; (2) um sinal de retroalimentação 80 proveniente da unidade de armazenamento de energia 22; e um ou mais valores configurados máximo ou mínimo. Nas implantações de modo de corrente, o sinal de retroalimentação 80 é denotado como IES_m e representa uma estimativa do IES real proveniente de (ou dentro de) a unidade correspondente de armazenamento de energia 22. Os parâmetros máximo e/ou mínimo incluem valores de SOCmax/min que representam o estado de carga permitido máximo e/ou mínimo para a unidade de armazenamento de energia 22, e, nessa implantação de modo de corrente, os valores max/min que representam limites de magnitude superior e/ou inferior para a corrente de unidade de armazenamento de energia IES.

[0044] Os sinais de ajuste 76 e 78 (ΔK e ΔT) são combinados em um circuito combinante 82 com valores comandados para K e T, denotados no presente contexto como K* e T*, para produzir os valores operacionais de K e T usados pelo circuito de filtro 40. Um otimizador de controle de armazenamento de energia 84 fornece os valores comandados K* e T*, por exemplo. O otimizador de controle de armazenamento de energia 84 pode compreender um computador ou outro nó de rede que seja acoplado de modo comunicativo ao controlador de compartilhamento de potência 32, e pode ser implantado em, ou em conjunto com, o nó de otimização de custo 62 mencionado anteriormente. Deste ponto em diante, o otimizador de controle de armazenamento de energia 84 é referido como o nó de otimização de controle 84.

[0045] Dessa forma, em algumas modalidades, o circuito de filtro 40, em pelo menos um dos controladores de compartilhamento de potência 32, é um circuito de filtro adaptável. Cada circuito de filtro adaptável é configurado para adaptar sua resposta de filtro como uma função de pelo menos um dentre: uma mudança comandada em resposta de frequência, uma mudança comandada em ganho, um sinal de ajuste derivado de uma condição medida de estado estacionário ou de estado de carga da unidade de armazenamento de energia e uma configuração correspondente máxima ou mínima de estado estacionário ou de estado de carga.

[0046] Adicionalmente, os detalhes ilustrados incluem o controlador de estado de carregamento 34 que gera um sinal de controle de conversor 86 por meio de um circuito regulador 88. No presente contexto, o circuito regulador 88 recebe como seus sinais de entrada o sinal de comando de compartilhamento de potência de modo de corrente 48 e o sinal de retroalimentação 80. Nessa modalidade de modo de corrente, o regulador responde ao sinal de comando de compartilhamento de potência 48 como IES_ref e o sinal de retroalimentação 80 como IES_m. Alternativamente, a Figura 2B retrata outra configuração, que tem base em controle e medição de modo de potência, ao invés de controle e medição de modo de corrente.

[0047] Na Figura 2B, todas as anotações de "IES" são substituídas por anotações de "PES", para indicar que os valores de sinal envolvidos são de modo de potência ao invés de modo de corrente. Por exemplo, o primeiro sinal de comando de entrada 58 é um sinal de potência comandado de estado estacionário, denotado por PES*, o sinal de comando de compartilhamento de potência 48 é denotado como PES_ref, etc. No presente contexto, cada controlador de estado de carregamento 34 atua como um controlador de baixo nível que envia sinais de comutação para a unidade conversora local 24, para regular a corrente que tem origem ou está imersa na unidade de armazenamento de energia 22. A regulação da unidade conversora local 24 pelo controlador de estado de carregamento 34 segue o sinal de comando de compartilhamento de potência 48, conforme gerado no ciclo de controle de compartilhamento de potência do controlador correspondente de compartilhamento de potência 32.

[0048] Em mais detalhes, o ciclo de controle de compartilhamento de potência em questão no presente contexto inclui o circuito de filtro 40 anteriormente mencionado—que pode ser um único filtro ou um conjunto de filtros. O circuito de filtro 40 define diferentes ganhos para diferentes faixas de frequência do sinal de entrada 44, que, no presente contexto, podem ser uma medição de potência de carga. O sinal de comando de estado estacionário 50 — no presente contexto, um sinal de potência de estado estacionário — é combinado com o sinal filtrado de entrada 42, para obter o sinal de comando de compartilhamento de potência 48, como um sinal de referência de controle de potência para acionar o controlador de estado de carregamento 34. Como tal, cada unidade de armazenamento de energia 22 responde diferentemente para variações de carga de diferentes frequências, de modo que cada unidade de armazenamento de energia 22 contribui o máximo dentro da(s) faixa(s) de frequência que melhor correspondem às suas características de descarregamento.

[0049] A Figura 2C ilustra ainda outra variação, para uso em modalidades em que um ou mais controladores de compartilhamento de potência 32 toma um sinal de saída 90 gerado a partir de outro controlador de compartilhamento de potência 32, como seu sinal de entrada 44. Dessa forma, o controlador de compartilhamento de potência 32 retratado inclui um circuito combinante 92 que forma o sinal de saída 90 como a diferença entre seu sinal de entrada 44 — que, por si só, pode ser um sinal de saída 90 proveniente de um controlador de compartilhamento de potência 32 logicamente "anterior" — e esse sinal de saída 90 é alimentado como o sinal de entrada 44 a um controlador logicamente "sucessor" de compartilhamento de potência 32. Mesmo no presente contexto, entretanto, será observado que o sinal de entrada 44 para cada controlador de compartilhamento de potência 32 é filtrado vantajosamente por uma função de filtragem dedicada na qual a resposta de filtro é adequada às características de armazenamento de energia da unidade correspondente de armazenamento de energia 22.

[0050] Dessa forma, para pelo menos uma modalidade no presente documento, o sistema de armazenamento de energia híbrido 20 inclui as primeira e segunda unidades de armazenamento de energia 22-1 e 22-2. De modo correspondente, o aparelho de controle 30 compreende um primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1 e um primeiro controlador de estado de carregamento 34-1 que correspondem à primeira unidade de armazenamento de energia 22-1, e um segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 e um segundo controlador de estado de carregamento 34-2 que correspondem à segunda unidade de armazenamento de energia 22-2. Adicionalmente, os primeiro e segundo controladores de compartilhamento de potência 32-1 e 32-2 são acoplados em uma disposição em série, de modo que o sinal de entrada 44 até o segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 seja fornecido como um sinal de saída 90 proveniente do primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1. O primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1, nessa disposição, é configurado para gerar o sinal de saída 90 como a diferença entre o sinal de entrada 44 para o primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1 e o sinal de comando de compartilhamento de potência 48 gerado pelo primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1.

[0051] No exemplo acima, o sinal de entrada 44 até o segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 é alimentado a partir do primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1, e pode existir uma latência de comunicação associada ao mesmo. Como uma consequência dessa disposição, o sinal de entrada 44 até o segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 representa medições ou estimativas remotas para o(s) barramento(s) elétrico(s) 12, que são atrasados ou deslocados em relação às condições locais instantâneas experimentadas pelo segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2, pode uma quantidade que corresponde à latência de comunicação (que pode ser um valor conhecido).

[0052] Para tratar o problema de latência, o circuito de compensação de latência 94, como seria implantado no segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 nesse exemplo, é configurado para compensar pela latência de comunicação. A compensação tem base em previsão de valores do sinal de entrada 44 como uma função de medições de rede local de baixa latência obtidas para a unidade de armazenamento de energia 22-2 que corresponde ao controlador de compartilhamento de potência 32. Essas medições de rede local podem ser obtidas a partir da unidade de medição 70 anteriormente mencionada. Por exemplo, as medições de rede local compreendem potência, corrente, tensão, carga ou outras medições feitas para o barramento elétrico 12 que corresponde à unidade de armazenamento de energia 22.

[0053] Em uma configuração exemplificativa, o circuito de compensação de latência 94 é configurado para adaptar a previsão do sinal de entrada do sujeito 44, com base no rastreamento de diferenças entre valores estimados das medições de rede local, conforme indicado pelo sinal de entrada 44 e valores reais correspondentes das medições de rede local. No presente contexto, será entendido que as medições de rede local em questão serão de qualquer tipo (corrente, potência, etc.) conforme é representado pelo sinal de entrada 44. Adicionalmente, será entendido que o circuito de compensação de latência 94 pode usar medições de rede local proveniente de momentos de amostra que correspondem ao deslocamento ou atraso da latência de comunicação sofrida pelo sinal de entrada 44.

[0054] No contexto da disposição acima e também para disposições que não sejam em série contempladas no presente documento, a Figura 4 ilustra um exemplo de como o uso de filtragem dedicada, por unidade de armazenamento de energia fornece flexibilidade em relação à otimização de controle, entre suas outras vantagens. Pode ser visto que o circuito de filtro 40 conforme usado em qualquer controlador de compartilhamento de potência 32 dado pode usar ganhos diferentes em diferentes faixas de frequência, o que, dessa forma, fornece flexibilidade de sintonização significativa, para adequar o circuito de filtragem 40 às características de armazenamento de energia da unidade correspondente de armazenamento de energia 22.

[0055] No diagrama, uma dada dentre as unidades de armazena mento de energia 22 é denotada como "ESU1", e pode ser visto que existem quatro parâmetros de ganho de filtro K, mostrados como K1 a K4, para quatro faixas de frequência que se sobrepõem parcialmente. A filtragem usada para outras unidades de armazenamento de energia 22 no sistema de armazenamento de energia híbrido 20 pode ser mais ou menos complexa, dependendo de seu tipo. Certamente, será observado que os mesmos parâmetros de filtro podem ser usados, pelo menos inicialmente, para todas as unidades de armazenamento de energia 22 do mesmo tipo — isto é, para todas as unidades de armazenamento de energia 22 que têm as mesmas características de armazenamento de energia. As características de armazenamento de energia exemplificativas incluem, mas não estão limitadas a: níveis de potência permitidos máximo/mínimo, corrente permitida máxima/mínima (dissipador ou fonte), ou outras características de carregamento, como um estado de carga ideal, etc.

[0056] O uso de filtragem dedicada em cada controlador de compartilhamento de potência 32 é um aspecto do fato vantajoso de que cada controlador de compartilhamento de potência 32 é configurado para operar de modo autônomo em relação a outros controladores de compartilhamento de potência 32 no aparelho de controle 30. Essa autonomia permanece se um ou mais dos sinais de entrada 44 para os controladores de compartilhamento de potência 32 representarem o sinal de saída 90 de um controlador de compartilhamento de potência 32 "anterior", ou se o sinal de entrada 44 para cada controlador de compartilhamento de potência 32 for obtido independentemente.

[0057] Certamente, podem existir um computador centralizado ou outro nó de controle, como um controlador de otimização, que define alvos de estado estacionário, etc., para as diversas unidades de armazenamento de energia 22. Adicionalmente, o respectivo sinal de entrada 44 até cada controlador de compartilhamento de potência 32 pode ser obtido como uma entrada de sinal comum a todos os controladores de compartilhamento de potência 32, ou cada controlador de compartilhamento de potência 32 pode obter seu próprio sinal de entrada 44 com base em medições de rede local feitas para cada controlador de compartilhamento de potência 32. Ainda adicionalmente, o sinal de entrada 44 até qualquer controlador dado de compartilhamento de potência 32 pode ser fornecido como um sinal de saída 90 proveniente de um dado outro controlador de compartilhamento de potência 32.

[0058] A Figura 5 ilustra um método 500, por exemplo, conforme pode ser implantado no controlador de compartilhamento de potência 32 e no par de controladores de estado de carregamento 34 com cada unidade de armazenamento de energia 22 e unidade conversora local associada 24 no sistema de armazenamento de energia híbrido 20. O método 500 compreende controlar duas ou mais unidades de armazenamento de energia 22 que têm características diferentes de armazenamento de energia. Cada unidade de armazenamento de energia 22 tem um barramento elétrico 12 correspondente na rede elétrica 10 associada, que inclui o sistema de armazenamento de energia híbrido 20. As unidades de armazenamento de energia 22 podem se acoplar ao mesmo barramento elétrico 12, ou pelo menos dois dos mesmos podem ser acoplar a diferentes barramentos elétricos 12 na rede elétrica 10.

[0059] O método 500 inclui obter um sinal de entrada 44 (Bloco 502) para cada unidade de armazenamento de energia 22. No presente contexto, "obter" pode significar gerar o sinal de entrada 44, por exemplo, com base em medições de rede local, ou receber o sinal de entrada 44 de outro controlador de compartilhamento de potência 32, ou de algum outro nó. Em todo o caso, o sinal de entrada 44 reflete as variações de carga na rede elétrica 10. O método 500 inclui adicionalmente, para cada unidade de armazenamento de energia 22, a filtragem (Bloco 504) do sinal de entrada 44, para obter, dessa forma, um sinal filtrado de entrada 42. A filtragem no presente contexto é adequada, para cada unidade de armazenamento de energia 22, às características de armazenamento de energia da unidade de armazenamento de energia 22.

[0060] O método 500 inclui adicionalmente combinar (Bloco 506) o sinal filtrado de entrada 42 para cada unidade de armazenamento de energia 22 com um sinal de comando de estado estacionário 50 para a unidade de armazenamento de energia 22. O sinal de comando de estado estacionário 50 representa uma condição-alvo de estado estacionário da unidade de armazenamento de energia 22. Ainda adicionalmente, o método 500 inclui controlar (Bloco 508) o descarregamento e o carregamento de cada unidade de armazenamento de energia 22 por meio do controlador correspondente de estado de carregamento 34, que é configurado para controlar uma unidade conversora local 24 associada à unidade de armazenamento de energia 22 correspondente em resposta ao sinal de comando de compartilhamento de potência 48 gerado individualmente para a unidade de armazenamento de energia 22.

[0061] Dessa forma, caso usado para sistemas de potência de CC a bordo ou outras aplicações, o aparelho de controle 30 e o método 500 preveem o uso de filtragem de sinal de entrada dedicado e uma base de unidade de armazenamento por energia, que permite o use de ganhos em diferentes faixas de frequência no ciclo de controle de compartilhamento de potência usado para cada unidade de armazenamento de energia 22, como mostrado na Figura 3. Quando usado em sistemas de potência marítimos de CC, em que geradores a diesel operam em velocidades variáveis para melhorar a eficácia de combustível, o sistema de armazenamento de energia híbrido 20 pode ser usado para melhorar a eficácia de combustível deslocando-se os pontos de operação do diesel e/ou suavizando-se variações de carga, e o aparelho de controle 30 fornece melhor controle otimizado quando o sistema de armazenamento de energia híbrido 20 incluir dois ou mais tipos de unidades de armazenamento de energia 22, como volantes, supercapacitores e baterias, ou mesmo entre diferentes tipos de bateria, como chumbo ácido, íon de lítio, etc.

[0062] Como uma vantagem adicional, apesar das diferentes respostas de frequência ganhas por meio de filtragem adequada, os controladores de compartilhamento de potência 32 podem, todos, implantar ciclos de controle idênticos, apesar de possivelmente com valores diferentes dos parâmetros de controle aplicáveis. Os parâmetros de controle podem ser otimizados online — por exemplo, por um nó de otimização acoplado de modo comunicativo aos controladores de compartilhamento de potência 32 — ou offline. Adicionalmente, conforme observado, os controladores de compartilhamento de potência 32 podem ser conectados em série ou podem não ser interconectados.

[0063] Em algumas modalidades, os controladores de compartilhamento de potência 32 que controlam o mesmo tipo de unidades de armazenamento de energia 22 e/ou são associados ao mesmo barramento elétrico 12 podem ser interconectados em série. Caso interconectados, os controladores de compartilhamento de potência 32 podem ser acoplados de modo comunicativo juntos com o uso de um barramento de comunicação comum, como uma rede Ethernet ou outra interconexão de dados. Os mesmos ou outros enlaces de dados podem ser usados para qualquer um ou mais dentre os seguintes: fornecer valores-alvo de estado estacionário a individuais entre os controladores de compartilhamento de potência 32; fornecer sinais de entrada 44 aos respectivos controladores de compartilhamento de potência 32; reconfigurar parâmetros de controle, por exemplo, adaptação de circuito de filtro; atividades de manutenção, por exemplo, desativação de controladores de compartilhamento de potência 32 associados ao mau funcionamento de unidades de armazenamento de energia 22 ou mau funcionamento de unidades conversoras locais 24.

[0064] A Figura 6 ilustra uma modalidade em que o aparelho de controle 30 é configurado para uma pluralidade de n unidades de armazenamento de energia 22—retratadas no diagrama como Unidade 1 de ES a Unidade n de ES. Cada unidade de armazenamento de energia 22 tem uma unidade conversora local associada 24. Será observado que cada unidade conversora local 24 é controlada por um correspondente dente os controladores de estado de carregamento 341 a 34-n. Por sua vez, cada controlador de estado de carregamento 34 é controlado por um correspondente dentre os controladores de compartilhamento de potência 32-1 a 32-n.

[0065] Na modalidade ilustrada, os controladores de compartilhamento de potência 32-1 a 32-n são interconectados em série em uma ordem que corresponde aos tempos de descarregamento — por exemplo, conforme expresso em razões entre energia e potência — das unidades de armazenamento de energia 22-1 a 22-n correspondentes. Nesse exemplo particular, a primeira unidade de armazenamento de energia 22-1 tem o tempo de descarregamento mais rápido e seu controlador correspondente de compartilhamento de potência 32-1 é o "primeiro" na disposição em série. Como tal, o primeiro controlador de compartilhamento de potência 32-1 gera o sinal de saída 90-1, para ser o usado como o sinal de entrada 44-2 para o segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2, que é associado à unidade de armazenamento de energia 22-2 seguinte mais rápida. Por sua vez, o segundo controlador de compartilhamento de potência 32-2 gera o sinal de saída 90-2, a ser usado como o sinal de entrada 44-3 para o próximo controlador de compartilhamento de potência 32 na série, e assim por diante.

[0066] Essa disposição posiciona o controlador de compartilhamento de potência 32 que corresponde à unidade de armazenamento de energia 22 que tem o tempo de descarga mais curto — por exemplo, a unidade de potência mais intensa — primeiro, e posiciona o controlador de compartilhamento de potência 32 que corresponde à unidade de armazenamento de energia 22 que tem o tempo de descarga mais longo — por exemplo, a unidade de potência menos intensa — por fim, no final da "sequência de controle". O nó de otimização de custo 62, nesse exemplo, é configurado para emitir parâmetros de controle que representam programações de estado estacionário das unidades de armazenamento de energia 22. Esses parâmetros de controle têm base em previsões de carga a longo prazo e, no presente contexto, compreendem valores-alvo de potência de estado estacionário, PES*, para os controladores de compartilhamento de potência 32. Tais valores são mostrados na Figura 2B como um exemplo do primeiro sinal de comando de entrada 58 que pode ser fornecido a cada controlador de compartilhamento de potência 32.

[0067] Deve ser observado que outras modalidades usam dois ou mais sequências de controle — isto é, dois ou mais subconjuntos de controladores de compartilhamento de potência 32 são postos em sequência juntos, com cada um exceto o último controlador de compartilhamento de potência 32 na sequência de controle que fornece um sinal de saída 90, para uso como o sinal de entrada 44 para o próximo controlador de compartilhamento de potência 32 na sequência de controle. Existe, por exemplo, uma sequência de controle para cada subconjunto de unidades de armazenamento de energia 22 do mesmo tipo e/ou uma sequência de controle para cada subconjunto de unidades de armazenamento de energia 22 no mesmo barramento elétrico 12.

[0068] Adicionalmente na Figura 6, o nó de otimização de controle 84 executa um processo de otimização que determina certos parâmetros de controle de compartilhamento de potência com base em previsões de variação de carga a curto prazo. No presente contexto, os parâmetros de controle a curto prazo são valores de ganho comandado e de constante de tempo, K* e T*, a ser usado no circuito de filtro 40 dedicado de cada controlador de compartilhamento de potência 32.

[0069] A Figura 7 ilustra uma disposição que não seja em série de controladores de compartilhamento de potência 32 e seus respectivos controladores de estado de carregamento 34. Cada par de controlador de compartilhamento de potência/controlador de estado de carregamento corresponde a uma das n unidades de armazenamento de energia 22 e sua unidade conversora local associada 24. Em contraste à sequência de controle em série retratada na Figura 6, o sinal de entrada 44 para cada controlador de compartilhamento de potência 32 retratado na Figura 7 é tanto gerado pelo controlador de compartilhamento de potência 32 a partir de medições de rede local, por exemplo, conforme fornecido pela unidade de medição 70 introduzida na Figura 2A, quanto é fornecida ao controlador de compartilhamento de potência 32 a partir de um controle remoto e/ou um sistema de medição.

[0070] A Figura 8 ilustra uma modalidade exemplificativa que envolve as primeira e segunda unidades de armazenamento de energia 22-1 e 22-2, que, no presente contexto, são acopladas ao mesmo barramento elétrico 12 através de unidades respectivas de conversor local 24-1 e 24-2. Mais amplamente, certamente, as unidades de armazenamento de energia diferentes 22 podem ser acopladas a barramentos elétricos 12 iguais ou diferentes, e, assim, podem ser associados a carga(s) 18 iguais ou diferentes e/ou diferentes condições de barramento "localizadas".

[0071] Na disposição exemplificativa, a primeira unidade de armazenamento de energia 22-1 é um supercapacitor e a segunda unidade de armazenamento de energia 22-2 é uma bateria, por exemplo, uma bateria de chumbo ácido ou uma bateria de íon de lítio. Notavelmente, percebe-se a adequação particular dos respectivos circuitos de filtro 40-1 e 40-2, incluídos nos controladores de compartilhamento de potência 32 correspondentes. O circuito de filtro 40-1, por exemplo, tem efetivamente ganho zero (K0 = 0) para uma primeira largura de banda que vai de zero a 1/T1, em que T1 representa o período de uma primeira frequência, um ganho relativamente baixo K1 para uma segunda faixa de frequência mais alta, e um ganho relativamente alto K2 para a faixa de frequência mais alta. Esses ganhos complementam as características de carga/descarga do supercapacitor, e contrastam com os valores de ganho respectivos retratados para a unidade de armazenamento elétrico com base em bateria 22-2.

[0072] A Figura 9 ilustra um nó de controle 100, que pode ser um computador ou outro nó de processamento que tenha uma CPU ou outro circuito de processamento 102, que inclui ou está associado ao armazenamento 104 — por exemplo, algum tipo de meio legível por computador que fornece armazenamento não transitório para um programa de computador 106. O circuito de processamento 102 fornece um ambiente de tempo de execução 108, no qual o mesmo implementa a base de elementos de processamento funcional retratado, por exemplo, em sua execução de instruções de programa proveniente do programa de computador 106. Os elementos de processamento funcional podem ser entendidos como implementação da funcionalidade do nó de otimização de custo 62 e do nó de otimização de controle 84 anteriormente mencionados. Como tal, o nó de controle 100 inclui adicionalmente uma ou mais interfaces de comunicação — por exemplo, uma interface de rede de computador — se comunicar com o aparelho de controle 30.

[0073] Os elementos funcionais 114, 116 e 118 representam a funcionalidade do nó de otimização de custo 62. Esses blocos de processamento incluem um otimizador de custo de combustível 118, que emite valores de comando de estado estacionário para os controladores de compartilhamento de potência 32, com base na consideração de uma quantidade de entradas. Essas entradas incluem um modelo de fluxo de potência, modelos de unidade de armazenamento de energia para os diferentes tipos de unidades de armazenamento de energia 22 implantados no sistema de armazenamento de energia híbrido 20, modelos de gerador para os geradores 14 implantados na rede elétrica 10 e um modelo de custo de combustível. Essas entradas podem ser obtidas por meio da(s) interface(s) de comunicação 110, que podem incluir, por exemplo, acesso à Internet ou outras redes externas, para fornecer informações de mudança de custo de combustível, etc., e que podem incluir uma ou mais interfaces de entrada/saída de arquivos, por exemplo, para acessar bancos de dados locais ou remotos que contém informações de modelagem relevantes.

[0074] Os elementos funcionais 120, 122 e 124 representam a funcionalidade do nó de otimização de controle 84. Esses blocos de processamento incluem um otimizador de controle de ES 124, que emitem parâmetros de controle de compartilhamento de potência — por exemplo, parâmetros de filtro — para os controladores de compartilhamento de potência 32, com base na consideração de uma quantidade de entradas. Essas entradas incluem um modelo de barramento dinâmico, modelos de unidade de armazenamento de energia, modelo(s) de gerador e modelos de controlador, por exemplo, para os controladores de compartilhamento de potência 32 e/ou os controladores de estado de carregamento 34.

[0075] Considere-se um recipiente marítimo como um caso exemplificativo. Para um modo de operação selecionado do recipiente marítimo, previsões de carga de estado estacionário a longo prazo e previsões de variação de carga a curto prazo são obtidas primeiro. Com base nas previsões de carga de estado estacionário, programações ideais de estado estacionário para as unidades de armazenamento de energia 22 são obtidas com o uso do modelo de fluxo de potência de sistema, dos modelos de unidade de armazenamento de energia das características operacionais de diesel, e custo de combustível e curvas de eficácia. Adicionalmente, com base nas variações de carga a curto prazo, um conjunto de parâmetros ideais de controle de compartilhamento de potência — por exemplo, parâmetros de filtro — são obtidos com o uso das dinâmicas de barramento de CC, e dos modelos de unidade de armazenamento de energia, dos modelos de gerador a diesel e dos modelos de controlador.

[0076] Amplamente, o nó de controle 100, ou outro nó, pode operar como um Sistema de Gerenciamento de Potência e Energia ou PEMS de nível superior. O PEMS pode ter enlaces de comunicação ao aparelho de controle contemplado 30, por exemplo, para fornecer sinais de comando otimizados para cada controlador de compartilhamento de potência 32 para valores-alvo de estado estacionário e/ou com definições de filtro otimizado, etc. Certamente, em outras modalidades, os controladores de compartilhamento de potência 32 usaram controles pré-configurados e/ou definições de filtro. Entretanto, em tais modalidades, os controladores de compartilhamento de potência 32 podem adaptar ou ajustar de outro modo tais valores de controle e filtragem durante operação em andamento.

[0077] Em todo o caso, o aparelho de controle 30 permite que circuitos de controle de compartilhamento de potência substancialmente idênticos sejam usados para todas as unidades de armazenamento de energia 22 em um sistema de armazenamento de energia híbrido 20, enquanto continua a fornecer diferentes estratégias de controle para diferentes tipos de unidades de armazenamento de energia 22, por exemplo, pelo uso de diferentes valores de estado estacionário ou outros valores-alvo e/ou diferentes definições de filtro em diferentes controladores de compartilhamento de potência 32.

[0078] Em uma disposição em série contemplada de controladores de compartilhamento de potência 32, as unidades de armazenamento elétrico 22 de intensidade mais potente sempre reagem primeiro às variações de carga de alta frequência, que reduz a ciclagem e melhora a vida útil das unidades de armazenamento elétrico 22 com energia mais intensa — por exemplo, aquelas que têm tempos mais lentos de carregamento/descarregamento mais que armazenam mais energia. Nessa disposição, as unidades de armazenamento de energia 22 de energia intensa atuam como uma reserva para abastecer variação de potência e abastece a maior parte da energia de carga para variações de baixa frequência.

[0079] Certamente, a abordagem de sequência de controle em série é apenas um exemplo. Mais geralmente, os controladores de compartilhamento de potência 32 podem ser entendidos como fornecedores de uma abordagem de controle distribuído para controlar parte das unidades de armazenamento de energia 22, em que duas ou mais dessas unidades de armazenamento de energia 22 são de tipos diferentes e têm características diferentes de armazenamento de energia. A estratégia distribuída oferece uma quantidade de benefícios, que inclui risco reduzido de falhas de unidade individuais.

[0080] Notavelmente, modificações e outras modalidades da(s) invenção(ões) revelada(s) virão à mente da pessoa versada na técnica que tenham o benefício dos ensinamentos apresentados das descrições supracitadas e nos desenhos associados. Por exemplo, será observado que os ensinamentos no presente documento podem ser aplicados a uma faixa de aplicações, que incluem redes elétricas de CC e redes elétricas de CA. Portanto, deve ser entendido que a(s) invenção(ões) não deve(m) ser limitada(s) às modalidades específicas reveladas e que modificações e outras modalidades são destinadas a serem incluídas dentro do escopo desta descrição. Embora termos específicos possam ser empregados no presente documento, os mesmos são usados em um sentido apenas genérico e descritivo e não para propósitos de limitação.

Claims (18)

1. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20) caracterizado pelo fato de que compreende duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) com características diferentes de armazenamento de energia e que são associadas a uma rede elétrica (10) que compreende um ou mais barramentos elétricos (12) e um aparelho de controle (30) para controlar as duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) o aparelho de controle (30) compreende: um controlador de compartilhamento de potência (32) que corresponde a cada unidade de armazenamento de energia (22), sendo que cada controlador de compartilhamento de potência (32) é configurado para gerar um sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48); e um controlador de estado de carregamento (34) que corresponde a cada unidade de armazenamento de energia (22), sendo que cada controlador de estado de carregamento (34) é configurado para controlar o carregamento e o descarregamento da unidade correspondente de armazenamento de energia (22) através de uma unidade conversora local associada (24), em resposta ao sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) gerado pelo controlador correspondente de compartilhamento de potência (32); sendo que cada controlador de compartilhamento de potência (32) compreende: um circuito de filtro (40) configurado para obter um sinal filtrado de entrada (42) filtrando-se o sinal de entrada (44) para o controlador de compartilhamento de potência (32) de acordo com uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade correspondente de armazenamento de energia (22), sendo que o dito sinal de entrada (44) reflete as variações de carga na rede elétrica (10); e um circuito de controle (46) configurado para gerar o sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) como uma combinação do sinal filtrado de entrada (42) e de um sinal de comando de estado estacionário (50) que representa uma condição-alvo de estado estacionário da unidade correspondente de armazenamento de energia (22).

2. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal de entrada (44) conforme fornecido a pelo menos um dos controladores de compartilhamento de potência (32) tem uma latência de comunicação associada ao mesmo, e em que cada um dos pelo menos um controladores de compartilhamento de potência (32) inclui adicionalmente um circuito de compensação de latência (94) que é configurado para compensar pela latência de comunicação com base na previsão de valores do sinal de entrada (44) como uma função de medições de rede local de baixa latência obtidas para a unidade correspondente de armazenamento de energia (22).

3. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o circuito de compensação de latência (94) é configurado para adaptar a previsão do sinal de entrada (44) com base no rastreamento de diferenças entre valores estimados das medições de rede local de baixa latência, conforme indicado pelo sinal de entrada (44) e valores reais correspondentes das medições de rede local de baixa latência.

4. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) compreendem a primeira e a segunda unidades de armazenamento de energia (22-1, 22-2), e em que o aparelho de controle (30) compreende um primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1) e um primeiro controlador de estado de carregamento (34-1) que correspondem à primeira unidade de armazenamento de energia (22-1), e um segundo controlador de compartilhamento de potência (32-2) e um segundo controlador de estado de carregamento (34-2) que correspondem à segunda unidade de armazenamento de energia (22-2), e em que os primeiro e segundo controladores de compartilhamento de potência (321, 32-2) são acoplados em uma disposição em série, de modo que o sinal de entrada (44) para o segundo controlador de compartilhamento de potência (32-2) seja fornecido como um sinal de saída (90) do primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1) e em que o primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1) seja configurado para gerar o sinal de saída (90) como a diferença entre o sinal de entrada (44) para o primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1) e o sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) gerado pelo primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1).

5. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada controlador de compartilhamento de potência (32) é configurado para operar de modo autônomo em relação ao outro controlador ou controladores de compartilhamento de potência (32), e em que cada controlador de compartilhamento de potência (32) é configurado para receber o sinal de entrada (44) em comum com o outro controlador ou controladores de compartilhamento de potência (32), ou a partir de medições de rede local específicas à unidade correspondente de armazenamento de energia (22).

6. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de filtro (40) em pelo menos um dos controladores de compartilhamento de potência (32) é um circuito de filtro (40) adaptável, e em que cada circuito de filtro (40) adaptável é configurado para adaptar sua resposta de filtro como uma função de pelo menos um dentre: uma mudança comandada em resposta de frequência, uma mudança comandada em ganho, um sinal de ajuste derivado de uma condição medida de estado estacionário ou de estado de carga da unidade de armazenamento de energia (22) e uma configuração correspondente máxima ou mínima de estado estacionário ou de estado de carga.

7. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal de entrada (44) para cada controlador de compartilhamento de potência (32) compreende um sinal de diferença que representa a diferença entre um sinal de medição de tensão de barramento e uma configuração de tensão nominal.

8. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de controle (46) em cada controlador de compartilhamento de potência (32) é configurado para gerar o sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) com base na obtenção de um sinal combinado (48’) por meio da combinação do sinal filtrado de entrada (42) com um sinal de comando de estado estacionário (50) que representa uma potência-alvo de carregamento ou descarregamento de estado estacionário, corrente de carregamento ou descarregamento de estado estacionário, ou estado de carga de estado estacionário para a unidade correspondente de armazenamento de energia (22), e com base adicionalmente na passagem do sinal combinado (48’) através de um limitador (54).

9. Sistema de armazenamento de energia híbrido (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1) do aparelho de controle (30) é configurado para uso com um supercapacitor como a unidade correspondente de armazenamento de energia (22) e um segundo controlador de compartilhamento de potência (32-2) do aparelho de controle (30) é configurado para uso com uma bateria como a unidade correspondente de armazenamento de energia (22), e adicionalmente em que o circuito de filtro (40) do primeiro controlador de compartilhamento de potência (32-1) é configurado para ter uma resposta de frequência mais alta que o circuito de filtro (40) do segundo controlador de compartilhamento de potência (32-2).

10. Método (500) de controle de duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) em um sistema de armazenamento de energia híbrido (20) associado a uma rede elétrica (10) que compreende um ou mais barramentos elétricos (12), em que pelo menos duas das unidades de armazenamento de energia (22) têm características diferentes de armazenamento de energia e o método (500) é caracterizado pelo fato de que compreende: gerar um sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) individualmente para cada unidade de armazenamento de energia (22) com um respectivo de pelo menos dois controladores de compartilhamento de potência (32) que correspondem às respectivas unidades de armazenamento de energia (22), o sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) sendo baseado em: obter (502) um sinal de entrada (44) para cada unidade de armazenamento de energia (22) que reflita as variações de carga na rede elétrica (10); filtrar (504) o sinal de entrada (44) para cada unidade de armazenamento de energia (22) por meio de um circuito de filtro (40) que tem uma resposta de filtro que é adequada às características de armazenamento de energia da unidade de armazenamento de energia (22), para obter um sinal filtrado de entrada (42); e combinar (506) o sinal filtrado de entrada (42) para cada unidade de armazenamento de energia (22) com um sinal de comando de estado estacionário (50) para a unidade de armazenamento de energia (22), sendo que o dito sinal de comando de estado estacionário (50) representa uma condição-alvo de estado estacionário da unidade de armazenamento de energia (22), para obter, dessa forma, o sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) para a unidade de armazenamento de energia (22); e controlar (508) o descarregamento e carregamento de cada unidade de armazenamento de energia (22) por meio de um entre ao menos dois controladores de estado de carregamento (34) que correspondem às respectivas unidades de armazenamento de energia (22), cada um dos controladores de estado de carregamento (34) sendo configurados para controlar uma unidade conversora local (24) associada à unidade de armazenamento de energia (22) em resposta ao sinal individual de comando de compartilhamento de potência (48) gerado individualmente para a unidade de armazenamento de energia (22).

11. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sinal de entrada (44) conforme obtido para pelo menos uma das unidades de armazenamento de energia (22) tem uma latência de comunicação associada a si, e em que o método (500) inclui compensar pela latência de comunicação para cada tal sinal de entrada (44), com base na previsão de valores do sinal de entrada (44) com uma função de medições de rede local de baixa latência obtida para a unidade de armazenamento de energia (22).

12. Método (500), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente adaptar a previsão de cada tal sinal de entrada (44) com base no rastreamento de diferenças entre valores estimados das medições de rede local de baixa latência, conforme indicado pelo sinal de entrada (44), e valores reais correspondentes das medições de rede local de baixa latência.

13. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) compreendem as primeira e segunda unidades de armazenamento de energia (22-1, 22-2), e em que obter o sinal de entrada (44) para a segunda unidade de armazenamento de energia (22-2) compreende gerar um sinal de saída (90) como a diferença entre o sinal de entrada (44) para a primeira unidade de armazenamento de energia (22-1) e o sinal de comando de compartilhamento de potência (48) gerado para a primeira unidade de armazenamento de energia (22-1), e com o uso do sinal de saída (90) como o sinal de entrada (44) para a segunda unidade de armazenamento de energia (22-2).

14. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que obter (502) o sinal de entrada (44) para cada unidade de armazenamento de energia (22) compreende receber o sinal de entrada (44) conforme derivado do sinal de entrada (44) de outra das unidades de armazenamento de energia (22), ou gerar o sinal de entrada (44) a partir de medições de rede local feitas para a unidade de armazenamento de energia (22).

15. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente, para cada uma das pelo menos uma unidades de armazenamento de energia (22), adaptar a resposta de filtro do circuito de filtro (40) usado para obter o sinal filtrado de entrada (42) para a unidade de armazenamento de energia (22), como uma função de pelo menos um dentre: uma mudança comandada em resposta de frequência, uma mudança comandada em ganho, um sinal de ajuste derivado de uma condição medida de estado estacionário ou de estado de carga da unidade de armazenamento de energia (22) e uma configuração correspondente de estado estacionário ou de estado de carga máxima ou mínima.

16. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sinal de entrada (44) obtido para cada unidade de armazenamento de energia (22) compreende um sinal de diferença que representa a diferença entre um sinal de medição de tensão de barramento e uma configuração de tensão nominal.

17. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que gerar o sinal de comando de compartilhamento de potência (48) para cada unidade de armazenamento de energia (22) tem base na obtenção de um sinal combinado (48’) por meio da combinação do sinal filtrado de entrada (42) para a unidade de armazenamento de energia (22) com um dentre um sinal de comando de estado estacionário (50) que representa uma potência-alvo de carregamento ou descarregamento de estado estacionário, uma corrente de carregamento ou descarregamento de estado estacionário, ou um estado de carga de estado estacionário para a unidade de armazenamento de energia (22), e com base adicionalmente na passagem do sinal combinado (48’) através de um limitador (54).

18. Método (500), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que uma primeira (22-1) dentre duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) é um supercapacitor e uma segunda (22-2) dentre duas ou mais unidades de armazenamento de energia (22) é uma bateria, e em que o método (500) inclui filtrar o sinal de entrada (44) para a primeira unidade de armazenamento de energia (22-1) com um circuito de filtro (40) que tem uma resposta de frequência mais alta que o circuito de filtro (40) usado para filtrar o sinal de entrada (44) da segunda unidade de armazenamento de energia (22-2).

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