BR112020007759A2

BR112020007759A2 - estação de energia fotovoltaica

Info

Publication number: BR112020007759A2
Application number: BR112020007759-3A
Authority: BR
Inventors: Jau-Dar Liao; Hsin-Chen Lai; Feng-Tse CHUNG; Hsiu-Wen HAN; Geoffrey Wen-Tai Shuy
Original assignee: Lt Lighting (Taiwan) Corporation
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2020-10-20
Also published as: EA202091048A1; JP2021501558A; WO2019083567A1; KR102376838B1; PH12020550459A1; CA3077416A1; EP3701614A4; CO2020005190A2; CL2020001034A1; KR20200080238A; JP7212050B2; AU2018355030A1; MX2020004135A; TWI681617B; CN111492553A; EP3701614A1; AU2018355030B2; TW201918008A

Abstract

Trata-se de uma estação de energia fotovoltaica (PV) que inclui pelo menos uma unidade de produção de potência de CA. A unidade de produção de potência de CA inclui um reservatório de energia que é abastecido com energia de CC a partir de um gerador de potência de CC, tais como painéis PV. O reservatório de energia é usado como uma reserva para armazenar energia, e aperfeiçoar a eficiência da estação de energia PV. Seja usado ou não um reservatório de energia, dispositivos desacopladores podem ser usados para evitar a aniquilação de potência que pode diminuir a quantidade de potência entregue pela estação de energia à rede. Na integração do sistema para uma estação de energia PV, constata-se que a estimação declarada do conversor de CC/CA na convenção de rede elétrica não deve ser levada em consideração como a capacidade de conversão de potência.

Description

“ESTAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA” FUNDAMENTOS

[001] Estações de energia fotovoltalcas (PV) geram eletricidade convertendo-se energia solar em eletricidade. Essa eletricidade gerada é, então, fornecida a uma rede elétrica. A fonte de energia solar (isto é, os raios recebidos do sol) é caracterizada por ter uma intensidade variável ao tempo. De modo correspondente, geradores de potência PV nessas estações de energia PV incorporam um dispositivo de otimização de geração de energia (também referido como um “otimizador”). Um tipo de otimizador é denominado como “rastreador de ponto de potência máxima (MPPT)” (ou “dispositivo de MPPT”), que rastreia uma tensão de ponto de produção de potência máxima instantânea (MPPP) que o dispositivo de MPPT usa para controlar a operação da estação de energia PV. Essa prática é referida no presente documento como a “conformação de MPPT cega”. Tipicamente, o dispositivo de MPPT é software ou firmware; e acompanha a tensão variável ao tempo resultando na produção máxima de potência a partir da fonte de energia solar variável ao tempo.

[002] A matéria reivindicada no presente documento não se limita às modalidades que solucionam quaisquer desvantagens ou que operam somente em ambientes tais como aqueles descritos anteriormente. De preferência, esses fundamentos são fornecidos somente para ilustrar uma área de tecnologia exemplificadora onde algumas some modalidades descritas no presente documento podem ser praticadas.

BREVE SUMÁRIO

[003] As modalidades descritas no presente documento referem-se a uma estação de energia fotovoltaica (PV) que inclui pelo menos uma unidade de produção de potência de CA. De acordo com uma modalidade da estado de energia PV, cada unidade de produção de potência de CA compreende um gerador de potência de CC, primeiros conversores trifásicos de CC/CA, um reservatório de energia e segundos conversores trifásicos de CC/CA. O gerador de potência de CC é composto por x cadeias solares MW, onde x é um número inteiro positivo. Os primeiros conversores trifásicos de CC/CA têm uma potência nominal declarada total de y MW. Os primeiros conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC fornecida pelo gerador de potência de CC, converter a potência de CC recebida em potência de CA, e fornece essa potência de CA convertida através de um transformador a uma rede elétrica. O reservatório de energia recebe pelo menos parte de uma porção restante da potência de CC gerada pelo gerador de potência de CC. Os segundos conversores trifásicos de CC/CA tendo uma potência nominal declarada total de z MW, onde z é um número inteiro positivo, e a soma de ye zé maior que x. Os segundos conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC a partir do reservatório de energia, converter a potência de CC recebida do reservatório de energia em potência de CA, e fornece essa potência de CA convertida através de um transformador à rede elétrica. Devido ao fato de a soma de y e z ser maior que x, a estação de energia de acordo com essa modalidade entrega mais potência à rede elétrica.

[004] De acordo com outra modalidade descrita no presente documento, cada unidade de produto de potência de CA inclui um gerador de potência de CC composto por x cadeias solares MW, e reservatório de energia, e Conversores trifásicos de CC/CA tendo uma potência nominal declarada total de z MW, onde z é maior que x. O reservatório de energia recebe pelo menos parte de uma porção restante da potência de CC gerada pelo gerador de potência de CC. Os Conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC a partir do reservatório de energia, convertem a potência de CC recebida a partir do reservatório de energia em potência de CA e fornecem essa potência de CA convertida através de um transformador à rede elétrica. Devido ao fato de z ser maior que x, a estação de energia de acordo com essa modalidade entrega mais potência à rede elétrica.

[005] De acordo com ainda outra modalidade descrita no presente documento, cada unidade de produção de potência de CA compreende um gerador de potência de CC composto por fitas solares. Os conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC a partir do gerador de potência de CC através de um desacoplador, convertem a potência de CC recebida em potência de CA, e fornecem essa potência de CA convertida através de um transformador à rede elétrica. O uso do desacoplador evita os problemas que os inventores constataram referentes ao fenômeno de aniquilação de potência, aumentando, assim, a quantidade de potência que a estação de energia pode entregar à rede.

[006] Este Sumário é fornecido para introduzir uma seleção de conceitos em uma forma simplificada que serão adicionalmente descritos abaixo na Descrição Detalhada. Este Sumário não é destinado a identificar recursos fundamentais ou recursos essenciais da matéria reivindicada, nem é destinado a ser usado como um auxílio na determinação do escopo da matéria reivindicada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[007] Com o intuito de descrever o modo no qual essas e outras vantagens e recursos podem ser obtidos, uma descrição mais particular de várias modalidades será produzida com referência aos desenhos anexos. O entendimento que esses desenhos descrevem somente modalidades amostrais e, portanto, não devem ser considerados como limitantes ao escopo da invenção, as modalidades serão descritas e explicadas com especificidade e detalhes adicionais através do uso dos desenhos anexos, em que:

[008] As Figuras 1A a 1C ilustram diagramas de bloco de várias estações de energia em que os dispositivos de desacoplamento são usados em conjunto com um reservatório de energia;

[009] A Figura 2A ilustra um diagrama de blocos de uma estação de energia que foi ajustada em um experimento, e em que existem duas unidades de produção de potência de CA que são ajustadas convencionalmente, e com medidores de potência e energia que medem a saída de cada unidade de produção de potência;

[010] A Figura 2B ilustra um diagrama de blocos da estação de energia da Figura 2A após uma modificação para incluir dispositivos de desacoplamento e um reservatório de energia, e que foi usado para verificar a saída de energia aperfeiçoada à rede;

[011] A Figura 3 ilustra um diagrama de blocos de uma estação de energia em que existem dois canais de entrada de potência, um canal que invoca o uso de um reservatório de energia, e um não invocando o usuário do reservatório de energia;

[012] A Figura 4 ilustra um diagrama de blocos de uma estação de energia que representa uma modalidade mais abrangente da Figura 3;

[013] A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos de uma estação de energia em que a potência é entregue através do uso de um reservatório de energia;

[014] A Figura 6 ilustra um diagrama de blocos de uma estação de energia que representa uma modalidade mais abrangente da Figura 5;

[015] A Figura 7 ilustra um diagrama de blocos de uma estação de energia;

[016] A Figura 8 ilustra um diagrama de blocos de um controlador de Rastreamento Pontual de Utilização Máxima de Energia (MEUPT) de acordo com os princípios descritos no presente documento; e

[017] A Figura 9 ilustra um diagrama de blocos do controlador de MEUPT da Figura 8 no contexto de uma estação de energia.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[018] As publicações de patente, US2016/0036232 e US2017/0149250 A1 (os conteúdos das mesmas se encontram incorporados ao presente documento a título de referência) revelam que os sistemas de energia de PV que praticam a conformação de MPPT cega alcançam quantidades sub-ideais de eletricidade fornecida à rede. Essas publicações de patente ensinam que a fim de extrair de modo eficaz eletricidade para utilização de energia, devem-se corresponder as características do dispositivo de extração de energia para extrair de modo eficaz e eficiente a energia elétrica produzida. Adicionalmente, esses pedidos de patente ensinam que os dispositivos relacionados também devem ser correspondidos para condicionar e/ou entregar a eletricidade extraída para utilização de energia eficiente.

[019] Essas publicações de patente enfatizam, ainda, o fato de que a eficiência de utilização de energia é inextricavelmente dependente da demanda energética além da produção de energia. Adicionalmente, elas ensinam que em qualquer sistema de energia, um consumo de energia típico não é necessariamente igual à produção de energia, mesmo ao cumprir as leis de conservação de energia e carga.

[020] Ao invés de usar o dispositivo de MPPT como o otimizador para estações de energia solar, as publicações de patente referenciadas propuseram o uso de um “rastreador de ponto de utilização máxima de energia”, ou o “dispositivo de MEUPT” como o otimizador de estação de energia PV. Esse otimizador será referido no presente documento como um “otimizador de MEUPT”. De acordo com as publicações de patente referidas, o otimizador de MEUPT é projetado para capturar o que se refere como “excedente energético”, que define como a energia elétrica que é produzida, mas não extraída e/ou entregue à rede elétrica para utilização. Essa definição de “excedente energético” também será usada no presente documento.

[021] O otimizador de MEUPT também é projetado para armazenar temporariamente o excedente energético capturado dentro de um reservatório de energia; e, então, preparar e entregar essa energia elétrica à rede elétrica para utilização. Logo, a arrecadação com as vendas de eletricidade da estação de energia PV pode ser aumentada ao incorporar o otimizador de MEUPT.

Primeira Seção: Funcionalidade do otimizador de MEUPT

[022] De acordo com os princípios descritos nos documentos US2016/0036232 e US2017/0149250 A1 (as “publicações de patente referenciadas”), o otimizador de MEUPT de uma modalidade revelada no presente documento compreende um extrator de excedente energético, um reservatório de energia, e um controlador de MEUPT. O controlador de MEUPT funciona em consonância com extratores de energia e conversores de CC/CA. Os termos “potência” e “energia” (embora não exatamente iguais) são usados de modo intercambiável na técnica. Logo, exceto onde especificado em contrário, cada termo tem o mesmo significado.

[023] Um extrator de energia extrai um trem de potência oscilante inicial a partir da fonte de energia elétrica de CC produzida. A cadeia de potência inicial extraída se conforma às exigências de rede elétrica de CA da rede elétrica. Em outras palavras, a cadeia de potência inicial extraída tem uma tensão sinusoidal variável em tempo tendo uma tensão de pico que se conforma à faixa de tensão da rede elétrica. Adicionalmente, a energia elétrica (que é proporcional ao quadrado da tensão) assume a forma (sen? (wt) ou cos? (wt)), que é sincronizada (com a mesma fase e a mesma frequência) à rede elétrica.

[024] Por outro lado, um extrator de excedente energético extrai um trem de potência oscilante restante que permanece a partir da subtração do trem de potência oscilante inicial da potência de CC produzida. Em outras palavras, esse trem de potência oscilante restante é um trem de potência oscilante remanescente que permanece após fornecer o trem de potência oscilante inicial à rede elétrica. O trem de potência oscilante restante tem um deslocamento de fase de 90º conforme comparado ao trem de potência oscilante inicial que foi fornecido à rede elétrica. Devido ao deslocamento de fase de 90º, esse trem de potência oscilante restante não pode ser imediatamente convertido em potência de CA para fornecer na mesma rede elétrica. Logo, um reservatório de energia é usado para armazenar temporariamente o excedente energético do trem de potência oscilante restante. Posteriormente, a energia armazenada é fornecida a um conversor de CC/CA; de modo que o excedente energético armazenado possa ser convertido em potência de CA que é sincronizada (com a mesma fase e a mesma frequência) à rede elétrica.

[025] O controlador de MEUPT mede o nível de energia do reservatório; estima a quantidade de energia no reservatório que pode ser extraída; e entrega essas informações aos conversores de CC/CA associados de modo que essa quantidade de energia possa ser extraída pelos conversores de CC/CA. Então, os conversores de CC/CA extraem a energia armazenada a partir do reservatório para conversão em potência de CA sob a forma de um trem de potência de pulsação e fornece essa potência de CA à rede elétrica. Logo, a estação de energias PV pode fornecer quase toda a energia elétrica produzida a uma rede elétrica ao incorporar o otimizador de MEUPT. Em contrapartida, sem o otimizador de MEUPT, a estação de energia PV de acordo com as publicações de patente referenciadas pode somente fornecer menos da metade da potência/energia produzida a uma rede elétrica.

Segunda Seção: Aperfeiçoar estação de energia de PV convencional com

MEUPT

[026] Estações de energia solar são geralmente estimadas em termos de algum número de MegaWatts (MW). De modo convencional, quando uma estação de energia solar for declarada como sendo estimada em x MW (onde x é algum número positivo), isso significa que a soma total da produção nominal de potência de CC de todas as fitas solares é x MW. Essas estações de energia solar convencionais também têm conversores trifásicos de CC/CA com uma capacidade de conversão de CC/CA declarada total do fabricante que não seja maior que x MW. Esse princípio sumariza as operações da estação de energia de convenção de acordo com a prática de MPPT convencional.

[027] Em outas palavras, a estação de energia de PV convencional de x MW nominal consiste em fitas de painéis solares PV de x MW, que converte energia solar em eletricidade de CC. A eletricidade de CC gerada é, então, extraída e convertida pelos conversores trifásicos de CC/CA em energia elétrica de CA adequada que se conforma a todas as exigências de potência de CA de uma rede elétrica, e, então, é fornecida à rede elétrica. Essa energia elétrica de CA fornecida à rede elétrica também é referida no presente documento como o “trem de potência oscilante inicial”. Salienta-se que a capacidade de conversão de CC/CA declarada total do fabricante dos conversores de CC/CA não é maior que x MW, que é a quantidade total da capacidade de geração de CC dos painéis solares instalados declarada pela indústria de painéis solares.

[028] De acordo com a descrição das publicações de patente referenciadas, US2016/0036232 e US2017/0149250 A1, há um trem de potência oscilante restante que resulta ao subtrair o trem de potência oscilante inicial (extraído pelo extrator de energia) a partir da potência de CC total produzida pelas fitas de painel solar. Em outras palavras, esse trem de potência é o trem de potência oscilante restante que tem cerca de 90º de diferença de fase a partir do trem de potência oscilante inicial que foi extraída pelo extrator de energia e fornecido à rede elétrica.

[029] Devido ao fato de o trem de potência oscilante restante estar cerca de 90º fora de fase a partir da rede elétrica, esse trem de potência oscilante restante não pode ser diretamente condicionado e convertido em potência de CA e fornecido à mesma rede elétrica. De acordo com os princípios revelados nas publicações de patente referenciadas, um reservatório de energia armazena temporariamente a energia contendo esses 90º fora de fase do trem de potência oscilante restante (que quando armazenado representa o excedente energético). Após esse excedente energético ser armazenado no reservatório de energia, o excedente energético pode servir como uma energia de CC que pode ser fornecida a um conversor de CC/CA.

Esse excedente energético pode, então, ser convertido em uma potência de CA que se conforma a todas as exigências da rede elétrica (incluindo sincronização com a rede elétrica), de modo que a potência de CA resultante possa ser fornecida à mesma rede.

Terceira Seção: Evitar fuga de corrente a partir reservatório de energia

[030] Antes de elaborar a consideração de projeto de reservatório de energia para o otimizador de MEUPT, uma questão importante será primeiramente abordada no presente documento. De modo específico, as fitas de painel solar podem ter uma resistência muito alta ao entardecer, mas a fita de painel solar pode conduzir corrente elétrica significativa em qualquer direção quando a soma for forte ao meio- dia. Portanto, a energia elétrica armazenada no reservatório pode fugir e aquecer os painéis solares durante o dia. De modo correspondente, diodos de desacoplamento podem ser adicionados a cada uma das fitas de painel solar de modo que energia elétrica possa fluir a partir de cada fila de painel solar para carregar o reservatório, mas a energia no reservatório não pode fluir de volta a partir do reservatório nas fitas de painel solar. Vários sistemas de reservatório de energia que realizam esse desacoplamento serão agora descritos em relação às Figuras 1A, 1Be 1C.

Quarta Seção: Considerações de projeto para o reservatório de energia

[031] A Figura 1A retrata um diagrama de blocos que ilustra um reservatório de energia 1300A que é projetada para armazenar temporariamente o excedente energético resultante a partir de um fluxo de potência produzido a partir de um conjunto de fitas solares 1100A subtraindo a potência extraída por um conversor de CC/CA 1200A quando o conversor de CC/CA 1200A converter essa potência em potência de CA. A potência de CA é fornecida a uma rede elétrica de CA 1600A através de um transformador 1500A. O reservatório 1300A recebe o trem de potência oscilante restante através de um conjunto de diodo de desacoplamento 1400A. Em um exemplo, esse reservatório de energia 1300A é projetado para armazenar temporariamente o excedente energético de uma estação de energia PV de 1 MW por 2 minutos.

[032] Como um exemplo somente, supõe-se que a fonte de energia primária possa manter em intensidade constante (e que a produção de energia das fitas PV 1100A mantém a fim de permitir uma produção de energia do gerador de 1 MW constante) por 2 minutos. Para a análise a seguir, os trens de potência oscilante iniciais e restantes têm as mesmas formas de repetição, mas com uma diferença de fase de 90 graus. Primeiramente, permitir examinar como o reservatório de energia pode ser projetado usando força bruta. Ter em mente que o propósito do reservatório de energia consiste em armazenar temporariamente o excedente energético de modo que os conversores de CC/CA possam converter posteriormente essa energia armazenada.

[033] Conforme discutido nas publicações de patente referenciadas, a razão estimada do excedente energético à energia elétrica de CC produzida é superior a 0,5 para estações de energia PV convencionais típicas. Para análises, permitir supor que a estação de energia PV tenha fitas de painel solar PV de 1 MW; e a potência de CC é convertida em potência de CA para fornecer a uma rede que tenha potência trifásica de CA de 50 hertz e tensão linear de 380 Vac. Nesse caso, o tempo de duração de um ciclo de potência é igual a cerca de 0,01 segundo e a corrente de fase total é 1.000.000/(380/1,732), onde 1,732 é o valor da raiz quadrada de 3. Essa razão é a razão entre a tensão de pico e a tensão linear (tensão linear-à-fase, ou “tensão de fase”, em potência trifásica de CA). Armazenar a carga associada ao excedente energético em um ciclo de potência para essa estação de energia exigiria uma capacidade de carga equivalente de aproximadamente 8 V Faradays (0,5* 0,01* 1.000.000/(380/1,732)), onde “V" é a diferença de tensão do reservatório projetado antes e após o carregamento.

[034] Para maximizar a utilização de energia dessa estação PV, em algumas modalidades, a tensão operacional do otimizador de MEUPT deve estar dentro de 75% da tensão de produção de potência máxima PV. Em outras palavras, a faixa de tensão da produção de potência máxima de 75% deve ser observada nessas modalidades do otimizador de MEUPT. Os dados de |-V medidos indicam que tipicamente essa faixa é cerca de 80 volts. Quando essa faixa de tensão for escolhida como a faixa de tensão de carregamento/descarregamento (isto é, V = 80 volts) para o reservatório de energia, a capacidade de carga de um reservatório de energia é cerca de 0,1 Faradays por MW, por ciclo de potência (onde o ciclo de potência dura 0,01 segundo).

[035] Se a consideração de projeto for armazenar essa quantidade máxima de excedente energético que se acumula pelos dois (2) minutos, a capacidade de carga equivalente necessária é igual a 1200 Faradays (100* 120* 0,1) para a estação de energia PV de 1 MW. Essa capacidade de carga equivalente necessária é referida como a “capacidade de carga máxima completa” e a quantidade de energia armazenada no reservatório associada é referida à “capacidade de reservatório de energia máxima completa”, ou “excedente energético máximo completo” no presente documento.

[036] Se forem utilizados somente capacitores de película delgada para satisfazer essa capacidade de carga necessária, o conjunto de capacitores de película delgada necessário para alcançar essa capacidade de carga seria proibitivamente grande em volume e bastante dispendiosa em capital. Logo, não é prático projetar esse reservatório de energia consistindo somente em capacitores de película delgada.

[037] Como um toque a esse projeto de força bruta, pode-se incorporar dispositivos de Faraday (tais como baterias) no projeto para reduzir o volume e o tamanho. Análises cuidadosas dos inventores revelaram que a capacitância de carga necessária é de fato tecnicamente gerenciável para um reservatório de energia com capacitores de película delgada e dispositivos de Faraday. No entanto, os custos desse reservatório ainda é muito alto para ser benéfico, exceto se o preço da bateria puder cair pelo menos por um fator de 3 enquanto mantém o mesmo desempenho.

[038] O uso de capacitores eletrolíticos pode reduzir substancialmente os custos capitais necessários. No entanto, isso aumentaria os custos operacionais devido à vida útil relativamente curta desses capacitores. Logo, no presente, o uso de capacitores eletrolíticos não é prático. Portanto, o modo de força bruta não alcança projetos economicamente benéficos com a capacidade de reservatório de energia máxima completa.

[039] Os princípios descritos no presente documento usam os fatos a seguir observados pelos inventores para resolver essa questão:

[040] (1) A maioria dos conversores de CC/CA existentes podem facilmente elevar ou reduzir a potência em 3% em um segundo; e também os conversores de CC/CA de 500 kW existentes podem facilmente elevar ou reduzir mais de 10 kW em um segundo durante a operação.

[041] (2) Como uma observação preliminar, uma usina de energia PV de 1 MW típica começa a produção de energia a partir de potência zero todas as manhãs, e raramente eleva a produção de potência mais rápido que 10 kW/segundo em sua operação diária normal.

[042] (3) Uma estação de energia PV de nível de MW (estimada maior que 1 MW) pode ocasionalmente experimentar uma taxa de elevação maior que 10 kW por segundo durante uma rajada de potência curta. No entanto, a energia contida nessa rajada curta (ou mesmo em uma rajada maior de 100 kW por segundo) é insignificante quando comparada à energia diária total em estações de energia em nível de MW.

[043] A partir desses três fatos, os inventores determinaram que (1) a geração de potência em cada uma das fitas de painel solar começa a partir do zero todas as manhãs; e (2) o gerador PV não gera potência cheia instantaneamente. Logo, o trem de potência oscilante restante não se eleva a seu valor máximo instantaneamente. Em outras palavras, o trem de potência oscilante restante aumenta tipicamente de modo muito mais elegante do que a taxa de elevação dos conversores de CC/CA. Adicionalmente, a quantidade de energia em qualquer rajada de elevação curta não é uma questão significativa na coleta de energia para estações PV estimada em 1 MW ou maior.

[044] Portanto, ao invés de projetar um reservatório de energia capaz de armazenar a quantidade máxima de excedente energético, os princípios descritos no presente documento sugerem projetar um reservatório para armazenar a quantidade de energia líquida igual (acima de 2 minutos) à diferença entre a entrada de excedente energético no reservatório, e a energia que os conversores de CC/CA extraíram do reservatório. Essa quantidade de energia é referida como o “excedente energético diferencial máximo”, no presente documento. Essa quantidade de excedente energético diferencial máximo é muito menor que o excedente energético completo máximo. Logo, é mais fácil projetar esse reservatório de energia menor; que seja gerenciável em tecnologia e também com boa relação custo-benefício.

[045] A Figura 1B retrata um diagrama de blocos que ilustra simbolicamente um reservatório de energia 1300B que armazena um excedente de potência resultante a partir do fluxo de potência produzido a partir de um conjunto de fitas solares 1100B subtraindo a potência extraída por um conversor de CC/CA 1201B. Ao mesmo tempo, outro conversor de CC/CA 1202B é direcionado pelo controlador de MEUPT 1310B para receber aproximadamente a mesma quantidade de energia de CC a partir do reservatório de energia 1300B (contendo o excedente energético). Ambos os conversores de CC/CA 1201B e 1202B convertem simultaneamente a energia de CC recebida em potência de CA, e fornecem essa potência de CA à mesma rede 1600B através do mesmo transformador 1500B. Desse modo, o armazenamento de energia líquido sobrecarregado ao reservatório 1300B pode ser reduzido a uma capacidade muito pequena quando comparada àquela do reservatório 1300A retratado na Figura 1A.

[046] A Figura 1C retrata uma configuração que é modificada a partir da configuração retratada na Figura 1B, mas tem aproximadamente o mesmo desempenho da configuração retratada na Figura 1B. Conforme retratado na Figura 1C, um reservatório de energia 1300C armazena o fluxo de potência de CC produzido pelas fitas solares PV 1100C através de um conjunto de diodos 1400C. Dois conversores de CC/CA 1201C e 1202C são direcionados pelo controlador de MEUPT 1310C para receber (no agregado) aproximadamente a mesma potência de CC total a partir do reservatório de energia 1300C em uma quantidade que se igual aproximadamente à entrada de energia de CC produzida pelas fitas PV. Logo, existe somente um equilíbrio de entrada de potência líquida muito pequeno nas entradas e saídas do reservatório 1300C. 1201C e 1202C convertem simultaneamente a potência de CC recebida em potência de CA fornecida à mesma rede 1600B através do mesmo transformador 1500C.

[047] Em resumo, conforme descrito na Figura 1B (quando apropriadamente desacoplado) o reservatório de energia pode extrair e armazenar o excedente energético sob a forma de um trem de potência oscilante restante que permanece após a potência de CC produzida ser extraída por um extrator de energia (que pode ser embutido como um módulo do conversor de CC/CA 1201B). O outro conversor de CC/CA 1201B é projetado para extrair uma quantidade aproximadamente igual de energia fora do reservatório de energia 1300B para reduzir a quantidade líquida de excedente energético armazenado no reservatório. Logo, um reservatório relativamente pequeno é adequado.

[048] Conforme também descrito na Figura 1C, (quando apropriadamente desacoplado) o reservatório de energia 1300C pode receber toda a potência de CC produzida a partir das fitas PV 1100C. Um trem de potência oscilante é, então, extraído pelos conversores de CC/CA 1201C e 1202C, enquanto o excedente energético (a potência restante) também é implicitamente armazenado no reservatório de energia 1300C sob a forma de 90º fora de fase do trem de potência oscilante restante. Conforme se pode observar, esse excedente energético também é implicitamente extraído e armazenado automaticamente no reservatório 1300C.

[049] Aplicar o projeto descrito na Figura 1B (ou Figura 1C), o reservatório de energia projetado pode servir como o reservatório de energia proposto para um otimizador de MEUPT; que armazena temporariamente uma pequena quantidade de excedente energético líquido que é 90º fora de fase. A tarefa difícil do projeto de reservatório de energia é agora deslocada à tarefa de projetar um controlador de MEUPT apropriado.

Quinta Seção: Funções necessárias do controlador de MEUPT

[050] O controlador deve ser capaz de direcionar os conversores de CC/CA associados para extrair consistentemente uma quantidade apropriada de energia a partir do reservatório que é substancialmente igual à quantidade no excedente energético de carregamento no reservatório. Desse modo, pode-se minimizar a quantidade líquida de armazenamento de energia no reservatório; e mantém um armazenamento de energia equilibrada adequada no reservatório para estabilizar a operação do sistema. Desse modo, o reservatório de energia precisa somente armazenar (ou fornecer) a diferença de energia entre o excedente energético de carregamento e a potência extraída pelos conversores de CC/CA dentro de uma duração de tempo pequena.

[051] Com um controlador capaz, a diferença de energia pode ser projetada para que seja pequena de modo gerencial. A duração de tempo pode ser projetada para ser longa o suficiente para elevar ou rebaixar para os conversores de CC/CA em corresponder o excedente energético; e curta o suficiente para reduzir significativamente a capacidade do reservatório enquanto ainda mantém a operação do sistema estável. Logo, a capacidade do reservatório estimada pode reduzir para ser menor que 0,001 vezes que aquele do excedente energético completo máximo. Essa capacidade é menor que 2 Faradays por uma estação de energia PV de 1 MW; uma capacidade de carga gerenciável mesmo se usar capacitores de película delgada. Um exemplo de um controlador de MEUPT adequado será descrito abaixo em relação à Décima Seção à Décima Quarta Seção abaixo.

Sexta Seção: Reservatório de energia combinado de capacitor/bateria

[052] Outra questão é que um bom capacitor de película delgada pode durar por 10 a 15 anos enquanto ainda mantém mais de 80 por cento de sua capacitância original, enquanto uma boa bateria pode durar menos de 5 aos e tem aproximadamente 70 por cento de sua capacidade de carga após esse período. Portanto, um equilíbrio de projeto cuidadoso é sugerido para otimizar os custos econômicos. Adicionalmente, a quantidade de energia no reservatório deve ser grande o suficiente para estabilizar a operação em todos os momentos. As simulações de projeto mostram que com os preços atuais de capacitores de película delgada e baterias, um projeto de reservatório de energia ideal de 20 anos típico para uma estação PV de 1 MW é um projeto com capacitores de película delgada de 0,1 a 1 Faraday combinados com uma fita de bateria automática de 50 ampere-hora com uma tensão operacional adequada.

Sétima Seção: Evitar aniquilação de potência mútua em fitas PV

[053] Conforme descrito anteriormente, a técnica de desacoplamento aplicada na Figura 1B e na Figura 1C permite que as fitas de painéis solares carregue o reservatório de energia; mas evita que a potência flua a partir do reservatório de volta às fitas solares PV. Ao aplicar o conjunto de diodo de desacoplamento apropriadamente, essa técnica não somente evita que a fuga de corrente a partir do reservatório através das fitas de painel solar PV, mas também pode evitar um fenômeno constatado pelos inventores. Esse fenômeno é referido no presente documento como “fenômeno de aniquilação de potência mútua dentre fitas PV”, o “fenômeno de aniquilação de potência mútua”, ou o “fenômeno de aniquilação de potência”.

[054] Esse fenômeno ocorre quando fitas PV conectadas em paralelo coletarem potência produzida. Esse fenômeno é especialmente pronunciado quando as fitas PV conectadas em paralelo tendo diferentes características |-V, eficiências de conversão fotoelétrica e/ou tensões máximas de produção de potência.

[055] Por exemplo, quando menos que todos os painéis solares em menos todas as fitas forem montadas com sombras, as fitas que estiverem dentro da sombra terão uma eficiência de conversão fotoelétrica inferior em relação àquelas que estiverem fora da sombra. Em outras palavras, essas fitas solares teriam características |-V diferentes no mesmo horário do dia, devido a uma montagem de sombras. Quando essas fitas solares estiverem se conectando em paralelo, as fitas de alta eficiência podem descarregar parte de sua potência elétrica produzida às fitas solares de eficiência inferior para interromper a produção de potência nas fitas solares PV. Os inventores confirmaram esse fenômeno experimentalmente. Os experimentos também mostram que esse fenômeno pode ser evitado mesmo quando fitas solares PV forem apropriadamente desacopladas.

[056] Adicionalmente, o fenômeno de aniquilação de potência também pode ocorrer quando fitas PV conectadas em paralelo tiverem tensões de produção de potência máxima muito diferentes. Por exemplo, supõe-se que existam duas fitas de painel solar conectadas em — uma tendo 15 painéis solares em fitas e outra tendo 19 painéis solares em fitas conectados em paralelo. A potência gerada na fita com 19 painéis definitivamente fluirá através da fita com 15 painéis e o fenômeno de aniquilação de potência ocorre. Os experimentos mostram que a potência recebida a partir das duas fitas conectadas em paralelo anteriores pode se reduzir até menos da metade daquela produzida pela fita com 19 painéis. Quando desacopladas apropriadamente, a potência recebida a partir das duas fitas conectadas em paralelo anteriores pode se recuperar a cerca de 1,53 vezes em reação àquela produzida pela fita com 19 painéis. O experimento descrito anteriormente mostra que (a) o fenômeno de aniquilação de potência mútuo não existe; e (b) técnicas de desacoplamento apropriadas podem evitar o fenômeno.

[057] Em outro experimento, uma planta PV foi disposta para ter duas unidades de produção de potência; cada unidade consistindo em 85 painéis solares do mesmo fabricante e modelo. Cada uma das duas unidades de produto de potência foi configurada com cinco (5) fitas PV conectadas em paralelo para coletar a energia de CC produzida. Duas fitas PV foram configuradas com 15 painéis conectados em série, duas fitas com 17 painéis conectados em série, e outra fita com 21 painéis conectados em série. Quando essas tensões de produção de potência máxima de 10 fitas forem medidas separadamente ao meio-dia com céus claros, as tensões de produção de potência máxima variam de 420 volts no mínimo até 610 volts no máximo. Logo, essas fitas solares PV conectadas em paralelo têm tensões de produção de potência máxima muito diferentes sob o mesmo céu limpo.

[058] Cada uma das unidades de produção de potência converte a potência de CC coletada através de um conversor de CC/CA diferente em potência de CA. Para medir a energia e potência produzidas em cada unidade de produção, um medidor de quilowatt-hora e um medidor de watt foram conectados à saída de CA de cada um dos conversores de CC/CA de cada unidade de produção. Essas unidades foram conectadas a um transformador para proporcionar a potência de CA a uma rede. Com 72 leituras idênticas dos dois medidores de potência por um período de 36 dias, e com leituras idênticas dos dois medidores de quilowatt-hora ao final do período de 36 dias, confirma-se que todos os elementos nessas duas unidades de produção de potência (incluindo os dois conjuntos de medidores de medição) eram substancialmente idênticos.

[059] Uma unidade de produção de potência foi, então, modificada para ser configurada com 4 fitas de 21 painéis (e 1 painel não em uso); enquanto a outra unidade de produção de potência foi deixada inalterada em relação às 5 fitas descritas anteriormente. A produção de potência medida da unidade de produção de potência modificada era tipicamente maior que 4,1 vezes que aquela da outra unidade de produção de potência ao meio-dia e céus claros. Então, mediram-se sessenta (60) dias de energia acumulada fornecida, que foi derivada a partir das leituras dos dois medidores de quilowatt-hora. A unidade de produção de potência modificada forneceu energia à rede de 3,38 vezes do que aquela da unidade de produção de potência não modificada. Os experimentos anteriores provaram clara e definitivamente que o fenômeno de aniquilação de potência mútuo de fato existe em fitas PV conectadas em paralelo; especialmente com fitas tendo características |-V muito diferentes ou tensões de potência máxima muito diferentes.

[060] Para concluir, uma técnica de desacoplamento apropriada de acordo com o princípio descrito no presente pode evitar fuga de corrente a partir do reservatório de energia através das fitas solares; e também pode evitar um fenômeno de aniquilação de potência mútuo constatado dentre as fitas PV.

Oitava Seção: Experimentos que provam a existência de excedente energético

[061] Antes de descrever os projetos do otimizador de MEUPT, essa seção descreve experimentos para provar definitivamente a existência de excedente energético nessas estações de energia PV; que é previsto pelas publicações de patente referenciadas, US2016/0036232 e US2017/0149250 A1. Para reiterar, as publicações de patente referenciadas definem um excedente energético como a energia elétrica produzida, mas não extraída e/ou utilizada antes de se transformar em calor. De modo específico, em uma estação de energia PV, um “excedente energético” inclui energia elétrica restante que existe após a energia de CC produzida ser extraída e convertida em potência de CA por conversores trifásicos de CC/CA. Um otimizador de MEUPT pode ser projetado para capturar/utilizar essa energia elétrica restante, o excedente energético. A seguir, descrevem-se ajustes experimentais e as execuções passo a passo dos experimentos.

[062] A Figura 2A descreve o ajuste inicial de uma estação de energia PV 2000A que compreende 2 unidades de produção de potência de CA 2100A e 2200A. Cada uma das unidades de produção de potência de CA 2100A e 2200A pratica conformação de MPPT cega; e proporciona potência trifásica de CA a uma rede elétrica 2600A. A unidade de produção de potência de CA 2100A consiste em um gerador de potência de CC 2110A e um conversor trifásico de CC/CA (15 kW) 2130A. A unidade de produção de potência de CA 2200A consiste em um gerador de potência de CC 2220A e um conversor trifásico de CC/CA (15 kW) 2230A. O gerador de potência 2110A usa 2 fitas PV conectadas em paralelo 2111A e 2112A para gerar eletricidade de CC. O gerador de potência 2220A usa outras 2 fitas solares conectadas em paralelo 2221A e 2222A para gerar eletricidade de CC. Cada uma das 4 fitas PV consiste em 25 painéis solares conectados em série; cada painel sendo capaz de produzir 250W de potência ao meio-dia e com céus limpos.

[063] O gerador de potência de CC 2110A fornece potência de CC ao conversor trifásico de CC/CA 2130A; e o gerador de potência de CC 2220A fornece potência de CC ao conversor trifásico de CC/CA 2230A. Então, esses dois conversores 2130A e 2230A convertem a potência de CC fornecida em potência trifásica de CA. No experimento, a potência de saída de CA das unidades de produção de potência 2100A e 2200A foi medida por dois medidores trifásicos de watt de CA (em kW) 2351A e 2352A, respectivamente. A produção de energia de CA (em kW*hora) dessas duas unidades de produção de potência 2100A e 2200A também foi medida por dois medidores de kW-hora 2361A e 2362A, respectivamente. A potência trifásica de CA produzida foi, então, fornecida à rede 2600A através do transformador 2500A. a estação de energia PV foi operada; e a produção de energia das duas unidades de produção de potência de CA 2100A e 2200A foi medida por 7 dias.

[064] As leituras dos dois medidores de kW-hora mostraram valores iguais todos os dias durante esse período de tempo. Isso proporciona alta confiança que todos os elementos dessas duas unidades de produção de potência 2100A e 2200A (incluindo dois conjuntos de instrumentos para medição) são substancialmente idênticos. Após essa etapa, uma das duas unidades de produção de potência de CA 2200A foi mantida inalterada, enquanto a outra unidade de produção de potência de CA 2100A foi modificada com uma configuração diferente 2100B conforme descrito no lado esquerdo da Figura 2B.

[065] A unidade de produção de potência 2200B da Figura 2B é a unidade de produção de potência 2200A da Figura 2A inalterada. Da mesma forma, os elementos 2351B, 2361B, 2352B, 2362B, 2500B, 2600B da Figura 2B são iguais aos elementos 2351A, 2361A, 2352A, 2362A, 2500A, 2600A, respectivamente, da Figura 2A. Adicionalmente, embora a configuração da unidade de produção de potência 2100B seja diferente na Figura 2B do que a unidade de produção de potência 2100A da Figura 2A, alguns dos elementos da unidade de produção de potência 2100B da Figura 2B são iguais àqueles que são incluídos na unidade de produção de potência 2100A da Figura 2A. Por exemplo, as fitas PV 2111B e 2112B da Figura 2 são iguais às fitas PV 2111A e 2112A, respectivamente, da Figura 2A. De modo similar, o conversor de CC/CA 2130B da Figura 2B é igual ao conversor de CC/CA 2130A da Figura 2A.

[066] As seis (6) etapas a seguir descrevem como a unidade de produção de potência 2100A foi modificada na configuração de 2100B, e é descrita em relação à parte esquerda na Figura 2B. A etapa 1 serve para adicionar um conjunto de diodos de desacoplamento 2311B entre as fitas solares 2111B e 2112B e o conversor trifásico de CC/CA 2130B, que está praticando a conformação de MPPT cega. À etapa 2 serve para adicionar um reservatório de energia 2410B na configuração. À etapa 3 serve para conectar o reservatório de energia 2410B aos terminais de CC do conversor de CC/CA 2130B através de outro conjunto de diodos de desacoplamento 2312B e através de um interruptor SW1. A etapa 4 serve para adicionar outro conversor trifásico de CC/CA 21308 (20 kW) na configuração, cujo conversor 2130S foi operado de acordo com a direção de um controlador de MEUPT projetado 2420B. A etapa 5 serve para conectar o conversor de CC/CA 21308 ao reservatório de energia 2410B através de outro conjunto de diodos de desacoplamento 2313B e através de um interruptor SW2. A etapa 6 serve para conectar os terminais de saída do conversor 21308 ao conjunto de instrumentos de medição de potência e energia 2351B e 2361B através de um interruptor SW3. Nota-se que o “conjunto de diodos de desacoplamento” é referenciado pelos diodos que são denominados como “diodos de bloqueio” na técnica. Nota-se também que os interruptores SW1, SW2 e SW3 são adicionados conforme descrito na Figura 1B, de modo que os dispositivos relevantes possam ser introduzidos aos experimentos (ou removidos dos mesmos) em um momento apropriado nas etapas de execução experimentais designadas descritas abaixo.

[067] Na primeira noite após a modificação anterior ter sido feita; o SW1 foi ligado enquanto os interruptores SW2 e SW3 foram desligados. Os conversores 2130B e 2230B começaram a funcionar cedo na manhã seguinte. Os medidores de potência 2351B e 2352B que medem as duas saídas das unidades de produção de potência 2100B e 2200B mostraram a mesma leitura. O reservatório 2410B também começou a carregar conforme indicado pela medição da alta tensão terminal do reservatório 2410B. O sistema operou conforme descrito durante o primeiro dia inteiro. As energias medidas fornecidas a partir das duas unidades de produção de potência 2100B e 2200B eram iguais; conforme mostrado nas leituras dos medidores de kW-hora 2361B e 2362B. Essa etapa experimental demonstrou que os conjuntos de diodo de desacoplamento adicionados 2311B e o reservatório 2410B não alteraram as produção de potência e energia da unidade de produção de potência 2100B.

[068] Os interruptores SW1, SW2 e SW3 foram ligados na noite após o primeiro dia de operação (a segunda noite). Os conversores 2130B e 2230B começaram a funcionar cedo na manhã (o segundo dia), enquanto o conversor 2130S começou a funcionar em nível de conversão de potência inferior em cerca de minutos após os conversores 2130B e 2230B começarem a funcionar. Posteriormente, o conversor 2130 aumentou seu nível de potência de conversão aproximadamente a cada 2 minutos; ou seja, de acordo com o projeto do controlador e incremento do nível de energia do reservatório. A leitura do medidor de potência 2351B (para unidade 2100B) alcançou cerca do dobro da leitura do medidor de potência 2352B (para unidade 2200B) ao longo do dia inteiro — até quase o pôr do sol. As energias fornecidas a partir das duas unidades de produção de potência 2100B e 2200B até o final do segundo dia foram derivadas a partir das leituras dos dois medidores de kW-hora. O resultado mostrou que a energia fornecida a partir da unidade de produção de potência modificada 2100B foi mais que o dobro da energia fornecida a partir da unidade de produção de potência não modificada 2200B. Pelos próximos seis dias consecutivos, os interruptores SW1, SW2 e SW3 permaneceram ligados, e a energia fornecida a partir da unidade de produção de potência modificada 2100B foi consistentemente mais que o dobro daquela da unidade de produção de potência 2200B por dia.

[069] Na noite seguinte, os interruptores SW2 e SW3 foram desligados. À energia medida fornecida a partir das unidades de produção de potência 2100B e

2200B retornou ao mesmo nível pelos 5 dias consecutivos seguintes durante os quais o s interruptores SW2 e SW3 permaneceram desligados. Na noite seguinte, os interruptores SW2 e SW3 foram novamente ligados. A produção de energia medida da unidade de produção de potência 2100B se tornou novamente mais que o dobro daquela da unidade de produção de potência 2200B todos os dias ao longo dos 5 dias consecutivos seguintes com os interruptores SW2 e SW3 permanecendo ligados.

[070] Conforme descrito anteriormente, a execução etapa-por-etapa desses experimentos definitivamente prova a existência do excedente energético referenciado em estação de energia PV conforme as publicações de patente referenciadas (US2016/0036232 e US2017/0149250 A1) previstas. De modo específico, em uma estação de energia PV quando a energia de CC produzida for extraída por um conversor trifásico de CC/CA, ainda existe energia restante. O otimizador de MEUPT pode capturar e utilizar esse excedente energético para aumentar a eletricidade fornecida à rede elétrica.

Nona Seção: Configurações do otimizador de MEUPT projetado

[071] A unidade de geração de potência 2100B modificada (conforme descrito e retratado acima na Figura 2B) pode servir como um exemplo de uma unidade de geração de potência PV que incorpora um otimizador de MEUPT. Nesse caso, o otimizador de MEUPT compreende três conjuntos de diodo de desacoplamento 2311B, 2312B e 2313B; um reservatório 2140B, e um controlador de MEUPT 2320B. Nota-se que o conjunto de diodo de desacoplamento será referido como o “dispositivo de desacoplamento”, doravante.

[072] As conexões dos módulos de otimizador de MEUPT são retratadas na Figura 2B e descritas acima. Nota-se que o excedente energético é passivamente extraído pelo reservatório de energia 2410B nessa modalidade. Outro extrator de potência é incluído como um módulo no inversor trifásico de CC/CA 2130S, que extrai o excedente energético que é armazenado no reservatório 2410B. O nível de conversão de potência de CA do conversor 2130S é regulado pelo controlador de MEUPT 2320B de modo que as cargas de potência no reservatório de energia 2410B sejam aproximadamente equilibradas com a potência descarregada a partir do reservatório de energia 2410B. Portanto, a potência “líquida” carregada no reservatório dentro de um período pode ser menor que a desejada. Cargas de potência líquida menores apresentam o benefício de permitir um reservatório de energia menor 2410B, em detrimento de um controle mais estrito pelo controlador de MEUPT 2320B.

[073] Outra modalidade é descrita na Figura 3. Essa modalidade ilustra uma configuração da estação de energia PV 3000 que incorpora um otimizador de MEUPT que compreende somente uma unidade de produção de potência de CA 3100 que usa painéis solares de 500 kW 3110 para converter potência solar em potência elétrica de CC. Em outras palavras, a unidade de produção de potência de CA 3100 consiste em um gerador de potência de CC 3110 e um conversor trifásico de CC/CA (500 kW) 3130. O gerador de potência 3110 usa 80 fitas solares conectadas em paralelo para gerar eletricidade de CC. Cada uma das 80 fitas solares consiste em 25 painéis solares conectados em série; declara-se que cada painel tenha uma capacidade de produção de potência de CC de 250W ao meio-dia e céus limpos. Nota-se que esse gerador de CC 3110 é referido como um gerador de potência elétrica de 500 kW (80* 25* 250 W = 500 kW); e essa estação de energia PV é referida como uma estação de energia PV de 500 kW.

[074] Conforme retratado na Figura 3, o gerador de potência 3110 fornece potência de CC a um conversor trifásico de CC/CA 3130 (com 500 kW declarados) através de um dispositivo de desacoplamento 3311. O gerado 3110 também fornece potência de CC ao reservatório de energia 3410 através do dispositivo de desacoplamento 3312, e serve como uma fonte de energia de CC que carga o reservatório de energia 3410. Portanto, o excedente energético é passivamente extraído pelo reservatório 3410. Então, o reservatório 3410 fornece (ou descarrega) potência de CC a outro conversor trifásico de CC/CA 3130S (com 500 kW declarados) através do dispositivo de desacoplamento 3313. O conversor 3130 opera como um otimizador de MPPT, enquanto o conversor 3130S opera como um controlador de MEUPT. Os conversores 3130 e 3130S convertem a potência de CC fornecida separadamente em potência trifásica de CA e entrega para alimentar uma rede 3600 através do mesmo transformador 3500.

[075] Nota-se que os conversores de CC/CA usados nas descrições anteriores podem ser categorizados em dois tipos; isto é, um tipo que recebe sua potência de CC diretamente a partir das fitas solares PV, e outro tipo que recebe sua potência de CC a partir do reservatório de energia. Quando o tipo de distinção de conversor for necessário na revelação e na descrição detalhada a seguir, aquele que recebe a potência de CC a partir de fitas solares PV também é referido como o “conversor de CC/CA de PS”; enquanto o outro que recebe potência de CC a partir do reservatório de energia também é referido como o “conversor de CC/CA de ER” no presente documento. Quando a distinção for necessária nos casos onde usam os conversores trifásicos de CC/CA nesta revelação, os conversores também são categorizados e referidos no presente documento como “conversor trifásico de CC/CA de PS” e “conversor trifásico de CC/CA de ER”, respectivamente.

[076] Para reiterar em um nível mais abrangente; conforme a configuração retratada na Figura 4 mostra, esse otimizador de MEUPT proporciona um serviço de otimização a uma estação de energia PV de x MW que dispôs apropriadamente fitas de painel solar com uma capacidade de geração de potência nominal de x MW. À potência de CC produzida é extraída por um “conversor trifásico de CC/CA de PS” de y MW 4130 declarado do fabricante através de um dispositivo de desacoplamento

4311. A potência restante é carregada em um reservatório de energia 4410 através de outro dispositivo de desacoplamento 4312; extraindo e armazenando, assim, o excedente energético. O excedente energético armazenado é, então, convertido por outro “conversor trifásico de CC/CA de ER” de z MW 41308 declarado do fabricante através de outro dispositivo de desacoplamento. Um dos conversores 4130 é regulado por um otimizador de MPPT enquanto o outro conversor 41308 é regulado por um controlador de MEUPT. Ambos os conversores convertem uma quantidade apropriada de potência de CC em potência trifásica de CA; e fornecem a potência trifásica de CA a uma rede elétrica 4600 através do mesmo transformador 4500. Nota-se que x = y = z = 0,5 nessa configuração.

[077] A Figura 5 retrata outra modalidade para incorporar um otimizador de MEUPT em uma estação de energia PV grande. A estação de energia é equipada com fitas de painel solar de 0,5 MW nominal 110 e dois conversores trifásicos de CC/CA de 500 kW declarados 5130 e 5130S. Essa modalidade ilustra outra configuração para o otimizador de MEUPT. A estação de energia PV 5000 pode ser imaginada compreendendo uma unidade de produção de potência de CA (doravante referida também como “unidade de produção de potência de CA 5100”). A unidade de produção de potência de CA 5100 consiste em um gerador de potência de CC 5110 que é composto por painéis solares de 500 kW nominais, e dois conversores trifásicos de CC/CA (cada declarado como 500 kW) 5130 e 51308. O gerador de potência 5110 usa 80 fitas solares conectadas em paralelo que geram eletricidade de CC. Cada uma das 80 fitas solares consiste em 25 painéis solares conectados em série; cada painel solar nominal tem uma capacidade de produção de potência de 250W. O reservatório de energia 5410 recebe a energia elétrica de CC a partir do gerador 5110 através de um dispositivo de desacoplamento 5311. Os dois conversores trifásicos de CC/CA 5130 e 51308 recebem potência de CC a partir do reservatório 5410 através de dois dispositivos de desacoplamento separados que incluem um dispositivo de desacoplamento 5312 para o conversor 5130, e um dispositivo de desacoplamento 5313 para o conversor 51308. Os conversores 5130 e 51308 são regulados pelo controlador de MEUPT para extrair a quantidade de potência apropriada a partir do reservatório 5410, e converter a potência de CC em potência trifásica de CA para fornecer à rede elétrica 5600 através do transformador

5500.

[078] Para elaborar mais abrangentemente uma configuração retratada na Figura 5: o otimizador de MEUPT fornece um serviço de otimização a uma estação de energia PV de x MW. Essa estação de energia PV tem uma unidade de produção de potência de CA com fitas de painel solar tendo uma capacidade de geração de potência de CC nominal total de x MW. O gerador de CC carrega um reservatório de energia através de um dispositivo de desacoplamento. O reservatório de energia fornece eletricidade de CC a dois conversores trifásicos de CC/CA através de dois conjuntos separados de dispositivos de desacoplamento. O fabricante total declarou que uma capacidade de conversão dos dois “conversores trifásicos de CC/CA de ER” é igual a 21 +22 = z MW. Os dois conversores são regulados por um controlador de MEUPT para converter uma quantidade apropriada de potência de CC em potência trifásica de CA. A eletricidade produzida pelos dois conversores é fornecida a uma rede elétrica através do mesmo transformador. A configuração descrita anteriormente é redesenhada e retratada na Figura 6. Favor notar que x = 0,5,y=O0, z =1 nessa configuração.

[079] Essa descrição agora comparará as duas configurações retratadas nas Figuras 4 e 6. Na configuração retratada na Figura 4, o gerador de CC fornece potência de CC a um “conversor trifásico de CC/CA de PS” com capacidade declarada do fabricante de y MW; e carrega a potência restante a um reservatório de energia. Na Figura 4, o reservatório de energia fornece potência de CC a um “conversor trifásico de CC/CA de ER" com uma capacidade declarada do fabricante de z MW. Sem um “conversor trifásico de CC/CA de PS” na configuração retratada na Figura 6 (isto é, y=0O), toda a potência de CC gerada carrega em um reservatório de energia através de um dispositivo de desacoplamento; e o reservatório de energia fornece eletricidade de CC em dois “conversores trifásicos de CC/CA de ER" através de dois conjuntos separados de dispositivo de desacoplamento. Portanto, x =y=2z2z=05 na configuração da Figura 3; enquanto x = 0,5, y = 0, z =1 na configuração da Figura 6. Em uma modalidade adicional da Figura 6, não há um reservatório de energia 6410. De preferência, as fitas solares 6110 fornecem potência de CC aos conversores 6130 através do dispositivo de desacoplamento

6311.

[080] Agora, a única questão de projeto restante para o otimizador de MEUPT consiste em identificar a relação de correspondência de potência ideal entre os parâmetros que representam a capacidade nominal das fitas solares e aquela dos conversores. De modo específico, a tarefa consiste em identificar a relação entre o valor de x, y e z na situação ideal. Recordando-se, o valor da soma y + z não é maior que o valor x em uma estação de energia PV convencional conforme descrito na Segunda Seção.

[081] Nota-se também que o valor x é designado para o valor de MW da capacidade de produção de potência de CC nominal das fitas PV; o valor y é designado para o valor de MW total da capacidade declarada do fabricante de “conversor trifásico de CC/CA de PS” que converte a energia de CC fornecida pelas fitas PV; enquanto o valor z é designado para o valor de MW total da capacidade declarada do fabricante do “conversor trifásico de CC/CA de ER” que converte a energia de CC fornecida pelo reservatório de energia.

[082] Por exemplo na Figura 6, x é igual a 0,5, a capacidade PV total declarada do fabricante é 0,5 MW; y é igual a O que significa nenhum “conversor trifásico de CC/CA de PS” é instalado; z é igual a 1, que significa que a capacidade total declarada do fabricante é 1 MW dos dois “conversores trifásicos de CC/CA de

ER” é incorporada para receber a potência de CC a partir do reservatório de energia e converte a energia de DC em potência trifásica de CA. Nota-se que o valor de y + z não é menor que 2 vezes o valor de x em ambas as configurações descritas acima. O termo “capacidade” também é referido como a “potência nominal” do dispositivo; e intercambiável doravante, exceto onde indicado em contrário.

Décima Seção: A relação de correspondência de potência ideal.

[083] Devido a diferentes disciplinas (indústrias), a definição da potência nominal para painéis solares é diferente daquela dos conversores de CC/CA. À potência nominal dos painéis solares é definida como a potência de CC máxima que um painel solar pode produzir ao meio-dia com céus limpos. A indústria de fabricação de painéis solares usa um tipo predeterminado de lâmpada de iluminação (denominada no presente documento como uma “lâmpada padrão”) para simular céus limpos; e meio-dia é simulado iluminando-se um fluxo de luz perpendicularmente através da superfície do painel solar. Portanto, a capacidade de produção de potência declarada do fabricante pode ser muito próxima à capacidade real do gerador de CC. Experimentos realizados pelos inventores também confirma a declaração anterior. A capacidade de geração de potência de CC total de fitas solares PV é, portanto, considerada viável; e o título “capacidade declarada do fabricante” é omitido no presente documento ao descrever a potência nominal das fitas solares. Por outro lado, a indústria de fabricação de conversor de CC/CA define a potência nominal de conversores de CC/CA de acordo com a convenção da indústria de rede elétrica, referida como “convenção de rede elétrica” no presente documento. Essa convenção e a definição da capacidade do conversor de CC/CA são elaboradas a seguir.

[084] A indústria de rede elétrica de CA faz cumprir uma convenção (referida como a convenção de rede elétrica) para assegurar que a rede elétrica de CA trifásica construída possa satisfazer a capacidade de entrega de potência declarada.

A rede elétrica de CA trifásica consiste em 3 ou 4 linhas de força que podem entregar funções sinusoidais variáveis em tempo de tensão e corrente em cada par de linhas de força como uma fase. A convenção de rede elétrica define a tensão declarada na especificação como a tensão máxima “padrão” para as linhas de força para suportar (referida como a “tensão linear”). De modo similar, a corrente máxima especificada declarada na especificação é a corrente máxima para as linhas de força transmitirem (referida como a “corrente de fase máxima”). Quando um dispositivo for fabricado para se conformar à convenção de rede elétrica, a tensão declarada na especificação do dispositivo é a tensão máxima que todos os componentes relacionados deve suportar. De modo similar, a corrente máxima declarada na especificação é a capacidade máxima de transmissão de corrente para todos os componentes relacionados de uma fase, conectando-se a um par de linhas de força. As funções variáveis em tempo da tensão e corrente do dispositivo também precisam ser conformar à função sinusoidal de cada fase na rede elétrica de CA.

[085] Para reiterar, a tensão especificada de um conversor trifásico de CC/CA é definida como a tensão linear da potência trifásica; a corrente máxima especificada é definida como a capacidade máxima de transmissão de corrente do par de linhas de força para cada fase; e a potência máxima especificada é definida como a soma total da capacidade máxima de potência que as três fases podem suportar. Em outras palavras, ao se conformar à convenção de rede elétrica, as linhas de força de cada fase e os dispositivos de potência conectados devem ser capazes de transmitir um terço (1/3) da potência máxima especificada, de modo outro, a “potência nominal declarada de fabricante” do conversor trifásico de CC/CA é 3* U* |, onde o U é a tensão de fase e o | é a corrente de fase. Cada par de linhas de força é capaz de entregar U* | potência, ou 1/3 da “potência nominal declarada de fabricante”; e cada módulo conectando-se à linha de força também é exigido a transmitir ou entregar 1/38 da potência nominal declarada especificada, ao se conformar à convenção de rede elétrica.

[086] Por exemplo, adotar um conversor trifásico de CC/CA que especifica “tensão de CA = 315 VAC; corrente máxima = 916 amperes; e a saída de potência máxima = 500 kW" como um exemplo. A especificação “tensão de CA = 315 VAC” deve ser lida como: “a tensão linear de saída desse conversor é 315 volts”. Ou, quando as 3 fases forem equilibradas, a tensão de fase U de cada fase é U = 315/ 1,732 = 181,9 volts (onde 1,732 é a raiz quadrada de 3 que é a razão entre a tensão linear e a tensão de fase). A “corrente máxima = 916 amperes” especificada deve ser lida como as linhas de potência e todos os componentes em cada fase são projetados para garantir uma capacidade de porte de corrente de | = 916 amperes. À “saída de potência máxima = 500 kW" referida deve ser entendida como a conversão de potência máxima e capacidade de entrega de todos os componentes de cada fase de conversão de CC/CA = U* | = 181,9 * 916 = 500/3 KW; e a capacidade de conversão e entrega de potência máxima total dos módulos relacionados nas 3 fases de conversão é a soma de cada fase, 3* U* | = 3* 181,9* 916 = 500 kW, que é a “potência nominal declarada do fabricante” definida = 3* U* | ao se conformar à convenção de rede elétrica declarada no parágrafo anterior.

[087] As 3 fases em um conversor trifásico de CC/CA são estritamente correlacionadas para terem diferenças de fase de 120º. Em outras palavras, um par de linhas de potência (fase) entrega potência variável em tempo de U* | sen? (wt); enquanto a segunda fase entrega potência variável em tempo de U* | sen? (wt + 120º); e a terceira fase entrega potência variável em tempo de U* | sen? (wt — 120º). Cada par de linhas de potência das três fases entrega três trens de potência de CA oscilante relacionados entre si com uma correlação estrita. Nota-se que a capacidade de conversão de potência, P(t), não é igual à “potência nominal declarada de fabricante” definida. A capacidade de conversão de potência, P (t), é expressa como uma função de tempo e entregue de acordo com as restrições de potência trifásica de CA definidas.

[088] Em outras palavras, a capacidade de conversão de potência de CC/CA, P (t), é derivada a partir da soma das saída de potência variável em tempo das 3 fases; com uma diferença de fase estritamente correlacionada de 120º; e com formas de onda de potência que se conformam às oscilações sinusoidais quadradas de sen? (wt), ou cos? (wt); e sincronizadas com a rede elétrica (mesma fase e frequência) que força a frequência angular w para que seja constante.

[089] Agora, derivar a capacidade de conversão de potência variável em tempo, P (t) do conversor trifásico de CC/CA. A capacidade de conversão de potência de um conversor trifásico de CC/CA como função de tempo é P (t) = U* |* (sen? (wt) + sen? (wt +120º) + sen? (wt - 120º)). Conforme definido anteriormente, U é a tensão de fase, | é a corrente de fase, e w é a frequência angular constante da rede elétrica. Da mesma forma, pode-se mostrar que sen? (wt +120º) + sen? (wt - 120º) = cos? (wt) + 1/2. Portanto, a capacidade de conversão de potência, P (t), de um conversor trifásico de CC/CA como função de tempo é P (t) = U* I* (sen? (wt) + sen? (wt +120) + sen? (wt - 120º)) = U* I* (sen? (wt) + cos? (wt) + 1/2) = U*I* (1 + 1/2) =3/2(U*]).

[090] Em outras palavras, a soma desses três trens de potência de pulsação estritamente correlacionados nas três fases é uma constante. Em outras palavras, a soma de entrega de potência total desses três pares de linhas de potência é uma constante. Ou a soma total dos três módulos relacionados às três fases é uma constante. No entanto, essa constante é somente igual à metade (1/2) da “capacidade de potência declarada”. Essa é a relação entre a capacidade de conversão de potência e a “capacidade de potência declarada” definida de um conversor trifásico de CC/CA ao se conformar à convenção de rede elétrica.

[091] Favor ter em mente que conforme descrito anteriormente a “potência nominal declarada de fabricante”, ou a “capacidade de potência declarada do fabricante” referida de um conversor trifásico de CC/CA é 3* U* |, ao se conformar à convenção de rede elétrica. Comparando-se com a capacidade de conversão de potência derivada anteriormente, P (t) = 3/2 (U* |); fica claro que a capacidade de conversão de potência de CC/CA derivada de um conversor trifásico de CC/CA é somente uma metade da “capacidade de potência declarada do fabricante”.

[092] Como um exemplo, adota-se novamente o conversor trifásico de CC/CA descrito anteriormente; que satisfaz a “tensão de CA = 315 VAC; corrente de fase máxima = 916 amperes; e a saída de potência máxima = 500 kW". Na realidade, a capacidade de conversão de potência de CC/CA desse conversor trifásico de CC/CA é somente 250 kW. Para derivar a conclusão anterior, primeiramente confirmou-se que a potência máxima declarada, 500 kW é de fato igual a 3* U* | onde U é a tensão de fase derivada a partir da tensão linear especificada, e lé a corrente máxima declarada; a capacidade de conversão de potência desse conversor é igual a 3/2* U* | = 250 kW.

[093] A relação de correspondência de potência ideal para os parâmetros x, y, e z (conforme definido) é que o valor de (y + z) não deve ser menor que 2x. Quando a estação de energia PV relacionada for composta por fitas solares PV de x MW; com os “conversores trifásicos de CC/CA de PS” tendo uma “capacidade de potência declarada do fabricante” total de y MW; e com os “conversores trifásicos de CC/CA de ER” tendo uma “capacidade de potência declarada do fabricante” total de z MW. Os “conversores trifásicos de CC/CA de PS” e os “conversores trifásicos de CC/CA de ER” podem ser operados por um ou mais controladores de MPPT, ou por um ou mais controladores de MEUPT. Para praticar uma otimização de MEUPT, é preferível operar todos os conversores de CC/CA pelos controladores de MEUPT.

Décima Primeira Seção: Sumários

[094] A Figura 7 ilustra de modo abstrato a configuração de uma estação de energia solar PV 7000. A estação de energia compreende painéis solares de x MW no total dispostos nas fitas solares 7100. A potência de CC geradas nas fitas solares 7100 fornece entrada de potência de CC a um grupo de conversores trifásicos de CC/CA 7301 através de um dispositivo de desacoplamento 7201; e carrega o excedente energético em um reservatório 7400 através de um dispositivo de desacoplamento 7202. O reservatório de energia 7400 fornece entrada de potência de CC a um grupo de conversores trifásicos de CC/CA 7302 através de um dispositivo de desacoplamento 7203. Ambos os conversores trifásicos de CC/CA 7301 e 7302 fornecem a potência trifásica de CA convertida a uma rede elétrica 7600 através de um transformador 7500. A “capacidade declarada do fabricante” total dos conversores 7301 é y MW. A “capacidade declarada do fabricante” total dos conversores é z MW. O valor da soma (y + z) não é menor que o valor de 2x. Lembre-se que ao usar uma configuração similar para descrever uma estação de energia PV convencional conforme descrito na Segunda Seção, o valor de (y + z) não é maior que o valor de x. Portanto, quando um projeto com valor de (y + z) for maior que x ou, ainda melhor, 1,1 vezes x; isso significa que parte do excedente energético pode ser capturada para aprimorar a energia elétrica fornecida à rede elétrica.

[095] Os conversores 7301 e 7302 podem ser todos operados pelos controladores de MEUPT descrito anteriormente. Em algumas modalidades, poucos, um, ou até mesmo nenhum dos conversores são operados por um controlador de MEUPT. Adicionalmente, em algumas modalidades, um ou alguns dos dispositivos de desacoplamento 7201, 7202 e 7203 podem ser omitidos na configuração. As fitas solares PV 7100 fornecem entrada de potência de CC aos conversores 7301. Portanto, eles são referidos no presente documento como “conversores de PS”, O reservatório de energia 7400 fornece entrada de potência de CC aos conversores

7302. Portanto, eles são referidos no presente documento como “conversores de ER”. Os termos “potência nominal declarada do fabricante” total e “capacidade de potência declarada do fabricante” total devem ser abreviados como “potência declarada” no presente documento.

[096] Para reiterar a descrição da configuração retratada na Figura 7: uma estação de energia PV 7000 compreende cadeias solares de x MW 7100 como gerador de potência de CC. O gerador de potência de CC 7100 fornece entrada aos “conversores de PS” 7301 com “potência declarada” de y MW, através do dispositivo de desacoplamento 7201; e carrega a potência restante ao reservatório 7400 através de outro dispositivo de desacoplamento 7202. O reservatório 7400 fornece entrada aos “conversores de ER” 7302 com “potência declarada” de z MW através do dispositivo de desacoplamento 7203. Todos os conversores trifásicos de CC/CA 7301 e 7302 fornecem a potência trifásica de CA convertida a uma rede elétrica 7600 através de um transformador 7500. Em algumas modalidades, o valor de (y + z) não é maior que o valor de 2x. No entanto, quando o valor de (y + z) for maior que o valor de x, o projeto pode receber um benefício parcial para aprimorar a economia de energia elétrica à rede elétrica.

[097] Um otimizador de MEUPT de acordo com os princípios descritos no presente documento pode servir uma estação de energia PV pequena ou uma estação de energia PV grande que compreende uma ou mais unidades de produção de potência de CA. Adicionalmente, com um dispositivo de desacoplamento apropriadamente projetado, pode-se evitar fuga de corrente a partir do reservatório de energia através das fitas solares PV. Adicionalmente, com um dispositivo de desacoplamento apropriadamente projetado, pode-se evitar o fenômeno de “aniquilação de potência mútua” constatado. Da mesma forma, o reservatório de energia pode ser usado para receber somente o excedente energético após a extração de energia do “conversor de PS”, ou receber toda a energia de DC produzida antes de qualquer extração. Finalmente, o otimizador de MEUPT também pode proporcionar serviço para uma estação de energia PV equipada com um conversor de CC/CA unifásico.

Décima Segunda Seção: Restrições de projeto do controlador de MEUPT

[098] A Figura 8 ilustra um controlador de MEUPT 8000 (também referido como um “controlador de sistema”) que representa um exemplo do controlador de MEUPT 2320B da Figura 2B. O controlador de MEUPT 8000 é composto por 3 componentes executáveis: um componente de detecção 8100, um componente de determinação 8200 e um componente de entrega 8300.

[099] O componente de detecção 8100 mede o nível de energia armazenada em um reservatório 8400. Um exemplo do reservatório é o reservatório 2410B da Figura 2B, o reservatório de energia 3410 da Figura 3, o reservatório de energia 4410 da Figura 4, o reservatório de energia 5410 da Figura 5, o reservatório de energia 6410 da Figura 6 e o reservatório de energia 7410 da Figura 7.

[0100] Um componente de determinação 8200 determina o nível de extração de potência apropriada para aproximadamente equilibrar a carga fornecida e descarregada a partir do reservatório de energia 8400.

[0101] Um componente de entrega 8300 entrega uma mensagem codificada do nível de extração de potência apropriado determinado anterior aos conversores de CC/CA excedentes 8500. Os conversores interpretam a mensagem codificada, e estão conformidade com a mensagem codificada, de modo que os conversores possam operar continuamente no nível de potência direcionada para aproximadamente equilibrar a energia de carregamento interno. Exemplos de conversores 8500 que extraem a partir do reservatório 8400 são os conversores 21308 da Figura 2B, os conversores 31308 da Figura 3, os conversores 41308 da Figura 4, os conversores 51308 da Figura 5, os conversores 61308 da Figura 6, os conversores 7302 da Figura 3.

[0102] A fim de derivar o otimizador benéfico econômico de MEUPT, o projeto do controlador de MEUPT leva em consideração os parâmetros e variáveis a seguir, (1) a capacidade do reservatório de energia 8400; (2) a aceleração/desaceleração dos conversores de CC/CA 8500; (3) as características de |-V das fitas solares; (4) o clima no local da usina de força PV; e (5) a capacidade de o controlador de MEUPT funcionar com conversor de CC/CA excedente minimiza a diferença entre (ou equilíbrio) a quantidade de carga fornecida ao reservatório de energia, e a quantidade de carga extraída do reservatório de energia. Um projeto simples e direto pode somente ser derivado ao aplicar um controlador projetado de modo personalizado para toda e qualquer estação de energia PV levando-se em consideração esses parâmetros e variáveis.

Décima Terceira Seção: Os projetos de controlador de MEUPT

[0103] É impraticável projetar de modo personalizado um controlador de MEUPT para toda e qualquer estação de energia PV que consiste em usar um controlador de MEUPT. Por outro lado, é muito difícil buscar um projeto simples e direto par ao controlador de MEUPT necessário; especialmente quando controladores de projeto personalizado não forem permitidos. No entanto, a tensão terminal do reservatório de energia pode ser vista como uma medida que é influenciada por cada um dos 5 parâmetros e varáveis. Portanto, as 5 restrições de projeto anteriores podem se dividir em duas partes quando a tensão terminal do reservatório de energia de MEUPT for escolhida como o parâmetro de determinação.

[0104] Ao comparar a tensão terminal medida a um conjunto de “intervalos de tensão padrão” sítio-específicos; torna-se claro aos inventores que a extração de potência e nível de conversão atualmente executando pelo sistema podem ser quantizadas à medida que o nível de extração de potência é (1) muito baixa, (2) muito alta, ou (3) correta. Portanto, a tarefa de projeto do controlador de MEUPT pode ser desacoplar em 1) um controlador industrial ordinário, mais 2) uma tabela de “intervalos de tensão padrão” sítio-específicos construídos de modo personalizado referida no presente documento como a “tabela de intervalo de tensão”).

[0105] Uma vez que uma tabela de intervalo de tensão sítio-específica for construída para a estação de energia PV; a tabela de intervalo de tensão pode funcionar em consonância com um controlador industrial para realizar as funções de controlador de MEUPT necessárias. O controlador industrial é, então, composto por um componente de detecção, um componente de determinação e um componente de entrega conforme também ilustrado na Figura 8. No entanto, nesse caso, o componente de detecção 8100 mede a tensão terminal do reservatório de energia

8400. O componente de determinação 8200 compara a tensão medida com a tabela de intervalo de tensão; e determina a quantidade de extração de potência apropriada para aproximadamente equilibrar a energia de carregamento interno. Um componente de entrega 8300 novamente entrega a mensagem codificada do nível de extração de potência apropriado determinado anterior aos conversores de CC/CA excedentes; de modo que os conversores possam operar continuamente no nível de potência direcionada para aproximadamente equilibrar a carga de entrada e saída do reservatório de energia 8400.

[0106] Em uma modalidade, o componente de detecção 8100 do controlador de MEUPT 8000 mede a tensão terminal do reservatório de energia excedente 8400 em tempo real. Mesmo assim, o componente de determinação 8200 ainda pode realizar a comparação (da tensão medida contra a tabela de interface de tensão) sempre que comparar os intervalos de tempo designados. Essa comparação pode resultar em uma das três situações a seguir:

[0107] (1) Se a comparação da tensão medida e da tabela de intervalo de tensão indicar que o nível de potência é muito baixo, o controlador 8000 pode solicitar (através do componente de entrega 8300) que o conversor trifásico de CC/CA 8500 aumenta por um nível de extração e conversão de potência para o próximo intervalo de tempo designado;

[0108] (2) Se a comparação da tensão medida e da tabela de intervalo de tensão indicar que o nível de potência é muito alto, o controlador 8000 pode solicitar (através do componente de entrega 8300) que o conversor trifásico de CC/CA 8500 diminui em um nível de extração e conversão de potência para o próximo intervalo de tempo designado;

[0109] (3) Se a comparação da tensão medida e da tabela de intervalo de tensão indicar que o nível de potência é correto, o controlador 8000 pode solicitar através do conversor trifásico de CC/CA 8500 permanecer no mesmo nível de extração de potência para o próximo intervalo de tempo designado, pelo menos até a próxima ocorrência da comparação.

[0110] Quando os níveis de ajuste de extração/conversão de potência do conversor de CC/CA forem pequenos o suficiente, o projeto anterior pode funcionar para todos os tipos de capacidade de reservatório de energia; Para todos os tipos de aceleração/desaceleração do conversor de CC/CA; para todos os tipos de características |-V de fitas solares; e para todos os climas do sítio de PV. Portanto, é importante que o controlador possa direcionar pequenas etapas de ajuste para o conversor trifásico de CC/CA que extrai potência a partir do reservatório de energia.

[0111] Conversores trifásicos de CC/CA centralizados convencionais típicos podem operar em etapas de ajuste muto pequenas quando direcionados. No entanto, o canal de comunicação equipado, referido como “caixa de conexão seca” na técnica (e assim referida no presente documento) tem tipicamente somente canais de comunicação de 6 bits através de mensagens ópticas. Para comandar mais de 6 níveis de extração de potência através da caixa de conexão seca, emprega-se uma técnica de codificação-decodificação. Essa técnica permite passar até 2º = 64 mensagens para comandar os níveis de extração de potência. Com até 64 níveis de extração de potência de ajuste, o equilíbrio líquido quase zero necessário em energia de entrada e energia de saída do reservatório pode ser tecnicamente alcançado.

Décima Quarta Seção: Estação de energia PV que incorpora um otimizador de MEUPT

[0112] Conforme descrito na Figura 9, uma estação de energia PV 9000 que incorpora um otimizador de MEUPT 9200 que consiste em um controlador de MEUPT 9210. O controlador de MEUPT 9200 compreende 3 componentes executáveis; isto é, um componente de detecção 9211 para medir a tensão terminal do reservatório de energia excedente 9400; um componente de determinação 9212 para comparar a tensão medida com a tabela de intervalo de tensão da estação PV; e um componente de entrega 9213 para notificar o conversor trifásico de CC/CA 4502 para reinicializar, baixar, ou permanecer igual através do componente de entrega 4213. Os componentes 9211, 9212 e 9213 da Figura 9 são exemplos dos componentes 8100, 8200 e 8300, respectivamente da Figura 8. O reservatório de energia 9400 da Figura 9 é um exemplo do reservatório de energia 8400 da Figura 8. Os conversores 9502 são exemplos dos conversores 8500 da Figura 8.

[0113] A estação de energia PV 9000 também compreende fitas solares PV

9100. As fitas solares 9100 convertem energia solar em eletricidade; e entregam a potência de CC gerada ao reservatório de energia excedente 9400 através do dispositivo de desacoplamento 9320. O conversor trifásico de CC/CA 9502 recebe a entrada de potência de CC a partir do reservatório de energia excedente 9400 através do dispositivo de desacoplamento 9330. As fitas solares 9100 da Figura 9 são coletivamente uma fonte de energia de CC para carregar o reservatório de energia, e são exemplos das fitas solares 2111A e 2111B da Figura 2B, a fita solar 3110 da Figura 3, a fita solar 4110 da Figura 4, a fita solar 5110 da Figura 5, a fita solar 6110 da Figura 6, e a fita solar 7110 da Figura 7. O dispositivo de desacoplamento 9320 da Figura 9 é um exemplo do dispositivo de desacoplamento 2312B da Figura 2B, dispositivo de desacoplamento 3312 da Figura 3, dispositivo de desacoplamento 4312 da Figura 4, dispositivo de desacoplamento 5311 da Figura 5,

dispositivo de desacoplamento 6311 da Figura 6 e dispositivo de desacoplamento 7202 da Figura 7. O dispositivo de desacoplamento 9330 da Figura 9 é um exemplo do dispositivo de desacoplamento 2313B da Figura 2B, dispositivo de desacoplamento 3313 da Figura 3, dispositivo de desacoplamento 4313 da Figura 4, dispositivo de desacoplamento 5313 da Figura 5, dispositivo de desacoplamento 6313 da Figura 6, e dispositivo de desacoplamento 7203 da Figura 7.

[0114] Conforme declarado acima, o controlador de MEUPT 9210 direciona o conversor trifásico de CC/CA 9502 para extrair uma quantidade apropriada de energia a partir do reservatório de energia 9400 para equilibrar a energia de entrada que carrega a partir das fitas solares 9100; que resultou em um carregamento interno ou extração externa de energia quase zero dentro do reservatório 9400. Logo, um reservatório de energia pequeno 9400 é adequado para a estação PV. A potência de CA convertida a partir do conversor de CC/CA é fornecida à rede elétrica de conexão 9700 através do transformador 9600.

[0115] Conforme o uso em questão, o termo “componente executável” é usado em relação ás Figuras 8 e 9. O termo “componente executável” é o nome para uma estrutura que seja bem compreendida a um indivíduo com conhecimento comum na técnica do campo de computação como sendo uma estrutura que pode ser um software, hardware, firmware ou uma combinação dos mesmos. Por exemplo, quando implementado em software, um indivíduo com conhecimento comum na técnica compreenderia que a estrutura de um componente executável pode incluir objetos de software, rotinas, métodos que possam ser executados no sistema computacional, se esse componente executável existir no monte de um sistema computacional, ou se o componente executável existir em mídias de armazenamento legíveis por computador.

[0116] Nesse caso, um indivíduo com conhecimento comum na técnica reconheceria que a estrutura do componente executável existe em uma mídia legível por computador de modo que, quando interpretado por um ou mais processadores de um sistema computacional (por exemplo, um encadeamento de processador), o sistema computacional é induzido a realizar uma função. Essa estrutura pode ser legível por computador diretamente pelos processadores (como é o caso se Oo componente executável for binário). Alternativamente, a estrutura pode ser estruturada para ser interpretável e/ou compilada (seja em um estágio único ou em estágios múltiplos) a fim de gerar esse binário que seja diretamente interpretável pelos processadores. Essa compreensão de estruturas exemplificadoras de um componente executável está na compreensão de um indivíduo com conhecimento comum na técnica de computação ao usar o termo “componente executável”.

[0117] O termo “componente executável” também é bem compreendido por um indivíduo com conhecimento comum como incluindo estruturas que são implementadas exclusiva ou quase exclusivamente em firmware ou hardware, tal como em um arranjo de portas programáveis em campo (FPGA), um circuito integrado para aplicações específicas (ASIC), ou qualquer outro circuito especializado. De modo correspondente, o termo “componente executável” é um termo para uma estrutura que seja bem compreendida pelos indivíduos com conhecimento comum na técnica de computação, seja implementado em software, hardware, ou uma combinação.

[0118] A presente invenção pode ser incorporada em outras formas específicas sem divergir do âmbito ou características essenciais. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos somente como ilustrativas e não restritivas. Portanto, o escopo da invenção é indicado pelas reivindicações anexas ao invés de pela descrição anterior. Todas as alterações que podem ser decorrentes do significado e faixa de equivalência das reivindicações devem ser abrangidas em seu escopo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Estação de energia PV, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende pelo menos uma unidade de produção de potência de CA, sendo que cada uma ou mais da pelo menos uma unidade de produção de potência de CA compreende: um gerador de potência de CC composto por x cadeias solares MW, onde x é um número positivo; um ou mais primeiros conversores trifásicos de CC/CA com uma potência nominal declarada total de y MW, sendo que os primeiros conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC fornecida pelo gerador de potência de CC e convertem a potência de CC recebida em potência de CA e fornecem essa potência de CA convertida através de um transformador a uma rede elétrica; um reservatório de energia que recebe pelo menos uma parte de uma porção restante da potência de CC gerada pelo gerador de potência de CC; e um ou mais segundos conversores trifásicos de CC/CA tendo uma potência nominal declarada total de z MW, onde z é um número positivo, sendo que os segundos conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC a partir do reservatório de energia e convertem a potência de CC recebida a partir do reservatório de energia em potência de CA e fornecem essa potência de CA convertida através de um transformador à rede elétrica, sendo que a soma de y e z é maior que x.

2. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a soma de y e z é maior que 2 vezes x.

3. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a soma de y e z está entre 1,1 e 2 vezes x.

4. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que y é menor que x.

5. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1,

CARACTERIZADA pelo fato de que z é maior que x.

6. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a pelo menos uma unidade de produção de potência de CA é uma pluralidade de unidades de produção de potência de CA, sendo que a razão de (y + z)/ x é substancialmente igual para cada dentre a pluralidade de unidades de produção de potência de CA.

7. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, ainda, pelo menos um dos seguintes: um primeiro dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC aos primeiros conversores trifásicos de CC/CA; um segundo dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC ao reservatório de energia; e um terceiro dispositivo de desacoplamento através do qual o reservatório de energia fornece potência de CC aos segundos conversores trifásicos de CC/CA.

8. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, ainda, pelo menos dois dos seguintes: um primeiro dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC aos primeiros conversores trifásicos de CC/CA; um segundo dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC ao reservatório de energia; e um terceiro dispositivo de desacoplamento através do qual o reservatório de energia fornece potência de CC aos segundos conversores trifásicos de CC/CA.

9. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1,

CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, ainda, os seguintes: um primeiro dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC aos primeiros conversores trifásicos de CC/CA; um segundo dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC ao reservatório de energia; e um terceiro dispositivo de desacoplamento através do qual o reservatório de energia fornece potência de CC aos segundos conversores trifásicos de CC/CA.

10. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que os primeiros conversores trifásicos de CC/CA operam usando um controlador de MEUPT.

11. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os segundos conversores trifásicos de CC/CA também operam usando um controlador de MEUPT.

12. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que os segundos conversores trifásicos de CC/CA operam usando um controlador de MEUPT.

13. Estação de energia PV, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende pelo menos uma unidade de produção de potência de CA, sendo que cada uma ou mais da pelo menos uma unidade de produção de potência de CA compreende: um gerador de potência de CC composto por x cadeias solares MW, onde x é um número positivo; um reservatório de energia que recebe pelo menos parte da potência de CC gerada pelo gerador de potência de CC; e um ou mais conversores trifásicos de CC/CA tendo uma potência nominal declarada total de z MW, onde z é um número positivo, sendo que os conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC a partir do reservatório de energia e convertem a potência de CC recebida a partir do reservatório de energia em potência de CA e fornecem essa potência de CA convertida através de um transformador à rede elétrica, sendo que z é maior que 1,1 vezes x.

14. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que z é maior que 2 vezes x.

15. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que a pelo menos uma unidade de produção de potência de CA é uma pluralidade de unidades de produção de potência de CA, sendo que a razão de z/x é substancialmente igual para cada dentre a pluralidade unidades de produção de potência de CA.

16. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, ainda: um dispositivo de desacoplamento através do qual o reservatório de energia fornece potência de CC aos conversores trifásicos de CC/CA.

17. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, ainda: um dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC ao reservatório de energia.

18. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende, ainda: um primeiro dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC ao reservatório de energia.

um segundo dispositivo de desacoplamento através do qual o reservatório de energia fornece potência de CC aos conversores trifásicos de CC/CA.

19. Estação de energia PV, de acordo com a reivindicação 13,

CARACTERIZADA pelo fato de que pelo menos um dos conversores trifásicos de CC/CA opera usando um controlador de MEUPT.

20. Estação de energia PV, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende pelo menos uma unidade de produção de potência de CA e um gerador de potência de CC, sendo que cada uma ou mais da pelo menos uma unidade de produção de potência de CA compreende: um ou mais conversores trifásicos de CC/CA, sendo que os conversores trifásicos de CC/CA recebem potência de CC a partir do gerador de potência de CC, convertem a potência de CC recebida em potência de CA, e fornecem essa potência de CA convertida através de um transformador à rede elétrica; e um dispositivo de desacoplamento através do qual o gerador de potência de CC fornece potência de CC aos conversores trifásicos de CC/CA.