BRPI1008457B1

BRPI1008457B1 - método para conversão de potência e aparelho inversor

Info

Publication number: BRPI1008457B1
Application number: BRPI1008457A
Authority: BR
Inventors: F Mickinley Arnold; P Marrone Frank; C Horton Fred; M Klemm Joseph; W Wiseman Kurt; Matan Stefan; B Westbrock William Jr
Original assignee: Xslent Energy Tech Llc
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2019-10-22
Also published as: US20170322580A1; US10185346B2; WO2010096682A2; EP2399332A4; CA2971903A1; US20140350742A1; CN102388522A; BRPI1008457A2; CN102388522B; CA2971903C; MA33126B1; AU2010215876B2; JP2012518980A; CA2753094A1; KR101401807B1; US20100208501A1; CA2753094C; JP2018046744A; US9690313B2; MX2011008818A

Abstract

método para conversão de potência e aparelho inversor a presente invenção refere-se a um sistema de transferência de energia que provê um condicionamento de fator de potência da energia gerada. a energia é recebida de uma fonte de energia local, convertida para energia ca utilizável, e o fator de potência é condicionado para um valor desejado. o valor desejado pode ser um fator de potência na ou próximo da unidade. ou o fator de potência desejado pode ser em resposta a condições da rede elétrica, uma tarifa estabelecida, e/ou determinações feitas remotamente à fonte de energia local. muitas fontes e sistemas de transferência de energia podem ser colocados juntos e controlados como um parque de fontes de energia para fornecer energia para a grade tendo uma característica de fator de potência específica. o parque pode ser um grupamento de múltiplas dependências de cliente locais. a energia ca pode também ser condicionada antes da utilização por uma fonte de alimentação ca para cc para uma conversão de energia cc mais eficiente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA CONVERSÃO DE POTÊNCIA E APARELHO INVERSOR. INFORMAÇÕES DE PEDIDOS RELATIVOS [001] O presente pedido é um não provisório do Pedido de Patente Provisória U.S. Número de Série 61/153.940 depositado em 19 de Fevereiro de 2009, intitulado Gerenciamento de Transferência de Energia para Fontes de Energia Locais de uma Carga Vinculada em Grade, e do Pedido de Patente Provisória U.S. Número de Série 61/165.167 depositado em 31 de Março de 2009, intitulado Gerenciamento de Transferência de Energia para Fontes de Energia Locais de uma Carga Vinculada em Grade, e do Pedido de Patente Provisória U.S. Número de Série 61/263.239 depositado em 20 de Novembro de 2009, intitulado Gerenciamento Automático e Remoto de Fator de Potência em Sistemas Fotovoltaicos Solares Vinculados em Grade, e reivindica o benefício de prioridade dos ditos pedidos.

CAMPO [002] As modalidades da invenção referem-se à conversão de energia, e as modalidades da invenção mais especificamente referemse ao gerenciamento de transferência de energia de uma fonte de energia local para uma carga que está vinculada a uma rede elétrica de serviço público.

ANTECEDENTES [003] Tem havido muitos esforços ao longo do tempo para utilizar as fontes de energia locais para suplementar os requisitos de energia de uma rede elétrica de serviço público. Exemplos comuns incluem as células solares com inversores fotovoltaicos (PV). Outros exemplos podem utilizar a energia eólica, ou outra fonte que ocorre naturalmente, tal como a energia geotérmica. Tais fontes são utilizadas em tandem com a energia extraída de uma rede elétrica tradicional na esperança de reduzir a energia (e o custo consequente) extraída da grade.

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Tais sistemas são projetados para fornecer a energia da fonte para uma carga que inclui tanto a carga local quanto a rede elétrica. Assim, da perspectiva da fonte local, os projetos tradicionais agregam a carga local e a grade como o alvo para o fornecimento de energia do sistema. Portanto, na prática tais sistemas têm sempre suprido energia tanto real quanto reativa para a carga local.

[004] A transferência de energia da fonte local para a carga local é tipicamente ineficiente, resultando no usuário desperdiçando a energia gerada localmente, a qual é então extraída da grade. Assim, mesmo onde a fonte local pode gerar quantidades significativas de energia que aparentemente satisfaria as necessidades da carga local, a carga local tipicamente deve também extrair energia real e reativa da grade a um custo mensurável para o cliente.

[005] A tarifa que governa o custo de eletricidade para os clientes de rede elétrica de serviço público depende de muitos fatores, que incluem o tamanho de carga de base de um cliente, a hora do dia que a eletricidade é demandada, e o tipo de energia demandada (se esta é uma energia ativa ou reativa). A estrutura de tarifa requer que o cliente pague mais, por exemplo, se a energia for utilizada durante as horas de demanda de pico, quando o serviço público tem pouca reserva disponível para emergências, ou, por exemplo, se o tipo de energia for ativa, ao invés de energia reativa. Em geral, os clientes residenciais não pagam pela energia reativa sob as tarifas correntes, enquanto que os clientes industriais pagam.

[006] A energia reativa está se tornando mais dispendiosa para os serviços públicos produzirem do que foi anteriormente, por diversas razões. Primeiro, a demanda por energia reativa está crescendo muito mais rápido do que por energia ativa, porque muitos novos produtos eletrônicos e elétricos estão requerendo mais energia reativa do que antes. Estes produtos incluem as TVs de plasma e de LCD, os supri

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3/63 mentos de energia de computador, e os veículos elétricos vinculados em grade. Segundo, a energia reativa é mais dispendiosa para transportar por linhas de transmissão de longa distância do que é a energia ativa, porque esta causa quedas de voltagem aproximadamente 10 vezes maior do que o faz a energia ativa. Terceiro, apesar da energia reativa poder ser compensada nas linhas de distribuição locais, por meio disto cancelando a necessidade de construir estações de geração maiores muitos quilômetros distantes, os compensadores são dispendiosos para comprar e manter.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [007] A descrição seguinte inclui uma discussão de figuras que têm ilustrações dadas como exemplo de implementações de modalidades da invenção. Os desenhos devem ser compreendidos como exemplos, e não como limitação. Como aqui utilizadas, referências a uma ou mais modalidades devem compreendidas como descrevendo um aspecto, estrutura, ou característica específica incluída em pelo menos uma implementação da invenção. Assim, frases tais como em uma modalidade ou em uma modalidade alternativa que aqui aparecem descrevem várias modalidades e implementações da invenção, e não necessariamente todas referem à mesma modalidade. No entanto, estas também não são necessariamente mutuamente exclusivas.

[008] Figuras 1-2 cada uma ilustra um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que transfere energia de uma fonte local para uma carga vinculada em grade com condicionamento de fator de potência.

[009] Figura 3 é um fluxograma de uma modalidade de um processo para transferir energia de uma fonte local para uma carga vinculada em grade com condicionamento de fator de potência.

[0010] Figura 4 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema com múltiplas fontes de energia, um extrator de energia, e

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4/63 múltiplas cargas CA.

[0011] Figura 5 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla a distorção harmônica com um subsistema de controle de retorno de software acoplado a um controlador de forma de onda de hardware.

[0012] Figura 6 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla a distorção harmônica.

[0013] Figura 7 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema com múltiplas fontes de energia, um extrator de energia, e múltiplas cargas.

[0014] Figura 8 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um extrator de energia.

[0015] Figuras 9-13 cada uma ilustra um diagrama de blocos de uma modalidade de um exemplo de circuito de transferência de energia.

[0016] Figura 14 é um diagrama de blocos de uma modalidade de cogeração de energia de uma fonte local e uma grade de serviço público para uma carga de grade vizinha à fonte local.

[0017] Figura 15 é um diagrama de blocos de uma modalidade de uma fonte de alimentação melhorada em fator de potência.

[0018] Figuras 16A-B ilustram uma modalidade de energia de fase, ativa, e reativa que são controladas por condicionamento de fator de potência.

[0019] Figura 17 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência em uma carga local.

[0020] Figura 18 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência em uma conexão que faceia a grade controlando o fator de potência em uma carga local.

[0021] Figura 19 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência em uma conexão de gra

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5/63 de controlando o fator de potência em um parque de fonte de energia. [0022] Figura 20 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um mecanismo de retorno de fator de potência.

[0023] Figura 21 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema de comunicação para controlar o fator de potência remotamente.

[0024] Figura 22 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que o fator de potência com uma configuração de mestre/escravo.

[0025] Figura 23 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um processo de controle para o controle de fator de potência.

[0026] Descrições de certos detalhes e implementações seguem, incluindo uma descrição das figuras, as quais podem apresentar algumas ou todas as modalidades abaixo descritas, assim como discutir outras modalidades ou implementações potenciais dos conceitos inventivos aqui apresentados. Uma visão geral de modalidades da invenção está abaixo provida, seguida por uma descrição mais detalhada com referência aos desenhos.

DESCRIÇÃO DETALHADA [0027] O condicionamento em tempo real de fator de potência permite uma transferência de energia mais eficiente de uma fonte local para uma carga local vinculada em grade. Além disso, a transferência de energia da fonte para a carga é adicionalmente aperfeiçoada com a redução de distorção harmônica de acordo com o controle de distorção harmônica total, e uma extração de energia máxima para as fontes de energia instáveis e variáveis com casamento de impedância dinâmico. Os sistemas correntes que utilizam energia de uma fonte local não condicionam o fator de potência da energia gerada da fonte variável ou instável. Como aqui utilizado, metaestável refere-se a uma fonte que pode ser instável ou variável na sua produção de energia. Exemplos

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6/63 de tais fontes são as redes solares, os moinhos de vento, ou outras fontes verdes. Como aqui utilizada, uma carga local e uma fonte local são locais uma com relação à outra. Local refere-se a estar no mesmo sistema elétrico uma com relação à outra, e mais especificamente, estar no mesmo lado de um ponto de conexão de rede elétrica (por exemplo, a linha de entrada da grade que tipicamente passa através de um medidor de energia e uma caixa de disjuntores). Local não necessariamente implica em nenhum requisito geográfico específico outro que as limitações práticas para o projeto de sistema que seriam aparentes para alguém versado na técnica.

[0028] Nos sistemas anteriores que anexam as fontes metaestáveis como fontes de energia a uma carga vinculada em grade (local) (por exemplo, uma casa, um apartamento, uma cabana, ou outra moradia), o condicionamento de fator de potência não é considerado com relação à energia de grade. O fator de potência não foi considerado significativo para um consumidor de energia de serviço público, mas é ao contrário uma consideração dos consumidores de serviço público de energia e industriais com um grande maquinário indutivo. A correção de fator de potência para os consumidores de serviço público, especialmente com relação à energia gerada de fontes metaestáveis, pode não ser considerado porque: a) as cargas de impedância foram imaginadas como o controlador de fator de potência, não os inversores que suprem a energia para a carga; e, b) em modelos de engenharia que consideram o fluxo de energia, a carga local não é usualmente distinguida da carga geral no lado da rede elétrica de serviço público (olhando da fonte local). Assim, a maximização de transferência de energia para a carga local não é considerada nos modelos de engenharia preocupados com a anexação de fontes metaestáveis na rede elétrica.

[0029] No entanto, considerando a carga local separadamente da

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7/63 carga geral no lado da rede elétrica de serviço público, e controlando a transferência de energia para a carga local, incluir o condicionamento de fator de potência da energia gerada e maximizar a transferência de energia para a carga pode resultar em uma eficiência de transferência de energia grandemente aperfeiçoada. Além disso, como abaixo apresentado em maiores detalhes, a utilização de condicionamento de fator de potência pode resultar em ter somente energia real suprida pela fonte metaestável, e todos os requisitos de energia reativa são supridos pela grade. Em certas circunstâncias, a grade pode prover somente energia reativa, e não energia real para a carga.

[0030] A figura 1 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que transfere energia de uma fonte local para uma carga vinculada em grade com condicionamento de fator de potência. O sistema 100 representa um sistema de energia que inclui uma fonte metaestável 110, um inversor 120, uma carga Z102, e uma rede elétrica de serviço público 130. A carga Z102 representa as dependências do consumidor (por exemplo, uma residência) vinculada na grade 130. A fonte metaestável 110 (por exemplo, células/rede solares, gerador de energia eólica, ou outra fonte de energia variável no tempo ou verde) e o inversor 120 são locais à carga Z102, e proveem energia para a carga. Mais especificamente, a fonte metaestável 110 produz uma fonte de energia CC variável/instável (mostrada como Psource, ou energia de fonte). A fonte pode ser variável no tempo e/ou mudar em energia disponível devido a condições ambientais. O inversor 120 representa um aparelho extrator e inversor de energia dinâmico.

[0031] Sob operação normal, a energia CC é extraída da fonte 110, e extraída, invertida, e dinamicamente tratada pelo inversor 120, para produzir dinamicamente uma corrente CA máxima relativamente livre de distorção harmônica e variabilidade, e completamente em fase com o sinal de voltagem CA da rede elétrica 130. A colocação da cor

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8/63 rente CA gerada em fase com a voltagem CA de grade produz uma energia CA com um fator de potência na ou próximo da unidade para a carga Z102, significando que toda a energia reativa extraída pela carga vem da grade 130. Se a fonte 110 produzir energia suficiente para satisfazer os requisitos de energia reais da carga Z102, a única energia CA extraída da grade 130 pela carga é, ou praticamente é, exclusivamente energia reativa. Quando a fonte 110 é incapaz de produzir energia CC suficiente para servir a carga, a energia real pode também ser extraída da grade no modo comum.

[0032] Alternativamente, como abaixo descrito em mais detalhes, a corrente CA pode ser intencionalmente mudada para ficar fora de fase em um certo grau com relação ao sinal de voltagem CA da grade. Assim, o inversor único 120 pode fornecer a energia em qualquer fator de potência desejado para compensar por condições de energia na rede elétrica 130.

[0033] A corrente de inversor (Iinverter) e a corrente de grade (Igrid) estão mostradas apontadas na direção de grade 130, ilustrando o cenário onde uma energia suficiente é produzida pela fonte 110 para realmente servir a Z102 com a corrente de carga (IL), e devolver para a grade. A energia pode ser devolvida geralmente para a grade e o cliente pode ser apropriadamente compensado pela energia provida para a grade. Além disso, o cenário de devolução pode envolver prover energia para um cliente vizinho, como abaixo descrito em mais detalhes com relação à figura 14.

[0034] A grade 130 inclui um medidor de energia 132, o qual mede a energia real consumida pela carga Z102. Tipicamente, a voltagem e a corrente são medidas, e a energia computada. Note que no caso onde somente a energia reativa é extraída da grade, o medidor de energia 132 não medirá nenhuma utilização de energia pela carga Z102.

[0035] Como discutido, em uma modalidade, o fator de potência

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9/63 fornecido pelo inversor 120 para a carga Z102 está em ou próximo de 1,0 para introdução na carga local e para a rede elétrica. Além da correção de fator de potência, o inversor 120 provê uma correção de distorção harmônica. Em uma modalidade, o inversor 120 provê uma correção de distorção harmônica baseada em tabela. As técnicas de distorção harmônicas anteriores utilizam um método baseado em hardware ou em Transformada de Fourier Rápida (FFT). O método baseado em tabela implementado em um processador ou controlador reduz o custo por inversor e escala melhor do que as implementações de hardware típicas.

[0036] Além de causar um fator de potência próximo da ou na unidade para a energia fornecida do inversor 120, o inversor também monitora as condições de operação, e provê a energia máxima da fonte 110 dinamicamente e em tempo real com mudanças na fonte de energia e na carga de corrente. Assim, se a quantidade de energia gerada pela fonte 110 mudar, o inversor 120 pode modificar a saída com base naquela fonte em tempo real. Além disso, se as condições resistivas da carga Z102 (por exemplo, um motor indutivo tal como um aspirador é ligado, a correção de fator de potência automaticamente rastreia as necessidades da carga e ajusta para as mudanças em tempo real na carga. Além disso, a distorção harmônica total ajusta para a distorção harmônica mais eficientemente do que é requerido pelos padrões, assim satisfazendo os padrões e aperfeiçoando o desempenho do sistema ajustando dinamicamente a fontes de energia variáveis e instáveis, e a uma carga mutável.

[0037] Será compreendido que se a voltagem e a corrente de saída do inversor 120 forem casadas em fase uma com a outra e com a voltagem na grade (por exemplo, através de um loop de trava de fase, ou através de um mecanismo de amostragem e retorno de geração de energia), qualquer energia reativa necessária será absorvida da grade.

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Quanto mais energia real provida pela fonte 110, mais fora de fase a voltagem de grade e a corrente de grade estarão localmente em Z102. Se toda a energia real for provida localmente, a corrente e a voltagem da grade estarão 90 graus fora de fase localmente na carga Z102, fazendo com que a contribuição de energia real de grade caia para 0 (lembre que Preal=(Vmax*Imax/2)cos(Vphase-Iphase)).

[0038] A figura 2 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que transfere energia de uma fonte local para uma carga vinculada em grade com condicionamento de fator de potência. O sistema 200 provê um exemplo do sistema 100 da figura 1. A fonte metaestável 210 é uma fonte de energia variável ou instável. O sistema 200 inclui um inversor 220, o qual inclui um conversor CC/CC 222, acoplado a um inversor CC/CA 224, ambos os quais estão acoplados no e controlados pelo controlador (CPU) 240. Além disso, um dispositivo de comutação S226 (por exemplo, um relé) conecta seletivamente o inversor na carga Z202 e na grade 230.

[0039] O controlador 240 monitora a corrente CA, a qual sai do inversor CC/CA 224, e a voltagem gerada da grade 230, a qual aparece através da carga Z202. O controlador 240 controla pelo menos um parâmetro, o parâmetro 242, da operação do conversor 222, e o parâmetro 244, da operação do inversor 224. Os parâmetros 242 e/ou 244 podem ser um ciclo ativo de um sinal de comutação dos dispositivos de extração de energia (ver figuras abaixo para uma descrição adicional). A modificação do parâmetro é dependente da qualidade da corrente e da voltagem monitoradas. O controlador 240 ainda controla o dispositivo de comutação S226 para acoplar a carga na energia produzida (pelo conversor 222 e o inversor 224 da fonte 210), quando uma energia adequadamente condicionada está disponível para utilização pela carga.

[0040] Em operação, o controlador 240 monitora dinamicamente a

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11/63 operação do sistema para extrair e produzir corrente CA da fonte 210 em um fator de potência selecionado (por exemplo, totalmente em fase ou em alguma outra fase) com relação à voltagem CA provida pela grade 230. Quando a corrente está suficientemente condicionada e abundante para utilização com a carga, a carga e a grade são apresentadas com a energia real máxima total, significando primariamente ou somente a energia reativa é extraída da rede elétrica. Como o medidor de energia 232 registra somente a energia real extraída da grade 230 pela carga Z202, e não a energia reativa, a energia real extraída pela carga local não é cobrada.

[0041] Em uma modalidade, a rede elétrica de serviço público 230 inclui um medidor de var (volt-amperes reativos) 234 para monitorar a utilização de vars pela carga Z202. Os vars podem ser monitorados executando medições com base na fase da corrente e na voltagem da energia de grade na carga, e executando os cálculos com base nos valores medidos.

[0042] Em uma modalidade, o inversor 220 inclui as tabelas 250, as quais proveem um método baseado em tabela para controlar o fator de potência. As tabelas podem incluir entradas que são obtidas com base em condições de entrada medidas do sistema, para atingir um fator de potência desejado. O retorno do nodo vinculado em grade pode incluir as informações de cruzamento de voltagem zero, amplitude de voltagem, e forma de onda de corrente. Com tais informações, o controlador 240 utiliza as tabelas 250 para ajustar a operação do conversor 222 e/ou do inversor 224. As tabelas podem incluir pontos de ajustes que proveem sinais de saída idealizados que o sistema tenta criar. Combinando o desempenho de saída com uma representação idealizada da energia de entrada, um melhor desempenho de sistema é possível do que simplesmente tentando filtrar e ajustar a saída em modos tradicionais.

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12/63 [0043] Apesar de certas discussões específicas serem acima providas com relação aos sistemas 100 e 200, em geral, os sistemas podem ser adicionalmente descritos pelo seguinte. A energia CC metaestável é dinamicamente tratada com um aparelho para produzir uma energia CA máxima no fator de potência unitário e baixa distorção harmônica. O aparelho poderia ser provido tendo um circuito para acoplar a fonte metaestável na carga, tal como conectando na conexão de grade da carga. O aparelho pode incluir um conversor CC/CC e um conversor CC/CA (inversor) que tem pelo menos um parâmetro dinamicamente modificável (por exemplo, o ciclo ativo de um componente de controle de comutação, um período de trem de pulsos de um trem de pulsos utilizado para construir um sinal), controlado por um controlador de geração de energia.

[0044] O controlador modifica dinamicamente os parâmetros para produzir uma corrente CA de baixa distorção. Em uma modalidade, a corrente CA está inteiramente em fase com a voltagem provida pela grade, assim tendo um fator de potência próximo da unidade, de modo que todos ou a maioria dos requisitos de energia real atuais são providos pelo aparelho. Consequentemente, somente ou principalmente a potência reativa, se existir, poderia ser extraída da grade. Tal proposta maximiza o benefício de tratar a carga com a energia extraída da fonte de energia CC metaestável, enquanto minimizando o custo de extrair a energia da grade.

[0045] Em uma modalidade, a modificação dinâmica dos parâmetros é executada com um método baseado em tabela para modificar adaptavelmente a forma de onda de corrente CA produzida para corrigir o fator de potência e reduzir a distorção harmônica total. Além disso, a transferência de energia é maximizada pela utilização de um meio dinâmico para extrair energia, tal como descrito em Besser et al., Sistemas de Múltiplas fontes, Múltiplas Cargas com um Extrator de

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13/63 energia, Publicação U.S. Número 2008/0122518 A1, e como abaixo descrito em mais detalhes com relação à figura 4.

[0046] A figura 3 é um fluxograma de uma modalidade de um processo para transferir energia de uma fonte local para uma carga vinculada em grade com condicionamento de fator de potência. Os diagramas de fluxo como aqui ilustrados proveem exemplos de sequências de várias ações de processo. Apesar de mostrados em uma sequência ou ordem específica, a menos que de outro modo especificado, a ordem das ações pode ser modificada. Assim, as implementações ilustradas devem ser compreendidas somente como um exemplo, e o processo para estabelecer o canal seguro pode ser executado em uma ordem diferente, e algumas ações podem ser executadas em paralelo. Além disso, uma ou mais ações podem ser omitidas em várias modalidades da invenção; assim, nem todas as ações são requeridas em cada implementação. Outros fluxos de processo são possíveis. Além disso, será compreendido que nem todas as operações ilustradas e discutidas são necessárias em cada modalidade - algumas operações podem ser opcionais.

[0047] A operação do aparelho como acima discutido com relação ao condicionamento dinâmico pode ser descrita nominalmente em quatro partes. Em uma primeira parte (por exemplo, 302-308), a voltagem CA criada pelo aparelho é condicionada para estar totalmente em fase com a voltagem CA da rede elétrica de serviço público. O condicionamento trás a voltagem CA gerada em fase com a voltagem de grade. Na segunda parte (por exemplo, 310-314), um ou mais parâmetros dos conversores são controlados até que a corrente CA derivada do aparelho seja condicionada para estar em uma fase desejada com relação à voltagem CA da rede elétrica de serviço público (a qual está também em fase com a voltagem CA gerada). Em uma modalidade a fase desejada está totalmente em fase; assim o fator de potência da

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14/63 energia gerada é trazido para a unidade. Na terceira parte (por exemplo, 318-320), os um ou mais parâmetros podem ser adicionalmente controlados até que a distorção harmônica total da corrente CA do aparelho seja reduzida para um nível satisfatório. Na quarta parte (por exemplo, 322-326), os um ou mais parâmetros podem ser controlados para extrair e prover a energia real máxima da fonte de energia CC em um modo não variável, constante.

[0048] Na primeira parte, a voltagem da energia CA gerada está travada em fase com a fase da voltagem da grade, 302. A energia de fonte é recebida, 304, e convertida em voltagem e corrente CA, 306. A voltagem da grade pode ser medida e a fase da voltagem CA gerada travada na fase da grade 308. A voltagem CA na grade de serviço público, através da carga local, é periodicamente monitorada pelo controlador, por exemplo, com um looping de trava de fase, e os um ou mais parâmetros são modificados, até que a voltagem CA de inversor esteja em fase com a voltagem de rede elétrica.

[0049] Na segunda parte, o fator de potência é condicionado, 310. A corrente CA produzida pelo inversor é monitorada em uma taxa de intervalo periódico, e a fase de voltagem de grade é detectada, 312. Em uma modalidade, a taxa de intervalo periódico de monitoramento da corrente CA é executada não menos de 320 vezes por segundo. Uma modificação dinâmica do parâmetro de inversor, com base em uma tabela de valores predefinidos, ocorre até que a corrente CA alternada produzida pelo inversor esteja em, ou quase em fase com, a voltagem de grade de serviço público através da carga. Assim, a fase da corrente CA gerada é travada na fase de voltagem de grade, 314.

[0050] Na terceira parte, a corrente CA gerada pelo aparelho é adicionalmente condicionada para reduzir a distorção harmônica total, 316. O sinal de saída que está sendo gerado é medido ou amostrado, 318, e o sinal de saída é ajustado com base em um sinal ideal através

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15/63 de consulta de tabela, 320. Por exemplo, o controlador pode modificar dinamicamente uma tabela de valores de onda senoidal durante cada intervalo de 1/320 segundos periódico até que a distorção harmônica total satisfaça uma tolerância predeterminada.

[0051] Na quarta parte, a energia CC é maximizada, o que resulta na transferência de energia máxima. O aparelho pode casar a impedância entre a fonte e a carga. O controlador modifica um parâmetro de extrator de energia (por exemplo, um parâmetro 212, 222, do aparelho) para maximizar a corrente extraída sob as condições de corrente, 326. Tal conversão de energia pode ser executada como mais abaixo descrito.

[0052] A figura 4 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema com múltiplas fontes de energia, um extrator de energia, e múltiplas cargas CA. O sistema 400 representa um sistema de transferência de energia que tem um inversor. Como compreendido na técnica, um inversor é um dispositivo ou sistema eletrônico que produz uma corrente alternada (CA) de corrente contínua (CC). Geralmente, a conversão de CC para CA é executada como uma conversão de corrente CC de onda quadrada para uma corrente CA senoidal. O inversor é geralmente o componente crítico em um sistema fotovoltaico (PV) tradicional e outros sistemas de energia renovável vendo este ser responsável para o controle de fluxo de eletricidade entre estes sistemas de energia e várias cargas elétricas. O inversor executa a conversão da fonte CC variável para uma corrente alternada (CA) senoidal de 5060 Hz limpa. Os inversores também executam um rastreamento de ponto de energia máxima (MPPT) ostensivamente para manter a geração de energia tão eficiente quanto possível. Um inversor como aqui descrito pode também ter uma interface de comunicações para uma estação central para a transmissão de estatísticas e alertas.

[0053] Como ilustrado, o extrator de energia 422 pode ser um

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16/63 componente do inversor 420. Assim, o sistema inversor pode incluir um extrator de energia como o elemento de transferência de energia. O sistema 400 inclui uma ou mais fontes de energia 412-414, as quais podem ser dinamicamente acopladas e desacopladas no extrator de energia 422 para prover uma corrente CC. Além da transferência de energia, no sistema 400 o circuito de inversão 424 atua como um consumidor da saída do extrator de energia 422. Uma ou múltiplas cargas CA 442-444 podem ser seletivamente, dinamicamente acopladas e desacopladas no inversor 420 para receber a energia do circuito de inversão 424.

[0054] O circuito de inversão 424 geralmente converte a energia de saída eficientemente transferida do extrator de energia 422 e converte e filtra a energia em um modo eficiente. O resultado é um inversor de eficiência muito mais alta do que o sistema implementado com as tecnologias tradicionais. As discussões aqui com referência à estratégia de distribuição de energia, que distribui a energia para uma ou mais cargas, ou outra transferência de energia aplica-se igualmente bem ao sistema 400 como este o faz a outras modalidades descritas. Problemas similares de monitoramento de energia de saída serão aplicados no circuito de inversão 424 como são executados no extrator de energia 422. Os mecanismos para monitorar a saída de energia podem ser diferentes no circuito de inversão 424 do que aqueles do extrator de energia 422.

[0055] O circuito de inversão 424 é um conversor de energia de modo de corrente não linear algoritmicamente operado. O inversor 420, através do circuito de inversão 424, utiliza uma estrutura ou topologia geométrica para executar a sua comutação de corrente de saída provida pelo extrator de energia 422. A tecnologia de topologia de comutação de corrente converte a energia CC em energia CA sob controle de microprocessador. O microprocessador pode ser um microPetição 870190017807, de 21/02/2019, pág. 22/79

17/63 processador separado do que aquele que pode ser empregado no extrator de energia 422. Os requisitos de carga de cargas CA 442-444 para voltagem, frequência, e/ou fase podem ser detectados sob controle de software e por meio disto implementados para uma voltagem, frequência, e/ou fase desejadas. Alternativamente, ou além disso (por exemplo, como um imposição), os requisitos de carga para voltagem, frequência, e/ou fase podem ser controlados por configuração.

[0056] O monitor de carga 426 representa um ou mais componentes, sendo hardware, software, ou uma combinação (por exemplo, um hardware com um controle de firmware instalado), o qual monitora a saída do circuito de inversão 424 por voltagem (V), frequência (FREQ), e/ou fase. Com base no que é detectado, e/ou com base em regras ou entradas externas, o monitor de carga 426 pode prover uma configuração para o circuito de inversão 424. Note que mesmo quando o monitor de carga 426 está implementado em hardware, a sua entrada no circuito de inversão 424 pode ser considerada como um controle de software se inserida em um microprocessador do circuito de inversão 424. O monitor de carga 426 pode também incluir uma conexão de comunicação (não mostrada) para, por exemplo, uma estação central que envia os parâmetros de configuração que são passados para o circuito de inversão 424.

[0057] Além disso, ou alternativamente, para o monitor de carga 426, o inversor 420 pode incluir mais mecanismos de configuração manual. Tais mecanismos de configuração podem incluir comutadores (por exemplo, comutadores de configuração comumente utilizada DIP (pacote em linha duplo)). Outros comutadores ou mecanismos comparáveis poderiam também ser utilizados. Os comutadores DIP tipicamente têm uma fila de corrediças ou osciladores (ou mesmo mecanismos rotacionais do tipo de parafuso) que podem ser ajustados para uma ou outra posição. Cada posição de comutador pode configu

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18/63 rar um item diferente, ou a composição de todas as posições de comutador pode prover um número binário inserido em um microprocessador. A seleção de frequência 432 representa um mecanismo de configuração para ajustar a frequência de saída do inversor 420. A seleção de voltagem 434 pode ser utilizada para selecionar a voltagem de saída do inversor 420. A seleção de fase 436 pode ser utilizada para selecionar a fase de saída do inversor 420. A utilização de seleção de frequência 432, seleção de voltagem 434, e seleção de fase 436 podem permitir o inversor 420 operar corretamente mesmo em casos onde as informações de voltagem, frequência, ou fase são providas incorretamente de uma grade sobre a qual o inversor 420 opera.

[0058] A figura 5 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla a distorção harmônica com um subsistema de controle de retorno de software acoplado a um controlador de forma de onda de hardware. O sistema 500 inclui uma fonte de energia 504, uma carga 506, e um sistema de saída e controle 502. O percurso de energia 510 representa o percurso de energia elétrica da fonte 504 para a carga 506, como controlado pelo sistema de saída 502.

[0059] O sistema de saída 502 inclui um conversor de energia de entrada 520 para receber uma energia de entrada da fonte 504 e convertê-la para outra forma (por exemplo, CC para CA). O conversor de energia de entrada 520 inclui componentes de hardware para receber um sinal de energia para converter, e pode incluir componentes de energia apropriados. Em uma modalidade, o conversor de energia de entrada 520 implementa o casamento de impedância dinâmico, o que permite que a eletrônica de entrada transfira a energia máxima da fonte 504. O casamento de impedância dinâmica inclui rastrear constantemente um ponto de energia máxima, assim como acionar um acoplador de energia de entrada (por exemplo, um transformador) para manter uma rampa de energia tão plana quanto possível (por exemplo,

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19/63 uma rampa zero). O conversor de energia de entrada 520 pode receber os sinais de controle ou as informações do controlador 530, assim como prover uma entrada para indicar a operação do conversor.

[0060] Uma alimentação direta de entrada 512 provê informações (por exemplo, valor de energia máxima, frequência conforme apropriado, ou outras informações para controlar o hardware de conversor de energia de entrada) sobre a energia de fonte para o controlador 530. O controlador 530 controla o conversor de energia de entrada 520 com base nas informações de entrada sobre a energia de entrada. O controlador 530 representa qualquer tipo de controlador de processador que pode estar incorporado no sistema de saída 502. O controlador 530 pode ser ou incluir qualquer tipo de microcontrolador, processador de sinal digital (DSP), rede lógica, ou outra lógica de controle. Além disso, o controlador 530 pode incluir uma memória apropriada ou componentes de armazenamento (por exemplo, uma memória de acesso randômico, uma memória somente de leitura (ROM), registros, e/ou instantânea) para armazenar códigos ou valores gerados ou obtidos durante a operação de tempo de execução ou pré-computados.

[0061] O controlador 530 aciona o gerador de forma de onda programável 540 para gerar a forma de onda de saída desejada. O gerador 540 também se encontra no percurso de energia 510 e recebe a energia de entrada do conversor de energia de entrada 520 para a saída. Apesar da energia poder ser transferida, esta não é necessariamente emitida com a mesma forma de onda que esta é recebida. Por exemplo, um sinal CC pode ser emitido como um sinal senoidal, como mostrado no exemplo da figura 5. Outras conversões de energia podem ser executadas similarmente como mostrado e descrito. Em uma modalidade, o gerador 540 inclui um PWM para gerar uma forma de onda de saída 508. O gerador 540 recebe os sinais de controle e as informações do controlador 530, e pode prover as informações de sta

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20/63 tus ou de operações ou um retorno para o controlador 530 a forma de onda de saída pode ser ou de corrente ou de voltagem.

[0062] O sistema de saída 502 é capaz de incorporar as informações específicas de tempo, fase, ou outras informações de frequência, na geração de forma de onda de saída 508. Tal tempo, fase, ou outras informações de frequência podem ser referidos como dados de sincronização de entrada. Em uma modalidade, tais dados de sincronização de entrada chegam de dados de carga em tempo real, em cujo caso estes podem ser referidos como uma entrada de sincronização de carga. A entrada de sincronização de carga ou dados de sincronização de entrada indicam as informações necessárias para determinar o sinal de sincronização acima discutido. Tais informações estão indicadas no sistema de saída 502 como sincronização de saída 514. Em um sistema onde a saída é antecipada (por exemplo, conectando a uma grade elétrica), certas voltagens, tempos, ou outras informações podem ser esperadas (por exemplo, 520 V a 60 Hz), e uma estimativa inicial programada no ou feita pelo sistema na partida. Com base nos dados de sincronização de carga, a estimativa inicial pode ser ajustada.

[0063] O controlador 530 também mede o retorno de saída 516 fora do percurso de energia 510, para determinar a saída rela gerada pelo gerador 540. A saída real é comparada com uma referência ideal para determinar a saída desejada está sendo gerada. Em uma modalidade, o retorno de saída 516 é uma abstração para representar a medição de saída pelo controlador 530, e não inclui componentes separados em si mesmo. Em uma modalidade, o retorno de saída 516 inclui um mecanismo de amostragem ou outro mecanismo de seleção de dados para comparar com o sinal de referência ideal. Se o retorno de saída 516 incluir componentes separados do controlador 530, este pode ser acionado pelo controlador 530, e receber os dados de com

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21/63 paração do controlador 530 e prover as informações de erro ou de retorno. Nenhuma modalidade, o retorno de saída 516 é compreendido incluir pelo menos componentes de hardware necessários para um processo de controle de retorno para interfacear com as linhas de saída. Além disso, o retorno de saída 516 pode incluir outro hardware para executar as medições, computações, e/ou executar o processamento.

[0064] Tanto a sincronização de saída 514 quanto o retorno de saída 516 podem ser considerados loops de retorno. Será compreendido que a sincronização de saída 514 e o retorno de saída 516 não são a mesma coisa, e servem a diferentes propósitos. A sincronização de saída 514 indica como o sinal de referência ideal deveria parecer, como armazenado na tabela de forma de onda de referência 532. O retorno de saída 516 indica como a saída real varia do sinal de referência. A tabela de atualização 534 representa os dados gerados em resposta ao retorno de saída 516. Em uma modalidade, a sincronização de saída 514 está baseada em informações de voltagem sobre a saída do percurso de energia 510, enquanto que o retorno de saída 516 está baseado na corrente de saída gerada na saída do percurso de energia 510.

[0065] Com base na sincronização de saída 514 (ou com base em uma estimativa inicial da sincronização de saída 514), o sistema de saída 502 armazena e/ou gera a tabela de forma de onda de referência 532, a qual representa uma forma ideal da forma de onda de saída desejada ser gerada pelo gerador 540. A tabela de forma de onda de referência 532 pode ser armazenada como uma tabela ou outro conjunto de pontos (ou pontos de ajuste) que refletem o que a forma de onda de saída deveria parecer. Apesar de uma forma de onda senoidal estar representada, qualquer forma de onda periódica poderia ser utilizada. A tabela de forma de onda de referência 532 pode alternati

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22/63 vamente ser referida como uma fonte de forma de onda de referência. [0066] Com base no retorno de saída 516, o sistema de saída 502 gera a tabela de atualização 534. A tabela de atualização 534 inclui entradas ou pontos para indicar como modificar a operação do gerador 540 para prover uma saída que casasse mais aproximadamente da forma de onda da tabela de forma de onda de referência 532. Apesar de indicada como uma tabela, a tabela de atualização 534 pode ser uma tabela armazenada que é modificada em certos intervalos (por exemplo, cada entrada é atualizada conforme necessário para refletir os dados de erro medidos), ou pode ser gerada novamente a cada intervalo de atualização. A tabela de atualização 534 pode alternativamente ser referida como uma fonte de dados de atualização. As atualizações podem ser modificações de valores antigos, a substituição de valores, ou pode estar armazenada em diferentes localizações dentro de uma memória acessada pelo controlador 530. Em uma modalidade, cada valor da tabela de atualização 530 indica para cima, para baixo, ou nenhuma mudança para cada um dos pontos de ajuste. Tais valores são aplicados no hardware que controla a saída do gerador 540 para fazer com que o sinal de saída convirja sobre a forma de onda ideal desejada.

[0067] De uma perspectiva, o sistema de saída 502 pode ser visto como tendo cinco aspectos ou componentes. Apesar destes aspectos serem apresentados na figura 5 através de certos diagramas de blocos, será compreendido que diferentes configurações e uma variedade de diferentes componentes podem ser utilizadas para implementar um ou mais destes aspectos. Para os propósitos de discussão, e não como um meio de limitação, estes aspectos estão descritos seguidos por referências tais como Aspecto 1, Aspecto 2, e assim por diante. Será compreendido que tal convenção é meramente uma forma abreviada para referir ao assunto do aspecto ou componente descrito, e não

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23/63 necessariamente indica nada com relação a ordem ou significância. [0068] O Aspecto 1 pode incluir um meio para incorporar um tempo específico, uma fase ou outras informações de frequência. O meio inclui um hardware e/ou software para gerar e receber os dados de sincronização de entrada ou a entrada de sincronização de carga acima referidos, os quais estão baseados na sincronização de saída 514. O Aspecto 2 inclui a tabela de forma de onda de referência 532 a qual pode incluir uma tabela de dados ou uma equação dentro do software que representa a forma ideal da forma de onda de saída 508. O Aspecto 3 inclui o controlador 530, o qual pode ser ou incluir um algoritmo de software que compara a forma de onda de saída real gerada pelo gerador 540 com a representação tabular ideal como representada pela tabela de forma de onda de referência 532. O Aspecto 4 inclui um algoritmo dentro do controlador 530 que computa ou de outro modo seleciona e gera os dados de atualização representados pela tabela de atualização 534. O Aspecto 5 inclui o gerador 540 que utiliza os dados de atualização da tabela de atualização 534 para gerar a forma de onda de saída 508 da forma, proporção, tempo, e fase desejados. [0069] Com relação ao Aspecto 1, o tempo específico, a fase, ou outras informações de frequência provêem as informações de sincronização para os algoritmos de comparação e atualização no controlador 530. As informações podem vir por meio de uma tabela, equação, amostragem de sinais monitorados de hardware em tempo real, ou outra fonte.

[0070] Com referência ao Aspecto 2, os dados que representam a forma de onda de referência, podem ser de qualquer comprimento e de qualquer formato, inteiros ou não inteiros, se dentro de uma tabela. Tal tabela pode ser gerada dinamicamente no tempo de execução ou ser codificada em hardware no momento da compilação. A forma ideal da forma de onda representada pode ser senoidal ou não senoidal. A

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24/63 forma de onda pode ser representada por valores de dados uniformemente espaçados no domínio de tempo ou não uniformemente espaçados, adiantados no tempo ou atrasados no tempo ou qualquer sua mistura. A forma de onda poderia alternativamente ser representada por valores de dados no domínio de frequência, e organizados em qualquer modo. Os dados podem ser comprimidos ou não comprimidos. Os dados podem ser representados por uma equação ao invés de pontos de ajuste de dados computados, ou parte por uma equação e parte por uma tabela. Em uma modalidade, os pontos de ajuste armazenados em uma tabela são os resultados computados de uma equação. Os dados podem ser alterados durante o processamento no tempo de execução para mudar a forma da forma de onda ideal para um ideal diferente. Os valores na tabela de forma de onda de referência 532 podem ser modificados ou substituídos por valores diferentes se alterados no tempo de execução. Os dados podem ser alinhados para estarem em fase exata com a forma de onda de entrada ou estes podem ser deslocados em fase.

[0071] Com relação ao Aspecto 3, o controlador 530 pode incluir qualquer algoritmo de comparação tradicional ou padrão. Um algoritmo de controle compara os valores de dados que representam a forma de onda de saída, amostrados por hardware, e transformados em valores de dados de software através de técnicas de amostragem padrão ou não padrão. Em uma modalidade, o controlador compara os pontos de ajuste ideais das computações de tabela ou de equação com as informações de sincronização, ponto por ponto, e gera os dados de erro, ponto por ponto. Em uma modalidade, o controlador pode processar múltiplos pontos de uma vez ao invés de ponto por ponto.

[0072] Com relação ao Aspecto 4, o controlador 530 inclui um algoritmo de seleção o qual cria ou gera novos dados utilizando qualquer técnica padrão ou não padrão. Em uma modalidade, o algoritmo

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25/63 de seleção envolve executar cálculos. Alternativamente, o algoritmo de seleção pode simplesmente selecionar os dados sem executar processamento ou executar cálculos. O algoritmo de seleção pode substituir os valores de dados em uma tabela de pontos de ajuste, ou deixar os valores de dados na tabela preferindo utilizar outra área de armazenamento. O algoritmo de seleção pode transformar os dados do domínio de tempo para o domínio de frequência e vice-versa como parte de seu processo de seleção. O algoritmo provê um mecanismo de atualização de erros (por exemplo, um algoritmo) em que este identifica os valores de dados que corrigirão a forma de onda de saída quando aplicados. Assim, a forma de onda de saída após a aplicação dos valores de dados parece mais como a forma de onda ideal preferida.

[0073] Com relação ao Aspecto 5, os novos valores de dados representados pela tabela de atualização 534 são aplicados a hardware no gerador 540 através de processos padrão para acionar a geração da forma de onda de saída. Em uma modalidade, os novos valores de dados são aplicados através de um mecanismo de PWM ou qualquer outro mecanismo que transforme os valores de dados discretos em uma forma de saída analógica.

[0074] A figura 6 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla a distorção harmônica. Em uma modalidade, o sistema 600 da figura 6 é um exemplo de um sistema de conversão de energia vinculado em grade que implementa o sistema 500 da figura 5. Assim, a entrada 602 pode corresponder à energia de entrada da fonte 502, e a saída 650 pode corresponder a uma saída na carga 506. Em uma modalidade, o sistema 600 controla a distorção harmônica do sinal de corrente de saída e o deslocamento de fase entre a voltagem de grade e o sinal de corrente de saída de uma fonte fotovoltaica solar vinculada em grade ou outra, sistema de conversão de enerPetição 870190017807, de 21/02/2019, pág. 31/79

26/63 gia CC para CA.

[0075] O sistema 600 inverte a energia CC de entrada 602 em uma energia CA de saída na saída 650. Em uma modalidade, a voltagem e a corrente na saída 650 são ambas ondas senoidais de 60 Hz ideais, não distorcidas por harmônicos espúrios, onde a corrente ou se atrasa ou avança a voltagem por um deslocamento de fase. Tal implementação pode ser empregada em um sistema vinculado em grade, onde a voltagem de saída é firmemente estabelecida pela vinculação de grade na saída 650, mas a corrente não é. As normas UL 1247 requerem que a corrente seja reduzida em distorção harmônica. Como ilustrado, o sistema 600 provê pelo menos a formação de uma forma de onda senoidal ideal, deslocada em fase da voltagem fixa da grade, no entanto não distorcida em aspecto.

[0076] Em uma modalidade, as operações do sistema 600 podem ser separadas como três elementos. O primeiro é estabelecer uma tabela de valores de forma de onda de corrente ideal para a forma de onda desejada com um ângulo de deslocamento de fase desejado som distorção. Apesar de descrito mais especificamente para as formas de onda de corrente de saída e as formas de onda de corrente ideais, será compreendido que este é um exemplo não limitante, e a discussão com relação ao sistema 600 poderia ser aplicada também para controlar as formas de onda de voltagem de saída, com modificações que serão compreendidas por aqueles versados na técnica. O segundo é comparar um sinal de saída real gerado por um gerador de forma de onda com a forma de onda ideal. O terceiro é gerar, com as informações de tempo de entrada e as informações de erro, uma tabela de atualização de valores que permite que o gerador de forma de onda corrija a forma de onda de saída real. As operações aperfeiçoam iterativamente a forma de onda de saída que tenda na direção da forma de onda ideal (por exemplo, uma senóide). Assim, o resultado das

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27/63 operações coloca uma forma de onda de corrente de 60 Hz pura em fase com, avançando, ou atrasando com a forma de onda de voltagem de grade.

[0077] O percurso de atravessamento de fluxo de energia principal em uma modalidade ocorre como segue: A entrada 602 é uma energia de entrada CC. O gerador de PWM 630 aciona o conversor CC para CA 642 utilizando uma tabela de valores atualizados (atualização de entrada de tabela de PWM 680). Em uma modalidade, a tabela de atualização 680 corresponde com a tabela 540 da figura 5. A energia CC de entrada 602 para o conversor CC para CA 642 do hardware de inversor 640, e sai como a forma de onda de corrente CA de saída 650. O detector de forma de onda de corrente 644 detecta a forma de onda corrente na saída 650. A forma de onda de entrada está ilustrada no gerador de PWM 630 como uma onda senoidal perfeita, e distorcida no detector de forma de onda de corrente 644. A quantidade de distorção pode ser exagerada, mas ilustra que a forma de onda de saída pode nem mesmo inicialmente parecer muito com a forma de onda desejada ideal. No entanto, a forma de onda converge através do retorno. O hardware de inversor 640 também inclui o detector de forma de onda de voltagem 646, o qual gera as informações de sincronização 648, as quais correspondem às informações de sincronização de saída da figura 5.

[0078] O fluxo de loop de controle que detecta e implementa o retorno ocorre como segue: As informações sobre a energia de entrada CC 604 e as informações de deslocamento de fase de entrada 606 definem uma forma de onda ideal de referência 610. A forma de onda ideal de referência, como acima discutido, pode ser armazenada como uma tabela. Em uma modalidade, simultaneamente a saída do gerador de PWM 630 é detectada em pico 622 e permitida escalar a tabela ideal no controle de nível de forma de onda de referência 624. A saída

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28/63 de controle de nível 624 é a forma de onda ideal instantânea desejada. A forma de onda de referência do controle de nível de forma de onda de referência 624 e a saída real são recebidas no controlador de PID (derivada integral proporcional) 660.

[0079] O controlador de PID 660 inclui o detector de erro de tabela de PWM 662, o qual recebe a forma de onda de referência escalada e a forma de onda de saída real. O erro torna-se a entrada de erro para o bloco de erro proporcional 664, o bloco de erro integral 666, e o bloco de erro derivado 668. A soma dos sinais de erro é a soma de erro de tabela de PWM, a qual provê a saída de controlador de PID para a atualização de entrada de tabela de PWM 680. Estes valores de tabela atualizados são alimentados de volta para o gerador de PWM 630 e acionam o gerador para ajustar a saída do hardware de inversor 640, para convergir o sinal de saída para a forma de onda de referência 610.

[0080] A figura 7 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema com múltiplas fontes de energia, um extrator de energia, e múltiplas cargas. O sistema 700 provê um cenário de caso de uso geral para o extrator de energia 730. O extrator de energia 730 é um exemplo de um extrator de energia de acordo com qualquer modalidade aqui descrita. Podem existir uma ou mais fontes de energia 712714 acopladas no extrator de energia 730. Note que diferentes fontes de energia podem requerer diferentes hardwares de acoplamento. O hardware de acoplamento de entrada 720 inclui circuitos de interface que acoplam as fontes de energia de entrada no extrator de energia 730. Em algumas modalidades, o circuito de interface 722 é diferente do circuito de interface 724. No entanto, estes podem ser o mesmo.

[0081] As fontes de energia 712-714 podem ser qualquer tipo de fonte de energia CC (referida como uma fonte de potência ou uma fonte de energia). Em geral, exemplos de fontes de energia CC que po

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29/63 dem ser utilizadas de acordo com as modalidades de um extrator de energia incluem, mas não estão limitadas a, células ou painéis fotovoltaicos, uma bateria ou baterias, e fontes que derivam a energia através de vento, água (por exemplo, hidroelétrica), forças de maré, calor (por exemplo, par térmico), geração de energia de hidrogênio, geração de energia gás, radioativa, deformação mecânica, piezoelétrica, e movimento (por exemplo, um movimento humano tal como caminhar, correr, ou outro movimento). Mais especificamente com relação aos sistemas vinculados em grade aqui discutidos, as fontes de energia 712714 incluem qualquer fonte de energia capaz de prover energia para uma carga vinculada em grade.

[0082] Em geral, as fontes de energia podem incluir as fontes de energia naturais e fontes de energia feitas pelo homem, e podem ser estáveis (que proveem uma energia essencialmente constante, mas variável em magnitude) e instáveis (que proveem uma energia que varia ao longo do tempo). O hardware de acoplamento de entrada 720 pode ser considerado incluir a interface inteira (por exemplo, do cabo/fio/trilha para o conector/pino para o circuito), ou simplesmente incluir o circuito de interface. O circuito de interface pode incluir qualquer tipo de componentes discretos (por exemplo, resistores, capacitores, indutores/transformadores, diodos, ou outros componentes eletrônicos) como aqui descrito, e como pode de outro modo ser conhecido na técnica.

[0083] Além disso, em algumas modalidades, o hardware de acoplamento de entrada 720 inclui comutadores (por exemplo, transistores de efeito de campo de energia (FETs)) ou outros mecanismos similares que permitem que uma ou mais fontes de energia sejam seletivamente desconectadas ou desacopladas do extrator de energia 730. O acoplamento e desacoplamento de fontes de energia pode ser executado, por exemplo, através de sinais de controle de uma porção de gePetição 870190017807, de 21/02/2019, pág. 35/79

30/63 renciamento do extrator de energia.

[0084] Similar ao lado de entrada, ou o extrator de energia 730 inclui, ou então está acoplado no extrator de energia 730 no sistema 700, um hardware de acoplamento de saída 740. O hardware de acoplamento de saída 740 inclui os elementos de interface 742-744. Pode existir uma relação de um para um entre os elementos de interface 742-744 e as cargas 752-754, mas tal relação não é estritamente necessária. Uma ou mais cargas podem ser acopladas através do mesmo hardware de acoplamento de saída. Uma configuração similar pode existir no hardware de acoplamento de entrada 720 - a relação de elementos para fontes pode ser de um para um, ou alguma outra razão. Com uma razão outra que um para um, podem existir restrições sobre colocar seletivamente as fontes ou cargas individuais online e offline. Tais restrições poderiam resultar em uma eficiência reduzida (de um ideal de outro modo potencialmente atingível) em casamento de impedância, apesar do casamento de grupo poder não necessariamente ser menos eficiente. Assim, as cargas e/ou fontes podem ser manipuladas como grupos, os quais podem ser colocados online ou offline como um grupo, e casados em impedância como um grupo.

[0085] As cargas 752-754 podem também ser seletivamente acopladas no extrator de energia 730 através do hardware de acoplamento de saída 740. Uma ou mais cargas podem ser acopladas ou desacopladas através de um sinal de controle de acordo com uma estratégia de gerenciamento. O gerenciador de transferência de energia 734 geralmente representa qualquer tipo de circuito de gerenciamento de transferência de energia, e pode incluir um ou mais elementos de circuito de processamento, tais como microprocessadores, redes de portas programáveis no campo (FPGA), circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), redes lógicas programáveis (PLAs), microcontroladores, ou outra lógica de controle de hardware. O gerenciamento da

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31/63 transferência de energia é executado pelo gerenciador de transferência de energia 734, o qual pode ser considerado operar de acordo com uma estratégia de gerenciamento de transferência de energia. Tal estratégia controla como a energia será transferida, ou como o gerenciador de transferência de energia 734 operará para gerenciar a transferência de energia. A operação para gerenciar a transferência de energia pode incluir ajustar as linhas de saída para um estado ativo ou inativo (por exemplo, comutando um pino I/O de microprocessador, ou de outro modo enviando os controles de configuração para outros circuitos.

[0086] O gerenciador de transferência de energia 734 monitora a energia de entrada para as mudanças de energia para determinar como controlar a operação do circuito de transferência de energia 732. O circuito de transferência de energia 732 está abaixo descrito em mais detalhes, e geralmente permite que o extrator de energia 730 converta a energia das fontes em energia para fornecer para as cargas. Será compreendido que com a capacidade de acoplar e desacoplar seletivamente as fontes e as cargas, o gerenciador de transferência de energia 734 pode incluir uma lógica para ajustar a transferência de energia de acordo com qualquer um de um número de cenários de transferência de energia. Tal capacidade permite mudanças de configuração de sistema dinâmicas enquanto que o extrator de energia 730 mantém a eficiência de transferência.

[0087] O gerenciador de transferência de energia 734 e o extrator de energia 730 podem dinamicamente e continuamente ajustar para as configurações de sistema, assim como monitorar continuamente as curvas de energia de entrada e/ou saída. A lógica se responsabiliza pelas necessidades da(s) carga(s), e a entrada da(s) fonte(s). Em algumas modalidades, as necessidades das cargas podem ser determinadas pelo hardware de monitoramento. Um método mais simples é

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32/63 incluir os perfis de energia das cargas pretendidas, o qual informa ao gerenciador de transferência de energia 734 como controlar a saída para as cargas específicas. O gerenciador de transferência de energia 734 pode identificar quais cargas estão presentes, e assim quais perfis são aplicáveis, com base em detecção/monitoramento de carga, e/ou através de indicação de uma carga por uma fonte externa (por exemplo, a própria carga envia um sinal tal como disparando um pino de carga em um microprocessador, ou uma entidade de gerenciamento de sistema indica quais cargas estão presentes).

[0088] Uma ineficiência dos sistemas tradicionais é o aspecto sempre ligado dos suprimentos de comutação. A tecnologia de transferência de energia tradicional consumia energia mesmo quando as cargas não requeriam energia, e/ou mesmo quando uma fonte não estava disponível. Assim, alguma parte do circuito de transferência de energia estava sempre consumindo energia. Em algumas modalidades, o gerenciador de transferência de energia 734 pode automaticamente ligar e desligar o extrator de energia 730 com base na presença de energia e/ou uma carga. Assim, por exemplo, o gerenciador de transferência de energia 734 pode automaticamente entrar em um estado de repouso se a energia de entrada cair abaixo de um limite (por exemplo, 1,0 mA a 5 V). Quando a energia está acima do limite, o gerenciador de transferência de energia 734 pode determinar se quaisquer cargas estão ou devem ser conectadas. Na ausência de uma fonte e/ou uma carga, o gerenciador de transferência de energia 734 pode não prover os sinais de controle, o que resulta em nenhuma transferência de energia, ou pode produzir sinais para desativar o circuito ativo. O gerenciador de transferência de energia 734 pode ser sofisticado e também ou alternativamente incluir um mecanismo temporizador que permite que o sistema desperte após um período de tempo (por exemplo, 5 minutos) para reverificar o status do sistema.

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33/63 [0089] Em algumas modalidades, os conceitos de gerenciamento de energia como incorporados pelo gerenciador de transferência de energia 734 podem ser considerados incluir múltiplos aspectos. Por exemplo, o gerenciador de transferência de energia pode incluir regras comerciais e controle, onde cada regra pode controlar um aspecto diferente do controle de energia, ou controlar o mesmo aspecto de energia em um modo diferente. As regras comerciais e o controle podem ser implementadas como hardware, software ou alguma combinação. As regras comerciais podem ser divididas em regras de planejamento, as quais são regras estratégicas que podem observar o casamento de impedância ou monitorar a curva de energia. As regras organizacionais podem ser regras táticas que determinam como lidar com as múltiplas entradas e as múltiplas saídas. As regras podem prover e/ou implementar os parâmetros que proveem a funcionalidade específica do extrator de energia 730. O controle pode implementar ações ou colocar em efeito as regras comerciais. Por exemplo, em algumas modalidades, o casamento de impedância pode casar somente uma única fonte de energia. Um casamento seletivo seria executado para a fonte de entrada que faz mais sentido casar.

[0090] Em algumas modalidades, determinar como transferir energia para as cargas ou determinar uma estratégia de transferência de energia inclui determinar ou identificar e selecionar as regras de distribuição de energia. A transferência de energia então ocorre de acordo com a regra de distribuição de energia selecionada. As regras de distribuição de energia podem ser simples e complexas, e podem ser genericamente classificadas como segue.

[0091] As regras hierárquicas resultam em uma simples precedência de uma carga sobre outra. Como a energia de fonte flutua para cima e para baixo, a energia transferida para as cargas pode ser para dar um tratamento preferencial para uma carga sobre a outra. Um

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34/63 exemplo pode ser favorecer o circuito operacional de um dispositivo de missão crítica, enquanto dando uma preferência mais baixa para recarregar uma de diversas baterias de reserva.

[0092] As regras de rotatividade instituem uma programação para distribuir energia. Por exemplo, a energia pode ser distribuída para uma carga por um período de tempo, então para outra, então para outra. Assim, todas as cargas receberiam alguma porção de energia distribuída em um dado período de tempo. As regras baseadas em alocação podem instituir alocações fixas para cada carga. Por exemplo, um sistema pode alocar 80% de toda energia distribuída para carregar uma bateria principal, deixando 20% para uma ou mais outras cargas.

[0093] As regras baseadas em tempo permite que a distribuição de energia seja baseada na hora do dia ou, no dia da semana. Por exemplo, um sistema pode ser programado com uma programação de aurora/ocaso e ter uma lógica para determinar as horas de sol de pico. Assim, a energia pode ser esperada estar em um pico de um painel solar em horas específicas do dia. Com base na hora do dia, o sistema pode distribuir a energia de acordo com uma estratégia ou outra. Em outro cenário, um sistema pode ter dados históricos que indicam uma utilização de carga de pico. A energia pode ser distribuída em certas horas do dia de acordo com a utilização esperada. Note que como abaixo descrito, a energia de entrada de pico e a carga de pico podem ser ativamente determinadas e dinamicamente consideradas. As regras baseadas em tempo podem então atuar como uma estrutura para outras regras a serem aplicadas. Por exemplo, durante certas horas do dia, uma rotatividade pode ser utilizada, enquanto que uma estratégia baseada em demanda é empregada em outras horas do dia.

[0094] As regras baseadas em funcionalidade permite que o sistema aloque energia de acordo com a funcionalidade ou o propósito de carga no sistema. Por exemplo, em um marca-passo, ao circuito funci

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35/63 onal pode ser dada prioridade sobre o carregamento de bateria. Similarmente, a um equipamento navegacional pode ser dado um tratamento preferencial em relação às luzes de cabine em um avião. As regras baseadas em demanda podem ajustar a transferência de energia para ser proporcional à demanda das cargas. As regras baseadas em demanda podem requerer a adição de um circuito de detecção (não mostrado) no hardware de acoplamento de saída 740. Em algumas modalidades, o extrator de energia 730 inclui uma lógica de balanceamento de carga (hardware e/ou software) para implementar as regras baseadas em demanda. Em algumas modalidades, regras baseadas em comando podem também ser aplicadas. Isto é, uma estação central ou outra entidade de controle pode prover uma regra para como a energia deve ser distribuída, a qual pode prevalecer sobre quaisquer outras regras ou condições já no sistema.

[0095] Como já sugerido, as regras de distribuição de energia podem ser aplicadas consistentemente, ou podem ser ajustadas para qualquer um de um número de cenários (por exemplo, uma mudança em demanda, hora do dia, número/força de fontes de energia, ou outra condição variável).

[0096] O gerenciador de transferência de energia 734 pode incluir ou ter associado um controle de impedância 736. O controle de impedância 736 pode referir a um hardware e um software que casa a impedância do hardware de acoplamento de entrada 720 e/ou o hardware de acoplamento de saída 740 com fontes ou cargas associadas, respectivamente. As técnicas para o casamento de impedância estão acima descritas, e não serão aqui repetidas.

[0097] A figura 8 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um extrator de energia. O circuito de análise de mudança de energia 820 inclui um circuito de detecção de mudança de energia 830. O circuito de transferência de energia 870 inclui os circuitos 872, 874, e

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876. Os circuitos 872 e 876 incluem um transformador T1 (que inclui os indutores L1 e L3) e um transformador T2 (que inclui os indutores L2 e L4). O circuito 874 inclui os capacitores C1 e C2 e um nodo N5 que separa C1 e C2, e conectado nos indutores L3 e L4. A fonte de energia 802 está acoplada no indutor L1 através do condutor 804 do nodo N1, um conector de interface, e um nodo N1*. O (*) designa o nodo efetivo, ou o nodo equivalente visto olhando para dentro do sistema de fora (N1* é visto da fonte 802, e N2* é visto da carga 890). Como um exemplo, o conector de interface pode ser um receptáculo de plugue. Se a diferença de impedância entre N1, o conector de interface, e N1' for relativamente pequena, então estes podem ser considerados um nodo. De outro modo, estes podem ser considerados mais de um nodo. Do mesmo modo com o nodo N2*, um conector de interface e um nodo N2 correspondente. O indutor L1 fica entre os nodos N1* e N3, e o indutor L2 fica entre os nodos N4 e N2*.

[0098] O circuito de detecção de mudança de energia 830 detecta uma mudança de energia no nodo N1* e provê um sinal de controle de comutação sobre o condutor 838 (do elemento 836) para uma entrada do circuito de comparação 840. Em uma modalidade, o circuito de detecção de mudança de energia 830 detecta uma rampa da mudança de energia e pode ser denominado um circuito de detecção de rampa de energia 830, e provê um sinal de indicação de rampa de energia. Em uma modalidade, a rampa de energia é uma rampa de energia instantânea. Outra entrada do circuito de comparação 840 recebe uma forma de onda tal como uma onda de dente de serra do circuito gerador de forma de onda 826. O circuito de comparação 840 controla um ciclo ativo dos comutadores S1 e S2. Em uma modalidade, S1 e S2 não estão ambos abertos ou ambos fechados ao mesmo tempo (com a possível exceção de breves transições quando estes estão comutando). O circuito gerador de forma de onda 826 e o circuito de compa

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37/63 ração 840 são exemplos de circuito no circuito de controle de comutação 880.

[0099] Quando S1 está fechado, os campos eletromagnéticos mudam em T1 e T2 enquanto que o potencial eletrostático através de C1 e C2 é alterado e a energia da fonte de energia 802 é distribuída eletromagneticamente para T1 e T2, enquanto que eletrostaticamente em C1 e C2. Quando S1 abre, S2 fecha e o fluxo magnético em T1 começa a diminuir. Assim, a energia armazenada em T1 flui através de N3 para os capacitores C1 e C2 do circuito 874, depositando parte da energia como um campo eletrostático por sobre C1 e C2, e parte da energia em T2 do circuito 876 através do nodo N5 e do indutor L4. O fluxo residual em T2 também começa a diminuir, transferindo a energia para a carga 890 através de N2. Quando S1 fecha e S2 abre novamente, o fluxo magnético em T1 começa a aumentar enquanto que o fluxo magnético em T2 também aumenta já que este consome parte da energia eletrostática que estava anteriormente armazenada em C1 e C2. Assim a energia armazenada no circuito 874 é descarregada e transferida para T2 e a carga. Acionando os comutadores em uma frequência apropriada, T1 e T2 podem ser acionados para saturação, resultando em uma eficiente transferência de energia da fonte 802 para a carga.

[00100] A transferência de energia de múltiplas fases combina duas ou mais entradas em fase para produzir um fluxo resultante em um núcleo magnético equivalente ao bissetor angular das entradas. (Nota: o bissetor de ângulo de um ângulo é conhecido ser o local geométrico de pontos equidistantes dos dois raios (meias linhas) que formam o ângulo). Nesta modalidade do extrator de energia, os capacitores C1 e C2 são utilizados para deslocar a fase da corrente que é aplicada no enrolamento secundário de T1 e T2 (L3 e L4, respectivamente). Assim, as entradas de múltiplas fases são aplicadas nos núcleos T2 e T3. O

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38/63 somatório de entradas de múltiplas fases altera a força eletromotiva que se apresentam durante o aumento e a redução de fluxo nos enrolamentos primários do transformador L1 e L3. O resultado é a neutralização (dentro da largura de banda da frequência operacional do extrator de energia) de variações de alta frequência no componente reativo da impedância que os circuitos 872 e 876 exibem para a fonte e a carga respectivamente. Os circuitos 872 e 876 podem ser circuitos de transferência de energia de bissetor de múltiplas fases para causar a transferência de energia de bissetor de múltiplas fases e interfacear com o circuito 874.

[00101] Devido às propriedades dinâmicas do circuito 872, a fonte de energia 102 vê uma impedância equivalente no indutor L1 do extrator de energia 810. Do mesmo modo, com o indutor L2 e a carga 890. As impedâncias de entrada e de saída do extrator de energia 810 são ajustadas controlando o ciclo ativo de C1 e C2. Um casamento ótimo de impedâncias para a fonte de energia 802 ocorre quando uma extração de energia máxima da fonte de energia é conseguida.

[00102] O circuito de detecção de rampa de energia 830, o sinal de indicação de mudança de energia, e o circuito de comparação 840 fazem parte de um loop de controle que controla o ciclo ativo do circuito de comutação 850 para conseguir uma extração de energia máxima (isto é, AP/AV = 0) da fonte de energia 802. O loop de controle pode também controlar a frequência de comutação do circuito de comutação 850 para influenciar a eficiência de transferência de energia através do circuito de transferência de energia 870. Meramente como um exemplo, a frequência pode estar na faixa de 100 KHz a 250 KHz dependendo dos limites de saturação dos indutores. No entanto, em outras modalidades, as frequências podem ser substancialmente diferentes. O tamanho e outros aspectos dos indutores podem ser escolhidos para atender vários critérios incluindo uma capacidade de transferência

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39/63 de energia desejada, uma eficiência, e espaço disponível. Em algumas modalidades, a frequência pode ser mudada mudando a frequência da forma de onda do circuito gerador de forma de onda 826. Em algumas modalidades, a frequência é controlada por um loop de controle como uma função sobre se um aumento em tempo de corrente está entre uma corrente mínima e máxima em um circuito de transferência de energia.

[00103] Como aqui utilizado, o ciclo útil do circuito de comutação 850 é a razão do tempo ligado de S1 para o tempo ligado total de S1 e S2 (isto é, ciclo ativo = S1/ (S1+S2)). O ciclo ativo poderia ser definido por uma razão diferente associada com S1 e/ou S2 em outras modalidades. Quando as voltagens da fonte de energia 802 e da carga 890 são iguais e o ciclo ativo é de 50%, existe uma transferência de energia zero através do extrator de energia 810 em algumas modalidades. Se as voltagens da fonte de energia 802 e da carga 890 forem diferentes, um ciclo ativo mais alto ou mais baixo pode causar uma transferência de energia zero através do extrator de energia 810. Assim, um ciclo ativo específico do circuito de comutação 850 não está vinculado a uma direção ou quantidade específica de transferência de energia através do circuito de transferência de energia 870.

[00104] Será compreendido que a mudança de energia pode ser continuamente detectada e o sinal de controle de comutação pode ser continuamente atualizado. A utilização de circuitos analógicos é um modo para executar uma detecção e uma atualização contínuas. A utilização de circuitos digitais (tal como um processador) é outro modo para executar uma atualização de sinal de controle de detecção e de comutação contínuas. Apesar da atualização de alguns circuitos digitais poder em algum sentido não ser exatamente contínua, esta pode ser considerada contínua quando para todos os propósitos práticos esta produz o mesmo resultado que uma atualização verdadeiramente

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40/63 contínua. Como um exemplo, a atualização do sinal de controle de comutação é também considerada contínua quando a frequência de mudança está fora da largura de banda de loop de controle. Em alguns casos, a atualização do sinal de controle de comutação também poderia ser considerada contínua quando a frequência de mudança está dentro da largura de banda de controle. Meramente como um exemplo, em algumas implementações, a largura de banda de loop de controle pode ser de aproximadamente 800 Hz. Em outras modalidades, a largura de banda de loop de controle é mais alta do que 800 Hz, e talvez muito mais alta do que 800 Hz. Em ainda outras modalidades, a largura de banda de loop de controle é mais baixa do que 800 Hz e dependendo da implementação e desempenho desejados pode ser mais baixa do que 400 Hz.

[00105] Um processador/ASIC e/ou rede de portas programáveis no campo (FPGA) 822 (daqui em diante, processador 822), um circuito de escalagem 824, sensores de corrente (CS) 862 e 864 podem também estar incluídos. O processador 822 recebe os sinais indicativos da corrente detectada assim como a voltagem do nodo N1*. As letras A e B mostram as conexões entre os sensores de corrente e o processador 822. Em uma modalidade, o processador 822 também reúne informações e/ou provê um controle para as subcargas. As informações de corrente podem ser utilizadas para indicar tais informações como a taxa, a quantidade e a eficiência de transferência de energia. Uma razão para reunir tais informações é para o processador 822 determinar se estar no modo de proteção (tal como o segundo modo) ou o modo de operação comum (tal como o primeiro modo).

[00106] Em um modo de proteção, existem várias coisas que o processador 822 pode fazer para prover proteção para o extrator de energia 810 ou a carga 890. Uma opção é abrir ambos os comutadores S1 e S2. Outra opção é prover um sinal de polarização para o circuito de

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41/63 escalagem 824, o qual é combinado no circuito 836 com um sinal de indicação de rampa de energia para criar o sinal de controle de comutação no condutor 838. Por exemplo, se o sinal de polarização fizer com que o sinal de controle de comutação seja muito alto, o ciclo útil seria baixo fazendo com que a corrente fosse pequena. A regulação de energia no modo de produção pode ser para completamente desligar a energia ou meramente reduzir a energia. No modo de proteção, o objetivo não é mais maximizar a energia transferida. Em algumas modalidades, o sinal de polarização é expresso para propósitos outros que meramente um modo de proteção.

[00107] Além disso, os sensores de corrente 852 e 854 proveem sinais indicativos da corrente através dos comutadores S1 e S2, os quais são somados no somador 856. A energia pode estar relacionada com a corrente média do somador 856. Estes podem ser providos para o integrados 858 para prover um sinal indicativo da energia, o qual é diferenciado pelo diferenciador 832 e amplificado pelo amplificador 834.

[00108] As figuras 9-13 cada uma ilustra um diagrama de blocos de uma modalidade do circuito de transferência de energia. O circuito de transferência de energia da figura 8 está reproduzido na figura 9, e pode ser comparado com o circuito de transferência de energia alternativo ilustrado nas figuras 10-13. Os valores dos resistores, capacitores e indutores (tais como R1, R2, C1, C2, C3, C4, L1, L2, L3, L4, L5, e L6) não são necessariamente os mesmos em cada figura. Uma referência abaixo a modificações dos circuitos 872, 874, e 876 será compreendida serem modificações com referência ao que está apresentado na figura 9.

[00109] Referindo à figura 10, os circuitos 872 e 876 estão modificados para incluírem um circuito de RC entre os indutores L3 e L4 e o terra. Assim, o nodo de L3 conectado na terra na figura 9 conecta a R1

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42/63 e C3 em paralelo, o que por sua vez conecta no terra. Similarmente, L4 conecta a R2 e C4 em paralelo, o que por sua vez conecta no terra. Além disso, o circuito 874 está modificado para incluir L5 conectado entre L3 e L4. N5, ao invés de estar conectado a L3 e L4, está conectado (mais logicamente no meio) nos enrolamentos de L5.

[00110] Referindo à figura 11, o circuito 872 está modificado para incluir o resistor R1 entre L3 e o terra, e o circuito 876 está modificado para incluir o resistor R2 entre L4 e o terra. Além disso, o circuito 874 está modificado para incluir o indutor L5 entre L3 e o nodo N5 e o indutor L6 entre L4 e o nodo N5. O capacitor C3 está conectado entre L3 e L4.

[00111] Referindo à figura 12, o circuito 872 está modificado para incluir o indutor L5 conectado a L3, e L5 por sua vez conectado no circuito de RC paralelo de R1 e C3 para o terra. Similarmente o circuito 876 está modificado para incluir o indutor L6 conectado a L4, onde L6 está conectado em R2 e C4 em paralelo com o terra.

[00112] Referindo à figura 13, o circuito 872 está modificado para incluir o indutor L5 entre L3 e o terra, e o circuito 876 está modificado para incluir o indutor L6 entre L4 e o terra. O circuito 874 está modificado para conectar R1 entre L3 e N5, enquanto que R2 está conectado entre L4 e N5. Além disso, o capacitor C3 está conectado entre L3 e R1 e o terra. Similarmente, o capacitor C3 está conectado entre L3 e R1 e o terra. Similarmente, o capacitor C4 está conectado entre L4 e R2 e o terra.

[00113] A figura 14 é um diagrama de blocos de uma modalidade de cogeração de energia de uma fonte local e uma grade de serviço público para uma carga de grade vizinha à fonte local. O sistema 1400 transfere energia da fonte local para uma carga vinculada em grade com condicionamento de fator de potência. O sistema 1400 representa um sistema de energia que inclui uma fonte metaestável 1410, um in

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43/63 versor 1420, uma carga Z1402, e uma rede elétrica de serviço público 1430. A carga Z1402 representa uma primeira dependência de consumidor vinculada na grade 1430, e a carga Z1404 representa uma segunda dependência de consumidor vinculada na grade 1430. A carga Z1404 não está dentro do mesmo sistema elétrico com relação a um ponto de conexão na grade 130 que a carga Z1402, e assim não é local à carga Z1402.

[00114] No entanto, a carga Z1404 pode ser um vizinho, em que a saída de energia gerada de uma fonte de energia local para a carga Z1402 pode ser direcionada para a carga Z1404 com um efeito mensurável. A carga não é uma vizinha para propósitos elétricos das fontes de energia se a carga estiver bastante afastada geograficamente que o efeito de transferência de energia da carga Z1402 para a carga Z1404 seja somente insignificantemente maior do que o efeito para a grade como um todo.

[00115] A fonte 1410 e o inversor 1420 são locais para a carga Z1402, e proveem energia para a carga. Em uma modalidade, sob uma operação normal, a energia CC é extraída da fonte 1410, e extraída invertida, e dinamicamente tratada pelo inversor 1420, para produzir dinamicamente uma corrente CA máxima relativamente livre de distorção harmônica e variabilidade, e completamente em fase com o sinal de voltagem CA da rede elétrica 1430. A colocação da corrente CA gerada em fase com a voltagem CA de grade produz uma energia CA com um fator de potência na ou próximo da unidade para a carga Z1402, significando que toda a energia reativa extraída pela carga vem da grade 1430. Se a fonte 1410 produzir mais energia do que é necessária para satisfazer os requisitos de energia reais da carga Z1402, a energia corrigida em potência e filtrada em distorção pode ser fornecida para a grade 1430 para uma distribuição adicional.

[00116] A voltagem limite para transferir a energia para a grade

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1430 pode ser de 3-5% acima da voltagem média da grade. Idealmente, o cliente associado com a carga Z1402 seria compensado pelo valor do excesso de energia provido para a grade 1430, ou na forma de pagamentos em dinheiro ou como deduções do custo de energia consumida da grade 1430.

[00117] O excesso de energia da fonte 1410 que é retornado para a grade 1430 pode ser transferido para satisfazer os requisitos de carga de uma carga vizinha (por exemplo, a carga Z1404 do segundo cliente de grade). Em várias modalidades, a energia pode ser transferida além de um único transformador. Além de prover a energia de cogeração tradicional para a grade 1430 (a energia que tem características de fator de potência e de distorção desejáveis), a operação do sistema 1400 pode ser modificada para prover uma energia que tem outras características que podem ser mais desejáveis para a grade 1430 (por exemplo, a companhia de serviço público), especificamente nos momentos de consumo de energia de pico.

[00118] Mais especificamente, o inversor 1420 pode estar configurado (estaticamente ou dinamicamente) para produzir energia com corrente e voltagem adiantada ou atrasada em relação à outra. Deste modo, a energia pode ser produzida com um triângulo de energia que exibe uma energia reativa indutiva ou capacitiva que pode ser utilizada pelo serviço público para contra-atuar ou deslocar os acréscimos de energia capacitiva ou indutiva, respectivamente, dentro de uma região de carga Z1402. Novamente, o efeito potencial criado por um único inversor 1420 sobre a grade pode não transferir além de um ou dois saltos ao longo da rede elétrica. No entanto, um ou múltiplos inversores em uma região podem ser efetivos na provisão de controle na sua região local, entre um grupo de vizinhos, por exemplo. Quando este efeito é multiplicado tendo tais inversores em muitas vizinhanças, a grade pode ser gerenciada muito mais efetivamente pelo controle local

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45/63 assim como de rede elétrica de serviço público.

[00119] A figura 15 é um diagrama de blocos de uma modalidade de uma fonte de alimentação melhorada em fator de potência. Em várias modalidades, a eficiência de uma fonte de alimentação pode ser aumentada com base em melhoramentos de fator de potência. Os suprimentos de energia CA/CC têm a eficiência medida comparando a energia CA fornecida para o suprimento com a energia CC fornecida para a carga. Com um condicionamento de fator de potência como ilustrado no sistema 1500, suprimentos de energia de eficiência mais alta podem ser providos com base em princípios de controle de fator de potência como aqui descrito.

[00120] O sistema 1500 inclui uma grade CA 1510 a qual é uma fonte de energia CA. Ao invés de enviar a entrada CA diretamente para o conversor CA/CC 1524 como seria feito em sistemas tradicionais, a fonte de alimentação 1520 melhorada em fator de potência (PF) (daqui em diante fonte de alimentação 1520) primeiro condiciona o fator de potência da energia CA que entra. O condicionador de fator de potência 1522 modifica o sinal CA de entrada da fonte 1510 para fornecer energia para a fonte de alimentação 1520 que tem um fator de potência na ou próximo da unidade na entrada. Na ou quase a unidade, ou colocar um sinal em fase com outro pode ser compreendido significar que o fator de potência está dentro de uma tolerância de uns poucos pontos percentuais da unidade. Será compreendido que o fator de potência pode não alcançar imediatamente a unidade, mas pode existir um período de ajuste de até diversos segundos para permitir que o sistema condicione o fator de potência para o valor desejado.

[00121] Criando um fator de potência unitário ou quase unitário na entrada da fonte de alimentação, mais energia real é fornecida para a fonte de alimentação 1520, a qual por sua vez aumenta a eficiência de fornecimento de energia CC para a carga CC 1530. Assim, a eficiência

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46/63 do condicionador de fator de potência e da fonte de alimentação combinados com relação à energia provida pela fonte 1510 é maior do que aquela de uma fonte de alimentação tradicional sozinha.

[00122] As figuras 16A-B ilustram uma modalidade de energia de fase, ativa, e reativa que são controladas pelo condicionamento de fator de potência. Como é compreendido na técnica, o termo energia reativa refere-se à energia associada com uma voltagem e uma corrente fora de fase por 90 graus. A energia na qual o ângulo está fora de fase por alguma outra quantidade, por exemplo, 80 graus ou 30 graus, é uma mistura de energia tanto ativa quanto reativa.

[00123] Considere um triângulo retângulo como ilustrado na figura 16A. No triângulo, a base 1606 representa uma forma de onda de voltagem, e a hipotenusa 1604 representa a forma de onda de corrente. O ângulo 1602 entre as formas de onda de voltagem e de corrente é o mesmo ângulo que entre a energia ativa e a aparente. Ajustando o ângulo entre a forma de onda de corrente e a fora de onda de voltagem condiciona o fator de potência para ou na direção de um valor desejado.

[00124] A figura 16B ilustra o triângulo retângulo com a base 1614 representando a quantidade de energia ativa, e o lado vertical 1616 representando a energia reativa. Assim, o ângulo 1602 entre a horizontal ou base e a hipotenusa (energia aparente 1612) é o mesmo que o ângulo a voltagem e a corrente que juntas geram estas energias. Será compreendido que o comprimento da hipotenusa 1612 é constante, e com isto descreve a circunferência do círculo 1610. A hipotenusa 1612 representa a energia aparente. Conforme o ângulo 1602 aumenta, a energia ativa 1614 diminui, enquanto que a energia ativa 1616 aumenta. É portanto possível, controlando o ângulo de fase controlar a mistura de energia ativa e reativa.

[00125] O termo fator de potência refere-se à razão de energia

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47/63 ativa 1614 para aparente 1612. Será compreendido que a energia aparente permanece constante; assim, conforme o ângulo 1602 aumenta, o fator de potência diminui. Portanto, um termo exatamente significativo, mas consideravelmente mais curto, para ângulo de fase entre voltagem e corrente é fator de potência. Na linguagem técnica, os dois termos são utilizados intercambiavelmente. O fator de potência máximo é igual a 1, quando o ângulo de fase 1602 tem um valor de 0. O fator de potência mínimo é igual a 0, quando o ângulo de fase 1602 é de 90 graus.

[00126] Com o advento de geração adaptável e controle de formas de onda arbitrárias na vinculação de grade elétrica pelo fator de potência pode ser gerenciado e controlado na saída do inversor. Controlar o fator de potência na saída do inversor é benéfico nos serviços públicos porque este provê um meio alternativo para prover o sistema de distribuição local com energia reativa. Os serviços públicos, portanto economizam somas consideráveis quando as fontes locais (por exemplo, os sistemas fotovoltaicos (PV) solares) suprem esta energia reativa, do que se estes precisarem produzi-la eles mesmos ou compensarem por esta localmente.

[00127] O Estado da Califórnia, Estados Unidos, recentemente requereu que os serviços públicos que operam naquele estado paguem aos proprietários de PV solar tanto pela energia ativa quanto reativa quando estes proprietários suprem-nas para a grade. É esperado que outros estados acompanhem em breve. Portanto, existe um benefício considerável para os proprietários de PV suprirem uma mistura de ambos os tipos de energia dependendo de sua tarifa acordada e/ou PPA.

[00128] Os serviços públicos, portanto, têm um incentivo para produzir tarifas que encorajem os proprietários de PV construir sistemas de PV de controle de fator de potência, enquanto que os proprietários

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48/63 de PV têm o incentivo de utilizá-los em seus sistemas de PV. O suprimento de energia para a grade de um sistema de PV (ou outra fonte local) com base em condições de grade (por exemplo, hora do dia, necessidades de energia reativa e/ou ativa) pode criar um benefício tanto para o serviço público quanto para os consumidores.

[00129] A figura 17 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência em uma carga local. O sistema 1700 mostra um inversor típico 1720 (por exemplo, um inversor de PV solar), o qual controla o fator de potência no ponto A, vinculado à grade elétrica de serviço público 1740 (daqui em diante grade 1740) através do medidor de medição elétrica 1730 (daqui em diante medidor 1730). O ponto B representa o ponto de conexão na grade 1740 para uma carga local Z1702 e o sistema elétrico associado com esta (isto é, que inclui a fonte 1710 e o inversor 1720). Provendo uma mistura apropriada de energia ativa e reativa, os benefícios para o proprietário da fonte 1710 são maximizados, de acordo com os elementos concordados de uma tarifa no medidor 1730. Tal controle e gerenciamento podem ocorrer ou sob demanda, como, por exemplo, por comunicação de controle remoto para algoritmos de controle remotos 1728, ou por algoritmos de software automáticos 1726, ambos construídos no próprio inversor 1720. O inversor 1720 também inclui um processador de inversão 1722 para prover as funções de transferência de energia como acima descrito. O controlador de inversão 1724 controla a operação do processador de inversão 1722 para converter a energia e condicionar o fator de potência.

[00130] É possível controlar o fator de potência ou no Ponto B ou no Ponto C controlando o fator de potência no Ponto A. Será compreendido que o Ponto C pode ser interpretado como qualquer lugar sobre a grade. Existem limites práticos em distância para tentar controlar o fator de potência muito distante do medidor 1730. Assim, o Ponto C

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49/63 pode ser logo além do medidor, ou alguma distância razoável além do medidor. Existe uma implementação na qual o monitoramento pode ser feito pelo serviço público (por exemplo, pela utilização de WiFi (por exemplo, sistemas sem fio 802.1x)) para todas ou muitas das redes em uma vizinhança ou área geográfica. Assumindo que exista uma vizinhança de redes de PV que corrigem automaticamente o fator de potência, estas podem coordenar o benefício do serviço público se o serviço público tiver acordos de tarifa com os proprietários da vizinhança para controlar o seu fator de potência de saída. Em tal implementação, estes inversores poderiam precisar conhecer o fator de potência atrás do medidor, mas não tão distante que este torne-se sem significado.

[00131] A figura 18 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência em uma conexão que faceia a grade controlando o fator de potência em uma carga local. O sistema 1800 ilustra controlar o fator de potência ou no Ponto B ou no Ponto C controlando o fator de potência no Ponto A. Em qualquer momento no tempo, a quantidade de energia que flui para a carga local Z1802 é ditada pelas características somente da carga, e por mais nada. Esta energia pode vir ou do inversor 1810 (de uma fonte local), da grade 1830, ou ambos juntos. Tanto o inversor 1810 quanto a grade 1830 produzem uma energia aparente, a qual consiste em energia tanto ativa quanto reativa (referir às Figuras 16A e 16B acima).

[00132] Com isto, se uma tarifa estabelecida tiver o cliente Z1802 pagando somente pela energia ativa suprida pela grade 1830, o melhor benefício para o consumidor é reduzir o fluxo de energia ativa da grade através do medidor 1820. Neste caso, o inversor 1810 deve suprir toda a energia ativa e nenhuma energia reativa, para satisfazer as demandas da carga local Z1802. A energia reativa necessária pela carga local Z1802 é então suprida no total pela grade. A redução do

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50/63 ângulo de fase no Ponto A fará necessariamente com que toda a energia reativa venha da grade. Será compreendido que se o fator de potência de energia do inversor 1810 for a unidade (1), então o componente de energia reativa que vem do inversor 1810 é zero, e toda a energia reativa deve ser suprida pela grade 1830. Assim, o controle do fornecimento de energia no Ponto A necessariamente afeta a energia que vem para o sistema elétrico do Ponto B.

[00133] Por outro lado, se uma tarifa estabelecida requerer que o cliente pague um custo mais alto pela energia reativa do que pela energia ativa, o melhor benefício é para o inversor prover todas as demandas da carga local Z1802 por energia reativa, enquanto deixando a grade suprir a maior parte, se não toda, a demanda de energia ativa da carga. O aumento do ângulo de fase no Ponto A executará este objetivo por razões similares àquelas acima mencionadas.

[00134] Pode ser que o melhor benefício para um cliente de acordo com uma tarifa estabelecida seja produzir uma mistura de tanto energia ativa quanto reativa. No grau no qual ambas podem ser supridas de uma fonte de energia local, as necessidades da carga local podem ser satisfeitas pela fonte local. No grau no qual a fonte local supre mais do que a carga local requer, o restante da energia condicionada gerada pode fluir para fora para a grade 1830.

[00135] Assim, será compreendido que o melhor benefício para o cliente depende do que uma tarifa estabelecida dita. Em muitos casos o melhor benefício pode ser calculado dinamicamente e aplicado em tempo real. Por exemplo, algoritmos de software incorporados no aparelho de controle do inversor 1810 podem executar os cálculos. Em outros momentos ou situações, os ajustes de melhor benefício podem ser aplicados remotamente através de conexões de comunicação. A figura 19 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência em uma conexão de grade

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51/63 controlando o fator de potência em um parque de fontes de energia. No caso de uma grande fonte de energia local, tal como uma rede de PV muito grande, ou um parque de energia verde (tal como um parque solar), o melhor benefício em algum momento específico pode ser controlado pelas necessidades do serviço público ao invés das necessidades do consumidor. Por exemplo, o serviço público pode estar necessitado de uma inserção de energia reativa na grade para suportar as voltagens em queda, Em tal caso, o serviço público pode ter previsto uma tarifa, anexada a um PPA (acordo de compra de energia), a qual dá ao serviço público o direito de controlar os ajustes de fator de potência na saída do parque solar. Os ajustes de fator de potência podem ser controlados remotamente pelo serviço público, ao invés de uma tomada de decisão local.

[00136] O sistema 1900 ilustra tal cenário de um parque de fonte de energia controlado por um controlador mestre. O sistema 1900 inclui múltiplos inversores 1912-1916. Cada inversor tem um mecanismo de controle remoto 1922-1926 associado, respectivamente. Os mecanismos de controle remoto podem incluir interfaces de comunicação (que incluem conectores, interfaces de rede físicas, pilhas de protocolo, e tudo mais necessário para comunicar e receber os comandos remotamente). Os mecanismos de controle remoto então também têm uma lógica de controle para aplicar aos comandos remotamente recebidos para ajustar o desempenho ou a saída do inversor associado.

[00137] A operação do inversor está acima descrita com relação a outras figuras. Além de aplicar mudanças em resposta a um sinal de retorno, ou ao invés de aplicar mudanças em resposta a um sinal de retorno, um inversor pode aplicar mudanças em resposta a um comando remoto. O comando pode indicar um fator de potência desejado, um delta ou valor de correção, um valor relativo que pode ser aplicado, ou pode indicar para medir localmente e corrigir com base em

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52/63 valores medidos.

[00138] O controlador mestre 1932 pode estar localizado em um serviço público, ou pode ser um controlador mestre localizado dentro do mesmo sistema elétrico que os inversores (isto é, no mesmo lado do ponto de conexão na grade 1950). O controlador mestre 1932 inclui mecanismos de algoritmo de software 1934 para permitir que o controlador mestre determine qual fator de potência deve ser aplicado dos inversores com base em condições da grade. Os algoritmos de controle remoto 1936 representam os mecanismos utilizados pelo controlador mestre 1932 para comunicar com os inversores.

[00139] Será compreendido que cada inversor 1912-1916 individualmente pode ser ajustado para um fator de potência específico, e o efeito cumulativo dos múltiplos dispositivos em coordenação seria prover uma energia condicionada e filtrada em um fator de potência específico. Apesar de ser concebível que os inversores individualmente possam operar em diferentes fatores de potência, e como um todo o sistema provê energia a um fator de potência específico, pode existir mais eficiência em operar cada inversor nas condições de fornecimento de energia alvo (fator de potência, voltagem, e frequência). Uma vantagem de tal proposta é que o interfaceamento dos inversores com a grade 1950 através do ponto B no medidor 1940 deve ser mais simples e mais eficiente do que se cada inversor estivesse operando em ajustes diferentes.

[00140] Com a configuração do sistema 1900, durante uma emergência o serviço público poderia comandar remotamente todos ou alguns dos inversores no parque para produzir uma maioria de energia reativa. Será compreendido que no sistema 1900 não existe nenhuma carga local, mas ao contrário a grade 1950 atua como um dissipador de energia infinito. A grade tomará ou a energia ativa ou a reativa. Com isto o serviço público pode comandar os inversores para produzir

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53/63 qualquer que seja a mistura de energia que estes precisem para estabilizar a voltagem de grade. Assim, o controle nos vários pontos A1, A2, ..., AN, pode afetar a grade nos pontos B e C, pelo menos dentro de uma certa região geográfica.

[00141] Como descrito, o condicionamento de fator de potência provê um mecanismo para a seleção de uma mistura de energia ativa e reativa na saída (pontos A1-AN) de cada inversor 1912-1916, e no medidor elétrico vinculado em grade (ponto B e/ou ponto C), utilizar automaticamente o(s) algoritmo(s) de software incorporado(s) em cada inversor. Além disso, o sistema 1900 provê um mecanismo para a seleção remota e o estabelecimento de tal mistura sobre as interfaces de comunicação (por exemplo, um navegador de Internet, um telefone, um rádio ou outro modo de comunicação) utilizando os protocolos de software embutidos em cada inversor. Além disso, o sistema 1900 provê um mecanismo para o controlador mestre 1932 controlar a mistura desejada de energia ativa e reativa que emana de um ou mais inversores escravos, utilizando ou o mecanismo automático de cada inversor e/ou o mecanismo de comunicações remoto.

[00142] As figuras 20, 21, e 22 ilustram vários mecanismos utilizados para prover energia para as cargas e fornecer a energia em excesso para uma grade elétrica. A figura 20 focaliza na utilização de monitoramento de grade para identificar o fator de potência na grade. Alimentando as informações para um único inversor, onde os algoritmos internos determinam uma mistura preferida de energia ativa e reativa. A figura 21 focaliza na utilização de protocolos de comunicação sobre o meio de comunicação ou linhas de comunicação de Internet, linhas de telefone celular, ou outros meios de comunicação para permitir o ajuste de fator de potência remoto. A comunicação remota pode permitir o controle pelo serviço público do ajuste de fator de potência, ao invés do controle de proprietário. Tal controle é possível em uma

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54/63 configuração tal como aquela do sistema 2100. A figura 22 focaliza na utilização de um controlador mestre, no qual a dita mistura de saída desejada de inversores únicos, ou para grupos de inversores. O controlador mestre pode atuar de acordo com um mecanismo automático que se baseia em seus algoritmos de software internos, ou em um mecanismo de comunicações remoto que se baseia em comunicações remotas.

[00143] A figura 20 é um diagramo de blocos de uma modalidade de um mecanismo de retorno de fator de potência. O sistema 2000 ilustra uma fonte 2010 provendo energia CC para um inversor 2020, o qual inclui um processador de inversão 2022, um controlador de inversão 2024, e um algoritmo de software 2026. A energia é fornecida do inversor 2020 para a carga Z2002. O sistema 2000 também ilustra o monitoramento de fator de potência no ponto B com um retorno de fator de potência 2032. Alternativamente, o monitoramento poderia ocorrer no ponto C além do medidor 2030 assim como no ponto B.

[00144] O monitoramento do fator de potência ou no ponto B ou no ponto C permite que os algoritmos de software 2026 (isto é, a lógica de controle) comparem o fator de potência real com o fator de potência desejado, e assim autorregulem a energia de saída do inversor 2020 no ponto A. Como acima mostrado, controlando a saída no ponto A, o inversor 2020 move o fator de potência da conexão vinculada em grade ou o ponto de conexão que olha para a grade na direção de um valor de melhor benefício. O melhor benefício pode nem sempre ser um fator de potência de unidade. Como acima descrito, o fator de potência pode ser melhor ajustado em um valor com base em condições de rede elétrica assim como condições de tarifa. O(s) algoritmo(s) 2026 pode(m) utilizar um cálculo de melhor benefício que depende da tarifa correntemente aplicável, a qual pode incluir qualquer e todos os fatores que o serviço público poderia requerer em tal tarefa.

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55/63 [00145] A figura 21 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema de comunicação para controlar o fator de potência remotamente. O sistema 2100 ilustra uma fonte 2110 que provê energia CC para o inversor 2120, o qual inclui um processador de inversão 2122, um controlador de inversão 2124, um algoritmo de software 2126, e um mecanismo de controle remoto 2128. A energia é fornecida do inversor 2120 para a carga Z2102. A energia da grade 2140 é medida no medidor 2130. O fator de potência pode ser medido no ponto B (ou algum outro ponto C) e provido para o algoritmo de software 2126 como o retorno de fator de potência 2132.

[00146] O sistema 2100 também ilustra a utilização de comunicação remota 2162. Cada forma de comunicação pode utilizar um protocolo de comunicação diferente. O controle remoto 2128 pode incluir um suporte para um ou múltiplos mecanismos de comunicação. Tais mecanismos podem incluir uma comunicação, por exemplo, pela Internet pelo navegador de Web 2152, por telefone celular ou outra aplicação móvel 2154, por transmissor de rádio (por um sinal em uma banda de RF) 2156, por sistemas sem fio domésticos ou de comunidade (por exemplo, os sistemas IEEE 802.1x) 2158, através de uma Telnet 2160 ou outro mecanismo de discagem, ou por outro mecanismo de comunicação. Tais portais de comunicação podem alimentar os comandos, feitos em uma localização remota à carga Z2102, para os mecanismos de controlador de fator de potência do inversor 2120 (por exemplo, um algoritmo de software 2126, um controlador de inversão 2124, e um processador de inversão 2122). O controlador de inversão 2124 muda o fator de potência no ponto A, o qual no final muda o fator de potência nos pontos B e C na grade 2140. Os protocolos de comunicação incluem duas comunicações de direção, que permitem que as informações sobre o ajuste de fator de potência corrente, ou no ponto A, no ponto B, e/ou no ponto C sejam feitas para o controlador remoto. Em uma

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56/63 modalidade, o controlador remoto toma as decisões de ajuste de fator de potência de melhor benefício ao invés de permitir que tal decisão seja tomada localmente, ou substituir tal decisão feita localmente.

[00147] A figura 22 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema que controla o fator de potência com uma configuração de mestre/escravo. O sistema 2200 inclui múltiplos inversores 22122216, cada um com um mecanismo de controle remoto 2222-2226 associado. Cada inversor pode prover uma mistura específica de energia ativa e reativa para fornecer para a grade 2250 através do medidor 2240. Cada inversor 2212-2216 está mostrado tendo um ponto efeito A: A1, A2, ..., AN. Será compreendido que em certas modalidades todos estes pontos podem ser o mesmo ponto. A saída de todos os inversores é combinada e fornecida para a grade.

[00148] O controlador mestre 2232 envia os comandos para um ou mais inversores individuais 2212-2216 do sistema 2200 utilizando um mecanismo de comunicação remota. O controlador mestre 2232 controla os inversores escravos individuais através de um sistema de comunicação através do controle remoto 2222-2226. Em uma modalidade, o controlador mestre 2232 aplica os seus próprios algoritmos de software internos 2234 para determinar como guiar o comportamento dos inversores individuais, tal como acima ilustrado na figura 19. Alternativamente, o controlador mestre 2232 pode utilizar o(s) seu(s) próprio(s) canal(is) de comunicação através dos algoritmos de comunicação remota 2236 para comunicar com uma ou mais localizações remotas. No caso de comunicação remota, os comandos podem aparecer no controlador mestre 2232 sobre um portal de comunicação, tal como pela Internet pelo navegador de Web 2252, por telefone celular ou outra aplicação móvel 2254, por transmissor de rádio 2256, por sistemas sem fio 2258, através de Telnet 2260, ou outro tipo de canal e protocolo interativo. Tais comandos são transferidos pelo controlador mestre

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2232, após o processamento, para os inversores escravos 2212-2216. Os inversores escravos então mudam o fator de potência em A consequentemente, assim afetando o fator de potência nos pontos B e C na grade 2250.

[00149] A figura 23 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um processo de controle para o controle de fator de potência. O processo de controle ilustrado pode ser implementado, por exemplo, por algoritmos de software em um inversor ou um controlador mestre, de acordo com o que está acima descrito. O algoritmo de comparação 2310 recebe uma entrada sobre a hora do dia 2314, a energia correntemente disponível das fontes de energia conectadas 2316, e as características de tarifa 2312. O algoritmo de comparação poderia ser implementado como consultas de tabela, como cálculos variáveis, ou em uma máquina de estado. A hora do dia 2314 é determinada por uma entrada de relógio. As características de tarifa 2312 são configuradas no sistema para indicar a tarifa mais corrente no lugar da companhia de serviço público. As características de tarifa poderiam ser implementadas como um conjunto de regras ou em uma máquina de estado. A energia disponível 2316 é determinada medindo a saída dos dispositivos que compõem as fontes de energia. A comparação gera um resultado que indica um conjunto de condições baseadas na tarifa.

[00150] O resultado de algoritmo de comparação é recebido no algoritmo de determinação 2320, o qual computa o fator de potência de melhor benefício 2330 com base no resultado de comparação e múltiplas outras condições ou fatores. As características da tarifa têm associados os critérios de melhor benefício 2322, os quais são um conjunto de regras que é utilizado para interpretar uma interseção da hora do dia, da energia disponível, e das características de tarifa. O algoritmo de determinação 2320 também leva em consideração o fator de potência como medido no medidor 2324 (ou nos pontos B ou C). Em uma

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58/63 modalidade, existe também a possibilidade de controlar ou influenciar remotamente o processo; assim, o prevalecimento remoto 2326 é considerado pelo algoritmo de determinação para determinar se um comando ou controle remoto ou externo influencia a determinação.

[00151] Em uma modalidade, os ajustes remotos 2318 podem ser aplicados sobre os canais de comunicação remota como acima discutido. Os ajustes de tarifa podem ser configurados e mudados dinamicamente de um sistema remoto. Além de mudar as características de tarifa 2312, os critérios de melhor benefício 2322 podem também ser mudados ou configurados remotamente.

[00152] A determinação é implementada no sistema por parâmetros de ajuste que afetam o fator de potência do sistema. Assim, a saída do algoritmo de determinação podem ser parâmetros utilizados para determinar ou ajustar os ajustes dos controles de sistema correntes que produzem o fator de potência corrente. Similarmente a como os ajustes podem ser remotamente influenciados, o processo de determinação pode também ser remotamente substituído. A substituição do processo pode ser feita por comandos ou controles que fazem com que o sistema não implemente as mudanças de fator de potência computadas pelo algoritmo de determinação, assim como por comandos que substituem os ajustes computados pelo algoritmo de determinação.

[00153] Como apresentado nas reivindicações abaixo, em uma modalidade, um método é implementado que inclui receber, em um conversor de energia, uma energia de corrente contínua (CC) de uma fonte de energia local, a fonte de energia local e o conversor de energia eletricamente localizados em um mesmo lado de um ponto de conexão em uma rede elétrica de serviço público como uma carga local vinculada à rede elétrica, onde a carga local inclui dependências de consumidor da rede elétrica, converter com o conversor de energia a energia CC para energia de corrente alternada (CA) para fornecer para a carga

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59/63 local, condicionar um fator de potência da energia CA controlando a fase da corrente gerada com relação à fase da voltagem da rede elétrica, e fornecer a energia CA condicionada no lado de carga local da rede elétrica.

[00154] A recepção pode incluir receber a energia de uma fonte de energia metaestável, ou receber a energia em um microinversor instalado nas dependências de consumidor. Uma fonte de energia local metaestável pode incluir uma fonte de energia solar, uma fonte de energia de marés, uma fonte de energia eólica, ou uma fonte de calor termicamente acoplada.

[00155] O condicionamento do fator de potência pode incluir receber as informações de forma e de fase características sobre a forma de onda periódica alvo que tem uma fase com relação a uma voltagem CA da rede elétrica, gerar uma forma de onda de saída com um hardware de saída, amostrar a forma de onda de saída, comparar a forma de onda de saída com uma forma de onda de saída de referência correspondente, a forma de onda de saída de referência representando uma versão ideal da forma de onda periódica alvo com base nas informações de forma e de fase características, gerar um sinal de retorno com base na comparação da forma de onda saída com a forma de onda de saída de referência, e ajustar uma operação do hardware de saída no tempo de execução com base no sinal de retorno, em que ajustar a operação do hardware de saída converge a forma de onda de saída na direção da forma de onda de saída de referência e de fase.

[00156] O condicionamento do fator de potência pode ainda incluir condicionar o fator de potência ajustando uma fase de corrente CA gerada com um ajuste de fase baseado em tabela, ou condicionar o fator de potência da corrente CA gerada com base em condições da rede elétrica. O condicionamento com base em condições da rede elétrica pode incluir medir uma ou mais condições da rede elétrica das depen

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60/63 dências de cliente, receber as medições de fora das dependências de cliente, ou receber uma comunicação remota do outro lado do ponto de conexão que indica um ajuste de fator de potência e ajustar o fator de potência em resposta a receber a comunicação remota. Receber a comunicação remota pode incluir receber uma comunicação através de Internet, celular, rádio, ou interface de WiFi.

[00157] O condicionamento do fator de potência com base em condições da rede elétrica pode incluir receber uma comunicação de um controlador mestre no mesmo lado do ponto de conexão que indica um ajuste de fator de potência, e ajustar o fator de potência em resposta a receber a comunicação. O condicionamento do fator de potência pode incluir degradar o fator de potência afastando da unidade responsivo a condições da rede elétrica.

[00158] O condicionamento do fator de potência pode incluir ajustar o fator de potência para aproximadamente a unidade ou se aproximar da unidade. O condicionamento do fator de potência pode incluir o condicionamento do fator de potência da corrente CA gerada com base em uma análise de melhor benefício, que inclui considerar uma tarifa de taxa de energia determinada por um serviço público da rede elétrica.

[00159] O fornecimento da energia CA condicionada pode incluir fornecer a energia CA condicionada para a rede elétrica. A energia pode ser fornecida para uma área geográfica específica, ou para uma carga vizinha.

[00160] Em uma implementação de um aparelho inversor, o inversor pode incluir um hardware de entrada para receber uma energia de corrente contínua (CC) da fonte de energia local, a fonte de energia local e o inversor eletricamente localizados em um mesmo lado de um ponto de conexão a uma rede elétrica de serviço público como uma carga local vinculada à rede elétrica, onde a carga local inclui depen

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61/63 dências de consumidor da rede elétrica, um hardware de conversor para converter a energia CC para energia de corrente alternada (CA) para fornecer para a carga local, um hardware de condicionamento de fator de potência para condicionar um fator de potência da energia CA controlando a fase da corrente gerada com relação à fase da voltagem da rede elétrica, e um hardware de saída para fornecer a energia CA condicionada no lado de carga local da rede elétrica.

[00161] O hardware de condicionamento de fator de potência pode incluir um algoritmo de software para determinar localmente o condicionamento de fator de potência. O inversor pode ainda incluir um mecanismo de controle remoto para receber um comando de um dispositivo remoto que provê uma entrada para determinar o condicionamento de fator de potência.

[00162] Em uma modalidade, uma implementação de condicionamento de fator de potência é executada para um conversor CA para CC, onde o método pode incluir receber, em uma fonte de alimentação CA/CC, uma energia de corrente alternada (CA), condicionar o fator de potência da energia CA controlando uma fase de corrente da energia CA com relação à fase de uma voltagem CA da fonte de alimentação, em que controlar a fase inclui ajustar a fase da corrente da energia CA para ficar em fase com a fase da voltagem CA, converter a energia CA condicionada em energia de corrente contínua (CC), e fornecer a energia CC para uma carga da fonte de alimentação. O condicionamento de fator de potência pode incluir condicionar o fator de potência ajustando uma fase de corrente CA com base em um ajuste de fase baseado em tabela.

[00163] Várias operações ou funções estão aqui descritas, as quais podem ser descritas ou definidas como código de software, instruções, configurações, e/ou dados. O conteúdo pode ser diretamente executável (objeto ou forma executável), código de fonte, ou código de dife

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62/63 rença (código delta ou de conserto). O conteúdo de software das modalidades aqui descritas pode ser provido através de um artigo de manufatura com o conteúdo armazenado no mesmo, ou através de um método para operar uma interface de comunicação para enviar os dados através da interface de comunicação. Um meio legível por máquina pode fazer com que uma máquina execute as funções ou as operações descritas, e inclui qualquer mecanismo que provenha (isto é, armazene e/ou transmita) as informações em uma forma acessível por uma máquina, por exemplo, um dispositivo de computação, um sistema eletrônico), tal como um meio gravável/não gravável (por exemplo, uma memória somente de leitura (ROM), uma memória de acesso randômico (RAM), um meio de armazenamento de disco magnético, um meio de armazenamento ótico, dispositivos de memória instantânea, ou outros meios de armazenamento de hardware). Uma interface de comunicação inclui qualquer mecanismo que interfaceie para qualquer um de um meio com fio, sem fio, ótico, para comunicar com outro dispositivo, tal como uma interface de barramento de memória, uma interface de barramento de processador, uma conexão de Internet, ou um controlador de disco. A interface de comunicação pode ser configurada provendo os parâmetros de configuração e/ou enviando os sinais para preparar a interface de comunicação para prover um sinal de dados que descreve o conteúdo de software. A interface de comunicação pode ser acessada através de um ou mais comandos ou sinais enviados para a interface de comunicação.

[00164] Vários componentes aqui descritos podem ser um meio para executar as operações ou as funções descritas. Cada componente aqui descrito inclui um software, um hardware, ou uma combinação destes. Os componentes podem ser implementados como módulos de software, módulos de hardware, hardware de uso especial (por exemplo, hardware de aplicação específica, circuitos integrados de aplica

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63/63 ção específica (ASICs), processadores de sinal digital (DSPs), ou outros dispositivos programáveis), controladores incorporados, ou circuitos com fio.

[00165] Além do que está aqui descrito, várias modificações podem ser feitas nas modalidades descritas e nas implementações da invenção sem afastar de seu escopo. Portanto, as ilustrações e exemplos aqui devem ser considerados em um sentido ilustrativo, e não restritivo. O escopo da invenção deve ser medido somente por referência às reivindicações que seguem.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para conversão de potência caracterizado pelo fato de que compreende:

receber, em um conversor de energia (520), uma energia de corrente contínua (CC) de uma fonte de energia local (504), a fonte de energia local e o conversor de energia (520) eletricamente localizados em um mesmo lado de um ponto de conexão a uma rede elétrica de serviço público (230), como uma carga local vinculada na rede elétrica (1430), onde a carga local inclui dependências de um consumidor da rede elétrica (1430);

converter com o conversor de energia (520) a energia CC para energia de corrente alternada (CA) para fornecer para a carga local, incluindo gerar uma corrente de saída;

condicionar um fator de potência da energia CA controlando a fase da corrente de saída gerada com relação à fase de uma voltagem CA da rede elétrica (1430), incluindo a geração de um componente de potência reativa da energia CC com base em uma forma de onda de corrente de saída de referência que representa uma forma de onda de corrente de saída idealizada com uma fase relativa à tensão CA da rede elétrica (1430), incluindo a geração da corrente de saída fora de fase em relação à CA tensão da rede elétrica (1430) baseada em pontos de ajuste de uma tabela representando a forma de onda de corrente de saída idealizada;

fornecer a energia CA condicionada no lado de carga local da rede elétrica (1430).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que receber no conversor de energia (520) compreende receber em um microinversor instalado nas dependências do consumidor.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado

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2/6 pelo fato de que receber a energia da fonte de energia local (504) compreende receber a energia de uma fonte de energia metaestável.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que receber a energia de uma fonte de energia local metaestável compreende:

receber a energia de uma fonte de energia solar, uma fonte de energia de marés, uma fonte de energia eólica, ou uma fonte de calor termicamente acoplada.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar um fator de potência ainda compreende:

receber as informações de forma característica e de fase sobre uma forma de onda periódica alvo que tem uma fase com relação à voltagem CA da rede elétrica (1430);

amostrar a corrente de saída;

comparar a corrente de saída com a forma de onda de corrente de saída de referência, a forma de onda de corrente de saída de referência representando uma versão ideal da forma de onda periódica alvo com base nas informações de forma característica e de fase recebidas;

gerar um sinal de retorno com base na comparação da corrente de saída para a forma de onda de corrente de saída de referência; e ajustar uma operação do hardware de saída em tempo de execução com base no sinal de retorno, em que ajustar a operação do hardware de saída converge a corrente de saída na direção da forma de onda de corrente de saída de referência e fase.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência ainda compreende:

condicionar o fator de potência ajustando uma fase de corrente CA gerada com um ajuste de fase baseado em tabela.

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7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência ainda compreende:

condicionar o fator de potência da corrente CA gerada com base nas condições da rede elétrica (1430).
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência com base nas condições da rede elétrica (1430) ainda compreende:

medir uma ou mais condições da rede elétrica (1430) das dependências de cliente.
9. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência com base nas condições da rede elétrica (1430) ainda compreende:

receber uma comunicação remota do outro lado do ponto de conexão que indica um ajuste de fator de potência; e ajustar o fator de potência em resposta ao recebimento da comunicação remota.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que receber a comunicação remota compreende:

receber uma comunicação através de Internet, celular, rádio, ou interface WiFi.
11. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência com base nas condições da rede elétrica (1430) ainda compreende:

receber uma comunicação de um controlador mestre (1932) no mesmo lado do ponto de conexão que indica um ajuste de fator de potência; e ajustar a fase da corrente de saída em relação à forma de onda da corrente de saída de referência em resposta ao recebimento da comunicação.
12. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado

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4/6 pelo fato de que ajustar a fase da corrente de saída compreende:

degradar o fator de potência afastando da unidade responsivo a condições da rede elétrica (1430).
13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência compreende:

ajustar o fator de potência para aproximadamente a unidade.
14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar o fator de potência ainda compreende:

condicionar o fator de potência da corrente de saída gerada com base em uma análise de melhor benefício, que inclui considerar uma tarifa de taxa de energia ajustada por um serviço público da rede elétrica (1430).
15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que fornecer a energia CA condicionada ainda compreende:

fornecer a energia CA condicionada para a rede elétrica (1430).
16. Aparelho inversor, caracterizado pelo fato de que compreende:

um hardware de entrada para receber uma energia de corrente contínua (CC) de uma fonte de energia local, a fonte de energia local e o conversor eletricamente localizados em um mesmo lado de um ponto de conexão a uma rede elétrica (1430) de serviço público como uma carga local vinculada na rede elétrica (1430), onde a carga local inclui dependências de um consumidor da rede elétrica (1430);

um hardware de inversor (640) para converter a energia CC para energia de corrente alternada (CA) incluindo uma corrente de saída para fornecer para a carga local;

um hardware de condicionamento de fator de potência para

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5/6 condicionar um fator de potência da energia CA controlando a fase corrente de saída gerada em relação à fase de uma tensão CA da rede elétrica (1430), incluindo o hardware de condicionamento do fator de potência configurado para gerar um componente de potência reativa da energia CC com base em uma forma de onda de referência para representar uma forma de onda de corrente de saída idealizada tendo uma fase relativa à tensão CA da rede elétrica (1430), incluindo gerar a corrente de saída fora de fase em relação à tensão CA da rede elétrica (1430) com base nos pontos de ajuste de uma tabela que representa a forma de onda da corrente de saída idealizada;

um hardware de saída para fornecer a energia CA condicionada no lado de carga local da rede elétrica (1430).
17. Aparelho inversor de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o hardware de condicionamento de fator de potência ainda compreende:

um algoritmo de software para determinar localmente o condicionamento de fator de potência.
18. Aparelho inversor de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:

um mecanismo de controle remoto (1922-1926) para receber um comando de um dispositivo remoto provendo uma entrada para determinar o condicionamento de fator de potência.
19. Aparelho inversor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o hardware de condicionamento do fator de potência é para:

receber informação de forma e fase características sobre uma forma de onda periódica alvo tendo uma fase em relação à tensão de corrente alterna da rede elétrica (1430);

amostrar a corrente de saída;

comparar a corrente de saída com a forma de onda da cor

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6/6 rente de saída de referência, a forma de onda da corrente de saída de referência representando uma versão ideal da forma de onda periódica alvo com base na informação de fase e forma características recebidas;

gerar um sinal de feedback baseado na comparação da corrente de saída com a forma de onda da corrente de saída de referência; e ajustar uma operação do hardware de saída em tempo de execução com base no sinal de feedback, incluindo ajustar a operação do hardware de saída para convergir a corrente de saída em direção à forma de onda e fase da corrente de saída de referência.
20. Aparelho inversor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que:

o hardware de condicionamento do fator de potência deve condicionar o fator de potência da corrente CA gerada com base nas condições da rede elétrica (1430), incluindo uma ou uma combinação de:

medir uma ou mais condições da rede elétrica (1430) a partir das instalações do cliente;

receber uma comunicação remota do outro lado do ponto de conexão para indicar um ajuste do fator de potência e ajustar o fator de potência em resposta ao recebimento da comunicação remota; ou receber uma comunicação de um controlador mestre no mesmo lado do ponto de conexão para indicar um ajuste do fator de potência e ajustar a fase da corrente de saída em relação à forma de onda da corrente de saída de referência em resposta ao recebimento da comunicação.