ES2444300T5 - Módulos conectados en CA con patrón de variación de tensión o frecuencia de línea para control de energía - Google Patents

Description

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DESCRIPCION

Modulos conectados en CA con patron de variacion de tension o frecuencia de lmea para control de energfa Campo de la invencion

Esta invencion se refiere en general a aparatos y metodos para controlar la energfa suministrada a una batena por v^a de modulos conectados en CA con generacion y deteccion de patron de variacion de frecuencia o tension de lmea predeterminada.

Antecedentes

En un sistema de suministro electrico distribuido en el cual la energfa es distribuida mediante equipamiento de distribucion electrica, controlado mediante modulos de generacion de energfa distribuidos, y almacenada en elementos de almacenamiento, puede estar presente un exceso de energfa en el sistema de suministro electrico, el cual puede danar dispositivos electricos, particularmente las batenas. Una solucion para evitar los efectos daninos del exceso de energfa desarrollado en un sistema de suministro electrico es proveer comunicacion mediante cables entre los dispositivos de control para impedir o minimizar el exceso de energfa. Esta solucion impide que los dispositivos de control sean colocados alejados unos de otros y requiere cableado de control adicional para ser instalado entre los diferentes dispositivos de control. Otra solucion es descargar el exceso de energfa en cargas resistivas pero esto es, obviamente un derroche y una distribucion ineficiente de energfa.

Lo que se necesita, por ello, es una solucion que no requiera el uso de cables entre los dispositivos de control de un sistema de suministro electrico para impedir el exceso de energfa o las cargas resistivas para absorber de forma derrochadora el exceso de energfa.

Breve resumen

La integracion de sistemas convertidores de potencia con fuentes de energfas renovables y su interaccion dentro de una estructura de microrred se presenta con posibilidad de aplicacion en isla fuera de la red, conectada a la red y conectada a los generadores para instalaciones residenciales y comerciales. La arquitectura del sistema incorpora modulos de generacion de energfa distribuida (DPG) con modos de operacion flexibles para controlar el flujo de potencia para la priorizacion de energfa y maximizacion de la eficiencia del sistema. Diferentes fuentes de energfa estan integradas en el sistema de microrred para una operacion de control de la DPG estable y robusta bajo condiciones dinamicas y transitorias en los puertos de CC y CA del convertidor hnbrido. La estructura de control esta implementada al nivel del dispositivo y no hay necesidad de interfaces de protocolo de comunicaciones entre el convertidor hnbrido y el inversor PV. En el modo en isla fuera de la red cuando la energfa suministrada por el inversor PV fluye en el convertidor hnbrido bidireccional, la tension o intensidad de la batena de CC pueden alcanzar niveles inaceptables. Un metodo de control implementado dentro del convertidor hnbrido usa un algoritmo de generacion de patrones que vana la frecuencia de lmea con una tasa de cambio de frecuencia espedfica relacionada con la tasa de cambio de CC o que vana la tension de lmea. El inversor PV cesa de convertir potencia hasta que los lfmites de la frecuencia de lmea de CA son restaurados al rango normal cuando el nivel de CC de la batena vuelve a caer dentro de los lfmites de punto de consigna especificados. El agente de comunicacion es la frecuencia o tension de la lmea de CA, la cual es controlada de forma precisa por el convertidor hnbrido. Ademas, el control del inversor PV es mejorado con la implementacion de un algoritmo de deteccion de patrones que monitoriza en continuo la frecuencia o tension de lmea de la microrred y reduce su potencia si se detecta un patron espedfico mientras que el conversor hnbrido vana la frecuencia o tension de lmea determinada mediante el perfil de carga deseado. El metodo de control propuesto puede ser aplicado a sistemas de CA mono-, tri- o polifasicos. La presente invencion se refiere a un metodo segun la reivindicacion 1. Las realizaciones ventajosas pueden incluir las caractensticas de las reivindicaciones dependientes.

Los que anteceden y aspectos adicionales de la presente invencion quedaran claros a los expertos normales en la tecnica a la vista de la descripcion detallada de varias realizaciones, la cual se hace con referencia a los dibujos, una descripcion de los cuales se proporciona a continuacion.

Breve descripcion de los dibujos

Las que anteceden y otras ventajas de la invencion quedaran claras con la lectura de la descripcion detallada que sigue y con referencia a los dibujos. En lo que sigue a continuacion cualquier referencia a una funcion lineal usada como una funcion para producir un primer patron predeterminado para variar la caractenstica de la lmea CA debe entenderse como un ejemplo que no forma parte de la presente invencion. Por lo tanto, las funciones lineales no deben entenderse como "primeras funciones" en el sentido de la presente invencion.

La figura 1 es un diagrama de bloques funcional de un sistema de suministro electrico segun un aspecto de la presente divulgacion;

La figura 2 es un diagrama de bloques funcional de un algoritmo de control que incluye un algoritmo generador de patrones ejecutado por un controlador del controlador hnbrido mostrado en la figura 1;

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La figura 3A es una grafica que muestra tres patron predeterminados distintos producidos por el algoritmo de generacion de patrones, el cual vana la frecuencia de lmea segun cualquiera de los patrones predeterminados;

La figura 3B es una grafica de tres patron predeterminados que se corresponden con la tasa de cambio de la respuesta en frecuencia de la lmea de CA como una funcion de la variacion de la tension en CC de la batena mostrada en la figura 1;

La figura 4 es un diagrama de bloques funcional de un metodo de control para el inversor PV que incluye un algoritmo de deteccion de patrones ejecutado por un controlador del inversor PV mostrado en la figura 1;

La figura 5A es un diagrama de bloques de un controlador de tipo proporcional-integral-derivativo (PID) para su uso en el algoritmo de deteccion de patrones mostrado en la figura 4;

La figura 5B es un diagrama de bloques de una transformada de ondula y de funcion seleccion de patron para su uso en el algoritmo de deteccion de patrones mostrado en la figura 4 en lugar del controlador del inversor PV mostrado en la figura 5A;

La figura 6 es luna grafica que ilustra tres curvas que demuestran la respuesta en potencia del inversor PV en respuesta a la deteccion de un cambio de patron lineal en la frecuencia de la lmea y la respuesta en CC asociada de un perfil de cargas en tres etapas de la batena; y

La figura 7 es una grafica que ilustra cuatro curvas que corresponden a la tension de la batena, la frecuencia de lmea, la salida de potencia del inversor PV y la intensidad de carga en CA que demuestran el efecto de la respuesta en salida de potencia del inversor PV en respuesta a la deteccion de un patron predeterminado en la frecuencia de la lmea y la respuesta en CC de la batena asociada.

Aunque la invencion es susceptible de diferentes modificaciones y formas alternativas, se han mostrado realizaciones espedficas a modo de ejemplo en los dibujos y se describiran con detalle en este documento. Debe entenderse, no obstante, que no se pretende que la invencion este limitada a las formas particulares divulgadas. Antes bien, la invencion esta para cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caigan dentro del espmtu y alcance de la invencion segun se define por las reivindicaciones adjuntas.

Descripcion detallada

La figura 1 es un diagrama de bloques funcional de un sistema de suministro electrico 100 (al que tambien se hace referencia como una microrred) que incluye modulos de generacion de energfa distribuida (DPG), elementos de almacenamiento de energfa distribuidos, equipamiento de distribucion electrica y cargas controlables 114. El sistema de suministro electrico 100 incluye un sistema 134 acoplado en CA y un sistema 136 acoplado en CC opcional. El sistema de suministro electrico 100 incluye un sistema acoplado en corriente alterna (CA) que tiene un primer modulo o convertidor tubrido 102 que esta acoplado a un segundo modulo o inversor fotovoltaico (PV) 104 a traves de un punto de acoplamiento comun (PCC) 116. El primer modulo 102 esta acoplado tambien a una batena 106, tal como un banco de batenas. El primer modulo 102 cambia de forma automatica una caractenstica (por ejemplo. frecuencia o tension) de una lmea de corriente alterna (CA), Vac, usando un algoritmo de generacion de patrones 124 que produce una salida modificada en una primera salida 130c de CA que vana la caractenstica (por ejemplo, frecuencia o tension) de la lmea de CA segun un primer patron predeterminado que es producido mediante una primera funcion. El primer modulo 102 incluye un primer controlador 122 programado con instrucciones legibles por maquina para llevar a cabo el algoritmo de generacion de patrones 124 y esta acoplado electricamente a la batena 106 y a, al menos, una fuente de energfa en CA 108, 110. En el ejemplo ilustrado, la fuente de energfa en CA puede ser un sistema generador distribuido (generadores) 108 o una red de suministro 110.

El primer modulo 102 se muestra como que tiene dos entradas en CA, una primera entrada 130a en CA para recibir energfa desde la red de suministro 110 y una segunda entrada 130b en CA para recibir energfa desde los generadores 108. Como alternativa, el primer modulo 102 puede tener solo una entrada en CA o mas de dos entradas en CA. El primer modulo 102 determina si una intensidad o tension monitorizadas de la batena 106 satisface un criterio predeterminado. El primer modulo 102 puede incluir un convertidor tubrido para suministrar o recibir energfa en corriente continua (CC) o CA o ambas, energfa en CA y CC, a o desde los elementos distribuidos 106, 114, 104, 108, 110, 118 acoplados al primer modulo 102. Un convertidor tubrido adecuado incluye un modulo convertidor XW6048 de 6 kVA fabricado por Xantrex Technology, Inc.

El sistema de suministro electrico 100 puede estar colocado en cualquiera de las tres configuraciones o modos. En modo en isla, la red de suministro 110 esta desconectada. En el modo conectado a red, la red de suministro esta conectada. En el modo conectado a generadores, los generadores 108 (por ejemplo, por via de generadores diesel o de propano) estan conectados.

El segundo modulo 104 esta acoplado electricamente a y es remoto desde el primer modulo 102 y detecta, por via de un algoritmo de deteccion de patrones 128, la salida modificada producida por el primer modulo 102 y, en respuesta a esa deteccion, causa que se cambie la intensidad o la tension aplicadas a la batena 106 para cargar la batena 106 por via del primer modulo 102. El segundo modulo 104 incluye un segundo controlador 126 programado con instrucciones legibles por maquina para llevar a cabo el algoritmo de deteccion de patrones 128.

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El segundo modulo 104, 118 esta acoplado a una unidad de conversion de energfa renovable 112, 120 que convierte una fuente de ene^a renovable en electricidad. La unidad de conversion de energfa renovable 102, 120 puede incluir, por ejemplo, una conjunto fotovoltaico (PV) acoplado al inversor o conversor fotovoltaico 104, 118 y emite una corriente correspondiente (corriente CC en el caso del convertidor fotovoltaico 118 y una corriente CA en el caso de un inversor fotovoltaico 104).

El primer modulo 102 puede ser un convertidor de energfa bidireccional (convertidor hnbrido) modulado por anchura de pulso (PWM) de cuatro cuadrantes con interruptores de transferencia en CA integrados y tres modos de operacion. Los convertidores hnbridos interaction con fuentes de energfa en CC, tales como generadores PV, turbinas eolicas, celdas de combustible y fuentes de energfa en CA, tales como la red de suministro 110 y unos generadores 108, en ambos puertos de CA y CC 130a-c, 132. En un primer modo, el convertidor hnbrido 102 funciona como un convertidor de fuente controlada por tension, en el cual el convertidor hnbrido 102 convierte energfa en CC a CA para suministro de reserva en modo isla inversor para cumplir los requerimientos de calidad de suministro. En este modo, el convertidor hnbrido 102 controla la tension y la frecuencia en CA en el interior del sistema de suministro electrico (o microrred) 100. En un segundo modo, el convertidor hnbrido 102 funciona como un convertidor de fuente controlada por intensidad, en la cual el convertidor hnbrido 102 convierte energfa CC a CA cuando la fuente de CA 110, 108 esta conectada (modo conectado a generadores o conectado a red). Los generadores 108 o la red de suministro 110 generan la tension y la frecuencia en CA. Este modo de fuente controlada por intensidad se usa fundamentalmente cuando se exporta desde un puerto de CC 132 del convertidor hnbrido 102 hasta la red de CA de la microrred, una energfa renovable (tal como solar, eolica, lluvia, mareas, minihidraulica o calor geotermico) generada a partir de recursos naturales, En la figura 1, un conjunto 120 solar PV opcional esta conectado a la batena 106 por via de un convertidor 118 PV CC/CA PWM. En un tercer modo, el convertidor hnbrido 102 funciona en un modo de rectificador activo con correccion de factor de potencia (PFC) opcional. En el modo de rectificador activo, el convertidor hnbrido 102 convierte energfa en CA a CC y regula la tension o intensidad en CC a la batena 106 dentro de lfmites prescritos, tal como segun un algoritmo de carga de batena que determina un perfil de carga (por ejemplo, etapas en bruto, absorcion o flotacion) para la batena 106 (por ejemplo, 24/48 V), El convertidor 118 PV regula la tension o intensidad de la batena de CC sobre la base de la cantidad de generacion de energfa PV o del estado de carga de la batena.

El inversor PV 104 y el convertidor PV 118 son, preferiblemente, convertidores PWM con sus correspondientes algoritmos seguidores del punto de maxima potencia (MPPT) integrados en la entrada de CC para captar la maxima energfa de los respectivos conjuntos PV 112, 120. Los algoritmos MPPT son bien conocidos para los expertos normales en la tecnica a la cual pertenece esta divulgacion. El algoritmo MPPT en los segundos modulos 104, 118, preferiblemente, esta optimizado para equilibrar la captacion rapida de energfa frente a la estabilidad de control y hacer un barrido de la curva I-V para encontrar los maximos globales. El inversor PV 104 funciona en el modo controlado por intensidad, convirtiendo energfa CC a CA y controlando la intensidad en CA en magnitud y fase. El inversor PV 104 es, preferiblemente, sin transformador debido a su eficiencia mas elevada y menor tamano y peso. El convertidor PV 118 funciona en modo MPPT mientras que mantiene el perfil de carga multietapa deseado (en bruto, absorcion y flotacion)

Cuando el sistema de suministro electrico 100 esta en modo conectado a red, la energfa disponible de la batena 106 es transferida a las cargas 114 de CA o de vuelta a la red de suministro 110 a traves del convertidor hnbrido 102 bidireccional, el cual funciona en modo de fuente controlada por intensidad. Si la red de suministro 110 esta una condicion de fallo, el convertidor hnbrido 102 transfiere el sistema de suministro electrico 100 al modo en isla. Un algoritmo de intensidad indirecto puede ser implementado en el convertidor hnbrido 102 para una transferencia sin interrupcion de suministro cuando la red de suministro 110 falla.

El sistema 134 acoplado en CA mostrado en la figura 1 esta configurado con el conjunto PV 112 conectado al PCC 116 a traves del inversor PV 104 para maximizar la eficiencia de conversion de energfa. Cuando la red de suministro 110 esta presente, el convertidor hnbrido 102 transfiere el sistema de suministro electrico 100 al modo conectado a red. Las cargas 114 en CA pueden ser alimentadas mediante ambos, el inversor PV 104 y la red de suministro 110 en el modo conectado a red. El convertidor hnbrido 102 funciona en modo rectificador activo, cargando la batena 106 de forma que no exceda la capacidad de intensidad de la red. Si la red de suministro 110 falla, el sistema de suministro electrico 100 es transferido al modo en isla y el convertidor hnbrido 102 funciona en modo controlado por tension. Si la demanda de la carga en CA 114 excede la energfa disponible desde el inversor PV 104 y la batena 106, los generadores 108 son arrancados de forma automatica.

En el modo conectado a generadores, el inversor PV 104 puede retroalimentar a los generadores de forma no deseable. El convertidor hnbrido 102 monitoriza en continuo la intensidad en CA a rodos los puertos 130a-c y tiene interruptores de transferencia integrados en ambos puertos de CA 130a,b, CA1 y CA2, para permitir la desconexion de los generadores 108 por via del puerto 130b CA2. Si la demanda de carga de las cargas 114 en CA excede la capacidad de salida de potencia de los generadores 108 y el inversor PV 104, el convertidor hnbrido 102 hace entrar un modo soporte de generadores como una fuente controlada por intensidad mediante la conversion de la energfa desde el puerto 132 CC al puerto 130c CA. Si ambos, la red de suministro 110 y los generadores 108 no estan disponibles como fuentes de energfa para las cargas 114 en CA, entonces las fuentes disponibles de energfa consisten en el conjunto PV 112 y la batena 106. La lrnea de CA 138 conectada al puerto 130c CA del convertidor hnbrido 102 funciona convencionalmente para un sistema monofasico a 120 V/240 o 230 V o para un sistema trifasico a 120 V o 230 V a una frecuencia fundamental o nominal de 50 Hz o 60 Hz.

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El exceso de energfa presente en el sistema de suministro electrico 100 puede danar los dispositivos electricos, particularmente la batena 106. Sobrecargar la batena 106 puede causar gaseo, perdida de agua y/o corrosion de los electrodos, y puede acortar su vida util. Cuando el sistema de suministro electrico 100 esta en el modo en isla, el convertidor h^brido 102 funciona en modo fuente controlada por tension y controla la tension y la frecuencia en CA sobre la lmea 138 de CA. El inversor PV 104 capta la energfa solar en CC desde el conjunto PV 112 y funciona en modo controlado por intensidad en CA. La energfa para las cargas 114 en CA puede ser suministrada por uno de ellos o ambos de entre el conjunto PV 112 y la batena 106. Si la energfa solar es mayor que la demanda de carga por las cargas 114, el excedente de potencia fluira desde el PCC 116 a traves del convertidor tnbrido 102, sobrecargando, eventualmente, la batena 196.

El algoritmo de generacion de patrones 124 propuesto mantiene una magnitud de frecuencia y tension de la lmea de CA de la microrred constante (por ejemplo, +/-0,2 Hz y +/-0,5% de la tension nominal) sobre la lmea 138 de CA bajo condiciones normales hasta el punto de sobrecarga de la batena 106. Las variaciones de frecuencia o tension de la lmea pueden ser usadas como parametros de interaccion entre el convertidor tnbrido 102 y el inversor PV 104. Por ejemplo, en el modo en isla cuando el inversor PV 104 produce una energfa mayor que la demanda de carga, la potencia activa fluye hasta la batena 106 y la tension o intensidad en CC de la batena 106 pueden exceder los requerimientos aceptables. El convertidor tnbrido 102 monitoriza de forma proactiva y aplica el perfil de carga de batena correcto: si la tension o intensidad en CC de la batena 106 excede los requerimientos lfmite de carga de la batena, entonces el convertidor tnbrido 102 cambia la frecuencia de la lmea de la microrred segun un patron predeterminado. El inversor PV 104 puede desconectarse porque la frecuencia de la lmea 138 de CA excediera sus ifmites de rango de frecuencias o puede reducir su intensidad producida desde el conjunto PV 112 si un control espedfico es implementado mediante la monitorizacion de la frecuencia de la lmea de CA por el control del agente de comunicacion. Se hace hincapie en que puede usarse en su lugar el variar la magnitud de la tension en CA como agente de comunicacion para prevenir la sobrecarga de la batena. No obstante, usar la magnitud de tension en CA es menos exacto que usar la frecuencia en CC porque la cafda de tension es una funcion de las caractensticas del cableado de suministro.

La frecuencia en la lmea 138 de CA es variada de una manera predeterminada como medio para comunicacion entre el convertidor hnbrido 102 y el inversor PV 104. No se necesita cableado adicional para comunicacion, y los modulos 102, 104 pueden estar situados alejados el uno del otro; el convertidor hnbrido 102 con la batena 106 en un lugar y el inversor Pv 104 con el conjunto PV 112 en un lugar remoto diferente.

Cuando el sistema de suministro electrico 100 esta en modo en isla, el convertidor hnbrido 102 controla la regulacion de la frecuencia y la tension de la lmea 138 de CA. Cuando el inversor PV 104 produce una energfa mayor que la demanda de carga de las cargas 114, la potencia activa fluye hasta la batena 106. El convertidor hnbrido 102 funciona en dos modos al mismo tiempo: modo inversor con regulacion de tension/frecuencia en CA y modo rectificador activo para cargar la batena 106. El algoritmo de generacion de patrones 124 se vuelve activo cuando las dos condiciones siguientes se satisfacen: (1) potencia activa fluye desde el puerto de 130a CA hasta el puerto 132 de CC; y (2) el nivel de carga de tension en Cc (por ejemplo, absorcion, flotacion) o la intensidad en CC de la batena 106 excede un determinado punto de consigna lfmite.

El algoritmo de generacion de patrones 124 controla la frecuencia de la lmea 138 de CA mediante la reduccion o el aumento desde su valor nominal f0 = 50/60 Hz segun un patron determinado. El algoritmo de generacion de patrones 124 puede tener una respuesta lineal, o exponencial o lineal-exponencial segun se describe con mayor detalle mas adelante. El algoritmo de generacion de patrones puede estar realizado para utilizar cualquier otra funcion matematica o una tabla de consulta predeterminada. La figura 2 ilustra un diagrama de bloques funcional de un algoritmo de control 200, que incluye el algoritmo de generacion de patrones 124, para el convertidor hubrido 102, el cual funciona en modo inversor de fuente controlada por tension. La tension Vac de red de CA del PCC 116 es comparada con la tension de referencia v*ac y el error es compensado por el controlador de tension Gvv cuya salida se convierte en la referencia de intensidad de CA i*ac; la diferencia entre i*ac y la intensidad en CA iac del inductor es compensada por el controlador de intensidad Gvi, el cual genera la orden de ciclo de trabajo. La tension de salida Vac del convertidor hubrido 102 en el modo inversor de fuente controlada por tension es representado por dos terminos: el primer termino multiplicado por la referencia de tension v*ac de onda sinusoidal de CA se desea que sea cercano a la unidad para seguimiento de la referencia de tension de salida, mientas que el segundo termino multiplicado por la intensidad de salida i0 de CA se desea que sea cercano a cero para desacoplamiento de las perturbaciones de carga:

v __v* A’* ______rt+Cfo) _______

(Funcion |)

donde LC representa el filtro de salida y el operador de Laplace s se aproxima a jo, frecuencia angular o. La implementacion del seguimiento de la tension de la onda sinusoidal y del control del desacoplamiento de las perturbaciones de carga tiene que ser robusta y estable porque el control anti-isla del inversor PV 104 tiende activamente a desestabilizar la regulacion de frecuencia y tension en el modo en isla. Si el sentido del flujo de potencia real cambia, es decir, el convertidor hubrido 102 absorbe intensidad y la tension o la intensidad en la batena 106 de CC alcanza valores prescritos maximos de V*ac / I*ac, entonces la salida del algoritmo de generacion de

patrones 124 Kvi reduce, linealmente (en este ejemplo), la frecuencia de referencia fo. Un compensador proporcional-integral (PI) esta implementado digitalmente para proporcionar tanto un controlador de la tension y frecuencia en CC de la batena con ganancias proporcional kp e integral ki, respectivamente, como una funcion de selector, Kvi. La referencia de onda sinusoidal v*ac (t) es generada mediante una tabla de consulta con el mdice de 5 modulacion m, referencia de escala de amplitud Vm y angulo de fase 0o:

v„ Sin[2,t(J„-1 +e0j

(Funcion 2)

En este ejemplo, la frecuencia fo(t) decrecena desde su valor nominal si la tension o la intensidad en CC de la batena 106 monitorizada excediera de los valores maximos prescritos (V*ac / I*ac); a la inversa, el algoritmo de control 200 puede adaptar un incremento de frecuencia si se desea. La funcion de selector Kvi es dada por:

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K. II = !Tj i n ; K i ,r). A' ■ (/1 [ (Funcion 3)

La salida enclavada del controlador de tension e intensidad en CC de batena esta representada por las Funciones (4) y (5):

imagen1

(Funcion 4)

(Funcion 5)

La salida del controlador de tension e intensidad en CC de batena esta representada por la relacion (6):

xv{t) = v' <v(0 + jv er(0<ft

(Funcion 6)

(0 = kP! - e, (f) + f k„ * ef(t)dt

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La referencia de tension de CC V*dc representa el nivel de tension en bruto, absorcion o flotacion que puede ser ajustado basandose en el tipo de batena. El valor de la referencia de tension en CC esta tambien compensado por temperatura como una funcion de la qmmica de la batena para obtener un perfil de carga optimizado (por ejemplo, - 0,108 V/°C para una batena inundada de plomo-acido de 48 V). La referencia de intensidad en CC I*dc representa el 20 lfmite maximo de intensidad aceptable para la batena 106. La diferencia entre la referencia y el valor instantaneo representa el valor del error aplicado al compensador PI:

(Funcion 7)

La figura 3A ilustra la respuesta de la funcion de frecuencia con una respuesta lineal (a = 1) o exponencial (a >1):

A.P'I I|' (Funcion 8)

/o(0=/„-K(')P

25 En la figura 3A se muestran tres patrones 300a-c predeterminados que modifican la frecuencia de la lmea de CA como una funcion del tiempo con diferentes valores para el coeficiente a: para el patron lineal 300a, a = 1; para los patrones 300b,c exponenciales, a = 2, a = 0,4, respectivamente. El algoritmo de generacion de patrones 124 puede variar la frecuencia o la tension de la lmea de CA segun un primer patron predeterminado (por ejemplo, lineal) cuando la intensidad o tension de la batena satisface un primer criterio, y el algoritmo de generacion de patrones 30 124 puede variar la frecuencia o la tension de la lmea de CA segun un segundo patron predeterminado (por ejemplo,

exponencial) cuando la intensidad o la tension de la batena satisface un segundo criterio. En general, es deseable presentar una transicion suave alejandose de la frecuencia nominal cuando se esta aplicando el algoritmo de generacion de patrones 124 para evitar introducir perturbaciones de frecuencia y para permitir un tiempo para que el inversor PV 104 detecte el patron predeterminado, tal como se muestra en el, patron predeterminado 300b. Patrones 35 exponenciales, como el patron 300b, tambien trabajan mejor en un rango de frecuencias estrecho, tal como dentro de los lfmites de anti-isla de la lmea 138 de CA del sistema de suministro electrico 100. El lfmite anti-isla puede ser

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definido por los estandares del Underwriters Laboratory (UL) 1741 o el Institute of electrical and Electronic Engineers (IEEE) 1547 u otros lfmites anti-isla impuestos por requerimientos de otros pafses. Por ejemplo, el Kmite anti-isla puede ser entre 59-61 Hz para una frecuencia nominal de 60 Hz en la lmea 138 de Ca. Preferiblemente, el patron de frecuencia es variado dentro de +/- 0,4 Hz (por ejemplo, o 59,6-60,4 Hz para una frecuencia nominal fundamental de 60 Hz o 49,6-50,4 Hz para una frecuencia nominal fundamental de 50 Hz). En general, el patron de frecuencia debena variarse no mas de 2 Hz por encima y por debajo de la frecuencia fundamental de la lmea 138 de CA.

Por el contrario, el patron predeterminado 300c presenta una transicion relativamente subita alejandose de la frecuencia de la lmea de CA nominal. Cuando hay un incremento subito en la condicion de sobretension de la batena, el algoritmo de generacion de patrones 124 puede causar que el convertidor tubrido 102 vane la frecuencia o la tension de la lmea de CA segun el patron 300c predeterminado para forzar a que el inversor PV 104 reaccione rapidamente a la sobretension y reduzca o elimine la intensidad o la tension que esta cargando la batena 106. En general, si hay un incremento agudo o subito en la tasa de cambio de la tension de la batena, es deseable cambiar la frecuencia de manera subita de forma que el inversor PV 104 pueda reaccionar rapidamente para reducir su salida de potencia y, en correspondencia, reducir la intensidad o tension suministrada para cargar la batena 106. Para tales escenarios puede ser deseable emitir el patron 300c predeterminado.

Aunque se han discutido arriba patrones lineal y exponencial, puede usarse cualquier patron predeterminado (por ejemplo, intencional, no natural, programado, deliberado) que no sera confundido por patrones que podnan ser puestos en la lmea de CA por otos dispositivos, como generadores y cargas. El patron necesita ser distinguible de otros patrones creados por dispositivos electricos del sistema de suministro electrico que causen que la frecuencia o la tension de la lmea de CA vanen. Por ejemplo, los generadores vanan la frecuencia/tension linealmente, por lo que debe tenerse cuidado si se esta usando un patron lineal para varias la frecuencia o tension de la lmea da CA, para evitar el usar un patron que fuera producido por un generador. Esto podna causar de manera innecesaria que el inversor PV 104 cambiase la intensidad o la tension de carga de la batena cuando no existe ninguna condicion anomala de carga de la batena. Segun esto, es preferible usar un patron exponencial o lineal-exponencial.

La figura 3B ilustra la tasa de cambio de respuesta de la frecuencia de la lmea de CA como funcion de la variacion de la tension en CC de la batena 106. Si el error de tension/intensidad es grande, entonces la frecuencia f0(t) de la lmea de CA es controlada rapidamente. En este ejemplo, la frecuencia es reducida linealmente y la tasa de cambio puede ser una combinacion entre respuesta lineal-exponencial al tener los coeficientes a y p funcion de las intensidad y tension en CC instantaneas. La respuesta en frecuencia puede ser implementada con recuperacion simetrica como puede notarse en la figura 3B, la cual ilustra tres patrones 302a-c predeterminados, cada uno de los cuales es producido mediante una funcion lineal con las siguientes tasas de tension/intensidad d(vdc,idc)/dt de carga en CC: patron 302a dvdc/dt = 0,3 V/s; patron 302b dvdc/dt = 0,25 V/s; y patron 302c dvdc/dt = 0,375 V/s con recuperacion de frecuencia simetrica.

Se requiere que los modulos DPG conectados a la red que convierten potencia a la red de suministro 110 sean capaces de deteccion de modo en isla. El rango de frecuencias de lmea de CA en el que los modulos DPG estan autorizados para transferir potencia es limitado y tiene diferentes requerimientos: el rango de frecuencia mmimo y maximo para sistemas de red de 50 Hz puede ser 51-48 Hz o para sistemas de red de 60 Hz puede ser 60,5-59,3 Hz. El rango de frecuencia por debajo de su valor nominal es mayor y, por ello, los inversores PV 104 tienen un rango de operacion mas ancho por debajo de 50/60 Hz.

En el modo en isla, la frecuencia de la lmea 138 de CA es establecida por el convertidor tubrido 102; cuando la intensidad o tension en CC de la batena 106 es excedida, el algoritmo de generacion de patrones 124 comienza a cambiar la tension o frecuencia de la lmea segun un patron predeterminado, tal como linealmente o exponencialmente. Cuando se alcanza el lfmite de frecuencia mmimo, el inversor PV 104 desconecta de la red de CA, interrumpiendo la potencia al puerto 132 de CC y la carga de la batena ocurre hasta la fase de absorcion mientras que la batena 106 esta cargada al 80-85% cuando termina la fase de carga en bruto.

Un perfil de carga de batena completo requerina la regulacion de la tension en CC de la batena para su absorcion, flotacion y fases de carga como puede verse en la figura 6. En este escenario, los inversores PV tienen que acceder a la informacion de la tension de la batena de CC para controlar su intensidad de CA local. Se requiere comunicacion para ejecutar la regulacion de la tension de la batena. Un modo redundante de funcionamiento se propone aqrn: el agente de comunicacion es la variacion de frecuencia de la lmea de CA opcionalmente dentro de un rango del lfmite anti-isla de la lmea de CA. Como alternativa, se puede usar la variacion del patron de tension en CA como agente de comunicacion en su lugar, pero es menos preciso que la frecuencia porque la tension esta sometida a la variacion de impedancia del cableado. El algoritmo de deteccion de patrones en el inversor PV 104 captara un patron de cambio de frecuencia (o tension) espedfico y ajustara su intensidad en CA local, saliendo del modo MPPT al modo de acoplamiento en CA. Bajo el modo de acoplamiento en CA, el convertidor hubrido 102 alterna la pendiente del cambio de frecuencia sobre un periodo integrado determinado para promediar la frecuencia de la lmea de CA hasta su valor nominal de 50/60 Hz.

La figura 4 ilustra un diagrama de bloques de un metodo de control para el inversor PV 104, que funciona como una fuente controlada por intensidad. La referencia de intensidad de onda sinusoidal i*ac generada por un LUT (una tabla de consulta de SinGen) esta sincronizada con la frecuencia f(t) de la red y la fase 00 para obtener un factor de potencia unidad.

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Un patron de frecuencia (o tension) espedfico es generado por el algoritmo de generacion de patrones 124 del convertidor h^brido 102 y es captado de manera exacta por el algoritmo de deteccion de patrones 128 porque el inversor PV 104 sale del modo MPPT y regula su funcion de salida de la variacion de patron de frecuencia (o tension). Si la variacion de frecuencia no sigue un patron espedfico, la funcion de seleccion M selecciona el modo MPPT para controlar la intensidad de salida en CA.

Entre las alternativas de control, Transformada Rapida de Fourier, control tipo PID (control proporcional-integral- derivativo), logica difusa, etc. Se prefiere un metodo de ondmula para la deteccion del cambio de frecuencia. Las transformadas de ondmula tienen una localizacion frecuencia-tiempo y un seguimiento para senales de cambio rapido excelentes. La deteccion del cambio de frecuencia en la lmea de CA puede realizarse con un controlador Gcf de frecuencia PI (figura 5a) o con mas exactitud con un seguimiento de frecuencia de ondmula WT y una funcion Fs de seleccion de patron (figura 5B). Cuando el patron de frecuencia de lmea espedfico es detectado, el coeficiente de frecuencia Kf controla la intensidad de salida del inversor PV 104.

Una transformada de ondmula continua es aplicada a la senal captada desde la Funcion 1 de mas arriba. Como resultado de este proceso, se generan los coeficientes de la ondmula C(a, b), donde a es la escala y b la posicion.

(Funcion 9)

donde Ya,b(t) es la funcion de ondmula la cual se usa como la herramienta de analisis y detectana el cambio de frecuencia en cualquier intervalo de tiempo.

] ft-b.

vu =-r'pBb(-—)

tl

(Funcion 10)

La oscilacion de la ondmula da el contenido de frecuencia de vac(t) y los valores de los coeficientes de la ondmula reflejaran cuan cercana es la correlacion de la ondmula con una seccion particular de la senal, como es dada por el parametro de posicion. El algoritmo de deteccion de patrones 128 hace uso de la transformada de ondmula Morlet en este ejemplo:

(l-b

(Funcion 11)

Vn J

La Funcion 11 mide las similitudes entre la funcion de ondmula basica y la senal vac(t) captada. La funcion basica de ondmula Morlet esta dada por:

1*7

(Funcion 12)

La duracion finita de la ondmula y el espectro de ondmula Morlet estan dados por:

imagen2

(Funcion 13)

El algoritmo de deteccion de patrones que usa la transformada de ondfcula Morlet se describe a continuacion. La transformada de ondfcula Morlet (WT) es aplicada a la senal vac(t). La salida de la transformada de ondfcula Morlet esta representada por los coeficientes C(a, b).

El proposito es seguir cambios de frecuencia finos. Valores bajos del parametro a comprimiran la ondfcula para deteccion de cambios de frecuencia pequenos. Por ello, los coeficientes que corresponden al parametro a de escala de nivel 1 (a=1) son de interes en este ejemplo. Para el parametro de posicion b, se seleccionan 100 muestras por ciclo de tiempo en este ejemplo.

Los mmimos y maximos locales de estos coeficientes son calculados. Se busca una funcion polinomica de mejor ajuste de la envolvente y esta funcion reflejara la variacion en el tiempo de la frecuencia de la senal original. Por ejemplo, si la frecuencia tiene un patron de cambio lineal, puede construirse una funcion matematica de tipo lineal.

La figura 6 es una grafica 600 que ilustra ejemplos de curvas 602, 604, 606 que corresponden a la tension, Vac, frecuencia de la lmea de CA sobre la lmea 138 de CA (curva 602), la batena, Vdc, de la batena 106 monitorizada por

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el puerto 132 de CC del convertidor tnbrido 102 (curva 604) y la salida de potencia, Ppv-inverter, del inversor PV 104, como una funcion del tiempo en segundos. Cuando la tension de la batena excede una intensidad o tension predeterminadas que da como resultado una condicion de sobrecarga, el convertidor tnbrido 102, por via del algoritmo de generacion de patrones 124, comienza a reducir la frecuencia de la lmea de CA hasta una funcion lineal. El inversor PV 104 detecta el cambio de patron lineal en la frecuencia de la lmea de CA y reduce su salida de potencia sobre la lmea 138 de CA, causando que la tension de la batena caiga por debajo del estado de sobrecarga. La intensidad o tension predeterminada para la batena puede corresponder al umbral de sobrecarga de la batena del fabricante de la batena o puede ser cualquier intensidad o tension predeterminada (tal como, en el ejemplo ilustrado, aproximadamente el 5% o mas elevado por encima de una tension o intensidad de carga maxima). Intervalo 1: representa la fase de carga en bruto durante la cual la energfa es transferida desde el inversor PV 104 hasta la batena 106. En el lfmite de los Intervalos I y II, el nivel de tension en CC excede la absorcion de 57,6 V de la batena de plomo-acido. El algoritmo de generacion de patrones 124 del convertidor tnbrido 102 comienza a reducir la frecuencia de la lmea (curva 602), la cual es monitorizada por el algoritmo de deteccion de patrones 128 del inversor PV 104, el cual comienza a reducir su potencia de salida , Ppv-inverter (curva 606). Como resultado, la tension de la batena en CC, Vdc (curva 604), baja progresivamente por debajo del umbral de 57,6 V. El convertidor tnbrido 102 comienza a incrementar la frecuencia de lmea (curva 602) de vuelta ala nominal. Como puede verse en la figura 6, la frecuencia es variada +/-0,4 Hz dentro del rango de anti-isla y la frecuencia media neta objetivo es 50 Hz con un efecto despreciable sobre la frecuencia de lmea. Cuando la fase de carga de absorcion esta acabada (Intervalo II) el convertidor tnbrido 102 continua con la fase de carga en flotacion (Intervalo III) con un nivel de tension medio de 54 V. El inversor PV 104 estara en el modo de seguimiento de punto pe potencia maxima (MPPT) con la excepcion de los Intervalos II y III cuando el inversor PV detecta espedficamente un patron predeterminado para controlar su potencia de salida (curva 606).

La figura 7 es una grafica 700 que ilustra ejemplos de curvas 702, 704, 706, 708 que corresponden a la frecuencia de lmea de CA, f (curva 702), la tension de batena Vdc, de la batena 106 monitorizada por el puerto 132 de CC del convertidor tnbrido 102 (curva 704), la salida de intensidad, Idc, del inversor PV 104 y la intensidad en CA de la carga 114, Iac_load, como una funcion del tiempo. Estas curvas fueron generadas con un modulo convertidor Xantrex bidireccional de 6 kVA (XW6048) 102, con su puerto 130a de CA configurado a 230 V/50 Hz y su puerto 132 de CC 40-65 V conectado a una batena 106 de plomo-acido de 225 Ah. Las funciones de control 122, 124, 126, 128 estan implementadas como un DSP TMS320F2812 de 32 bit que funciona a 150 MHz.

En la figura 7, el efecto del algoritmo de generacion de patrones 124 causa que el convertidor tnbrido 102 cambie linealmente la frecuencia de lmea de CA con una tasa de cambio igual a 0,4 Hz/s. Se muestran los resultados con el sistema de suministro electrico 100 en modo en isla fuera de red con Intervalos I-IV segun se describe a continuacion. Intervalo I: el inversor PV 104 esta apagado y la frecuencia de lmea de CA, f, es 50 Hz +/-0,01. Intervalo II: el inversor PV 104 se enciende y el convertidor tnbrido 102 carga la batena 106 con 20 Acc. Intervalo III: la batena 106 esta aun en modo fase en bruto y se capta mas energfa desde el conjunto PV 112. Notese en ambos Intervalos II y III, la frecuencia de lmea de CA esta perturbada pero con un efecto despreciable (maximo +/-0,1 Hz) por el algoritmo anti-isla del inversor PV 104. Al final del Intervalo III el inversor PV 104 no es capaz de detectar el cambio en el patron de frecuencia y continua transmitiendo energfa a la batena 106. Como resultado, la tension en CC (curva 704) continua elevandose por encima del lfmite aceptable y la frecuencia se sigue reduciendo mas alla del lfmite de anti-isla del inversor PV 104. Intervalo IV: porque el lfmite de frecuencia se excede en el intervalo previo, la tension de la batena en CC baja un paso (Vdc, 10 V/div) tiasta la tension de batena restante, evitando con ello la sobrecarga de la batena 106. Un inversor PV 104 convencional no equipado con el algoritmo de deteccion de patrones 128 puede funcionar dentro del intervalo IV cuando los lfmites del anti-isla estan excedidos, protegiendo la batena 106 de la sobrecarga. No obstante, un inversor PV convencional de ese tipo no puede proteger la batena 106 de sobrecarga cuando la frecuencia esta dentro de los lfmites de anti-isla.

Debe resaltarse que los algoritmos 124, 128 ilustrados y discutidos aqrn pueden tener diferentes modulos que realicen funciones particulares e interactuen unos con otros. Debe entenderse que estos modulos estan segregados simplemente a beneficio de la descripcion y representan tiardware informatico y/o codigos de software ejecutable el cual esta almacenado en un medio legible por ordenador para su ejecucion en tiardware informatico apropiado. Las diferentes funciones de los diferentes modulos y unidades pueden ser combinados o segregados como tiardware y/o software almacenado en un medio legible por ordenador tan arriba como los modulos de cualquier manera y pueden ser usados por separado o en combinacion.

Cualquiera de los algoritmos divulgados aqrn incluyen instrucciones legibles por maquina para su ejecucion por: (a) un microprocesador, (b) un microcontrolador y/o (c) cualquier otro dispositivo de procesamiento adecuado. Se entendera facilmente que los controladores 122, 128 referenciados aqrn incluyen cada uno de ellos un dispositivo de procesamiento adecuado de ese tipo. Cualquier algoritmo, tal como los algoritmos 124, 128, divulgados aqrn, pueden ser materializados en software almacenado sobre un medio tangible tal como, por ejemplo, una memoria flasti, un CD-ROM, un disco flexible, un disco duro, un disco versatil digital (DVD) u otros dispositivos de memoria para expertos normales en la tecnica, apreciaran facilmente que el algoritmo entero y/o partes del mismo podna como alternativa ser ejecutado por un dispositivo distinto de un controlador y/o materializado en firmware o tiardware dedicado de una manera bien conocida (por ejemplo, puede ser implementado por un circuito integrado de aplicacion espedfica (ASIC), un dispositivo logico programable (PLD), un dispositivo de logica programable en campo (FPLD), logica discreta, etc.). Tambien, alguna o todas las instrucciones legibles por maquina representadas

en cualquier diagrama de flujo representado aquf pueden ser implementadas de forma manual. Ademas, aunque se han descrito algoritmos especfficos con referencia a los diagramas de flujo o diagramas de bloques funcionales representados aquf, personas con competencia ordinaria en la tecnica, apreciaran facilmente que muchos otros metodos de implementar las instrucciones legible por maquina del ejemplo pueden usarse como alternativa. Por 5 ejemplo, el orden de ejecucion de los bloques puede ser cambiado y/o algunos de los bloques descritos pueden ser cambiados, eliminados o combinados.

Claims (14)

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   REIVINDICACIONES

   1. - Un metodo de controlar de manera automatica una intensidad o tension aplicada a una batena mediante la monitorizacion de una caractenstica de una lmea de corriente alterna (CA), que comprende

   determinar, en un primer modulo, si una intensidad o tension monitorizada de la batena satisface un criterio predeterminado;

   en respuesta a la intensidad o tension que satisface el criterio, cambiar automaticamente por via del primer modulo la caractenstica de la lmea de CA usando un algoritmo de generacion de patrones que produce una salida modificada que vana la caractenstica de la lmea de CA segun un primer patron predeterminado que es producido mediante una primera funcion, en el que el primer modulo incluye un primer controlador programado con instrucciones legible por maquina para llevar a cabo el algoritmo de generacion de patrones y esta acoplado electricamente a la batena y a al menos una fuente de energfa en CA; y

   detectar en un segundo modulo remoto con respecto al primer modulo por via de un algoritmo de deteccion de patrones, la salida modificada y, en respuesta a la deteccion, causar que la intensidad o tension aplicada a la batena cargar la batena sea cambiada por via del primer modulo, en el que el segundo modulo incluye un segundo controlador programado con instrucciones legibles por maquina para llevar a cabo el algoritmo de deteccion de patrones y esta acoplado electricamente al primer modulo.

   en donde la primera funcion incluye una de una funcion exponencial o una funcion exponencial lineal.
2. 2. - El metodo de la reivindicacion 1, en el que la caractenstica es una frecuencia o una tension de la lmea de CA.
3. 3. - El metodo de la reivindicacion 1, en el que el criterio es si la intensidad o tension de la batena excede, o cae por debajo, de una intensidad o tension predeterminada.
4. 4. - El metodo una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer modulo incluye un convertidor tubrido para suministrar y recibir energfa.
5. 5. - El metodo una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo modulo esta acoplado a una unidad de conversion de energfa renovable que convierte una fuente de energfa renovable en electricidad.
6. 6. - El metodo una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo modulo incluye un inversor fotovoltaico que recibe energfa solar desde un conjunto fotovoltaico acoplado al segundo modulo y emite una correspondiente intensidad en CA.
7. 7. - El metodo una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la caractenstica es variada dentro de un lfmite anti-isla de la lmea de CA, en el que la lmea de CA esta tasad para oscilar en una frecuencia fundamental y en el que el lfmite anti-isla no excede 2 Hz por encima o por debajo de la frecuencia fundamental.
8. 8. - El metodo de la reivindicacion 7, en el que el lfmite anti-isla esta dentro de un lfmite anti-isla segun esta definido por el Underwriters Laboratory (UL) 1741 o el Institute of electrical and Electronic Engineers (IEEE) 1547.
9. 9. - El metodo una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la caractenstica de la lmea de CA es variada primero segun el primer patron predeterminado y segundo segun un segundo patron predeterminado que es producido mediante una segunda funcion que difiere de la primera funcion.
10. 10. -El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el algoritmo de deteccion de patrones incluye una funcion transformada de ondmula, un PID, una logica difusa o una Transformada de Fourier Rapida.
11. 11. - El metodo de la reivindicacion 2, en el que el criterio es si la intensidad o tension de la batena cae fuera de un rango predeterminado de intensidad o tension, en el que el primer modulo incluye un convertidor tubrido que suministra y recibe energfa, en el que el segundo modulo esta acoplado a una unidad de conversion de energfa renovable que convierte una fuente de energfa renovable en electricidad, en el que el segundo modulo incluye un inversor fotovoltaico que recibe energfa solar desde un conjunto fotovoltaico acoplado al segundo modulo y emite una intensidad correspondiente y en el que la primera funcion incluye una funcion exponencial, una funcion lineal o una funcion lineal-exponencial.
12. 12. - El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de energfa en CA es una red de suministro o un sistema de generacion distribuida (generadores).
13. 13. - El metodo de la reivindicacion 12, en el que la caractenstica es variada dentro de un lfmite anti-isla de la lmea de CA, en el que la lmea de CA esta oscila en una frecuencia fundamental y en el que el lfmite anti-isla no excede un Hertzio por encima o por debajo de la frecuencia fundamental.
14. 14. - El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el algoritmo de deteccion de patrones incluye una funcion transformada de ondmula.