ES2842080T3 - Inversor sin transformador, interactivo con la red de suministro - Google Patents

Inversor sin transformador, interactivo con la red de suministro Download PDF

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Abstract

Convertidor de potencia eléctrica interactivo con la red de suministro para convertir potencia de CC de una matriz fotovoltaica (10) en potencia de CA, mediante la regulación de corrientes monofásicas o polifásicas en fase, respectivamente, con tensiones de red monofásicas o polifásicas en una interfaz de red de suministro para abastecer potencia en una red de suministro (90) y que comprende: un puente de CC a CA de baja tensión (60); un puente de CC a CA de alta tensión (50); un convertidor intensificador de CC a CC (30) que comprende una disposición de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores (35), inductores de filtro (31, 32), sensores y elementos de almacenamiento de energía capacitiva (41, 42) que permiten al convertidor intensificador de CC a CC (30) convertidor la tensión de la matriz fotovoltaica en una tensión más alta, y; un circuito de control (100); en donde el puente de CC a CA de baja tensión (60) y el puente de CC a CA de alta tensión (50) son ambos monofásicos o de fase dividida o trifásicos; en donde cada uno del puente de baja tensión (60) y del puente de alta tensión (50) comprende una disposición de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores (54-59, 64-69), inductores de filtro (51-53, 61-63), sensores y elementos de almacenamiento de energía capacitiva que habilitan que cada puente (50, 60) regule la corriente en una fase (91, 92, 93) de la red de suministro dada y de acuerdo con las referencias de corriente proporcionadas por el circuito de control (100) y donde cada una de las fases de salida del puente de CC a CA de baja tensión (60) está conectada a una única fase de salida del puente de CC a CA de alta tensión (50); en donde la matriz fotovoltaica (10) está conectada directamente a través de la entrada de CC del puente de CC a CA de baja tensión (60) y también a la entrada del convertidor intensificador de CC a CC (30) y donde la salida del convertidor intensificador de CC a CC (30) está conectada a través de la entrada de CC del puente de CC a CA de alta tensión (50).

Description

DESCRIPCIÓN
Inversor sin transformador, interactivo con la red de suministro
Antecedentes de la invención
Las células fotovoltaicas (FV) producen potencia en un amplio intervalo de tensión dependiendo de la cantidad de luz solar y de la temperatura de la célula fotovoltaica. Existen restricciones del Código Eléctrico Nacional y de la clase de equipo que hacen que las matrices fotovoltaicas sean mucho más rentables cuando se dimensionan para un máximo de 600 Vcc. Para abastecer potencia de CA en la red de suministro eléctrico, en el intervalo esperado de tensiones de CC, los inversores interactivos con el suministro de la técnica anterior usan dos etapas de conversión de potencia.
En todas las topologías de la técnica anterior analizadas, el 100 % de la potencia de rendimiento se procesa dos veces y se pierde potencia en cada etapa de conversión. La invención es una mejora con respecto a la técnica anterior porque la mayor parte de la conversión de CC a CA se realiza en una conversión directa y solo del 0 % al 25 % de la potencia de rendimiento se procesa dos veces para un equivalente en el peor de los casos de pasos de conversión del 1 %, en lugar del 2. Esto se traduce en al menos un 38 % menos de complejidad, costes y pérdidas de conversión con respecto a la técnica anterior.
Breve descripción de la técnica anterior
La figura 4 muestra la solución de la técnica anterior más común para un convertidor de potencia fotovoltaica interactivo con la red para la conexión a un suministro de 480/277 Vca. Esta topología usa una matriz fotovoltaica monopolar, un puente trifásico y un transformador elevador de 60 Hz. La matriz fotovoltaica monopolar10 está conectada a los terminales 21 y 22 a través del condensador 40 en la entrada del puente 60. La salida de CA del puente 60 está conectada a los bobinados de baja tensión del transformador 30. El lado de baja tensión del transformador 30 aproximadamente 173 Vca línea a línea para asegurar que la tensión de la matriz fotovoltaica 10 será lo suficientemente alta en los días más calurosos para abastecer ondas sinusoidales no distorsionadas de corriente en la red de suministro 90. Hay dos inconvenientes principales en este enfoque. En primer lugar, las corrientes en el puente 60 son mucho más altas porque la tensión del bus de CC disponible para el puente 60 es la mitad que la de un inversor que usa una matriz bipolar. Como tal, la corriente en los bobinados de baja tensión del transformador 30 es el doble para una potencia nominal equivalente. Una corriente más alta significa mayores pérdidas y mayores costes de componentes. En segundo lugar, el coste, el peso y las pérdidas asociados con el transformador 30 son significativos. El transformador también debe desconectarse por la noche para evitar pérdidas por excitación. La circuitería automática necesaria para proporcionar esta función de transformador nocturno aumenta el coste y la complejidad.
La figura 5 muestra una solución de la técnica anterior menos común para un convertidor de potencia fotovoltaica interactivo con la red para la conexión a un suministro de 480/277 Vca. Esta topología usa una configuración de matriz bipolar y dos circuitos intensificadores no aislados. La matriz fotovoltaica bipolar 10 comprende las submatrices 11 y 12 conectadas a los terminales de entrada 21, 20 y 22 del convertidor de potencia. El inductor 31, el rectificador 33 y el conmutador de semiconductores 35 intensifican la tensión del monopolo 11 de la matriz positiva a una tensión a través del condensador 41 que es más alta que los picos positivos de la tensión del suministro en la interfaz de suministro 90. El inductor 32, el conmutador de semiconductores 35 y el rectificador 34 intensifican la tensión del monopolo 12 de la matriz negativa a una tensión a través del condensador 42 que es más negativa que los picos negativos de la tensión del suministro en la interfaz de suministro 90. El puente 60 proporciona la conversión de CC regulada por corriente a CA trifásica. La interfaz a la red de suministro 90 está en los terminales de salida 81, 82, 83 y 80 del convertidor de potencia, una conexión directa sin transformador a la red de suministro. El inconveniente de esta topología es que toda la potencia de rendimiento debe procesarse dos veces, una por los circuitos intensificadores de CC a CC y otra por el puente 60. Esta doble conversión limita la eficiencia de conversión de potencia del sistema.
El documento de patente US 6285572 B1 divulga un convertidor de potencia eléctrica interactivo con la red de suministro para convertir potencia de CC de una matriz fotovoltaica en potencia de CA mediante corrientes de regulación en fase con tensiones de red en una interfaz de red de suministro para abastecer potencia en una red de suministro, comprendiendo el convertidor una pluralidad de puentes de c C a CA monofásicos y un circuito de control; en donde cada puente comprende una disposición de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores, inductores de filtro, sensores y elementos de almacenamiento de energía capacitiva que habilitan que cada puente regule la corriente en la red de suministro y de acuerdo con las referencias de corriente proporcionadas por el circuito de control, en donde la matriz fotovoltaica está conectada directamente a través de la entrada de CC de los puentes de CC a CA.
El documento de patente US 6404655 B1 divulga un convertidor intensificador de CC a CC que comprende una disposición de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores, inductores de filtro, sensores y elementos de almacenamiento de energía capacitiva que permiten que el convertidor intensificador de CC a CC convierta la tensión de entrada en una tensión más alta, y donde la salida del convertidor intensificador de CC a CC se conecta a través de una entrada de CC de un puente de CC a CA.
Los problemas de la técnica anterior se resuelven mediante un convertidor de potencia eléctrica interactivo con la red de suministro como se define en la reivindicación independiente.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un diagrama eléctrico de la realización preferente de la invención.
La figura 2 muestra cómo se suman las corrientes de dos puentes en una fase de una conexión a la red de suministro.
La figura 3 muestra una variante monofásica de la realización preferente de la invención.
La figura 4 ilustra un convertidor de potencia trifásico, aislado por transformador, común de la técnica anterior. La figura 5 ilustra un convertidor de potencia trifásico sin transformador, de la técnica anterior, menos común. Descripción detallada de la invención
La figura 1 muestra la realización preferente de la invención. Las matrices fotovoltaicas 11 y 12 están conectadas en una configuración bipolar a la entrada del convertidor de potencia. El terminal 21 es positivo con respecto a tierra, el terminal 22 es negativo con respecto a tierra y el terminal 20 es la referencia a tierra. Los condensadores 43 y 44 están conectados eléctricamente a través de las matrices fotovoltaicas 11 y 12 para formar un bus de CC de baja impedancia para los elementos de conmutación semiconductores 64-69. Los elementos de conmutación semiconductores 64-69 son habitualmente transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) dispuestos en una disposición convencional de puente trifásico con inductores de filtro 61-63.
Los elementos de conmutación 64 y 65 se encienden y se apagan para crear un tren de pulsos de alta frecuencia con modulación de ancho de pulso (PWM). El tren de pulsos es filtrado por el inductor 61. La corriente a través del inductor 61 es regulada por un servobucle, residente en el tablero de control 100, donde la corriente real a través del inductor 61 se compara con una referencia de corriente sinusoidal deseada. La diferencia entre el valor real y el de referencia se usa para crear el tren de pulsos de alta frecuencia. La corriente sinusoidal a través del inductor 61 se regula para que esté en fase con la tensión 91 de la red de suministro sinusoidal en el terminal 81. El mismo método de regulación de corriente de bucle cerrado se usa para las dos fases restantes del puente 60 así como para las tres fases del puente 50. La topología mostrada para los puentes 50, 60 se conoce como la metodología de regulación de corriente de bucle cerrado usada en todas las fases de ambos puentes. Las referencias de corriente para cualquiera de los puentes pueden ser sinusoides puras o no.
Cada fase de salida del puente 60 se suma con una fase de salida del puente 50. Para este análisis, la red de suministro 90 trifásica se puede considerar como tres fuentes de tensión 91, 92 y 93 de impedancia cero con un neutro común conectado a tierra en el terminal 80. Como tal, las corrientes a través de los inductores 61 y 51 se sumarán algebraicamente y la forma de onda de corriente compuesta resultante se abastecerá en la red de suministro 90 en el terminal 81. Lo mismo será válido para las dos fases restantes. Los condensadores 71, 72 y 73 se usan para proporcionar un segundo polo de filtro a altas frecuencias donde la impedancia de una red de suministro no ideal no es cero. La figura 2 ilustra la suma de las corrientes del puente 50 y del puente 60 para una de las tres fases.
La potencia solo se puede entregar a la red de suministro 90 desde el puente 60 si la tensión a través de la matriz fotovoltaica 10 es más alta que la tensión instantánea de la red de suministro para una fase 91, 92 o 93 dada. En los días calurosos, la matriz fotovoltaica 10 no tendrá una tensión máxima en el punto de potencia lo suficientemente alta como para habilitar que el puente 60 cree los picos de corriente positivos y negativos en la red de suministro. En estas condiciones, la onda sinusoidal actual se distorsionará o se "aplastará". Aquí es cuando entra en juego el puente 50 para proporcionar los picos que faltan. El circuito intensificador 30 es un circuito intensificador no aislado. Cuando el conmutador de semiconductores de potencia 35 está cerrado, los inductores 31 y 32 se cargan. Cuando el conmutador 35 se abre, la energía almacenada en los inductores 31 y 32 se transfiere a los condensadores 41 y 42. El conmutador 35 se opera a altas frecuencias como parte de un circuito de regulación de tensión de bucle cerrado, residente en el tablero de control 100. La tensión de CC en la entrada del puente 50 a través de los condensadores 41 y 42 se regula a una tensión lo suficientemente alta como para permitir que la potencia se abastezca en la red de suministro 90 por el puente 50 durante las excursiones de pico de las tensiones 91, 92 y 93 de la red de suministro.
En aplicaciones de energía renovable, es crucial convertir la potencia de una fuente de energía renovable, tal como una matriz fotovoltaica, con eficiencias de conversión muy altas. Además, el Código Eléctrico Nacional prohíbe una matriz fotovoltaica con una tensión lo suficientemente alta para abastecer potencia sin distorsiones directamente en una red de suministro de 480/277 Vca sin el uso de un transformador o autotransformador Lossey de 60 Hz. La invención habilita una conexión a red directa de 480/277 Vca que cumple con los códigos con altas eficiencias de conversión de potencia. La alta eficiencia se logra procesando la mayor parte de la potencia de rendimiento una vez con el puente de baja tensión 60 y una cantidad mucho menor de potencia con el circuito intensificador 30 y el puente de alta tensión 50.
Una ventaja adicional que ofrece esta nueva topología de convertidor de potencia es que puede obtenerse una cancelación significativa de la corriente de ondulación de alta frecuencia incluso cuando el puente de alta tensión 50 está regulando corriente cero por fase. La modulación de pulsos de alta frecuencia se usa para crear las corrientes sinusoidales para cada fase tanto en el puente de alta tensión 50 como en el puente de baja tensión 60. En la invención, la modulación de pulsos de alta frecuencia para el puente de baja tensión 60 está desfasada con la del puente de alta tensión 50 para proporcionar una cancelación sustancial de la corriente de ondulación de alta frecuencia en los puntos de suma de las corrientes de los dos puentes. Debido a la cancelación de la corriente de ondulación, el tamaño y el coste de los inductores de filtro 51-53 y 61-63 se pueden reducir significativamente. Además, debido a que el puente de alta tensión 50 funciona a tensiones más altas, los conmutadores 54-59 deben estar clasificados para tensiones más altas que los conmutadores 64-69. Los conmutadores 54-59 de tensión más alta son menos eficientes y más costosos y no serían adecuados para su uso en el puente 60 donde una alta eficiencia de conversión es crítica. El gasto de los conmutadores 54-59 de tensión más alta se aprovecha en esta invención usando el puente 50 para reducir la tensión de la matriz fotovoltaica de circuito abierto a la tensión máxima del punto de potencia cuando el convertidor de potencia se pone en marcha con una matriz fotovoltaica energizada. La tensión de circuito abierto se reduce habitualmente en menos de un segundo a un nivel seguro donde los conmutadores del puente 60 comienzan a operar y suplantan las corrientes del puente 50.
La figura 3 muestra una variación de la realización preferente ilustrada en la figura 1 para la conexión a una red de suministro monofásica de 240 Vca o 120/240 Vca de fase dividida. Todas las características de funciones, los designadores de referencia y las descripciones son análogos al convertidor de potencia trifásico descrito en la figura 1.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Convertidor de potencia eléctrica interactivo con la red de suministro para convertir potencia de CC de una matriz fotovoltaica (10) en potencia de CA, mediante la regulación de corrientes monofásicas o polifásicas en fase, respectivamente, con tensiones de red monofásicas o polifásicas en una interfaz de red de suministro para abastecer potencia en una red de suministro (90) y que comprende:
un puente de CC a CA de baja tensión (60);
un puente de CC a CA de alta tensión (50);
un convertidor intensificador de CC a CC (30) que comprende una disposición de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores (35), inductores de filtro (31, 32), sensores y elementos de almacenamiento de energía capacitiva (41, 42) que permiten al convertidor intensificador de CC a CC (30) convertidor la tensión de la matriz fotovoltaica en una tensión más alta, y;
un circuito de control (100);
en donde el puente de CC a CA de baja tensión (60) y el puente de CC a CA de alta tensión (50) son ambos monofásicos o de fase dividida o trifásicos;
en donde cada uno del puente de baja tensión (60) y del puente de alta tensión (50) comprende una disposición de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores (54-59, 64-69), inductores de filtro (51-53, 61-63), sensores y elementos de almacenamiento de energía capacitiva que habilitan que cada puente (50, 60) regule la corriente en una fase (91, 92, 93) de la red de suministro dada y de acuerdo con las referencias de corriente proporcionadas por el circuito de control (100) y donde cada una de las fases de salida del puente de CC a CA de baja tensión (60) está conectada a una única fase de salida del puente de CC a CA de alta tensión (50); en donde la matriz fotovoltaica (10) está conectada directamente a través de la entrada de CC del puente de CC a CA de baja tensión (60) y también a la entrada del convertidor intensificador de CC a CC (30) y donde la salida del convertidor intensificador de CC a CC (30) está conectada a través de la entrada de CC del puente de CC a CA de alta tensión (50).
2. Convertidor de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de control (100) está configurado para controlar el convertidor de potencia de manera que:
a) cuando hay suficiente tensión de la matriz fotovoltaica, el puente de CC a CA de baja tensión (60) convierte la potencia de dicha matriz fotovoltaica (10) en corrientes sinusoidales reguladas sin contribución del puente de CC a CA de alta tensión (50) y de manera que,
b) cuando no hay suficiente tensión de la matriz fotovoltaica para habilitar que el puente de CC a CA de baja tensión (60) produzca corrientes sinusoidales no distorsionadas, el puente de CC a CA de alta tensión (50) se configura para complementar la corriente distorsionada producida por el puente de baja tensión de modo que las corrientes sumadas del puente de CC a CA de baja tensión (60) y del puente de CC a CA de alta tensión (50) abastecidas a la red de suministro (90) para una fase determinada son sinusoidales.
3. Convertidor de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el circuito de control (100) está configurado para regular, de acuerdo con una regulación de bucle cerrado, mediante el uso de modulación de pulsos de alta frecuencia para crear corrientes sinusoidales para cada fase en los dos puentes (50, 60) de CC a CA de alta y de baja tensión, una modulación de pulsos de alta frecuencia para el puente de CC a CA de baja tensión (60) que se controla para que esté desfasada con una modulación de pulsos de alta frecuencia del puente de CC a CA de alta tensión (50) a la frecuencia de conmutación de modulación de pulsos, por lo que se proporciona un nivel de cancelación de corriente de ondulación de alta frecuencia en los puntos de suma de corriente del puente de CC a CA de baja tensión (60) y del puente de CC a CA de alta tensión (50).
4. El convertidor de potencia de la reivindicación 1, en donde el circuito de control (100) está configurado para controlar el puente de CC a CA de alta tensión (50) para cargar inicialmente y reducir una tensión de circuito abierto de la fuente fotovoltaica cuando el convertidor de potencia se enciende por primera vez antes de que se habilite el puente de CC a CA de baja tensión (60) para permitir al puente de CC a CA de baja tensión (60) operar a una tensión inferior a la tensión de circuito abierto de la fuente fotovoltaica.
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