ES2865032T3 - Control de conversión de potencia con almacenamiento de energía - Google Patents

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Abstract

Un sistema de generación de potencia (10, 110, 210), que comprende: una fuente de energía renovable (12, 112, 212) configurada para producir una potencia de fuente; un convertidor del lado de la fuente (32, 132, 232) configurado para convertir la potencia de fuente en potencia CC convertida; un controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) configurado para impulsar la potencia CC convertida hacia un punto de potencia máxima; un enlace CC (34, 134): configurado para recibir la potencia CC convertida; un convertidor del lado de la red (36, 236) acoplado al enlace CC configurado para convertir la potencia de enlace CC del enlace CC en potencia de salida CA para una red (22); un controlador del lado de la red (40, 140, 240) configurado para controlar la potencia de salida de CA del convertidor del lado de la red para lograr los requisitos de interconexión de red; un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (42, 142); un convertidor de almacenamiento de energía (44, 144, 244) configurado para acoplar el dispositivo de almacenamiento de energía al enlace CC; un controlador de almacenamiento de energía (46, 146) configurado para controlar el convertidor de almacenamiento de energía para lograr un equilibrio de potencia deseado en el enlace CC; y un administrador de estado de carga SOC (50) configurado para recibir una señal SOC desde el dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142) y, si la señal SOC está por debajo de un intervalo de funcionamiento de SOC aceptable, para proporcionar una señal de ajuste respectiva al controlador del lado de la red (40, 140, 240) para reducir la potencia de salida desde el convertidor del lado de la red (36, 236), y/o al controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) para incrementar la potencia del lado de la fuente de modo que alguna energía pueda ser absorbida en el dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142), y si el SOC está por encima del intervalo de funcionamiento de SOC aceptable, para proporcionar una señal de control de red al controlador del lado de la red (40, 140, 240) para incrementar la potencia de salida a la red (22), para conmutar la potencia de desvío a una resistencia de frenado dinámico (60) y por tanto purgar el exceso de carga del dispositivo de almacenamiento de energía (42), y/o para proporcionar una señal de control de fuente al controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) para disminuir la potencia del lado de la fuente, en el que los controladores del lado de la fuente y de la red están configurados cada uno para funcionar independientemente cuando el SOC del dispositivo de almacenamiento de energía está dentro de un intervalo de funcionamiento SOC aceptable.

Description

DESCRIPCIÓN
Control de conversión de potencia con almacenamiento de energía
[0001] La materia en el presente documento se refiere en general a sistemas de conversión de potencia y más específicamente al uso de almacenamiento de energía junto con sistemas de conversión de potencia de fuentes de energía renovables.
[0002] En los enfoques de control convencionales para fuentes de energía renovables con conversión de potencia de dos etapas, un convertidor del lado de la fuente se acopla en paralelo mediante un enlace CC (corriente continua) a un convertidor del lado de la red. En un modo de realización de turbina eólica, por ejemplo, un controlador del lado de la fuente usa la regulación del par de torsión del generador de la turbina eólica para controlar el convertidor del lado de la fuente, y un controlador del lado de la red usa la regulación de voltaje CC para controlar el convertidor del lado de la red. Otros ejemplos de fuentes de energía renovables incluyen fuentes de energía solar e hidrocinética marina. El documento US 2007/0246943 A1 describe un sistema de energía renovable autónomo de volcado de carga de batería de turbina eólica y un control óptimo del mismo. El sistema puede incluir tanto unidades de control como de conversión de potencia. En un modo de realización, la unidad de conversión de potencia presenta un generador de inducción trifásico accionado por turbina eólica, un rectificador de diodo, un cargador de batería, un convertidor elevador cc/cc, un banco de baterías (48V) y un inversor cc/ca. Un volcado de carga también se usa para disipar el exceso de potencia que no se requiere ni para la carga de la batería ni para el volcado de carga. La unidad de control integrada puede usar el microcontrolador DSP TMS320LF2407A de Texas Instruments, que permite que los funcionamientos del sistema de potencia eólica y el sistema de almacenamiento de la batería se fusionen en un único paquete bajo un controlador maestro. Un modo de realización del sistema de control incluye control de carga de la batería, control de elevación de voltaje de batería, control de volcado de carga, control de inversor PWM y protección del sistema. Permite el uso de recursos de energía renovables, al mismo tiempo que facilita una gestión eficiente del despacho de energía. Este sistema de control integrado ofrece a pueblos remotos el potencial de satisfacer plenamente sus necesidades de potencia eléctrica. El documento WO 2009/155445 A2 describe un sistema de convertidor/inversor integrado que incluye un bus de corriente continua para conectarse a cualquier matriz de celdas fotovoltaicas sin el uso de un dispositivo de transformación de voltaje, un bus de corriente alterna para conectarse a una carga, un bus de almacenamiento de energía para conectarse a un subsistema de almacenamiento de energía, un inversor o un inversor/cargador conectado entre el bus de corriente continua y el bus de corriente alterna para interconectar el bus de corriente continua con el bus de corriente alterna, y un convertidor de CC a CC conectado entre el bus de corriente continua y el bus de almacenamiento de energía para interconectar el bus de corriente continua con el bus de almacenamiento de energía. El convertidor de CC a CC soporta la transferencia de potencia bidireccional entre el bus de corriente continua y el bus de almacenamiento de energía.
[0003] Más precisamente, en la redacción de las reivindicaciones, dicho documento de patente US 2007/246943 A1 divulga un sistema de generación de potencia que comprende: una fuente de potencia renovable configurada para producir potencia de fuente; un convertidor del lado de la fuente configurado para convertir la potencia de fuente en potencia CC convertida, un controlador del lado de la fuente configurado para impulsar la potencia CC convertida hacia un punto de potencia máxima; un enlace CC configurado para recibir la potencia CC convertida; un convertidor del lado de la red acoplado al enlace CC configurado para convertir la potencia de enlace CC del enlace CC en potencia de salida de CA para una red; un controlador del lado de la red configurado para controlar la potencia de salida de CA del convertidor del lado de la red para lograr los requisitos de interconexión de red; un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica; un convertidor de almacenamiento de energía configurado para acoplar el dispositivo de almacenamiento de energía al enlace CC; un controlador de almacenamiento de energía configurado para controlar el convertidor de almacenamiento de energía para lograr un equilibrio de potencia deseado en el enlace CC; y un administrador de estado de carga, SOC, configurado para recibir una señal SOC desde el dispositivo de almacenamiento de energía; en el que los controladores del lado de la fuente y de la red están cada uno configurados para funcionar independientemente cuando el SOC del dispositivo de almacenamiento de energía está dentro de un intervalo de funcionamiento SOC aceptable.
[0004] Un objetivo del controlador del lado de la fuente cuando proporciona potencia desde una fuente de energía renovable es transmitir la mayor cantidad posible de potencia de fuente a la red, mientras que un objetivo del convertidor del lado de la red es satisfacer los requisitos de interconexión de red que afectan la producción de potencia, tales como límites de velocidad de rampa, control de caída del regulador, reducción y funcionamiento mantenido durante fallos. Estos diferentes objetivos de control para el control del lado de la fuente y de la red a veces dan como resultado un desequilibrio de potencia en el enlace CC que provoca la carga o descarga del condensador del enlace CC, dando como resultado fluctuaciones de voltaje no deseadas.
[0005] Sería deseable tener un modo de realización de control de conversión de potencia mejorada para equilibrar el voltaje en el enlace CC mientras se permite que los controladores del lado de la fuente y de la red estén menos limitados por el voltaje en el enlace CC.
[0006] Se proporciona la presente invención, como se define por las reivindicaciones adjuntas.
[0007] Los modos de realización de la invención se describirán ahora, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La FIG. 1 es un diagrama de bloques de un sistema de generación de potencia eólica convencional.
La FIG. 2 es un diagrama de bloques de un sistema de generación de potencia eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente invención.
La FIG. 3 es un diagrama de bloques de un sistema de generación de potencia solar de acuerdo con un modo de realización de la presente invención.
La FIG. 4 es un diagrama de bloques de un convertidor de almacenamiento de energía de ejemplo para su uso en los modos de realización de las FIGS. 2 y 3.
La FIG. 5 es un diagrama de bloques que ilustra otro modo de realización de convertidor de almacenamiento de energía.
[0008] En primer lugar, se hace referencia a un sistema de generación de potencia renovable convencional 10 como se ilustra en la FIG. 1. El sistema 10 comprende un generador de turbina eólica 12 para generar una corriente alterna en los conductores de fase 14 con una frecuencia variable, un módulo de conversión de potencia 16 para convertir la corriente alterna en los conductores de fase 14 en una corriente alterna en los conductores de fase 18, y un sistema de control conversión de potencia convencional 20 para recibir señales de referencia y comandos para generar señales de control para controlar el funcionamiento del módulo de conversión de potencia 16. La corriente alterna en los conductores de fase 18 se alimenta además a una red eléctrica 22 con componentes tales como filtros 19 y transformadores 21 típicamente presentes a lo largo de los conductores de fase 18. Aunque la FIG. 1 ilustra un sistema de generación de potencia eólica con propósitos de ejemplo, los modos de realización de la invención son aplicables a cualquier fuente de energía renovable con varios otros ejemplos que incluyen fuentes de energía solar e hidrocinética marina.
[0009] La turbina 12 comprende una pluralidad de palas de turbina 26 y un generador 28 que incluye un rotor de generador (no mostrado) y un estator de generador (no mostrado). Las palas de turbina 26 están acopladas a un primer eje rotatorio 24 que, en algunos modos de realización, está acoplado mecánicamente a una caja de engranajes 30. La caja de engranajes 30 está además acoplada al rotor del generador a través de un segundo eje rotatorio 25 para accionar el rotor del generador para que gire. La rotación del rotor del generador induce la corriente alterna en los conductores de fase 14 desde los devanados del estator del generador.
[0010] Como se ilustra, el módulo de conversión de potencia 16 comprende un convertidor del lado de la fuente 32, un enlace CC 34 y un convertidor del lado de la red 36. Los convertidores del lado de la fuente y del lado de la red 32 y 36 incluyen cada uno una pluralidad de conmutadores de semiconductores 35, tales como IGBT (transistores bipolares de puerta aislada), IGCT (tiristores conmutados de puerta aislada) y MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductor de óxido metálico). El convertidor del lado de la fuente 32 recibe corriente alterna de frecuencia variable en los conductores de fase 14 desde el generador 28 y convierte la corriente alterna en los conductores de fase 14 en una corriente CC en el enlace CC 34. El convertidor del lado de la red 36 recibe la corriente CC en el enlace CC 34 y convierte la corriente CC en una corriente alterna con magnitud y/o frecuencia controladas para alimentar la red eléctrica 22.
[0011] El sistema de control de conversión de potencia convencional 20 ilustrado incluye un controlador del lado de la fuente 38 y un controlador del lado de la red 40. Los controladores del lado de la fuente y del lado de la red 38 y 40, respectivamente, reciben una serie de señales de referencia y comandos y, respectivamente, generan señales de control de modulación de ancho de pulso (PWM) para los convertidores del lado de la fuente y del lado de la red 32 y 36. Como se ilustra, el sistema de control de conversión de potencia convencional 20 usa un dispositivo de generador de referencia de par de torsión (TRG) 41 para dirigir la trayectoria del punto de máxima potencia de la turbina y generar una señal de comando de par de torsión. El controlador del lado de la fuente 38 recibe la señal de comando de par de torsión y usa una interrelación entre la señal de comando de par de torsión y la corriente alterna en los conductores de fase 14 (tales como una corriente trifásica medida y señales de voltaje) para generar una señal de control PWM para controlar los funcionamientos de conmutación de conmutadores de semiconductores 35 del convertidor del lado de la fuente 32. En un modo de realización, el controlador del lado de la fuente 38 usa la corriente alterna en los conductores de fase14 para generar una señal de retroalimentación de par de torsión y a continuación usa el comando de par de torsión y la señal de retroalimentación de par de torsión para generar la señal de control PWM para que los conmutadores del lado de la fuente controlen el par de torsión del generador. En determinados modos de realización, la señal de retroalimentación de par de torsión se puede obtener buscando en una tabla de consulta, observando los resultados medidos u observando una función de correlación del par de torsión del generador y la corriente alterna.
[0012] El convertidor del lado de la red 40 recibe una señal de comando de voltaje del enlace CC Vdc_comm, y una señal de retroalimentación de voltaje CC medida del enlace CC 34 y usa estas señales junto con otras señales tales como señales de retroalimentación medida desde los conductores de fase 18 para controlar los funcionamientos de conmutación de los conmutadores de semiconductores 35 del convertidor del lado de la red 36 y mantener el voltaje del enlace CC al nivel deseado.
[0013] Usando un sistema de control de conversión de potencia convencional 20 de este tipo, el rendimiento del convertidor del lado de la red 36, para mantener el voltaje del enlace CC, se puede ver comprometido por un mal comportamiento de la red. Por ejemplo, si la red 22 es muy débil o tiene una resonancia eléctrica debido a la capacitancia conectada en serie o en derivación, el control de voltaje del enlace CC del convertidor del lado de la red se puede volver inestable.
[0014] La FIG. 2 es un diagrama de bloques de un sistema de generación de potencia 110 de acuerdo con un modo de realización de la presente invención. En el modo de realización de la FIG. 2, el sistema de generación de potencia 110 comprende: una fuente de potencia renovable 112 para producir potencia de fuente (ilustrada como una turbina eólica para propósitos de ejemplo); un convertidor del lado de la fuente 32 para convertir la potencia de fuente en potencia CC convertida; un controlador del lado de la fuente 138 para impulsar la potencia CC convertida hacia un punto de potencia máxima (y por tanto proporcionar tanta potencia como esté razonablemente disponible de la fuente de potencia renovable en ausencia de requisitos de sistema contrarios, como se analiza a continuación); un enlace CC 34 para recibir la potencia CC convertida; un convertidor del lado de la red 36 acoplado al enlace CC 34 para convertir la potencia de enlace CC del enlace CC 34 en potencia de salida CA para una red 22; un controlador del lado de la red 140 para controlar la potencia de salida CA del convertidor del lado de la red 36 para lograr los requisitos de interconexión de red; un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica 42; un convertidor de almacenamiento de energía 44 que acopla el dispositivo de almacenamiento de energía 42 al enlace CC 34; y un controlador de almacenamiento de energía 46 para controlar el convertidor de almacenamiento de energía 44 para lograr un equilibrio de potencia deseado en el enlace CC. El equilibrio de potencia se puede lograr, en un modo de realización, mediante el intercambio de potencia entre el enlace CC 34 y el dispositivo de almacenamiento de energía 42. Los controladores del lado de la fuente y de la red 138 y 140 pueden funcionar cada uno para cumplir objetivos de control independientes mientras que un SOC del dispositivo de almacenamiento de energía 42 está dentro de un intervalo de funcionamiento SOC aceptable.
[0015] Los ejemplos no limitantes de tipos de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica 42 incluyen dispositivos tales como baterías, supercondensadores, volantes de inercia y sistemas de almacenamiento de energía magnética. Los ejemplos no limitantes de fuentes de potencia renovable 112 incluyen fuentes tales como turbinas eólicas, módulos fotovoltaicos y dispositivos de energía hidrocinética marina. El tipo de convertidor apropiado para el convertidor del lado de la fuente 32 dependerá en cierta medida de la fuente de potencia específica, con turbinas eólicas y dispositivos de energía hidrocinética marina que tienden a usar convertidores de CA a CC y fuentes de potencia fotovoltaica que tienden a usar convertidores de CC a CC. El convertidor del lado de la red 36 comprenderá típicamente, pero no necesariamente, un inversor de CC a CA. Los convertidores del lado de la fuente y de la red 32 y 36 pueden comprender configuraciones monofásicas o multifase y pueden comprender niveles únicos o niveles múltiples. La red 22 pretende incluir cualquier red interconectada para suministrar electricidad desde fuentes de potencia a cargas y/o sistemas de distribución de suministros. Los diversos elementos de control se muestran como bloques discretos para facilitar la ilustración. Aunque el controlador del lado de la fuente 138, el controlador de almacenamiento de energía 46 y el controlador del lado de la red 140 se ilustran como unidades de control discretas, en otro modo de realización todo o parte del controlador del lado de la fuente 138, del controlador de almacenamiento de energía 46 y del controlador del lado de la red 140 se puede integrar en una unidad de control común. Adicionalmente, aunque no se muestra, típicamente se empleará un controlador de tipo supervisor (a nivel de planta) para proporcionar señales de control tales como las asociadas con o en respuesta a los requisitos de red a las fuentes de potencia renovables individuales y para recibir señales desde las fuentes de potencia renovables individuales para cálculos de control a nivel de supervisión.
[0016] En un modo de realización en el que la fuente de potencia renovable 112 comprende un generador rotatorio (tal como en configuraciones de turbina eólica e hidroeléctrica marina), el controlador del lado de la fuente 138 está configurado para recibir una señal de retroalimentación de par de torsión T desde el generador 28 y una señal de comando de par de torsión T* desde el generador de referencia de par de torsión 41 para su uso para proporcionar las señales de conmutación de la fuente al convertidor del lado de la fuente 32, y el controlador del lado de la red 140 está configurado para recibir señales de retroalimentación de red G y un comando de referencia (tal como, por ejemplo, un comando de potencia P*) desde la red 22 o el controlador supervisor de la planta operativa (no mostrado) para su uso en el suministro de señales de conmutación de red al convertidor del lado de la red 36. El generador de referencia de par de torsión 41 en un modo de realización recibe una señal de velocidad del generador S y usa esa señal de velocidad para generar el comando de par de torsión usando un algoritmo de rastreo de potencia máxima que a continuación es usado por el controlador del lado de la fuente para controlar el funcionamiento del convertidor del lado de la fuente para impulsar la potencia de salida del convertidor del lado de la fuente hacia el punto de potencia máxima. El controlador del lado de la fuente 138 puede incluir un regulador de control de par de torsión 48 para evaluar cualquier diferencia entre la retroalimentación de par de torsión y las señales de comando y ajustar las señales de conmutación de fuente para controlar la corriente desde el convertidor del lado de la fuente para impulsar la diferencia entre la retroalimentación de par de torsión y las señales de comando hacia cero y extraer el par de torsión necesario. Aunque no se muestran, típicamente también estarán presentes otros bucles reguladores tales como bucles reguladores de flujo del generador y de corriente interna. Aunque el par de torsión se muestra en la FIG. 2 y se describe como un ejemplo de un valor de referencia del lado de la fuente, se pueden usar otros tipos de valores de referencia del lado de la fuente si se desea con varios ejemplos incluyendo potencia y corriente activa. El controlador del lado de la red adicionalmente comprende típicamente un número de bucles reguladores (no mostrados) tales como bucles reguladores de potencia interna, de corriente interna, de voltaje y de VAR.
[0017] Debido a que el controlador de almacenamiento de energía 46 proporciona señales de conmutación de almacenamiento al convertidor de almacenamiento de energía 44 para lograr un equilibrio de potencia deseado en el enlace CC 34, siempre que exista suficiente estado de carga (SOC) en el dispositivo de almacenamiento de energía 42, esta función de control del controlador de almacenamiento de energía 46 permite que los controladores del lado de la fuente y de la red 138 y 140 operen cada uno independientemente para lograr objetivos específicos y no requiere que ninguno ayude a lograr el equilibrio de potencia deseado en el enlace CC 34 y mantener el voltaje del enlace CC en un valor nominal. El control del dispositivo de almacenamiento de energía 42 como el regulador de voltaje del enlace CC principal da como resultado el desacoplamiento del par de torsión del generador de la potencia de salida del lado de la red en un amplio intervalo dinámico. Con dicho desacoplamiento, el par de torsión del generador se puede controlar independientemente de la potencia del lado de la red y, por tanto, el convertidor de fuente se puede controlar de manera que proporcione una extracción de potencia deseable del viento mientras se permite una larga vida mecánica, y el convertidor de red se puede controlar para proporcionar rasgos característicos compatibles con la red, tales como inercia, control de velocidad de rampa, funcionamiento mantenido durante fallos y estabilización del sistema de potencia. Otro beneficio de tener el enlace CC 34 soportado por almacenamiento de energía es que se requiere menos soporte de la red 22 y, por tanto, no se necesita una conexión a la red tan fuerte en comparación con los modos de realización de control más convencionales.
[0018] En un modo de realización para lograr el equilibrio de potencia deseado en el enlace CC, el controlador de almacenamiento de energía 46 está configurado para recibir una señal de retroalimentación de voltaje del enlace CC Vdc y una señal de referencia de voltaje del enlace CC Vdc*. Un regulador de enlace CC 52 compara la retroalimentación de voltaje del enlace CC y las señales de referencia y proporciona señales de comando para la conmutación del convertidor de almacenamiento de energía 44 de una manera para extraer potencia del (o en algunos casos desviar potencia al) dispositivo de almacenamiento de energía 42 para impulsar la señal de retroalimentación de voltaje del enlace CC hacia la señal de referencia de voltaje del enlace CC. La señal de referencia de voltaje del enlace CC puede comprender un valor constante o un valor que se varía en base a las condiciones de funcionamiento para reducir las pérdidas en el sistema de generación de potencia 110 y puede ser generada por el controlador del lado de la red o el controlador del lado de la fuente, por ejemplo.
[0019] En otro modo de realización para lograr el equilibrio de potencia deseado en el enlace CC 34, el controlador de almacenamiento de energía 46 está configurado para recibir una señal representativa de la potencia del lado de la fuente y una señal representativa de la potencia del lado de la red y para generar señales de conmutación de almacenamiento para equilibrar la potencia del lado de la fuente, la potencia del lado de la red y la potencia suministrada por el dispositivo de almacenamiento de energía 42. Este modo de realización tendrá el efecto de gestionar el voltaje del enlace CC sin una comparación directa de la retroalimentación del voltaje del enlace CC y las señales de referencia.
[0020] Ambos modos de realización de equilibrado de potencia son útiles para permitir el funcionamiento independiente de los convertidores del lado de la fuente y de la red 32 y 36 cuando el SOC del dispositivo de almacenamiento de energía 42 está dentro de un intervalo aceptable. Sin embargo, el funcionamiento independiente es un desafío mayor cuando el SOC está fuera del intervalo aceptable. En un modo de realización, un administrador de SOC 50 recibe una señal SOC del dispositivo de almacenamiento de energía 42 y, cuando la señal SOC está fuera del intervalo de funcionamiento SOC aceptable, proporciona una o más señales de ajuste de SOC al controlador del lado de la red 140, al controlador del lado de la fuente 138, o tanto a los controladores del lado de la red como de la fuente. La técnica para medir el SOC dependerá del tipo de dispositivo de almacenamiento de energía que se use. Por ejemplo, si el dispositivo de almacenamiento de energía 42 comprende una batería, el SOC se puede medir haciendo seguimiento del intercambio de energía neta y el voltaje en la batería.
[0021] En cualquiera de los dos tipos de ajuste de control del lado de la red o de la fuente, el comando de referencia original (tal como en el ejemplo de la turbina eólica anterior, el comando de potencia para el lado de la red o el comando de par de torsión para el lado de la fuente) se ajusta a la luz de la señal de ajuste del administrador de SOC. En un ejemplo, el ajuste se realiza mediante un elemento de suma. En la práctica, los ajustes del lado de la red tienden a ser menos complejos que los del lado de la fuente.
[0022] Al realizar ajustes en el lado de la red, si el SOC es demasiado bajo, se puede configurar un regulador SOC 54 para generar señales para reducir la potencia de salida del convertidor del lado de la red 36, de modo que parte de la energía que habría ido a la red 22 se pueda absorber en el dispositivo de almacenamiento de energía 42; o, si el SOC es demasiado alto, el regulador SOC 54 se puede configurar para enviar señales de control de red para incrementar la potencia de salida a la red 22 o a un conmutador que desvía la potencia a una resistencia de frenado dinámico 60 y por tanto purgar el exceso de carga del dispositivo de almacenamiento de energía 42. En un modo de realización, la resistencia de frenado dinámico 60 está acoplada al enlace CC 34 por medio de un interruptor de resistencia 62, y las señales de control de frenado (no mostradas) del regulador SOC 54 se envían a un controlador de interruptor 64 para controlar el funcionamiento del interruptor de resistencia 62. El controlador de interruptor 64 puede incluir un limitador de voltaje de resistencia de enlace CC 66. En un modo de realización, el limitador 66 puede usar la señal de retroalimentación de voltaje del enlace CC Vdc para generar señales de control para proporcionar señales de control de resistencia (además de o en lugar de las señales de control que se originan en el regulador SOC) para protección de límite de sobretensión.
[0023] Cuando se realizan ajustes del lado de la fuente, si el SOC es demasiado bajo, en algunos modos de realización, el controlador del lado de la fuente 138 se puede configurar para generar señales de fuente para incrementar la potencia del lado de la fuente para poner más potencia en el enlace CC 34 para que se absorba por el dispositivo de almacenamiento de energía 42; o, si el SOC es demasiado alto, las señales de comando de la fuente se pueden calcular para reducir la potencia de la fuente de potencia renovable 112. Sin embargo, en algunos modos de realización, pueden existir limitaciones para dichos ajustes. Por ejemplo, si el lado de la fuente ya está funcionando para proporcionar una cantidad de potencia máxima, es posible que no exista potencia adicional disponible. Como otro ejemplo, si se requiere una reducción de potencia, cuando la fuente de energía renovable 112 comprende una turbina eólica, los ajustes de par de torsión pueden necesitar incluir ajustes mecánicos tales como inclinación de la pala además de cambios en el control del convertidor del lado de la fuente. En un modo de realización, impulsar la potencia CC convertida desde el convertidor del lado de la fuente 32 en un punto de potencia máxima significa hacer funcionar el lado de la fuente a la potencia máxima a menos que alguna restricción (tal como un comando de red o que el SOC sea demasiado alto) dé como resultado un comando de reducción de potencia desde el lado de la fuente. Si se desea, también o de forma alternativa se puede usar una resistencia 60 para disminuir el SOC y prevenir la sobretensión de Vdc como se analiza anteriormente.
[0024] La FIG. 3 es un diagrama de bloques de un sistema de generación de potencia solar 210 de acuerdo con un modo de realización de la presente invención. En este modo de realización, la fuente de potencia renovable 212 comprende un módulo o matriz fotovoltaica, y el convertidor del lado de la fuente 132 comprende un convertidor de CC a CC. En un modo de realización, el dispositivo de almacenamiento de energía 42 está acoplado al enlace CC 34 por medio de un convertidor de CC a CC de almacenamiento de energía bidireccional 56 de una manera similar a la descrita en el documento US20100008119 comúnmente asignado, pero el esquema de control es diferente en que los parámetros de enlace CC se controlan principalmente por el convertidor de almacenamiento de energía en el modo de realización de la FIG. 3. El controlador de almacenamiento de energía146 y el controlador del lado de la red 240 se pueden hacer funcionar de una manera similar a la analizada con respecto a la FIG. 2. El funcionamiento del controlador del lado de la fuente 238 será ligeramente diferente en el sentido de que el ajuste del par de torsión no es una opción para las fuentes de potencia fotovoltaica, pero es similar en que la conmutación de los conmutadores del convertidor del lado de la fuente 132 aún se puede ajustar para controlar los parámetros de salida desde el convertidor del lado de la fuente 132. Varios ejemplos no limitantes de señales que se pueden usar como parámetros del lado de la fuente en este modo de realización incluyen potencia, corriente y voltaje.
[0025] La FIG. 4 es un diagrama de bloques de un convertidor de almacenamiento de energía 144 de ejemplo para su uso en los modos de realización de las FIGS. 2 y 3. En el ejemplo de la FIG. 4 se usa un interruptor bidireccional de dos cuadrantes 58 para acoplar un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende una batería 142 al enlace CC 34. Este modo de realización es a propósito de ejemplo, y se espera que sea útil cualquier convertidor bidireccional. En un modo de realización alternativo, se puede usar un convertidor unidireccional para transferir potencia desde la batería 142 al enlace CC 34; sin embargo, dicho modo de realización requeriría otra fuente de potencia para recargar la batería 142.
[0026] La FIG. 5 es un diagrama de bloques que ilustra otro convertidor de almacenamiento de energía 244 para su uso con un modo de realización de convertidor de tres niveles. En este modo de realización, el enlace CC 134 comprende un enlace CC dividido que acopla el convertidor del lado de la fuente 232 y el convertidor del lado de red 236, y el convertidor de almacenamiento de energía 244 comprende dos interruptores bidireccionales 158, 258 acoplados a la batería 142 para interconectar independientemente con ambas mitades del enlace CC 134. En este modo de realización, el controlador de almacenamiento de energía 244 se puede controlar para ayudar a equilibrar el enlace CC dividido. También es posible implementar niveles adicionales de topologías de convertidor usando principios similares.
[0027] Aunque las figuras muestran un convertidor del lado de la fuente acoplado a un enlace CC con propósitos de ejemplo, en algunos modos de realización (no mostrados), una pluralidad de convertidores del lado de la fuente se pueden acoplar a un enlace CC común. En algunos modos de realización, puede ser útil usar adicionalmente el dispositivo de almacenamiento de energía como un dispositivo de potencia de respaldo para proporcionar potencia de emergencia a otras cargas que se puedan acoplar al enlace CC, tales como cargas auxiliares de turbina eólica. Todavía en otros modos de realización en los que se desea más flexibilidad y el dispositivo de almacenamiento de energía es de tamaño suficiente, puede ser útil usar adicionalmente el dispositivo de almacenamiento de energía para permitir la salida de potencia del convertidor del lado de la red en condiciones en las que se suministra poca o ninguna potencia por la fuente de potencia renovable. Ejemplos de dichas condiciones incluyen la falta de viento para una turbina eólica y la falta de luz solar para un sistema fotovoltaico. En dichos modos de realización, el convertidor del lado de la fuente se puede desconectar y el dispositivo de almacenamiento de energía puede suministrar la potencia a la red a través del convertidor del lado de la red.
[0028] A menos que se defina de otro modo, los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la técnica a la que pertenece esta invención. Los términos "un" y "una" no indican una limitación de cantidad, sino más bien indican la presencia de al menos uno del artículo referenciado.

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de generación de potencia (10, 110, 210), que comprende:
una fuente de energía renovable (12, 112, 212) configurada para producir una potencia de fuente; un convertidor del lado de la fuente (32, 132, 232) configurado para convertir la potencia de fuente en potencia CC convertida;
un controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) configurado para impulsar la potencia CC convertida hacia un punto de potencia máxima;
un enlace CC (34, 134): configurado para recibir la potencia CC convertida;
un convertidor del lado de la red (36, 236) acoplado al enlace CC configurado para convertir la potencia de enlace CC del enlace CC en potencia de salida CA para una red (22);
un controlador del lado de la red (40, 140, 240) configurado para controlar la potencia de salida de CA del convertidor del lado de la red para lograr los requisitos de interconexión de red;
un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (42, 142);
un convertidor de almacenamiento de energía (44, 144, 244) configurado para acoplar el dispositivo de almacenamiento de energía al enlace CC;
un controlador de almacenamiento de energía (46, 146) configurado para controlar el convertidor de almacenamiento de energía para lograr un equilibrio de potencia deseado en el enlace CC; y un administrador de estado de carga SOC (50) configurado para recibir una señal SOC desde el dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142) y, si la señal SOC está por debajo de un intervalo de funcionamiento de SOC aceptable, para proporcionar una señal de ajuste respectiva al controlador del lado de la red (40, 140, 240) para reducir la potencia de salida desde el convertidor del lado de la red (36, 236), y/o al controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) para incrementar la potencia del lado de la fuente de modo que alguna energía pueda ser absorbida en el dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142), y si el SOC está por encima del intervalo de funcionamiento de SOC aceptable, para proporcionar una señal de control de red al controlador del lado de la red (40, 140, 240) para incrementar la potencia de salida a la red (22), para conmutar la potencia de desvío a una resistencia de frenado dinámico (60) y por tanto purgar el exceso de carga del dispositivo de almacenamiento de energía (42), y/o para proporcionar una señal de control de fuente al controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) para disminuir la potencia del lado de la fuente,
en el que los controladores del lado de la fuente y de la red están configurados cada uno para funcionar independientemente cuando el SOC del dispositivo de almacenamiento de energía está dentro de un intervalo de funcionamiento SOC aceptable.
2. El sistema (10, 110, 210) de la reivindicación 1, en el que el controlador de almacenamiento de energía (46, 146) está configurado para recibir (44, 144, 244) una señal de retroalimentación de voltaje del enlace CC para usar en el control del convertidor de almacenamiento de energía.
3. El sistema (10, 110, 210) de la reivindicación 2, en el que el controlador de almacenamiento de energía (46, 146) está configurado para comparar la señal de retroalimentación de voltaje de enlace CC con una señal de referencia de voltaje de enlace CC.
4. El sistema (10, 110, 210) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el controlador de almacenamiento de energía (46, 146) está configurado para recibir una señal representativa de la potencia del lado de la fuente y una señal representativa de la potencia del lado de la red y para controlar el convertidor de almacenamiento de energía (44, 144, 244) para equilibrar la potencia del lado de la fuente, la potencia del lado de la red y la potencia suministrada por el dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142).
5. El sistema (10, 110, 210) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) está configurado para recibir una señal de retroalimentación de par de torsión y una señal de comando de par de torsión para su uso en el control del convertidor del lado de la fuente (32, 132, 232); y en el que el controlador del lado de la red (40, 140, 240) está configurado para recibir señales de retroalimentación de la red y un comando de potencia para su uso en el control del convertidor del lado de la red (36, 236).
6. El sistema (10, 110, 210) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador del lado de la fuente (38, 138, 238), el controlador de almacenamiento de energía (46, 146) y el controlador del lado de la red (40, 140, 240) están situados en unidades de control discretas.
7. El sistema (10, 110, 210) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el controlador del lado de la fuente, el controlador de almacenamiento de energía y el controlador del lado de la red (40, 140, 240) están integrados en una unidad de control común.
8. El sistema (10, 110, 210) de cualquier reivindicación precedente, en el que la fuente de potencia renovable (12, 112, 212) comprende al menos una de una fuente de energía eólica, solar o hidrocinética marina.
9. El sistema (10, 110, 210) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además una resistencia de enlace CC (60) y en el que un controlador de interruptor (64), el controlador de almacenamiento de energía (46, 146) o una combinación del interruptor (64) y los controladores de almacenamiento de energía (46, 146) están configurados para enviar una señal de control para desviar potencia a la resistencia de enlace CC si el voltaje del enlace CC excede un umbral máximo.
10. El sistema (10, 110, 210) de cualquier reivindicación precedente, en el que el convertidor de almacenamiento de energía (44, 144, 244) comprende un interruptor bidireccional de dos cuadrantes.
11. El sistema (10, 110, 210) de cualquier reivindicación precedente, en el que el enlace CC comprende un enlace CC dividido y en el que el convertidor de almacenamiento de energía (44, 144, 244) comprende dos interruptores bidireccionales de dos cuadrantes.
12. El sistema (10, 110, 210) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador de almacenamiento de energía (44, 146) comprende un regulador de enlace CC (52) que está configurado para comparar señales de referencia y retroalimentación de voltaje del enlace CC y para proporcionar señales de comando para conmutar el convertidor de almacenamiento de energía (44, 144, 244).
13. El sistema (10, 110, 210) de la reivindicación 12, en el que la señal de referencia de voltaje del enlace CC comprende un valor constante o un valor que se varía en base a las condiciones de funcionamiento para reducir las pérdidas en el sistema de generación de potencia (10, 110, 210).
14. El sistema (10, 110, 210) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el controlador de almacenamiento de energía (46, 146) está configurado para recibir una señal representativa de la potencia del lado de la fuente y una señal representativa de la potencia del lado de la red y configurado para generar señales de conmutación de almacenamiento para equilibrar la potencia del lado de la fuente, la potencia del lado de la red y la potencia suministrada por el dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142).
15. Un sistema de control configurado para controlar el sistema de generación de potencia (12, 110, 210) como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.
16. El sistema de control de la reivindicación 15, en el que los controladores del lado de la fuente (38, 138, 238) y de la red (40, 140, 240) están configurados para funcionar independientemente cuando el SOC del dispositivo de almacenamiento de energía (42, 142) está dentro del intervalo de funcionamiento SOC aceptable.
17. El sistema de control de la reivindicación 15 o 16, en el que la fuente de generación de potencia comprende una turbina eólica, en el que el controlador del lado de la fuente (38, 138, 238) está configurado para recibir una señal de retroalimentación de par de torsión y una señal de comando de par de torsión para su uso controlando el convertidor del lado de la fuente (32, 132, 232), y en el que el controlador del lado de la red (40, 140, 240) está configurado para recibir señales de retroalimentación de red y un comando de potencia para su uso controlando el convertidor del lado de la red (36, 236).
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