ES2874886T3 - Método y aparato para controlar sistemas de potencia solar - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar un sistema de potencia solar, que comprende: controlar una pluralidad de optimizadores (114) de potencia conectados en serie entre dos terminales de entrada de un inversor (150), en donde la pluralidad de optimizadores de potencia están conectados a una pluralidad de paneles solares (122), respectivamente, formando cada par de panel solar y optimizador de potencia un módulo (110) de potencia, formando así una pluralidad de módulos de potencia conectados en serie, comprendiendo el método: medir los parámetros de funcionamiento de la pluralidad de paneles solares; calcular un flujo de potencia máximo de cada panel solar con base en la medición detectar una corriente del seguimiento del punto de máxima potencia, MPPT, asignada a un flujo de potencia máximo correspondiente para cada panel solar; determinar un intervalo de transición de modo con base en los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares; y configurar un primer optimizador de potencia para funcionar en un modo de paso si una corriente del seguimiento del punto de máxima potencia de un primer panel solar conectado al primer optimizador de potencia está dentro del intervalo de transición de modo, en donde: un punto medio del intervalo de transición de modo es una corriente aproximadamente igual a la suma de los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares dividida por un voltaje de entrada aplicado a los terminales de entrada del inversor.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y aparato para controlar sistemas de potencia solar
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a un aparato y método para lograr la máxima potencia en cada panel solar de un sistema de potencia solar y, en las realizaciones particulares, a un aparato y método para lograr la máxima potencia en un sistema de potencia solar que tiene una pluralidad de optimizadores de potencia.
Antecedentes
Las fuentes de energía renovable incluyen energía solar, energía eólica, energía de maremotos y similares. Un sistema de conversión de energía solar puede incluir una pluralidad de paneles solares conectados en serie o en paralelo. La salida de los paneles solares puede generar un voltaje de CC variable dependiendo de diversos de factores, como la hora del día, la ubicación y la capacidad de seguimiento del sol. Dado que la mayoría de las aplicaciones están diseñadas para funcionar con una potencia de 120 voltios de CA, los sistemas de inversores solares se emplean para convertir el voltaje de CC variable de los paneles solares en una fuente de alimentación de 120 voltios de CA.
De acuerdo con la diferencia de topología, los sistemas de inversores solares se pueden dividir en cuatro categorías, a saber, sistemas microinversores solares, sistemas de inversores solares de cadena, sistemas de inversores solares centrales y sistemas de inversores solares que tienen optimizadores de potencia. Un microinversor solar es un inversor diseñado para funcionar con un solo panel solar. El microinversor solar convierte la salida de corriente continua de un único panel solar en corriente alterna. Un inversor solar de cadena es un inversor diseñado para funcionar con una pluralidad de paneles solares conectados en serie. El inversor solar de cadena convierte la salida de corriente continua de la pluralidad de paneles solares en corriente alterna.
En un sistema de inversor solar central, se emplea una caja de combinación para reunir las salidas de una pluralidad de paneles solares/cadenas y consolidar la potencia entrante en una fuente de potencia principal. El inversor solar central convierte la corriente continua de la fuente de potencia principal en corriente alterna. En un sistema de inversor solar que tiene optimizadores de potencia, cada panel solar está conectado al inversor a través de un optimizador de potencia. El optimizador de potencia puede implementarse como un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores. El convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores se utiliza para aumentar la salida de energía del panel solar siguiendo el punto de máxima potencia del panel solar
El documento US 2010/207455 A1 se dirige a un sistema fotovoltaico con un convertidor CC/CC integrado que puede acoplarse eléctricamente a una célula fotovoltaica e integrarse en un paquete fotovoltaico. En particular, se describe que el convertidor es capaz de funcionar en varios modos, incluido un modo reductor, un modo elevador y un modo de paso.
Sumario
Estos y otros problemas generalmente se resuelven o evitan, y las ventajas técnicas se logran de forma general mediante las realizaciones preferidas de la presente divulgación que proporcionan un método de control para lograr un funcionamiento de alta eficiencia de un sistema solar que tiene una pluralidad de optimizadores de potencia. La presente invención proporciona un método según la reivindicación 1 y un sistema según la reivindicación 11.
Una ventaja de una realización de la presente divulgación es un sistema de potencia solar que proporciona una conversión de potencia de mayor eficiencia.
Lo anterior ha esbozado de manera bastante amplia las características y ventajas técnicas de la presente divulgación con el fin de que la descripción detallada de la divulgación que sigue pueda entenderse mejor. A continuación se describirán características y ventajas adicionales de la divulgación que forman el objeto de las reivindicaciones de la divulgación. Los expertos en la materia deben apreciar que la concepción y la realización específica divulgadas pueden utilizarse fácilmente como base para modificar o diseñar otras estructuras o procesos para llevar a cabo los mismos propósitos de la presente divulgación. Los expertos en la matetria también deberían darse cuenta de que tales construcciones equivalentes no se apartan del espíritu y alcance de la divulgación como se establece en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Para una comprensión más completa de la presente divulgación y las ventajas de la misma, ahora se hace referencia a las siguientes descripciones tomadas junto con los dibujos adjuntos, en los que:
La FIG. 1 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de potencia solar de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación;
La FIG. 2 ilustra un diagrama de bloques de una primera implementación de los módulos de potencia mostrados en la FIG. 1 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación;
La FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de una segunda implementación de los módulos de potencia mostrados en la FIG. 1 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación;
La FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático del primer optimizador de potencia mostrado en la FIG. 2 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación;
La FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático del primer optimizador de potencia mostrado en la FIG. 3 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación;
La FIG. 6 ilustra una curva característica de potencia-voltaje y una curva de corriente-voltaje de un panel solar de acuerdo con diversas realizaciones de la presente solicitud;
Las FIGs. 7-8 ilustran un diagrama de flujo de un método para controlar el sistema de potencia solar mostrado en la FIG. 1 de acuerdo con la presente invención;
La FIG. 9 ilustra un esquema de control de transición de modo de acuerdo con diversas realizaciones de la presente solicitud; y
La FIG. 10 ilustra un diagrama de bloques de otro sistema de potencia solar de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación.
Los números y símbolos correspondientes en las diferentes figuras generalmente se refieren a partes correspondientes a menos que se indique lo contrario. Las figuras están dibujadas para ilustrar claramente los aspectos relevantes de las diversas realizaciones y no están necesariamente dibujadas a escala.
Descripción detallada de las realizaciones ilustrativas
La fabricación y el uso de las realizaciones actualmente preferidas se analizan en detalle a continuación. Debe apreciarse, sin embargo, que la presente divulgación proporciona muchos conceptos inventivos aplicables que pueden incorporarse en una amplia variedad de contextos específicos. Las realizaciones específicas discutidas son simplemente ilustrativas de formas específicas de hacer y usar la divulgación, y no limitan el alcance de la divulgación.
La presente divulgación se describirá con respecto a las realizaciones preferidas en un contexto específico, a saber, un método de control para mejorar el rendimiento de un sistema de potencia solar que tiene una pluralidad de optimizadores de potencia. Sin embargo, la divulgación también se puede aplicar a una variedad de sistemas de potencia. A continuación, se explicarán en detalle diversas realizaciones con referencia a los dibujos adjuntos.
La FIG. 1 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de potencia solar de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación. El sistema 100 de potencia solar comprende una pluralidad de módulos 110, 120 y 130 de potencia, un inversor 150, una pluralidad de controladores 111, 121 y 131 locales, y un controlador 151 central. En algunas realizaciones, los módulos 110, 120 y 130 de potencia están conectados en serie para construir un voltaje más alto que alimenta al inversor 150 como se muestra en la FIG. 1. El inversor 150 convierte la corriente continua de la pluralidad de módulos de potencia en corriente alterna que alimenta a una carga y/o una red 160 de potencia.
En algunas realizaciones, cada módulo de potencia (p.ej., módulo 110 de potencia) comprende un panel solar y un optimizador de potencia. Un controlador local (p.ej., controlador 111 local) está acoplado eléctricamente a un módulo de potencia correspondiente (p.ej., módulo 110 de potencia). El controlador local se emplea para controlar el funcionamiento del módulo de potencia. Los principios de funcionamiento detallados de los controladores locales se describirán a continuación con respecto a las FIGs. 7-9.
Como se muestra en la FIG. 4, un primer módulo 110 de potencia comprende un primer panel solar 112 y un primer optimizador 114 de potencia. Asimismo, un segundo módulo 120 de potencia comprende un segundo panel solar 122 y un segundo optimizador 124 de potencia. Un tercer módulo 130 de potencia comprende un tercer panel solar 132 y un tercer optimizador 134 de potencia.
Los módulos 110, 120 y 130 de potencia del sistema 100 de potencia solar están conectados en serie. Como se muestra en la FIG. 1, un primer terminal 116 del primer módulo 110 de potencia está conectado a un terminal de entrada positivo del inversor 150. Un segundo terminal 118 del primer módulo 110 de potencia está conectado a un primer terminal 126 del segundo módulo 120 de potencia. Como se muestra en la FIG. 1, puede haber una pluralidad de módulos de potencia conectados en serie y entre el segundo módulo 120 de potencia y el tercer módulo 130 de potencia como se indica con la línea discontinua 135. Como tal, el segundo terminal 128 del segundo el módulo 120 de potencia está conectado al primer terminal 136 del tercer módulo 130 de potencia a través de la pluralidad de módulos de potencia (no mostrados) como se indica con la línea discontinua 135. Un segundo terminal del tercer módulo 130 de potencia está conectado al terminal de entrada negativo del inversor 150.
Las salidas de los módulos 110, 120, 130 de potencia y la pluralidad de módulos de potencia entre 120 y 130 están conectadas en serie para generar un voltaje más alto que alimenta al inversor 150. Como se muestra en la FIG. 1, los módulos de potencia conectados en serie funcionan como un fuente de potencia de corriente continua y el inversor
150 convierte la energía de la fuente de potencia de corriente continua en corriente alterna. La estructura de los módulos de potencia (p.ej, módulo 110 de potencia) se describirá a continuación con respecto a las FIGs. 2-5.
El inversor 150 se emplea para invertir una forma de onda de CC recibida desde la salida de la pluralidad de módulos 110, 120 y 130 de potencia a una forma de onda de CA. En algunas realizaciones, el inversor 150 puede comprender una pluralidad de elementos de conmutación tales como dispositivos de transistores bipolar de puerta aislada (en inglés, insulated gate bipolar transistor, IGBT). Alternativamente, cada unidad inversora puede incluir otros tipos de dispositivos controlables tales como dispositivos de transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (en inglés, metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET), dispositivos de transistores de unión bipolar (en inglés, bipolar junction transistor, BJT), dispositivos de transistores de súper unión (en inglés, super junction transistor, SJT), transistores bipolares y/o similares.
El controlador 151 central se emplea para controlar el funcionamiento del inversor 150. Más particularmente, el controlador 151 central recibe diversos parámetros de funcionamiento de los módulos de potencia así como del inversor 150. En base a los diversos parámetros de funcionamiento, el controlador 151 central genera un una variedad de señales de control para controlar los parámetros de funcionamiento del inversor 150 tales como el voltaje de entrada Vbus del inversor 150, la corriente de salida del inversor 150 y/o similares.
Cabe señalar que la FIG. 1 ilustra un controlador central y una pluralidad de controladores locales. Este diagrama es simplemente un ejemplo, que no debe limitar indebidamente el alcance de las reivindicaciones. Un experto en la materia reconocería muchas variaciones, alternativas y modificaciones. Por ejemplo, el controlador 151 central y la pluralidad de controladores 111, 121 y 131 locales en la FIG. 1 pueden ser reemplazados por un solo controlador. Además, una persona experta en la materia entendería que puede haber diversos canales de comunicación entre el controlador 151 central y la pluralidad de controladores 111, 121 y 131 locales.
Cabe señalar además que la configuración de sistema que se muestra en la FIG. 1 es simplemente un sistema ilustrativo y no pretende limitar las realizaciones actuales. Una persona experta en la materia entendería que otros elementos/componentes necesarios, tales como filtros de entrada, filtros de salida y/o similares, pueden añadirse alternativamente al sistema 100 de potencia solar dependiendo de las diferentes aplicaciones y necesidades de diseño.
La FIG. 2 ilustra un diagrama de bloques de una primera implementación de los módulos de potencia mostrados en la FIG. 1 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación. En algunas realizaciones, los módulos 110, 120 y 130 de potencia mostrados en la FIG. 1 pueden tener una estructura similar. Por simplicidad, solo el diagrama de bloques del primer módulo 110 de potencia se ilustra en detalle en la FIG. 2.
El primer módulo 110 de potencia incluye el primer panel solar 112, el primer optimizador 114 de potencia y un primer condensador 115. El primer módulo 110 de potencia comprende además un primer terminal 116 de entrada/salida y un segundo terminal 118 de entrada/salida. Como se muestra en la FIG. 2, el primer condensador 115 y el primer panel solar 112 están conectados en serie y entre el primer terminal 116 de entrada/salida y el segundo terminal 118 de entrada/salida. Más particularmente, el condensador 115 está conectado a un terminal positivo del primer panel solar 112.
El primer optimizador 114 de potencia tiene tres terminales de entrada/salida. Como se muestra en la FIG. 2, un primer terminal 202 de entrada/salida está conectado al primer terminal 116 de entrada/salida del primer módulo 110 de potencia. Un segundo terminal 204 de entrada/salida está conectado a un nodo común del primer condensador 115 y el primer panel solar 112. Un tercer terminal 206 de entrada/salida está conectado al segundo terminal 118 de entrada/salida del primer módulo 110 de potencia. El diagrama esquemático detallado del primer optimizador 114 de potencia se describirá a continuación con respecto a la FIG. 4.
Una característica ventajosa de tener el primer condensador 115 y el primer panel solar 112 conectados en serie es la reducción de los esfuerzos de voltaje a través del condensador de salida (p.ej., el primer condensador 115) del primer optimizador 114 de potencia, mejorando así la fiabilidad del sistema de potencia solar.
La FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de una segunda implementación de los módulos de potencia mostrados en la FIG. 1 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación. El primer módulo 110 de potencia incluye el primer panel solar 112, el primer optimizador 114 de potencia y el primer condensador 115.
Como se muestra en la FIG. 3, el primer panel solar 112 y el primer condensador 115 están conectados en serie y entre el primer terminal 116 de entrada/salida y el segundo terminal 118 de entrada/salida. Más particularmente, el condensador 115 está conectado a un terminal negativo del primer panel solar 112. El primer optimizador 114 de potencia tiene tres terminales de entrada/salida. Como se muestra en la FIG. 3, el primer terminal 202 de entrada/salida está conectado al primer terminal 116 de entrada/salida del primer módulo 110 de potencia. Un segundo terminal 204 de entrada/salida está conectado a un nodo común del primer condensador 115 y el primer panel solar 112. Un tercer terminal 206 de entrada/salida está conectado al segundo terminal 118 de entrada/salida del primer módulo 110 de potencia. El diagrama esquemático detallado del primer optimizador 114 de potencia se describirá a continuación con respecto a la FIG. 5.
La FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático del primer optimizador de potencia mostrado en la FIG. 2 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación. En algunas realizaciones, el primer optimizador 114 de potencia se implementa como un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores. A lo largo de la descripción, el primer optimizador 114 de potencia se denomina alternativamente convertidor 114 reductor-elevador.
El convertidor 114 reductor-elevador comprende un primer interruptor 401 de lado alto, un primer interruptor 402 de lado bajo, un segundo interruptor 404 de lado alto, un segundo interruptor 403 de lado bajo y un inductor 411. A lo largo de la descripción, el primer interruptor alto El interruptor 401 de lado alto se denomina alternativamente el primer interruptor S1 de lado alto. El primer interruptor 402 del lado de baja se denomina alternativamente el primer interruptor 52 de lado bajo. El segundo interruptor 404 de lado alto se denomina alternativamente como el segundo interruptor S4 de lado alto. El segundo interruptor 403 de lado bajo se denomina alternativamente como el segundo interruptor 53 de lado bajo. El inductor 411 se denomina alternativamente inductor L1.
El primer interruptor S1 de lado alto y el primer interruptor S2 de lado bajo están conectados en serie entre el segundo terminal 204 de entrada/salida y el tercer terminal 206 de entrada/salida del convertidor 114 reductor-elevador. El segundo interruptor S4 de lado alto y el segundo interruptor S3 de lado bajo están conectados en serie entre el primer terminal 116 de entrada/salida y el segundo terminal 118 de entrada/salida. El inductor L1 está acoplado entre el nodo común del primer interruptor S1 de lado alto y el primer interruptor S2 de lado bajo, y el nodo común del segundo interruptor S4 de lado alto y el segundo interruptor S3 de lado bajo.
El convertidor 114 reductor-elevador puede comprender además un controlador 400. Como se muestra en la FIG. 1, el controlador 400 puede detectar el voltaje de salida Vo del primer panel solar 112 y la corriente que fluye a través del panel solar 112, y generar una pluralidad de señales de activación puertas para activar los interruptores S1, S2, S3 y S4 en consecuencia. El controlador 400 puede ser un controlador PWM. Alternativamente, el controlador 400 puede implementarse como un controlador digital tal como un microcontrolador, un procesador de señales digitales y/o similares.
Cabe señalar que, si bien el ejemplo a lo largo de la descripción se basa en un convertidor reductor-elevador y un controlador configurado para generar una señal de activación de puerta para el convertidor reductor-elevador (p.ej., convertidor reductor-elevador mostrado en la FIG.4), el convertidor 114 reductor-elevador así como el controlador 400 mostrado en la FIG. 4 pueden tener muchas variaciones, alternativas y modificaciones. Por ejemplo, el controlador 400 puede detectar otras señales necesarias tales como la temperatura de funcionamiento y la radiación solar del primer panel solar 112.
Además, puede haber un controlador lógico dedicado o varios controladores lógicos dedicados acoplados entre el controlador 400 y los interruptores S1, S2, S3 y S4. En resumen, el convertidor 114 reductor-elevador y el controlador 400 ilustrados en esta memoria están limitados únicamente con el propósito de ilustrar claramente los aspectos inventivos de las diversas realizaciones. La presente divulgación no se limita a ninguna topología de potencia particular.
El convertidor 114 reductor-elevador se puede dividir en dos partes, a saber, una parte de convertidor reductor y una parte de convertidor elevador. La parte de convertidor reductor puede comprender el primer interruptor S1 de lado alto y el primer interruptor S2 de lado bajo. La parte de convertidor reductor y el inductor L1 pueden funcionar como un convertidor reductor cuando está siempre encendido el segundo interruptor S4 de lado alto y está siempre apagado el segundo interruptor S3 de lado bajo. Bajo tal configuración, el convertidor 114 reductor-elevador funciona en un modo reductor.
La parte de convertidor elevador del convertidor 114 reductor-elevador puede comprender el segundo interruptor S4 de lado alto y el segundo interruptor S3 de lado bajo. La parte de convertidor elevador y el inductor L1 pueden funcionar como un convertidor elevador cuando está siempre encendido el primer interruptor S1 de lado alto y está siempre apagado el primer interruptor S2 de lado bajo. Bajo tal configuración, el convertidor 114 reductor-elevador funciona en un modo elevador. Además, el convertidor 114 reductor-elevador funciona en un modo de paso cuando están siempre encendidos los interruptores S1 y S4 de lado alto y están siempre apagados los interruptores S2 y S3 de lado bajo.
Los interruptores (p.ej., el primer interruptor S1 de lado alto) que se muestra en la FIG. 4 puede implementarse como transistores semiconductores de óxido metálico de tipo n (NMOS). Alternativamente, los interruptores pueden implementarse como otros dispositivos controlables adecuados, como dispositivos de transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET), dispositivos de transistores de unión bipolar (BJT), dispositivos de transistores de súper unión (SJT), dispositivos de transistores bipolar de puerta aislada (IGBT), dispositivos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y/o similares.
Debe observarse además que, si bien la FIG. 4 ilustra cuatro interruptores S1, S2, S3 y S4, diversas realizaciones de la presente divulgación pueden incluir otras variaciones, modificaciones y alternativas. Por ejemplo, el primer interruptor S2 de lado bajo puede ser reemplazado por un diodo de rueda libre y/o similar. El segundo interruptor S4 de lado alto puede reemplazarse por un diodo rectificador y/o similar.
Basándose en las diferentes necesidades de la aplicación, el convertidor 114 reductor-elevador puede configurarse para funcionar en tres modos de funcionamiento diferentes, a saber, el modo reductor, el modo elevador y el modo de
paso. Los principios de funcionamiento detallados de estos tres modos se describirán a continuación con respecto a las FIGs. 7-9.
La FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático del primer optimizador de potencia mostrado en la FIG. 3 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación. La estructura y los principios de funcionamiento del primer optimizador 114 de potencia mostrado en la FIG. 5 son similares a la estructura y los principios de funcionamiento del primer optimizador 114 de potencia mostrado en la FIG. 4 y, por tanto, no se comentan aquí de nuevo para evitar la repetición.
La FIG. 6 ilustra una curva característica de potencia-voltaje y una curva de corriente-voltaje de un panel solar de acuerdo con diversas realizaciones de la presente solicitud. El eje horizontal de la FIG. 6 representa el voltaje de salida de un panel solar. Puede haber dos ejes verticales. El primer eje vertical Y1 representa la corriente que fluye a través del panel solar. El segundo eje vertical Y2 representa la potencia generada por el panel solar.
Una primera curva 602 muestra la corriente que fluye a través del panel solar frente al voltaje de salida del panel solar. La corriente del panel solar está en un intervalo de aproximadamente cero a una corriente de cortocircuito Isc. El voltaje del panel solar está en un intervalo de aproximadamente cero a un voltaje de circuito abierto Voc.
El panel solar puede producir su corriente máxima Isc cuando hay un cortocircuito en el panel solar. Como se muestra en la FIG. 6, cuando el panel solar está en cortocircuito, el voltaje de salida del panel solar es aproximadamente igual a cero. Por el contrario, el voltaje máximo Voc del panel solar ocurre cuando se produce un circuito abierto (p.ej, el panel solar está desconectado de cualquier circuito). En la condición de circuito abierto, la corriente que fluye a través del panel solar es aproximadamente igual a cero.
Una segunda curva 604 muestra la potencia generada por el panel solar frente al voltaje de salida del panel solar. La potencia disponible del panel solar es el producto de la corriente que fluye a través del panel solar y el voltaje de salida del panel solar. Como se muestra en la FIG. 6, en las condiciones de cortocircuito y circuito abierto, la potencia del panel solar es aproximadamente cero. La potencia máxima disponible Pmáx del panel solar está en un punto en la rodilla de la curva 602 como se muestra en la FIG. 6. El voltaje y la corriente en este punto de máxima potencia se designan como Ump e Imp, respectivamente, como se muestra en la FIG. 6.
La segunda curva 604 puede dividirse en dos partes, a saber, una primera parte 603 y una segunda parte 605. Como se muestra en la FIG. 6, la primera parte 603 es una línea que se inclina hacia arriba desde aproximadamente cero hasta la potencia máxima Pmáx. La segunda parte 605 es una línea que se inclina hacia abajo desde la potencia máxima Pmáx hasta aproximadamente cero.
La potencia máxima Pmáx del panel solar se puede obtener mediante un proceso de prueba y error. Por ejemplo, el voltaje de salida y la corriente que fluye a través del panel solar se miden durante una pluralidad de intervalos de prueba predeterminados. En cada intervalo de prueba, la potencia del panel solar se calcula con base en los valores medidos de voltaje y corriente. Si la potencia en un nuevo intervalo de prueba es aproximadamente igual a la potencia en un intervalo de prueba anterior, el voltaje del panel solar se mantiene sin cambios. De lo contrario, dependiendo del punto de funcionamiento del panel solar, el voltaje de salida del panel solar puede ajustarse en consecuencia. Por ejemplo, cuando el panel solar funciona en la primera parte 603 de la curva 604, tanto la potencia como el voltaje se aumentan o disminuyen al mismo tiempo. El voltaje de salida del panel solar se incrementa en un valor predeterminado. Como resultado, la potencia del panel solar se acerca a la potencia máxima disponible bajo una determinada cantidad de radiación solar.
Por otro lado, cuando el panel solar funciona en la segunda parte 605 de la curva 604, la potencia y el voltaje van en direcciones opuestas. Por ejemplo, se aumenta la potencia, pero disminuye el voltaje. Alternativamente, se reduce la potencia, pero aumenta el voltaje. Para acercarse a la potencia máxima disponible, el voltaje del panel solar se reduce en un valor predeterminado. A través del proceso de prueba y error, bajo una cantidad particular de radiación solar, se puede hacer un seguimiento del punto de máxima potencia o Pmáx del panel solar.
Las FIGs. 7-8 ilustran un diagrama de flujo de un método 700 para controlar el sistema 100 de potencia solar mostrado en la FIG. 1 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención. Este diagrama de flujo que se muestra en las FIGs. 7-8 es simplemente un ejemplo, que no debe limitar indebidamente el alcance de las reivindicaciones. Un experto en la materia reconocería muchas variaciones, alternativas y modificaciones. Por ejemplo, se pueden añadir, quitar, reemplazar, reorganizar y repetir varias etapas, como se ilustra en las FIGs. 7-8.
La FIG. 7 ilustra una primera parte del método 700 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente solicitud. La FIG. 8 ilustra una segunda parte del método 700 de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención.
Volviendo a la FIG. 1, el sistema 100 de potencia solar puede incluir n módulos de potencia conectados en serie entre dos terminales de entrada del inversor 150. Cada módulo de potencia comprende un panel solar, un condensador y un optimizador de potencia. En algunas realizaciones, el optimizador de potencia se implementa como un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores. La estructura de los módulos de potencia se ha analizado anteriormente con respecto a las FIGs. 3-4 y, por tanto, no se analiza de nuevo para evitar la repetición.
El sistema 100 de potencia solar puede comprender además una pluralidad de controladores locales y al menos un controlador central. Cada controlador local se emplea para controlar el funcionamiento de un módulo de potencia correspondiente. El controlador central se emplea para controlar el funcionamiento del inversor.
El método 700 comienza en la etapa 702 donde los controladores locales y el controlador central del sistema de potencia solar restablecen una pluralidad de registros. Por ejemplo, diversos parámetros de funcionamiento medidos previamente y guardados en las unidades de registro de los controladores locales y el controlador central se restablecen antes de que procedan los controladores locales y el controlador central.
En la etapa 704, los controladores locales configuran sus respectivos paneles solares para funcionar a su potencia de salida máxima Pmáx (p.ej, P1máx, P2máx, ..., Pnmáx) a través de un mecanismo de control adecuado, tal como un proceso de prueba y error que se analizó con respecto a la FIG. 6. Los controladores locales detectan o miden los flujos de potencia de los módulos de potencia. Cabe señalar que el flujo de potencia medido es la potencia de salida máxima de cada módulo de potencia. También en la etapa 704, los controladores locales detectan o miden las corrientes del seguimiento del punto de máxima potencia (en inglés, maximum power point tracking, MPPT) de los paneles solares. Las corrientes MPPT de los paneles solares son Imp1, Imp2, ...., Impn. La corriente MPPT (p.ej., Imp) de un panel solar se ha analizado anteriormente con respecto a la FIG. 6 y, por lo tanto, no se analiza nuevamente para evitar la repetición.
En la etapa 706, se obtiene un intervalo de transición de modo. En particular, el punto medio Io_typ del intervalo de transición de modo es una corriente que fluye a través de la pluralidad de módulos de potencia. En algunas realizaciones, la corriente Io_typ es aproximadamente igual a la suma de los flujos de potencia máximos (P1máx, P2máx, ..., Pnmáx) de la pluralidad de paneles solares de potencia dividida por un voltaje de entrada del inversor. El voltaje de entrada del inversor está regulado por el controlador central. En algunas realizaciones, el voltaje de entrada del inversor es proporcional a una referencia en el controlador central. La referencia es un valor predeterminado, que puede variar según las diferentes aplicaciones y necesidades de diseño.
En algunas realizaciones, el límite inferior Io_min del intervalo de transición de modo es aproximadamente el 95% del punto medio. El límite superior Io_max del intervalo de transición de modo es aproximadamente el 105% del punto medio. Se aprecia que los valores del límite superior y el límite inferior son simplemente ejemplos y pueden cambiarse a valores diferentes dependiendo de las diferentes aplicaciones y necesidades de diseño.
En la etapa 708, los controladores locales determinan si las corrientes MPPT de los paneles solares caen dentro del intervalo de transición de modo. En la etapa 708, si ninguna de las corrientes MPPT de los paneles solares cae dentro del intervalo de transición de modo, el método 700 pasa a la etapa 710 donde los respectivos optimizadores de potencia permanecen en los modos existentes (p.ej., modo reductor o modo elevador) para lograr su propia potencia disponible máxima. Además, el controlador central regula el voltaje de entrada del inversor igual a la suma de los flujos de potencia máximos (P1 máx, P2máx, ..., Pnmáx) de la pluralidad de paneles solares dividida por la corriente Io_typ.
También en la etapa 708, si al menos una corriente MPPT cae dentro del intervalo de transición de modo, el método 700 pasa a la etapa 712. En la etapa 712, si solo una corriente MPPT cae dentro del intervalo de transición de modo, el método 700 pasa a la etapa 716. De lo contrario, el método 700 pasa a la etapa 714.
En la etapa 714, para los módulos de potencia que tienen sus corrientes MPPT en el intervalo de transición de modo, los controladores locales configuran los optimizadores de potencia asociados para funcionar en el modo de paso. Además, en la etapa 714, el controlador central regula el voltaje de entrada del inversor igual a la suma de los flujos de potencia máximos (P1 máx, P2máx, ..., Pnmáx) de la pluralidad de paneles solares dividida por la corriente Io_typ.
En la etapa 716, para el módulo de potencia que tiene la corriente MPPT en el intervalo de transición de modo, el controlador local correspondiente configura el optimizador de potencia asociado para funcionar en el modo de paso. Además, en la etapa 716, el controlador central regula el voltaje de entrada del inversor igual a la suma de los flujos de potencia máximos (P1máx, P2máx, ..., Pnmáx) de la pluralidad de paneles solares dividida por la corriente MPPT del módulo de potencia.
Una vez que el método 700 finaliza las transiciones de modo en las etapas 714 o 716, el método 700 pasa a la etapa 718 donde, después de un retardo adecuado, el método 700 vuelve a la etapa 702.
La FIG. 9 ilustra un esquema de control de transición de modo de acuerdo con diversas realizaciones de la presente solicitud. Este esquema de control mostrado en la FIG. 9 es simplemente un ejemplo, que no debería limitar indebidamente el alcance de las reivindicaciones. Un experto en la materia reconocería muchas variaciones, alternativas y modificaciones.
De acuerdo con el diagrama de flujo que se muestra en las FIGs. 7-8, los optimizadores de potencia pueden funcionar en tres modos, a saber, el modo reductor, el modo elevador y el modo de paso. Antes de un proceso de transición de modo, un optimizador de potencia funciona en un modo reductor 904. Un controlador local asociado con el optimizador de potencia puede configurar el optimizador de potencia para salir del modo reductor y entrar en el modo de paso como lo indica la flecha 912 si un ciclo de trabajo de la parte de reductor del optimizador de potencia es mayor que un valor predeterminado D1. En algunas realizaciones, el valor predeterminado D1 es aproximadamente el 98%. En el
modo de paso 902, el optimizador de potencia está etiquetado como un optimizador de potencia que entra en el modo de paso desde el modo reductor. Si este optimizador de potencia sale del modo de paso, tiene que entrar en el modo elevador 906 como lo indica la flecha 916. Además, el optimizador de potencia no puede entrar en el modo elevador 906 inmediatamente. Hay un retardo T2 predeterminado. En algunas realizaciones, el retardo T2 predeterminado está en un intervalo de aproximadamente un segundo a aproximadamente tres segundos.
De manera similar, antes de un proceso de transición de modo, un optimizador de potencia puede funcionar en el modo elevador 906. El controlador local puede configurar el optimizador de potencia para que salga del modo elevador 906 y entre en el modo de paso 902 como lo indica la flecha 918 si un ciclo de trabajo de la parte de elevador del optimizador de potencia es menor que un valor predeterminado D2. En algunas realizaciones, el valor predeterminado D2 es aproximadamente el 2%. En el modo de paso 902, el optimizador de potencia está etiquetado como un optimizador de potencia que entra en el modo de paso desde el modo elevador. Si este optimizador de potencia sale del modo de paso, tiene que entrar en el modo reductor 904 como lo indica la flecha 914. Además, el optimizador de potencia no puede entrar en el modo reductor 904 inmediatamente. Hay un retardo predeterminado T1. En algunas realizaciones, el retardo predeterminado T1 está en un intervalo de aproximadamente un segundo a aproximadamente tres segundos.
La FIG. 10 ilustra un diagrama de bloques de otro sistema de potencia solar de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación. El sistema 500 de potencia solar es similar al sistema 100 de potencia solar que se muestra en la FIG. 1 excepto que cada panel solar (p.ej, el primer panel solar 112) y su correspondiente optimizador de potencia (p.ej., el primer optimizador 114 de potencia) están conectados en cascada. Los condensadores de salida C1, C2 y C3 se colocan en las salidas de sus respectivos optimizadores de potencia.
En algunas realizaciones, los optimizadores 114, 124 y 134 de potencia se implementan como convertidores reductorelevador de cuatro interruptores. Por simplicidad, solo el diagrama esquemático del primer optimizador 114 de potencia se ilustra en la FIG. 10. Los mecanismos de control discutidos anteriormente con respecto a las FIGs. 7-9 son aplicables al sistema 500 de potencia solar. Más particularmente, bajo los mecanismos de control descritos anteriormente, los optimizadores 114, 124 y 134 de potencia son capaces de conmutar entre el modo reductor, el modo elevador y el modo de paso, mejorando así la eficiencia del sistema 500 de potencia solar.
Además, el alcance de la presente solicitud no pretende ser limitado a las realizaciones particulares del proceso, la máquina, la fabricación, la composición de la materia, los medios, los métodos y las etapas descritas en la memoria descriptiva. Como apreciará fácilmente un experto en la materia a partir de la divulgación de la presente divulgación, los procesos, las máquinas, la fabricación, las composiciones de materia, los medios, los métodos o las etapas, que existen actualmente o que se desarrollarán posteriormente, que realizan sustancialmente la misma función o logran sustancialmente el mismo resultado que las realizaciones correspondientes descritas en esta memoria se pueden utilizar de acuerdo con la presente divulgación.
Claims (13)
1. Un método para controlar un sistema de potencia solar, que comprende:
controlar una pluralidad de optimizadores (114) de potencia conectados en serie entre dos terminales de entrada de un inversor (150), en donde la pluralidad de optimizadores de potencia están conectados a una pluralidad de paneles solares (122), respectivamente, formando cada par de panel solar y optimizador de potencia un módulo (110) de potencia, formando así una pluralidad de módulos de potencia conectados en serie, comprendiendo el método:
medir los parámetros de funcionamiento de la pluralidad de paneles solares;
calcular un flujo de potencia máximo de cada panel solar con base en la medición
detectar una corriente del seguimiento del punto de máxima potencia, MPPT, asignada a un flujo de potencia máximo correspondiente para cada panel solar;
determinar un intervalo de transición de modo con base en los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares; y
configurar un primer optimizador de potencia para funcionar en un modo de paso si una corriente del seguimiento del punto de máxima potencia de un primer panel solar conectado al primer optimizador de potencia está dentro del intervalo de transición de modo, en donde:
un punto medio del intervalo de transición de modo es una corriente aproximadamente igual a la suma de los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares dividida por un voltaje de entrada aplicado a los terminales de entrada del inversor.
2. El método de la reivindicación 1, que además comprende:
configurar el primer optimizador de potencia para que funcione en modo reductor si la corriente MPPT del primer panel solar es menor que un límite inferior del intervalo de transición de modo.
3. El método de la reivindicación 1 o 2, que además comprende:
configurar el primer optimizador de potencia para que salga de un modo elevador y entre en el modo de paso después de que la corriente MPPT del primer panel solar esté dentro del intervalo de transición de modo; y configurar el primer optimizador de potencia para que salga del modo de paso y entre en el modo reductor después de que la corriente MPPT del primer panel solar sea menor que el límite inferior del intervalo de transición de modo.
4. El método de la reivindicación 3, en donde:
el primer optimizador de potencia es un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores, y en donde el convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores sale del modo elevador y entra en el modo de paso después de que un ciclo de trabajo de una parte de elevador del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores sea menor a 2% aproximadamente.
5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que además comprende:
configurar el primer optimizador de potencia para funcionar en un modo elevador si la corriente MPPT del primer panel solar es mayor que un límite superior del intervalo de transición de modo.
6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que además comprende:
configurar el primer optimizador de potencia para que salga de un modo reductor y entre en el modo de paso después de que la corriente MPPT del primer panel solar esté dentro del intervalo de transición de modo; y configurar el primer optimizador de potencia para que salga del modo de paso y entre en el modo elevador después de que la corriente MPPT del primer panel solar sea mayor que el límite superior del intervalo de transición de modo.
7. El método de la reivindicación 6, en donde:
el primer optimizador de potencia es un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores, y en donde el convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores sale del modo reductor y entra en el modo de paso después de que un ciclo de trabajo de una parte de reductor del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores sea superior a aproximadamente el 98%.
8. El método de la reivindicación 1, que además comprende:
regular el voltaje de entrada del inversor igual a la suma de los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares dividida por la corriente MPPT del primer panel solar.
9. El método de la reivindicación 1, que además comprende:
configurar un segundo optimizador de potencia para funcionar en el modo de paso si una corriente MPPT de un segundo panel solar conectado al segundo optimizador de potencia está dentro del intervalo de transición de modo.
10. El método de la reivindicación 9, que comprende además: después de configurar el primer optimizador de potencia y el segundo optimizador de potencia para funcionar en el modo de paso, regular el voltaje de entrada del inversor igual a la suma de los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares dividida por la corriente que fluye a través de la pluralidad de módulos de potencia.
11. Un sistema para controlar un sistema (100) de potencia solar, que comprende:
una pluralidad de módulos (110) de potencia conectados en serie entre dos terminales de entrada de un inversor (150),
una pluralidad de controladores (111) locales acoplados a sus respectivos módulos de potencia, en donde un primer controlador local de la pluralidad de controladores locales está acoplado a un primer módulo de potencia que comprende un primer panel solar (112), un primer condensador (115) y un primer optimizador (114) de potencia, y en donde el primer controlador local está configurado para permitir que el primer optimizador de potencia conmute entre un modo reductor, un modo elevador y un modo de paso con base en una corriente del seguimiento del punto de máxima potencia, MPPT, de la primer panel solar, y para funcionar en el modo de paso si la corriente MPPT está dentro de un intervalo de transición de modo determinado con base en el flujo de potencia máximo del panel solar; y
un controlador (151) central acoplado al inversor, en donde el controlador central está configurado para regular un voltaje de entrada del inversor, en donde:
un punto medio del intervalo de transición de modo es una corriente aproximadamente igual a la suma de los flujos de potencia máximos de la pluralidad de paneles solares que comprende el primer panel solar dividida por un voltaje de entrada aplicado a los terminales de entrada del inversor.
12. El sistema de la reivindicación 11, en donde:
el primer condensador y el primer panel solar están conectados en serie entre un primer terminal de salida y un segundo terminal de salida del primer módulo de potencia; y
el primer optimizador de potencia es un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores, y en donde: el primer condensador está entre el primer terminal de salida del primer módulo de potencia y el primer panel solar;
el primer panel solar está entre el primer condensador y el segundo terminal de salida del primer módulo de potencia;
un primer terminal de entrada del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores está conectado a un nodo común del primer panel solar y el primer condensador;
un primer terminal de salida del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores está conectado al primer terminal de salida del primer módulo de potencia; y
un segundo terminal de entrada y un segundo terminal de salida del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores están conectados al segundo terminal de salida del primer módulo de potencia, en donde un potencial de voltaje en el primer terminal de salida del primer módulo de potencia es mayor que un potencial de voltaje en el segundo terminal de salida del primer módulo de potencia.
13. El sistema de la reivindicación 11, en donde:
el primer panel solar y el primer condensador están conectados en serie entre un primer terminal de salida y un segundo terminal de salida del primer módulo de potencia; y
el primer optimizador de potencia es un convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores, y en donde: el primer panel solar está entre el primer terminal de salida del primer módulo de potencia y el primer condensador;
el primer condensador está entre el primer panel solar y el segundo terminal de salida del primer módulo de potencia;
un primer terminal de entrada del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores está conectado a un nodo común del primer panel solar y el primer condensador;
un primer terminal de salida del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores está conectado al segundo terminal de salida del primer módulo de potencia; y
un segundo terminal de entrada y un segundo terminal de salida del convertidor reductor-elevador de cuatro interruptores están conectados al primer terminal de salida del primer módulo de potencia, en donde un potencial de voltaje en el primer terminal de salida del primer módulo de potencia es mayor que un potencial de voltaje en el segundo terminal de salida del primer módulo de potencia.
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