ES2893829T3

ES2893829T3 - Sistema y método de conversión de potencia

Info

Publication number: ES2893829T3
Application number: ES18724195T
Authority: ES
Inventors: Priya Mishra; Goutam Maji
Original assignee: Signify Holding BV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: CN110582736A; DK3622365T3; US11139658B2; US20200067320A1; EP3622365B1; EP3622365A1; CN110582736B; WO2018206529A1

Abstract

Convertidor de potencia (14) para utilizar con una fuente de energía, comprendiendo el convertidor de potencia (14) un par de terminales de entrada (16a, 16b) y un par de terminales de salida (18a, 18b), en el que los terminales de entrada están adaptados para conectarlos en paralelo con los terminales de entrada de otros convertidores de potencia y para conectarlos a una salida de la fuente de energía (12), un monitor de potencia de entrada (30) y un circuito convertidor de potencia (32) cuya tasa de conversión de convertidor de potencia se puede ajustar; caracterizado por que el convertidor está adaptado para implementar una secuencia de operaciones en cooperación con el otro convertidor, en el que el convertidor está adaptado: en respuesta a una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, para realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia del circuito convertidor de potencia; para observar si hay una mejora o no en el seguimiento de punto de máxima potencia causado por dicho ajuste; y luego para proporcionar una señal de comunicación a un siguiente convertidor en la secuencia, en el que dicha señal de comunicación está adaptada para notificar un aumento o una disminución de la tasa de conversión de convertidor de potencia en el siguiente convertidor, dependiendo de si se observa o no la mejora.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de conversión de potencia

Campo de la invención

La presente invención se refiere a sistemas y métodos de conversión de potencia y, en particular, a sistemas y métodos para convertir potencia a partir de una fuente de energía variable.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de conversión de potencia se utilizan para recoger energía de una fuente de energía y para suministrar la energía a un sistema de almacenamiento o de carga de energía. Son muy utilizados, por ejemplo, para recoger energía de fuentes de energías renovables tales como sistemas solares.

A modo de ejemplo, cada vez se usa más la generación de energía solar utilizando áreas de azoteas de edificios o terrenos de bajo coste. La carga puede ser la red de suministro o puntos de batería.

La conversión de potencia se realiza para la energía suministrada por un sistema solar a fin de proporcionar la recogida y almacenamiento de energía más eficientes. Normalmente, esto usa sistemas de seguimiento de punto de máxima potencia (“MPPT”), que controlan el punto de operación del sistema solar (corriente y voltaje) para lograr una transferencia de potencia óptima. Normalmente, existen sistemas MPPT de diferentes tamaños para diferentes tamaños de instalaciones de sistema solar. Esto da como resultado un aumento de inventario y reduce el beneficio de la producción masiva. Por ejemplo, al aumentar la cantidad de fabricación de 1000 a 10000, el coste de producción generalmente disminuye en un 30-40 %.

A medida que cambian las demandas de carga, puede que sea necesario ampliar los sistemas de conversión de potencia, añadiendo más fuentes de energía (p. ej., células solares fotovoltaicas) y sus sistemas de conversión de potencia asociados tales como el sistema MPPT, controladores de carga y baterías. Generalmente, el sistema MPPT se reemplaza por un diseño diferente de tamaño adecuado para el sistema solar recién ampliado. El sistema MPPT de tamaño más pequeño resulta innecesario o inútil.

Por esta razón, es altamente deseable producir un conjunto reducido de diseños de sistemas MPPT diferentes que puedan utilizarse en una gama más amplia de aplicaciones.

Naturalmente, es posible diseñar un sistema MPPT para cubrir varios tamaños de instalación. Sin embargo, será sobredimensionado para un sistema más pequeño y la resolución de control PWM será escasa con niveles de radiación más bajos, por lo que la eficiencia de seguimiento será baja. Además, el comportamiento oscilante del sistema aumentará en torno al punto de máxima potencia en un sistema solar que opera con un sistema MPPT sobredimensionado.

Por lo tanto, se necesita un sistema que permita el uso de sistemas MPPT estándar para fuentes de energía y sistemas de conversión de potencia con dimensiones diferentes, pero que no derive en un uso ineficaz de un sistema excesivamente caro.

El documento EP1047179A1 da a conocer un método de operación de un sistema de suministro de potencia que tiene inversores conectados en paralelo. Un inversor opera como una unidad maestra y el otro como unidades esclavas. La unidad esclava se enciende/apaga cuando la potencia de salida de una fuente de CC está por encima o por debajo de un umbral. La unidad maestra usa MPPT mientras que la unidad esclava es de potencia constante.

Breve descripción de la invención

La invención se define en las reivindicaciones.

Un aspecto de las realizaciones de la invención es proporcionar un conjunto de convertidores MPPT paralelos entre sí (en su entrada). El número de convertidores puede ampliarse al tamaño total del sistema de conversión de potencia y la fuente de energía. Se proporciona un sistema de comunicaciones para que la función de seguimiento de punto de potencia tenga lugar en una secuencia, a fin de evitar inestabilidad y reducir la cantidad de análisis de señales duplicadas. Otro aspecto de las realizaciones de la invención es que la función de seguimiento de punto de potencia en un convertidor MPPT proporcione una indicación de cómo hacer la función de seguimiento de punto de potencia en un siguiente convertidor MPPT en la secuencia, de modo que todo el sistema se mueva hacia el punto de máxima potencia global de la fuente de energía.

De acuerdo con ejemplos según un aspecto de la invención, se proporciona un sistema de conversión de potencia para utilizarlo con una fuente de energía, que comprende:

una pluralidad de convertidores, comprendiendo cada uno un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada están conectados en paralelo y son para conectarlos a una salida de la fuente de energía, en el que cada convertidor comprende un monitor de potencia de entrada y un circuito convertidor de potencia cuya tasa de conversión de convertidor de potencia se puede ajustar,

en el que el sistema de comunicación está adaptado para implementar una secuencia de operaciones de los convertidores, de manera que en respuesta a una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, cada convertidor realiza un ajuste de su circuito convertidor de potencia, dicho medio de ajuste realiza un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia; observa si hay o no una mejora en el seguimiento de punto de máxima potencia causado por dicho ajuste, y luego envía una señal de comunicación al siguiente convertidor en la secuencia, en el que dicha señal de comunicación está adaptada para notificar un aumento o una disminución de la tasa de conversión de convertidor de potencia al siguiente convertidor, dependiendo de si se observa o no la mejora.

Es esencialmente un método de perturbación y observación de manera distribuida: un convertidor cambia su tasa de conversión, observa si hay o no una mejora en el seguimiento de punto de máxima potencia causado por este cambio y, lo más importante, le indica al siguiente convertidor cómo cambiar su tasa de conversión dependiendo de si se observa o no la mejora. Lo importante es que este procedimiento es por convertidor dentro de una cadena de convertidores y se produce de manera implícita a una alta frecuencia: cada ajuste y observación en un convertidor haría funcionar un siguiente convertidor. Este sistema proporciona múltiples convertidores en paralelo en la entrada. Por ejemplo, cada convertidor funciona como un sistema de seguimiento de punto de máxima potencia. El sistema puede estar formado por un conjunto de unidades más pequeñas, de manera que pueden formarse sistemas de diferentes tamaños a partir de un pequeño conjunto de componentes estándar. Estos componentes pueden así combinarse para ampliar el sistema global a diferentes tamaños. Por lo tanto, los componentes también se pueden fabricar con mayor economía de escala. Al operar los convertidores en una secuencia, se evitan conflictos entre los convertidores e inestabilidad. En particular, cada convertidor realiza su ajuste (es decir, el seguimiento de punto de máxima potencia) por turnos, con una cadena de comunicaciones entre los convertidores que proporciona la sincronización de las operaciones de ajuste consecutivas. El ajuste se basa, por ejemplo, en controlar el comportamiento de conmutación de los convertidores, teniendo cada uno, por ejemplo, forma de convertidor CC-CC. Esta conmutación puede ser en una de dos direcciones posibles, por ejemplo, un ciclo de trabajo aumentado o un ciclo de trabajo disminuido del convertidor CC-CC.

Un sistema de comunicación está incluido además en el sistema de conversión de potencia y puede comprender una línea de comunicación entre cada par adyacente de convertidores en la secuencia y desde el último convertidor en la secuencia hasta el primer convertidor en la secuencia.

Esto forma una conexión en cadena tipo margarita de líneas de comunicación. Evita la necesidad de un controlador maestro central. En su lugar, cada convertidor puede operar de forma independiente, aunque con sincronización e información proporcionada por el anterior convertidor en la serie.

Cada convertidor puede estar adaptado para:

registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo;

realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia de su circuito convertidor de potencia en una primera o una segunda dirección de acuerdo con la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia, y detectar su potencia de entrada durante un segundo instante de tiempo;

comparar la potencia de entrada en los instantes de tiempo primero y segundo; y

generar la señal de comunicación para el siguiente convertidor en la secuencia cuya señal de comunicación depende del resultado de la comparación.

Cada convertidor evalúa así si un ajuste de circuito convertidor de potencia (seleccionado por el convertidor anterior) ha tenido éxito o no. Luego decide cómo debe ajustar el siguiente convertidor su circuito convertidor de potencia. De esta forma, se simplifica el ajuste de circuito convertidor de potencia en cada convertidor. Simplemente hace un ajuste (p. ej., un aumento o una disminución en el ciclo de trabajo o más en general en la tasa de conversión de convertidor de potencia) dependiendo de las instrucciones del convertidor anterior, comprueba si se observa o no una mejora (es decir, en el seguimiento de punto de máxima potencia), y luego ordena al siguiente convertidor que realice un procedimiento similar.

Cada convertidor puede estar adaptado para registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo al:

detectar y almacenar su potencia de entrada durante el primer instante de tiempo después de recibir la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia y antes de realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia de su circuito convertidor de potencia; o

utilizar la potencia de entrada durante el segundo instante de tiempo de una secuencia de operaciones anterior como la potencia de entrada en el primer instante de tiempo.

Por lo tanto, el convertidor puede hacer dos mediciones de potencia de entrada antes y después del ajuste en cada ciclo, o puede utilizar la medición de un ciclo anterior en combinación con una medición del ciclo actual para formar un par de mediciones. El primer caso tiene una velocidad de respuesta muy rápida para el sistema, mientras que el segundo caso reduce el tiempo de respuesta del ciclo debido a un solo ciclo de medición por convertidor y por ciclo.

La señal de comunicación comprende, por ejemplo, una orden para que el siguiente convertidor ajuste la tasa de conversión de convertidor de potencia de su circuito convertidor de potencia en la misma dirección si la potencia de entrada en el segundo instante de tiempo es mayor que la del primer instante de tiempo, o bien para que ajuste su circuito convertidor de potencia en la dirección opuesta.

Por lo tanto, un convertidor da instrucciones al siguiente en cuanto a la forma en que debe realizarse el ajuste. Si un ajuste en el convertidor anterior aumenta la salida de potencia de la fuente de energía, se le dará instrucciones a un siguiente convertidor para que haga su ajuste de la misma manera que el actual convertidor para continuar el seguimiento; de lo contrario el siguiente convertidor corregirá el ajuste del convertidor anterior aplicando un ajuste opuesto. El seguimiento de punto de máxima potencia se distribuye al conjunto de los convertidores automáticamente.

El sistema puede incluir además un controlador adaptado para ajustar el número de convertidores en la secuencia entre todos los convertidores o sólo un subconjunto de los convertidores de acuerdo con la potencia de salida requerida o la potencia de entrada.

El sistema global puede ampliarse a un diseño determinado seleccionando el número de convertidores. Sin embargo, puede ampliarse incluso un sistema con un número establecido de convertidores, seleccionando cuántos de los convertidores se utilizan en una aplicación en particular, al excluir algunos de los convertidores de la disposición en serie.

El controlador puede comprender cualquiera de una interfaz de usuario o un control automático para ajustar de forma manual o automáticamente el número de convertidores en la secuencia mediante la implementación de una conexión de línea de comunicación entre un convertidor que se selecciona para que sea el último en la secuencia y el primer convertidor en la secuencia.

La ampliación puede ser dinámica, por ejemplo (para un sistema de conversión de energía solar) basada en la hora del día, la estación del año o el clima, todos los cuales influyen en la potencia máxima de entrada que se espera. Alternativamente, la ampliación se puede ajustar manualmente para una demanda de potencia más estática.

El convertidor puede estar adaptado además para transmitir en la señal de comunicación información referente a una amplitud de la diferencia entre la potencia de entrada en el segundo instante de tiempo y la potencia de entrada en el primer instante de tiempo, y el convertidor está además adaptado para realizar el ajuste de su circuito convertidor de potencia mediante una etapa basada en dicha información referente a la amplitud de la diferencia entre la potencia de entrada.

Este análisis de amplitud puede utilizarse para controlar no sólo la dirección en la que se realiza el ajuste, sino también la duración de una etapa de ajuste para que el sistema pueda alcanzar con más rapidez una configuración óptima.

Los terminales de salida de los convertidores pueden estar conectados en paralelo. Esto hace que el sistema pueda ampliarse fácilmente tanto en el lado de entrada como en el lado de salida.

La invención también proporciona una un sistema de generación de energía solar que comprende:

una matriz de células solares; y

un sistema de conversión de potencia como se define anteriormente, en el que la fuente de energía comprende la matriz de células solares.

El sistema de generación de energía solar puede comprender además una batería para que la cargue el sistema de conversión de potencia; y/o un inversor de conexión a red para que lo alimente el sistema de conversión de potencia y genere potencia CA para la alimentación de red.

Ejemplos de acuerdo con otro aspecto de la invención, proporcionan un método de conversión de potencia, que comprende:

recibir energía de una fuente de energía;

proporcionar una secuencia de operaciones de una pluralidad de convertidores, en el que el método comprende para cada convertidor en la secuencia:

en respuesta a la recepción de una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, realizar una conversión de energía mediante la supervisión de la potencia de entrada, realizar un ajuste del circuito convertidor de potencia y proporcionar una señal de comunicación para un siguiente convertidor

Este método permite combinar un conjunto de convertidores estándar (tal como convertidores de seguimiento de punto de máxima potencia) para formar un sistema de potencia más grande.

El método puede comprender, dentro de cada convertidor, en la secuencia:

registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo;

realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia de su circuito convertidor de potencia en una primera o una segunda dirección de acuerdo con la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia, y

detectar su potencia de entrada durante un segundo instante de tiempo;

comparar la potencia de entrada en el primer y el segundo instante de tiempo; y

generar la señal de comunicación para el siguiente convertidor en la secuencia que depende del resultado de la comparación.

Esto significa que cada convertidor proporciona información al siguiente para que se reduzca la duración del procesamiento de señal necesario en cada convertidor.

El método puede comprender registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo al:

La señal de comunicación puede comprender una instrucción para que el siguiente convertidor ajuste su circuito convertidor de potencia en la misma dirección si la potencia de entrada en el segundo instante de tiempo es mayor que la del primer instante de tiempo, o bien ajuste su circuito convertidor de potencia en la dirección opuesta, en el que opcionalmente la señal de comunicación también transporta una amplitud de la diferencia entre la potencia de entrada en el segundo instante de tiempo y la del primer instante de tiempo.

Esto puede permitir encontrar con más rapidez un punto de operación óptimo.

El método puede comprender el ajuste del número de convertidores en la secuencia entre todos los convertidores o solo un subconjunto de los convertidores de acuerdo con la potencia de salida requerida o la potencia de entrada.

La invención también proporciona un convertidor de potencia para utilizar con una fuente de energía, que comprende un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada están adaptados para conectarlos en paralelo con los terminales de entrada de otros convertidores de potencia y para conectarlos a una salida de la fuente de energía, un monitor de potencia de entrada y un circuito convertidor de potencia cuya tasa de conversión de convertidor de potencia se puede ajustar; y el convertidor está adaptado para implementar una secuencia de operaciones en cooperación con el otro convertidor, en el que el convertidor está adaptado: en respuesta a una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, para realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia del circuito convertidor de potencia; para observar si hay una mejora o no en el seguimiento de punto de máxima potencia causado por dicho ajuste; y luego para proporcionar una señal de comunicación a un siguiente convertidor en la secuencia, en el que dicha señal de comunicación está adaptada para notificar un aumento o una disminución de la tasa de conversión de convertidor de potencia en el siguiente convertidor, dependiendo de si se observa o no la mejora.

Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes y quedarán claros con referencia a las realizaciones que se describen a continuación.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describen en detalle ejemplos de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 muestra un sistema de conversión de potencia;

La figura 2 muestra con más detalle uno de los convertidores; y

La figura 3 muestra un método de conversión de potencia.

Descripción detallada de las realizaciones

La invención proporciona un sistema de conversión de potencia que tiene una pluralidad de convertidores de seguimiento de potencia conectados en paralelo a una salida de una fuente de energía tal como un sistema solar. Un sistema de comunicación entre los convertidores implementa una secuencia de operaciones de los convertidores, de modo que, en respuesta a una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, cada convertidor realiza un ajuste de su función de seguimiento de potencia y luego proporciona una señal de comunicación al siguiente convertidor en la secuencia. Cada convertidor funciona, por ejemplo, como un sistema de seguimiento de punto de máxima potencia. El sistema puede hacerse a partir de un conjunto de unidades más pequeñas de modo que se pueden formar diferentes sistemas a partir de un pequeño conjunto de componentes estándar. Al operar los convertidores en una secuencia, se evitan conflictos entre los convertidores e inestabilidad.

La figura 1 muestra un sistema de conversión de potencia 10 que recibe energía de una fuente de energía 12. La invención tiene especial interés por una fuente de energía en forma de sistema solar que comprende una matriz de células solares fotovoltaicas. Sin embargo, la invención se puede aplicar a otras fuentes de energía que pueden variar con el tiempo, tales como otras fuentes de energía renovable.

El sistema 10 realiza un seguimiento de punto de máxima potencia para proporcionar una conversión de potencia eficiente desde la fuente de energía 12, es decir, el sistema solar, hasta una salida.

El sistema tiene una pluralidad de convertidores 14 comprendiendo cada uno un par de terminales de entrada 16a, 16b y un par de los terminales de salida 18a, 18b. Los terminales de entrada están conectados en paralelo a una salida del sistema solar 12. Las salidas también están conectadas en paralelo a un banco de baterías 20, aunque el sistema de conversión de potencia también puede retroalimentar potencia a la red eléctrica usando un inversor, o alimentar otro dispositivo. La conexión paralela de los terminales de salida hace que pueda ampliarse el sistema fácilmente.

El número de convertidores (de tamaños similares) que operan en paralelo dependerá del tamaño del sistema solar instalado. Por ejemplo, una farola con un panel solar de potencia pico de 60 vatios puede usar un convertidor de 12V/5A mientras que una instalación de 120 vatios pico puede tener dos convertidores de 12V/5. El sistema se puede ampliar a cualquier tamaño con convertidores adicionales.

Hay un sistema de comunicación entre los convertidores 14, en forma de una línea de comunicaciones 22 de un convertidor al siguiente en una secuencia, cuya secuencia forma un bucle cerrado. Así, un último convertidor en la secuencia se acopla al primer convertidor de la secuencia mediante una de las líneas de comunicación. Esto forma una conexión en cadena tipo margarita de líneas de comunicación que evita la necesidad de un controlador maestro central. En su lugar, cada convertidor puede operar de forma independiente, pero con una sincronización que depende de la salida del convertidor anterior en la serie y utilizando la información proporcionada por ese convertidor anterior.

El sistema de comunicación permite así seguir una secuencia de operaciones de los convertidores, de manera que, en respuesta a una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, cada convertidor realiza el seguimiento de punto de máxima potencia. Se observa que la conexión en cadena tipo margarita muestra la ruta de comunicación lógica de acuerdo con la secuencia de control. La implementación de la conexión en cadena tipo margarita se puede lograr mediante líneas de series reales, o puede lograrse mediante una estructura en estrella con un concentrador central, o mediante un bus, siempre y cuando el convertidor anterior pueda dirigirse al siguiente convertidor en la secuencia.

Como se muestra en la figura 2, cada convertidor 14 comprende un monitor de potencia de entrada 30 y un circuito convertidor de potencia ajustable 32. El circuito convertidor de potencia comprende, por ejemplo, un convertidor CC-CC controlable. El circuito convertidor de potencia comprende, por ejemplo, un suministro de potencia de modo conmutado que incluye un conmutador de potencia principal 34. Un ciclo de trabajo del conmutador de potencia principal controla la tasa de conversión CC-Cc y por tanto la tasa entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida. El monitor de potencia de entrada supervisa la corriente extraída del sistema solar y el voltaje suministrado.

El seguimiento de punto de máxima potencia de cada convertidor comprende la supervisión de la potencia de entrada y el ajuste de la tasa de conversión CC-CC.

Los convertidores individuales pueden ser todos iguales, de manera que se obtienen economías de escala. Al usar un número diferente de convertidores, se pueden formar sistemas de diferentes tamaños a partir de un pequeño conjunto de componentes estándar.

Al operar los convertidores en una secuencia, se evitan conflictos entre los convertidores e inestabilidad. En particular, cada convertidor realiza su seguimiento de punto de máxima potencia por turnos, con una cadena de comunicaciones entre los convertidores que proporciona la sincronización de las operaciones de ajuste consecutivas.

El seguimiento de punto de máxima potencia puede basarse en un enfoque de perturbación y observación. Esto implica ajustar el voltaje de entrada (cambiando la tasa de conversión ya que la salida está conectada a un voltaje fijo) y observar si la potencia de entrada ha aumentado o disminuido. De esta manera, la tasa de conversión se ajusta continuamente en una dirección u otra, y el punto de operación del sistema se estabiliza (con pequeños ajustes oscilantes) en el punto de máxima potencia. El comportamiento oscilante de cada convertidor en torno al punto de máxima potencia se reduce en dos condiciones extremas, es decir, cerca de la radiación máxima, así como en la radiación cercana a cero.

El seguimiento de punto de máxima potencia implica determinar en qué dirección hay que ajustar la tasa de conversión (es decir, para aumentar la tasa o disminuir la tasa), ajustar la tasa de conversión y luego revisar el efecto sobre la potencia de entrada para determinar si el ajuste era el adecuado. El seguimiento de punto de máxima potencia tradicional se implementa en un solo convertidor. Las realizaciones de la invención implementan el seguimiento de punto de máxima potencia de manera distribuida, en donde la determinación de en qué dirección hay que ajustar la tasa de conversión se lleva a cabo en un convertidor, y el ajuste de la tasa de conversión se lleva a cabo en el siguiente convertidor. La comunicación entre convertidores permite a cada uno implementar un procedimiento simplificado, aprendiendo del análisis del convertidor anterior. De este modo, el conjunto de convertidores puede compartir la potencia de manera más uniforme y en un modo automático.

La figura 3 muestra el método de seguimiento de punto de máxima potencia que se realiza de manera sucesiva en cada convertidor. Este método se realiza en cada convertidor y luego pasa una señal de mensaje al siguiente convertidor que a continuación realiza el mismo método. El último convertidor se conecta con el primero de manera que la operación de punto de máxima potencia sigue ejecutándose en un bucle.

En la etapa 40, se recibe un mensaje procedente del convertidor anterior. La recepción de este mensaje hace funcionar el convertidor para iniciar el método. El mensaje contiene un indicador F (con un valor último F) y opcionalmente un número de identificación (N -1 en este ejemplo) del convertidor que envió el mensaje. Se supone que el convertidor anterior tiene el número N -1 y el convertidor actual tiene el número N.

El indicador F indica si la tasa de conversión debe aumentarse (F = 0) o disminuirse (F = 1).

El número de identificación N es opcional. De hecho, la secuencia puede ser fija para que cada convertidor sepa de dónde ha recibido su mensaje de entrada. Sin embargo, si se permiten diferentes números y diferentes conjuntos de convertidores de una manera más dinámica, se puede usar tal identificación. Por ejemplo, algunos convertidores con una alta tasa de potencia y una gran etapa de ajuste se pueden utilizar al principio para acercarse rápidamente al punto de máxima potencia, y los otros convertidores con una baja tasa de potencia y una pequeña etapa de ajuste se pueden utilizar después para un ajuste preciso y para alcanzar el punto de máxima potencia.

En la etapa 42, se aumenta el ciclo de trabajo si F = 0 y se disminuye si F = 1. Este ciclo de trabajo se implementa como una señal de modulación por ancho de pulso para controlar el convertidor.

En la etapa 44, la potencia de la fuente de energía se mide localmente (en el convertidor N) y se almacena como una variable “nueva potencia”. En la etapa 46, la variable “nueva potencia” medida se compara con el valor anterior, indicado como “última potencia”.

El nivel de potencia anterior “última potencia” puede medirse en la etapa 41 antes de ajustar el ciclo de trabajo en la etapa 42. Sin embargo, esto es opcional, ya que puede utilizarse en su lugar la medición de potencia de la etapa 44 del ciclo anterior.

Después de la comparación en la etapa 46, si el cambio de potencia es positivo, entonces el valor del indicador permanece sin cambios en la etapa 48; de lo contrario, si el cambio de potencia es negativo, el valor del indicador conmuta de 0 a 1 o de 1 a 0 en la etapa 50. En las etapas 48 y 50, el número de identificación N se incrementa en 1, es decir, de N -1 a N en este ejemplo.

El valor actualizado del indicador F (nuevo F) y el número de convertidor actualizado N se comunican al siguiente convertidor en la secuencia, en la etapa 52.

El mismo método se repite después en el siguiente convertidor, es decir, el número de convertidor N 1.

Mediante este método, cada convertidor registra una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo, que puede ser justo antes del ajuste de este ciclo o puede ser en el momento del ciclo anterior. El ajuste del circuito convertidor de potencia para ajustar la tasa de conversión depende en una primera o una segunda dirección del indicador F recibido del convertidor anterior en la secuencia. Después se detecta la potencia de entrada durante un segundo instante de tiempo, es decir, después de la modificación de la tasa de conversión.

Cada convertidor evalúa así si un ajuste de circuito convertidor de potencia, en una dirección dictada por el convertidor anterior, ha tenido éxito o no. Luego decide cómo debe ajustar el siguiente convertidor su circuito convertidor de potencia. De esta forma, el ajuste de circuito convertidor de potencia en cada convertidor está correlacionado con la potencia máxima. Simplemente hace un ajuste (p. ej., un aumento o una disminución en el ciclo de trabajo) dependiendo de las instrucciones del convertidor anterior, luego comprueba si se observa o no una mejora (es decir, en el seguimiento de punto de máxima potencia).

Si un sistema tiene más convertidores de los necesarios, algunos pueden omitirse cambiando el bucle de comunicación. Este puede ser un proceso completamente manual mediante el cual un sistema más grande se adapta a una menor demanda de potencia. Por ejemplo, el sistema se puede configurar manualmente para un subconjunto de convertidores conectando el cable de comunicación 22 de un último convertidor recién seleccionado en la secuencia al primero. Por ejemplo, puede haber 10 convertidores en el sistema. Si solo se van a utilizar 5 convertidores debido a una capacidad de corriente pico más baja de la fuente de energía, se cambia el cable de comunicación de entrada del primer convertidor del décimo al quinto. El sistema puede ser entonces una arquitectura de convertidor estándar para una amplia gama de potencias para la fuente de energía.

Sin embargo, esta adaptación puede ser en cambio parcial o totalmente automatizada. Para ello, el sistema puede comprender además un controlador adaptado para ajustar el número de convertidores en la secuencia entre todos los convertidores o solo un subconjunto de los convertidores dependiendo de la potencia de salida requerida o la potencia de entrada. Un controlador se muestra esquemáticamente con 54 en la figura 1.

Por ejemplo, al programar en campo el convertidor que va a funcionar como el último en la secuencia, la comunicación a través de los convertidores que no van a utilizarse se puede implementar como una función de entrada y salida directa. Esto utiliza el número de identificación N y evita la necesidad de recableado manual. El método de la figura 3 se puede actualizar después para que incluya una etapa de verificación si el número de convertidor está comprendido entre 1 y último N donde el valor último N está programado en el sistema y es o bien transmitido entre los convertidores como parte del mensaje o bien se programa en los convertidores como parte de una etapa de calibración. Si el convertidor no está en el intervalo de 1 a último N, entonces puede actuar en modo de entrada y salida.

Por lo tanto, se puede ampliar un sistema con un número establecido de convertidores, seleccionando cuántos de los convertidores se utilizan en una aplicación en particular, al excluir algunos de los convertidores de la disposición en serie, y esto se puede implementar para un sistema con una configuración de hardware estática.

Para un ajuste automático, puede haber una interfaz de usuario que permita la programación mencionada anteriormente o incluso puede haber un control completamente automatizado. El control totalmente automatizado puede basarse, por ejemplo, en la hora del día, la estación del año o el clima, todos los cuales influyen en la potencia máxima de entrada esperada de un sistema solar.

A continuación, se pueden añadir convertidores de manera dinámica si todos los convertidores conectados en ese momento han alcanzado o se están acercando a la potencia máxima. Pueden activarse después diferentes conjuntos de convertidores en diferentes momentos y/o diferentes condiciones de potencia y puede igualarse una demanda de potencia acumulativa durante un período de tiempo para mejorar la fiabilidad.

En un sistema con más convertidores de los necesarios, se pueden seleccionar diferentes conjuntos de convertidores en diferentes días (u otros períodos de tiempo) para mejorar su vida útil. Por ejemplo, una instalación de sistema fotovoltaico puede tener una corriente pico de 50 A, pero en un período de baja radiación puede generar una corriente pico de 25 A. En esos períodos de baja radiación, solo se encenderán 5 convertidores para mejorar la resolución de convertidor, así como su vida útil. Los 5 convertidores seleccionados pueden girar a lo largo del tiempo para compartir el uso de los componentes modulares. En el ejemplo anterior, hay un cambio de etapa fijo en la tasa de conversión (por ejemplo, un cambio de 1 etapa digital en una señal de control PWM). Sin embargo, la señal de comunicación que pasa de un convertidor al siguiente puede transmitir además información referente a una amplitud de la diferencia entre la potencia de entrada en los dos instantes de tiempo, representando así una cantidad mediante la cual el punto de potencia se desvía del punto de máxima potencia. Por ejemplo, si la diferencia es grande, el siguiente convertidor puede usar una etapa grande; de lo contrario, el siguiente convertidor puede usar una etapa pequeña. El ajuste del convertidor de potencia se puede realizar en función de un tamaño de etapa que deriva de esta información por lo que el punto de máxima potencia se puede alcanzar de manera más eficiente.

El análisis de amplitud controla entonces no solo la dirección en la que se realiza el ajuste, sino también el tamaño de una etapa de ajuste.

La invención permite ampliar el sistema solar y proporciona una solución de bajo coste, por ejemplo, con microcontroladores de 8 bits. Los convertidores pueden controlarse con más precisión y todos pueden operar a una potencia similar, lo que proporciona una vida útil optimizada.

Otras variaciones de las realizaciones dadas a conocer pueden ser entendidas y realizadas por los expertos en la materia al poner en práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la descripción y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra “que comprende” no excluye otros elementos o etapas, y el artículo indefinido “uno” o “una” no excluye una pluralidad. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como limitativo del ámbito de aplicación.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Convertidor de potencia (14) para utilizar con una fuente de energía, comprendiendo el convertidor de potencia (14) un par de terminales de entrada (16a, 16b) y un par de terminales de salida (18a, 18b), en el que los terminales de entrada están adaptados para conectarlos en paralelo con los terminales de entrada de otros convertidores de potencia y para conectarlos a una salida de la fuente de energía (12), un monitor de potencia de entrada (30) y un circuito convertidor de potencia (32) cuya tasa de conversión de convertidor de potencia se puede ajustar; caracterizado por que

el convertidor está adaptado para implementar una secuencia de operaciones en cooperación con el otro convertidor, en el que el convertidor está adaptado:

en respuesta a una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, para realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia del circuito convertidor de potencia;

para observar si hay una mejora o no en el seguimiento de punto de máxima potencia causado por dicho ajuste; y luego

para proporcionar una señal de comunicación a un siguiente convertidor en la secuencia, en el que dicha señal de comunicación está adaptada para notificar un aumento o una disminución de la tasa de conversión de convertidor de potencia en el siguiente convertidor, dependiendo de si se observa o no la mejora.

2. Sistema de conversión de potencia que comprende:

una pluralidad de convertidores (14), cada uno según la reivindicación 1, en el que los terminales de entrada están conectados en paralelo y son para conectarlos a la salida de la fuente de energía (12); y en el que los convertidores están adaptados para implementar la secuencia de operaciones según la reivindicación 1.

3. Sistema según la reivindicación 2, que comprende además un sistema de comunicación (22) entre los convertidores para enviar la señal de comunicación, en el que el sistema de comunicación comprende una línea de comunicación (22) entre cada par adyacente de convertidores en la secuencia y desde el último convertidor en la secuencia hasta el primer convertidor en la secuencia.

4. Sistema según la reivindicación 2 o 3, en el que cada convertidor está adaptado para:

registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo;

realizar un ajuste de un ciclo de trabajo de su circuito convertidor de potencia en una primera o una segunda dirección de acuerdo con la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia, y detectar su potencia de entrada durante un segundo instante de tiempo;

comparar la potencia de entrada en los instantes de tiempo primero y segundo; y

generar la señal de comunicación para el siguiente convertidor en la secuencia dependiendo dicha señal de comunicación del resultado de la comparación.

5. Sistema según la reivindicación 4, en el que cada convertidor está adaptado para registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo al:

detectar y almacenar su potencia de entrada durante el primer instante de tiempo después de recibir la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia y antes de realizar un ajuste del ciclo de trabajo de su circuito convertidor de potencia; o

utilizar la potencia de entrada durante el segundo instante de tiempo de una secuencia de operaciones anterior como la potencia de entrada en el primer instante de tiempo.

6. Sistema según la reivindicación 4 o 5, en el que la señal de comunicación comprende una instrucción para que el siguiente convertidor ajuste el ciclo de trabajo de su circuito convertidor de potencia en la misma dirección si la potencia de entrada en el segundo instante de tiempo es mayor que la del primer instante de tiempo, o bien ajuste el ciclo de trabajo de su circuito convertidor de potencia en la dirección opuesta.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, que comprende además un controlador (54) adaptado para ajustar el número de convertidores en la secuencia entre todos los convertidores o solo un subconjunto de los convertidores de acuerdo con la potencia de salida requerida o la potencia de entrada.

8. Sistema según la reivindicación 7, en el que el controlador comprende cualquiera de una interfaz de usuario o un control automático para ajustar manual o automáticamente el número de convertidores en la secuencia mediante la implementación de una conexión de línea de comunicación entre un convertidor que se selecciona para que sea el último en la secuencia y el primer convertidor en la secuencia.

9. Sistema según la reivindicación 4, en el que el convertidor está además adaptado para transportar en la señal de comunicación información referente a una amplitud de la diferencia entre la potencia de entrada en el segundo instante de tiempo y la del primer instante de tiempo, y el convertidor está además adaptado para realizar un ajuste del ciclo de trabajo de su circuito convertidor de potencia mediante una etapa correspondiente con dicha información referente a la amplitud de la diferencia entre las potencias de entrada.

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en el que los terminales de salida de los convertidores están conectados en paralelo.

11. Sistema de generación de energía solar que comprende:

una matriz de células solares (12); y

un sistema de conversión de potencia (10) según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, en el que la fuente de energía comprende la matriz de células solares.

12. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 11, que comprende, además:

una batería (20) para que la cargue el sistema de conversión de potencia; y/o

un inversor de conexión a red para que lo alimente el sistema de conversión de potencia y genere potencia CA para la alimentación de la red.

13. Método de conversión de potencia, que comprende:

recibir energía de una fuente de energía;

caracterizado por proporcionar una secuencia de operaciones de una pluralidad de convertidores, que comprende cada uno un circuito convertidor de potencia, en el que el método comprende para cada convertidor en la secuencia: en respuesta a la recepción de una señal de comunicación procedente de un convertidor anterior en la secuencia, realizar una conversión de energía mediante (44) la supervisión de la potencia de entrada, (42) realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia del circuito convertidor de potencia, observar si hay o no una mejora en el seguimiento de punto de máxima potencia causado por dicho ajuste y (52) proporcionar una señal de comunicación para un siguiente convertidor, en el que dicha señal de comunicación está adaptada para notificar un aumento o una disminución de la tasa de conversión de convertidor de potencia en el siguiente convertidor, dependiendo de si se observa o no la mejora.

14. Método según la reivindicación 13, que comprende, dentro de cada convertidor en la secuencia:

(41) registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo;

(42) realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia de su circuito convertidor de potencia en una primera o una segunda dirección de acuerdo con la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia, y (44) detectar su potencia de entrada durante un segundo instante de tiempo;

(46) comparar la potencia de entrada en el primer y el segundo instante de tiempo; y

(52) generar la señal de comunicación para el siguiente convertidor en la secuencia que depende del resultado de la comparación.

15. Método según la reivindicación 14, que comprende registrar una potencia de entrada durante un primer instante de tiempo al:

(41) detectar y almacenar su potencia de entrada durante el primer instante de tiempo después de recibir la señal de comunicación procedente del convertidor anterior en la secuencia y antes de realizar un ajuste de la tasa de conversión de convertidor de potencia de su circuito convertidor de potencia; o

utilizar la potencia de entrada durante el segundo instante de tiempo de una secuencia de operaciones anterior como la potencia de entrada en el primer instante de tiempo.