ES2895720T3 - Métodos para arrancar un sistema inversor y sistemas inversores - Google Patents

Métodos para arrancar un sistema inversor y sistemas inversores Download PDF

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Abstract

Un método para controlar un sistema inversor (1) que comprende: una fuente de energía CC de corriente continua (8); y un inversor (2) que incluye una pluralidad de dispositivos semiconductores, incluyendo cada dispositivo semiconductor al menos un conmutador semiconductor controlable, teniendo inversores terminales de entrada de CC (4) conectados a la fuente de energía de CC (8) por medio de un enlace de CC (10) y al menos un terminal de salida de CA de corriente alterna (6); en donde el método comprende la etapa de: con el inversor (2) inicialmente en un estado apagado, habilitar un estado de cortocircuito del inversor (2) al controlar los conmutadores semiconductores del inversor (2) para crear un cortocircuito entre los terminales de entrada de CC (4) de modo que el inversor (2) lleva una corriente sustancialmente igual a la corriente de cortocircuito de la fuente de energía de CC (8) y mantiene el estado de cortocircuito del inversor (2) durante un período de tiempo, o al menos hasta que una temperatura del inversor (2) supera un umbral de temperatura, para precalentar los dispositivos semiconductores.

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos para arrancar un sistema inversor y sistemas inversores
Campo técnico
La presente invención se refiere a métodos para arrancar un sistema inversor, y sistemas inversores, y en particular a sistemas inversores que incluyen un inversor (o convertidor de potencia) para convertir una tensión de entrada de corriente continua (CC) en una tensión de salida de corriente alterna (CA), por ejemplo para ser exportado a una red de suministro de CA o red pública.
En una disposición, el sistema inversor puede ser un sistema inversor solar en el que un inversor solar se conecta a uno o más paneles fotovoltaicos (FV).
Antecedentes de la técnica
El inversor solar tiene un papel fundamental en una planta de energía solar y se utiliza para convertir la tensión de salida de CC proporcionada por una distribución de uno o más paneles fotovoltaicos en una tensión de salida de CA que puede exportarse a una red de energía de CA o red pública.
El inversor solar incluye una pluralidad de conmutadores semiconductores controlables que se pueden encender y apagar según una estrategia de control adecuada para producir la tensión de salida de CA deseada. La idoneidad de conmutadores semiconductores particulares y otros dispositivos semiconductores como diodos de recuperación rápida para su uso en el inversor solar está determinada por su especificación técnica (u hoja de datos) e incluye, por ejemplo, su tensión máxima colector-emisor nominal o corriente nominal máxima.
El documento EP 2416480 describe un sistema inversor solar y un método para arrancar el sistema inversor solar a tensiones de circuito abierto altas, por ejemplo, 1000 VCC o más. El sistema inversor incluye un inversor solar y un precargador inversor que se utiliza para precargar el inversor antes de conectar el sistema inversor a una red pública de CA y una distribución de paneles fotovoltaicos. El inversor solar se carga hasta que la tensión de enlace de CC alcanza una primera tensión de enlace de CC que es menor que una tensión de circuito abierto predeterminada de la distribución fotovoltaica. El precargador de inversor se configura para disminuir la tensión de enlace de CC a una segunda tensión de enlace de CC antes de conectar el sistema inversor a la distribución fotovoltaica y después de conectar el sistema inversor a la red pública de CA. La segunda tensión de enlace de CC es un nivel de tensión mínimo requerido para controlar las corrientes de red de CA generadas a través del inversor solar.
Las grandes plantas de energía solar modernas suelen tener una potencia nominal de 1500 VCC, lo que significa que la tensión de entrada de CC para el inversor solar es de un máximo de 1500 VCC, dependiendo de la temperatura y la insolación de los paneles fotovoltaicos y otras condiciones. Los dispositivos de potencia semiconductores del inversor solar deben clasificarse en consecuencia. El inversor solar puede utilizar IGBT con valores nominales de tensión y corriente adecuados en una topología de circuito adecuada. Por ejemplo, los IGBT con una capacidad de tensión de bloqueo de 1200 V se pueden aplicar en una topología de convertidor de fuente de tensión de punto neutro fijo (NPC VSC) de tres niveles donde cada IGBT debe bloquear la mitad de la tensión de entrada de CC, es decir, 750 VCC. En una topología VSC de dos niveles, cada IGBT debe bloquear toda la tensión de entrada de CC. Por lo tanto, se pueden aplicar conmutadores semiconductores con un valor nominal de tensión de 1700 V para bloquear la tensión de entrada de CC de 1500 VCC. En este caso, el margen de tensión de bloqueo (-200 V) es pequeño. Además, dado que el valor nominal de tensión de bloqueo depende de la temperatura, será menor que el valor de hoja de datos a temperaturas más bajas. Esto significa que el margen de tensión de bloqueo es incluso menor para diodos e conmutadores semiconductores fríos, por ejemplo, si el inversor funciona a una temperatura inferior a aproximadamente 25 °C.
Incluso los IGBT y los diodos mejorados exhiben tasas de fallos inaceptablemente altas en tensiones de bloqueo muy cercanas a su valor nominal de tensión de bloqueo cuando están fríos. En general, la capacidad de bloqueo de todos los conmutadores semiconductores como IGBT, GTO, IGCT, etc. y diodos de potencia se ve afectada por fallos debidos a la radiación cósmica. Por ejemplo, se sabe que las quemaduras de evento único (SEB) debido a los rayos cósmicos contribuyen a la tasa de fallos aleatorias. Su aparición depende en gran medida de la tensión de bloqueo de conmutador y de la temperatura del conmutador. En particular, las tasas de fallos aumentan con una tensión de bloqueo más alta y con una temperatura de unión más baja.
En el caso de un inversor solar, a menudo tendrá que arrancar temprano por la mañana cuando la temperatura ambiente del inversor solar y, en consecuencia, la temperatura de unión de los conmutadores semiconductores y los diodos, sea relativamente baja. Esto puede conducir a una alta tasa de fallos de los dispositivos de potencia semiconductores.
El documento de patente EP2903160 describe en la figura 8 un inversor, una resistencia de calentamiento y un dispositivo de conmutación conectados en serie a través de los terminales de entrada de CC del inversor. Cuando la temperatura de disipador de calor es igual o inferior a un umbral de temperatura baja, una unidad de control establece un segundo dispositivo de conmutación de semiconductores en un estado activo y calienta los primeros dispositivos de conmutación de semiconductores mediante la generación de calor debida a la pérdida de conducción de una resistencia de calentamiento.
La presente invención tiene como objetivo asegurar que los conmutadores semiconductores y/o los diodos del inversor solo se utilicen para bloquear altas tensiones después de que su temperatura de unión se haya incrementado para estar por encima de cierta temperatura (por ejemplo, 75 °C). La presente invención se puede utilizar al arrancar el inversor, por ejemplo.
Compendio de la invención
La presente invención proporciona un método para controlar un sistema inversor (por ejemplo, un sistema inversor solar que puede formar parte de una planta de energía solar) según la reivindicación 1.
Cada dispositivo semiconductor del inversor puede incluir además un diodo conectado en antiparalelo, es decir, un diodo conectado en antiparalelo con su conmutador semiconductor controlable asociado. Cualquier referencia en el presente documento a "dispositivo semiconductor" puede referirse al conmutador semiconductor controlable y/o al diodo conectado antiparalelo, según corresponda. Los conmutadores semiconductores controlables que normalmente incluyen un diodo conectado en antiparalelo incluirían transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), por ejemplo. Los conmutadores semiconductores controlables que normalmente no tienen o no necesitan un diodo conectado en antiparalelo incluirían IGBT de conducción inversa (RC-IGBT), transistores de puerta aislada bimodo (BIGT) y transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico que utilizan carbono de silicio (SiC MOSFET), por ejemplo.
Cualquier referencia en este documento al "estado apagado" del inversor puede referirse a un estado en el que el inversor aún no se ha habilitado, pero normalmente se referirá a un estado en el que el inversor está habilitado pero donde todos los conmutadores semiconductores están apagados.
A menos que se indique lo contrario, cualquier referencia en este documento a componentes que están "conectados" incluye una conexión o acoplamiento eléctrico tanto directo como indirecto, por ejemplo, con la opción de que los componentes estén conectados o acoplados juntos eléctricamente por medio de uno o más componentes interpuestos.
Controlar el inversor para que lleve la corriente de cortocircuito a través de los conmutadores semiconductores que están encendidos aumentará la temperatura de los conmutadores semiconductores como resultado del calor generado a través de las pérdidas de conducción normales. Si los dispositivos semiconductores incluyen un diodo en antiparalelo, se entenderá que los diodos no siempre conducirán la corriente de cortocircuito, por lo que no siempre se calentarán directamente como resultado de las pérdidas de conducción. Pero los diodos pueden calentarse indirectamente mediante el acoplamiento térmico con el conmutador semiconductor controlable asociado, por ejemplo, a través de una placa base común o un disipador de calor, particularmente si el conmutador y el diodo están integrados en el mismo paquete. Por tanto, se entenderá que la corriente de cortocircuito se puede utilizar para proporcionar calentamiento tanto directo como indirecto a los dispositivos semiconductores del inversor.
El método comprende además la etapa de mantener el estado de cortocircuito del inversor durante cierto período de tiempo, o al menos hasta que la temperatura del inversor supere un umbral de temperatura. El período de tiempo puede seleccionarse de modo que la temperatura del inversor aumente pero no se supere, por ejemplo, un umbral de temperatura máxima. El umbral de temperatura máxima puede seleccionarse para evitar que se dañen los dispositivos semiconductores. Esto puede proporcionar algún beneficio en términos de precalentar los dispositivos semiconductores sin la necesidad de medir la temperatura del inversor.
En términos generales, el estado de cortocircuito del inversor puede mantenerse hasta que se supere un umbral o se cumpla un criterio particular, dicho umbral o criterio podría ser un umbral de tiempo (por ejemplo, un período de tiempo) o un umbral de temperatura, por ejemplo.
La temperatura del inversor puede ser una temperatura medida, como la temperatura ambiente o una temperatura dentro del armario del inversor, o una temperatura asociada con al menos uno de los dispositivos semiconductores del inversor.
La temperatura que se compara con el umbral de temperatura puede medirse, directa o indirectamente, estimarse o determinarse de otro modo de cualquier forma adecuada. Por ejemplo, la temperatura puede medirse directamente usando un sensor adecuado como un termistor, termopar, etc. que podría ser capaz de medir la temperatura interna de un dispositivo semiconductor, o una placa base o un disipador de calor, por ejemplo. Se puede usar una temperatura medida para estimar o derivar de otro modo una temperatura que no puede medirse directamente en sí misma, por ejemplo, la temperatura de unión de un dispositivo semiconductor, que luego se compara con el umbral de temperatura. La temperatura puede estimarse con precisión o determinarse utilizando un modelo térmico adecuado con uno o más parámetros de entrada, que pueden incluir una temperatura medida, como la temperatura ambiente o la temperatura dentro del armario del inversor, o uno o más parámetros eléctricos del inversor o del sistema inversor, por ejemplo. La temperatura se puede determinar usando uno o más parámetros medidos tales como la corriente de cortocircuito relativamente estable y la tensión en estado encendido o la caída de tensión de uno o más de los conmutadores semiconductores con referencia a una tabla de consulta o modelo, por ejemplo. La temperatura también se puede estimar con precisión determinando un aumento de temperatura relativo a una temperatura medida inicial, por ejemplo, integrando la corriente de cortocircuito conducida a lo largo del tiempo.
El umbral de temperatura puede establecerse a un nivel que permita que al menos un dispositivo semiconductor del inversor se caliente a una temperatura que proporcione una reducción significativa en la tasa de fallos debido a la radiación cósmica cuando el al menos un dispositivo semiconductor experimenta altas tensiones de bloqueo durante el funcionamiento posterior del inversor. El umbral de temperatura puede estar en el intervalo entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 125 °C y más preferiblemente entre aproximadamente 75 °C y aproximadamente 100 °C, por ejemplo. También se sabe que el comportamiento de conmutación general depende de la temperatura y, a menudo, se vuelve más difícil de manejar a temperaturas más bajas. Por lo tanto, el funcionamiento del inversor a menudo se evita a baja temperatura de unión. El umbral de temperatura puede estar en el intervalo de aproximadamente 5 °C a aproximadamente 25 °C para proporcionar una temperatura mínima de funcionamiento para los dispositivos semiconductores sin necesidad de calentamiento externo.
Preferiblemente, una proporción significativa de los dispositivos semiconductores del inversor, y lo más preferiblemente todos ellos, se calentarán durante cierto período de tiempo o hasta el umbral de temperatura, antes de que se inhabilite el estado de cortocircuito.
La fuente de energía de CC normalmente proporcionará una corriente nominal cuando está funcionando normalmente y una corriente de cortocircuito cuando está en una condición de cortocircuito. La presente invención es particularmente aplicable a sistemas de inversores solares en los que la fuente de energía de CC comprende uno o más paneles fotovoltaicos (FV). Esto se debe a que la corriente de cortocircuito de los paneles fotovoltaicos es solo moderadamente más alta, por ejemplo, alrededor del 10 % al 20 %, que su corriente nominal cuando los paneles fotovoltaicos funcionan en su punto de máxima potencia (MPP). Pero se entenderá fácilmente que la presente invención también es aplicable a otros tipos de fuentes de alimentación de CC, por ejemplo, algunos tipos de batería o pila de combustible.
El inversor puede utilizar cualquier conmutador semiconductor controlable adecuado, por ejemplo, IGBT y diodos conectados en antiparalelo, que se pueden disponer en cualquier topología adecuada, por ejemplo, topología VSC de dos niveles o una topología VSC pilotada por punto neutro (NPP) de tres niveles, y se puede controlar para que se encienda y apague mediante un controlador. Los dispositivos semiconductores se seleccionarán para tener valores nominales de tensión y corriente con referencia a la topología particular del inversor que permite al inversor transportar de manera regular y segura la corriente de cortocircuito de la fuente de energía de CC cuando el inversor funciona en el estado de cortocircuito.
El inversor puede incluir una pluralidad de tramos de fase con cada tramo de fase conectado en paralelo entre carriles de CC positivos y negativos del inversor y a un terminal de salida de CA respectivo de modo que el inversor proporcione una tensión de salida de CA multifase. Los carriles de CC positivo y negativo del inversor se pueden conectar o definir los terminales de entrada de CC del inversor. Cada tramo de fase incluirá una pluralidad de conmutadores semiconductores y diodos opcionales dispuestos según la topología particular. Al menos algunos de los conmutadores semiconductores en cada tramo de fase se conectarán en serie entre los terminales de CC del inversor, es decir, entre los carriles de CC positivo y negativo, o entre uno de los carriles de CC positivo y negativo y cualquier carril de CC intermedio o punto, ciertos conmutadores semiconductores de dos o más de los tramos de fase pueden proporcionar una única ruta de cortocircuito entre los carriles de CC positivo y negativo a través del carril o punto de CC intermedio. Para poner el inversor en estado de cortocircuito, se controlan los conmutadores semiconductores apropiados de al menos un tramo de fase para que se enciendan de modo que una corriente de cortocircuito generada por la fuente de energía de CC pueda fluir directamente entre los carriles de CC positivo y negativo. Los conmutadores semiconductores en los tramos de fase pueden activarse todos simultáneamente o en una secuencia apropiada dentro de un tramo de fase particular o a modo de tramo de fase por tramo de fase, por ejemplo. Una secuencia apropiada puede incluir un patrón de conmutación adecuado para los conmutadores semiconductores en uno o más de los tramos de fase. Un patrón de conmutación de este tipo puede funcionar a cualquier frecuencia de conmutación adecuada, por ejemplo, de 5 Hz a 5 kHz; una frecuencia de conmutación más alta normalmente significa mayores pérdidas de conmutación y, por lo tanto, mejor calentamiento.
Puede proporcionarse una única ruta de corriente de cortocircuito a través de uno o más de los tramos de fase, o pueden proporcionarse dos o más rutas de corriente de cortocircuito paralelas a través de dos o más de los tramos de fase al mismo tiempo. Se puede proporcionar una ruta de cortocircuito a través de un primer tramo de fase, luego a través de un segundo tramo de fase, luego a través de un tercer tramo de fase, luego a través del primer tramo de fase, y así sucesivamente, o se pueden proporcionar rutas de cortocircuito paralelas a través de los tramos de fase primero y segundo, luego a través de los tramos de fase segundo y tercero, luego a través de los tramos de fase primero y tercero, luego a través de los tramos de fase primero y segundo, y así sucesivamente, por ejemplo. Los conmutadores semiconductores se pueden controlar de cualquier forma adecuada, opcionalmente con referencia a la corriente de cortocircuito en el enlace de CC, y se pueden encender para proporcionar una ruta de cortocircuito durante cualquier período de tiempo adecuado. Se entenderá que no debe haber intermedio entre las rutas de cortocircuito porque esto conduciría a que se carguen los condensadores en el enlace de CC. Entonces, si los conmutadores semiconductores conectados en serie en los tramos de fase se encienden a modo de tramo de fase por tramo por fase, por ejemplo, es importante que haya cierta superposición entre las rutas de cortocircuito.
Cuando el inversor está en estado de cortocircuito, las pérdidas de conducción en los conmutadores semiconductores que son el resultado de transportar la corriente de cortocircuito harán que aumente la temperatura de los conmutadores semiconductores (y de cualquier diodo acoplado térmicamente). En algunas disposiciones, los diodos conectados en antiparalelo también pueden calentarse directamente por pérdidas de conducción como resultado de transportar la corriente de cortocircuito. Por lo tanto, la corriente de cortocircuito de la fuente de energía de CC se utiliza para precalentar los dispositivos semiconductores del inversor durante cierto período de tiempo o para que la temperatura del inversor (por ejemplo, la temperatura de unión de al menos uno de los dispositivos semiconductores) supere un umbral de temperatura. El aumento de la temperatura de los dispositivos semiconductores a aproximadamente 75 °C en el arranque del inversor, es decir, antes de que los dispositivos semiconductores experimenten altas tensiones de bloqueo durante el funcionamiento normal posterior del inversor, puede reducir significativamente las tasas de fallos. Es posible que aumentar la temperatura de los dispositivos semiconductores a una temperatura más baja (por ejemplo, alrededor de 5-25 °C) en el arranque del inversor no proporcione todos los beneficios en términos de reducción de las tasas de fallos, pero permite una temperatura mínima de funcionamiento para los dispositivos semiconductores que se obtienen sin necesidad de calentamiento externo.
Los dispositivos semiconductores del inversor normalmente se enfrían mediante un sistema de refrigeración durante el funcionamiento normal. En particular, el calor generado como resultado de las pérdidas de conducción y conmutación durante el funcionamiento del inversor debe eliminarse para evitar el sobrecalentamiento de los dispositivos semiconductores. Al menos cuando los dispositivos semiconductores se precalientan deliberadamente en el arranque del inversor, el sistema de refrigeración se puede controlar adecuadamente o incluso inhabilitarse temporalmente para no dificultar ese proceso. En algunos casos, el sistema de refrigeración se puede controlar de forma adecuada para influir deliberadamente en el precalentamiento de los dispositivos semiconductores, por ejemplo para asegurar que los dispositivos semiconductores se calientan según un perfil de calentamiento particular.
El sistema inversor puede incluir un conmutador de CC conectado entre la fuente de energía de CC y los terminales de entrada de CC del inversor, es decir, como parte del enlace de CC. El sistema inversor también puede incluir un circuito de CA conectado al (los) terminal(es) de salida de CA del inversor y conectable a una red de suministro de CA o red pública. El circuito de CA puede incluir un conmutador de CA y un transformador, así como filtros de línea de CA, etc. Los terminales de salida de CA del inversor se pueden conectar al conmutador de CA y el conmutador de CA se puede conectar, a su vez, a un devanado primario del transformador, con un devanado secundario del transformador que se puede conectar a la red de suministro de CA o red pública. El circuito de CA puede tener cualquier número adecuado de fases, pero tres fases serían típicas con el inversor con patas trifásicas, tres terminales de salida de CA, etc.
En el caso de un sistema inversor solar, el conmutador de CC normalmente se cerrará durante la noche de modo que el inversor permanezca conectado a uno o más paneles fotovoltaicos que no generarán energía. El conmutador de CA normalmente está abierto durante la noche para desconectar el sistema inversor solar de la red eléctrica de CA o de la red pública.
El método puede iniciarse en cualquier momento adecuado, por ejemplo, antes del amanecer, de modo que el inversor haga la transición del estado apagado al estado de cortocircuito antes de que los paneles fotovoltaicos comiencen a generar energía. El método también puede iniciarse durante el día, por ejemplo, después del mantenimiento o reparación y donde el conmutador de CC y el conmutador de CA están normalmente abiertos.
El método puede iniciarse en respuesta a un comando de arranque.
El método puede iniciarse con el conmutador de CC abierto o cerrado. El conmutador de CA debe estar abierto cuando el inversor está en estado de cortocircuito. El conmutador de CA puede cerrarse después de que el inversor haya hecho la transición al estado operativo; véase más adelante.
El método puede incluir además la etapa de determinar si la tensión de enlace de CC supera un primer umbral de tensión. En una disposición, donde el conmutador de CC se cierra en el arranque, si se supera el primer umbral de tensión, el método puede incluir además las etapas de abrir el conmutador de CC, descargar el enlace de CC hasta que la tensión de enlace de CC no supere el primer umbral de tensión, hacer la transición del inversor del estado apagado al estado de cortocircuito y cerrando el conmutador de CC. Si no se supera el primer umbral de tensión, el método puede incluir además la etapa de hacer la transición del inversor del estado apagado al estado de cortocircuito. En otras palabras, el inversor solo hace la transición del estado apagado al estado de cortocircuito si la tensión de enlace de CC no supera un primer umbral de tensión, por ejemplo, en el intervalo entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100 VCC. Si la tensión de enlace de CC supera el primer umbral de tensión, indicaría que los condensadores del enlace de CC también están cargados hasta la tensión de enlace de CC. Esto podría suceder si, por ejemplo, el método se inicia después del amanecer de manera que los paneles fotovoltaicos ya hayan comenzado a generar energía y el conmutador de CC esté inicialmente cerrado. Si el inversor hace la transición al estado de cortocircuito, los condensadores en el enlace de CC también sufrirían un cortocircuito y esto daría lugar a una corriente de cortocircuito inaceptablemente alta que podría provocar daños graves a los dispositivos semiconductores. La apertura del conmutador de CC si la tensión de enlace de CC supera el primer umbral de tensión permite que se descargue el enlace de CC. En particular, permite descargar los condensadores en el enlace de CC, ya sea de forma pasiva a través de una resistencia de descarga esperando un período de tiempo, o activamente realizando un funcionamiento adecuado del inversor o alguna otra acción. Una vez que se descargan los condensadores, el inversor puede hacer la transición de forma segura al estado de cortocircuito y el conmutador de CC puede cerrarse para conectar la fuente de energía de CC.
En una disposición, donde el conmutador de CC está abierto en el arranque, si la tensión de enlace de CC supera un primer umbral de tensión (como se ha definido anteriormente), el método puede incluir además las etapas de descargar el enlace de CC hasta que la tensión de enlace de CC no supere el primer umbral de tensión, hacer la transición del inversor del estado apagado al estado de cortocircuito y cierre el conmutador de CC. Si la tensión de enlace de CC no supera el primer umbral de tensión, el método puede incluir además las etapas de hacer la transición del inversor del estado apagado al estado de cortocircuito y cerrar el conmutador de CC. Si el método se inicia con el conmutador de CC abierto, normalmente se esperará que los condensadores en el enlace de CC no se carguen, por lo que se habilitará el estado de cortocircuito del inversor. Pero si este no es el caso, el enlace de CC se descarga como se describe anteriormente hasta que la tensión de enlace de CC no supere el primer umbral de tensión. Una vez que se descargan los condensadores, el inversor puede hacer la transición de forma segura al estado de cortocircuito y el conmutador de CC puede cerrarse para conectar la fuente de energía de CC.
Los conmutadores semiconductores del inversor se pueden controlar para inhabilitar el estado de cortocircuito, por ejemplo, para hacer la transición del inversor del estado de cortocircuito al estado apagado o a un estado cero donde la tensión de salida de CA del inversor es cero o aproximadamente cero. En el estado cero, todos los conmutadores semiconductores se controlan para que estén en un estado de conmutación adecuado (es decir, encendido o apagado) de modo que cada fase de salida del inversor esté conectada al mismo nivel de tensión de CC y la tensión de salida de CA instantánea sea cero.
En una disposición, la transición del estado de cortocircuito al estado apagado o al estado cero puede tener lugar después de que haya transcurrido cierto período de tiempo o solo cuando la temperatura del inversor supere el umbral de temperatura (véase arriba). La transición del estado de cortocircuito al estado de apagado o al estado cero puede usar una secuencia de temporización que comienza cuando el estado de cortocircuito está habilitado, por ejemplo. Una secuencia de temporización de este tipo puede seleccionarse de modo que la temperatura del inversor aumente pero no se supere un umbral de temperatura máxima.
En una disposición, el estado de cortocircuito se inhabilita solo cuando (i) la temperatura del inversor supera el umbral de temperatura y/o (ii) la potencia de salida de la fuente de energía de CC supera un umbral de potencia. Preferiblemente, ambos criterios (i) y (ii) se cumplirán antes de que el inversor haga la transición del estado de cortocircuito al estado desactivado o al estado cero. Si la temperatura del inversor no supera el umbral de temperatura y la potencia de salida de la fuente de energía de CC no supera el umbral de potencia, el inversor normalmente se mantendrá en estado de cortocircuito. Por lo general, no hay límite en cuanto al tiempo que el inversor puede permanecer en el estado de cortocircuito hasta que se cumplan los criterios (i) y (ii). Pero se entenderá que se pueden tomar medidas de protección separadas si el umbral de potencia aún no se ha superado pero la temperatura del inversor supera un umbral de temperatura máxima que es superior al umbral de temperatura para el criterio (i) y se puede seleccionar para evitar que los dispositivos semiconductores se dañen. Se pueden tomar medidas de protección separadas si aún no se ha superado el umbral de temperatura, pero la potencia de salida de los paneles fotovoltaicos (o la corriente de cortocircuito) supera un umbral de potencia (o corriente) máxima, por ejemplo. Se tomarían las medidas de protección adecuadas, como inhabilitar el funcionamiento del sistema inversor.
La potencia de salida disponible de la fuente de energía de CC puede determinarse por cualquier medio apropiado, por ejemplo, midiendo la corriente de cortocircuito en el enlace de CC y usándola para derivar la potencia de salida disponible que luego se compara con el umbral de potencia. En el caso de que la fuente de energía de CC sea uno o más paneles fotovoltaicos, la relación entre la corriente de cortocircuito y la potencia de salida disponible de los paneles fotovoltaicos es bien conocida; véase la Figura 10, por ejemplo. La corriente de cortocircuito puede medirse mediante un sensor adecuado (por ejemplo, un transductor de corriente) en el enlace de CC, típicamente entre los condensadores del enlace de CC y la fuente de energía de CC. El mismo sensor también es capaz de proporcionar una medición de la corriente de enlace de CC durante otros estados operativos del inversor. También se puede proporcionar un sensor de tensión adecuado en el enlace de CC para medir la tensión de enlace de CC.
El umbral de potencia puede ser aproximadamente el 2 % de la potencia nominal del inversor, por ejemplo.
Una vez que el inversor ha realizado la transición al estado apagado o al estado cero, la fuente de energía de CC se utiliza para precargar el enlace de CC y, en particular, para cargar los condensadores en el enlace de CC.
El método puede comprender además la etapa de controlar los conmutadores semiconductores del inversor para hacer la transición del inversor del estado apagado o del estado cero a un estado operativo, por ejemplo, donde el inversor se controla convencionalmente. La etapa de transición del inversor del estado apagado o del estado cero al estado operativo puede llevarse a cabo si la tensión de enlace de CC supera un segundo umbral de tensión. El segundo umbral de tensión puede estar en el intervalo entre aproximadamente 800 y aproximadamente 1000 VCC, por ejemplo, y puede seleccionarse como una tensión operativa mínima para el sistema inversor.
Como se mencionó anteriormente, durante el estado apagado o el estado cero, la fuente de energía de CC cargará el enlace de CC. A continuación, el inversor puede hacer la transición al estado operativo cuando la tensión de enlace de CC haya alcanzado una tensión de funcionamiento mínima (por ejemplo, 900 VCC) que permita exportar energía de forma útil desde la fuente de energía de CC a la red de suministro de CA o la red pública, por ejemplo. Dado que se ha alcanzado el umbral de potencia de CC, la tensión de enlace de CC aumentará muy rápidamente después de que el inversor haga la transición del estado de cortocircuito al estado apagado o al estado cero. Esto significa que la temperatura del inversor, y en particular la temperatura del al menos un dispositivo semiconductor, su placa base o su disipador de calor, no desciende en un grado significativo antes de que el inversor haga la transición posteriormente al estado operativo.
La presente invención proporciona además un sistema inversor (por ejemplo, un sistema inversor solar que puede formar parte de una planta de energía solar) según la reivindicación 9.
El controlador se configura para mantener el estado de cortocircuito del inversor durante un período de tiempo, o al menos hasta que una temperatura del inversor (por ejemplo, una temperatura de unión de al menos uno de los dispositivos semiconductores) supere un umbral de temperatura.
El controlador puede configurarse para inhabilitar el estado de cortocircuito, por ejemplo, para hacer la transición del inversor del estado de cortocircuito al estado apagado o un estado cero como se describe con más detalle anteriormente.
El sistema inversor preferiblemente no necesita un aparato externo para precargar el enlace de CC que conecta los terminales de entrada de CC del inversor a la fuente de energía de CC.
El enlace de CC puede incluir uno o más condensadores.
El controlador puede recibir energía del enlace de CC, por ejemplo, por medio de un convertidor de energía interpuesto o de una fuente de energía externa adecuada. En su implantación práctica más simple, el sistema inversor no requiere una medición de tensión desde el lado de la fuente de energía de CC del conmutador de CC porque las decisiones de control se pueden tomar sobre la base de una medición de la corriente de cortocircuito como se describe en este documento.
El controlador puede estar integrado con el inversor o un controlador autónomo, por ejemplo.
El controlador puede configurarse además para llevar a cabo las etapas de método descritas en este documento. Los beneficios técnicos de la primera realización de la presente invención incluyen:
- una reducción en la tasa de fallos de los dispositivos semiconductores del inversor y un aumento en la fiabilidad y la vida útil,
- en el caso específico de un sistema inversor solar, proporciona una detección fácil y precisa de la disponibilidad de generación de energía solar antes de que arrancar el inversor, y
- no requiere un sistema de precarga separado para el enlace de CC que conecta el inversor a la fuente de energía de CC, y se puede utilizar para el arranque del inversor sin conexión a la red de suministro o la red pública.
Dibujos
La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra un sistema inversor solar según la presente invención;
La Figura 2 muestra una topología VSC de dos niveles con tres tramos de fase que se pueden implementar en el inversor solar del sistema inversor solar de la Figura 1;
La Figura 3 muestra una topología de VSC NPP de tres niveles con tres tramos de fase que pueden implementarse en el inversor solar del sistema inversor solar de la Figura 1;
La Figura 4 es un diagrama de flujo de un método para arrancar el sistema inversor solar de la Figura 1
La Figura 5 muestra una disposición con una topología VSC de dos niveles en la que se proporcionan simultáneamente tres rutas de corriente de cortocircuito paralelas a través de los tres tramos de fase durante el estado de cortocircuito; Las Figuras 6 a 8 muestran una disposición con una topología VSC de dos niveles en la que se proporciona secuencialmente una única ruta de cortocircuito a través de cada tramo de fase durante el estado de cortocircuito; La Figura 9 muestra una disposición con una topología de VSC NPP de tres niveles en la que se proporcionan dos rutas de cortocircuito paralelas simultáneamente a través de los tres tramos de fase durante el estado de cortocircuito; La Figura 10 es un gráfico que muestra la corriente frente a la tensión y la potencia frente a las curvas de tensión de un panel fotovoltaico o una distribución de paneles fotovoltaicos para diferentes niveles de insolación.
La Figura 11 es el gráfico de la Figura 10 que muestra adicionalmente los estados del inversor cuando el método se inicia al amanecer o antes con el conmutador de CC inicialmente cerrado; y
La Figura 12 es el gráfico de la Figura 10 que muestra además los estados del inversor cuando el método se inicia durante el día con el conmutador de CC abierto inicialmente.
La Figura 1 muestra un sistema inversor solar 1 según la presente invención. El sistema inversor solar 1 incluye un inversor solar 2 con dos terminales de entrada de CC 4 y tres terminales de salida de CA 6. Los terminales de entrada de CC 4 se conectan a una pluralidad de paneles fotovoltaicos (FV) 8 por medio de un enlace de CC 10. El enlace de CC 10 incluye uno o más condensadores 12 y un conmutador de CC 14.
Los terminales de CA 6 se conectan a un circuito de CA 16. El circuito de CA 16 es un circuito de CA trifásico e incluye filtros de CA 18, un conmutador de CA 20 y un transformador 22. El transformador 22 incluye un devanado primario que se conecta a los Terminales de CA 6 del inversor solar 2 y un devanado secundario que se conecta a una red de suministro de CA o red pública 24.
El inversor solar 2 incluye una pluralidad de conmutadores semiconductores controlables, por ejemplo, IGBT y diodos conectados en antiparalelo, que tienen valores nominales de tensión y corriente adecuados y que se disponen en una topología adecuada. La Figura 2 muestra una topología VSC de dos niveles con tres tramos de fase 26a, 26b y 26c. La Figura 3 muestra una topología de VSC NPP de tres niveles con tres tramos de fase 26a, 26b y 26c. Se comprenderá fácilmente que se pueden utilizar otras topologías en una implementación práctica del inversor solar. Cada tramo de fase 26a, 26b y 26c incluye un par de conmutadores semiconductores conectados en serie entre un carril de CC positivo 28 y un carril de CC negativo 30 del inversor solar 2. Los carriles de CC positivo y negativo 28, 30 se conectan a los terminales de entrada de CC 4, o definen estos, del inversor solar 2 y se conectan al enlace de CC 10. Cada tramo de fase 26a, 26b, 26c también define un respectivo terminal de salida de CA 6 del inversor solar 2 y se conecta a una fase correspondiente (es decir, U, V y W) del circuito de CA trifásico 16. En el caso de la topología VSC NPP de tres niveles que se muestra en la Figura 3, el par de conmutadores semiconductores que se conectan en serie entre los carriles de CC positivo y negativo 28, 30 definen una primera rama (o "vertical"). Cada tramo de fase 26a, 26b y 26c también incluye conmutadores semiconductores en una segunda rama (u "horizontal") que se conecta entre el punto de conexión de los conmutadores semiconductores en la primera rama y un punto de CC intermedio (etiquetado NP) del enlace de CC 10. Un primer condensador 12a se conecta entre el punto de CC intermedio y el carril de CC positivo 28 y un segundo condensador 12b se conecta entre el punto intermedio y el carril de CC negativo 30. Los conmutadores semiconductores del inversor solar 2 se controlan para ser encendidos y apagados por un controlador 32. El controlador 32 recibe energía del enlace de CC 10 a través de un convertidor de energía 34 o adicionalmente o alternativamente de una fuente de energía externa 36.
El controlador 32 recibe mediciones de la corriente de enlace de CC y la tensión de enlace de CC de sensores o transductores adecuados.
La Figura 4 es un diagrama de flujo de un método para arrancar el sistema inversor solar 1 según la presente invención. El método puede iniciarse con el conmutador de CC 14 abierto o cerrado.
El inversor solar 2 está inicialmente apagado (etapa 0). Por ejemplo, el inversor solar 2 normalmente se inhabilitará hasta que reciba una orden de arrancar; véase más adelante.
El método se inicia en respuesta a una orden de arranque (etapa 1). La orden de arranque puede recibirse de un controlador para el sistema inversor solar o la planta de energía solar, por ejemplo. Si el conmutador de CC 14 está inicialmente cerrado, la orden de arranque puede derivarse de la tensión de enlace de CC, por ejemplo, la orden de arranque puede iniciarse si la tensión de enlace de CC supera un umbral de tensión cero que normalmente sería menor que el primer umbral de tensión - véase más adelante. Al recibir la orden de arranque, se puede habilitar el inversor solar 2 pero todos los conmutadores semiconductores permanecerán en el estado apagado.
En la etapa 2, el método comprueba si la tensión de enlace de CC (Udc) supera un primer umbral de tensión (Uth1). El primer umbral de tensión puede estar en el intervalo entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100 VCC, por ejemplo. Si no se supera el primer umbral de tensión (es decir, Ucc <Uth1), el inversor solar 2 hace la transición del estado apagado a un estado de cortocircuito (etapa 3) como se describe con más detalle a continuación.
Si se supera el primer umbral de tensión (es decir, Ucc > Uth1) esto indica que los condensadores 12 en el enlace de CC 10 de CC también están cargados hasta la tensión de enlace de CC. Esto podría suceder si, por ejemplo, el método se inicia después del amanecer de modo que los paneles fotovoltaicos 8 ya hayan comenzado a generar energía y el conmutador de CC 14 esté cerrado. Si se hiciera una transición del inversor solar 2 al estado de cortocircuito, los condensadores 12 en el enlace de CC 10 también se cortocircuitarían y esto daría como resultado una corriente de cortocircuito inaceptablemente alta que podría provocar daños graves a los conmutadores semiconductores. En consecuencia, si el método se inició con el conmutador de CC 14 cerrado, el controlador 32 lo abre (etapa 4). Si el método se inició con el conmutador de CC 14 abierto, por ejemplo, después de un mantenimiento o reparación, el conmutador de CC permanece abierto. Los condensadores 12 en el enlace de CC 10 se descargan luego (etapa 5), ya sea pasivamente a través de una resistencia de descarga (no mostrada) esperando un período de tiempo, o activamente llevando a cabo una operación adecuada del inversor, por ejemplo. Una vez que los condensadores 12 se descargan y ya no se supera el primer umbral de tensión (es decir, Udc <Uth1), el inversor solar 2 puede hacer la transición de forma segura al estado de cortocircuito (etapa 3) y el conmutador de CC 14 puede ser cerrado por el controlador 32 para conectar los paneles fotovoltaicos 8 (etapa 6).
Para hacer la transición del inversor solar 2 al estado de cortocircuito, los conmutadores semiconductores de al menos uno de los tramos de fase 26a, 26b y 26c se encienden para proporcionar al menos una ruta de corriente de cortocircuito entre los carriles de CC positivo y negativo 28, 30, y en consecuencia entre los terminales de entrada de CC del inversor solar 2. Los paneles fotovoltaicos 8 están en cortocircuito y generan una corriente de cortocircuito que fluye a lo largo de la(s) ruta(s) de cortocircuito dentro del inversor solar 2. La Figura 5 muestra una disposición para las dos topologías VSC de nivel donde ambos conmutadores semiconductores en los tres tramos de fase 26a, 26b y 26c se encienden al mismo tiempo para proporcionar tres rutas de cortocircuito paralelas P1, P2 y P3 a través de los tramos de fase. Sin embargo, las Figuras 6 a 8 muestran una disposición en la que ambos conmutadores semiconductores en el primer tramo de fase 26a se encienden para proporcionar una ruta de cortocircuito P1 a través del primer tramo de fase mientras que todos los demás conmutadores semiconductores están apagados (Figura 6), luego ambos conmutadores semiconductores en el segundo tramo de fase 26b se encienden para proporcionar una ruta de cortocircuito P2 a través del segundo tramo de fase mientras que todos los demás conmutadores semiconductores están apagados (Figura 7), luego ambos conmutadores semiconductores en el tercer tramo de fase 26c se encienden para proporcionar una ruta de cortocircuito P3 a través del tercer tramo de fase mientras que todos los demás conmutadores semiconductores están apagados (Figura 8), luego ambos conmutadores semiconductores en el primer tramo de fase 26a se encienden para proporcionar una ruta de cortocircuito P1 a través del primer tramo de fase mientras que todos los demás conmutadores semiconductores están apagados (Figura 6), y así sucesivamente. Esto proporciona una ruta de cortocircuito P1, P2 y P3 a modo de tramo de fase por tramo por fase. Se entenderá que no debe haber intermedio entre las rutas de cortocircuito P1, P2 y P3 porque esto conduciría a que se carguen los condensadores en el enlace de CC 10. Entonces, si los conmutadores semiconductores conectados en serie en los tramos de fase 26a, 26b y 26c se encienden a modo de tramo de fase por tramo por fase, por ejemplo, es importante que haya algo de superposición entre las rutas de cortocircuito P1, P2 y P3. También se pueden utilizar otras formas de crear secuencialmente rutas de cortocircuito, por ejemplo crear dos rutas de cortocircuito paralelas a través de dos de los tramos de fase a la vez.
La Figura 9 muestra una disposición para la topología de VSC NPP de tres niveles donde ciertos conmutadores semiconductores en la primera y segunda rama de la primera tramo de fase 26a y ciertos conmutadores semiconductores en las rama primera y segunda del segundo tramo de fase 26b se encienden para proporcionar una ruta de cortocircuito P1 entre los carriles de CC primero y segundo 28, 30 que pasa por el punto de CC intermedio. Entonces podría proporcionarse una ruta de cortocircuito correspondiente a través de los tramos de fase segundo y tercero 26b y 26c, luego a través de los tramos de fase primero y tercero 26a y 26c, y así sucesivamente. Una ruta de cortocircuito de este tipo también puede proporcionar un calentamiento directo de los diodos antiparalelos en la segunda rama (u "horizontal") de cada tramo de fase 26a, 26b y 26c si los conmutadores semiconductores se controlan para que se enciendan y apaguen en una secuencia adecuada. Para completar, se muestra una segunda ruta de cortocircuito P2 donde ambos conmutadores semiconductores en la primera rama del tercer tramo de fase 26c están encendidos. También se pueden utilizar otras formas de crear secuencialmente rutas de cortocircuito a través de uno o más de los tramos de fase, sin intermedio.
La temperatura de los conmutadores semiconductores (y en algunos casos, los diodos conectados en antiparalelo) que transportan la corriente de cortocircuito aumentará como resultado de las pérdidas de conducción, etc. Cuando los diodos no se calientan directamente, pueden calentarse indirectamente por acoplamiento térmico con el conmutador semiconductor asociado. Por tanto, puede entenderse que mediante el control apropiado de los conmutadores semiconductores en cada tramo de fase, es posible precalentar los dispositivos semiconductores cuando se arranca el inversor solar 2 y antes de que se apliquen posteriormente las altas tensiones de bloqueo durante el funcionamiento normal. Este precalentamiento puede reducir significativamente las tasas de fallos provocadas por la radiación cósmica, como los SEB, que se sabe que dependen en gran medida de la tensión de bloqueo y la temperatura de conmutador. Este precalentamiento también puede permitir que se obtenga una temperatura mínima de funcionamiento para los dispositivos semiconductores sin necesidad de calentamiento externo.
En la etapa 7 del diagrama de flujo de la Figura 4, se determina la potencia de salida disponible de los paneles fotovoltaicos 8, por ejemplo, utilizando la corriente de cortocircuito medida.
En la etapa 8, el método comprueba si una temperatura (Tj) de uno o más de los dispositivos semiconductores, por ejemplo, una temperatura de unión, supera un umbral de temperatura (Tth). La temperatura puede medirse, directa o indirectamente, estimarse o determinarse de otro modo de cualquier forma adecuada como se describe en el presente documento. En una disposición, el umbral de temperatura puede estar en el intervalo entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 125 °C y más preferiblemente entre aproximadamente 75 °C y aproximadamente 100 °C, por ejemplo. En otra disposición, el umbral de temperatura puede estar en el intervalo entre aproximadamente 5 °C y aproximadamente 25 °C, por ejemplo. Si no se supera el umbral de temperatura (es decir, TJ <TTH), el inversor solar 2 se mantiene en estado de cortocircuito; el método vuelve a la etapa 3. Si se supera el umbral de temperatura (es decir, Tj > Tth), el método pasa a la etapa 9.
En la etapa 9, el método comprueba si la potencia de salida disponible determinada de los paneles fotovoltaicos (Ppv) supera un umbral de potencia (Pth). El umbral de potencia puede ser aproximadamente el 2 % de la potencia nominal del inversor. Entonces, para una gran planta de energía solar moderna donde el inversor solar puede tener una potencia nominal de 4 MW 1500 VCC, por ejemplo, el umbral de potencia sería de aproximadamente 80 kW. Si no se supera el umbral de potencia (es decir, Ppv <Pth), el inversor solar 2 se mantiene en estado de cortocircuito; el método vuelve a la etapa 3. Si se supera el umbral de potencia (es decir, Ppv > Pth), el inversor solar 2 hace la transición a un estado cero (etapa 10). Aunque no se muestra, se pueden tomar medidas de protección separadas si el umbral de potencia aún no se ha superado pero la temperatura del inversor supera un umbral de temperatura máximo seleccionado para evitar que se dañen los conmutadores semiconductores y/o los diodos. Se pueden tomar medidas de protección separadas si aún no se ha superado el umbral de temperatura, pero la potencia de salida de los paneles fotovoltaicos (o la corriente de cortocircuito) supera un umbral de potencia (o corriente) máxima, por ejemplo. Se tomarían las medidas de protección adecuadas, como inhabilitar el funcionamiento del sistema inversor.
En el estado cero, la tensión de salida de CA del inversor solar 2 es cero o aproximadamente cero. En particular, para hacer la transición del inversor solar 2 del estado de cortocircuito al estado cero, los conmutadores semiconductores en cada tramo de fase 26a, 26b y 26c se conmutan a un estado de conmutación adecuado de modo que cada fase de salida del inversor solar (es decir, U, V y W) se conecta al mismo nivel de tensión de CC, p. ej. a los carriles de CC positivos o negativos 28, 30 que se muestran en la Figura 2. Durante el estado cero, los paneles fotovoltaicos 8 se utilizan para precargar el enlace de CC 10 y, en particular, para cargar los condensadores 12 en el enlace de CC.
En la etapa 11, el método comprueba si la tensión de enlace de CC (Ucc) supera un segundo umbral de tensión (Uth2). Si no se supera el segundo umbral de tensión (es decir, Ucc <Uth2), el inversor solar 2 se mantiene en estado cero, el método vuelve a la etapa 10 y el enlace de CC continúa cargándose. Si se supera el segundo umbral de tensión (es decir, Ucc > Uth2), el inversor solar 2 hace la transición a un estado operativo (etapa 12), es decir, donde se inicia el funcionamiento normal del inversor solar. El segundo umbral de tensión puede estar en el intervalo entre aproximadamente 800 y aproximadamente 1000 VCC, por ejemplo, y puede seleccionarse como una tensión operativa mínima para el sistema inversor solar. Puede establecerse con referencia a los parámetros de funcionamiento del sistema inversor solar o de la planta de energía solar para permitir que la energía se pueda exportar de manera útil desde los paneles fotovoltaicos 8 a la red de suministro de CA o la red pública 24, por ejemplo.
En una disposición alternativa, en lugar de hacer la transición del inversor solar 2 del estado de cortocircuito al estado cero, también es posible inhabilitar el estado de cortocircuito y hacer la transición del inversor solar al estado de apagado, es decir, donde todos los conmutadores semiconductores están en el estado apagado. El resto del método será el mismo.
La Figura 10 es un gráfico que muestra la corriente frente a la tensión y la potencia frente a las curvas de tensión de un panel fotovoltaico o una distribución de paneles fotovoltaicos para diferentes niveles de insolación.
Las Figuras 11 y 12 son gráficos que muestran las mismas curvas que la Figura 10 pero donde también se indican los estados del inversor. En particular, la Figura 11 indica los estados del inversor cuando el método de la Figura 4 se inicia antes del amanecer. El conmutador de CC 14 está inicialmente cerrado, es decir, la tensión de enlace de CC es cero o sustancialmente cero. En el punto A no hay insolación de los paneles fotovoltaicos 8, por lo que no hay tensión de circuito abierto y el inversor solar 2 está apagado. Se inicia el método y el inversor solar 2 hace la transición al estado de cortocircuito. Permanece en el punto A ya que todavía no hay insolación de los paneles fotovoltaicos 8. Después del amanecer, los paneles fotovoltaicos 8 comienzan a generar corriente de cortocircuito y el punto de funcionamiento se mueve a la curva correspondiente al nivel de insolación real hacia el punto B.
Cuando los conmutadores semiconductores se han precalentado, el inversor solar 2 hace la transición del estado de cortocircuito (punto B) al estado cero donde comienza la precarga del enlace de CC 10 por los paneles fotovoltaicos 8. El punto de funcionamiento se mueve hacia el punto C. En el punto C, la tensión de enlace de CC supera el segundo umbral de tensión (por ejemplo, 900 VCC) y el inversor solar 2 hace la transición al estado de funcionamiento. En particular, se puede iniciar el funcionamiento del inversor solar para llevarlo a un estado de funcionamiento normal (punto D) en el punto de máxima potencia (MPP) para los paneles fotovoltaicos 8 en el nivel de insolación real.
La Figura 12 indica los estados de inversor cuando el método de la Figura 4 se inicia durante el día con el conmutador de CC 14 inicialmente abierto, es decir, con una alta tensión de circuito abierto en los terminales del lado del panel fotovoltaico del conmutador de CC, y el inversor solar está en el estado apagado (punto A). Se inicia el método y el inversor solar 2 hace la transición al estado de cortocircuito. El punto de funcionamiento se mueve a la curva correspondiente al nivel de insolación real hacia el punto B y el conmutador de CC 14 se cierra. Cuando los conmutadores semiconductores se han precalentado, el inversor solar 2 hace la transición del estado de cortocircuito (punto B) al estado cero donde comienza la precarga del enlace de CC 10 por los paneles fotovoltaicos 8. El punto de funcionamiento se mueve hacia el punto C. En el punto C, la tensión de enlace de CC supera el segundo umbral de tensión (por ejemplo, 900 VCC) y el inversor solar 2 hace la transición al estado de funcionamiento. En particular, se puede iniciar el funcionamiento del inversor solar para llevarlo a un estado de funcionamiento normal (punto D) en el MPP para los paneles fotovoltaicos 8 en el nivel de insolación real.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un método para controlar un sistema inversor (1) que comprende:
una fuente de energía CC de corriente continua (8); y
un inversor (2) que incluye una pluralidad de dispositivos semiconductores, incluyendo cada dispositivo semiconductor al menos un conmutador semiconductor controlable, teniendo inversores terminales de entrada de CC (4) conectados a la fuente de energía de CC (8) por medio de un enlace de CC (10) y al menos un terminal de salida de CA de corriente alterna (6);
en donde el método comprende la etapa de:
con el inversor (2) inicialmente en un estado apagado, habilitar un estado de cortocircuito del inversor (2) al controlar los conmutadores semiconductores del inversor (2) para crear un cortocircuito entre los terminales de entrada de CC (4) de modo que el inversor (2) lleva una corriente sustancialmente igual a la corriente de cortocircuito de la fuente de energía de CC (8) y mantiene el estado de cortocircuito del inversor (2) durante un período de tiempo, o al menos hasta que una temperatura del inversor (2) supera un umbral de temperatura, para precalentar los dispositivos semiconductores.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde la temperatura del inversor (2) es una temperatura asociada con al menos uno de los dispositivos semiconductores.
3. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el inversor (2) incluye una pluralidad de tramos de fase (26a, 26b, 26c), en donde durante el estado de cortocircuito, los conmutadores semiconductores de al menos un tramo de fase se controlan para que se enciendan de modo que una corriente de cortocircuito fluya entre los terminales de entrada de CC (4) del inversor (2).
4. Un método según la reivindicación 3, en donde los conmutadores semiconductores conectados en serie en cada tramo de fase (26a, 26b, 26c) se encienden simultáneamente o en una secuencia apropiada.
5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema inversor incluye un conmutador de CC (14) conectado entre la fuente de energía de CC (8) y los terminales de entrada de CC (4) del inversor (2), en donde con el conmutador de CC (14) cerrado, el método comprende además las etapas de:
si la tensión de enlace de CC supera un primer umbral de tensión:
abrir el conmutador de CC (14),
descargar el enlace de CC (10) hasta que la tensión de enlace de CC no supere el primer umbral de tensión,
hacer la transición del inversor (2) del estado apagado al estado de cortocircuito, y y
cerrar el conmutador de CC (14);
o
si la tensión de enlace de CC no supera el primer umbral de tensión:
hacer la transición del inversor (2) del estado apagado al estado de cortocircuito.
6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el sistema inversor incluye un conmutador de CC (14) conectado entre la fuente de energía de CC (8) y los terminales de entrada de CC (4) del inversor (2), en donde con el conmutador de CC (14) abierto, el método comprende además las etapas de:
si la tensión de enlace de CC supera un primer umbral de tensión:
descargar el enlace de CC (10) hasta que la tensión de enlace de CC no supere el primer umbral de tensión,
hacer la transición del inversor (2) del estado apagado al estado de cortocircuito, y y
cerrar el conmutador de CC (14);
o
si la tensión de enlace de CC no supera el primer umbral de tensión:
hacer la transición del inversor (2) del estado apagado al estado de cortocircuito, y
y
cerrar el conmutador de CC (14);
7. Un método según cualquier reivindicación anterior, que comprende además la etapa de inhabilitar el estado de cortocircuito mediante la transición del inversor (2) al estado apagado o a un estado cero donde la tensión de salida de CA del inversor (2) es cero o aproximadamente cero, cuando (i) la temperatura del inversor (2) supera el umbral de temperatura, y/o (ii) la potencia de salida de la fuente de energía de CC (8) supera un umbral de potencia.
8. Un método según la reivindicación 7, que comprende además la etapa de hacer la transición del inversor (2) del estado apagado o del estado cero a un estado operativo; por ejemplo, cuando la tensión de enlace de CC supera un segundo umbral de tensión.
9. Un sistema inversor (1) que comprende:
una fuente de energía de CC (8);
un inversor (2) que incluye una pluralidad de dispositivos semiconductores, incluyendo cada dispositivo semiconductor al menos un conmutador semiconductor controlable, teniendo el inversor (2) terminales de entrada de CC (4) conectados a la fuente de energía de CC (8) por medio de un enlace de CC (10) y al menos un terminal de salida de CA (6); y
un controlador (32);
en donde el controlador (32) se configura para:
con el inversor (2) inicialmente en un estado apagado, habilitar un estado de cortocircuito del inversor (2) al controlar los conmutadores semiconductores del inversor (2) para crear un cortocircuito entre los terminales de entrada de CC (4) de modo que el inversor (2) lleva una corriente sustancialmente igual a la corriente de cortocircuito de la fuente de energía de CC (8); y
en donde el controlador (32) se configura además para mantener el estado de cortocircuito del inversor (2) durante un período de tiempo, o al menos hasta que la temperatura de al menos uno de los dispositivos semiconductores supere un umbral de temperatura, para precalentar los dispositivos semiconductores.
10. Un sistema inversor (1) según la reivindicación 9, en donde el controlador (32) se configura además para inhabilitar el estado de cortocircuito mediante la transición del inversor (2) al estado apagado o a un estado cero donde la tensión de salida de CA del inversor (2) es cero o aproximadamente cero, cuando (i) la temperatura del inversor (2) supera el umbral de temperatura y/o (ii) la potencia de salida de la fuente de energía de CC (8) supera un umbral de potencia.
11. Un sistema inversor (1) según la reivindicación 10, en donde el controlador (32) se configura además para hacer la transición del inversor (2) desde el estado apagado o el estado cero a un estado operativo; por ejemplo, cuando la tensión de enlace de CC supera un segundo umbral de tensión.
12. Un sistema inversor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende además un conmutador de CC (14) conectado entre la fuente de energía de CC (8) y los terminales de entrada de CC (4) del inversor (2) y un circuito de CA (16) conectado a los terminales de salida de CA (6) del inversor (2) y conectable a una red de suministro de CA o red pública (24).
13. Un sistema inversor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, que es un sistema inversor solar, en donde el inversor es un inversor solar (2) y la fuente de energía de CC comprende uno o más paneles fotovoltaicos (8).
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