ITBA20120033A1 - MANAGEMENT AND CONTROL SYSTEM OF POWER OPTIMIZERS, IN THE EVENT OF THEIR BREAKDOWN OR FAILURE. - Google Patents

MANAGEMENT AND CONTROL SYSTEM OF POWER OPTIMIZERS, IN THE EVENT OF THEIR BREAKDOWN OR FAILURE. Download PDF

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ITBA20120033A1
ITBA20120033A1 IT000033A ITBA20120033A ITBA20120033A1 IT BA20120033 A1 ITBA20120033 A1 IT BA20120033A1 IT 000033 A IT000033 A IT 000033A IT BA20120033 A ITBA20120033 A IT BA20120033A IT BA20120033 A1 ITBA20120033 A1 IT BA20120033A1
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Italy
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IT000033A
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Giuseppe Volpe
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Matrix Spa
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Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: “SISTEMA DI GESTIONE E CONTROLLO DEGLI OTTIMIZZATORI DI POTENZA. IN CASO DI LORO ROTTURA O GUASTO†Description of the Industrial Invention entitled: â € œPOWER OPTIMIZER MANAGEMENT AND CONTROL SYSTEM. IN THE EVENT OF THEIR BREAKAGE OR FAILUREâ €

La presente invenzione concerne un sistema di gestione e controllo degli ottimizzatori di potenza, in caso di loro rottura o guasto. The present invention relates to a system for managing and controlling power optimizers in the event of their breakdown or failure.

Gli ottimizzatori di potenza, oggi sempre più diffusi, in particolare sull’attuale vivace mercato del fotovoltaico, sono dispositivi che consentono di ottimizzare la potenza erogabile di un impianto producente energia elettrica. Power optimizers, which are becoming more and more common today, especially on the current lively photovoltaic market, are devices that allow you to optimize the power that can be supplied in a plant that produces electricity.

Nella tecnica sino ad oggi nota nel campo dei sistemi di gestione e controllo degli ottimizzatori di potenza, specialmente nel caso di loro rottura o guasto, sono stati individuati fondamentalmente i seguenti brevetti: In the technique known up to now in the field of power optimizer management and control systems, especially in the event of their breakage or failure, the following patents have basically been identified:

> il brevetto statunitense US 7,602,080 B1 con data di priorità 25/03/2009, concesso il 13/10/2009, concernente vari sistemi e metodi per bilanciare le correnti di una pluralità di celle fotovoltaiche collegate in serie in un impianto fotovoltaico; > the US patent US 7,602,080 B1 with priority date 25/03/2009, granted on 13/10/2009, concerning various systems and methods for balancing the currents of a plurality of photovoltaic cells connected in series in a photovoltaic system;

> il brevetto statunitense US 7,605,498 B2 con data di priorità 30/01/2009, concesso il 20/10/2009, concernente un converter ad alta efficienza per impianti fotovoltaici, munito di impedenza di tipo “switch-mode†, con rendimenti del 97%, 98% e 99.2%; > the US patent US 7,605,498 B2 with priority date 30/01/2009, granted on 20/10/2009, concerning a high efficiency converter for photovoltaic systems, equipped with a â € œswitch-modeâ € impedance, with yields of 97%, 98% and 99.2%;

> il brevetto statunitense US 2011/0140536 A1 con data di priorità 24/02/2011, pubblicato il 16/06/2011, concernente un circuito convertitore munito di: una pluralità di percorsi by-pass atti a garantire un collegamento in serie di vari convertitori e diodi per impedire il riflusso di correnti; cortocircuitando i percorsi danneggiati o maifunzionanti nel caso di guasto dei relativi componenti, con lo svantaggio di non consentire il flusso della corrente elettrica prodotta dal modulo a cui l’ottimizzatore di potenza à ̈ collegato. > the US patent US 2011/0140536 A1 with priority date 24/02/2011, published on 16/06/2011, concerning a converter circuit equipped with: a plurality of by-pass paths designed to guarantee a series connection of various converters and diodes to prevent backflow of currents; short-circuiting the damaged or non-functioning paths in case of failure of the relative components, with the disadvantage of not allowing the flow of the electric current produced by the module to which the power optimizer is connected.

Detto svantaggio fondamentale rappresentato dal brevetto US 7,602,080 B1 à ̈ dovuto fondamentalmente proprio al fatto che l’energia elettrica del modulo fotovoltaico sul quale à ̈ collegato di potenza (in inglese “Power Optimizer†, anche semplicemente indicato nel gergo tecnico con l’acronimo “P.O.†) oggetto di guasto viene persa, in seguito all’interruzione del circuito elettrico e la conseguente attivazione del circuito by-pass (la connessione presente come percorso alternativo indicato in detto brevetto col percorso 114-107-112) che esclude il modulo fotovoltaico corrispondente al P.O. guasto. Il “mosfet†Q1 (mosfet à ̈ un acronimo del termine anglosassone “field effect transistor based on metal oxid semiconductor†, vale a dire un circuito fungente da transistor costituito da semiconduttore di ossido di metallo) non più controllato in fase di guasto del "controller†109 si comporta come un interruttore aperto (si veda la figura 3 di detto brevetto). Nella figura 2 di detto brevetto statunitense un tecnico del settore evince facilmente che Q1 funge da interruttore aperto in caso di guasto del PO. Said fundamental disadvantage represented by the US patent 7,602,080 B1 is basically due to the fact that the electricity of the photovoltaic module on which it is connected to power (in English â € œPower Optimizerâ €, also simply indicated in the technical jargon with the ™ acronym â € œP.O.â €) object of the fault is lost, following the interruption of the electrical circuit and the consequent activation of the by-pass circuit (the connection present as an alternative path indicated in said patent with path 114- 107-112) which excludes the photovoltaic module corresponding to the P.O. broken down. The â € œmosfetâ € Q1 (mosfet is an acronym of the Anglo-Saxon term â € œfield effect transistor based on metal oxid semiconductorâ €, that is to say a circuit acting as a transistor consisting of a metal oxide semiconductor) no longer controlled in the failure phase of the "controller" 109 behaves like an open switch (see figure 3 of said patent). In figure 2 of said United States patent a person skilled in the art can easily understand that Q1 acts as an open switch in case of PO failure.

Analogamente lo svantaggio fondamentale rappresentato dal brevetto US 7,605,498 B2 à ̈ dovuto fondamentalmente anche in questo caso al fatto che l’energia elettrica del modulo fotovoltaico sul quale à ̈ collegato l’ottimizzatore di potenza oggetto di guasto non à ̈ più utilizzabile, perché viene persa per interruzione del circuito elettrico. Il diodo mosso dal “mosfet" T23 di cui alla figura 5 di detto brevetto, infatti, in caso di guasto, non consente il passaggio di corrente elettrica. Il by-pass à ̈ garantito dal circuito T24, perdendo ad ogni modo la possibilità di recuperare l’energia elettrica prodotta dal modulo fotovoltaico isolato. Similarly, the fundamental disadvantage represented by the US patent 7,605,498 B2 is basically due also in this case to the fact that the electricity of the photovoltaic module on which the faulty power optimizer is connected is no longer usable, because © is lost due to an interruption in the electrical circuit. The diode moved by the â € œmosfet "T23 referred to in figure 5 of said patent, in fact, in the event of a fault, does not allow the passage of electric current. The by-pass is guaranteed by the T24 circuit, in any case losing the possibility to recover the electricity produced by the isolated photovoltaic module.

Anche il brevetto statunitense US 2011/0140536 A1, infine, presenta detto svantaggio, poiché come viene persino esplicitamente asserito a pagina 6 del testo dello stesso brevetto (capoverso 0065), l’energia elettrica del modulo fotovoltaico sul quale à ̈ collegato il P.O. oggetto di guasto à ̈ persa, in quanto per ogni componente elettronico dello stesso P.O. à ̈ presente un circuito bypass, al fine di garantire in qualsiasi caso di malfunzionamento di una parte di detto circuito la produzione di energia elettrica del restante impianto fotovoltaico, con l’esclusione del modulo fotovolatico o dei moduli fotovoltaici oggetto di guasto. Finally, also the United States patent US 2011/0140536 A1 has this disadvantage, since as it is even explicitly stated on page 6 of the text of the same patent (paragraph 0065), the electricity of the photovoltaic module on which the BIT. fault object is lost, as for each electronic component of the same P.O. There is a bypass circuit, in order to guarantee in any case of malfunction of a part of said circuit the production of electricity from the remaining photovoltaic system, with the exclusion of the photovoltaic module or the photovoltaic modules subject to failure.

Detti dispositivi, con particolare riferimento al settore fotovoltaico, oggi vengono presentati con nomi che lasciano spazio alle più rosee speranze di ottimizzazione della potenza erogata dall'impianto, quali “Black Magic", “Solar Magic†o “Module Maximizer†. Il loro massimo rendimento à ̈ ottenuto solo quando l'impianto non à ̈ in condizioni ottimali, ovvero quando i moduli fotovoltaici non sono esposti uniformemente alla radiazione solare, come nel caso in cui all'interno dello stesso campo fotovoltaico vi siano differenti inclinazioni, o diversi orientamenti, o ancora ove siano presenti ombreggiamenti. In circostanze normali, il modulo all'interno della stringa che à ̈ in condizioni peggiori assume il comportamento del cosiddetto “collo di bottiglia†e, in generale, nelle condizioni di “mismatch†, vale a dire nel caso di presenza di un modulo che produce minor corrente, quest’ultimo costringe tutti gli altri moduli della stringa a ridurre il valore del flusso di corrente elettrica. Invece, nel caso siano stati installati gli ottimizzatori di potenza, il fenomeno del collo di bottiglia viene eluso. Infatti, non appena le condizioni di radiazione solare non sono più uniformi su tutto il campo queste apparecchiature intervengono e si comportano come dei veri MPPT (Maximum Power Point Tracker) per il singolo modulo. These devices, with particular reference to the photovoltaic sector, are today presented with names that leave room for the most optimistic hopes of optimizing the power supplied by the system, such as â € œBlack Magic ", â € œSolar Magicâ € or â € œModule Maximizerâ €. Their maximum efficiency is obtained only when the system is not in optimal conditions, i.e. when the photovoltaic modules are not uniformly exposed to solar radiation, as in the case where within the same photovoltaic field there are different inclinations, or different orientations, or even where shadows are present. Under normal circumstances, the module within the string that is in worse conditions assumes the behavior of the so-called `` bottle neck '' and, in general, in the conditions of `` mismatch '' , that is to say in the case of the presence of a module that produces less current, the latter forces all the other modules of the string to reduce the value of the flus I know about electric current. On the other hand, if power optimizers have been installed, the bottleneck phenomenon is avoided. In fact, as soon as the solar radiation conditions are no longer uniform throughout the field, these devices intervene and behave like real MPPT (Maximum Power Point Tracker) for the single module.

Introducendo di fatto elettronica di potenza sull'impianto agiscono sui relativi valori di tensione e corrente in modo tale da riallineare il modulo più sfortunato al livello dei restanti. Per mezzo dell’introduzione di questi nuovi sistemi, si ottengono incrementi di energia prodotta aggirantesi mediamente attorno al 20%, pur registrando una piccola riduzione della potenza istantanea tra Γ1 ed il 2%, ma detti valori sono da ritenersi non esaustivi, in quanto non ci sono ancora dati avvalorati da test ufficiali sulla completa famiglia di ottimizzatori di potenza prodotti dalle più importanti aziende mondiali sia del settore fotovoltaico, sia di altri settori, pur se quello fotovoltaico à ̈ il settore dove attualmente si focalizzano i maggiori sforzi nel creare innovazioni, visto il boom del settore registrato negli ultimi anni. By introducing power electronics on the system, they act on the relative voltage and current values in such a way as to realign the most unfortunate module at the level of the others. By introducing these new systems, increases in energy produced are obtained, averaging around 20%, while recording a small reduction in instantaneous power between Î "1 and 2%, but these values are to be considered non-exhaustive, as there are still no data corroborated by official tests on the complete family of power optimizers produced by the most important companies in the world both in the photovoltaic sector and in other sectors, even if the photovoltaic one is the sector where the greatest efforts are currently focused in create innovations, given the boom in the sector in recent years.

Per quanto riguarda l'aspetto economico degli attuali ottimizzatori di potenza il prezzo varia in modo rilevante tra le differenti case produttrici, oscillando mediamente dai 200 ai 500 €/kWp, ma i margini di abbattimento dei costi sono più che rilevanti, con la certezza che le cifre si ridurranno drasticamente nel breve orizzonte temporale. As for the economic aspect of the current power optimizers, the price varies significantly between the different manufacturers, oscillating on average from 200 to 500 € / kWp, but the cost reduction margins are more than relevant, with the certain that the figures will drastically reduce in the short time horizon.

Nella tecnica nota, oltre ai richiamati brevetti, esistono una pluralità di ottimizzatori di potenza, in particolare una grande varietà specialmente nel settore fotovoltaico, laddove recentemente si stanno concentrando i maggiori sforzi da parte delle ditte produttrici di detti dispositivi. In the known art, in addition to the aforementioned patents, there are a plurality of power optimizers, in particular a large variety, especially in the photovoltaic sector, where the greatest efforts by the manufacturers of said devices have recently been concentrated.

Per quanto sopra data la natura e l'obiettivo di questi dispositivi di raccogliere la massima potenza disponibile, si comprende come lo scopo del presente brevetto à ̈ quello di risolvere detti svantaggi della tecnica nota, risolvendo il problema di raccogliere ed assicurare la massima produzione energetica anche in caso di guasto deH'ottimizzatore di potenza. Given the above, given the nature and objective of these devices to collect the maximum available power, it is understood that the purpose of this patent is to solve said disadvantages of the prior art, solving the problem of collecting and ensuring maximum energy production. even in the event of a power optimizer failure.

Scopo della presente invenzione à ̈, quindi, quello di superare completamente tutte le limitazioni e gli svantaggi precedentemente analizzati e descritti della tecnica nota. The aim of the present invention is therefore to completely overcome all the previously analyzed and described limitations and disadvantages of the known art.

Il sistema di cui alla presente invenzione à ̈, infatti, inventivo proprio perché à ̈ stato ideato per risolvere dette limitazioni e problematiche della tecnica nota ed à ̈ nuovo, in quanto sino ad oggi nessuno ha realizzato la risoluzione di detto problema nel modo di seguito mostrato. The system referred to in the present invention is, in fact, inventive precisely because it was designed to solve said limitations and problems of the prior art and is new, as up to now no one has achieved the resolution of said problem in the way of below shown.

Detti scopi sono conseguiti realizzando un sistema di gestione e controllo 1 degli ottimizzatori di potenza 2 nel caso di loro rottura o guasto su impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili, quali i moduli degli impianti fotovoltaici 7, fondamentalmente costituito da: un dispositivo di controllo 3, un mezzo autonomo di alimentazione elettrica 4; uno stadio di potenza 6; detto sistema di gestione e controllo 1 così costituito caratterizzato dal fatto che à ̈ ulteriormente munito di un sistema di passaggio dell’energia elettrica o sistema “TP†5, di tipo fisico e non logico, pertanto indipendente dalla logica di controllo dello stesso sistema 1, detto sistema “TP" 5 essendo in grado di garantire, in caso di guasto sul circuito di alimentazione del dispositivo di controllo 3 e/o su qualsiasi generica sezione S1, S2, S3 del circuito dell’intero sistema di gestione e controllo 1 , con l’esclusione del sistema “TP†5, almeno secondo il metodo tradizionale, essendo in tal caso non funzionante detto ottimizzatore di potenza 2, l’erogazione dell’energia elettrica prodotta dal modulo fotovoltaico 7, consentendo il flusso della stessa attraverso detto sistema “TP†5. Said purposes are achieved by realizing a management and control system 1 of the power optimizers 2 in the event of their breakage or failure on renewable source energy production plants, such as photovoltaic plant modules 7, basically consisting of: a control device 3, an autonomous means of power supply 4; a power stage 6; said management and control system 1 thus constituted characterized by the fact that it is further equipped with a physical and non-logical system for the passage of electricity or â € œTPâ € 5 system, therefore independent of the control logic of the same system 1, called â € œTP "system 5 being able to guarantee, in the event of a fault on the power supply circuit of the control device 3 and / or on any generic section S1, S2, S3 of the circuit of the entire management and control 1, with the exclusion of the â € œTPâ € 5 system, at least according to the traditional method, being said power optimizer 2 not working in this case, the supply of the electricity produced by the photovoltaic module 7 , allowing the flow of the same through said â € œTPâ € 5 system.

Questi ed altri vantaggi e caratteristiche del sistema di chiusura 1 secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente evidenti dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa preferita, riportata a titolo esemplificativo, ma non limitativo, fatta con riferimento ai disegni allegati in cui: These and other advantages and characteristics of the closure system 1 according to the present invention will become more clearly evident from the following detailed description of a preferred embodiment thereof, given by way of non-limiting example, made with reference to the attached drawings in which:

- la Fia.1 riporta uno schema del SM3320 relativo alla topologia nota Buck-Boost, riportato per meglio comprendere la portata inventiva del presente trovato rispetto alla tecnica nota; - Fia.1 shows a diagram of the SM3320 relating to the known Buck-Boost topology, reported to better understand the inventive scope of the present invention with respect to the known art;

- la Fia.2 riporta uno schema a blocchi noto del PO SM3320 relativo a detto schema del SM3320 di Fig.1; - Fia.2 shows a known block diagram of the PO SM3320 relating to said diagram of the SM3320 of Fig.1;

- la Fia.3 riporta una tipica schermata dell’andamento delle tensioni in ingresso V|Ne in uscita V0UTtipiche di una situazione di Panel Mode; - Fia.3 shows a typical screen of the trend of the input voltages V | Ne at the output V0UT typical of a situation of Panel Mode;

- la Fia.4 riporta una tipica schermata dell’andamento delle tensioni in ingresso VINe in uscita VOUT nel caso di simulazione di failure sull'alimentazione, con TSM3320 che diventa un circuito aperto escludendo il modulo dalla stringa, causando, quindi, la perdita del suo contributo in potenza; - Fia.4 shows a typical screen of the trend of the input voltages VIN and output VOUT in the case of a power failure simulation, with TSM3320 becoming an open circuit excluding the module from the string, thus causing the loss of its potential contribution;

- la Fiq.5 riporta uno schema a blocchi di un ottimizzatore di potenza (in inglese †̃†̃power optimizer†o sinteticamente “PO†); - Fiq. 5 shows a block diagram of a power optimizer (in English â € ̃â € ̃power optimizerâ € or synthetically â € œPOâ €);

- la Fiq.6 riporta uno schema a blocchi relativo all’architettura del Power Stage Buck o Buck-Boost; - Fiq.6 shows a block diagram relating to the architecture of the Power Stage Buck or Buck-Boost;

- la Fia.7 à ̈ una vista schematica di un sistema di gestione e controllo 1 degli ottimizzatori di potenza 2 nel caso di loro rottura o guasto, secondo il presente trovato, aplicabile ad esempio su impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili, quali i moduli degli impianti fotovoltaici 7, munito di un sistema di passaggio dell’energia elettrica o sistema “TP" 5, atto ad intervenire in modo fisico e non logico in caso di guasto sul circuito di alimentazione del dispositivo di controllo 3 e/o su qualsiasi generica sezione S1 , S2, S3 del circuito dell'intero sistema di gestione e controllo 1; - la Fia.8 à ̈ una vista schematica di un esempio preferito, ma non limitativo di un sistema di passaggio dell’energia elettrica o sistema "TP†5, indipendente dalla logica di controllo dello stesso sistema 1; - Fia.7 is a schematic view of a management and control system 1 of the power optimizers 2 in the event of their breakage or failure, according to the present invention, applicable for example to plants for the production of energy from renewable sources, such as the modules of the photovoltaic systems 7, equipped with an electricity passage system or â € œTP "system 5, capable of intervening physically and not logically in the event of a fault on the power supply circuit of the control device 3 and / o on any generic section S1, S2, S3 of the circuit of the entire management and control system 1; - Fia.8 is a schematic view of a preferred, but not limiting, example of an electrical energy passage system o system "TPâ € 5, independent of the control logic of the same system 1;

- la Fig.9 riporta uno schema a blocchi relativo all’architettura dell’ottimizzatore di potenza o “PO†2 di cui alia presente invenzione. - Fig.9 shows a block diagram relating to the architecture of the power optimizer or â € œPOâ € 2 referred to in the present invention.

Facendo riferimento alle figure precedentemente descritte e di seguito allegate, nonché a quanto precedentemente descritto relativamente alla tecnica nota, appare evidente come il presente trovato risolva in una maniera semplice, ma al contempo nuova ed inventiva dette problematiche relative alla gestione e al controllo degli ottimizzatori di potenza, in caso di loro rottura o guasto. With reference to the figures previously described and attached hereafter, as well as to what was previously described in relation to the known art, it is evident that the present invention solves in a simple but at the same time new and inventive way said problems relating to the management and control of optimizers. of power, in the event of their breakdown or failure.

Per meglio comprendere l’apporto inventivo del presente trovato, si à ̈ riportato in Fig. 1 uno schema noto di topologia “Buck-Boost",oltre che ulteriore esempio di svantaggi presentati dalla attuale tecnica nota. In detto schema di Fig. 1 à ̈ riportata la topologia “Buck-Boost†del SM 3320 della “Solar Magic†, in quanto anche questa tecnologia, presenta gli svantaggi come quelli già analizzati a proposito di detti brevetti statunitensi, in particolare al terzo brevetto richiamato nel precedente ordine. In order to better understand the inventive contribution of the present invention, a known diagram of the â € œBuck-Boost "topology is shown in Fig. 1, as well as a further example of disadvantages presented by the current known technique. 1 shows the â € œBuck-Boostâ € topology of the SM 3320 of the â € œSolar Magicâ €, as this technology also has disadvantages such as those already analyzed with regard to said US patents, in particular the third patent referred to in the previous order.

Come à ̈ facile evincere per un tecnico del settore dall’analisi di detto schema circuitale di Fig. 1 della tecnica nota sopra riportato, il Q5 A/B à ̈ ad ogni modo un by-pass, effettuato istantaneamente dalla logica di controllo nel caso di rilevamento di un guasto. As it is easy to understand for a person skilled in the art from the analysis of said circuit diagram of Fig. 1 of the prior art reported above, the Q5 A / B is in any case a by-pass, carried out instantly by the control logic in the case of detection of a fault.

Detto primo esempio di tecnica nota, costituito dal “Power Optimizer Solar Magic SM 3320†, adotta una topologia “Buck-Boost†nello stadio di potenza, in cui à ̈ possibile notare i quattro "mosfet" collegati come ponte ad “H†e il “mosfet Q5", il quale risulta impiegato in modalità “Panel Mode". Said first example of known technique, consisting of the â € œPower Optimizer Solar Magic SM 3320â €, adopts a â € œBuck-Boostâ € topology in the power stage, in which it is possible to notice the four "mosfets" connected as a bridge to â € œHâ € and the â € œmosfet Q5 ", which is used in â € œPanel Mode".

Il dispositivo in esame ha quattro modalità di funzionamento determinati dal valore della tensione di ingresso VINe di quella di uscita V0UT; essi sono il Buck-Mode; il Boost-Mode; il Buck Boost-Mode; e il Panel-Mode. The device in question has four operating modes determined by the value of the input voltage VIN and the output voltage V0UT; they are the Buck-Mode; the Boost-Mode; the Buck Boost-Mode; and Panel-Mode.

Essendo l'architettura di tipo Buck-Boost non vi à ̈ la possibilità, proprio per la topologia di collegamento dei “mosfet" che costituiscono il “power stage", di avere un collegamento diretto tra ingresso ed uscita del dispositivo, a meno di non mantenere in “ON" i “mosfet" Q1 e Q4, cosa che può non accadere se avviene un “failure". Since the architecture is of the Buck-Boost type, there is no possibility, due to the connection topology of the â € œmosfets "that make up the â € œpower stage", to have a direct connection between the input and output of the device, unless not to keep Q1 and Q4 in â € œON "i â € œmosfet", which may not happen if a â € œfailure "occurs.

Il “mosfet†Q5 ha il compito di realizzare questo collegamento nel momento in cui non sussistono più le condizioni per effettuare l'inseguimento del punto di massima potenza dettate dal controllore, mentre nel caso di failure dello stesso anche la funzione Panel Mode non può essere più attivata. The â € œmosfetâ € Q5 has the task of making this connection when the conditions for tracking the maximum power point dictated by the controller no longer exist, while in the event of its failure, even the Panel Mode function cannot be more activated.

Al fine di comprendere meglio la portata innovativa ed inventiva del presente trovato rispetto alla tecnica nota si effettua ora un’analisi dei guasti reali in campo fotovoltaico. In order to better understand the innovative and inventive scope of the present invention with respect to the known art, an analysis of real faults in the photovoltaic field is now carried out.

Nella figura 2 à ̈ riportato lo schema a blocchi funzionale di un “PO†noto. Il sistema di “Trough-Pass†si attiva nel momento in cui sono presenti particolari condizioni di VPAN e di V0UT ed à ̈, in questo caso, strettamente dipendente dalla logica del controllo. Figure 2 shows the functional block diagram of a known â € œPOâ €. The â € œTrough-Passâ € system is activated when particular VPAN and V0UT conditions are present and is, in this case, strictly dependent on the control logic.

Tramite detto schema sopra riportato, per un tecnico dell’arte, à ̈ subito evidente che la circuiteria relativa al Panel Mode (collegata tra l'ingresso e l'uscita) dipende dalla logica che controlla e supervisiona l'intera scheda. Per confermare quanto detto à ̈ stata testata una board SM 3320. By means of the above diagram, for a technician of the art, it is immediately evident that the circuitry relating to the Panel Mode (connected between the input and the output) depends on the logic that controls and supervises the entire board. To confirm this, a SM 3320 board was tested.

In figura 3 à ̈ mostrato l'andamento della tensione di ingresso e di uscita in caso di “Panel Mode†, vale a dire quando si ha il collegamento diretto fra ingresso ed uscita della scheda, e l'algoritmo di MPPT non viene più eseguito. Come si può evincere dall'andamento grafico di figura 3 le due tensioni V|Ne V0UT, rispettivamente in ingresso e in uscita, sono quasi uguali: la differenza (circa 0.1 Volt, con la prima minore della seconda) à ̈ dovuta alle perdite che si hanno nel mosfet Q5, che à ̈ quello che viene impiegato in tale situazione. Per poter effettivamente capire se la circuiteria relativa al PanelMode à ̈ strettamente dipendente dalla logica del sistema, si à ̈ provato a simulare una situazione di "failure†dell'alimentazione (quella più generica e che può comprendere le altre, come ad esempio la rottura del micro). In definitiva per poter testare l'affidabilità à ̈ stato posto in shut-down l'integrato (regolatore buck), il quale fornisce l'alimentazione all'intero circuito direttamente dalla tensione di pannello. Figure 3 shows the trend of the input and output voltage in the case of â € œPanel Modeâ €, i.e. when there is a direct connection between the input and output of the board, and the MPPT algorithm is no longer performed. As can be deduced from the graphical trend of figure 3, the two voltages V | N and V0UT, respectively in input and output, are almost equal: the difference (about 0.1 Volt, with the first less than the second) is due to the losses that you have in the Q5 mosfet, which is what is used in this situation. In order to effectively understand if the circuitry relating to PanelMode is strictly dependent on the logic of the system, we tried to simulate a "failure" of the power supply (the most generic and which can include the others, such as the breakdown In the end, in order to test the reliability, the integrated circuit (buck regulator) has been shut down, which supplies power to the entire circuit directly from the panel voltage.

La situazione precedentemente descritta à ̈ mostrata nel nuovo andamento della tensione di ingresso e di uscita riportato nella figura 4, dove la traccia nera continua rappresenta sempre la tensione in ingresso ViNe quella tratteggiata quella in uscita V0UT. The situation described above is shown in the new trend of the input and output voltage shown in figure 4, where the continuous black trace always represents the input voltage ViN and the dashed one represents the output voltage V0UT.

Da quanto sopra esposto si evidenzia che nel caso di “fault†sull'alimentazione la tensione in ingresso V|Nsi porta alla tensione di pannello (in questo caso, nelle prove effettuate l'alimentatore da banco era regolato intorno ai 41 V), mentre l'uscita presenta tensione e corrente nulla (i valori à ̈ possibile evincerli mediante le misure P1 per l'ingresso e P2 per l'uscita). In dette condizioni il “PO†à ̈ in circuito aperto e nel contesto di un impianto fotovoltaico, il modulo al quale esso à ̈ collegato risulterebbe escluso dalla stringa, facendo perdere al sistema il suo contributo in potenza. From the above it can be seen that in the case of a â € œfaultâ € on the power supply, the input voltage V | N goes to the panel voltage (in this case, in the tests carried out the bench power supply was set at around 41 V), while the output has zero voltage and current (the values can be deduced by means of the measurements P1 for the input and P2 for the output). In these conditions the â € œPOâ € is in open circuit and in the context of a photovoltaic system, the module to which it is connected would be excluded from the string, making the system lose its contribution in power.

Si passa ora ad osservare in modo esemplificato il comportamento di alcuni “optimizer†o PO (vale a dire sempre “power optimizer" od ottimizzatori di potenza) in caso di “failure†(guasto). L'analisi à ̈ stata condotta simulando realmente sul campo un generico guasto su PO presenti in commercio. Per quanto Γ MTBF di questi dispositivi risulti essere elevato, la possibilità di un guasto (per cause esterne) à ̈ sempre possibile, quindi à ̈ sempre possibile la mancanza di produzione energetica anche in queste condizioni. We now pass to observe in an exemplified way the behavior of some â € œoptimizerâ € or PO (ie always â € œpower optimizer "or power optimizers) in case of â € œfailureâ € (failure). conducted by actually simulating in the field a generic fault on POs available on the market. Although the MTBF of these devices is high, the possibility of a fault (due to external causes) is always possible, therefore a lack of production is always possible energy even in these conditions.

In figura 5 à ̈ mostrato lo schema a blocchi funzionale di un ottimizzatore di potenza. Il sistema di “Trough-Pass†o semplicemente “TP" si attiva nel momento in cui sono presenti particolari condizioni di VPANe V0UTed à ̈, in questo caso, strettamente dipendente dalla logica del controllo. Figure 5 shows the functional block diagram of a power optimizer. The â € œTrough-Passâ € or simply â € œTP "system is activated when particular VPAN conditions are present and V0UTed is, in this case, strictly dependent on the control logic.

Se si dovessero presentare guasti o “faults†sull'alimentazione e/o sul controllo, l'architettura del "power stage" essendo di tipo Buck o Buck-Boost, si comporterebbe a tutti gli effetti da interruttore aperto, bloccando quindi il flusso di potenza tra ingresso ed uscita come rappresentato in figura 6. Il sistema di TP, anch'esso risulta anch’esso non più funzionante, poiché la sua alimentazione elettrica dipende dal circuito di controllo. Questo comporta di conseguenza l'esclusione del modulo dalla stringa, con l'evidente svantaggio che la stessa, quindi, non darà più il suo contributo energetico all'impianto. Come già si poteva evincere in precedenza, tutti i brevetti della tecnica nota sinora analizzati si possono schematizzare come funzionanti proprio secondo lo schema riportato in figura 6, dove il circuito dei P.O. risulta aperto in caso di guasto e l’energia elettrica del modulo fotovoltaico MF à ̈ persa. Il sistema di “Trough-Pass" si attiva nel momento in cui sono presenti particolari condizioni di VPAN e di VOUT ed à ̈, in questo caso, strettamente dipendente dalla logica del controllo. Tramite detto schema di figura 6, per un tecnico dell’arte, à ̈ subito evidente che la circuiteria relativa al Panel Mode (collegata tra l'ingresso e l'uscita) dipende dalla logica che controlla e supervisiona l'intera scheda. Should faults or â € œfaultsâ € occur on the power supply and / or on the control, the architecture of the "power stage" being of the Buck or Buck-Boost type, would behave in all respects as an open switch, thus blocking the flow of power between input and output as shown in figure 6. The TP system is also no longer functional, since its power supply depends on the control circuit. This consequently involves the exclusion of the module from the string, with the obvious disadvantage that the same, therefore, will no longer give its energy contribution to the system. As could already be deduced above, all the patents of the known art analyzed up to now can be schematized as functioning according to the scheme shown in figure 6, where the P.O. it is open in the event of a fault and the electricity of the MF photovoltaic module is lost. The "Through-Pass" system is activated when particular VPAN and VOUT conditions are present and is, in this case, strictly dependent on the logic of the control. € ™ art, it is immediately evident that the circuitry relating to the Panel Mode (connected between the input and the output) depends on the logic that controls and supervises the entire board.

Facendo riferimento alle figure 7 e 8 precedentemente descritte e di seguito allegate, appare subito evidente che la presente invenzione, nella particolare soluzione preferita ivi riportata, Ã ̈ fondamentalmente costituita da un sistema di gestione e controllo 1 degli ottimizzatori di potenza 2 nel caso di loro rottura o guasto su impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili, quali i moduli degli impianti fotovoltaici 7. With reference to figures 7 and 8 previously described and attached hereafter, it is immediately evident that the present invention, in the particular preferred solution reported therein, is basically constituted by a management and control system 1 of the power optimizers 2 in the case of breakdown or breakdown on renewable energy production plants, such as photovoltaic plant modules 7.

Detto sistema 1 à ̈ fondamentalmente costituito da un dispositivo di controllo 3, un mezzo autonomo di alimentazione elettrica 4, uno stadio di potenza 6, nonché ulteriormente munito di un sistema di passaggio dell’energia elettrica o sistema “TP" 5, di tipo fisico e non logico (elemento caratterizzante il trovato), pertanto indipendente dalla logica di controllo dello stesso sistema 1. Il sistema “TP" 5 à ̈ in grado di garantire, in caso di guasto sul circuito di alimentazione del dispositivo di controllo 3 e/o su qualsiasi generica sezione S1 , S2, S3 del circuito dell’intero sistema di gestione e controllo 1 , con l’esclusione del sistema “TP" 5, almeno secondo il metodo tradizionale (essendo in tal caso non funzionante detto ottimizzatore di potenza 2), l’erogazione dell’energia elettrica prodotta dal modulo fotovoltaico 7, consentendo il flusso della stessa attraverso detto sistema “TP" 5, come si evince dalla Fig.7. Said system 1 is basically constituted by a control device 3, an autonomous means of electrical supply 4, a power stage 6, as well as further equipped with an electrical energy passage system or â € œTP "5 system, of a physical and non-logical type (element characterizing the invention), therefore independent of the control logic of the same system 1. The â € œTP "5 system is able to guarantee, in the event of a fault on the power supply circuit of the control device 3 and / or on any generic section S1, S2, S3 of the circuit of the entire management and control system 1, with the exclusion of the â € œTP "5 system, at least according to the traditional method (being in this case not functioning said power optimizer 2), the supply of the electricity produced by the photovoltaic module 7, allowing the flow of the same through said â € œTP "5 system, as shown in Fig.7.

In Fig.8 à ̈ riportato uno schema esemplificativo, ma non limitativo di realizzazione di detto sistema “TP" 5, costituito fondamentalmente da un dispositivo comparatore 8, un “BIAS†o dispositivo referenziale di tensione 9, un dispositivo di controllo filtrante 10 del “TP†e uno “switch" o deviatore o interruttore 11. La presenza del dispositivo comparatore 8 garantisce che la stringa rimanga chiusa e, quindi, la continuità di erogazione deH’energia elettrica da parte del pannello fotovoltaico 7. Fig. 8 shows an exemplary, but not limiting, scheme of realization of said system â € œTP "5, basically consisting of a comparator device 8, a â € œBIASâ € or voltage referential device 9, a filtering control device 10 of the â € œTPâ € and a â € œswitch "or diverter or switch 11. The presence of the comparator device 8 guarantees that the string remains closed and, therefore, the continuity of electricity supply by the photovoltaic panel 7.

Inoltre il sistema di “trough-pass" 5 à ̈ implementato in modo tale da avere una connessione fisica tra ingresso ed uscita in modo indipendente dalla logica che controllerà la scheda. Quindi, se si presenta una situazione di “fault†sul micro, sull’alimentazione o su qualsiasi altro elemento del circuito, tale sistema continuerà a funzionare e a permettere al modulo di continuare a fornire il suo contributo in potenza (come se il “PO†non fosse collegato), nonché all’impianto fotovoltaico di continuare a produrre energia. Furthermore, the â € œthrough-pass' system 5 is implemented in such a way as to have a physical connection between input and output independently of the logic that will control the board. Therefore, if a â € œfaultâ € situation occurs on the micro , on the power supply or on any other element of the circuit, this system will continue to operate and allow the module to continue to provide its contribution in power (as if the `` PO '' were not connected), as well as to the system photovoltaic to continue producing energy.

Il sistema di TP si attiva "osservando" lo stato fisico del dispositivo e, non mediante uno stato logico dal circuito di controllo. Inoltre tale funzione viene utilizzata anche per azzerare le perdite di inserzione in assenza di “mismatch", vale a dire in tutti i casi in cui non ci sarebbe vantaggio da un'architettura “DMPP†. The TP system is activated by "observing" the physical state of the device and not by a logic state from the control circuit. Furthermore, this function is also used to eliminate insertion losses in the absence of â € œmismatch “, that is to say in all cases in which there would be no advantage from a â € œDMPPâ € architecture.

Detto sistema “TP" 5 offre, oltre al comportamento da diodo del “power stage", un percorso alternativo per il flusso di potenza a minore resistenza, abbassando le perdite e la temperatura del circuito elettronico. In sostanza, esistono due “path" di potenza che assicurano il contributo energetico del modulo all’impianto. This â € œTP "5 system offers, in addition to the diode behavior of the â € œpower stage", an alternative path for the flow of power with less resistance, lowering the losses and the temperature of the electronic circuit. Basically, there are two power â € œpaths “which ensure the energy contribution of the module to the system.

Nello schema di cui alla figura 9 à ̈ mostrato lo schema a blocchi del “power optimizer†2 di cui alla presente invenzione, in cui il “power stage†6 à ̈ caratterizzato, in una soluzione preferita, ma non limitativa, da una topologia "Boost†, unitamente a un sistema di “Trough-Pass†totalmente indipendente dal controllo e dall'alimentazione elettrica del circuito. La peculiarità del presente trovato, come si evince dallo schema di cui alla figura 9, à ̈ proprio insita nel fatto che nel caso di failure sul circuito di alimentazione e/o su quello di controllo, (quindi anche su una generica sezione del circuito S1 , S2, S3 di Fig.7), il “power stage†6 del PO 2 si comporta come un diodo garantendo il passaggio del flusso di potenza tra ingresso ed uscita. In sostanza il sistema ritorna a funzionare secondo il metodo tradizionale in assenza di PO 2. Una ulteriore peculiarità del presente trovato à ̈ insita nel fatto che il sistema di “TP†5 si attiva "osservando" lo stato fisico del dispositivo e non mediante lo stato logico da parte del circuito di controllo. Inoltre, tale funzione viene utilizzata anche per azzerare le perdite di inserzione in assenza di “mismatch†, vale a dire in tutti i casi in cui non si trarrebbe vantaggio da un'architettura DMPP. The diagram in figure 9 shows the block diagram of the â € œpower optimizerâ € 2 of the present invention, in which the â € œpower stageâ € 6 is characterized, in a preferred but not limiting solution, by a "Boost" topology, together with a â € œTrough-Passâ € system totally independent of the control and power supply of the circuit. The peculiarity of the present invention, as can be seen from the diagram in figure 9, is inherent in the fact that in the event of failure on the power supply and / or control circuit, (therefore also on a generic section of the circuit S1, S2, S3 of Fig. 7), the â € œpower stageâ € 6 of the PO 2 acts as a diode ensuring the passage of the power flow between input and output. Basically the system returns to work according to the traditional method in the absence of PO 2. A further peculiarity of the present invention is inherent in the fact that the â € œTPâ € 5 is activated "observing give "the physical state of the device and not by means of the logic state by the control circuit. Furthermore, this function is also used to eliminate insertion losses in the absence of â € œmismatchâ €, that is to say in all cases in which it would not benefit from a DMPP architecture.

I vantaggi fondamentali derivanti dal presente trovato e già evidenziati sono indubbi, in quanto con la sua realizzazione si potrà recuperare anche quella quota di energia elettrica dei moduli fotovoltaici che oggi, per dette problematiche di gestione e controllo degli attuali sistemi, viene persa. The fundamental advantages deriving from the present invention and already highlighted are undoubted, since with its realization it will also be possible to recover that portion of electrical energy of the photovoltaic modules which today, due to said problems of management and control of current systems, is lost.

All'esempio di realizzazione precedentemente descritto a titolo illustrativo e non limitativo potranno essere apportati numerosi ritocchi, adattamenti, integrazioni, varianti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni. Numerous tweaks, adaptations, additions, variations and replacements of elements with other functionally equivalent ones may be made to the embodiment described above for illustrative and non-limiting purposes, without however departing from the scope of protection of the following claims.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI 1) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2) nel caso di loro rottura o guasto su impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili, quali i moduli degli impianti fotovoltaici (7), fondamentalmente costituito da: un dispositivo di controllo (3), un mezzo autonomo di alimentazione elettrica (4) e uno stadio di potenza (6); detto sistema di gestione e controllo (1) così costituito caratterizzato dal fatto che à ̈ ulteriormente munito di un sistema di passaggio dell’energia elettrica o sistema “Trough-Pass†o semplicemente “TP" (5), di tipo fisico e non logico, pertanto indipendente dalla logica di controllo dello stesso sistema (1), detto sistema “TP†(5), essendo in grado di garantire, in caso di guasto sul circuito di alimentazione del dispositivo di controllo (3) e/o su qualsiasi generica sezione (S1 , S2, S3) del circuito dell’intero sistema di gestione e controllo (1), con l’esclusione del sistema “TP†(5), almeno secondo il metodo tradizionale, essendo in tal caso non funzionante detto ottimizzatore di potenza (2), l’erogazione dell’energia elettrica prodotta dal modulo fotovoltaico (7), consentendo il flusso della stessa attraverso il sistema “TP†(5). CLAIMS 1) Management and control system (1) of power optimizers (2) in the event of their breakage or failure on renewable energy production plants, such as photovoltaic plant modules (7), basically consisting of: a device control (3), an autonomous means of electrical supply (4) and a power stage (6); said management and control system (1) thus constituted characterized by the fact that it is further equipped with an electricity passage system or â € œTrough-Passâ € system or simply â € œTP "(5), of the physical and non-logical, therefore independent from the control logic of the same system (1), called the â € œTPâ € system (5), being able to guarantee, in the event of a fault on the power supply circuit of the control device (3) and / or on any generic section (S1, S2, S3) of the circuit of the entire management and control system (1), with the exclusion of the â € œTPâ € (5) system, at least according to the traditional method, being in this case the power optimizer (2) does not work, the supply of the electricity produced by the photovoltaic module (7), allowing the flow of the same through the â € œTPâ € system (5). 2) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2) nel caso di loro rottura o guasto, secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto ottimizzatore di potenza (2), confrontato con sistemi di gestione e controllo similari tradizionalmente noti, si differenzia dagli stessi, in quanto si comporta normalmente come un circuito aperto, vale a dire nel caso di normale funzionamento dello stadio di potenza (6), mentre si si comporta come un circuito chiuso, in caso di malfunzionamento o guasto di detto stadio di potenza (6), garantendo il passaggio della corrente elettrica attraverso il sistema “TP†(5). 2) Management and control system (1) of the power optimizers (2) in the event of their breakdown or failure, according to claim 1, characterized by the fact that said power optimizer (2), compared with similar management and control systems traditionally known, it differs from the same in that it normally behaves like an open circuit, i.e. in the case of normal operation of the power stage (6), while it behaves like a closed circuit, in the event of malfunction or failure of said power stage (6), ensuring the passage of electric current through the â € œTPâ € system (5). 3) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2), in caso di loro rottura o guasto, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto detto sistema (1) interviene, in quanto detto sistema “TP†(5) esercita un'azione continua di controllo dello stato fisico de ottimizzatore di potenza (2), non monitorando lo stato logico dello stesso circuito di gestione e controllo (1). ( 5) exercises a continuous control action on the physical state of the power optimizer (2), not monitoring the logic state of the same management and control circuit (1). 4) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2), in caso di loro rottura o guasto, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema “TP†(5) interviene anche per minimizzare le perdite di inserzione in assenza di allineamento o “mismatch", vale a dire in tutti i casi in cui non si trarrebbe vantaggio da un'architettura DMPP. 4) Management and control system (1) of the power optimizers (2), in the event of their breakage or failure, according to the previous claims, characterized by the fact that said system â € œTPâ € (5) also intervenes to minimize losses insertion in the absence of alignment or â € œmismatch ", that is, in all cases in which it would not benefit from a DMPP architecture. 5) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2), in caso di loro rottura o guasto, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema (1), se munito di uno stadio di potenza (6), offre un percorso alternativo al flusso di potenza con minore resistenza, minimizzando altresì le perdite e la temperatura dello stesso circuito elettronico, per la presenza di detto sistema TP (5). 5) Management and control system (1) of the power optimizers (2), in the event of their breakdown or failure, according to the preceding claims, characterized in that said system (1), if equipped with a power stage (6 ), offers an alternative path to the flow of power with less resistance, also minimizing the losses and the temperature of the electronic circuit itself, due to the presence of said TP system (5). 6) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2), in caso di loro rottura o guasto, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema (1) à ̈ munito di un ulteriore sistema “TP" in parallelo a detto sistema "TP†(5), realizzando una coppia di percorsi di potenza, i quali assicurano il contributo energetico di ogni singolo modulo fotovoltaico (7), anche in caso di guasto di detto sistema “TP†(5). 6) Management and control system (1) of the power optimizers (2), in the event of their breakage or failure, according to the preceding claims, characterized by the fact that said system (1) is equipped with a further â € œTP system "in parallel to said system" TPâ € (5), creating a pair of power paths, which ensure the energy contribution of each individual photovoltaic module (7), even in the event of failure of said â € œTPâ € system (5 ). 7) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2), in caso di loro rottura o guasto, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema “TP†(5) à ̈ fondamentalmente costituito da un dispositivo comparatore (8), un "BIAS†o dispositivo referenziale di tensione (9), un dispositivo di controllo filtrante (10) del “TP†e uno “switch†o deviatore o interruttore (11). 7) Management and control system (1) of the power optimizers (2), in the event of their breakage or failure, according to the previous claims, characterized by the fact that said system â € œTPâ € (5) is basically constituted by a comparator device (8), a "BIAS" or voltage referential device (9), a filtering control device (10) of the "TP" and a "switch" or diverter or switch (11). 8) Sistema di gestione e controllo (1) degli ottimizzatori di potenza (2), in caso di loro rottura o guasto, secondo le rivendicazioni 5 e 6, caratterizzato dal fatto che la presenza di un diodo in uscita da ogni ottimizzatore di potenza (2) presenta una caratteristica di ridondanza che consente di evitare eventuali e ben più gravi interruzioni della stringa.8) Management and control system (1) of the power optimizers (2), in the event of their breakdown or failure, according to claims 5 and 6, characterized by the fact that the presence of a diode at the output of each power optimizer ( 2) has a redundancy feature that allows to avoid possible and much more serious interruptions of the string.
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