ITCZ20090007A1 - Metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata - Google Patents

Description

Metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata

Campo della tecnica

La presente invenzione riguarda un metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata (DC-AC), che prevede una logica di controllo sugli interruttori statici presenti nel circuito e non necessita di tecniche PWM. Quindi, tale logica semplifica molto gli schemi implementativi di conversione a differenza di quelli attualmente presenti sul mercato.

Stato della tecnica

La struttura tipica dei sistemi di conversione include un generatore di forma d’onda periodica ottenuta con tecniche classiche PWM quali quelle basate, ad esempio, sul confronto di due forme d’onda: una portante a frequenza elevata ed una modulante, tipicamente sinusoidale, a frequenza uguale a quella desiderata in uscita. Da tale confronto vengono determinati gli istanti di commutazione sugli interruttori statici, normalmente presenti nei circuiti di conversione, necessari a fornire in uscita la forma d’onda desiderata che verra` poi fornita in ingresso ad un filtro.

Forme d’onda analoghe a quelle proposte nella presente invenzione sono usate nei brevetti SA2005A000014 e WO08103946. In particolare il brevetto SA2005A000014 utilizza un doppio schema di conversione DC-DC e DC-AC mentre il brevetto WO08103946 si riferisce ad un sistema di condizionamento con uguale struttura DC-DC e DC-AC interposta tra il Fuel-Cell e la Utility Grid, con lo scopo di ridurre le correnti di ammittanza. In entrambi gli schemi tale forma d’onda e` ottenuta con tecniche classiche di modulazione. Una delle principali caratteristiche del metodo proposto e` invece l’assenza di un confronto tra modulante e portante con conseguente semplificazione del suo schema logico.

Breve descrizione delle figure

La figura 1 mostra l’andamento qualitativo della forma d’onda proposta all’interno di un singolo periodo.

La figura 2 mostra lo schema complessivo del circuito secondo la presente invenzione.

La figura 3 mostra lo schema logico della presente invenzione.

La figura 4 mostra uno schema di implementazione del metodo proposto con un filtro LC che alimenta il circuito primario di un trasformatore.

La figura 5 mostra lo schema proposto che alimenta un carico resistivoinduttivo (Ru, Lu).

La figura 6 mostra il THD del segnale in uscita in funzione dell’ampiezza desiderata.

La figura 7 mostra un gruppo di continuita` di tipo voltage independent. La figura 8 mostra uno schema semplificato di alimentazione di un carico puramente resistivo.

La figura 9 mostra il THD della forma d’onda sul carico puramente resisitivo in funzione dell’ampiezza desiderata.

La figura 10 mostra la tensione in uscita sul carico non controllata a fronte di variazioni parametriche sulle componenti del filtro.

La figura 11 mostra la tensione in uscita sul carico controllata a fronte di variazioni parametriche sulle componenti del filtro.

La figura 12 mostra come varia la variabile di controllo α.

Descrizione del metodo

Metodo di conversione di energia da una forma continua ad una alternata. Lo schema di conversione si basa sulla sintesi di tre dispositivi:

• un generatore di segnale periodico u(t);

• un filtro, nello specifico un filtro induttivo-capacitivo;

• una logica di controllo, sintetizzabile, ad esempio, tramite un semplice microcontrollore.

Il segnale periodico u(t) assume la seguente espressione:

dove T e` il periodo della forma d’onda da generare e vale la relazione di simmetria

In Figura 1 e` possibile osservare l’andamento della forma d’onda proposta all’interno di un singolo periodo.

Uno schema di conversione di energia prevede generalmente un inverter di tipo full-bridge. Il metodo di conversione della presente invenzione consiste in una diversa logica di apertura e chiusura degli interruttori che si differenzia totalmente dagli schemi PWM attualmente presenti sul mercato. Nel metodo sviluppato, gli interruttori vengono controllati in modo tale che, se in ingresso all’inverter e` fornita una tensione continua di ampiezza Vdc, in uscita dall’inverter verra` generato un segnale costante a tratti, periodico di periodo pari a Td, dove Tde` il periodo desiderato per la forma d’onda in uscita.

Al fine di generare tale forma d’onda, sono richieste solo tre commutazioni per ogni singolo periodo.

Tale metodo si differenzia quindi notevolmente dai metodi attuali in cui i segnali di controllo degli interruttori sono generati con tecniche classiche quali ad esempio confronto modulante-portante. Bisogna quindi sottolineare il fatto che, benche` entrambi i metodi, quello della presente invenzione e quello basato su PWM, prevedono un blocco generatore, nel nuovo metodo sviluppato non esiste l’elettronica a supporto necessaria per implementare una logica basata su PWM.

Il nuovo generatore sara` composto da soli 4 interruttori statici, detti D1, D2, D3, D4governati da un solo segnale logico opportunamente sfasato. In Figura 2 e` possibile osservare lo schema complessivo del circuito proposto. Il blocco regolatore presente in Figura 1 rappresenta la logica di controllo con cui si va a modulare la durata del livello nullo della forma d’onda u(t) sopra descritta.

Come negli schemi di conversione basati su logica PWM, anche in questo circuito e` presente un blocco controllore che, in ogni periodo verifica il soddisfacimento dei vincoli imposti alla forma d’onda in uscita indicata in Figura 2 come Vout.

Il blocco regolatore e` in grado di stimare l’ampiezza della sinusoide in uscita e di tarare opportunamente i parametri della forma d’onda proposta u(t) in modo da mantenere l’ampiezza al valore desiderato Vp. Dalla Figura 2 risulta inoltre evidente la presenza del filtro LC come spiegato sopra.

I blocchi generatore e di controllo gestiscono le tre commutazioni per periodo degli interruttori presenti nell’inverter.

Attesa la periodicita` e la struttura del segnale u(t), il filtro LC genera la sinusoide desiderata. Data la diversa logica di conversione, lo spettro del segnale continuo a tratti u(t), sara` sicuramente diverso dallo spettro ottenibile da un segnale generato con logica PWM. Mentre in quest’ultimo caso infatti lo spettro del segnale generato e` non nullo solo in determinati range di frequenza, lo spettro del segnale u(t) non gode di questa particolare caratteristica. Questo si traduce in una richiesta di filtraggio diversa rispetto al caso PWM. La sintesi dei componenti del filtro richiede quindi particolare attenzione. Nella presente invenzione vengono presentate in forma analitica formule di taratura per le componenti del filtro che, a differenza di molti casi presenti sul mercato, tengono conto anche della particolare natura del carico che deve essere alimentato (Figura 3). Nella sintesi del filtro occorre infatti tenere in conto tutte le possibili variazioni che possono intervenire nello schema circuitale da implementare (affidabilita` dei componenti, valore effettivo del carico, etc.); tale problema e` importante perche` queste variazioni possono modificare l’ampiezza della forma d’onda in uscita.

La forma d’onda a tre livelli garantisce, sotto opportune ipotesi, un Total-Harmonic Distortion (THD) prefiltrato al piu` pari all’unita`. La particolare struttura della forma d’onda proposta consente di ottenere, per via analitica, l’espressione esplicita per il THD del segnale prefiltrato. La validita` del metodo proposto verra` evidenziata in due scenari di lavoro: un sistema di conversione di energia con carico resistivo-induttivo, un sistema di alimentazione con carico puramente resisitivo.

Definendo il parametro α come il rapporto tra τ1e il periodo del segnale T

con

l’espressione del segnale u(t) diventa

Dallo sviluppo in serie Fourier

si ha

mentre la (2) implica valor medio nullo (a0= 0).

Seguendo lo standard IEEE Std 519-1992 il THD e` definito come:

Sostituendo i coefficienti (6) in (7), si deve risolvere un problema di Jonquie`re per ottenere una formulazione esplicita del THD. Si dimostra che la forma finale del THD e` la seguente:

L’espressione che la componente fondamentale assume in uscita dal filtro e`:

dove

• ωfe` la frequenza di lavoro fissata;

• G(�ωf) e` il guadagno alla frequenza fondamentale della funzione di trasferimento che lega la tensione in ingresso al filtro alla tensione che insiste sul carico;

• Vdce` la tensione in continua fornita dalla sorgente di tensione.

Si vuole quindi controllare l’ampiezza della fondamentale fissandola ad un valore desiderato Vp. Per realizzare tale controllo, si interverra` sulla durata dell’intervallo τ2− τ1, ed il parametro α sara` cos`ı la nuova variabile di controllo.

L’algoritmo, dopo una fase di inizializzazione in cui il valore di α iniziale viene posto uguale al valore nominale scelto in fase di progettazione α

si sviluppa in 4 fasi per ogni periodo K = 1, 2, ...:

(1) si misura l’ampiezza della fondamentale della tensione in uscita sul carico. Se l’ampiezza misurata e` pari a Vp, l’algoritmo salta al passo (4), altrimenti si esegue il passo (2);

(2) dalla (9) considerando il valore di αK−1, si stima il guadagno attuale della funzione di trasferimenteo |G( �ωf)|;

(3) una volta ottenuto il valore |G(�ωf)|, sempre dalla (9), e` possibile aggiornare αKin modo che la fondamentale risultante sia pari al valore desiderato. Quindi:

(4) K = K 1, ritorna al passo (1).

Quando si vuole fornire energia elettrica proveniente da fonti di energia alternative (quali eolico, solare etc.) alla rete di distribuzione elettrica nazionale, occore tenere presente che le normative vigenti impongono l’utilizzo di un trasformatore di interfacciamento per potenze ≥ 20kW (vedi schema proposto in Figura 4). Si presuppone quindi che il carico effettivo a valle del filtro sia costituito dal primario del trasformatore modellizzabile con un carico resistivo-induttivo (Ru, Lu) (vedi Figura 5). La funzione di trasferimento che lega la tensione in ingresso al filtro alla tensione vista dal ramo (Ru, Lu) e` la seguente:

L’espressione della n-sima armonica della tensione in uscita dal filtro e` invece pari a

Dalle formule sopra riportate risulta evidente che variazioni sulle componenti del circuito provocano variazioni anche sul valore della fondamentale in uscita al carico. Si puo` esprimere l’equazione che lega le variazioni sulla fondamentale alle variazioni sui singoli componenti tramite la seguente espressione

dove

sono i coefficienti di sensibilita` della fondamentale in uscita rispetto alle variazioni parametriche cui possono essere soggetti le componenti del circuito analizzato. Di seguito viene presentata una sintesi analitica per il filtro LC in modo da rendere la fondamentale in uscita sul carico insensibile rispetto alle variazioni di una delle due componenti del filtro.

In prima istanza, si vuole imporre il valore desiderato della fondamentale in uscita sul carico ottenendo la prima equazione da risolvere:

Scegliendo di annullare il coefficiente di sensibilita` relativo alle variazioni parametriche cui puo` essere soggetto il condensatore, e` possibile pervenire alla seconda equazione da risolvere

γc= 0. (20)

Le specifiche appena imposte formano dunque il seguente sistema:

Il filtro LC che risolve il sistema appena formulato ha componenti pari a:

Il coefficiente di sensibilita` γce` ovviamente zero mentre i restanti coefficienti di sensibilita` assumono i seguenti valori:

Dalla (9) risulta evidente come anche il valore del THD del segnale in uscita dal filtro dipenda dal parametro libero Vp. Per apprezzare l’andamento del THD del segnale in uscita sul carico occorre ritornare alla defizione standard del THD. Posto infatti

Nmax≫ 1,

si puo` approssimare il THD con la seguente espressione:

Tale andamento viene quindi riportato in Figura 6 dove si esprime il valore del THD in funzione del parametro Vpposto Ru= 0.0279Ω, Lu= 0.18642mH, Vdc= 420V , α = 0.40 e Nmax= 30.

Si vuole ora implementare un gruppo di continuita` di tipo Voltage Independent che alimenta un carico resistivo fisso. Come si puo` notare in Figura 7, quando l’alimentazione in ingresso viene meno, il commutatore si apre e la fonte di energia elettrica e` cos`ı costituita da un blocco sorgente che genera la forma d’onda proposta u(t) e da un filtro LC, da sintetizzare, che alimenta quindi una resistenza Ru(vedi Figura 8). La funzione di trasferimento che lega l’ingresso u(t) del sistema alla tensione in uscita sul carico e` la seguente

Valgono ancora le definizioni sulla fondamentale e sulle armoniche definite dalle (9) e (13). In questo nuovo scenario di lavoro, l’equazione che lega le variazioni sulla fondamentale alle variazioni sulle componenti del circuito e` la seguente:

dove e` possibile definire come sopra i coefficienti di sensibilita` rispetto a L,c e Ru. Viene presentata di seguito una sintesi analitica per il filtro LC nel caso in esame. Il sistema e` formalmente uguale al caso precedente dove ora il termine |G( �ωf)| tiene conto della diversa tipologia di carico. Le componenti che rispettano le specifiche poste sono quindi soluzione del seguente sistema:

Il filtro che risolve il sistema ha componenti pari a:

Ancora una volta γce` chiaramente nullo mentre i valori che i restanti coefficienti di sensibilita` assumono sono

L’andamento del THD della forma d’onda sul carico e` mostrato in Figura 9 posto Ru= 30Ω, Vdc= 311V , α = 0.40, Nmax= 30.

In questa sezione si determina il range di variazioni sul carico per un controllo efficace dell’ampiezza della tensione in uscita. Dalla (29) si evince che variazioni sul carico si ripercuotono fortemente sull’andamento della forma d’onda impressa sul carico.

Per riuscire a gestire le variazioni sulla fondamentale si applica l’agoritmo di controllo sopra discusso. Dalla formula di aggiornamento del rapporto α τ1

K= T ,

risulta evidente che l’argomento all’interno della funzione arcsin(x) deve avere dei bounds ben definiti:

Sostituendo all’interno del termine |G( �ωf| la relazione (25) e ponendo i parametri del filtro LC ai loro valori nominali si ottiene il seguente limite inferiore per le variazioni sul carico Ru:

Per ricavare il limite superiore di variazione del carico Rusi vuole imporre che il THD della forma d’onda prefiltrata si mantenga al piu` pari all’unita`. Prendendo l’espressione esplicita del THD

e posto

si ottiene il valore αminal di sopra del quale il vincolo imposto verra` rispettato. Si ha che

Imponendo ora

si ottiene la variazione massima per il carico Ru:

Si considera ora una possibile applicazione del metodo proposto ad un sistema fotovoltaico il cui carico effettivo e` costituito dal primario di una trasformatore modellizzabile con un carico (Ru, Lu). Dalle relazioni (22) i parametri del filtro LC sono:

• L = 0.755493mH;

• c = 57443µF .

La forma d’onda in uscita sul carico e` mostrata in Figura 10. Per testare la validita` dell’algoritmo di controllo sviluppato si ipotizza una variazione parametrica delle componenti del filtro. Il valore che la fondamentale assume in uscita sul carico chiaramente non sara` piu` pari al valore desiderato Vp. Considerando ora l’azione dell’algoritmo di controllo sviluppato, la forma d’onda in uscita sul carico e` quella mostrata in Figura 11. Il THD di questa forma d’onda e` ≈ 0.015 mentre la variabile di controllo α in seguito al disturbo si e` assestata su un nuovo valore di regime (Figura 12).

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1. Metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata in presenza di un carico, comprendente un generatore di segnale, che fornisce un segnale periodico al sistema, un filtro, che a partire dal segnale periodico in ingresso fornisce una tensione sinusoidale e un controllore, che a partire da una stima del segnale in uscita dal filtro, mantiene l’ampiezza desiderata, caratterizzato dal fatto che il generatore di segnale fornisce un segnale a tre o piu` livelli con almeno un livello zero di durata variabile per singolo periodo e che il regolatore, sulla base della variazione dei parametri del filtro e della natura del carico, interviene sulla durata del livello zero della forma di detto segnale 2. Metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i livelli del segnale generati dal generatore per singolo periodo sono tre. 3. Metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il livello zero del segnale periodico e` centrale rispetto all’intero periodo. 4. Metodo di conversione di energia elettrica continua in energia elettrica alternata secondo la rivendicazione 1 o 3 caratterizzato dal fatto che la durata del livello zero e` data dalla relazione