ITRM20130566A1 - Sistema e metodo per la gestione di sorgenti di energia rinnovabile - Google Patents

Description

SISTEMA E METODO PER LA GESTIONE DI SORGENTI

DI ENERGIA RINNOVABILE

DESCRIZIONE

La presente invenzione si colloca nel settore della gestione dell’energia, in particolare proveniente da sorgenti di energia rinnovabile o ambientale, sorgenti harvester, tipicamente incorrelate.

Viene dunque proposto un sistema per la fornitura di energia elettrica ad un carico, a partire da una pluralità di sorgenti di energia, insieme ad un metodo di gestione di un tale sistema.

Un sistema cosiddetto di power management, basato sull’utilizzo di molteplici sorgenti di energia rinnovabile, gestisce il trasferimento di potenza dalla molteplicità di sorgenti di ingesso verso il dispositivo di carico.

Ad oggi, le soluzioni in tale ambito possono schematicamente essere ricondotte a due distinte tipologie.

La prima soluzione prevede la gestione delle sorgenti ambientali tramite una funzione di OR logico. Un sistema di monitoraggio monitora le condizioni ambientali di ciascuna sorgente presente. Il sistema di power management seleziona la sorgente che è sottoposta a condizioni ambientali più favorevoli (che quindi eroga maggiore potenza) e questa sorgente selezionata viene connessa al sistema di power management. Di fatto la selezione delle sorgenti è completamente asincrona e soltanto una sorgente per volta può alimentare il sistema di power management e quindi può trasferire potenza verso il carico.

Soluzioni più avanzate prevedono l’implementazione della funzione di OR logico tramite diodi e quindi presuppongono che, nel caso di perfetto matching di tensione tra più sorgenti, le sorgenti possano essere collegate in parallelo sul carico. E’ tuttavia da notare che, con sorgenti harvester incorrelate, questa eventualità è particolarmente remota e quindi sostanzialmente da escludere.

La soluzione con OR logico prevede generalmente che il sistema di power management effettui il controllo del punto operativo dell’unica sorgente selezionata, non considerando le altre momentaneamente inattive ai fini del trasferimento di potenza. La potenza erogata dalle sorgenti in condizioni meno favorevoli non è dunque utilizzata ai fini del trasferimento energetico, ma viene persa. Questo è ovviamente un gravissimo inconveniente della soluzione con OR logico, in contrasto con la logica propria dell’energy harvesting che consiste nel recuperare qualunque forma e quantità di energia ambientale. La strategia OR logico non è pertanto efficiente.

Inoltre, generalmente, il sistema di power management, direttamente connesso ai diodi di connessione, esegue il controllo sulla massima potenza di ingresso, demandando ad un successivo stadio di conversione il controllo della potenza di uscita da trasferire al carico. Questo accade perché non vi sono sufficienti variabili di controllo che permettano un controllo efficace sia in termini di potenza in uscita sia in termini di massimo trasferimento in ingresso.

Inoltre, nel caso di soluzione OR logico, l’algoritmo di controllo dello stadio di conversione che effettua il controllo della potenza di ingresso deve riadattarsi alla sorgente specifica che di volta in volta è effettivamente connessa in ingresso.

Una categoria di soluzioni più avanzata di power management è rappresentata dalle cosiddette ‘soluzioni modulari’. In questo caso, ciascuna sorgente ambientale è connessa ad un convertitore di potenza dedicato, le cui uscite sono adattate su un unico bus comune. Tuttavia, talvolta, dietro soluzioni modulari si nascondono soluzioni che sono effettivamente a OR logico, cioè i moduli sono interfacciati da una funzione di selezione a OR logico.

La soluzione modulare consente un controllo singolo della massima potenza della sorgente ambientale, poiché operato dal convertitore dedicato. Nel caso di adattamento su bus comune, evita la dispersione di energia ambientale. Tuttavia dal bus comune al dispositivo di carico deve sempre essere connesso un successivo stadio di conversione a causa della mancanza di gradi di libertà.

La soluzione modulare presenta un grado di flessibilità comparabile con la soluzione a OR logico poiché è possibile aggiungere agevolmente un ulteriore modulo per garantire l’espandibilità del sistema. Tuttavia in questo caso, l’aggiunta di un ulteriore modulo comporta l’aggiunta di un intero sistema di conversione e non di un semplice diodo di interfaccia come nel caso della soluzione OR logico.

Dunque, la soluzione modulare presenta un’efficienza di conversione peggiore della soluzione OR logico poiché inserisce molteplici convertitori di potenza.

Scopo della presente invenzione è dunque quello superare le problematiche sopra esposte e ciò è ottenuto attraverso un sistema per la fornitura di energia elettrica ad un carico LD da una pluralità di sorgenti di energia SPi comprendente:

- mezzi per acquisire nel tempo parametri elettrici in uscita Vi, Ai da dette sorgenti di energia SPi;

- mezzi per selezionare nel tempo una o più di dette sorgenti SPi in funzione di detti primi parametri elettrici Vi, Ai in maniera tale che ciascuna delle sorgenti selezionate SSi fornisca in uscita una potenza superiore ad una prima soglia predeterminata Pmin;

- uno stadio di immagazzinamento ST di energia atto ad essere alimentato, alternativamente, da una di dette sorgenti selezionate SSi;

- uno stadio di uscita OUT atto a fornire in uscita una tensione di uscita Vout rispetto ad un punto di riferimento GND per alimentare un carico LD;

- uno stadio di commutazione SW per il collegamento di dette sorgenti selezionate SSi a detto stadio di immagazzinamento ST e di detto stadio di immagazzinamento ST a detto stadio di uscita OUT; ed

- un’unità di controllo CTRL atta a pilotare detto stadio di commutazione SW in maniera tale che, per almeno un intervallo di tempo fondamentale T durante il quale non si modifichi la selezione di dette sorgenti, ciascuna delle sorgenti selezionate SSi sia alternativamente collegata per un rispettivo intervallo di tempo di connessione Tonia detto stadio di immagazzinamento e che detto stadio di immagazzinamento sia, almeno per un intervallo di tempo di uscita Toff, collegato a detto stadio di uscita OUT, detti intervalli di tempo di connessione Toniessendo tra loro distinti.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un metodo per la gestione di un sistema per la fornitura di energia elettrica ad un carico LD da una pluralità di sorgenti di energia SPi comprendente:

- acquisire nel tempo parametri elettrici in uscita Vi, Ai da dette sorgenti di energia SPi;

- selezionare nel tempo una o più di dette sorgenti SPi in funzione di detti parametri elettrici in maniera tale che ciascuna delle sorgenti selezionate SSi fornisca in uscita una potenza superiore ad una prima soglia predeterminata Pmin;

- in almeno un intervallo di tempo fondamentale T durante il quale non si modifichi la selezione di dette sorgenti:

o immagazzinare alternativamente energia proveniente da ciascuna delle sorgenti selezionate SSi per un rispettivo intervallo di tempo di connessione Toni, e

o erogare, almeno per un intervallo di tempo di uscita Toff, l’energia immagazzinata in detto intervallo di tempo di connessione Toni, per fornire in uscita una tensione di uscita Vout rispetto ad un punto di riferimento GND per alimentare il carico LD,

detti intervalli di tempo di connessione Toniessendo tra loro distinti.

La presente invenzione, superando i problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi.

Innanzitutto, la presente invenzione consiste in un sistema di power management per la gestione di molteplici sorgenti di energia rinnovabile o ambientale. Il sistema ideato prevede una gestione simultanea ed efficiente dell’energia proveniente dalle sorgenti ambientali.

Inoltre, la presente invenzione propone una nuova architettura, nuovi sottosistemi di controllo, algoritmi e tecniche di power management per sistemi basati sull’utilizzo di molteplici sorgenti harvester incorrelate. Grazie alla presente invenzione si garantiscono una maggiore efficienza e costo inferiore alle soluzioni note agli inventori.

Tramite il sistema di power management proposto, un unico sistema compatto a costo contenuto, e innovativi algoritmi di controllo, è possibile controllare efficientemente il trasferimento di potenza verso il dispositivo di carico da molteplici sorgenti rinnovabili e ambientali.

Il sistema include un sottosistema denominato “power conditioning unit” che svolge le funzioni di controllo e gestione del punto di riposo delle sorgenti rinnovabili di ingresso e di gestione simultanea del flusso di potenza proveniente dall’insieme di sorgenti di energia rinnovabile in ingresso verso il dispositivo di carico e un sottosistema denominato “power controller” che controlla e gestisce il sistema di power conditioning. Il sistema di power management può essere direttamente connesso al dispositivo di carico oppure essere connesso al carico tramite un successivo sottosistema “battery charger” ad un elemento di storage, come ad esempio una batteria o un supercondensatore.

Questi ed altri vantaggi, assieme alle caratteristiche ed alle modalità di impiego della presente invenzione, risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione preferite, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo.

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

• la figura 1 è uno schema a blocchi esemplificativo di un sistema secondo la presente invenzione;

• la figura 2 è uno schema a blocchi maggiormente dettagliato di un sistema secondo la presente invenzione;

• le figure 3A e 3B sono schemi circuitali esemplificativi del blocco di power conditioning del sistema secondo la presente invenzione;

• le figure 4° e 4B sono schemi circuitali esemplificativi di un sistema secondo la presente invenzione;

• le figure da 5A a 5E sono grafici che mostrano l’andamento di alcune grandezze misurate durante il funzionamento del circuito di figura 4A.

La presente invenzione sarà di seguito descritta facendo riferimento alle figure suindicate.

In particolare, la figura 1 è uno schema a blocchi esemplificativo di un sistema secondo la presente invenzione.

In termini molto generali, il sistema riceve in ingresso una pluralità di sorgenti di energia rinnovabile, indicate con SP1,SP2,...,SPn. Un sottosistema, genericamente indicato come “power conditioning unit” nello schema di figura 1, è preposto alla gestione del flusso di potenza dalla molteplicità di sorgenti di ingresso verso il carico. Il sottosistema “power conditioning unit”, è opportunamente controllato da un sottosistema genericamente indicato in figura come “unità di controllo”.

Secondo una forma di realizzazione l’unità di power conditioning è connessa direttamente con un elemento di storage, quale ad esempio una batteria o un supercondensatore, e in parallelo al carico. Questa rappresenta una delle forme di realizzazione preferite visto che include la possibilità di gestire il flusso di potenza in tre modalità distinte:

- Carica batteria tramite sorgenti e PMU (charge): la fase prevede il trasferimento di potenza dall’insieme delle sorgenti di ingresso che sono sottoposte a condizioni ambientali favorevoli verso il dispositivo di carico. Durante questa fase si può ottimizzare il punto di lavoro delle singole sorgenti di ingresso al fine di massimizzare il trasferimento di potenza e si ripristina il massimo stato di carica sull’elemento di storage connesso in uscita.

- Carico alimentato solo da batteria (discharge): la modalità si presenta nel caso in cui le condizioni ambientali non sono favorevoli per tutte le sorgenti di ingresso. Durante questa fase la corretta alimentazione del carico è affidata all’elemento di storage in uscita.

- Carico alimentato da batteria e sorgenti (modalità ibrida): la modalità si presenta quando le condizioni ambientali delle sorgenti di ingresso non sono sufficienti, in base alla richiesta istantanea del dispositivo di carico. In questa fase, sia l’elemento di storage in uscita sia l’unità di power conditioning e dunque le sorgenti di ingresso contribuiscono alla corretta alimentazione del dispositivo di carico.

Più nel dettaglio, lo schema di figura 2 illustra un sistema secondo la presente invenzione. Il sistema deve essere gestito attraverso un corrispondente metodo di gestione, secondo la descrizione che segue.

Il sistema comprende innanzitutto mezzi per acquisire nel tempo parametri elettrici in uscita Vi, Ai dalle sorgenti di energia SPi (i = 1 … n). Ciò consente di implementare un sistema di sensing e monitoring delle condizioni ambientali.

Tali parametri elettrici (ad es, tensione, corrente e/o potenza in uscita) che dunque, diversamente per ciascuna sorgente dipenderanno dalle condizioni ambientali, vengono utilizzati da mezzi per selezionare, nel tempo, una o più delle sorgenti SPi in funzione dei parametri elettrici Vi, Ai. La selezione è eseguita in maniera tale che ciascuna delle sorgenti selezionate, indicate con SSi (i=1..n), fornisca in uscita una potenza superiore ad una prima soglia predeterminata Pmin. Tale vare di soglia potrà essere scelto naturalmente in funzione della specifica applicazione del sistema, e la sua determinazione è naturalmente da ritenersi alla portata di un esperto del settore. Ad esempio, la soglia potrebbe essere posta pari a zero.

In altre parole, i mezzi di selezione selezionano solo le sorgenti SSi che possono partecipare attivamente alla fornitura di energia elettrica, scollegando dal sistema quelle che invece, in quel momento, non possono contribuire alla fornitura di energia elettrica perché, a causa di condizioni ambientali avverse, non producono potenza sufficiente.

Il sistema comprende inoltre uno stadio di immagazzinamento ST di energia ed uno stadio di uscita OUT.

Lo stadio di immagazzinamento ST è tale da poter essere alimentato, alternativamente, da una delle sorgenti selezionate SSi e lo stadio di uscita è tale da poter fornire in uscita una tensione di uscita Vout, misurata rispetto ad un punto di riferimento GND, per alimentare un carico LD.

Per il collegamento delle sorgenti selezionate SSi allo stadio di immagazzinamento ST e dello stadio di immagazzinamento ST allo stadio di uscita OUT, il sistema comprende uno stadio di commutazione SW, controllato e pilotato da un’unità di controllo CTRL.

Tale unità di controllo è predisposta in maniera tale da essere idonea a pilotare lo stadio di commutazione SW in modo che, per almeno un intervallo di tempo fondamentale T, durante il quale non si modifichi la selezione delle sorgenti, ciascuna delle sorgenti selezionate SSi sia alternativamente collegata per un rispettivo intervallo di tempo di connessione Toniallo stadio di immagazzinamento. In particolare, gli intervalli di tempo di connessione Tonidevono risultare tutti tra loro distinti.

Inoltre, lo stadio di commutazione deve essere pilotato anche in modo che lo stadio di immagazzinamento sia, almeno per un intervallo di tempo di uscita Toff, collegato allo stadio di uscita OUT.

Vantaggiosamente, l’unità di controllo può essere tale da regolare anche la tensione di uscita Vout, e di conseguenza la potenza in uscita, sulla base di un valore predeterminato VT, scelto sempre in funzione della specifica applicazione. Le successive figure 3A e 3B sono schemi circuitali esemplificativi del blocco di power conditioning di un sistema secondo la presente invenzione.

Si presume che le sorgenti di ingresso siano già state selezionate. L’unità di power conditioning è rappresentata in figura 3A nel caso di due sorgenti di ingresso selezionate, ed in figura 3B nel caso di un numero generico N di sorgenti di ingresso selezionate.

Con riferimento alla figura 3A, il sistema secondo tale forma di realizzazione si propone come un sistema di conversione di tipo multi-input, single-output, single inductor. La relazione ingresso-uscita è di tipo buckboost-buckboost non invertente nei confronti di entrambe le sorgenti.

La topologia include uno stadio di commutazione comprendente tre switch Sw1, Sw2 e Swout, uno stadio di immagazzinamento di energia che comprende un elemento induttivo L ed uno stadio di uscita che comprende un elemento capacitivo. E’ evidente che l’elemento capacitivo di uscita potrebbe essere sostituito con una batteria o un supercondensatore.

Possono inoltre essere previsti due buffer capacitivi di ingresso C1 e C2, ciascuno connesso in parallelo ad una rispettiva sorgente rinnovabile selezionata. Il nodo NS comune ai tre switch verrà di seguito indicato come nodo switching. Tra le sorgenti selezionate SS1 ed SS2, una verrà nel seguito definita come sorgente primaria o master, l’altra verrà definita ed identificata come sorgente secondaria o slave.

La sorgente master svolge un ruolo fondamentale nel funzionamento della topologia di conversione poiché è l’unica tra le sorgenti ad essere connessa tra l’elemento di storage induttivo L ed un punto di riferimento del circuito GND, in particolare, nell’esempio, la massa del sistema.

Lo switch Sw2 deve essere direttamente connesso alla sorgente slave SS2. Lo switch Sw1 deve essere connesso tra il nodo di switching e la massa comune. Lo switch Swout deve essere connesso tra il nodo di switching e il nodo capacitivo di uscita.

Il sistema prescinde dalla tipologia specifica delle due sorgenti. Le sorgenti possono essere indifferentemente pannelli solari, celle a combustibile, dispositivi piezoelettrici, generatori eolici, generatori termoelettrici o altri dispositivi harvester. Lo stadio di commutazione, comprende inoltre due switch ausiliari SA1 e SA2. Questi switch saranno comandati in maniera tale che tra le sorgenti selezionate ce ne sia sempre una, e possibilmente una sola, connessa come sorgente primaria o master, collegata al punto di riferimento GND.

La figura 3B ripete esattamente la stessa topologia, con la differenza di aver selezionato più sorgenti di ingresso.

Dal confronto dei circuiti è facile evidenziare che l’inserimento di un’ulteriore sorgente di energia è possibile mediante l’inserimento di:

- Un ulteriore switch ausiliario (SAN)

- Un ulteriore buffer capacitivo di ingresso (CN)

- Uno ulteriore switch primario (SwN)

Pertanto è evidente come, tramite l’introduzione di un numero esiguo di componenti, è possibile agevolmente includere un ulteriore modulo, garantendo ampia flessibilità al progettista.

La topologia del sistema, come finora descritta, permette di inserire in ingresso sorgenti harvester completamente incorrelate tra loro (fonti ambientali diverse). In quest’ottica le sorgenti di ingresso non vanno considerate banalmente come generatori ideali di tensione dato che le sorgenti harvester erogano una corrente dipendente dalle condizioni ambientali cui sono sottoposte. Le fonti ambientali considerate possono essere completamente incorrelate tra loro e pertanto le sorgenti non possono essere collegate direttamente in serie o in parallelo.

Questa particolare topologia proposta permette il collegamento di harvester incorrelati grazie alla connessione di un nodo centrale direttamente connesso ad un induttore, nodo su cui non sono applicati switch. In questo modo, la differenza di correnti ha un percorso di ricircolo esterno alle due sorgenti. Da notare che per questo non sono sufficienti le connessioni in parallelo con i buffer capacitivi di ingresso poiché la corrente, circolando sui buffer di energia, andrebbe ad alterare il punto di funzionamento degli harvester, secondo la peculiare caratteristica V-I dell’elemento.

Pertanto, la configurazione di ingresso si presta in modo particolare all’utilizzo di tale topologia con sorgenti harvester incorrelate.

Il funzionamento della topologia di conversione si basa sul principio del trasferimento di potenza simultaneamente da molteplici sorgenti verso l’unità di carico, nell’ambito di una strategia di controllo e multiplexing idonea a pilotare gli switch in modo che, per almeno un intervallo di tempo fondamentale T, durante il quale non si modifichi la selezione delle sorgenti, ciascuna delle sorgenti selezionate SSi sia alternativamente collegata per un rispettivo intervallo di tempo di connessione Toniallo stadio di immagazzinamento. In particolare, gli intervalli di tempo di connessione Tonidevono risultare tutti tra loro distinti.

La strategia di multiplexing garantisce che la potenza media nel periodo T trasferita al carico è uguale alla somma delle potenze erogate dalle singole sorgenti coinvolte nella strategia di multiplexing.

Vantaggiosamente, il periodo T deve essere scelto sufficientemente ridotto, tale da poter considerare costanti le condizioni ambientali, e da non ricondursi ad un funzionamento asincrono.

Si consideri per semplicità il caso di due sorgenti SS1, sorgente master, e SS2 sorgente slave (raffigurato in figura 3A). Si descrive il funzionamento del sistema nel caso in cui entrambe le sorgenti siano nelle condizioni di partecipare attivamente al trasferimento di potenza. In queste condizioni, la configurazione degli switch ausiliari è la seguente:

- SA1 ON

- SA2 OFF

- Sw1 e Sw2 partecipano alla strategia di multiplexing

Si noti che nel computo della potenza dissipata e dunque dell’efficienza del sistema, gli switch pilotati in maniera asincrona (in questo caso SA1 e SA2) forniscono un contributo trascurabile alla potenza complessivamente dissipata dall’unità di power conditioning.

Si distinguono tre sottointervalli temporali all’interno del periodo fondamentale T. Sottointervallo Ton1:

- Sw1 ON

- Sw2 OFF

- Swout OFF

L’elemento di storage induttivo immagazzina energia dalla sorgente SS1, essendo connesso in parallelo alla sorgente SS1 per l’intera durata del sottointervallo Ton1.

Sottointervallo Ton2:

- Sw2 ON

- Sw1 OFF

- Swout OFF

L’elemento di storage induttivo immagazzina energia dalla sorgente SS2, essendo connesso in parallelo alla sorgente SS2 per l’intera durata del sottointervallo Ton2.

Sottointervallo Toff:

- Sw1 OFF

- Sw2 OFF

- Swout ON

L’elemento di storage induttivo è direttamente connesso tra la sorgente master e il buffer capacitivo di uscita e fornisce l’energia precedentemente immagazzinata al dispositivo di carico.

Preferibilmente, l’unità di controllo deve garantire la presenza di un tempo morto tra il sottointervallo Ton1 e il sottointervallo Ton2 per evitare il collegamento in parallelo delle due sorgenti di energia.

Durante il tempo morto Toff il sistema si trova nella configurazione:

- Sw1 OFF

- Sw2 OFF

- Swout ON

Quindi l’intervallo Toff può essere, e in generale è, fisicamente suddiviso in sottointervalli temporali anche non consecutivi. Questo non lede la generalità della descrizione e ai fini dello scambio energetico è ininfluente la disposizione fisica dei sottointervalli temporali distinti ma è importante esclusivamente la durata totale in cui il sistema si trova nelle tre configurazioni appena descritte.

Da notare che durante i sottointervalli Ton1 e Ton2, durante i quali l’induttore immagazzina energia dalle sorgenti, l’induttanza L è sottoposta alle tensioni massime possibili all’interno del circuito e provenienti dall’ingresso, cioè del tipo VL= Vin. Questa è una peculiarità del sistema proposto particolarmente utile ai fini del funzionamento del sistema. Infatti, in queste condizioni, a parità di energia delle singole sorgenti, l’induttore immagazzina energia nel più breve tempo possibile perché sottoposto direttamente alla tensione della corrispondente sorgente. In altre topologie multi-input questo non accade e questo rende più lento il trasferimento di potenza verso il carico, ovvero la stessa potenza media viene trasferita in un tempo più lungo.

Sia V1 il valore di tensione ai capi della sorgente master, sia V2 il valore di tensione ai capi della sorgente slave considerata e Vout il valore della tensione di uscita.

Indicato con d1 il duty-cycle dello switch Sw1 e con d2 il duty-cycle dello switch Sw2, la relazione ingresso-uscita del convertitore proposto in condizioni di regime è:

1� d

Vout � 2 d

V 1� 2 V 2

1�d1 � d 2 1�d1� d 2

in cui d1=Ton1/T e d2=Ton2/T.

Tutto quanto precede può essere generalizzato al caso di N sorgenti di ingresso. Con riferimento alla figura 3B, viene descritto il funzionamento del sottosistema di conversione proposto. In relazione alla generica sorgente SSi, con i=2,...,N si distinguono i seguenti modi di funzionamento:

- Cooperation mode: la sorgente Si contribuisce al trasferimento di potenza verso il carico. Il sistema di sensing e monitoring delle condizioni ambientali della sorgente SSi non rileva condizioni ambientali particolarmente sfavorevoli. La sorgente SSi partecipa al trasferimento di potenza verso il carico e il corrispondente switch Swi interviene nella strategia di time-multiplexing.

- Esclusion mode: la sorgente SSi è esclusa dal trasferimento di potenza verso il carico. Se il sistema di sensing e monitoring rileva che le condizioni ambientali cui è sottoposta Si sono assolutamente non favorevoli (assenza di sole per pannelli fotovoltaici, mancanza di idrogeno per celle a combustibile etc.), il sistema esclude la corrispondente sorgente dalla strategia di multiplexing. In questo caso, l’unità power controller disabilita, ovvero pilota in condizioni di interdizione, il corrispondente switch Swi, che non parteciperà alla strategia di multiplexing fino a successivo comando dell’unità di sensing e monitoring.

La precedente strategia è valida per qualunque sorgente slave inserita nel sistema. La sorgente master, invece, svolge un ruolo fondamentale nel funzionamento della topologia di conversione poiché è l’unica tra le sorgenti ad essere connessa tra l’elemento di storage induttivo e la massa del sistema. In riferimento alla sorgente master, i due modi di funzionamento previsti sono i seguenti:

- Cooperation mode: la sorgente master SS1 contribuisce al trasferimento di potenza verso il carico. Il sistema di sensing e monitoring delle condizioni ambientali della sorgente Si non rileva condizioni ambientali particolarmente sfavorevoli. La sorgente Si partecipa al trasferimento di potenza verso il carico e il corrispondente switch Sw1 interviene nella strategia di time-multiplexing, lo switch SA1 è costantemente in conduzione, gli switch ausiliari SA2,...,SAN sono costantemente pilotati in interdizione.

- Esclusion mode: la sorgente SS1 è esclusa dal trasferimento di potenza verso il carico. Se il sistema di sensing e monitoring rileva che le condizioni ambientali cui è sottoposta SS1 sono assolutamente non favorevoli (assenza di sole per pannelli fotovoltaici, mancanza di idrogeno per celle a combustibile etc.), il sistema esclude la sorgente master dalla strategia di multiplexing, elevando a sorgente master una sorgente slave, scelta tra le sorgenti slave in quel momento incluse nella strategia di multiplexing. L’unità power controller, in base alle informazioni fornite dall’unità di sensing e monitoring, inserisce come sorgente master quella che tra le sorgenti slave si trova in condizioni ambientali più favorevoli rispetto alle altre. Sia ad esempio considerato il caso in cui la generica sorgente SSj con j=2,...,N venga elevata al ruolo sorgente master. In tal caso lo switch ausiliario SA1 e i rimanenti switch ausiliari ad eccezione di SAj sono pilotati in condizioni di interdizione, lo switch Swj viene pilotato in interdizione non partecipando alla strategia di multiplexing e lo switch SAj viene pilotato in conduzione. La configurazione descritta permane fino a successivo controllo dell’unità di sensing e monitoring.

In tal caso, la relazione ingresso-uscita diventa la seguente:

1�d d Vout� 2�d 3� ...� d<n>d

V 1� 2 d

V 2� 3 V 3� .....� n V n 1�d1�d 2�...� dn 1�d1�d 2�...� dn 1�d1�d 2� ...� d n 1�d1�d 2� ...� d n

in cui:

V1è la tensione di uscita della sorgente selezionata primaria;

Vi è la tensione di uscita della i-esima sorgente selezionata; e

di è calcolato come Toni/T.

Il convertitore si comporta come un boost nei confronti della sorgente master e come buck-boost non invertente nei confronti di qualunque sorgente slave connessa al circuito, lasciando al progettista ampio margine di flessibilità nell’utilizzo e nel posizionamento delle sorgenti harvester. Questa relazione ingresso-uscita, fondamentale per il corretto utilizzo nelle applicazioni finalizzate dipende esclusivamente dalla specifica posizione dei componenti della topologia di conversione proposta.

La relazione ingresso-uscita rivela un’importante caratteristica: la relazione comprende la somma di due termini, ciascuno correlato alla tensione di una delle sorgenti di ingresso e da entrambi i valori di duty-cycle. Questa importante caratteristica permette di controllare quest’unico sistema di conversione per implementare sia un controllo della potenza di uscita in accordo con la richiesta del carico, lo stato di carica dell’eventuale elemento di storage in uscita, sia di implementare separatamente un controllo del punto di riposo delle singole sorgenti.

L’unità di controllo implementa un algoritmo atto ad esplicare entrambe queste funzioni. Si noti che l’algoritmo è reso possibile dalla particolare espressone ingresso-uscita e quindi è da ritenersi peculiare dell’invenzione proposta. Si noi altresì che il sistema secondo la presente invenzione permette con un unico stadio di conversione, quindi con l’impiego di un numero esiguo di componenti e quindi garantendo la massima efficienza tutte le funzioni garantite da soluzioni note in letteratura.

In termini di efficienza, considerando il caso di due sorgenti, all’interno di un periodo T ci sono:

- due commutazioni dello switch Sw1(ON->OFF, OFF->ON)

- due commutazioni dello switch Sw2 (ON->OFF, OFF->ON)

- quattro commutazioni dello switch Swout

Il numero di commutazioni è minimo rispetto alle topologie di tipo multi-input già note. In termini di efficienza, il sistema presente quindi un’efficienza superiore per la topologia in oggetto rispetto alle topologie multi-input note, a parità di sorgenti e di energia trasmessa al carico.

L’unità di controllo deve fornire i segnali di comando per gli switch della topologia di conversione. L‘algoritmo di controllo proposto prevede un controllo congiunto dei duty-cycle d1 e d2 per garantire il corretto trasferimento di potenza in uscita, ovvero il controllo della tensione di uscita, e un controllo indipendente dei duty-cycle d1 e d2 in funzione dei parametri elettrici acquisiti dalle sorgenti di ingresso al fine di regolare il punto di riposo delle singole sorgenti e ottimizzare il trasferimento di potenza.

Le successive figure 4A e 4B sono schemi circuitali esemplificativi di un sistema secondo la presente invenzione, nel caso di due sorgenti incorrelate in cooperation mode.

L’unità di controllo implementa un controllo isteretico (controllo a frequenza variabile) per garantire l’ottimizzazione del trasferimento di potenza. Si prevede di implementare un controllo a frequenza costante e di riportare i risultati ottenuti.

In particolare, come esemplificato in figura 4B, l’unità di controllo comprende, in questo caso, per ciascuna delle sorgenti di energia, un rispettivo comparatore isteretico di ingresso configurato per confrontare una tensione di uscita della rispettiva sorgente di energia con un valore di riferimento proprio di detta sorgente, e pilotare in uscita un corrispondente commutatore dello stadio di commutazione per la connessione/disconnessione della sorgente di energia dallo stadio di immagazzinamento.

Preferibilmente, l’unità di controllo comprende inoltre un comparatore isteretico di uscita configurato per confrontare la tensione di uscita Vout con detto valore predeterminato, e pilotare in uscita lo stadio di commutazione in maniera tale che quando la tensione di uscita Vout supera una soglia superiore del comparatore, tutte le sorgenti selezionate SSi sono disconnesse dallo stadio di immagazzinamento, per un periodo di tempo di scarica Ts distinto dall’intervallo di tempo fondamentale T.

In particolare, l’unità di controllo comprende:

- un comparatore isteretico Hyst_out connesso al nodo di uscita

- un comparatore isteretico Hyst_in1 connesso alla sorgente master

- un comparatore isteretico Hyst_in2 connesso alla sorgente slave

- Porte logiche di controllo (1 porte AND a tre ingressi, una porta AND a due ingressi e una porta NOT)

Il sistema di controllo è implementato in modo da garantire il controllo della tensione di uscita (tensione nominale nello specifico caso pari a VT=5.2V e il controllo del punto di massima potenza delle due sorgenti. L’algoritmo di MPPT implementato per entrambe le sorgenti è un controllo frazionale, tipico e caratteristico di applicazioni di potenza ridotta. Per applicazioni di elevata potenza si suggeriscono altri tipi di controllo MPPT come la conduttanza incrementale. Si noi che il sistema secondo la presente invenzione non preclude l’implementazione di uno specifico e diverso algoritmo MPPT.

Il sistema massimizza l’efficienza di conversione tramite un funzionamento a burst del convertitore ideato. Il burst può essere suddiviso in due intervalli temporali: un periodo di carica Tc ed un periodo di scarica Ts. Durante il periodo di scarica Ts, l’alimentazione del carico è garantita dall’elemento di storage di uscita, lo switching di tutti i componenti interni è inibito dall’unità di controllo e la potenza erogata dalle sorgenti di ingresso viene immagazzinata nei corrispondenti buffer capacitivi di ingresso.

Durante il periodo di carica Tc, la potenza erogata dalle sorgenti viene trasferita in uscita tramite un controllo della potenza di ingresso e viene ripristinato lo stato di carica dell’elemento di storage di uscita.

Durante il periodo di scarica Ts sono annullate le dissipazioni di potenza poiché l’unità di power conditioning è disabilitata e quindi non ci sono commutazioni degli switch. Durante il periodo di carica Tc, intervallo incisivo sulla dissipazione di potenza, si deve garantire il trasferimento della massima potenza disponibile da ogni sorgente di ingresso nel più breve tempo possibile.

Il controllo isteretico di uscita confronta la tensione di uscita con un valore di riferimento pari al valore nominale desiderato per la tensione di uscita, tramite un comparatore di isteresi. La banda del comparatore di isteresi determina la tolleranza ammessa sul controllo di tensione e quindi è un parametro di dimensionamento in fase di progetto.

L’algoritmo implementato in uscita è il seguente:

- Nell’istante di intersezione tra la tensione di uscita e la soglia massima di isteresi, il comparatore di uscita disabilità gli switch Sw1 e Sw2. In questa fase avviene la scarica dell’elemento di storage di uscita e viene inibito l’immagazzinamento di energia da parte dell’elemento di storage induttivo dell’unità di power conditioning

- Nell’istante di intersezione tra la tensione di uscita e la soglia minima di isteresi, il comparatore di uscita abilita lo switching degli switch Sw1 ed Sw2. In questa fase, la potenza erogata dalle sorgenti attive viene trasferita in uscita per reintegrare la carica sull’elemento di storage di uscita. Durante questa fase, l’unità di controllo gestisce l’unità di power conditioning in modo da ottimizzare singolarmente il punto di riposo delle sorgenti attive, garantendo il massimo trasferimento di potenza.

Nel caso in cui il segnale di ‘Enable’ proveniente dal comparatore di isteresi di uscita abiliti le commutazioni degli switch Sw1 ed Sw2, il segnale di comando dei due elementi di switching è stabilito dal comparatore di isteresi di ingresso della corrispondente sorgente. In questo modo, lo switch Sw1 (o Sw2) è pilotato in modo da garantire il funzionamento del corrispondente pannello solare S1 (o S2) nel punto di massima potenza compatibile con le attuali condizioni ambientali.

Il comparatore di isteresi della sorgente master confronta la tensione istantanea ai capi del pannello solare master con il riferimento, uguale alla tensione di MPP del pannello. La banda di isteresi del comparatore di isteresi della sorgente di ingresso master determina la precisione dell’algoritmo di MPPT implementato. Se la tensione istantanea di ingresso supera la soglia superiore del corrispondente comparatore di isteresi, l’azione del comparatore deve essere tale da far diminuire la tensione di ingresso. Pertanto in queste condizioni, viene pilotato in conduzione lo switch Sw1. In tal modo la corrente media erogata dalla sorgente master aumenta provocando una diminuzione della tensione ai capi della stessa secondo caratteristica del pannello. Quando il valore istantaneo della tensione della sorgente master tende ad assumere valori inferiori alla soglia minima di isteresi del comparatore di isteresi master, l’azione del controllore deve essere tale da provocare un aumento della tensione. In queste condizioni, viene pilotato in interdizione lo switch Sw1, la corrente erogata diminuisce e la tensione aumenta secondo caratteristica del pannello solare. Stessa logica di controllo è implementata per il comparatore di isteresi delle sorgenti slave.

In definitiva, il comparatore di uscita garantisce il controllo della tensione di uscita, mentre i comparatori di ingresso gestiscono l’algoritmo di MPPT ovvero garantiscono che la massima potenza sia trasferita nel minimo tempo possibile.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite. È da intendersi che ciascuna delle soluzioni tecniche implementate nelle forme di realizzazione preferite qui descritte a titolo esemplificativo, potranno vantaggiosamente essere combinate diversamente tra loro, per dar forma ad altre forme di realizzazione, che afferiscono al medesimo nucleo inventivo e tutte comunque rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la fornitura di energia elettrica ad un carico (LD) da una pluralità di sorgenti di energia (SPi) comprendente: - mezzi per acquisire nel tempo parametri elettrici in uscita (Vi, Ai) da dette sorgenti di energia (SPi); - mezzi per selezionare nel tempo una o più di dette sorgenti (SPi) in funzione di detti primi parametri elettrici (Vi, Ai) in maniera tale che ciascuna delle sorgenti selezionate (SSi) fornisca in uscita una potenza superiore ad una prima soglia predeterminata (Pmin); - uno stadio di immagazzinamento (ST) di energia atto ad essere alimentato, alternativamente, da una di dette sorgenti selezionate (SSi); - uno stadio di uscita (OUT) atto a fornire in uscita una tensione di uscita (Vout) rispetto ad un punto di riferimento (GND) per alimentare un carico (LD); - uno stadio di commutazione (SW) per il collegamento di dette sorgenti selezionate (SSi) a detto stadio di immagazzinamento (ST) e di detto stadio di immagazzinamento (ST) a detto stadio di uscita (OUT); ed - un’unità di controllo (CTRL) atta a pilotare detto stadio di commutazione (SW) in maniera tale che, per almeno un intervallo di tempo fondamentale (T) durante il quale non si modifichi la selezione di dette sorgenti, ciascuna delle sorgenti selezionate (SSi) sia alternativamente collegata per un rispettivo intervallo di tempo di connessione (Toni) a detto stadio di immagazzinamento e che detto stadio di immagazzinamento sia, almeno per un intervallo di tempo di uscita (Toff), collegato a detto stadio di uscita (OUT), detti intervalli di tempo di connessione (Toni) essendo tra loro distinti.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione precedente, in cui detta unità di controllo è atta a regolare ciascun intervallo di tempo di connessione (Toni) di ciascuna sorgente selezionata (SSi) in maniera tale da massimizzarne la potenza erogata.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione precedente, in cui detta unità di controllo è tale da regolare la tensione di uscita (Vout), sulla base di un valore predeterminato (VT).
4. 4. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi per selezionare sono atti a comandare detto stadio di commutazione affinché una sorgente selezionata primaria (SS1), tra le sorgenti selezionate (SSi), sia collegata a detto punto di riferimento (GND).
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui detto stadio di immagazzinamento (ST) comprende un elemento induttivo (L).
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui la tensione di uscita (Vout) è determinata dalla relazione: 1�d2�d 3� ...� d<n>d V 1� 2 d Vout� V 3 d n 2� V 3� .....� V n 1�d1�d 2�...� dn 1�d1�d 2�...� dn 1�d1�d 2� ...� d n 1�d1�d 2� ...� d n in cui: V1è la tensione di uscita della sorgente selezionata primaria; Vi è la tensione di uscita della i-esima sorgente selezionata; e di è calcolato come Toni/T.
7. 7. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui detta unità di controllo comprende, per ciascuna di dette sorgenti di energia, un rispettivo comparatore isteretico di ingresso configurato per confrontare una tensione di uscita della rispettiva sorgente di energia con un valore di riferimento proprio di detta sorgente, e pilotare in uscita un corrispondente commutatore di detto stadio di commutazione per la connessione/disconnessione della sorgente di energia dallo stadio di immagazzinamento.
8. 8. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 3 a 7, in cui detta unità di controllo comprende un comparatore isteretico di uscita configurato per confrontare la tensione di uscita (Vout) con detto valore predeterminato (VT), e pilotare in uscita detto stadio di commutazione in maniera tale che quando la tensione di uscita (Vout) supera una soglia superiore del comparatore, tutte le sorgenti selezionate (SSi) sono disconnesse da detto stadio di immagazzinamento (ST), per un periodo di tempo di scarica (Ts) distinto da detto almeno un intervallo di tempo fondamentale (T).
9. 9. Metodo per la gestione di un sistema per la fornitura di energia elettrica ad un carico (LD) da una pluralità di sorgenti di energia (SPi) comprendente: - acquisire nel tempo parametri elettrici in uscita (Vi, Ai) da dette sorgenti di energia (SPi); - selezionare nel tempo una o più di dette sorgenti (SPi) in funzione di detti parametri elettrici in maniera tale che ciascuna delle sorgenti selezionate (SSi) fornisca in uscita una potenza superiore ad una prima soglia predeterminata (Pmin); - in almeno un intervallo di tempo fondamentale (T) durante il quale non si modifichi la selezione di dette sorgenti: o immagazzinare alternativamente energia proveniente da ciascuna delle sorgenti selezionate (SSi) per un rispettivo intervallo di tempo di connessione (Toni), e o erogare, almeno per un intervallo di tempo di uscita (Toff), l’energia immagazzinata in detto intervallo di tempo di connessione (Toni), per fornire in uscita una tensione di uscita (Vout) rispetto ad un punto di riferimento (GND) per alimentare il carico (LD), detti intervalli di tempo di connessione (Toni) essendo tra loro distinti.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione precedente, comprendente un passo di determinare ciascun intervallo di tempo di connessione (Toni) di ciascuna sorgente selezionata (SSi) in maniera tale da massimizzarne la potenza erogata.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione precedente, comprendente un passo di regolare la tensione di uscita (Vout), sulla base di un valore predeterminato (VT).
12. 12. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui detto passo di selezionare è tale che una sorgente selezionata primaria (SS1), tra le sorgenti selezionate (SSi), sia collegata a detto punto di riferimento (GND).
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detto passo di immagazzinare energia comprende il collegamento di una sorgente selezionata (SSi) ad un elemento induttivo (L).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui la tensione di uscita (Vout) è determinata dalla relazione: 1�d ...� d Vout� 2�d 3�<n>d d 3 d V 1� 2 V 2� V n 3� .....� V n 1�d1�d 2�...� dn 1�d1�d 2�...� dn 1�d1�d 2� ...� d n 1�d1�d 2� ...� d n in cui: V1è la tensione di uscita della sorgente selezionata primaria (SS1); V2..Vnrappresentano le tensioni di uscita delle altre sorgenti selezionate; e d1…dnsono calcolati come Ton1/T…Tonn/T.
15. 15. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 14, in cui detto passo di determinare ciascun intervallo di tempo di connessione (Toni) comprende, per ciascuna di dette sorgenti di energia, una fase di controllo di ingresso di tipo isteretico per confrontare una tensione di uscita della rispettiva sorgente di energia con un valore di riferimento proprio di detta sorgente, e consentire/non consentire l’immagazzinamento di energia dalla sorgente di energia.
16. 16. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 11 a 15, in cui detto passo di regolare la tensione di uscita (Vout) comprende una fase di controllo di uscita di tipo isteretico per confrontare la tensione di uscita (Vout) con detto valore predeterminato (VT), in maniera tale che quando la tensione di uscita (Vout) supera una soglia superiore del controllo isteretico, non è consentito l’immagazzinamento di energia da nessuna delle sorgenti selezionate (SSi), per un periodo di tempo di scarica (Ts) distinto da detto almeno un intervallo di tempo fondamentale (T).