ITSA20060016A1 - Metodo e dispositivo per il funzionamento di sorgenti energetiche al punto di massima potenza. - Google Patents
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Description
Metodo e dispositivo per il funzionamento di sorgenti energetiche al punto di massima potenza
Abstract
Un metodo di controllo e la realizzazione di un dispositivo di controllo di un gruppo di alimentazione che consente di erogare la massima potenza fruibile da una sorgente di energia caratterizzata dalla presenza di un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento; il sistema di alimentazione interposto tra la sorgente energetica ed il carico è preferibilmente un convertitore a commutazione DC/DC. li circuito di controllo individua il punto di funzionamento ottimo utilizzando la relazione esistente tra le componenti armoniche della potenza e le componenti armoniche della tensione ai terminali della sorgente. Partendo da un qualsiasi valore delia tensione ai terminali di collegamento, il circuito di controllo incrementa il valore della tensione se, per un dato valore della frequenza, la potenza e la tensione ai terminali di collegamento risultano in fase, mentre decrementa it valore della tensione se la potenza e la tensione sono in opposizione di fase, il circuito di controllo è realizzabile mediante dispositivi analogici discreti e dispositivi analogici integrati dì uso comune,
1 . Contesto di applicazione dell’invenzione
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda ì sistemi di alimentazione da sorgenti autonome di energia elettrica, e più precisamente il funzionamento ed il controllo di sistemi di alimentazione in cui la sorgente energetica è caratterizzata dalla presenza di un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai propri terminali.
Stato dell’arte della tecnologia
Per il suddetto genere di sorgenti, la potenza fruibile è massima in corrispondenza di un dato valore ottimo di tensione. Per il funzionamento ottimo del sistema di alimentazione, corrispondente alla erogazione della massima potenza fruibile, è necessario che Sa tensione ai terminali della sorgente sia quanto più prossima al citato valore ottimo di tensione. A tale scopo viene generalmente interposto fra la sorgente e il carico un convertitore DC/DC opportunamente controllato. I circuiti e gli algoritmi di controllo in grado di garantire, istantaneamente e continuativamente, un accurato inseguimento del punto ottimo di funzionamento sono definiti con il termine Maximum Power Point Tracking (MPPT).
I moduli fotovoltaici sono un esempio di sorgenti che ricadono nella categoria sopra citata. Definiamo campo fotovoltaico un sìngolo modulo fotovoltaico ovvero un insieme di due o più moduli fotovoltaici connessi in serie e/o in parallelo. La figura 1 mostra le caratteristiche corrente-tensione e potenza-tensione di un campo fotovoltaico omogeneo per diversi valori dì irraggiamento solare [S] e temperatura [T]. Le caratteristiche di figura 1 rappresentano solo un particolare esempio di una sorgente di energia in cui è presente un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento del convertitore con la sorgente.
In particolare, nel caso di una sorgente fotovoltaica, il valore dì tensione, ai terminali di collegamento del convertitore con la sorgente, in corrispondenza del quale è possibile erogare la massima potenza, varia con le condizioni climatiche, ovvero con l'intensità dell irraggiamento solare e con la temperatura, come mostrato in figura 1 ,
Definiamo due o più moduli fotovoltaici non omogenei se essi:
* differiscono per le loro caratteristiche nominali (tensione di circuito aperto Vopen n, corrente di corto circuito lcc_n. massima potenza nominale Pp_n)
* differiscono per il loro punto di funzionamento ottimo nominale (tensione del punto di massima potenza VMpp-ne corrente del punto di massima potenza ΙΜΡΡ_n)
<«>differiscono per la loro installazione (orientazione ed inclinazione) * differiscono per il loro punto di funzionamento ottimo a causa di condizioni ambientali (irradiazione solare e temperatura) non uniformi, ovvero di non coincidenza con i parametri nominali
La connessione, in serie e/o in parallelo, dì due o più moduli fotovoltaici non omogenei influisce sull’energia erogabile; in tali condizioni di non omogeneità, la caratteristica potenza-tensione presenta una sequenza di picchi come mostrato in figura 2.
Qualunque sia il punto di lavoro individuato dal controllo MPPT, corrispondente con un massimo relativo ovvero con il massimo assoluto, la potenza fruibile al carico risulterà inferiore alla potenza massima ottenìbile con la somma delle potenze massime erogabili da ogni singolo modulo operante nel proprio massimo assoluto, come appare evidente dal confronto della figura 2 con la figura 3.
Pertanto, la realizzazione della funzione di MPPT effettuata utilizzando un convertitore DC/DC per ciascun pannello costituente un campo fotovoltaico, e la conseguente connessione in serie eh in parallelo dei moduli fotovoltaici ciascuno operante nel proprio massimo assoluto di potenza istantaneamente erogabile, consente di massimizzare l'energia totale erogata dal campo fotovoltaico.
Tipicamente si utilizzano algoritmi MPPT definiti " hill-climbin o perturbativi, in quanto risultano essere quelli più semplici da implementare e più affidabili. Gli “hill-climbing„ sono metodi basati su algoritm iterativi: perturbando il punto dì funzionamento dei sistema, si persegue l'obbiettivo di trovare ia direzione nella quale si abbia un incremento della potenza erogata. Il vantaggio evidente è che non si richiede una conoscenza approfondita della caratteristica della sorgente. Lo sviluppo di tali tecniche è favorito dalia facile implementazione di controlli realizzati con componenti digitali, viceversa la più complessa progettazione della circuiterìa analogica garantisce un incremento delle prestazioni.
Esempi di funzionamento e di controllo dei gruppi di alimentazione la cui sorgente energetica è caratterizzata dalla presenza di un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento del convertitore con la sorgente sono descritti in US-A-4 ,794,272; US-A-5,923,158; US-A-6, 009,000; US-B1 -6,433,522; US-B2-6,844,739; US-B2-6, 919,714; US-A-5,869,956; US-A-5,869,956; US-B2-6 ,611,441; US-A-6,911 ,809; US-A-2004/0207366 ; WO-A2-2005/112551.
Tipicamente gli algoritmi di controllo MPPT sono implementati con approcci di tipo digitale, soluzione che presenta numerosi svantaggi. Richiede, infatti, oltre alia presenza di un microcontrollore, moduli di conversione analogico-digitaie, moduli di memoria, moduli per la conversione digitale-analogica ed altro hardware di supporto. In aggiunta al maggior costo diretto, è da considerarsi anche quello Indiretto dovuto al maggior ingombro ed al maggior consumo. Un altro evidente svantaggio è la bassa velocità alla quale il sistema risponde per adeguare il punto di funzionamento, non compatibile con le adeguate prestazioni richieste. Inoltre tale soluzione è più sensibile ai rumori ed agli errori di misura e di quantizzazione dei sensori di tensione, di corrente e di potenza.
M. Calais e H. Hinz, in "A Ripple-base maximum power point tracking algorithm far a single phase, grid-connected photovoltaic System. ", Solar Energy voi 63, No. 5, pp 277-282, 1998, descrivono un metodo di inseguimento del punto di massima potenza di un campo fotovoltaico, implementato con dispositivi digitali, il quale utilizza come perturbazione le oscillazioni intrinseche dovute alle armoniche introdotte dalla rete in un sistema fotovoltaico grid-connected . Attraverso l’analisi delle forme d’onda della tensione e della potenza è possibile individuare in quale zona della caratteristica P-V il sistema lavora. La caratteristica P-V può essere divisa in tre zone, come mostrato in figura 4.
Tale suddivisione può essere interpretata osservando i grafici in figura 5, in cui sono rappresentate la tensione oscillante ai terminali della sorgente e la corrispondente potenza. Nella zona A la tensione è inferiore alla tensione dì MPP mentre nella zona C la tensione è superiore alla tensione di MPP. La componente armonica della potenza e la componente armonica della tensione sono in fase nella zona A ed in opposizione di fase nella zona C,
Tale comportamento è riproponibile ogniqualvolta la tensione vp{t) ai terminali della sorgente fotovoltaica ha una forma d'onda in cui è contenuta una componente sinusoidale a frequenza fp<t):
Tale componente sinusoidale può essere generata dal controllo di un convertitore a commutazione DC/DC, ovvero tale componente sinusoidale può essere innescata da qualsiasi oscillazione intrinseca del sistema non attenuata dalla rete compensatrice del convertitore a commutazione DC/DC.
La presente invenzione riguarda una tecnica di controllo MPPT e la relativa architettura circuitale che consente la produzione dì convertitori a commutazione DC/DC a basso costo e di ridotte dimensioni, mediante ì quali possono essere realizzati sistemi di alimentazione, basati su sorgenti di qualsiasi genere costituite da uno o più moduli energetici ciascuno caratterizzato da un punto di massima potenza, in grado di garantire l’erogazione della massima potenza istantanea da parte di ciascun modulo energetico, massimizzando in tal modo l'energia totale erogata da detti sistemi.
In particolare, la tecnica oggetto delia presente invenzione individua il punto di funzionamento ottimo di massima potenza utilizzando la relazione esistente tra Sa componente armonica ad una determinata frequenza fpdella tensione vp(t) al terminali della sorgente fotovoltaica, la cui forma d<’>onda può essere espressa come:
e la componente armonica della potenza alla stessa frequenza fp.
La tecnica oggetto della presente Invenzione presenta ì seguenti aspetti caratterizzanti:
- la tecnica di controllo sviluppata non richiede impostazioni dei parametri del controllore condizionate dalla identificazione dei parametri dinamici del sistema sorgente-convertitore da controllare e quindi il controllo risulta meno sensibile rispetto alle caratteristiche dinamiche sìa della sorgente sia del convertitore DC/DC
- la logica su cui si basa il controllore è completamente di tipo analogico, in quanto l'individuazione del punto di funzionamento ottimo della sorgente non viene effettuata a seguito di elaborazioni numeriche né attraverso eventi discreti determinati da operazioni di tipo condizionale effettuate mediante circuiti di tipo digitale, bensì attraverso l'individuazione della condizione di azzeramento di un opportuno segnale elettrico a valori continui, definito a tempo contìnuo
- la tecnica dì controllo sviluppata garantisce un ampio campo di funzionamento e stabilità e non richiede i’adattamento dei parametri del controllore al mutamento delle caratteristiche del sistema e delie sue condizioni di funzionamento, in particolare non è necessario ricercare in tempo reale o attraverso procedimenti off-line i valori dei parametri del controllore che consentono l'estrazione delia massima potenza dalla sorgente al mutare della stessa ovvero al mutare delle condizioni climatiche, o di altro genere, che ne determinano le caratteristiche
- Il controllo realizza pertanto una funzione, in questa sede definita e rivendicata con la denominazione Permanent Maximum Power Extraction (PMPE), che consìste nel determinare una permanente estrazione della massima potenza dalla sorgente, qualunque ne sia il valore, ai variare delle condizioni climatiche, o di altro genere, che ne determinano la caratteristica istantanea; tale tecnica rappresenta un avanzamento rispetto all'inseguimento dei punto di massima potenza, cosi come realizzato dalle tecniche di MPPT esistenti, di cui costituisce una forma dì realizzazione ottimale.
2. Scopi e sommario dell 'invenzione
Scopo della presente invenzione è un metodo di controllo, e la relativa architettura realizzatìva circuitale, per un sistema di alimentazione che consente di ottenere la massima potenza erogabile da sorgenti dì qualsiasi genere costituite da uno o più moduli energetici ciascuno caratterizzato da un punto di massima potenza e/o caratterizzate dalla presenza di un massimo locale sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento, essendo il componente interposto tra la sorgente energetica ed il carico preferibilmente un convertitore a commutazione DCIDC. Più in generale, il metodo secondo l’invenzione può essere applicato a convertitori per qualsiasi sorgente di energia che sia caratterizzata dall’esistenza di specifiche condizioni di funzionamento particolari ritenute preferenziali, in relazione a energia prodotta, efficienza energetica, livello di stress dei componenti, durata di vita, o qualsiasi altro fattore di valutazione possa definirsi per la specifica sorgente, e le quali condizioni risultino variabili, per effetto di fattori climatici, fisici, o di altra natura, sia controllabili che non controllabili, sia predicabili che non predictbili, ed identificabili attraverso un punto particolare di massimo o minimo locale di una delle caratteristiche elettriche di uscita della sorgente del tipo potenza-tensione, potenza-corrente, tensione-corrente, corrente-tensione, efficienza-tensione, efficienza-corrente o ad esse assimilabili.
In tale metodo, nei caso di sorgente caratterizzata dalla presenza di un punto di massimo nella curva della potenza erogata in funzione deila tensione ai terminali, il punto di funzionamento corrispondente alla massima potenza è individuato dal valore deila componente continua<1>Vref 0(t) del riferimento Vref(t) delia tensione ai terminali della sorgente energetica, ottenuto risolvendo la seguente equazione:
(1)
dove con r0(t) si è indicata la componente continua delia grandezza Γ{ϊ), prodotto tra la potenza e la componente alternativa della tensione
ovvero prodotto di qualsiasi segnale proporzionale alla potenza e qualsiasi segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali di
<1>Definiamo componente continua di un segnale x{t) definito positivo la quantità:
Definiamo componente alternativa di un segnale x(t) definito positivo la quantità:
collegamento del convertitore con la sorgente, ovvero prodotto di qualsiasi segnale proporzionale alla componente alternativa della potenza e qualsiasi segnale proporzionale alla tensione ai terminali di collegamento del convertitore con la sorgente, ovvero prodotto di qualsiasi segnale proporzionale alla componente alternativa della potenza e qualsiasi segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali di collegamento del convertitore con la sorgente.
La forma d'onda della grandezza Γ0(t) che giustifica l'equazione (1) è mostrata in figura 6.
Scopo della presente invenzione è un metodo di controllo, e la relativa architettura realizzala circuitale, per un sistema di alimentazione che consente di estrarre la massima potenza erogabile da sorgenti di qualsiasi genere costituite da uno o più moduli energetici ciascuno caratterizzato da un punto di massima potenza e/o caratterizzate dalla presenza di un massimo locale sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento, capace di risolvere l’equazione (1) ed implementato a basso costo con un minimo numero di dispositivi analogici discreti e dispositivi analogici integrati di uso comune.
Con riferimento alle applicazioni relative alle fonti dì energia rinnovabile, in particolare fotovoltaiche, la presente invenzione garantisce la modularizzazione della funzione di estrazione della massima potenza del campo fotovoltaico, massimizzando sia N rendimento energetico, permettendo connessioni serie e/o parallelo di pannelli fotovoltaici di piccola potenza nominale (50-200 Wp), non omogenei, ognuno dei quali operanti nel proprio MPP , che il rendimento economico. Inoltre tale soluzione è proponibile per sistemi di piccola potenza nominale (200-1000 Wp), generata da un singolo modulo fotovoltaico ovvero un numero limitato di moduli fotovoltaici, comprendenti gruppi di alimentazione realizzati con convertitori a commutazione DC/DC. Inoltre tale soluzione è proponibile come stadio di ingresso di un inverter di media potenza nominale (1-20 kWp) capace di fornire detto inverter ai suoi terminali di uscita una tensione alternata sia per sistemi stand-alone sia per sistemi grid-connected.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risultano evidenti dalla successiva descrizione di una implementazione dell'invenzione, la cui descrizione è da intendersi come esempio, ed indicate nelle allegate rivendicazioni.
3. Breve descrizione dette figure
Fig. 1 - Caratteristiche tipiche I-V e P-V di un campo fotovoltaico omogeneo Fig. 2 — Caratteristiche l-V e P-V di un campo fotovoltaico non omogeneo : connessione di tre moduli in serie
Fig, 3 - Caratteristiche I-V e P-V di moduli fotovoltaici non omogenei non connessi Fig, 4 - Caratteristica tipica P-V di un campo fotovoltaico
Fig, 5 - Forma d'onda della tensione oscillante dì un campo fotovoltaico e corrispondente forma d'onda della potenza
Figu. 6 - Forma d'onda della potenza generata da un campo fotovoltaico e corrispondente forma d'onda della grandezza Γ(t)
Fig. 7 - Schema di principio dell'invenzione
Fig, 8 — Schema circuitale convertitore a commutazione DC/DC innalzato re (boost)
Fig, 9 — Schema a blocchi dei controllore
Fìg. 10 - Schema circuitale del controllore
Fig. 11 - Caratteristiche spettrali della forma d'onda Γ, Chi tensione ai terminali del campo fotovoltaico, Math3 spettro del segnale Γ.
Fig, 12 - Forma d'onda del segnale Γ Q
Fig. 13 - Confronto tra la componente alternativa dei segnale perturbati vo Chi e la componente alternativa della tensione ai terminali del campo fotovoltaico Ch3, Figura 14 — Schema del circuito che genera il segnale PWM
Figura 15 - Start up del sistema, Ch3 tensione ai terminali del campo fotovoltaico, Ch4 corrente fornita dal campo fotovoltaico, Math2 potenza erogata dal campo fotovoltaico
4. Descrizione dettagliata delia forma di attuazione preferita del ìnvenzione
La seguente descrizione rappresenta un esempio del’appiicazione dell'invenzione ad un inseguitore del punto di massima potenza di un generatore solare. Come detto precedentemente questo rappresenta un esempio di sorgente caratterizzata dalla presenza di un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai propri terminali.
La figura 7 illustra uno schema a blocchi del dispositivo secondo la presente invenzione. In figura 7 sono indicati:
■ con 1 il campo fotovoltaico, definito come un singolo modulo fotovoltaico ovvero insieme di due o più moduli fotovoltaici connessi in serie e/o in parallelo
■ con 2 e 3 i sensori di potenza ppane tensione
■ con 4 il generatore dei segnale perturbante Tale segnale può non essere presente nel sistemi che utilizzano come segnale perturbante una qualsiasi oscillazione intrinseca de! sistema non atenuata dalla rete di controllo
■ con 5 un sommatore che aggiunge alla tensione il segnale perturbante
<■>con 6 il circuito che genera il segnale PWM che determina l accensione/ spegnimento dei componente attivo, ovvero dei componenti ativi dei convertitore a commutazione DC/DC 7
■ con 8 un generico carico che sia capace di accumulare e/o convertire e/o assorbire tuta l'energia erogata in uscita dai convertitore a commutazione DC/DC 7.
<■>con 9 il blocco di controllo che esegue la funzione di aggancio permanente al punto di massima potenza.
In figura 8 è rappresentato lo schema del convertitore a commutazione DC/DC 7 utilizzato nell’attuazione preferita dell'invenzione: la topologia è quella di un circuito innalzatore (boost) in figura 8, 44 e 48 sono condensatori, 45 è l'induttore, 46 è si MOSFET e 47 è il diodo.
In figura 9 è rappresentato !o schema a blocchi del controllore 9 che esegue la funzione di aggancio permanente al punto dì massima potenza. Il segnale Γ è il prodotto, realizzato dai moltiplicatore 11, tra il segnale prelevato dal sensore di potenza 2 ed il segnale proporzionale alla componente alternativa delia tensione. Nell'attuazione preferita dell'invenzione tale segnate è il segnate vref pperturbalo filtrato, atraverso il BPF 10, della eventuale componente continua, e comunque delle basse frequenze, almeno una decade inferiori alle frequenza fpdella perturbazione, e delle componenti a frequenze elevate una decade superiori alle frequenza fpdella perturbazione. La componente continua, che può essere introdotta da offset, e altre componenti a frequenze maggiori di fp, che possono essere introdotte da disturbi, devono essere necessariamente eliminate, La presenza dell’BPF 10 all'interno del controllore 9 è altresì necessaria nei sistemi in cui il segnale perturbante è innescato da qualsiasi oscillazione intrinseca del sistema non attenuata dalla rete compensatrice del convertitore a commutazione DC/DC,
Il segnale Γ viene amplificato e privato delle componenti a frequenza fpe superiori attraverso un LPF 12, di ordine n sufficientemente elevato per garantire una adeguata attenuazione delta componente armonica alla frequenza fpe sue armoniche, lì segnale Γ 0 così generato è inviato all'amplificatore di errore 13 e comparato con lo zero. L’uscita dell ampiiflcatore di errore attraverso un compensatore 14 definisce la tensione di riferimento vref_0
L'attuazione circuitale preferita del controllore 9 è mostrata in figura 10. In figura 10, i componenti 16, 20, 24 e 28 sono amplificatori operazionali, i componenti 18, 19, 22 ,23 ,26 e 27 sono resistenze, i componenti 15, 17, 21, 25 e 29 sono capacità, Lo spettro del segnale Γ all’ingresso del LPF 12 è mostrato in figura 11. Sono visibili le componenti armoniche a frequenza fped alle frequenze multiple di ordine superiore: tali componenti devono essere soppresse. Nell'attuazione circuitale preferita tale compito è demandato al LPF 12. L’amplificatore di errore 13 e Sa rete compensatrice 14 sono realizzati mediante un amplificatore operazionale 28 collegato nella configurazione ad integratore di Miller. L'ingresso f0in condizioni statiche è nullo, come mostrato in figura 12.
Nell'attuazione preferita dell'invenzione si è utilizzato un segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali del campo fotovoltaico. La proporzionalità tra il segnale pertu rbativo filtrato e la componente alternativa della tensione al terminali del campo fotovoltaico è garantita dal circuito che genera il segnale PWM 6, ed è mostrata in figura 13.
L’attuazione circuitale preferita del circuito che genera il segnale PWM 6 è mostrata in figura 14 ed é realizzata con un convenzionale controllore voltage-mode per convertitori a commutazione DC/DC. Il compensatore è realizzato con un controllore PID 38, la cui funzione di trasferimento è caratterizzata da due poli, due zeri ed un polo nel'origine, progettato in modo da garantire al sistema stabilità in ogni condizione di funzionamento, ampia banda (superiore alia banda dei convertitore a commutazione DC/DC non retro azionato) ed una elevata reiezione dei disturbi, In figura 13, il componente 34 è un amplificatore operazionale, i componenti 30, 32, 33 e 36 sono resistenze, i componenti 31, 35 e 37 sono capacità. Il segnale PWM è generato dal comparatore 40 che confronta il segnale di uscita Vcdel controllore PID 38 e il segnale a dente di sega V5prodotto dal generatore 39. Il periodo dei segnale a dente di sega Vsprodotta dal generatore 39 e del segnale impulsivo prodotto dal generatore di dock 41 sono uguali ai periodo di commutazione Ts, dato dall'inverso della frequenza di commutazione del convertitore DC/DC, Il la toh SR 42 svolge la funzione di prevenire fenomeni di commutazione multipla del MOSFET 46 del convertitore a commutazione DC/DC, la cui accensione è controllata dai segnale di uscita del blocco 6, all'interno de! periodo di switching TStdetto segnale dì uscita dal blocco 6 essendo un'onda quadra con periodo T5e tempo di permanenza nello stato alto pari a DTS(dove la variabile reale D, denominata duty-cycle, è un numero reale compreso fra 0 e 1. La porta logica OR 43 definisce il valore minimo del tempo Tondi accensione del MOSFET 46.
il compensatore 38 introduce uno sfasamento ψ contenuto tra il segnale perturbalo e la componente alternativa della tensione ai terminali del campo fotovoltaico, I! valore di ψ determina le prestazioni in termini di prontezza ed efficienza deiraggancio permanente ai punto di massima potenza del controllore. Risulta infatti:
dove G(i) rappresenta il valore massimo che la componente continua della funziona F(/) può assumere in funzione delie condizioni istantanee di potenza erogabile dalla sorgente. Un valore di 90° ≤ψ ≤180° rende il sistema instabile, invertendo il segno del segnale di errore. Un valore di 60° < ψ < 90° rende il sistema meno rapido, attenuando il segnale di errore. Per ovviare a tale problema è possibile incrementare il valore Vref p, rendendo il sistema meno efficiente, il valore ottimo è quindi CF ≤Ψ<60°, con prestazioni migliori per ψ→ GL
La stabilità e le prestazioni della tecnica di controllo oggetto della presente domanda di brevetto sono state verificate sperimentalmente mediante lo sviluppo e la realizzazione, presso ii Laboratorio di Circuiti Elettronici di Potenza e Fonti Rinnovabili del Dipartimento dì Ingegneria dell’ Informazione ed ingegneria Elettrica dell'Università di Salerno, di un prototipo di convertitore dc-dc del tipo ìnnaizatore (boost) raffigurato in fig,8, e della relativa circuìteria dì controllo, progettati per soddisfare le seguenti specìfiche:
- tensione di ingresso: da 8 a 22 V
- tensione di uscita: 24 V
- corrente di regresso: da 0,5 a 10 A
- potenza massima: 150 W
- modo di funzionamento continuo
I componenti circuitali passivi adottati presentano I seguenti parametri caratteristici:
---
II controllore è stato progettato, secondo il principio illustrato nel presente documento, in modo da garantire il corretto funzionamento de! sistema nei campi di tensione e corrente indicati nelle specifiche. In figura 15 è mostrato il comportamento del sistema all’accensione del convertitore. Il segnate Ch3 corrisponde alla tensione ai terminali del campo fotovoltaico, visualizzata con un offset di 8V, il segnale Ch4 corrisponde alla corrente di uscita del campo fotovoltaico, in cui la scala verticale indicata in 10.0 mV/div è da intendersi 1 A/div, il segnale Math2 corrisponde alla potenza istantanea erogata dal campo fotovoltaico, in cui la scala verticale indicata 100mW/div è da intendersi 10W/div, I tracciati dei segnali evidenziano che il controllore è In grado di agganciare in accensione in modo autonomo il punto di funzionamento di massima potenza e, terminato il transitorio dì accensione, il controllore garantisce l’estrazione permanentemente della massima potenza dai campo fotovoltaico, minimizzando le oscillazioni intorno a! punto di massima potenza e conseguentemente massimizzando il rendimento energetico del sistema.
Claims (1)
- 5. Rivendicazioni Si rivendica: 1. Metodo di controllo di un gruppo di alimentazione da una sorgente di energia caratterizzata dalla presenza dì un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento di detta sorgente, detto gruppo di alimentazione comprendente le fasi di: ~ estrarre energia elettrica in corrente continua da detta sorgente; - trasformare mediante un convertitore DC/DC la tensione e la corrente continue ai terminali della sorgente in una tensione e una corrente elettrica continue idonee al carico o apparato che si intende alimentare; detto metodo di controllo comprendente le fasi di: - generare un segnale dì riferimento, funzione delle condizioni di funzionamento della detta sorgente, del punto di funzionamento ottimo di detta sorgente risolvendo l'equazione Γο(ί)= 0 dove con Γ0(ί) si è indicata la componente continua della grandezza Γ(/), prodotto tra la potenza e la componente alternativa delia tensione- confrontare detto segnale di riferimento con un segnale proporzionale alla tensione ai terminali della sorgente di energia elettrica e generare un segnale di errore; - in funzione di detto segnale di errore, regolare un parametro di controllo di detto convertitore; 2. Metodo come da rivendicazione 1 in cui detto convertitore è un convertitore a commutazione DC/DC; 3, Metodo come da rivendicazione 1 in cui detta sorgente energetica è un campo fotovoltaico, detto metodo comprendendo la fase di individuare un punto dì erogazione della massima potenza in funzione delle condizioni di temperatura e irraggiamento solare su detto pannello; 4, Metodo come da rivendicazione 1 in cui la grandezza f(/ ) è il prodotto tra un segnale proporzionale alfa potenza e un segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali di collegamento del convertitore con il campo fotovoltaico5, Metodo come da rivendicazione 1 in cui la grandezza F{t) è il prodotto tra un segnale proporzionate alla componente alternativa della potenza e un segnale proporzionale alla tensione ai terminali di collegamento del convertitore con il campo fotovoltaico6. Metodo come da rivendicazione 1 in cui la grandezza Γ(/} è il prodotto tra un segnale proporzionale alla componente alternativa della potenza e un segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali di collegamento dei convertitore con il campo fotovoltaico7. Metodo come da rivendicazione 1 „ in cui detto parametro di contrailo del convertitore è il duty-cycie P(così come definito nel paragrafo 4; 8, Circuito di controllo dì un gruppo dì alimentazione da una sorgente di energia caratterizzata dalla presenza di un massimo assoluto sulla curva di potenza in funzione della tensione ai terminali di collegamento dì detta sorgente, detto gruppo di alimentazione comprendente ie fasi di: - estrarre energia elettrica in corrente continua da detta sorgente; - trasformare mediante un convertitore DO/DC la tensione e la corrente continue ai terminali delia sorgente in una tensione e una corrente eletrica contìnue idonee al carico o apparato che si intende alimentare; detto metodo dì controllo comprendente le fasi di: - generare un segnale di riferimento, funzione delle condizioni di funzionamento delia detta sorgente, del punto di funzionamento ottimo di detta sorgente risolvendo Ì<l>equazione dove con si èindicata la componente continua della grandezza r(f), prodotto tra la potenza e la componente alternativa della tensioneconfrontare deto segnale di riferimento con un segnale proporzionale alla tensione ai terminali della sorgente di energia elettrica e generare un segnale di errore; - in funzione di detto segnale di errore, regolare un parametro di controllo di detto convertitore; 9. Circuito come da rivendicazione 8 in cui detto convertitore è un convertitore a commutazione DC/DC; 10. Circuito come da rivendicazione 8 in cui detta sorgente energetica è un campo fotovoltaico detto metodo comprendendo fa fase di individuare un punto di erogazione della massima potenza in funzione delle condizioni di temperatura e irraggiamento solare su detto pannello 11. Circuito come da rivendicazione 8 in cui la grandezza F(/) è il prodoto tra un segnale proporzionale alla potenza e un segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali di collegamento del convertitore con il campo fotovoltaico12. Circuito come da rivendicazione 8 in cui la grandezza Γ(/) è il prodotto tra un segnale proporzionale alla componente alternativa della potenza e un segnale proporzionale alla tensione ai terminali di collegamento del convertitore con il campo fotovoltaico13. Circuito come da rivendicazione 8 in cui la grandezza F(/) è il prodotto tra un segnale proporzionale alla componente alternativa della potenza e un segnale proporzionale alla componente alternativa della tensione ai terminali di collegamento de! convertitore con il campo fotovoltaico14. Circuito come da rivendicazione 8, in cui detto parametro di controllo de! convertitore è il duty cycle D, cosi come definito nel paragrafo 4; 15. Metodo come da rivendicazione 1 in cui detta sorgente energetica è una pila a combustibile o qualsiasi altra sorgente di energia elettrica che sìa caratterizzata dall'esistenza di specifiche condizioni di funzionamento particolari ritenute preferenziali, in relazione a energia prodotta, efficienza energetica, livello di stress dei componenti, durata di vita, o qualsiasi altro fattore di valutazione possa definirsi per la specifica sorgente, e le quali condizioni risultino variabili, per effetto dì fattori climatici, fisici, o di altra natura, sia controllabili che non controllabili, sia predicibiìi che non predicibili, ed identificabili attraverso un punto particolare di massimo o minimo locale di una delle caratteristiche elettriche di uscita della sorgente del tipo potenza-tensione, potenza-corrente, tensione-corrente, correntetensione, efficienza-tensione, efficienza-corrente o ad esse assimilabili, detto metodo comprendendo la fase di individuare il punto di erogazione dell'energia corrispondente alle condizioni ritenute preferenziali.
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