MX2013002571A - Convertidor de potencia de tres puertos para la generacion de energia electrica en modo isla. - Google Patents

Abstract

La invención es un convertidor de potencia de tres puertos para su aplicación en modo isla o alguna que requiera de baterías para su operación. El convertidor de potencia proporciona alimentación a partir de una fuente de energía renovable, como lo puede ser un panel fotovoltaico. El sistema permite suministrar energía de un panel solar (fuente renovable), un conjunto de baterías o bien de manera conjunta, pero además permite la carga de las baterías usando el sistema fotovoltaico. El sistema consta de semiconductores controlados y algunos elementos pasivos. El circuito consta de una fuente principal, que puede ser un panel solar; un diodo de protección apara evitar flujo de corriente al panel solar; un convertidor cd/cd con salida en corriente para cargar a un conjunto de baterías; un conjunto de baterías; un convertidor cd/cd de dos entradas que permite controlar la demanda de energía del panel solar y de las baterías. El convertidor permite cargar de la batería directamente del panel solar, permite la demanda de la energía de la fuente principal y de la batería de forma independiente o bien complementaria. La batería no necesariamente está en uso, por lo que su vida útil se prolonga. Tienen pocos componentes en relación a las funciones que puede realizar.

Description

Convertidor de Potencia de Tres Puertos para la Generación de Energía Eléctrica en Modo Isla DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN Convertidor de potencia destinado a proporcionar una fuente de alimentación a partir de una fuente de energía renovable, como lo puede ser un panel fotovoltaico. El sistema permite suministrar energía de un panel solar (fuente renovable), un conjunto de baterías o bien de manera conjunta, pero además permite la carga de las baterías usando el sistema fotovoltaico. El sistema consta de semiconductores controlados y algunos elementos pasivos.

ANTECEDENTES Las fuentes renovables, como los sistemas foto voltaicos, en conjunto con baterías son recursos utilizados en aplicaciones de generación de energía eléctrica que no disponen de la red eléctrica (casas habitación del tipo rural, satélites artificiales, etc.). Los sistemas utilizados en estas aplicaciones son llamados convertidores de potencia de tres puertos ya que sus puertos son el sistema fotovoltaico, las baterías y la salida; estos sistemas deben permitir que la energía fluya del sistema fotovoltaico a la salida, de las baterías a la salida' y también de manera conjunta a la salida; también debe poder cargarse la batería de alguna forma.

En el estado de la técnica se han reportado algunos esquemas de convertidores de potencia para este tipo de aplicaciones, en los siguientes párrafos se describen convertidores de potencia del estado de la técnica.

En la Figura 1 se muestra un convertidor que se alimenta de una panel solar (1), utiliza un diodo (2) para evitar que se regrese energía al panel solar, un convertidor cd/cd elevador (7) que es utilizado para cargar la batería (4), la batería misma es utilizada para alimentar a la carga (6); esta carga puede tener múltiples formas, puede ser otro convertidor de potencia como lo es un inversor, otro convertidor cd/cd, etc. En este esquema el puerto de salida y el de la batería es el mismo. La principal desventaja de este tipo de convertidor es que la batería está constantemente en uso, independientemente de si la carga puede ser alimentada completamente o no de la celda solar, por lo que la vida útil de la batería se ve deteriorada significativamente.

En la Figura 2, se aprecia un convertidor que utiliza igualmente un panel solar (1), el diodo de protección (2), la batería (4) y la carga (6); pero en vez de utilizar un convertidor cd/cd elevador tradicional, como en el esquema anterior, utiliza un convertidor de dos entradas (8) del tipo intercalado (interleaved en inglés) que reduce el rizo de corriente. Este esquema evita el uso de batería todo el tiempo, (mejorando en esto el esquema anterior), sólo se entrega energía cuando el interruptor (9) se habilita. Para que este esquema opere correctamente se requiere que la batería tenga una tensión mayor que la tensión del panel fotovoltaico, de lo contrario ocurriría una falla, ya que el panel y la batería se cortocircuitarían por los diodos de la topología. El esquema de la Figura 2 no puede cargar la batería, por lo que se requiere de otro convertidor adicional de uso exclusivo para ello, lo cual incrementa el costo del sistema. El convertidor (8) puede elevar o reducir la tensión según se requiera.

La figura 3 muestra otro convertidor de tres puertos, que tiene un panel solar (1), un diodo de protección (2), una batería (4) y la carga (6); además utiliza un convertidor cd/cd medio puente (10) y un interruptor adicional (11). Este esquema tiene la ventaja de que proporciona aislamiento y puede proporcionar protección ante alguna falla. El interruptor (11) permite controlar cuanta energía se demanda de la batería y del panel solar, pero desafortunadamente la batería siempre está en uso por lo que la vida útil de ella se ve disminuida. Este esquema, al igual que el esquema de la Figura 1, permite cargar la batería del panel solar.

La Figura 4 presenta un convertidor de potencia que utiliza igualmente un panel solar (1), un diodo de protección (2), una batería (4) y la carga (6); pero utiliza inversores bidireccionales (12,13 y 14) unidos a través de un transformador; cada inversor es asociado a un puerto, es decir el panel solar, la batería y la carga. Este esquema permite operar adecuadamente la batería ya que no necesita estar en uso para entregar energía del panel solar a la carga, proporciona aislamiento y se puede entregar de manera compartida la energía a la carga. Este esquema presenta las mejores ventajas técnicas de lo reportado en la literatura, sin embargo utiliza muchos dispositivos lo que lo convierte en un sistema poco atractivo.

Con el panorama antes mencionado sobre los convertidores de potencia de tres puertos, se puede notar que estos ciertamente tienen ventajas y desventajas. El convertidor de potencia propuesto en esta invención (Figura 5) ofrece las ventajas que ofrecen los sistemas anteriores, pero además también elimina sus desventajas, pero no incluye aislamiento, el cual no siempre es requerido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Consta de un convertidor de potencia basado en un convertidor cd/cd elevador alimentado de un panel solar y carga la batería.

Figura 2. Convertidor de potencia basado en un convertidor de dos entradas del tipo intercalado, puede elevar o reducir tensión.

Figura 3. Esquema de generación de energía basado en un convertidor cd/cd medio puente, que se alimenta de panel solar y/o baterías, utiliza un interruptor adicional al medio puente. Figura 4. Esquema de generación de energía basado en convertidores cd ca puente completo, uno por cada puerto, utiliza panel solar, batería.

Figura 5. Convertidor de potencia propuesto, que considera el uso de un convertidor cd/cd del tipo reductor y un convertidor cd/cd de dos entradas con capacidad de elevación. Están conectados de manera novedosa que permite múltiples funciones.

Figura 6. Formas de onda del convertidor propuesto.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención es un convertidor de potencia de tres puertos para la generación de energía eléctrica para operarse en modo isla o donde no hay disponibilidad de suministro de energía por parte de una compañía eléctrica. Sin embargo también puede utilizarse en otras aplicaciones donde se requiera del uso de baterías En la Figura 5 se muestra la invención, la cual consta de una fuente (1), un diodo dé protección (2), un convertidor con salida en corriente (3), un conjunto de baterías (4), un convertidor de dos entradas (5) y la carga (6).

La fuente (1 ) utilizada es un arreglo de paneles solares, pero puede utilizarse cualquier otra fuente de alimentación. Esta es la fuente principal de la que se alimenta la etapa de potencia.

El diodo (2) se utiliza para proteger a los paneles solares evitando el regreso de energía hacia ellos, pero también permite la correcta operación del convertidor propuesto.

El convertidor (3) es utilizado para cargar al conjunto de baterías (4), pero también permite la circulación de la corriente en forma bidireccional, es decir no sólo cargando sino también descargando al conjunto de baterías.

La baterías (4) tienen un voltaje, en forma normal de operación, menor a la fuente principal (1). Y son utilizadas como respaldo en caso de que no haya energía o no sea suficiente la disponible de la fuente principal.

El convertidor de dos entradas (5) es utilizado para proporcionar una tensión de salida regulada, pero además permite controlar la cantidad de energía que se toma de la fuente principal o del conjunto de baterías, también puede demandarse energía de manera mixta, es decir de ambas fuentes de manera simultánea con capacidad de controlar cuanta energía proviene de cada una.

La carga (6) puede tener múltiples formas, puede ser otro convertidor de potencia como un inversor, otro convertidor cd/cd, o donde se requiera una tensión de voltaje de cd.

En la Figura 6 se muestran los diferentes modos de operación del convertidor.

El primer modo, indicado en la figura 6(a) permite regular la tensión de salida y demandar corriente sólo de la fuente principal; el semiconductor S| se mantiene apagado, el semiconductor S2 está conmutando para mantener regulada la tensión de salida y el interruptor S3 es encendido todo el tiempo. La tensión de salida es mayor que la tensión de la fuente principal.

El segundo modo, indicado en la figura 6(b) permite regular la tensión de salida y demandar corriente sólo del conjunto de baterías; el semiconductor Si se mantiene apagado, el semiconductor S2 está conmutando para mantener regulada la tensión de salida y el interruptor S3 es apagado todo el tiempo. La tensión de salida es mayor que la tensión del conjunto de baterías.

El tercer modo, indicado en la figura 6(c) permite regular la tensión de salida y demandar corriente de manera conjunta de la fuente principal y del conjunto de baterías; el semiconductor Si se mantiene apagado, el semiconductor S2 está conmutando para mantener regulada la tensión de salida y el interruptor S3 es conmutado para controlar la cantidad de energía entregada por cada fuente.

El cuarto modo, indicado en la figura 6(d) permite regular la tensión de salida y demandar corriente de la fuente principal y al mismo tiempo cargar al conjunto de baterías; el semiconductor Si se conmuta para controlar la carga del conjunto de baterías, el semiconductor S está conmutando para mantener regulada la tensión de salida y el interruptor S3 es encendido todo el tiempo. Para este modo de operación la tensión de la fuente principal debe ser mayor que las baterías y con suficiente potencia para entregar energía a la salida y a las baterías.

Es importante resaltar que aunque se presentan sólo estos cuatro modos de operación es posible algunos otros casos, como por ejemplo se puede carga la batería únicamente sin regular la tensión de salida.

El esquema presenta las ventajas de poder utilizar al conjunto de baterías sólo cuando es necesario, por lo que su vida útil se prolonga. Pero además permite decidir de dónde se toma la energía y la cantidad de ésta. El convertidor propuesto incluye el cargador para el conjunto de baterías por lo que no se requiere de componentes adicionales para esta función. Todas las funciones las realiza con pocos componentes, básicamente cada semiconductor es utilizado para una sola función, lo cual simplifica su operación.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. La invención consta de un convertidor de potencia de tres puertos para su aplicación en modo isla o una aplicación donde se requiera de baterías, el cual comprende: Una fuente de alimentación Un diodo de protección Un convertidor cd/cd con salida en corriente, compuesto por un diodo, un semiconductor controlado y un inductor Un conjunto de baterías. Un convertidor cd/cd de dos entradas, compuesto por dos interruptores electrónicos, un diodo, un inductor y un capacitor. Una carga 2. Un circuito de potencia de conformidad a la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de alimentación comprende: Una única fuente de alimentación, pero que puede ser de diferente tipo. Un primer tipo puede ser un arreglo de paneles solares qué pueden estar en serie y/o paralelo; el arreglo final sólo tiene dos terminales: una positiva y una negativa. Un segundo tipo puede ser cualquier fuente de alimentación (renovable o no) que puede tener elementos adicionales, pero que finalmente tenga una salida en CD y sólo dos terminales, una positiva y otra negativa. La fuente de alimentación se conecta en serie con el diodo de protección, de manera que sólo exista conducción de forma que la fuente sólo entregue energía y evite se regrese energía a ella. Un circuito de potencia de conformidad a la reivindicación 1, caracterizado porque el diodo de protección tiene dos terminales. El cual comprende: Un diodo semiconductor (o un arreglo) que evita la conducción de energía a la fuente principal, el cual se conecta en serie con la fuente de alimentación. El arreglo fuente de alimentación y diodo permite el flujo de energía en un sólo sentido, entonces este arreglo al final tiene únicamente dos terminales, a una de ellas se le denomina el común y a la otra la terminal positiva, la corriente debe salir de la terminal positiva. Un circuito de potencia de conformidad a la reivindicación 1, caracterizado porque el convertidor cd/cd con salida en corriente tiene al menos tres terminales, una de entrada, una de salida y una conectada al común del circuito. El cual comprende: Un semiconductor controlado, Un diodo de libre retorno y Un inductor. El semiconductor controlado contiene un diodo en antiparalelo, el cual tiene' dos extremos, la conducción del semiconductor sin tomar en cuenta el diodo en , antiparalelo es del extremo 1 al 2 (en oposición a la conducción del diodo en antiparalelo). Está conectado por el extremo 1 a la terminal de entrada y por el otro al cátodo del diodo de libre retorno y al inductor. La terminal de entrada o extremo 1 está conectado al positivo del arreglo serie de la fuente y el diodo de protección. Un diodo de libre retorno de dos extremos; el cual por el cátodo se conecta al semiconductor controlado y a un inductor, por el ánodo se conecta al común del arreglo serie de la fuente y el diodo de protección, ésta es la terminal común del arreglo. Un inductor que tiene dos extremos, el cual se conecta por un extremo al diodo y al semiconductor controlado, el otro extremo es la terminal de salida. Un circuito de potencia de conformidad a la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de baterías tiene dos terminales. El cual comprende: Un arreglo de baterías en serie o paralelo que al final tiene sólo dos terminales, una positiva y otra negativa. La terminal positiva se conecta al inductor del convertidor cd/cd con salida en corriente, la terminal negativa se conecta a una entrada del convertidor cd/cd de dos entradas. El conjunto de baterías está conectado en serie con el inductor, por lo que su disposición puede ser de dos maneras. Un circuito de potencia de conformidad a la reivindicación 1, caracterizado porque el convertidor cd/cd de dos entradas está compuesto dos terminales de entrada, uno de salida y un común. El cual comprende: Dos semiconductores controlados, Un Inductor, Un diodo de libre retorno, Un capacitor de salida. Los semiconductores controlados tienen cada uno un diodo en antiparalelo, la conducción de los semiconductores sin tomar en cuenta el diodo es del extremo 1 al 2 (en oposición a la conducción del diodo en antiparalelo). La terminal 2 de uno de ellos (primer semiconductor) está conectado a la terminal 1 del otro (segundo semiconductor), esta unión forma una terminal de entrada donde se conecta el conjunto de baterías. La terminal 1 del primer semiconductor está conectada al inductor y al diodo de libre retorno. La terminal 2 del segundo semiconductor está conectada al común del arreglo de la fuente y el diodo de protección. El inductor tiene dos extremos; uno de ellos se conecta a la terminal 1 del primer semiconductor y al cátodo del diodo de libre retorno, el otro extremo es la terminal de entrada que está conectada al arreglo en serie de la fuente principal y el diodo de protección. El diodo de libre retorno tiene dos terminales; el cátodo está conectado al inductor y a la terminal 1 del primer semiconductor, el ánodo está conectado al capacitor, esta conexión es la terminal de salida. El capacitor de salida brinda la tensión regulada, el cual está conectado entre la terminal de salida y el común 7. Un circuito de potencia de conformidad a la reivindicación 1, caracterizado porque la carga comprende: Cualquier convertidor que desee alimentarse de una fuente de CD Cualquier carga que se alimente de una fuente de CD