MX2014005359A

MX2014005359A - Sistema y metodo para conversion de potencia para fuentes de energia renovables.

Info

Publication number: MX2014005359A
Application number: MX2014005359A
Authority: MX
Inventors: Jeffrey A Reichard; Nathan Jobe
Original assignee: Zbb Energy Corp
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2015-08-06
Also published as: MX2014005360A; WO2013067476A1; CN104024968A; HK1197105A1; KR20140085554A; US20130113452A1; AU2012332081A1; US9024594B2; BR112014010500A2; RU2014118751A; CN104024968B; US20130114312A1; EP2774254A1; ZA201403840B; AU2012332123A1; BR112014010511A2; MX338549B; WO2013067516A1; JP2014533088A; EP2774014A1

Abstract

Un convertidor de energía se configura para transferir energía desde un dispositivo fotovoltaico (PV) hasta un bus de CD interno en el convertidor de energía. El convertidor de energía ejecuta un módulo de modulación para conectar selectivamente uno o más dispositivos de conmutación entre la salida del dispositivo PV y el bus de CD. El convertidor de energía se configura para operar en múltiples modos de operación. En un modo de operación, el convertidor opera con un periodo de modulación fijo y uno de tiempo de encendido variable y en otro modo de operación, el convertidor opera con un periodo variable de modulación y un tiempo de encendido fijo. El convertidor de energía mejorado proporciona la captación de energía altamente eficiente a baja potencia, mejorando la eficiencia de la potencia y permitiendo la captación de energía en condiciones de baja luminosidad con pérdidas reducidas del convertidor.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA CONVERSIÓN DE POTENCIA PARA FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reivindica la prioridad para la solicitud provisional de E.U. No. de Ser. 61/555,727, presentada el 4 de noviembre de 2011, cuyo contenido total se incorpora en la presente mediante la referencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El materia descrita en la presente se refiere a convertidores de energía y más específicamente a la conversión mejorada de energía para sistemas de energía renovables durante períodos de baja producción de energía.

En años recientes las crecientes demandas de energía y los crecientes problemas acerca de los suministros de combustibles fósiles y su correspondiente contaminación han conducido a un creciente interés sobre las fuentes de energía renovable. Dos de las fuentes de energía renovables más comunes y mejor desarrolladas son la energía fotovoltaica y la energía eólica. Otras fuentes de energía renovables pueden incluir celdas energéticas, energía hidroeléctrica, energía mareal y generadores de biocombustible o biomasa. Sin embargo, el uso de las fuentes de energía renovables para generar energía eléctrica presenta una nueva serie de retos.

Muchas fuentes de energía renovables proporcionan un suministro variable de energía. El suministro puede variar, por ejemplo, de acuerdo con la cantidad de viento, capa nubosa o la hora del día. Además, las diferentes fuentes de energía proporcionan diferentes tipos de energía eléctrica. Una turbina eólica, por ejemplo, es más adecuada para proporcionar energía de Corriente Alterna (CA), mientras que una celda fotovoltaica es más adecuada para proporcionar energía de Corriente Directa (CD). Debido a la naturaleza variable de la energía suministrada así como al tipo variable de la energía generada, los convertidores de energía se insertan comúnmente entre la fuente de energía renovable y la red de servicio público o una carga eléctrica, si opera independientemente de la red de servicio público.

Se sabe que los convertidores de energía tienen pérdidas inherentes que evitan que toda la energía generada por la fuente de energía renovable se convierta a energía eléctrica utilizable. A niveles bajos de generación de energía, las pérdidas de energía pueden ser mayores que la energía que se genera por la fuente de energía renovable. El convertidor de energía se apaga típicamente para evitar una condición de operación en la que el sistema de generación de energía esté utilizando realmente más energía de la que genera.

Por lo tanto, a fin de maximizar la eficiencia del sistema de generación de energía, es deseable proporcionar un convertidor capaz de operar eficientemente en un rango muy amplio de niveles de generación de energía.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La materia descrita en la presente describe un convertidor de energía configurado para transferir energía de un dispositivo fotovoltaico (PV) a un bus de CD interno en el convertidor de energía. El convertidor de energía ejecuta un módulo de modulación para conectar selectivamente uno o más dispositivos de conmutación entre la salida del dispositivo PV y el bus de CD. El convertidor de energía se configura para operar en múltiples modos de operación. En un modo de operación, el convertidor opera con un período fijo de modulación y de tiempo variable y en otro modo de operación, el convertidor opera con un periodo de modulación variable y uno de tiempo fijo. El convertidor de energía mejorado proporciona una captación de energía altamente eficiente a baja potencia, mejorando la eficiencia de la energía y permitiendo la captación de energía en condiciones de baja luz con reducidas pérdidas del convertidor.

De acuerdo con una modalidad de la invención, un convertidor de energía incluye una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CD, un bus de CD que tiene una barra positiva y una negativa, al menos un dispositivo de conmutación que conecta selectivamente la entrada al bus de CD como una función de una señal de control correspondiente, un dispositivo de memoria que almacena una serie de instrucciones y un controlador. El controlador se configura para ejecutar la serie de instrucciones para determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CD, generar la señal de control para cada dispositivo de conmutación en un primer modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CD excede un umbral predefinido, y generar la señal de control de cada dispositivo de conmutación en un segundo modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CD es menor que el umbral predefinido. La serie de instrucciones incluye un módulo de modulación que tiene una frecuencia de modulación y una de tiempo. Durante el primer modo de operación, el controlador puede ejecutar el módulo de modulación para generar señales de control a una frecuencia de modulación fija con una variable de tiempo y durante el segundo modo de operación, el controlador puede ejecutar el módulo de modulación para generar señales de control a una frecuencia variable de modulación con una fija en el tiempo.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, el dispositivo de memoria almacena una tabla de consulta que define la tasa de cambio de la frecuencia de modulación durante el segundo modo de operación como una función de la frecuencia de modulación actual. Se contempla que la frecuencia de modulación pueda variar desde aproximadamente 10 KHz hasta aproximadamente 50 KHz.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se describe un método para convertir la energía proveniente de una fuente de energía renovable que tiene una capacidad variable de generación de energía a un potencial de voltaje presente en un bus de CD a través de un convertidor de energía. El método incluye las etapas de monitorear la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable, controlar al menos un dispositivo de conmutación en el convertidor de energía a través de una señal de control correspondiente para conectar de manera selectiva la fuente de energía renovable al bus de CD, ejecutar un módulo de modulación en el convertidor de energía para generar las señales de control en un primer modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable excede un umbral predefinido, y ejecutar el módulo de modulación en el convertidor de energía para generar las señales de control en un segundo modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable es menor que el umbral predefinido.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, el módulo de modulación determina un tiempo para cada una de las señales de control dentro de un período de conmutación, en donde el período de conmutación se define como lo inverso de una frecuencia de modulación. Durante el primer modo de operación, el módulo de modulación genera señales de control a una frecuencia de modulación fija con una variación en el tiempo y durante el segundo modo de operación, el módulo de modulación genera señales de control a una frecuencia variable de modulación con un tiempo fijo.

De acuerdo con aún otro aspecto de la invención, la ejecución del módulo de modulación en el convertidor de energía para generar las señales de control en un segundo modo de operación puede incluir las etapas de leer un cambio deseado en la frecuencia de modulación desde una tabla de consulta almacenada en un dispositivo de memoria del convertidor de energía y variar la frecuencia de modulación incluye sumar o restar el cambio deseado como una función de la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable.

Estos y otros objetivos, ventajas y características de la invención serán aparentes a los expertos en la téenica a partir de la descripción detallada y los dibujos acompañantes. Sin embargo, debe entenderse que la descripción detallada y los dibujos acompañantes, aunque indican modalidades preferidas de la presente invención, se proporcionan a manera de ilustración y no de limitación. Pueden hacerse muchos cambios y modificaciones dentro del alcance de la presente invención, sin apartarse del espíritu de los mismos y la invención incluye todas tales modificaciones.

BREVE DESCRICIÓN DE LOS DIBUJOS Varias modalidades ejemplares de la materia expuesta en la presente se ilustran en los dibujos acompañantes en los que numerales de referencia similares representan partes similares a través de todos y en los cuales: La Figura 1 es una representación esquemática de un convertidor de acuerdo con una modalidad de la presente invención, La Figura 2 es una representación esquemática de una porción de los elementos de una fase del convertidor de la Figura 1; La Figura 3 es una representación gráfica de la energía generada por un dispositivo fotovoltaico a niveles variables de radiación solar; La Figura 4 es una representación gráfica de la corriente durante un período de modulación del convertidor de la Figura 1; y La Figura 5 es una representación gráfica de un período variable de modulación.

Al describir las modalidades preferidas de la invención que se ilustran en los dibujos, se recurrirá a terminología específica en pro de la claridad. Sin embargo, no se pretende que la invención se limite a los términos específicos así seleccionados y debe entenderse que cada término específico incluye todos los equivalentes téenicos que operarán de manera similar para lograr un propósito similar. Por ejemplo, con frecuencia se utilizan las palabras "conectado," "unido"," o términos similares a estos. Los mismos no se limitan a la conexión directa sino incluyen la conexión a través de otros elementos en donde tal conexión se reconoce como equivalente por los expertos en la técnica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFRIDAS Las diferentes características y los ventajosos detalles de la materia que se expone en la presente se explican de manera más completa con referencia a las modalidades no limitantes que se describen en detalle en la siguiente descripción.

Regresando inicialmente a la Figura 1, se ilustra un convertidor ejemplar 10 que incorpora una modalidad de la presente invención. El convertidor 10 incluye tres terminales de entrada, Tc-T3, configuradas para recibir voltajes de entrada. Las terminales de entrada, Tc-T3, de la modalidad ilustrada se conectan juntas para recibir una terminal positiva, +Vpv, de un dispositivo fotovoltaico que genera un voltaje CD. Opcionalmente, cada una de las terminales de entrada, T1-T3, puede conectarse a terminales separadas de diferentes dispositivos fotovoltaicos. La terminal negativa, -Vpv, del dispositivo fotovoltaico se conecta a la barra negativa 16 del bus de CD 12. De acuerdo con aún otras modalidades de la invención, puede proporcionarse una sola terminal de entrada, Ti o pueden proporcionarse diversos otros números de terminales de entrada, Tx, de acuerdo con la configuración del dispositivo PV. Un filtro de entrada 28 proporciona inductancia conectada en serie con cada una de las terminales, Tc-T3.

El convertidor 10 convierte el voltaje de entrada del dispositivo PV al voltaje CD deseado, Vccl, presente en el bus de CD 12 utilizando los dispositivos de conmutación 20 El bus de CD 12 incluye una barra positiva 14 y una barra negativa 16 que se encuentran disponibles en las salidas, +Vcd y _Vcd. Como se entiende en la téenica, la barra positiva 14 y la barra negativa 16 pueden conducir cualquier potencial de voltaje CD adecuado con respecto a un voltaje común o neutro y no se limitan a un potencial de voltaje CD positivo o negativo. Además, cualquiera de la barra positiva 14 o la barra negativa 16 pueden conectarse a un potencial de voltaje neutro. La barra positiva 14 típicamente conduce un voltaje CD que tiene un mayor potencial que la barra negativa 16.

Los dispositivos de conmutación 20 típicamente son dispositivos de energía de estado sólido. La Figura 1 muestra los dispositivos de conmutación 20 como transistores de unión bipolar (BJTs - bipolar junction transistors) ; sin embargo, se contempla que pueda utilizarse cualquier dispositivo de conmutación adecuado, de acuerdo con los requerimientos de aplicación, incluyendo, pero sin limitarse a transistores bipolares aislados de compuerta (IGBT insulated gate bipolar transistors ) , transistores de efecto de campo (FET - field effect transistors) , rectificadores controlados de silicio (SCR - ilicon controlled rectifiers ) , tiristores tales como el tiristor conmutado de compuerta integrado (IGCT - integrated gate-commutated thyristor) o tiristores de desactivación de compuerta (GTO - gate turn-off thyiristors ) u otros dispositivos controlados. Un diodo 22 se conecta en paralelo con cada uno de los dispositivos de conmutación 20 para la conducción inversa a través del dispositivo de conmutación, como se requiere cuando el dispositivo de conmutación 20 se apaga. Este diodo 22 también puede ser parte del interruptor del semiconductor. Cada dispositivo de conmutación 20 se controla por una señal de control 24. La señal de control 24 se habilita o deshabilita para permitir selectivamente la conducción a través del dispositivo de conmutación 20, que a su vez conecta selectivamente ya sea la barra positiva 14 o la barra negativa 16 con una de las terminales de entrada, Ti~T3. La capacitancia 50 se conecta entre la barra positiva 14 y la barra negativa 16 del bus de CD 12. La capacitancia 50 puede ser un solo capacitor o cualquier número de capacitores conectados en serie o en paralelo de acuerdo con los requerimientos del sistema. La capacitancia 50 se configura para reducir la magnitud del voltaje ondulado que resulta de la conversión del voltaje entre el voltaje de entrada y el bus de CD 12.

Un controlador 40 ejecuta una serie de instrucciones almacenadas para generar las señales de control 24. El controlador 40 recibe señales de retroalimentación de los detectores correspondientes a la amplitud del voltaje y/o a la corriente en varios puntos a través de todo el convertidor 10. Las ubicaciones dependen de las rutinas de control especificas que se ejecuten dentro del controlador 40. Por ejemplo, los detectores de entrada, 26a-26c, pueden proporcionar la amplitud del voltaje presente en cada terminal de entrada, Ti-T3. Opcionalmente, puede conectarse operativamente un detector de entrada, 26-26c, para proporcionar la amplitud de la corriente conducida en cada terminal de entrada, Ti~T3. De manera similar, puede conectarse operativamente un detector de corriente y/o de voltaje, 28 y 30, a la barra positiva 12 y a la barra negativa 16 del bus de CD 12, respectivamente. El controlador 40 se interconecta con un dispositivo de memoria 42 para recuperar las instrucciones almacenadas y con un puerto de comunicación 44 para comunicarse con dispositivos externos. El controlador 40 se configura para ejecutar las instrucciones almacenadas para controlar el convertidor 10, como se describe en la presente.

El convertidor 10 de la Figura 1 convierte un voltaje CD que tiene un primer potencial y se presenta en las terminales de entrada, Tc-T3, a un segundo potencial presente en el bus de CD. De acuerdo con una modalidad de la invención, la Figura 2 ilustra una porción de los elementos de una fase del convertidor 10 configurados para operar como un convertidor boost (o elevador). Un dispositivo solar o PV 8 genera un voltaje CD, Vpv, que se conecta entre la terminal de entrada, Ti, y la barra negativa 16. Una fase del filtro de entrada 28 proporciona la inductancia de entrada entre la terminal de entrada, Ti, y uno de los interruptores inferiores 20. Uno de los diodos superiores 22 proporciona la trayectoria de conducción de salida entre el interruptor inferior 20 y el bus de CD 12 cuando el interruptor inferior 20 se apaga. La modulación del interruptor inferior 20 por una señal de control 24, denominada algunas veces como señal de compuerta, Gpv, opera para elevar la amplitud del voltaje presente en la terminal de entrada, Ti, a una mayor amplitud en el bus de CD 12. Aunque en la Figura 1 se ilustra un convertidor de energía multifásico, se contempla que el método de conversión de energía descrito en la presente puede ser igualmente aplicable a un convertidor de energía monofásico u otros convertidores CD-a-CD como se demuestra por la representación monofásica de la Figura 2.

En operación, el convertidor 10 convierte la energía suministrada desde una fuente de energía de potencia variable a la energía presente en el bus de CD 12 del convertidor. Como se conoce en la téenica, los dispositivos PV generan energía como una función de la incidencia de luz en los dispositivos, también conocida como radiación solar. Refiriéndose a continuación a la Figura 3, la gráfica 100 ilustra el voltaje y las relaciones de corrientes para un dispositivo PV ejemplar a niveles variables de radiación solar. Durante períodos cuando el dispositivo PV recibe el máximo de luz, puede generar su máxima energía como se representa por la curva superior 102. En períodos de intensidad lumínica media y baja, la capacidad de energía del dispositivo PV disminuye, como se representa por las curvas 104 y 106, respectivamente. Debido a que la relación de corriente-voltaje no es lineal, el controlador 40 ejecuta un módulo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT -máximum power point tracking ) para identificar el punto operativo en el que la máxima potencia puede transferirse del dispositivo PV al bus de CD 12, identificados como MPPT1 -MPPT3.

De acuerdo con una modalidad de la invención, el controlador 40 utiliza un módulo MPPT tipo perturbar-observar. De acuerdo con el módulo MPPT perturbar-observar, se ordena una referencia de corriente inicial, que da como resultado una orden del ciclo inicial de servicio, D, para la señal de control, Gpv, 24. Se mide la corriente, Ipv, y el voltaje, Vpv, resultantes de la salida de del dispositivo PV y se determina la energía resultante. Posteriormente, se cambia la referencia de la corriente por una cantidad incremental en una primera dirección, ya sea incrementada o disminuida, y de nuevo se determina la salida de energía resultante del dispositivo PV. Si se incrementa la salida de energía, los cambios incrementales proceden en la dirección correcta; sin embargo, si disminuye la salida de energía, los cambios increméntales proceden en la dirección incorrecta y se invierte la dirección de los cambios increméntales posteriores. Después de identificar la dirección correcta para los cambios increméntales en las referencias de corriente, los cambios increméntales continúan hasta que se identifica una disminución en la salida de energía. En este punto, se ha identificado el punto máximo de energía y el controlador 40 mantiene la operación en este punto operativo. Además, el controlador 40 continúa para ejecutar el módulo MPPT según varíe la radiación solar para continuar operando en el punto máximo de energía que corresponde al nivel de luz incidente en el dispositivo PV.

A fin de extraer la corriente operativa deseada para mantener la transferencia de energía desde dispositivo PV 8 al convertidor 10, en el punto máximo de energía, el controlador 40 ejecuta el módulo de modulación, el cual se encuentra almacenado en el dispositivo de memoria 42. El módulo de modulación se ejecuta a un intervalo periódico, también conocido como el período de conmutación, T. El periodo de conmutación, T, se define como lo inverso a la frecuencia de modulación. Durante el período de conmutación, el módulo de modulación genera una señal de control 24 que habilita a un dispositivo de conmutación 20 durante una porción del período de conmutación. La porción, o porcentaje del período de conmutación durante el cual se habilita el dispositivo de conmutación 20, también se conoce como ciclo de servicio, D. El módulo MPPT identifica una corriente deseada que corresponde al punto máximo de energía y proporciona esta corriente como un valor de referencia al módulo de modulación dentro del controlador 40. El módulo de modulación utiliza señales de retroalimentación para determinar si la corriente entre el dispositivo PV 8 y el bus de CD 12 es mayor o menor que la corriente deseada para lograr la operación en el punto máximo de energía. El módulo de modulación puede incrementar o reducir el ciclo de servicio, en consecuencia.

Refiriéndose a continuación a la Figura 4, se ilustra la corriente extraída del dispositivo PV, Ipv, durante un período de conmutación, T, de la modulación de impulsos por duración como una función de la señal de control 24 que controla el dispositivo de conmutación 20. La señal de control 24 se enciende durante un porcentaje del periodo total de conmutación, T, y se apaga durante el resto del periodo de conmutación, T. Como se expone, el porcentaje del período de conmutación, T, en el que la señal de control 24 se encuentra encendida se denomina como el ciclo de servicio, D, también denominado como el tiempo de encendido, Ton. Según la señal de control 24 se enciende y apaga, el interruptor 20 conduce y bloquea, alternativamente, la corriente. Como resultado de la conmutación, se establece una corriente con fluctuaciones, Ir. El cálculo de energía requiere un valor promedio de corriente. Por tanto, la corriente, Ipv, puede filtrarse o muestrearse durante todo el período de conmutación, T y se determina primero la corriente promedio para el período de conmutación, T. Después, se utiliza la corriente promedio para determinar la salida de energía del dispositivo PV.

El convertidor 10 monitorea la magnitud de la energía generada por el dispositivo PV para determinar un modo operativo deseado del convertidor 10. Durante un primer modo operativo, el controlador 40 ejecuta el módulo de modulación a una frecuencia de modulación fija aunque varíe el tiempo de encendido, Ton· Como se indicó previamente con respecto a la Figura 3, según se reduce el total de luz incidente en el dispositivo PV, la amplitud del voltaje y la corriente en el punto máximo de potencia y, consecuentemente, la salida de potencia desde el dispositivo PV, se reducen de manera similar. Bajo estas condiciones de operación, el ciclo de servicio, D, de la señal de control 24 se vuelve cada vez más pequeña, lo que da como resultado periodos cortos de conducción y periodos prolongados de bloqueo de corriente a través del interruptor 20. Con el controlador 40 ejecutando el módulo de modulación a una frecuencia de modulación fija, las pérdidas de potencia en el convertidor 10 pueden exceder la energía generada por el dispositivo PV 8. Previamente, en este punto, el convertidor 10 dejaría de operar. Por ejemplo, un convertidor ejemplar 10 capaz de transferir hasta 100 kilowatts de potencia desde el dispositivo PV 8 puede operar al 96% de eficiencia desde aproximadamente un cuarto de potencia (i.e., 25 kilovatios) hasta potencia total (i.e. 100 kilovatios). Cuando el dispositivo PV 8 se encuentra generando solamente 10 kilovatios, o aproximadamente 10% de la capacidad del convertidor 10, la eficiencia operativa desciende hasta aproximadamente el 90%. Por tanto, el rango previo de entrada utilizable del convertidor 10 puede haberse dado cuando el dispositivo PV se encuentra generando entre el 10% y el 100% de la capacidad nominal del convertidor 10.

Sin embargo, el presente convertidor 10 tiene un segundo modo de operación para expandir el rango de operación del convertidor 10. Para mejorar la eficiencia, se fija un valor mínimo predefinido para el tiempo de encendido, ton. Cuando la corriente requerida por el módulo MPPT hace que el controlador 40, que ejecuta el módulo de modulación, alcance este valor mínimo, el controlador 40 inicia a ejecutar el módulo de modulación en el segundo modo operativo. A fin de continuar operando en el punto máximo de potencia cuando se ha alcanzado el tiempo mínimo de encendido, ton el convertidor 10 empieza a variar la frecuencia de modulación, lo cual varía de manera inversa el período de conmutación, T, de la modulación de impulsos en duración.

Refiriéndose a continuación a la Figura 5, se ilustra la operación con un tiempo de encendido fijo, ton, y un período variable de conmutación, T. Por ejemplo, la Figura 5a puede representar el punto en el que el primer modo operativo ha alcanzado su tiempo mínimo de encendido, ton. El período, TI es igual al período operativo normal que puede ser, por ejemplo de, 100 pseg. correspondiendo a una frecuencia de conmutación de 10 kHz. Mientras la corriente requerida para permanecer en el punto máximo de potencia continua disminuyendo, el período de conmutación puede extenderse, por ejemplo, a T2 y posteriormente a T3. Debido a que el período de conmutación se amplia, la frecuencia de modulación se reduce. Como resultado, los dispositivos de conmutación 20 no se encienden tan frecuentemente, reduciendo así las correspondientes pérdidas de conmutación. Como resultado, el convertidor 10 opera con mayor eficiencia a menores niveles de potencia en el segundo modo de operación de lo que lo haría en el primer modo de operación. Por ejemplo, el convertidor 10 previamente tratado, que fue capaz de transferir hasta 100 kilovatios de potencia desde el dispositivo PV 8, operado al 90% de eficiencia, a 10% de su capacidad nominal en el primer modo de operación. En el segundo modo de operación, el convertidor 10, opera más bien a aproximadamente el 95% de eficiencia, al 10% de su capacidad nominal. La eficiencia incrementada permite que el convertidor continúe operando a aproximadamente el 1% de su capacidad nominal antes que las pérdidas de energía en el convertidor 10 puedan exceder la energía generada por el dispositivo PV 8. Se contempla que el período de conmutación pueda ampliarse hasta al menos 20 mseg. que corresponden a una frecuencia de conmutación de 50 Hz. Por lo tanto, conforme disminuye la luz incidente, el convertidor 10 puede continuar operando a través de un rango de operación más amplio para incrementar la cantidad de energía obtenida del dispositivo PV.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, puede almacenarse una tabla de consulta en el dispositivo de memoria 42 lo que define la tasa a la cual el controlador 40 cambia la frecuencia de modulación durante la operación en el segundo modo. La relación entre la corriente y el periodo de conmutación no es lineal. Por ejemplo, un cambio de 10 pseg. en el período de modulación cuando operar a una frecuencia de conmutación de 10 kHz (i.e., un período de 100 pseg.) representa un mayor porcentaje de incremento que cuando opera a una frecuencia de conmutación de 50 Hz (i.e., un periodo de 20 mseg.). A fin de mejorar el tiempo de respuesta del controlador 40 a las variaciones en la exposición a la luz solar, el período de modulación se cambia a mayores incrementos cuando el convertidor 10 opera a menores frecuencias de modulación que cuando el convertidor opera a mayores frecuencias de modulación. La tabla de consulta puede almacenar los cambios de incremento deseados en la frecuencia de modulación en puntos variables de operación.

A medida que la luz incidente en el dispositivo PV empieza a incrementarse y que se incrementa la correspondiente energía generada por el dispositivo PV, el convertidor 10 regresa a la operación en el primer modo más que la operación en el segundo modo. El controlador 40 ejecuta el módulo de modulación para reducir el período de conmutación, T, hasta que de nuevo alcance la duración correspondiente al período fijo de modulación. En este punto, la eficiencia operativa del convertidor 10 ha mejorado de tal manera que nuevamente es deseable la operación con el período fijo de modulación y la operación de tiempo variable de encendido, ton. La transición entre la operación con un periodo fijo de modulación, T, y tiempo de encendido variable, ton, para operar con un periodo variable de modulación, t, y un tiempo de encendido fijo, ton, es fluida debido a que ambos modos de operación abarcan el punto común de operación en el que tanto el periodo de modulación, T, como el tiempo de encendido, ton, se encuentran en sus valores mínimos.

Debe entenderse que la invención no se limita en su aplicación a los detalles de construcción e instalación de los componentes que se establecen en la presente. La invención admite otras modalidades y puede practicarse o llevarse a cabo de diversas maneras. Las variaciones y modificaciones de lo anterior se encuentran dentro del alcance de la presente invención. También debe entenderse que la invención descrita y definida en la presente se extiende a todas las combinaciones alternativas de dos o más de las características individuales mencionadas o evidentes a partir del texto y/o los dibujos. Todas estas diferentes combinaciones constituyen varios aspectos alternativos de la presente invención. Las modalidades que se describen en la presente explican los mejores modos conocidos para practicar la invención y permitirán a otros expertos en la téenica utilizar la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un convertidor de energía que comprende: una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CD; un bus de CD que tiene una barra positiva y una negativa; al menos un dispositivo de conmutación que conecta selectivamente la entrada al bus de CD como una función de una señal de control correspondiente; un dispositivo de memoria que almacena una serie de instrucciones; y un controlador configurado para ejecutar la serie de instrucciones para: determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CD, generar la señal de control para cada dispositivo de conmutación en un primer modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CD excede el umbral predefinido y generar la señal de control para cada dispositivo de conmutación en un segundo modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CD es menor que el umbral predefinido.

2. El convertidor de energía de la reivindicación 1 en donde: la serie de instrucciones incluye un módulo de modulación que tiene una frecuencia de modulación y un tiempo de encendido, durante el primer modo de operación, el controlador ejecuta el módulo de modulación para generar señales de control a una frecuencia de modulación fija con una variación en el tiempo de encendido y durante el segundo modo de operación, el controlador ejecuta el módulo de modulación para generar señales de control a una frecuencia variable de modulación con un tiempo de encendido fijo.

3. El convertidor de energía de la reivindicación 2, en donde el dispositivo de memoria almacena una tabla de consulta que define una tasa de cambio de la frecuencia de modulación durante el segundo modo de operación como una función de la frecuencia de modulación de corriente.

4. El convertidor de energía de la reivindicación 2, en donde la frecuencia de modulación varía desde aproximadamente 10 kHz hasta aproximadamente 50 Hz.

5. Un método para convertir energía proveniente de una fuente de energía renovable que tiene una capacidad variable de generación de energía a un potencial de voltaje presente en un bus de CD por medio de un convertidor de energía, comprendiendo el método las etapas de: monitorear la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable; controlar al menos un dispositivo de conmutación en el convertidor de energía por medio de la correspondiente señal de control para conectar selectivamente la fuente de energía renovable al bus de CD; ejecutar un módulo de modulación en el convertidor de energía para generar las señales de control en un primer modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable excede un umbral predefinido; y ejecutar el módulo de modulación en el convertidor de energía para generar las señales de control en un segundo modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable es menor que el umbral predefinido.

6. El método de la reivindicación 5, en donde: el módulo de modulación determina un tiempo de encendido para cada una de las señales de control dentro de un período de conmutación, estando el período de conmutación definido como lo inverso de una frecuencia de modulación. durante el primer modo de operación, el módulo de modulación genera señales de control a una frecuencia de modulación fija con una variación en el tiempo de encendido, y durante el segundo modo de operación, el módulo de modulación genera señales de control a una frecuencia variable de modulación con un tiempo de encendido fijo.

7. El método de la reivindicación 6, en donde la ejecución del módulo de modulación en el convertidor de energía para generar las señales de control en el segundo modo de operación comprende además las etapas de: leer un cambio deseado en la frecuencia de modulación de la tabla de consulta almacenada en un dispositivo de memoria del convertidor de energía, y variar la frecuencia de modulación incluye sumar o restar el cambio deseado como una función de la magnitud de la energía generada por la fuente de energía renovable.

8. El método de la reivindicación 6, en donde la frecuencia de modulación varía desde aproximadamente 10 kHz hasta aproximadamente 50 Hz.