MX2014005360A - Sistema y metodo para conversion de potencia para fuentes de energia renovables. - Google Patents

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

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Abstract

Se describe un sistema de conversión de energía para utilizarse con una fuente de energía alternativa. La fuente de energía alternativa puede generar ya sea un voltaje CA o uno CD. Un primer convertidor de energía se conecta entre la fuente y un bus CD, y un segundo convertidor de energía se conecta entre el bus CD y la red u otra carga. El primer convertidor de energía se configura para operare durante periodos de generación de baja energía. La energía capturada se almacenará en un medio der almacenamiento eléctrico. Cuando se almacena suficiente energía, esta energía se transfiere subsecuentemente a la red o carga a través del segundo convertidor de energía. El segundo convertidor de energía se configura para operar intermitentemente durante periodos de baja generación de energía, transfiriendo energía desde el bus CD cuando se almacena suficiente energía y desconectado cuando la energía almacenada cae a un punto en el cual el segundo convertidor de energía ya no puede operar de manera eficiente.

Description

SISTEMA ? MÉTODO PARA CONVERSIÓN DE POTENCIA PARA FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud Provisional de E.U. No.61/555,727 presentada el 4 de noviembre de 2011, los contenidos completos de la cual se incorporan en la presente mediante la referencia.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La materia descrita en la presente se refiere a convertidores de energía y, más específicamente, a la conversión de energía mejorada para sistemas de energía renovables durante periodos de producción de baja energía.
En años recientes, las crecientes demandas de energía y las crecientes preocupaciones acerca de los suministros de combustibles fósiles y su contaminación correspondiente han conducido a un interés incrementado en fuentes de energía renovables. Dos de las fuentes de energía renovables más comunes y mejor desarrolladas son la energía fotovoltaica y energía eólica. Otras fuentes de energía renovable pueden incluir celdas de combustible, energía hidroeléctrica, energía mareal y generadores de bio-combustible o biomasa. Sin embargo, utilizar fuentes de energía renovables para generar energía eléctrica presenta un nuevo conjunto de retos.
Muchas fuentes de energía renovables proporcionan un suministro de energía variable. El suministro puede variar por ejemplo, de acuerdo con la cantidad de viento, capa de nubes u hora del día. Además, diferentes fuentes de energía proporcionan diferentes tipos de energía eléctrica. Una turbina eólica por ejemplo, se adecúa mejor para proporcionar energía de Corriente Alterna (CA) mientras una celda fotovoltaica se adecúa mejor para proporcionar energía de Corriente Directa (CD). Debido a la naturaleza variable de la energía suministrada así como la variación del tipo de energía generada, los convertidores de energía se insertan comúnmente entre la fuente de energía renovable y la red de servicios públicos o una carga eléctrica, si operan independientemente de la red de servicios públicos.
Se sabe que los convertidores de energía tienen pérdidas inherentes lo cual evita 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 generada por la fuente de energía renovable. El convertidor de energía se desconecta típicamente para evitar una condición de operación en la cual el sistema de generación de energía se encuentra utilizando realmente más energía que la que genera.
De este modo, a fin de maximizar la eficiencia del sistema de generación de energía, es deseable capturar la energía generada y proporcionar un convertidor capaz de operar eficientemente a bajos niveles de generación de energía.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La materia descrita en la presente expone un sistema de conversión de energía para utilizarse con una fuente de energía alternativa. La fuente puede ser una fuente CA (de turbina eólica) o CD (solar). El convertidor conectado a la fuente se configura para operar durante periodos de generación de baja energía. La energía capturada se almacenará en un medio de almacenamiento eléctrico tal como un ultra-capacitor o batería. Cuando se almacena energía suficiente, esta energía se transfiere de manera subsecuente a la red o a una carga eléctrica a través de un segundo convertidor de energía. Aunque el segundo convertidor de energía normalmente tiene una pérdida de energía de operación mayor a la energía generada desde la fuente renovable durante periodos de baja generación de energía, al almacenar la energía y utilizarla en un modo intermitente el segundo convertidor puede operar a un punto de operación eficiente.
De acuerdo con una modalidad de la invención, un sistema de conversión de energía incluye un primer convertidor de energía que tiene una entrada y una salida y un segundo convertidor de energía que tiene una entrada y una salida. El primer convertidor de energía se configura para recibir energía eléctrica en una primera forma en la entrada y proporcionar un voltaje CD a una magnitud predefinida en la salida, y el segundo convertidor de energía se configura para recibir el voltaje CD a la magnitud predefinida en la entrada y proporcionar un voltaje CA en la salida. Un bus CD conecta la salida del primer convertidor de energía y la entrada del segundo convertidor de energía y se configura para conducir el voltaje CD a la magnitud predefinida. Un dispositivo de almacenamiento de energía se conecta operativamente al bus CD. El segundo convertidor de energía tiene un primer umbral por debajo del cual detiene la conversión del voltaje CD al voltaje CA y un segundo umbral por arriba del cual inicia la conversión del voltaje CD al voltaje CA. El primer convertidor de energía se configura para convertir la energía eléctrica en la entrada al voltaje CD por debajo del primer umbral del segundo convertidor de energía y el dispositivo de almacenamiento de energía se configura para almacenar energía eléctrica cuando el primer convertidor de energía se encuentra en operación y el segundo convertidor de energía no se encuentra operando.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, un convertidor CD a CD puede conectarse operativamente entre el bus CD y el dispositivo de almacenamiento de energía. El dispositivo de almacenamiento de energía puede ser un ultra-capacitor o una batería. Un sensor genera una señal de retroalimentación que corresponde a una amplitud de voltaje o estado de carga presente en el dispositivo de almacenamiento de energía. El segundo convertidor de energía recibe la señal de retroalimentación y compara la señal de retroalimentación con el segundo umbral para controlar la operación del segundo convertidor de energía.
De acuerdo con aún otro aspecto de la invención, el primer convertidor de energía incluye una pluralidad de conmutadores que conectan selectivamente la entrada a la salida de acuerdo con una pluralidad de señales de control. Cada señal de control corresponde a uno de la pluralidad de conmutadores, y cada conmutador tiene una pérdida de conmutación asociada con la conexión selectiva de la entrada con la salida. Un controlador genera las señales de control para convertir la energía eléctrica en la entrada al voltaje CD en un primer modo y en un segundo modo. El controlador opera en el primer modo por arriba de un tercer umbral, en donde el tercer umbral es igual o mayor que las pérdidas de conmutación generadas por los conmutadores en el primer modo, y el controlador opera en el segundo modo por debajo del tercer umbral.
De acuerdo con otra modalidad de la invención, se describe un método para controlar la transferencia de energía desde una fuente de energía renovable hacia una carga eléctrica utilizando un primer convertidor de energía y un segundo convertidor de energía. El primero y segundo convertidores de energía se conectan a través de un bus CD, y la fuente de energía renovable tiene una capacidad de generación de energía variable. El método incluye las etapas para ejecutar un módulo de control en el primer convertidor de energía para transferir la energía generada por la fuente de energía renovable hacia el bus CD, almacenando al menos una porción de la energía proveniente del bus CD en un dispositivo de almacenamiento de energía, midiendo la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía, ejecutando un módulo de control en el segundo convertidor de energía para transferir energía desde el bus CD hacia una de una carga eléctrica y una red de energía, y midiendo la tasa de transferencia de energía desde el bus CD. La etapa de ejecutar el módulo de control en el segundo convertidor de energía para transferir energía desde el bus CD a una de una carga eléctrica y una red de energía se deshabilita cuando la tasa de transferencia de energía proveniente del bus CD cae por debajo de un primer umbral y se habilita cuando la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía excede un segundo umbral.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, la etapa de almacenar al menos una porción de la energía proveniente del bus CD en un dispositivo de almacenamiento de energía comprende además las etapas de medir una amplitud del voltaje presente en el bus CD, y ejecutar un módulo de control en un tercer convertidor de energía conectado entre el bus CD y el dispositivo de almacenamiento de energía para transferir energía entre el bus CD y el dispositivo de almacenamiento de energía como una función de la amplitud del voltaje presente en el bus CD. La etapa de ejecutar un módulo de control en el primer convertidor de energía para transferir la energía generada por la fuente de energía renovable hacia el bus CD puede deshabilitarse cuando la tasa de transferencia de energía desde la fuente de energía renovable hacia el bus CD cae por debajo de un tercer umbral, en donde el tercer umbral es menor al primer umbral.
De acuerdo con otra modalidad de la invención, un sistema de conversión de energía incluye un primer convertidor de energía que tiene una entrada y una salida y un segundo convertidor de energía que tiene una entrada y una salida. El primer convertidor de energía se configura para recibir energía eléctrica en una primera forma en la entrada y proporcionar un voltaje CD a una magnitud predefinida en la salida, y el segundo convertidor de energía se configura para recibir el voltaje CD a la magnitud predefinida en la entrada y proporcionar un voltaje CA en la salida. Un bus CD conecta la salida del primer convertidor de energía y la entrada del segundo convertidor de energía y se configura para conducir el voltaje CD a la magnitud predefinida. El sistema de conversión de energía incluye también un tercer convertidor de energía que tiene una entrada y una salida. La entrada se conecta al bus CD, y el tercer convertidor de energía se configura para convertir el voltaje CD en la entrada a un segundo voltaje CD en la salida y se configura además para transferir energía bidireccional entre la entrada y la salida. Un dispositivo de almacenamiento de energía se conecta operativamente a la salida del tercer convertidor de energía, y un sensor genera una señal que corresponde a la magnitud de la energía presente en el dispositivo de almacenamiento de energía. El segundo convertidor de energía detiene la conversión del voltaje CD al voltaje CA cuando la tasa de transferencia de energía en el segundo convertidor de energía cae por debajo de un primer umbral e inicia la conversión del voltaje CD al voltaje CA cuando la señal que corresponde a la magnitud de energía presente en el dispositivo de almacenamiento de energía es igual o mayor a la del segundo umbral. El primer convertidor de energía detiene la conversión de la energía eléctrica en la entrada del voltaje CD cuando la tasa de transferencia de energía en el primer convertidor de energía cae por debajo de un tercer umbral, en donde el tercer umbral es menor que el primer umbral, y el dispositivo de almacenamiento de energía se configura para almacenar energía eléctrica cuando el primer convertidor de energía se encuentra operando y el segundo convertidor de energía no se encuentra operando.
Estos y otros objetivos, ventajas y características de la invención se volverán aparentes para los expertos en la materia a partir de la descripción detallada y los dibujos acompañantes. Sin embargo, debe entenderse, que la descripción detallada y dibujos acompañantes, aunque indican modalidades preferidas de la presente invención, se dan 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 la misma, y la invención incluye todas tales modificaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Varias modalidades ejemplares de la materia descrita en la presente se ilustran en los dibujos acompañantes en los cuales los numerales de referencia similar representan partes similares a través de todo, y en los cuales: La Figura 1 es una representación del diagrama de bloques de un sistema de conversión de energía de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 2 es una representación de un diagrama de bloques del sistema de conversión de energía de la Figura 1 que incorpora un convertidor CD a CD y una batería como el dispositivo de almacenamiento de energía; La Figura 3 es una representación esquemática del convertidor de la Figura 1 conectado a una fuente CD tal como una batería solar; La Figura 4 es una representación esquemática del convertidor de la Figura 1 conectado a una fuente CA tal como una turbina eólica; La Figura 5 es una representación gráfica de la corriente durante un periodo de modulación del convertidor de la Figura 1; La Figura 6 es una representación gráfica de un periodo de modulación variable; y La Figura 7 es una representación esquemática del inversor del sistema de conversión de energía de la Figura 1.
Al describir las modalidades preferidas de la invención las cuales se ilustran en los dibujos, se recurrirá a la terminología específica por motivo de claridad. Sin embargo, no se pretende que la invención se limite a los términos específicos así seleccionados y se entiende que cada término específico incluye todos los equivalentes téenicos que operan en una manera similar para llevar a cabo un propósito similar. Por ejemplo la palabra "conectado", "unido", o términos similares a los mismos se utilizan con frecuencia. No se limitan a una conexión directa sino incluyen la conexión a través de otros elementos en donde tal conexión se reconoce como equivalente por los expertos en la materia.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Las diversas características y detalles ventajosos de la materia descrita en la presente se explican más completamente con referencia a las modalidades no limitantes descritas en detalle en la siguiente descripción.
Volviendo inicialmente a la Figura 1, un sistema de conversión de energía recibe energía desde una fuente de energía 6. De acuerdo con una modalidad de la invención, la fuente de energía 6 es una fuente de energía alternativa, tal como una batería fotovoltaica (PV) o una turbina eólica. La fuente de energía 6 se conecta eléctricamente a un primer convertidor de energía 10. El primer convertidor de energía 10 se configura para convertir la energía generada por la fuente de energía alternativa 6 a un voltaje CD, VCD a una magnitud deseada. Este voltaje CD, VCDr se proporciona a un bus CD 12 que tiene un riel positivo 14 y un riel negativo 16. Como se entiende en la téenica, el riel positivo 14 y el riel negativo 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 del riel positivo 14 o el riel negativo 16 puede conectarse a un potencial de voltaje neutro. El riel positivo 14 típicamente conduce un voltaje CD que tiene un mayor potencial que el riel negativo 16. Un dispositivo de almacenamiento de energía 18 se conecta al bus CD 12 y se configura para extraer energía y regresar energía al bus CD 12. Un segundo convertidor de energía 60 se conecta entre el bus CD 12 y una carga 4. De acuerdo con una modalidad de la invención, el segundo convertidor de energía 60 es un inversor configurado para convertir el voltaje CD, VCD r presente en el bus CD 12 a un voltaje CA trifásico. Opcionalmente, el segundo convertidor de energía 60 puede convertir el voltaje CD, VCD presente en el bus CD 12 en otras formas adecuadas de energía eléctrica de acuerdo con los requerimientos de la carga 4.
Refiriéndose también a la Figura 2, el sistema de conversión de energía puede incluir un convertidor CD a CD 17 y una batería 19 que compone el dispositivo de almacenamiento de energía 18. La batería 19 puede ser una o más baterías conectadas en serie y/o en paralelo como se entiende en la téenica. Cada batería puede ser pero no se limita a una batería de plomo-ácido, batería de ión de litio, una batería de bromuro de zinc, o una batería de flujo. El convertidor CD a CD 17 se configura para manejar la transferencia de energía bidireccional entre el bus CD 12 y la batería 19 y se configura además para convertir la amplitud del voltaje CD, VCD, presente en el bus CD 12 a la amplitud adecuada requerida por la batería 19.
Volviendo a continuación a la Figura 3, se ilustra un convertidor 10 ejemplar que incorpora una modalidad de la presente invención. El convertidor 10 incluye tres terminales de entrada, T1-T3, configuradas para recibir un voltaje de entrada desde la fuente de energía 6. De acuerdo con la modalidad ilustrada, la fuente de energía 6 es una batería PV. Aunque las tres entradas se utilizan para esta configuración, una o más entradas también proporcionaran un resultado similar. Las terminales de entrada Tc-T3, de la modalidad ilustrada se conectan juntas para recibir una terminal positiva +Vpv, desde la batería PV que genera un voltaje CD. Opcionalmente, cada una de las terminales de entrada T1-T3, puede conectarse a terminales separadas de diferentes baterías PV. La terminal negativa -Vpv, de la batería PV se conecta al riel negativo 16 del bus CD 12. Un filtro de entrada 28 proporciona inductancia conectada en serie con cada una de las terminales T1-T3.
Refiriéndose también a la Figura 4, las terminales de entrada, T1-T3, del convertidor 10 pueden conectarse a una fuente CA. De acuerdo con la modalidad ilustrada, la fuente de energía 6 es una turbina eólica. La turbina eólica genera un voltaje CA trifásico, Vi-V3. Cada una de las fases V1-V3, se conecta a una de las terminales de entrada, 1i-T3, del convertidor 10. Opcionalmente, la fuente de energía 6 puede ser otro de los dispositivos de generación CA, que proporciona ya sea un voltaje sencillo o de múltiples fases al convertidor 10.
El convertidor 10 convierte el voltaje de entrada desde la fuente de energía 6 al voltaje CD deseado, Vcd, presente en el bus CD 12 utilizando dispositivos de conmutación 20. El bus CD 12 incluye un riel positivo 14 y un riel negativo 16 los cuales se encuentran disponibles en las salidas +Vcd y -Vcd. Los dispositivos de conmutación 20 son típicamente dispositivos de energía de estado sólido. Las Figuras 3 y 4 muestran los dispositivos de conmutación 20 como transistores de unión bipolar (BJTs); sin embargo, se contempla que puede utilizarse cualquier dispositivo de conmutación adecuado de acuerdo con los requerimientos de aplicación, incluyendo pero sin limitarse a, transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), transistores de efecto de campo (FETs), rectificadores controlados por silicio (SCR), tiristores, tales como el tiristor conmutado con compuerta integrada (IGCT) o tiristores de compuerta desconectada (GTO), u otros dispositivos controlados. Un diodo 22 se conecta en paralelo a cada uno de los dispositivos de conmutación 20 para invertir la conducción a través del dispositivo de conmutación según se requiera cuando el dispositivo de conmutación 20 se encuentre desconectado. Este diodo 22 también puede ser una parte del conmutador del semiconductor. Cada dispositivo de conmutación 20 se controla por una señal de compuerta 24. La señal de compuerta 24 se habilita o deshabilita para permitir selectivamente la conducción a través del dispositivo de conmutación 20, el cual a su vez, conecta selectivamente cualquiera del riel positivo 14 o el riel negativo 16 a una de las terminales de entrada Ti-T3. La capacitancia 50 se conecta entre el riel positivo 14 y el riel negativo 16 del bus CD 12. La capacitancia 50 puede ser un capacitor sencillo 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 de ondulación que resulta de la conversión del voltaje entre el voltaje de entrada y el bus CD 12.
Un controlador 40 ejecuta una serie de instrucciones almacenadas para generar las señales de compuerta 24. El controlador 40 recibe señales de retroalimentación provenientes de los sensores correspondientes a la amplitud del voltaje y/o corriente en diversos puntos a través de todo el convertidor 10. Las ubicaciones dependen de las rutinas de control especificas que se ejecutan dentro del controlador 40. Por ejemplo, los sensores de entrada 26a-26c, pueden proporcionar una amplitud del voltaje presente en cada terminal de entrada Ti~T3. Opcionalmente, un sensor de entrada, 26a-26c, puede conectarse operativamente para proporcionar una amplitud de la corriente conducida en cada terminal de entrada Ti-T3. De manera similar, una corriente y/o un sensor de voltaje 28 y 30 pueden conectarse operativamente al riel positivo 14 y al riel negativo 16, respectivamente, del bus CD 12. El controlador 40 se interconecta con un dispositivo de memoria 42 para recuperar las instrucciones almacenadas y con un puerto de comunicaciones 44 para comunicarse con dispositivos externos.
Refiriéndose a continuación a la Figura 7, el segundo convertidor de energía 60 se dispone como un inversor 60 configurado para convertir el voltaje CD, Vcd, a un voltaje CA a la salida 62 del inversor 60. La conversión se lleva a cabo utilizando dispositivos de conmutación 70 que conectan selectivamente ya sea el riel positivo 14 o el riel negativo 16 a una de las fases del voltaje de salida. Los dispositivos de conmutación 70 son típicamente dispositivos de energía de estado sólido. La Figura 7 muestra los dispositivos de conmutación 70 como transistores de unión bipolar (BJTs); sin embargo, se contempla que puede utilizarse cualquier dispositivo de conmutación adecuado de acuerdo con los requerimientos de la aplicación, incluyendo pero sin limitarse a, transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), transistores de efecto de campo (FETs), rectificadores controlados por silicio (SCR), tiristores, tales como el tiristor conmutado con compuerta integrada (IGCT) o tiristores de compuerta desconectada (GTO), u otros dispositivos controlados. Un diodo 72 se conecta en paralelo a cada uno de los dispositivos de conmutación 70 para invertir la conducción a través del dispositivo de conmutación según se requiera cuando se desconecta el dispositivo de conmutación 70. Este diodo 72 también puede ser una parte del conmutador del semiconductor. Cada dispositivo de conmutación 70 se controla mediante una señal de compuerta 74. La señal de compuerta 74 se habilita o deshabilita para permitir selectivamente la conducción a través del dispositivo de conmutación 70.
Un controlador 90 ejecuta una serie de instrucciones almacenadas para generar las señales de compuerta 74. El controlador 90 recibe las señales de retroalimentación desde los sensores correspondientes a la amplitud del voltaje y/o corriente en diversos puntos a través de todo el inversor 60. Las ubicaciones dependen de las rutinas de control especificas que se ejecutan dentro del controlador 90. Por ejemplo, los sensores de salida 76a-76c pueden proporcionar una amplitud del voltaje presente en cada fase de la salida 62. Opcionalmente, el sensor de salida 76a-76c, puede conectarse operativamente para proporcionar una amplitud de la corriente presente en cada fase de la salida 62. De manera similar, un sensor de corriente y/o de voltaje, 78 y 80, puede conectarse operativamente al riel positivo 14 y al riel negativo 16 respectivamente, del bus CD 12. El controlador 90 se interconecta con un dispositivo de memoria 92 para recuperar las instrucciones almacenadas y con un puerto de comunicaciones 94 para comunicarse con dispositivos externos. De acuerdo con una modalidad de la invención, el primer convertidor 10 y el segundo convertidor 60 son módulos separados que tienen controladores separados 40, 90 y dispositivos de memoria 42, 92 configurados para controlar la operación del convertidor de energía respectivo. Opcionalmente, puede configurarse un solo dispositivo controlador y de memoria para controlar la operación de ambos convertidores de energía.
En operación, el sistema de conversión de energía opera para transferir la energía generada por la fuente 6 a la carga 4. El primer convertidor de energía 10 se configura para transferir energía desde la fuente 6 al bus CD 12 y el segundo convertidor de energía 60 se configura para transferir energía desde el bus CD 12 a la carga 4. El controlador 40, 90 de cada convertidor de energía 10, 60 ejecuta uno o más módulos de control los cuales generan señales de conmutación 24, 74 para conectar selectivamente los conmutadores 20, 70 entre el bus CD 12 y cualquiera de las terminales de entrada, T1-T3, o la salida 62 de acuerdo con la forma de conversión de energía deseada.
De acuerdo con una modalidad de la invención, se configura la salida 62 del segundo convertidor de energía para generar un voltaje de salida CA. Consecuentemente, el voltaje CD, VCD presente en el bus CD 12 debe convertirse a un voltaje CA sincronizado con la red de servicios públicos. A fin de convertir un voltaje CD a un voltaje CA, el controlador 90 ejecuta una rutina de modulación. La rutina de modulación se ejecuta a un intervalo periódico, también conocido como el periodo de conmutación T. Durante el periodo de conmutación, la rutina de modulación genera una señal de conmutación 74 que habilita un conmutador 70 para una porción del periodo de conmutación, también conocido como el ciclo de trabajo, D. De este modo, el voltaje en la salida es igual al voltaje presente en el bus CD, VCDJ para una porción del periodo T, e igual a cero voltios para una porción del periodo T. Se determina un valor promedio del voltaje a través de este periodo como una función del voltaje presente en el bus CD, VCD/ y del ciclo de trabajo D. La rutina de modulación controla el ciclo de trabajo D, de tal manera que varía el valor promedio del voltaje en una manera sinusoidal, dando como resultado un voltaje AC aproximado, en el cual el componente armónico fundamental es el voltaje de salida CD deseado. Los componentes armónicos restantes pueden generar alguna ondulación sobre el voltaje de salida y/o corriente dando como resultado la pérdida de energía en el convertidor de energía. A medida que disminuye el periodo de conmutación { i . e. , se incrementa la frecuencia de conmutación), se asemeja más cercanamente al voltaje CA aproximado a una forma de ondulación de voltaje sinusoidal real, reduciendo mediante esto las pérdidas armónicas/ distorsión en el voltaje de salida.
De acuerdo con un aspecto de la invención, puede ser deseable transferir energía desde la fuente de energía alternativa 6 hacia la red de servicios públicos. Por lo tanto, la salida 62 del segundo convertidor de energía 60, se conecta a la red de servicios públicos. De acuerdo con los estándares industriales, un convertidor de energía 60 conectado a una red de servicios públicos debe mantener una distorsión total armónica baja. Consecuentemente, la frecuencia de conmutación del segundo convertidor de energía 60 debe permanecer lo suficientemente alta para cumplir con los estándares. Sin embargo, incrementando la frecuencia de conmutación, se incrementa la tasa a la cual los conmutadores 70 se conectan y desconectan, incrementando mediante esto las pérdidas de conmutación en el convertidor 60. Cada conmutador 70 tiene una característica de pérdida de energía, o ineficiencia, cuando transitan entre los estados de conexión y desconexión, también conocidas como pérdidas de conmutación. A medida que se incrementa la frecuencia de conmutación, se incrementan de manera similar las pérdidas de conmutación asociadas con los interruptores 70. El convertidor de energía 60 se configura para descontinuar la operación cuando la energía a transferirse cae por debajo de cierto nivel. Por ejemplo, un convertidor 60 ejemplar capaz de transferir hasta 100 kilovatios de energía desde el bus CD 12 hacia la red, puede operar a 96% de eficiencia desde aproximadamente un cuarto de energía (i.e., 25 kilovatios) hasta una energía completa (i.e., 100 kilovatios). Sin embargo, cuando se requiere el convertidor 60 para transferir aproximadamente 10 kilovatios, o 10% de la capacidad del convertidor 60, la eficiencia de operación cae hasta aproximadamente 90%. De este modo, el rango de operación del convertidor 60 se encuentra entre aproximadamente 10% y 100% de la capacidad nominal del convertidor 60. El umbral para descontinuar la operación del convertidor 60, por lo tanto se establece a 10% de capacidad nominal, la cual corresponde al punto de operación al cual las pérdidas de conmutación son iguales o casi iguales al nivel de energía a transferirse.
En lugar de configurarse para conservar la distorsión armónica por debajo de un nivel deseado, el primer convertidor de energía 10 se configura para transferir la máxima cantidad de energía generada por la fuente de energía alternativa 6 hacia el bus CD 12. Aunque los conmutadores 20 del primer convertidor de energía 10 también tienen pérdidas de conmutación, el primer convertidor de energía 10 puede no necesitar operar a una frecuencia de conmutación tan alta como el segundo convertidor de energía 60 reduciendo mediante esto las pérdidas de conmutación asociadas con el primer convertidor de energía 10. Se contempla además que el primer convertidor de energía 10 puede configurarse para operar en modos múltiples. Por ejemplo, durante periodos de alta transferencia de energía, puede ser más eficiente operar a una mayor frecuencia de conmutación, y durante periodos de baja transferencia de energía, puede ser más eficiente operar a una frecuencia de conmutación inferior. Por lo tanto el primer convertidor de energía 10 puede configurarse, para variar la frecuencia de conmutación a la cual opera como una función del nivel de transferencia de energía. Se contempla que el primer convertidor de energía 10 puede operar en aún otros modos para incrementar el porcentaje de energía generada por la fuente de energía alternativa 6 que se transfiere al bus CD 12. Un primer convertidor de energía 10 ejemplar puede por ejemplo graduarse de manera similar al segundo convertidor de energía 60 ejemplar, para transferir hasta 100 kilovatios de energía desde la fuente 6 hacia el bus CD 12. Sin embargo, debido a los diferentes modos de operación, el primer convertidor de energía 10 puede configurarse para tener un rango de operación entre aproximadamente 1% y 100% de la capacidad nominal del primer convertidor de energía 10. De este modo, el primer convertidor de energía 10 puede transferir la energía generada desde la fuente 6 al bus CD 12 durante periodos de baja generación de energía en la cual el segundo convertidor de energía 60 no puede operar de manera eficiente.
Refiriéndose a continuación a la Figura 5, la corriente extraída de la batería PV, Ipv, se ilustra durante un periodo T de modulación de amplitud de impulso para el primer convertidor de energía 10 como una función de una de las señales de conmutación 24 que controla un dispositivo de conmutación 20 correspondiente. La señal de conmutación 24 se encuentra encendida durante un porcentaje del periodo total T, y apagada durante el resto del periodo T, en donde el porcentaje del periodo T, la señal de conmutación 24 que se encuentra encendida puede referirse como el ciclo de trabajo D, o como el tiempo de encendido, ton. Ya que la señal de conmutación 24 se conecta y desconecta, la conmutación 20 correspondiente alternativamente conduce y bloquea la corriente. El controlador 40 varía el ciclo de trabajo D, como una función de la energía generada por la fuente de energía alternativa 6. Por ejemplo, a medida que disminuye la cantidad de energía generada por la fuente de energía alternativa 6, puede disminuirse el ciclo de trabajo D debido a que se requiere un menor tiempo de encendido para transferir la energía al bus CD 12. El tiempo de encendido, ton puede continuar reduciéndose hasta que alcanza un valor mínimo al cual las pérdidas de conmutación del conmutador 20 exceden la energía que se transfiere al conectar el conmutador 20.
Refiriéndose a continuación a la Figura 6, se contempla que el primer convertidor de energía 10 puede incluir además un modo de operación configurado para maxi izar la energía transferida durante periodos de baja generación de energía. A fin de continuar operando el primer convertidor de energía 10 para transferir energía cuando la fuente de energía alternativa 6 se encuentra generando energía a un nivel por debajo del que resulta en el conmutador 20 que se conduce durante un tiempo de encendido mínimo, Ton, el convertidor 10 inicia la variación del periodo T de la modulación de amplitud de impulso. Por ejemplo, la Figura 6a puede representar el punto en el cual el convertidor 10 ha alcanzado su ciclo de trabajo mínimo D. El periodo Ti es igual al periodo de operación normal el cual puede ser por ejemplo, 100 m seg el cual corresponde a 10 kHz de frecuencia de conmutación. A medida que disminuye más la energía generada por la fuente de energía alternativa 6, puede extenderse el periodo de modulación por ejemplo a T2 y subsecuentemente a T3. Se contempla que el periodo de modulación puede extenderse a al menos 20 m seg, lo cual corresponde a 50 Hz de frecuencia de conmutación. Así, a medida que disminuye la energía generada, el convertidor 10 puede continuar la operación a través de un rango de operación más amplio para incrementar la cantidad de energía transferida al bus CD 12. Se contempla que aún pueden utilizarse otros métodos de operación durante la baja generación de energía sin desviarse del alcance de la invención.
Sin embargo, aunque puede extenderse el rango de operación del primer convertidor de energía 10, no puede extenderse el rango de operación del segundo convertidor de energía 60 a fin de cumplir con los límites requeridos de la distorsión armónica total. Consecuentemente, el dispositivo de almacenamiento de energía 18 se utiliza para almacenar la energía transferida al bus CD 12 mientras el primer convertidor de energía 10 se encuentra operando y el segundo convertidor de energía 60 se deshabilita. El nivel de energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía 18 se mide por ejemplo, por un sensor de voltaje que genera una señal que corresponde al nivel de voltaje presente en el dispositivo de almacenamiento de energía 18. Cuando la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento 18 alcanza un nivel adecuado, se habilita el segundo convertidor de energía 60 para transferir la energía almacenada a la carga 4. Si la fuente de energía 6 continúa generando energía a una tasa menor que la tasa a la cual el segundo convertidor de energía 60 transfiere energía a la carga 4, la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía 18 se transfiere de regreso al bus CD 12 de tal manera que un nivel de energía suficiente se encuentra presente en el bus CD 12 para que opere el segundo convertidor de energía 60. El segundo convertidor de energía 60 puede continuar operando hasta que se agote el dispositivo de almacenamiento de energía 18 y ya no sea capaz de suministrar la energía generada por la fuente 6. En este punto, disminuye la tasa de la energía transferida desde el bus CD 12 a la carga 4 hasta que el segundo convertidor de energía 60 alcanza el nivel mínimo al cual se configura para operar y finalmente deshabilitarse.
Consecuentemente, durante periodos de baja generación de energía por la fuente de energía 6, puede deshabilitarse el segundo convertidor de energía 60 y el dispositivo de almacenamiento 18 opera para extraer la energía del bus CD 12 hacia el dispositivo de almacenamiento 18. Cuando el dispositivo de almacenamiento 18 ha almacenado un nivel suficiente de energía de tal manera que el segundo convertidor de energía 60 puede operar a un nivel de eficiencia deseado, se habilita el segundo convertidor de energía 60. Así, durante periodos de baja generación de energía por la fuente de energía 6, el sistema de conversión de energía captura continuamente la energía generada por la fuente de energía 6 y la suministra en ráfagas hacia la carga eléctrica 4.
Debe entenderse que la invención no se limita en su aplicación a los detalles de construcción y arreglos de los componentes establecidos en la presente. La invención es capaz de otras modalidades y de practicarse o llevarse acabo en diversas formas. 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 dibujos. Todas estas diferentes combinaciones constituyen diversos aspectos alternativos de la presente invención. Las modalidades descritas en la presente explican los mejores modos conocidos para practicar la invención y permitirá que otros expertos en la materia utilicen la invención.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de conversión de energía, que comprende: un primer convertidor de energía que tiene una entrada y una salida, en donde el primer convertidor de energía se configura para recibir energía eléctrica en una primera forma en la entrada y proporcionar un voltaje CD a una magnitud predefinida en la salida; un segundo convertidor de energía que tiene una entrada y una salida, en donde el segundo convertidor de energía se configura para recibir el voltaje CD a la magnitud predefinida a la entrada y proporcionar una voltaje CA a la salida; un bus CD conectado entre la salida del primer convertidor de energía y la entrada del segundo convertidor de energía, estando configurado el bus CD para conducir el voltaje CD a la magnitud predefinida; y un dispositivo de almacenamiento de energía conectado operativamente al bus CD, en donde: el segundo convertidor de energía tiene un primer umbral por debajo del cual detiene la conversión del voltaje CD al voltaje CA y un segundo umbral por arriba del cual inicia la conversión del voltaje CD al voltaje CA; el primer convertidor de energía se configura para convertir la energía eléctrica en la entrada al voltaje CD por debajo del primer umbral del segundo convertidor de energía; y el dispositivo de almacenamiento de energía se configura para almacenar energía eléctrica cuando el primer convertidor de energía se encuentra operando y el segundo convertidor de energía no se encuentra operando.
2. El sistema de conversión de energía de la reivindicación 1, que comprende además un convertidor CD a CD conectado operativamente entre el bus CD y el dispositivo de almacenamiento de energía.
3. El sistema de conversión de energía de la reivindicación 2, en donde el dispositivo de almacenamiento de energía es un ultra-capacitor.
4. El sistema de conversión de energía de la reivindicación 2, en donde el dispositivo de almacenamiento de energía es una batería.
5. El sistema de conversión de energía de la reivindicación 2, que comprende además un sensor que genera una señal de retroalimentación que corresponde a un estado de carga presente en el dispositivo de almacenamiento de energía, en donde: el segundo convertidor de energía recibe la señal de retroalimentación y compara la señal de retroalimentación con el segundo umbral para controlar la operación del segundo convertidor de energía.
6. El sistema de conversión de energía de la reivindicación 1, en donde el primer convertidor de energía incluye: una pluralidad de conmutadores que conectan selectivamente la entrada a la salida de acuerdo con una pluralidad de señales de control, correspondiendo cada señal de control a uno de la pluralidad de conmutadores, y un controlador que genera las señales de control para convertir la energía eléctrica en la entrada del voltaje CD en un primer modo y en un segundo modo, y en donde cada conmutador tiene una pérdida de conmutación asociada con la conexión selectiva de la entrada con la salida, el controlador opera en el primer modo por arriba de un tercer umbral, en donde el tercer umbral es igual o mayor a las pérdidas de conmutación generadas por los conmutadores en el primer modo, y el controlador opera en el segundo modo por debajo del tercer umbral.
7. Un método para controlar la transferencia de energía desde una fuente de energía renovable hacia una carga eléctrica utilizando un primer convertidor de energía y un segundo convertidor de energía, y en donde el primero y segundo convertidores de energía se conectan a través de un bus CD y en donde la fuente de energía renovable tiene una capacidad de generación de energía variable, comprendiendo el método las etapas de: ejecutar un módulo de control en el primer convertidor de energía para transferir la energía generada por la fuente de energía renovable hacia el bus CD; almacenar al menos una porción de la energía proveniente del bus CD en un dispositivo de almacenamiento de energía; medir la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía; ejecutar un módulo de control sobre el segundo convertidor de energía para transferir energía desde el bus CD a una de una de una carga eléctrica y una red de energía; y medir la tasa de transferencia de energía desde el bus CD en donde: la etapa de ejecutar el módulo de control sobre el segundo convertidor de energía para transferir energía desde el bus CD hacia una de la carga eléctrica y la red de energía se deshabilita cuando la tasa de transferencia de energía desde el bus CD cae por debajo de un primer umbral, y la etapa de ejecutar el módulo de control sobre el segundo convertidor de energía para transferir energía desde el bus CD a una de la carga eléctrica y la red de energía se habilita cuando la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento de energía excede un segundo umbral.
8. El método de la reivindicación 7, en donde la etapa de almacenar al menos una porción de la energía proveniente del bus CD en el dispositivo de almacenamiento de energía comprende además las etapas de: medir una amplitud del voltaje presente en el bus CD; ejecutar un módulo de control en un tercer convertidor de energía conectado entre el bus CD y el dispositivo de almacenamiento de energía para transferir energía entre el bus CD y el dispositivo de almacenamiento de energía como una función de la amplitud del voltaje presente en el bus CD.
9. El método de la reivindicación 8, en donde el dispositivo de almacenamiento de energía es un ultra-capacitor.
10. El método de la reivindicación 8, en donde el dispositivo de almacenamiento de energía es una batería.
11. El método de la reivindicación 7, en donde la etapa de ejecutar el módulo de control en el primer convertidor de energía para transferir la energía generada por la fuente de energía renovable hacia el bus CD se deshabilita cuando la tasa de transferencia de energía desde la fuente de energía renovable hacia el bus CD cae por debajo de un tercer umbral y en donde el tercer umbral es menor al primer umbral.
12. Un sistema de conversión de energía que comprende: un primer convertidor de energía que tiene una entrada y una salida, en donde el primer convertidor de energía se configura para recibir energía eléctrica en una primera forma en la entrada y proporcionar un voltaje CD a una magnitud predeterminada en la salida; un segundo convertidor de energía que tiene una entrada y una salida, en donde el segundo convertidor de energía se configura para recibir el voltaje CD a la magnitud predefinida a la entrada y proporcionar un voltaje CA en la salida; un bus CD conectado entre la salida del primer convertidor de energía y la entrada del segundo convertidor de energía, estando configurado el bus CD para conducir el voltaje CD a la magnitud predefinida; un tercer convertidor de energía que tiene una entrada y una salida, en donde la entrada se conecta al bus CD y el tercer convertidor de energía se configura para convertir el voltaje CD en la entrada a un segundo voltaje CD en la salida y se configura además para transferir energía bidireccional entre la entrada y la salida; un dispositivo de almacenamiento de energía conectado operativamente a la salida del tercer convertidor de energía; y un sensor que genera una señal que corresponde a una magnitud de la energía presente en el dispositivo de almacenamiento de energía, en donde: el segundo convertidor de energía detiene la conversión del voltaje CD al voltaje CA cuando la tasa de transferencia de energía en el segundo convertidor de energía cae por debajo de un primer umbral y el segundo convertidor de energía inicia la conversión del voltaje CD al voltaje CA cuando la señal correspondiente a la magnitud de la energía presente en el dispositivo de almacenamiento de energía es igual o mayor a la del segundo umbral; el primer convertidor de energía detiene la conversión de la energía eléctrica desde la entrada al voltaje CD cuando la tasa de transferencia de energía en el primer convertidor de energía cae por debajo de un tercer umbral y en donde el tercer umbral es menor al primer umbral; y el dispositivo de almacenamiento de energía se configura para almacenar energía eléctrica cuando el primer convertidor de energía se encuentra operando y el segundo convertidor de energía no se encuentra operando.
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