WO2012035175A1 - Método de control para puesta en paralelo de convertidores cc/ca - Google Patents

Método de control para puesta en paralelo de convertidores cc/ca Download PDF

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Julián Balda Belzunegui
Carlos GIRONÉS REMÍREZ
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention has its main field of application in the industry for the design of electronic devices and, more particularly, for those conceived within the sector of power systems for photovoltaic solar energy conversion.
  • the invention could also be applicable in other fields such as wind generation, power generation by electrochemical cells or other devices that provide continuous energy.
  • the object of the invention is to provide a control method for parallel setting of DC / AC conversion structures, which stands out primarily for minimizing electromagnetic compatibility (EMC) problems and electrical hazards for both people and components of the installation.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the photovoltaic grid connection installations consist of a set of photovoltaic panels (photovoltaic generator) and an electronic DC / AC converter, also called an inverter, which conditions the energy produced by the panels and injects it into the electricity grid.
  • this type of facility has included a Low frequency transformer between the converter and the mains. Said transformer provides galvanic isolation between the installation and the network. In addition, this transformer can be used to raise the output voltage of the converter.
  • the converter consists of power transistors that switch at high frequency to convert the direct current provided by the photovoltaic generator into alternating current that is injected into the power grid. This switching generates a variable voltage between the active parts and ground. This voltage is called common mode voltage (VMC) -
  • the photovoltaic generator has a parasitic capacity between the active terminals (positive and negative) and ground (CPV), said parasitic capacity being proportional to the surface and, therefore, to the power of the generator.
  • the transformer has a parasitic capacity between the primary and secondary windings (C T ). The complete system can be reduced to a simplified equivalent in common mode shown in Figure 1 b.
  • high-power installations consist of a set of DC / AC converters, each with its transformer and its photovoltaic generator, working in parallel to the same network, as shown in Figure 2a. Under these conditions, the complete system can be reduced to its simplified equivalent in common mode, shown in Figure 2b.
  • An existing solution to improve performance and reduce installation costs is to eliminate the transformer associated with each of the DC / AC converters, replacing it with a single transformer for the entire installation, as shown in Figure 3a, using an isolated earth connection (IT) scheme in the part of the DC / AC converters.
  • IT isolated earth connection
  • EMC electromagnetic
  • transformerless converters which employ modulation techniques to eliminate high frequency voltage variations between the input terminals and the ground.
  • these converters have a lower performance and technical difficulties to reach high powers.
  • the proposed invention resolves the aforementioned drawbacks by providing a control method for multi-converter systems in which all converters are connected to a single transformer with a single primary winding.
  • the method of the present invention stands out fundamentally for controlling the common mode voltage generated by the different converters so that said voltage falls fundamentally on the transformer.
  • the voltages of the input terminals of the continuous voltage source, with respect to the ground remain constant, eliminating problems of isolation of the photovoltaic generator, risk for people and EMC problems.
  • a robust system is thus achieved, which It allows to reduce the cost and improve the performance compared to other proposals of the prior art.
  • the control method described here matches the common mode voltages generated by the different converters, so that, since the capacity of the transformer is much lower than that of the photovoltaic generator, the common mode voltage generated by the converters drops mostly in the transformer.
  • the DC source may be a photovoltaic generator, a wind generator with DC output, a power generation device by electrochemical cells or other devices that provide continuous energy.
  • the common mode voltage is associated with the switching of the power transistors of the DC / AC converters.
  • One method for generating such commutations is, for example, to use pulse width modulation (PWM pulse width modulation). This method is based on the comparison of a modulating signal (the one that contains information) with a carrier signal, determining the power orders of the transistors based on the instantaneous values of both signals.
  • PWM pulse width modulation pulse width modulation
  • the proposed method uses a single carrier signal.
  • a second preferred embodiment applies to systems where it is not possible to use the same carrier signal for all converters.
  • the proposed method implements a system, which in a preferred embodiment is an auxiliary device, which matches the different carrier signals of the different converters.
  • the control method of the present invention is applicable both in systems in which the field of direct current generation is independent in each converter or shared by several converters.
  • the DC sources may be connected to ground at one of their points or they may be in floating configuration with respect to ground.
  • Figure 1a Shows a scheme of a photovoltaic installation according to the state of the art.
  • Figure 1 b.- Shows a simplified equivalent scheme in common mode of a photovoltaic installation according to the state of the art.
  • Figure 2a It shows a scheme of a photovoltaic installation formed by a set of converters with transformers with independent galvanic isolation according to the state of the art.
  • Figure 2b. Shows a simplified equivalent scheme in common mode of a photovoltaic installation consisting of a set of converters with transformers with independent galvanic isolation according to the state of the art.
  • Figure 3a. Shows a scheme of a photovoltaic installation formed by a set of converters connected to a single transformer according to the state of the art.
  • Figure 3b Shows a simplified equivalent scheme in common mode of a photovoltaic installation consisting of a set of converters connected to a single transformer according to the state of the art.
  • Figure 4.- It shows a scheme of a photovoltaic installation formed by a set of converters connected to a single transformer with several primaries according to the state of the art.
  • Figure 5a It shows a scheme of a photovoltaic installation formed by a set of converters connected to a single transformer with a single photovoltaic generator according to the invention.
  • Figure 5b Shows a scheme of a photovoltaic installation formed by a set of converters connected to a single transformer in which each converter is connected to a photovoltaic generator according to the invention.
  • Figure 5a shows a photovoltaic system formed by a set of DC / AC converters (1 .1 - 1 n) connected to a single transformer (2) and a single DC source (3), such as a photovoltaic generator.
  • the invention incorporates an auxiliary equipment (4) that allows to equalize the common mode voltages generated by the different DC / AC converters (1 - 1 n) so that these voltages fundamentally fall into the transformer (2).
  • the DC / AC converters (1 .1 - 1 n) are controlled by pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the carrier signals of all the DC / AC converters (1.1 - 1 n) are matched by the auxiliary equipment (4) mentioned above, which generates a control signal and transmits it to the different DC / AC converters (1.1 - 1 n).
  • control signal is generated in a DC / AC converter (1 - 1 n) and is transmitted to the other DC / AC converters (1 - 1 n).
  • a single triangular or carrier signal is used in all DC / AC converters (1.1-1 n), said carrier signal is generated in a DC / AC converter (1.1-1 n) and transmitted to the other DC / AC converters (1 .1 - 1 n)).

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Abstract

Método de control para sistemas multi-convertidor en el que todos los convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) se conectan a un único transformador (2) con un único devanado primario. El método de la presente invención destaca fundamentalmente por controlar la tensión de modo común generada por los diferentes convertidores CC/CA (1.1. - 1.n) para que dicha tensión caiga fundamentalmente en el transformador (2).

Description

MÉTODO DE CONTROL PARA PUESTA EN PARALELO DE
CONVERTIDORES CC/CA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene su principal campo de aplicación en la industria destinada al diseño de dispositivos electrónicos y, más particularmente, a los concebidos dentro del sector de los sistemas de potencia para conversión de energía solar fotovoltaica. La invención también podría ser aplicable en otros campos como la generación eólica, generación de energía mediante células electroquímicas u otros dispositivos que proporcionen una energía continua.
El objeto de la invención es proporcionar un método de control para puesta en paralelo de estructuras de conversión CC/CA, que destaca fundamentalmente por minimizar los problemas de compatibilidad electromagnética (CEM) y los riesgos eléctricos tanto para las personas como para los componentes de la instalación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las instalaciones fotovoltaicas de conexión a red están formadas por un conjunto de paneles fotovoltaicos (generador fotovoltaico) y un convertidor electrónico CC/CA, también denominado inversor, que acondiciona la energía producida por los paneles y la inyecta a la red eléctrica.
Tradicionalmente, en este tipo de instalaciones se ha incluido un transformador de baja frecuencia entre el convertidor y la red eléctrica. Dicho transformador proporciona un aislamiento galvánico entre la instalación y la red. Además, este transformador puede utilizarse para elevar la tensión de salida del convertidor.
El convertidor está constituido por transistores de potencia que conmutan a alta frecuencia para convertir la corriente continua proporcionada por el generador fotovoltaico en corriente alterna que se inyecta a la red eléctrica. Esta conmutación genera una tensión variable entre las partes activas y tierra. A dicha tensión se denomina tensión de modo común (VMC)-
Como se puede apreciar en la Figura 1a, el generador fotovoltaico presenta una capacidad parásita entre los terminales activos (positivo y negativo) y tierra (CPV), siendo dicha capacidad parásita proporcional a la superficie y, por tanto, a la potencia del generador. Por otro lado, el transformador presenta una capacidad parásita entre los devanados primario y secundario (CT). El sistema completo puede reducirse a un equivalente simplificado en modo común mostrado en la Figura 1 b.
Dado que la capacidad del transformador es mucho menor que la del generador fotovoltaico, la tensión de modo común generada por el convertidor cae en su mayor parte en el transformador, por lo que se eliminan las variaciones de tensión en alta frecuencia entre los terminales de entrada y la tierra. Sin embargo, los transformadores de baja frecuencia presentan varios inconvenientes, como por ejemplo:
- Gran tamaño
- Gran peso
- Aumento considerable del precio de la instalación
- Reducción del rendimiento del sistema
Generalmente, las instalaciones de gran potencia están formadas por un conjunto de convertidores CC/AC, cada uno de ellos con su transformador y su generador fotovoltaico, trabajando en paralelo a la misma red, tal y como se muestra en la Figura 2a. En estas condiciones, el sistema completo puede reducirse a su equivalente simplificado en modo común, mostrado en la Figura 2b.
Como se puede apreciar, el comportamiento del sistema en modo común se puede estudiar como si se tratase de convertidores CC/AC independientes. Por tanto, en todos ellos la tensión en modo común es soportada por cada transformador, por lo que se eliminan las variaciones de tensión en alta frecuencia entre los terminales de entrada del generador fotovoltaico y la tierra.
Una solución existente actualmente para mejorar el rendimiento y reducir los costes de la instalación, es eliminar el transformador asociado a cada uno de los convertidores CC/AC, sustituyéndolo por un único transformador para toda la instalación, tal y como muestra la Figura 3a, utilizando un esquema de conexión aislada de tierra (IT) en la parte de los convertidores CC/AC. Este tipo de instalaciones mejora las prestaciones de eficiencia de la instalación y reduce el coste de la misma, sin embargo, al eliminar los transformadores asociados a cada convertidor, se presenta un nuevo circuito en modo común, conectándose todos los convertidores CC/AC a un mismo punto equivalente, quedando el esquema simplificado de la Figura 3b.
En este tipo de instalaciones pueden aparecer variaciones no deseadas de tensión en alta frecuencia entre los terminales de entrada y la tierra si las tensiones de modo común de los diferentes convertidores CC/AC no son iguales. La aparición de variaciones de tensión en alta frecuencia entre los terminales de entrada y la tierra pueden dañar el aislamiento del generador fotovoltaico, suponiendo un riesgo para las personas. Además la aparición de estas tensiones genera problemas de compatibilidad electromagnética (CEM).
Una alternativa para solucionar este problema es utilizar un transformador con varios devanados primarios a los que se conectan cada uno de los convertidores y un único secundario conectado a la red, tal y como se muestra en la Figura 4. En este caso, el efecto en lo relativo a variación de tensión en alta frecuencia entre los terminales de entrada y la tierra es similar a colocar transformadores independientes en serie con cada uno de los convertidores. Sin embargo, este tipo de transformadores no son convencionales, resultan difíciles de fabricar y son más costosos.
Otra alternativa es el uso de convertidores sin transformador, que emplean técnicas de modulación para eliminar las variaciones de tensión en alta frecuencia entre los terminales de entrada y la tierra. Sin embargo, estos convertidores presentan un rendimiento inferior y dificultades técnicas para llegar a altas potencias.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención propuesta resuelve los inconvenientes anteriormente citados proporcionando un método de control para sistemas multi-convertidor en el que todos los convertidores se conectan a un único transformador con un único devanado primario.
El método de la presente invención destaca fundamentalmente por controlar la tensión de modo común generada por los diferentes convertidores para que dicha tensión caiga fundamentalmente en el transformador. De esta manera las tensiones de los terminales de entrada de la fuente de tensión continua, respecto a tierra permanecen constantes, eliminando problemas de aislamiento del generador fotovoltaico, riesgo para las personas y problemas de CEM. Se consigue así un sistema robusto, que permite reducir el coste y mejorar el rendimiento frente a otras propuestas del estado de la técnica. Para ello, el método de control aquí descrito iguala las tensiones de modo común generadas por los distintos convertidores, de modo que, dado que la capacidad del transformador es mucho menor que la del generador fotovoltaico, la tensión de modo común generada por los convertidores cae en su mayor parte en el transformador.
Se ha previsto que la fuente de CC pueda ser un generador fotovoltaico, un generador eólico con salida en CC, un dispositivo de generación de energía mediante células electroquímicas u otros dispositivos que proporcionen energía continua.
Como se ha explicado anteriormente, la tensión de modo común está asociada a la conmutación de los transistores de potencia del convertidores CC/AC. Un método para la generación de dichas conmutaciones es, por ejemplo, utilizar la modulación de anchura de pulso (PWM pulse width modulation). Este método se basa en la comparación de una señal modulante (la que contiene información) con una señal portadora, determinando las órdenes de encendido de los transistores en función de los valores instantáneos de ambas señales.
Para igualar las tensiones de modo común generadas por los diferentes convertidores, el método propuesto utiliza una única señal portadora.
Una segunda realización preferente, aplica a sistemas donde no sea posible utilizar la misma señal portadora para todos los convertidores. En estos casos el método propuesto implementa un sistema, que en una realización preferida es un equipo auxiliar, que iguale las diferentes señales portadoras de los diferentes convertidores. El método de control de la presente invención es aplicable tanto en sistemas en los que el campo de generación de corriente continua sea independiente en cada convertidor o compartido por varios convertidores.
Asimismo, las fuentes de tensión continua pueden estar conectadas a tierra en uno de sus puntos o pueden estar en configuración flotante respecto a tierra.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1a.- Muestra un esquema de una instalación fotovoltaica según el estado de la técnica.
Figura 1 b.- Muestra un esquema equivalente simplificado en modo común de una instalación fotovoltaica según el estado de la técnica.
Figura 2a.- Muestra un esquema de una instalación fotovoltaica formado por un conjunto de convertidores con transformadores con aislamiento galvánico independiente según el estado de la técnica.
Figura 2b.- Muestra un esquema equivalente simplificado en modo común de una instalación fotovoltaica formado por un conjunto de convertidores con transformadores con aislamiento galvánico independiente según el estado de la técnica. Figura 3a.- Muestra un esquema de una instalación fotovoltaica formado por un conjunto de convertidores conectados a un único transformador según el estado de la técnica.
Figura 3b.- Muestra un esquema equivalente simplificado en modo común de una instalación fotovoltaica formado por un conjunto de convertidores conectados a un único transformador según el estado de la técnica.
Figura 4.- Muestra un esquema de una instalación fotovoltaica formada por un conjunto de convertidores conectados a un único transformador con varios primarios según el estado de la técnica.
Figura 5a.- Muestra un esquema de una instalación fotovoltaica formado por un conjunto de convertidores conectados a un único transformador con un único generador fotovoltaico según la invención.
Figura 5b.- Muestra un esquema de una instalación fotovoltaica formado por un conjunto de convertidores conectados a un único transformador en el que cada convertidor se conecta a un generador fotovoltaico según la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Seguidamente se realiza una descripción de ejemplos de la invención, con referencia a las figuras anteriormente descritas.
En la figura 5a se representa una instalación fotovoltaica formada por un conjunto de convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n) conectados a un único transformador (2) y a una única fuente de CC (3), tal como un generador fotovoltaico. La invención incorpora un equipo auxiliar (4) que permite igualar las tensiones en modo común generadas por los diferentes convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n) para que dichas tensiones caigan fundamentalmente en el transformador (2).
Los convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n) se controlan a través de la modulación de anchura de pulso (PWM). Para igualar las tensiones en modo común generadas por los convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n) se igualan las señales portadoras de todos los convertidores CC/CA (1.1 - 1 n) mediante el equipo auxiliar (4) arriba citado, el cual genera una señal de control y la transmite a los diferentes convertidores CC/CA (1.1 - 1 n).
En otra realización preferida, la señal de control se genera en un convertidor CC/CA (1 .1 — 1 n) y es transmitida a los demás convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n).
En otra realización preferida de la invención, se utiliza una única triangular o señal portadora en todos los convertidores CC/CA (1.1 - 1 n), dicha señal portadora es generada en un convertidor CC/CA (1.1 — 1 n) y transmitida a los otros convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n)).
Por otra parte, en la figura 5b se puede observar otra posible realización preferente, en la que los convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) se encuentran conectados a varias fuentes de CC (3.1 - 3.n).

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) en instalaciones de conversión de energía que comprenden:
- al menos una fuente de CC (3),
- al menos dos convertidores CC/CA (1.1 - 1.n), conectados a al menos una fuente de CC (3), que convierten la energía continua procedente de la fuente de CC (3) en energía alterna, y
- un transformador (2) dotado de un devanado primario al cual se encuentran conectados al menos dos convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) y cuyo devanado secundario está conectado a la red eléctrica en la cual inyecta finalmente la energía alterna, caracterizado porque comprende actuar sobre las tensiones de modo común generadas por los convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) de forma que dichas tensiones caigan fundamentalmente en el transformador (2).
2. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 1 caracterizado porque se igualan las tensiones de modo común generadas por los convertidores CC/CA (1.1 - 1.n).
3. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 2 caracterizado porque los convertidores (1.1 - 1.n) emplean una modulación de ancho de pulso (PWM).
4. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 3 caracterizado porque los convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) emplean un única señal portadora para igualar sus tensiones de modo común.
5. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 4 caracterizado porque la señal portadora es generada en un convertidor CC/CA (1.1 - 1.n) y transmitida a los otros convertidores CC/CA (1 .1 - 1 n)).
6. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1 .1. - 1.n.) según reivindicación 3 en el que las señales portadoras de los convertidores CC/CA (1.1. - 1.n) se igualan mediante un sistema conectado a dichos convertidores CC/CA (1.1. - 1.n).
7. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 6 caracterizado porque el sistema mediante el que se igualan las señales portadoras de los convertidores CC/CA (1.1. - 1.n.) se basa en una señal de control transmitida a las diferentes unidades de control de los convertidores CC/CA (1.1. - 1.n.).
8. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 7 caracterizado porque la señal de control se genera en un convertidor CC/CA (1 .1 - 1.n).
9. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 7, donde la señal de control se distribuye por un medio físico seleccionado entre fibra óptica, cable de cobre par trenzado o un sistema de comunicaciones.
10. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según reivindicación 1 donde el devanado primario del transformador (2) genera una red aislada de tierra a la que se conectan los diferentes convertidores CC/CA (1.1 - 1.n).
11. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA según reivindicación 1 , en la que el convertidor CC/CA (1.1 - 1.n) no tiene aislamiento galvánico.
12. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según cualquiera de las reivindicaciones, en el que cada convertidor CC/CA (1.1 - 1.n) se conecta a una fuente CC independiente (3.1 - 3.n).
13. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según cualquiera de las reivindicaciones, en el que varios convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) se conectan en paralelo con una única fuente CC (3).
14. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) según cualquiera de las reivindicaciones, en el que la fuente CC (3) se selecciona entre un generador fotovoltaico, generador eólico con salida en CC, generación de energía mediante células electroquímicas u otros dispositivos que proporcionen una energía continua.
15. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) en el que la fuente CC (3) se encuentra aislada de tierra.
16. - Método de control para puesta en paralelo de convertidores CC/CA (1.1 - 1.n) en el que la fuente CC (3) se encuentra unida a tierra en uno de sus polos.
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