ES2875325T3

ES2875325T3 - Sistema de conversión de energía de CC a CA

Info

Publication number: ES2875325T3
Application number: ES10163468T
Authority: ES
Inventors: Sumit Bose; Ralph Teichmann; Kathleen Ann O'brien
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: EP2256918A2; US8427010B2; AU2010202115A1; US20100141041A1; EP2256918B1; AU2010202115B2; EP2256918A3

Abstract

Un sistema (10) que comprende: un convertidor de energía fotovoltaica (14) que comprende: una o más matrices fotovoltaicas (12) configuradas para convertir la energía solar en una señal de CC (109); y al menos un convertidor de N niveles de CC a CA (114), caracterizado por un convertidor de potencia de múltiples etapas (14) acoplado a un bus de CC (29) común, y que comprende: un primer convertidor de N niveles de CC a CC (110) configurado para aumentar la señal de CC desde una o más matrices fotovoltaicas (12) desde un primer voltaje de CC (109) hasta un segundo voltaje de CC (111); un segundo convertidor de N niveles de CC a CC (130) acoplado al bus de CC (112) común y a un dispositivo de almacenamiento de energía (132); en donde N es un número entero mayor que dos, y el al menos un convertidor de N niveles de CC a CA (114) acoplado al primer convertidor de N niveles de CC a CC y al segundo convertidor de N niveles de CC a CC, en donde el al menos un convertidor de N niveles de CC a CA (112) está configurado para convertir el segundo voltaje de CC (111) en una señal de CA (116); y en donde el primer convertidor de CC a CC (110) está configurado además para transmitir el segundo voltaje de CC (111) al convertidor de N niveles de CC a CA (114) a través del bus de CC (112) común; y en donde el dispositivo de almacenamiento de energía (132) está configurado para almacenar o generar energía dependiendo al menos parcialmente de la demanda de energía de una carga (24) acoplada al convertidor de N niveles de CC a CA (114).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de conversión de energía de CC a CA

La materia descrita en la presente memoria se refiere generalmente a sistemas de conversión de energía y, más particularmente, a sistemas de conversión de energía fotovoltaica.

La demanda de fuentes de energía renovables alternativas atractivas y prácticas para generar energía eléctrica ha seguido aumentando constantemente debido, al menos en parte, a las crecientes preocupaciones ambientales. Por ejemplo, algunos sistemas de energía utilizan matrices fotovoltaicas para procesar energía solar (por ejemplo, luz solar) en una forma eléctrica estándar y utilizable. Típicamente, los costos de integración del sistema generalmente disminuyen a medida que aumentan los voltajes del sistema, particularmente para aplicaciones de mayor escala en el rango de megavatios. Desafortunadamente, los convertidores de energía fotovoltaica existentes están limitados en el voltaje de salida y/o son relativamente ineficientes para su uso en sistemas de voltaje más alto, lo que afecta negativamente la eficiencia general del sistema. Como resultado, los convertidores de energía fotovoltaica existentes no son adecuados para matrices fotovoltaicas a gran escala.

El documento US 2005/0139259 A1 describe un sistema fotovoltaico sin transformador que puede beneficiarse de topologías de inversor más adecuadas para técnicas de cancelación de corriente de rizado y que comprende una matriz fotovoltaica conectada a un bus de CC y dos inversores de tres niveles conectados al bus de CC. El sistema puede combinar módulos básicos de topologías de inversor sencillas para cumplir los requisitos de aplicaciones de potencia más alta y puede comprender una matriz fotovoltaica bipolar y un inversor de puente completo acoplado eléctricamente a la matriz fotovoltaica bipolar.

La invención está definida por la reivindicación adjunta. En lo que sigue, cualquier método/aparato al que se haga referencia como realizaciones pero que, sin embargo, no caiga dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, deben entenderse como ejemplos útiles para comprender la invención.

Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en donde:

la Figura 1 es un diagrama de bloques simplificado de un sistema de energía fotovoltaica, según una realización de la presente invención;

la Figura 2 es un diagrama de bloques simplificado que muestra una realización de un sistema de energía fotovoltaica que tiene una pluralidad de convertidores multinivel de CC a CA;

la Figura 3 es un diagrama de circuito esquemático que ilustra un convertidor de tres niveles sujeto a punto neutro, según una realización de la presente técnica;

la Figura 4 es un diagrama de circuito esquemático que ilustra un convertidor activo de tres niveles sujeto a punto neutro, según una realización de la presente técnica;

la Figura 5 es un diagrama de circuito simplificado que muestra una realización adicional de un sistema de energía fotovoltaica que tiene una pluralidad de convertidores multinivel de CC a CA;

la Figura 6 es un diagrama de circuito simplificado que muestra otra realización de un sistema de energía fotovoltaica que tiene una pluralidad de convertidores multinivel de CC a CA;

la Figura 7 es un diagrama de circuito simplificado que muestra una realización de un sistema de energía fotovoltaica de dos etapas;

la Figura 8 es un diagrama de circuito simplificado que muestra otra realización de un sistema de energía fotovoltaica de dos etapas que incluye controladores de energía distribuida; y

la Figura 9 es un diagrama de circuito simplificado que muestra una realización de un sistema de energía fotovoltaica de tres etapas.

La presente descripción se refiere en general a sistemas de energía fotovoltaica. En particular, varias realizaciones de la presente invención proporcionan un sistema de energía fotovoltaica que utiliza convertidores multinivel que tienen al menos un diseño de tres niveles, en lugar de un diseño de convertidor de dos niveles. En contraste con las realizaciones discutidas, los sistemas de energía fotovoltaica con un convertidor de CC a CA de dos niveles están configurados para producir una forma de onda de salida de CA utilizando modulación de ancho de pulso (PWM) con solo dos niveles de voltaje, lo que puede dar como resultado un nivel más alto de distorsión en el voltaje y la corriente de salida de CA a menos que se tomen medidas correctivas. Además, los diseños de dos niveles también pueden exhibir una mayor distorsión armónica total en comparación con los convertidores multinivel que utilizan diseños de tres niveles o más. Además, los diseños de convertidores multinivel generalmente ejercen una tensión de voltaje más baja (en comparación con los diseños de dos niveles) en los devanados de los equipos de conversión electromagnética, tales como los transformadores.

Teniendo en cuenta lo anterior, debería entenderse que un convertidor multinivel que tiene al menos un diseño de tres niveles o más alto puede denominarse en la presente descripción un "convertidor de N niveles", en donde N es un número entero mayor o igual que tres. Por ejemplo, un "convertidor de N niveles" puede ser un convertidor que tiene una configuración de tres niveles, una configuración de cuatro niveles, una configuración de cinco niveles, una configuración de seis niveles o más. Además, debería entenderse que los términos "aguas abajo" y "aguas arriba", como se usan en la presente memoria, generalmente se refieren a la dirección del flujo de corriente dentro de un circuito. Es decir, una dirección aguas abajo puede referirse a la dirección del flujo de corriente, y una dirección aguas arriba puede referirse a una dirección opuesta al flujo de corriente.

Como se discutirá a continuación, los sistemas de energía fotovoltaica, según las realizaciones de la presente invención, generalmente incluyen una o más fuentes fotovoltaicas configuradas para convertir la energía solar (por ejemplo, la luz solar) en energía de CC. Usando una disposición de uno o más convertidores de nivel N, la salida de potencia de CC de la fuente o fuentes fotovoltaicas se puede convertir en energía de CA, que luego se puede usar para impulsar una carga. En aplicaciones donde el sistema fotovoltaico está conectado a una red eléctrica, la salida de energía de CA de los convertidores de N niveles puede suministrarse a la red eléctrica.

Como se apreciará, el uso de convertidores de N niveles (que tienen tres o más niveles) puede ofrecer varias ventajas en comparación con los diseños de dos niveles. Por ejemplo, los convertidores de N niveles pueden tener eficiencias de carga parcial y total más altas, especialmente a frecuencias de conmutación de convertidor más altas. Además, los convertidores de N niveles generalmente proporcionan un rendimiento armónico mejorado y pérdidas de conmutación de semiconductores reducidas. Por ejemplo, las pérdidas de conmutación en un diseño de convertidor de tres niveles pueden reducirse entre un 10 y un 50 por ciento en comparación con un convertidor de dos niveles. Como tal, los inversores de N niveles utilizan menos refrigeración que los diseños de convertidores de dos niveles. Estas y otras características, aspectos y ventajas de las técnicas descritas actualmente se discutirán a continuación con referencia a las Figuras 1-7.

Haciendo referencia primero a la Figura 1, se ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema de energía fotovoltaica 10 que puede incorporar uno o más aspectos de las técnicas descritas actualmente. El sistema de energía 10 puede incluir una o más matrices fotovoltaicas (PV) 12, circuitos de conversión de energía 14 y circuitos de filtrado 16. Las matrices fotovoltaicas 12, que también pueden denominarse matrices solares, pueden incluir cualquier tipo adecuado de fuente de energía fotovoltaica. Por ejemplo, la matriz o matrices fotovoltaicas 12 pueden incluir uno o más paneles que tienen un conjunto en red de células fotovoltaicas o "solares". Las células solares generalmente están configuradas para convertir la energía solar en energía eléctrica de CC utilizando el efecto fotovoltaico. La circuitería de conversión de energía 14 puede recibir una señal de salida de energía de CC 18 procedente de la matriz o matrices fotovoltaicas 12. La circuitería de conversión de potencia 14 puede configurarse para convertir la señal de CC 18 en potencia de CA, como se indica con el número de referencia 20. A modo de ejemplo, dependiendo de la configuración de los circuitos de conversión de energía 14, la señal de energía de CC 18 puede convertirse en energía de CA monofásica o en energía de CA trifásica.

Como se muestra, la salida de energía de CA de los circuitos de conversión de energía 14 puede suministrarse a una red eléctrica de CA 24. En la realización ilustrada, los circuitos de filtrado 16 puede filtrar la salida de energía de CA 20, tal como suavizando la forma de onda de CA, para producir una forma de onda de CA filtrada 22. La forma de onda de CA filtrada 22 se puede suministrar entonces a la red eléctrica de CA 24. Si bien la presente realización muestra que el sistema de energía 10 está conectado a la red, debería entenderse que, en otras realizaciones, el sistema de energía 10 puede acoplarse directamente a una carga de CA, tal como un motor, bomba, batería, vehículo o cualquier otro tipo de maquinaria accionada por CA. Además, aunque no se muestra en esta representación simplificada, algunas realizaciones del sistema de energía 10 pueden incluir un transformador acoplado entre los circuitos de filtrado 16 y la red eléctrica 24. A modo de ejemplo, el transformador puede configurarse para aumentar la salida de CA 22 a un nivel de voltaje más alto que sea compatible con la red eléctrica 24.

Los circuitos de conversión de energía 14 pueden ser controlados por un controlador 26. El controlador 26 puede incluir una lógica de control que defina uno o más algoritmos de control para regular la corriente CA y/o voltaje proporcionado a la red eléctrica de CA 24. Basado en los algoritmos de control aplicados, el controlador 26 puede proporcionar las señales de control 28 apropiadas a los circuitos de conversión de potencia 14. En una realización, el controlador 24 puede incluir lógica de control configurada usando una técnica de control de seguimiento de potencia de punto máximo (MPPT). Como se apreciará, el control de MPPT puede maximizar sustancialmente la potencia emitida desde la matriz o matrices fotovoltaicas 12. El controlador 26 puede incluir hardware o software, o alguna combinación de los mismos.

Como se discutió anteriormente, las realizaciones de la presente invención pueden utilizar una disposición de convertidores de N niveles (donde N es mayor o igual a 3) para convertir la energía de CC 18 extraída de la matriz o matrices fotovoltaicas 12 en energía de CA 20. Con referencia ahora a la Figura 2, se ilustra un diagrama de circuito simplificado que muestra una realización del sistema de energía fotovoltaica 10 que incluye circuitos de conversión de energía 14 que tienen dos convertidores de N niveles. El sistema de energía 10 incluye dos matrices fotovoltaicas 12a y 12b acopladas a los circuitos de conversión de energía 14 por medio de un bus de CC 29 y diodos de bloqueo 30 y 32. Por ejemplo, las matrices 12a y 12b están acopladas a los nodos 34 y 36, que pueden definir un lado positivo y negativo del bus de CC 29, respectivamente. Los circuitos de conversión de energía 14 pueden incluir condensadores 38 y 40 acoplados entre los nodos 34 y 36. En ciertas realizaciones, un nodo intermedio 42 entre los condensadores 38 y 40 puede proporcionar un punto de referencia neutro para los convertidores de N niveles 46 y 48, que puede obtenerse utilizando la división de voltaje de los condensadores 38 y 40. Además, como se muestra, los convertidores de N niveles 46 y 48 están dispuestos de una manera paralela, de modo que cada uno de ellos está acoplado al bus de CC 29 común y comparten los condensadores 38 y 40, así como el punto neutro 42. Según realizaciones de la presente invención, los convertidores de N niveles 46 y 48 pueden estar contenidos dentro de un solo recinto o carcasa.

Como se discutió anteriormente, cada uno de los convertidores de N niveles 46 y 48 puede configurarse para convertir una señal de CC 47 recibida a través del bus de CC 29 en energía de CA. Por ejemplo, el convertidor de N niveles 46 puede convertir la señal de CC 47 en la señal de potencia de CA 50, y el convertidor de N niveles 48 puede convertir la señal de CC 47 en la señal de potencia de Ca 52. Los convertidores de N niveles 46 y 48 puede ser controlados por la lógica de control 26 (Figura 1), que puede incluir algoritmos de control de MPPT. Los convertidores de N niveles 46 y 48 pueden proporcionarse utilizando una variedad de topologías de convertidor, tales como inversores sujetos a diodo (sujetos a punto neutro), convertidores de condensador volantes, convertidores sujetos a una sola rama o convertidores en cascada, por nombrar solo unos pocos. En la Figura 3 se muestra una realización de un convertidor multinivel sujeto a punto neutro, y se describirá con más detalle a continuación. Las salidas de los convertidores de N niveles 46 y 48 están acopladas a inductores 54 y 56, respectivamente, que pueden servir como elementos de filtrado para filtrar las señales de potencia de CA 50 y 52, respectivamente. Por tanto, con referencia a la Figura 1, los inductores 54 y 56 de la realización ilustrada actualmente pueden proporcionar colectivamente los circuitos de filtrado 16.

Las salidas de los circuitos de conversión de energía 14 se acoplan además a un transformador de tres devanados 58. El transformador 58 puede conectar las salidas de los circuitos de conversión de energía 14 a una carga de CA o a la red eléctrica de CA 24. Por ejemplo, como se muestra, la señal de salida de CA 50 del convertidor de N niveles 46 (que puede filtrarse a través del inductor 54) está acoplada a un primer devanado primario 60 del transformador 58, y la señal de salida de CA 52 (que puede filtrarse a través del inductor 56) está acoplada a un segundo devanado primario 62 del transformador 58. Un devanado secundario 64 del transformador 58 está acoplado a la red eléctrica de CA 24.

Como se entenderá, la inversión de un voltaje de entrada de CC particular puede no producir necesariamente un voltaje de CA de la magnitud correspondiente. Solo a modo de ejemplo, la conversión de CC a CA de un voltaje de entrada de 600 voltios de CC (VCC) puede producir un voltaje de CA de aproximadamente 300-400 voltios de CA (VCA). Por lo tanto, cuando una carga de CA o una red eléctrica de CA 24 requiere un voltaje de CA más alto que el que la salida de los circuitos de conversión de energía 14 es capaz de proporcionar, el transformador 58 puede aumentar el voltaje de CA proporcionado por los circuitos de conversión de energía 14 (por ejemplo, recibidos en los devanados primarios 60 y 62) y emitir el voltaje de CA 65 aumentado a través del devanado secundario 64, que luego se puede suministrar a la red eléctrica 24. Sin embargo, el tamaño y el costo de los circuitos del transformador son generalmente proporcionales a la cantidad de escalonamiento requerido y, por lo tanto, puede que no siempre sea una solución práctica dependiendo del costo y/o las limitaciones del factor de forma para una aplicación de energía en particular.

Otra solución para aumentar la salida de voltaje de CA del circuito convertidor 14 es proporcionar matrices fotovoltaicas 12 de voltaje más alto. Sin embargo, los rangos de voltaje de entrada aceptables para los sistemas de energía pueden estar limitados por ciertos estándares geográficos. Por ejemplo, el Código Eléctrico Nacional (NEC), que establece ciertos estándares eléctricos para los Estados Unidos, especifica que los equipos clasificados como equipos de "bajo voltaje" no deben exceder un diferencial de voltaje de 600 VCC con respecto a un punto de puesta a tierra. Para proporcionar otro ejemplo, los estándares en Europa y Asia (estándares IEC) pueden limitar el diferencial de voltaje de entrada a tierra para equipos de bajo voltaje a 1000 VCC. Por tanto, cualquier aumento en el voltaje de entrada de CC puede estar sujeto a un límite superior impuesto por uno o más estándares eléctricos regionales.

Haciendo referencia todavía a la Figura 2, las matrices fotovoltaicas 12a y 12b ilustradas se pueden acoplar a un punto central de puesta a tierra 66. En esta configuración, el lado negativo de la matriz fotovoltaica 12a y el lado positivo de la matriz fotovoltaica 12b se acoplan al punto central de tierra 66, por lo tanto "aislando" cada una de las matrices fotovoltaicas 12a y 12b. Esta configuración puede permitir un aumento en el voltaje de entrada de CC total 47 sin exceder un estándar regional particular. A modo de ejemplo, suponiendo que se aplique una limitación de estándar NEC de 600 VCC a tierra, cada una de las matrices fotovoltaicas 12a y 12b puede configurarse para proporcionar una salida de 600 VCC. Por lo tanto, el voltaje de carga abierta diferencial máximo puede ser tan alto como 1200 VCC. Sin embargo, debido a la disposición de puesta a tierra central ilustrada (nodo 66), el voltaje de CC de entrada a tierra con respecto a cada matriz fotovoltaica 12a y 12b no excede el límite NEC de 600 VCC para equipos de bajo voltaje. En otras palabras, la configuración de puesta a tierra central mostrada en la Figura 3 puede permitir que el voltaje de CC de entrada se duplique sin exceder el límite NEC para equipos de bajo voltaje. Esto permite que la configuración del sistema de energía ilustrada actualmente se use de manera flexible tanto con aplicaciones de bajo voltaje (por ejemplo, 600 voltios o menos según los estándares NEC) como aplicaciones de voltaje medio (por ejemplo, mayor que 600 voltios según los estándares NEC), mientras que se mantiene dentro de los límites de equipos de bajo voltaje prescritos (600 VCC). De manera similar, cuando se aplica el límite IEC de 1000 VCC a tierra, cada una de las matrices fotovoltaicas 12a y 12b pueden proporcionarse como fuentes fotovoltaicas de 1000 VCC. En tal aplicación, el sistema de energía 10 mostrado en la Figura 2 puede proporcionar un voltaje del sistema de hasta 2000 V mientras que se mantiene dentro de la clasificación de equipos de bajo voltaje definida por los estándares IEC. Es decir, el sistema de energía 10 mostrado en la Figura 2 puede proporcionar conectividad directa a una red de voltaje medio (por ejemplo, mayor que 600 V) sin exceder las limitaciones de voltaje de entrada de "equipos de bajo voltaje". Por lo tanto, las configuraciones actuales de convertidores de potencia de N niveles ofrecen varias mejoras, tales como en términos de eficiencia, costo, calidad de la red eléctrica y densidad de empaque, en comparación con los diseños de convertidores de dos niveles.

La disposición de puesta a tierra central descrita anteriormente puede usarse junto con un transformador (por ejemplo, 58) para proporcionar un nivel de voltaje de CA particular a la red eléctrica 24. En otras palabras, las realizaciones pueden incluir el punto de puesta a tierra central 66 sin el transformador 58, el transformador 58 sin el punto central de puesta a tierra 66 (y solo una única fuente fotovoltaica), o tanto el transformador 58 como el punto de puesta a tierra central 66 (como se muestra en la Figura 3). Además, debería tenerse en cuenta que la disposición de los dos convertidores de N niveles 46 y 48 en la forma paralela ilustrada puede proporcionar un funcionamiento redundante, por lo que el sistema de energía 10 puede continuar funcionando y entregar energía de CA a la red 24 incluso si uno de los convertidores de N niveles (46 o 48) falla o funciona mal. Alternativamente, el sistema de energía de la Figura 2 puede incluir solo un convertidor de N niveles o más de 2 convertidores de N niveles.

La Figura 3 muestra una realización del convertidor de N niveles 48 que puede implementarse en los circuitos de convertidor de potencia 14 mostrado en la Figura 2. El convertidor 48 ilustrado es un convertidor sujeto a punto neutro (NPC) de tres niveles. Como se muestra, el convertidor NPC de tres niveles 48 incluye los condensadores 38 y 40, terminales de salida de CA trifásicos 52, elementos de conmutación 68, 70, 72 y 74, y diodos 76. Los elementos de conmutación 68, 70, 72 y 74 pueden incluir cualquier tipo adecuado de dispositivos de conmutación, tales como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), rectificadores controlados de silicio (SCR) o tiristores de apagado de puerta (GTO), por nombrar solo unos pocos.

El convertidor NPC de tres niveles 48 ilustrado está configurado generalmente para proporcionar una forma de onda de salida de CA usando modulación de ancho de pulso (PWM) con tres niveles de voltaje, que pueden incluir un nivel alto, un nivel intermedio y un nivel bajo. Por ejemplo, cuando se encienden los elementos de conmutación 68 y 70, los terminales de salida 52 se conectan al lado alto del bus de CC 29 (Figura 2) por el nodo 34, proporcionando así el voltaje de alto nivel. Cuando se encienden los elementos de conmutación 70 y 72, los terminales de salida 52 se conectan al nodo de punto neutro 42 para proporcionar el voltaje intermedio a los terminales de salida 52. El voltaje intermedio se puede determinar según los principios de división de voltaje de los condensadores 38 y 40. De manera similar, cuando los elementos de conmutación 72 y 74 se encienden, los terminales de salida 52 se conectan al lado bajo del bus de CC 29 por el nodo 36, proporcionando así el voltaje de bajo nivel. Como se apreciará, la lógica de control 26 del sistema de potencia 10 puede configurarse para controlar el patrón de conmutación aplicado a los elementos de conmutación 68, 70, 72 y 74 de manera alterna usando modulación de ancho de pulso para generar la forma de onda de salida de CA, que luego se puede suministrar a la red eléctrica de CA 24. Además, debería entenderse que un circuito generalmente idéntico se puede disponer adyacente al convertidor de tres niveles 48 ilustrado y los nodos 34 y 36, de modo que el circuito adyacente comparte los condensadores 38 y 40 y el punto neutro 42. Este circuito adyacente puede proporcionar el convertidor de N niveles 46 (Figura 2), de modo que ambos convertidores de N niveles 46 y 48 estén acoplados a un bus de CC 29 común a través de los nodos 34 y 36.

Continuando con la Figura 4, se ilustra otra realización del convertidor de N niveles 48 que puede implementarse en los circuitos de convertidor de potencia 14 mostrados en la Figura 2. El convertidor 48 actualmente ilustrado es un convertidor sujetado al punto neutro activo (ANPC) de tres niveles. El convertidor de ANPC de tres niveles 48 es similar al convertidor NPC de tres niveles mostrado en la Figura 3 y, por lo tanto, los elementos idénticos se han numerado con los mismos números de referencia para mayor claridad. El convertidor de ANPC de tres niveles 48 incluye además los elementos de conmutación 84a-84c y 86a-86c. Nuevamente, debería entenderse que los elementos de conmutación 84a-84c y 86a-86c pueden ser cualquier tipo adecuado de dispositivos de conmutación (por ejemplo, IGBT, SCR, GTO, etc.), y pueden ser del mismo tipo o de un tipo diferente en comparación con los elementos de conmutación 68, 70, 72 y 74.

Cada uno de los conmutadores 84a-84c y 86a-86c puede denominarse conmutadores "activos sujetos a punto neutro". Haciendo referencia brevemente de vuelta a la realización mostrada en la Figura 3, existe típicamente una combinación única de posiciones de conmutador para proporcionar cada uno de los niveles de voltaje alto, intermedio y bajo discutidos anteriormente. En el convertidor de APNC 48 de la Figura 4 ilustrado actualmente, los elementos de conmutación 84a-84c y 86a-86c adicionales pueden utilizarse para proporcionar combinaciones alternativas de posiciones de conmutación para proporcionar los niveles de voltaje alto, intermedio y bajo. Como apreciarán los expertos en la técnica, el uso de los conmutadores de NPC activos 84a-84c y 86a-86c puede reducir aún más las pérdidas de conmutación en el convertidor de N niveles 48 en relación con la configuración mostrada en la Figura 3.

Como se mencionó anteriormente, un convertidor de tres niveles puede tener eficiencias de carga parcial y total más altas en comparación con los diseños de dos niveles. Además, los convertidores de NPC de tres niveles mostrados en las Figuras 3 y 4 generalmente pueden proporcionar un rendimiento armónico mejorado y pérdidas de conmutación de semiconductores reducidas (por ejemplo, aproximadamente una reducción del 10 al 50 por ciento) en comparación con un convertidor de dos niveles. Además, aunque las Figuras 3 y 4 están destinadas a mostrar solo algunos ejemplos de posibles topologías de convertidores multinivel que pueden incluirse en las realizaciones de la presente invención; también pueden utilizarse otros tipos de diseños de convertidores. Solo a modo de ejemplo, los convertidores de múltiples niveles 46 y 48 también pueden incluir convertidores de condensadores volantes, convertidores sujetos a una sola rama o convertidores en cascada. Además, aunque la presente realización muestra una configuración de tres niveles, debería tenerse en cuenta que los convertidores de N niveles, como se definió anteriormente, pueden incluir configuraciones de cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez o más niveles.

Continuando con la Figura 5, otra realización del sistema de energía fotovoltaica 10 se ilustra por medio de un diagrama de circuito simplificado, que incluye los convertidores de N niveles 46 y 48 acoplados al bus de CC 29 común. La disposición del sistema de energía 10 ilustrado es generalmente similar a la realización mostrada en la Figura 2, excepto que las salidas de CA 50 y 52 de los convertidores de N niveles 46 y 48, respectivamente, están acopladas a un nodo 90 común. El nodo 90 está acoplado a un primer devanado 94 de un transformador de dos devanados 92. El segundo el devanado 96 del transformador 92 puede proporcionar un voltaje de CA 98 aumentado a la red eléctrica de CA 24.

En la presente realización, la conversión del voltaje de entrada de CC 47 (de las matrices fotovoltaicas 12a y 12b) es controlada por la lógica de control 26 de tal manera que las frecuencias de modulación de las señales de salida de CA 50 y 52 están desplazadas en fase en 180 grados una con respecto a la otra. Esto proporciona esencialmente el entrelazado de las señales de salida de CA 50 y 52, lo que puede reducir los requisitos de filtrado y, por tanto, reducir los costes generales. Si bien la presente realización muestra dos matrices fotovoltaicas 12a y 12b con la característica de puesta a tierra central discutida anteriormente, otras realizaciones pueden incluir solo una única matriz fotovoltaica (por ejemplo, con el punto de puesta a tierra en el carril de CC negativo). Además, al igual que la realización de la Figura 2, la disposición en paralelo de los dos convertidores de N niveles 46 y 48 de la Figura 5 proporciona un diseño redundante, de modo que el sistema de energía 10 puede continuar funcionando y entregar energía de CA a la red 24 incluso si falla uno de los convertidores.

La Figura 6 muestra una realización adicional del sistema de energía fotovoltaica 10. La disposición del sistema de energía 10 incluye circuitos que son generalmente similares a la realización mostrada en la Figura 5, excepto que se proporciona una única matriz fotovoltaica 12 y las salidas de CA 50 y 52 de los convertidores de N niveles 46 y 48 están acopladas a un devanado abierto 102 de un transformador de dos devanados 100 (por ejemplo, en oposición a estar acopladas al nodo 90 común). El segundo devanado 104 del transformador 100 puede proporcionar un voltaje de CA 106 aumentado a la red eléctrica de CA 24. Esta disposición, que puede denominarse configuración de "empujar-tirar", puede ayudar a reducir o eliminar las corrientes de alta frecuencia circulantes, que pueden estar presentes en la realización mostrada en la Figura 5, mientras que se conserva el beneficio de una baja distorsión en la salida de CA. Además, cuando se compara con la realización mostrada en la Figura 2, el sistema 10 de la Figura 6 utiliza solo un transformador de dos devanados, eliminando así la necesidad del transformador de tres devanados más grande y, por lo tanto, reduciendo los costos generales del sistema.

Las diversas realizaciones descritas anteriormente con referencia a las Figuras 2-6 representan generalmente un sistema de potencia de una sola etapa con dos convertidores de N niveles 46 y 48 acoplados a un bus de CC 29 común, y dispuestos de una manera en paralelo. En otras palabras, con respecto a las realizaciones mostradas en las Figuras 2-6, la salida de CC (por ejemplo, 47) de la matriz o matrices fotovoltaicas 12 se convierte en energía de CA a través de una sola etapa (por ejemplo, a través de los dos convertidores de CC a CA de N niveles 46 y 48 acoplados en paralelo). Debería entenderse que, en otras realizaciones, también se pueden proporcionar convertidores de N niveles adicionales. Por ejemplo, algunas realizaciones pueden incluir dos, tres, cuatro, cinco o más convertidores de N niveles dispuestos de una manera en paralelo a través de un bus de CC 29 común.

En realizaciones adicionales, como se discutirá con referencia a las Figuras 7-9, el sistema de energía fotovoltaica 10 puede utilizar un diseño de múltiples etapas, tal como un diseño de dos etapas o incluso un diseño de tres etapas. Por ejemplo, haciendo referencia a la Figura 7, se ilustra una realización de un sistema de energía fotovoltaica de dos etapas 108. En esta realización, los circuitos de conversión de energía 14 tienen una primera etapa que incluye un convertidor de N niveles de CC a CC 110, acoplado (a través del bus de CC 112) en serie a una segunda etapa que incluye un convertidor de N niveles de CC a CA 114. En otras palabras, los convertidores 110 y 114 están acoplados a un bus de CC 112 común, pero están acoplados en serie en lugar de estar en paralelo como las realizaciones descritas anteriormente en las Figuras 2-6. En la realización ilustrada, los convertidores 110 y 114 pueden alojarse dentro de un recinto común. En la primera etapa, el convertidor de N niveles de CC a CC 110 recibe un voltaje de CC 109 de la matriz o matrices fotovoltaicas 12, y puede configurarse para aumentar (o reducir) el voltaje de ^cC de entrada 109. A modo de ejemplo, el convertidor de N niveles de CC a CC 110 puede aumentar el voltaje de CC de entrada 109 en un factor de aproximadamente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más. La salida de CC aumentada 111 del convertidor 110 se transmite entonces a través del bus de CC 112 al convertidor de N niveles de CA a CC 114, que puede ser similar a los convertidores de N niveles 46 o 48 descritos anteriormente.

El convertidor de N niveles de CA a CC 114 convierte el voltaje de CC 111 recibido a través del bus 112 en una señal de CA, que puede ser trifásica, como se muestra por la salida 116. En otras realizaciones, la salida de CA 116 también puede ser monofásica. La salida de CA 116 es filtrada por los circuitos de filtrado 16, y la señal filtrada 118 puede proporcionarse a la red eléctrica de CA 24. En algunas realizaciones, el sistema de energía 108 también puede incluir un transformador acoplado entre los circuitos de filtrado 16 y la red eléctrica. 24, en donde el transformador puede aumentar aún más la salida de CA 118 a un nivel de voltaje que sea compatible con la red eléctrica 24.

El diseño de dos etapas ilustrado actualmente puede ser muy adecuado para aplicaciones de alta potencia que tienen una ventana de voltaje de entrada relativamente amplia. Como se muestra además en la Figura 7, la lógica de control 26 puede proporcionar señales 120 de control para controlar el convertidor de N niveles de CC a CC 110, y las señales de control 122 para controlar el convertidor de N niveles de CC a CA 114. Como se discutió anteriormente, la lógica de control 26 puede incluir lógica de control de MPPT, que puede configurarse para maximizar sustancialmente la potencia emitida desde la matriz o matrices fotovoltaicas 12.

La Figura 8 muestra otra realización de un sistema de energía fotovoltaica de dos etapas, generalmente referido por el número de referencia 124. El sistema de energía 124 ilustrado generalmente opera de una manera que es similar al sistema de energía 108 de la Figura 7 y, como tal, los componentes similares se han numerado de forma idéntica por motivos de simplicidad. Sin embargo, a diferencia del sistema de dos etapas mostrado en la Figura 7, el sistema de energía 124 es un sistema distribuido. Por ejemplo, los circuitos de convertidor de energía 14 puede incluir el convertidor de N niveles de CC a CC 110 acoplado al convertidor de CC a CA 114 en serie a través de un bus de CC distribuido, representado aquí por el número de referencia 126. Componentes adicionales, que puede incluir otros convertidores de CC a CA, también se pueden acoplar a lo largo del bus de CC distribuido 126. Además, debido a la disposición distribuida, los convertidores 110 y 114 mostrados en la Figura 8 pueden ubicarse de forma remota entre sí y, por lo tanto, pueden alojarse dentro de diferentes envolventes o componentes.

En funcionamiento, la salida de CC 109 de las matrices fotovoltaicas 12a y 12b se proporciona como entrada al convertidor de CC a CC 110. En la realización ilustrada, las matrices fotovoltaicas 12a y 12b pueden incluir el punto de puesta a tierra central 66 discutido anteriormente. Como se discutió anteriormente, el convertidor de CC a CC 110 puede aumentar el voltaje de CC recibido (por ejemplo, en un factor de aproximadamente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más). La salida de CC aumentada 111 del convertidor 110 se transmite luego en el bus de CC distribuido 126 a uno o más componentes aguas abajo, que pueden incluir el convertidor de N niveles de CC a CA 114. El convertidor de N niveles de CA a CC 114 convierte el voltaje de CC 111 recibido a través del bus 126 en una señal de CA 116. La salida de CA 116 es filtrada por los circuitos de filtrado 16, y la señal filtrada 118 puede ser proporcionada a la red eléctrica de CA 24. De nuevo, debería señalarse que algunas realizaciones pueden proporcionar un transformador acoplado entre los circuitos de filtrado 16 y la red eléctrica 24, en donde el transformador puede aumentar aún más la salida de CA 118 a un nivel que sea compatible con la red eléctrica 24.

Debido a la configuración distribuida de los convertidores 110 y 114, se pueden proporcionar controladores distribuidos 26a y 26b. Por ejemplo, la lógica de control 26a puede suministrar las señales de control 120 apropiadas para controlar la conversión del voltaje de CC 109 proporcionado por las matrices fotovoltaicas 12a y 12b a un nivel de voltaje de CC más alto 111. La lógica de control 26b puede suministrar las señales de control 122 apropiadas para controlar la conversión del voltaje de CC 111 recibido a través del bus de CC 126 en la señal de salida de CA trifásica 116. Como se discutió anteriormente, cada uno de los controladores 26a y 26b puede configurarse para implementar el control según técnicas de control de MPPT.

Haciendo referencia ahora a la Figura 9 se ilustra una realización de un sistema fotovoltaico de tres etapas 129. El sistema fotovoltaico de tres etapas 129 incluye circuitos de conversión de energía 14 que es similar al sistema fotovoltaico de dos etapas 108 mostrado en la Figura 7, pero incluye adicionalmente una tercera etapa que tiene un convertidor de N niveles de CC a CC 130. Como se muestra, el convertidor de N niveles de CC a CC 130 está acoplado al bus de CC 112 y a un dispositivo de almacenamiento de energía 132. En una realización, el dispositivo de almacenamiento de energía 132 puede ser una batería o pila de combustible. En otra realización, el dispositivo de almacenamiento de energía 132 puede reemplazarse por un dispositivo de disipación de energía, tal como una resistencia.

La configuración de tres etapas 129 mostrada en la Figura 3 puede proporcionar una mejor gestión del equilibrio de energía. Por ejemplo, cuando la energía generada por la matriz o matrices fotovoltaicas 12 es mayor que la demanda de la red eléctrica de CA 24, el exceso de energía puede almacenarse (o disiparse). De manera similar, si la demanda de la red eléctrica de CA 24 excede las capacidades de salida de energía de la matriz o matrices fotovoltaicas 12, el dispositivo de almacenamiento de energía 132 puede proporcionar energía adicional para satisfacer las demandas de la red. Por lo tanto, el dispositivo de almacenamiento de energía 132 puede configurarse para almacenar o generar energía dependiendo del control del convertidor de N niveles de CC a Cc 130, que puede controlarse mediante señales de control 134 desde la lógica de control 26. Además, en las realizaciones, la configuración de tres etapas 129 puede proporcionar estabilización de la red, tal como proporcionando la amortiguación de oscilaciones no deseadas en la salida de potencia de CA.

La implementación de convertidores de N niveles (que tienen tres o más niveles), como se describe en las realizaciones anteriores, puede ofrecer varias ventajas en comparación con los diseños de dos niveles. Por ejemplo, los convertidores de N niveles generalmente exhiben mayores eficiencias de carga parcial y total, particularmente a frecuencias de conmutación de convertidor más altas. Además, los convertidores de N niveles generalmente proporcionan un rendimiento armónico mejorado y pérdidas de conmutación de semiconductores reducidas, reduciendo así los requisitos de enfriamiento. Además, los convertidores de N niveles se pueden conectar a voltajes elevados del sistema que excedan los 1000 V sin sacrificar la eficiencia. Los voltajes más altos del sistema permiten la configuración en serie de un mayor número de matrices fotovoltaicas que extraen más energía a menores costos del sistema en comparación con tener el mismo número de matrices fotovoltaicas conectadas en paralelo. Además, las técnicas descritas anteriormente pueden, en general, proporcionar un sistema de conversión de energía estandarizado que se puede aplicar no solo a sistemas fotovoltaicos de voltaje más alto, sino también a otras aplicaciones, tales como sistemas de energía eólica, celdas de combustible, aplicaciones de batería y ultra condensadores, por nombrar solo unas pocas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (10) que comprende:

un convertidor de energía fotovoltaica (14) que comprende:

una o más matrices fotovoltaicas (12) configuradas para convertir la energía solar en una señal de CC (109); y

al menos un convertidor de N niveles de CC a CA (114), caracterizado por un convertidor de potencia de múltiples etapas (14) acoplado a un bus de CC (29) común, y que comprende:

un primer convertidor de N niveles de CC a CC (110) configurado para aumentar la señal de CC desde una o más matrices fotovoltaicas (12) desde un primer voltaje de CC (109) hasta un segundo voltaje de CC (111);

un segundo convertidor de N niveles de CC a CC (130) acoplado al bus de CC (112) común y a un dispositivo de almacenamiento de energía (132); en donde N es un número entero mayor que dos, y el

al menos un convertidor de N niveles de CC a CA (114) acoplado al primer convertidor de N niveles de CC a CC y al segundo convertidor de N niveles de CC a CC, en donde el al menos un convertidor de N niveles de CC a CA (112) está configurado para convertir el segundo voltaje de CC (111) en una señal de CA (116); y

en donde el primer convertidor de CC a CC (110) está configurado además para transmitir el segundo voltaje de CC (111) al convertidor de N niveles de CC a CA (114) a través del bus de CC (112) común; y

en donde el dispositivo de almacenamiento de energía (132) está configurado para almacenar o generar energía dependiendo al menos parcialmente de la demanda de energía de una carga (24) acoplada al convertidor de N niveles de CC a CA (114).