ES2970233T3 - Sistema de alimentación ininterrumpida de CC y CA y método de control asociado - Google Patents

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Abstract

El objeto de la invención es proporcionar un sistema y un método de alimentación para los diversos elementos que forman los convertidores electrónicos de potencia CC/CA que garantice el funcionamiento de los convertidores durante condiciones de funcionamiento normal y condiciones de funcionamiento anómalo, estando especialmente diseñado para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica y capaz de proporcionar a su salida tensiones de continua y alterna a partir de al menos una fuente de energía CC (1) y al menos una fuente de energía CA (2), que básicamente comprende una salida para cargas CC (6) conectada a la salida de un convertidor CC/CC (3) cuya entrada está conectada a la fuente de energía CC (1), una salida CA para cargas críticas (7) conectada a un primer selector (5) configurado para alternar entre una primera posición donde dicha salida CA para cargas críticas (7) está conectada a la salida de un primer convertidor CC/CA (4) cuya entrada está conectada a la fuente de energía CC (1), y una segunda posición donde dicha salida CA para cargas críticas (7) está conectada a la fuente de energía CA (2), una salida CA para cargas no críticas (8) conectada a la fuente de energía CA (2) y una unidad de control (9) que controla el funcionamiento de dicho primer selector (5).

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de alimentación ininterrumpida de CC y CA y método de control asociado
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 convertidores electrónicos de potencia para energía solar fotovoltaica.
El objeto de la invención es proporcionar un sistema de alimentación para diversos elementos que forman los convertidores electrónicos de potencia CC/CA (CC - corriente continua-, CA -corriente alterna), que garantice el funcionamiento de los convertidores durante condiciones de funcionamiento normal y condiciones de funcionamiento anómalo, especialmente diseñada para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica, caracterizado por su robustez, sencillez, seguridad, flexibilidad, bajo coste y bajo mantenimiento.
Antecedentes
Las instalaciones fotovoltaicas de conexión a red están formadas por un conjunto de módulos fotovoltaicos (generador fotovoltaico) y un convertidor electrónico de potencia CC/CA, también denominado inversor, que acondiciona la energía producida por los módulos fotovoltaicos y la inyecta a la red eléctrica.
El inversor convierte la energía de corriente continua (CC) que generan los módulos fotovoltaicos a corriente alterna (CA). Los inversores son convertidores electrónicos de potencia formados por diferentes elementos. De manera general, dichos elementos pueden ser: una etapa de potencia (donde se realiza la conversión de corriente continua a alterna), una etapa de filtrado, dispositivos de control, elementos de sensado, fuentes de alimentación, protecciones, relés para las monitorizaciones, relé o contactor de conexión a red y ventiladores, entre otros.
Para alimentar los diferentes elementos que forman el convertidor, en el estado de la técnica se encuentran diferentes opciones. Una de ellas consiste en alimentar los dispositivos de control y elementos de sensado desde una fuente de alimentación CC/CC que coge energía del generador fotovoltaico. El resto de los elementos de mayor potencia, como pueden ser los contactores, relés para la monitorización, ventiladores, etc., se alimentan en corriente alterna (CA) desde la red de suministro, ya que generalmente están diseñados para su alimentación alterna.
Las regulaciones de conexión a red de inversores fotovoltaicos incluyen la necesidad de que los inversores permanezcan conectados a la red durante faltas de tensión, garantizando la continuidad de suministro y por tanto la estabilidad del sistema.
En inversores con sistemas de alimentación desde la red de alterna una falta de tensión provoca una falta de alimentación de los elementos y, en el caso de que los elementos alimentados sean contactores, la apertura de los mismos. Si en concreto se trata del contactor de conexión a red, se provocará la desconexión del inversor a la red, no cumpliendo lo establecido en las regulaciones.
Para solucionar este problema en el estado de la técnica se encuentran diferentes soluciones.
La primera de ellas consiste en añadir al convertidor sistemas de alimentación ininterrumpida que garanticen la continuidad de suministro. Sin embargo, dichos sistemas incorporan baterías que encarecen el sistema y su mantenimiento, siendo al mismo tiempo poco robusto.
La segunda consiste en incorporar baterías de condensadores, almacenando energía que será posteriormente utilizada para alimentar los distintos elementos durante el transcurso de la falta de la red. El principal inconveniente es que este sistema se debe diseñar teniendo en cuenta el tiempo máximo de la falta de tensión. En las actuales regulaciones, según los diferentes requerimientos de los países, estos tiempos varían por lo que el diseño de una solución universal es difícil. Además, en esta solución la relación entre energía y volumen ocupado es baja, por lo que es necesario destinar un gran espacio para las baterías de condensadores dentro del convertidor. WO2013/018600A1 divulga una solución en la que se usa un aparato de almacenamiento eléctrico, comprendiendo dicha solución los inconvenientes descritos.
Otra opción consiste en sustituir los contactores por seccionadores motorizados. Estos elementos conmutan su estado de abierto a cerrado y viceversa cuando se le aplica una señal al motor que los gobierna. En el caso de que la alimentación auxiliar falte de forma permanente y sea necesario cambiar de estado, no será posible y no se cumplirían los requerimientos de las regulaciones que obligan a la desconexión ante una falta de tensión o pérdida de la red de suministro.
Por último, en la bibliografía también se puede encontrar sistemas que se alimentan en su totalidad desde el lado de continua, es decir, desde el generador fotovoltaico. Esto implica, por un lado, una etapa de conversión CC/CC de mediana potencia, disminuyendo la eficiencia del sistema y aumentado el coste final del convertidor.
US7629708B1 divulga un sistema de alimentación para convertidores electrónicos capaz de proveer a su salida tensiones de continua y de alterna a partir de una fuente de alimentación CC y una fuente de alimentación CA, comprendiendo la fuente de alimentación CC un generador fotovoltaico.
WO2010/063326A1 divulga un sistema de alimentación para convertidores electrónicos capaz de proveer a su salida tensiones de continua y de alterna a partir de una fuente de alimentación CC y una fuente de alimentación CA. Todas las cargas CA pueden alimentarse con energía procedente de un sistema en suspensión.
La presente invención presenta un sistema de alimentación que proporciona salidas diferenciadas para diferentes tipos de cargas:
- Carga crítica: aquella en la que no se puede cesar su suministro de energía para un correcto funcionamiento del equipo, ya sea CC o CA, como por ejemplo los controles, captadores y elementos de conexión a red como contactores.
- Carga no crítica: aquella en la que puede cesar su suministro de energía. Se trata de elementos que pueden desconectarse temporalmente, como por ejemplo, durante una falta de red, debido a que su ausencia durante un tiempo pequeño no tiene repercusión sobre el correcto funcionamiento del sistema. Un ejemplo de ello serían los ventiladores de refrigeración, donde el incremento de la temperatura del sistema no se ve alterado durante una falta de red.
Descripción de la invención
La invención propuesta consiste en un sistema de alimentación para convertidores electrónicos de potencia capaz de proporcionar a su salida tensiones de continua y alterna. El sistema toma la energía de una fuente de energía CC, un generador fotovoltaico, y una fuente de energía CA, por ejemplo, la red eléctrica. La invención propuesta, tiene diferentes salidas que pueden ser de CC y CA, lo que permite asignar cargas críticas o no críticas a cada una de ellas.
El sistema está formado por una fuente de energía CC a la cual se conectan dos convertidores, un convertidor CC/CC y un primer convertidor CC/CA.
El convertidor CC/CC puede presentar varios niveles de tensión de salida, por ejemplo, 5 V, -5 V, 12 V.
Las salidas CA pueden ser monofásicas y/o trifásicas.
El sistema presenta al menos una salida para cargas CC que es conectada a la salida del convertidor CC/CC.
El sistema presenta al menos dos salidas CA:
- Al menos una salida CA para cargas críticas que puede ser conectada al primer convertidor CC/CA o a la fuente de energía CA.
- Al menos una salida CA para cargas no críticas que está conectada a la fuente de energía CA.
El sistema presenta al menos una unidad de control que selecciona la fuente de energía utilizada para la salida CA para cargas críticas en función de la disponibilidad de las fuentes de energía en las entradas del sistema. En un estado de funcionamiento, la salida CA para cargas críticas es alimentada desde la fuente de energía CA. En otro estado de funcionamiento, la salida CA para cargas críticas es alimentada desde la fuente de energía CC a través del primer convertidor CC/CA. Un primer selector es el que alimenta la salida CA para cargas críticas desde la fuente de energía CA o desde la fuente de energía CC a través del primer convertidor CC/CA. El primer selector se selecciona entre dispositivos mecánicos, conmutadores, diodos, etc.
La salida CA para cargas no críticas se alimenta desde la fuente de energía CA.
En una realización preferida de la invención, la unidad de control está integrada en el primer convertidor CC/CA y controla el funcionamiento del primer selector para seleccionar de dónde se alimenta la salida CA para cargas críticas en función de la disponibilidad de la fuente de energía CC y de la fuente de energía CA. Por ejemplo, como la fuente de energía CC es un generador fotovoltaico, por la noche no suministra energía y la salida CA para cargas críticas se alimenta directamente de la fuente de energía CA (por ejemplo, la red de CA). Mientras que cuando el generador fotovoltaico es capaz de suministrar energía a la salida C<a>para cargas críticas, cambia la posición del primer selector para alimentar dicha salida a través del primer convertidor CC/CA. Una de las ventajas de este sistema es que el comportamiento del sistema es independiente de las fluctuaciones de la red eléctrica, por ejemplo, huecos de tensión.
En una segunda realización preferida similar a la primera realización, se incluye además un primer convertidor CA/CC que se conecta entre la salida CA para cargas críticas y la salida para cargas CC, proporcionando energía en la salida para cargas CC desde la salida CA para cargas críticas.
En una tercera realización preferida similar a la primera realización, en lugar de una única salida para cargas CC se incluye al menos una salida CC para cargas no críticas y al menos una salida CC para cargas críticas. También se incluye un segundo convertidor<C a / C C>que se conecta entre la fuente de energía<C a>y la salida CC para cargas no críticas, pudiendo proporcionar energía también a la salida CC para cargas críticas desde la fuente de energía CA según el control que ejerce la unidad de control. Para ello, se dispone de un segundo selector que permite alimentar la salida CC para cargas críticas desde el convertidor CC/CC o desde el segundo convertidor CA/CC. El segundo selector se selecciona entre dispositivos mecánicos, conmutadores, diodos, etc.
Una cuarta realización preferida similar a la tercera además comprende un segundo convertidor CC/CA adicional cuyo lado CC está conectado a la salida del convertidor CC/CC y cuyo lado CA está conectado en la salida CA para cargas críticas.
Se consigue así un sistema robusto, que permite reducir el coste, mejorar el rendimiento y aumentar la flexibilidad del sistema, gracias a su sencilla instalación, frente a otras propuestas. Con este sistema, es posible utilizar contactares y elementos de control y monitorización en CC actualmente muy extendidos en el mercado.
Descripción de las figuras
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 del mismo, 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 1 muestra un esquema simplificado del sistema de la invención propuesta conforme a una primera realización preferida de la invención.
Figura 2 muestra un esquema simplificado del sistema de la invención propuesta conforme a una segunda realización preferida de la invención.
Figura 3 muestra un esquema simplificado del sistema de la invención propuesta conforme a una tercera realización preferida de la invención.
Figura 4 muestra un esquema simplificado del sistema de la invención propuesta conforme a una cuarta realización preferida de la invención.
Realización preferida de la invención
En la figura 1 se representa una realización preferida del sistema de la invención propuesta. Una entrada al sistema es una fuente de energía CC (1), que puede ser por ejemplo un panel fotovoltaico, y la otra entrada del sistema es una fuente de energía CA (2), que puede ser por ejemplo la red eléctrica. La fuente de energía de CC (1) es conectada a la entrada de un convertidor CC/CC (3). La salida para cargas CC (6) de dicho convertidor CC/CC (3) tiene capacidad para conectarse a cargas CC (críticas y/o no críticas), se trata de la salida para cargas CC (6). El sistema cuenta con dos salidas de cargas CA, una salida CA para cargas críticas (7) y otra salida CA para cargas no críticas (8). La salida CA para cargas críticas (7) puede ser conectada a un primer convertidor CC/CA (4) o a la fuente de energía CA (2) según la posición de un primer selector (5), estando el primer convertidor CC/CA (4) conectado a su vez a la fuente de energía CC (1). La salida CA para cargas no críticas (8) se conecta a la fuente de energía CA (2). Una unidad de control (9) gestiona el funcionamiento del primer selector (5) para seleccionar la fuente de energía (1, 2) utilizada en la salida CA para cargas críticas (7).
Así, si la fuente de energía CC (1) comprende paneles fotovoltaicos, el funcionamiento de este sistema sería el siguiente: en funcionamiento normal la unidad de control (9) mantiene el primer selector (5) en una primera posición correspondiente a la alimentación de la salida CA para cargas críticas (7) desde dicha fuente de energía<C c>(1) a través del primer convertidor CC/CA (4), mientras que en funcionamiento anómalo la unidad de control (9) acciona el primer selector (5) para pasar a una segunda posición correspondiente a la alimentación de la salida CA para cargas críticas (7) directamente desde la fuente de energía CA (2).
Se define funcionamiento normal cuando la fuente de energía CC (1) está disponible, y el primer convertidor CC/CA (4) funciona. Se define funcionamiento anómalo cuando no se cumple al menos una de las condiciones que definen el funcionamiento normal.
En la figura 2 se representa una realización preferida de la invención en la que al sistema de la figura 1 se añade un primer convertidor CA/CC (10) conectado entre la salida CA para cargas críticas (7) y la salida para cargas CC (6).
Así, de un modo similar al descrito anteriormente, en funcionamiento normal la unidad de control (9) mantiene el primer selector (5) en una primera posición en que la salida CA para cargas críticas (7) es alimentada a través del primer convertidor CC/CA (4). La salida para cargas CC (6) es alimentada tanto a través del convertidor CC/CC (3) como a través del primer convertidor CA/CC (10). Durante funcionamiento anómalo, el primer selector (5) conmuta a una segunda posición donde se alimenta la salida CA para cargas críticas (7) directamente desde la fuente de energía CA (2), Y la salida para cargas CC (6) es alimentada tanto a través del convertidor CC/CC (3) como a través del primer convertidor CA/CC (10).
Una de las ventajas que se obtienen con la realización preferida de la figura 2 es que en caso de que no esté disponible la fuente de energía CC (1), la salida para cargas CC (6) es alimentada desde la fuente de energía CA (2) a través del primer convertidor CA/CC (10).
Otra opción que permite alimentar la salida para cargas CC (6) desde la fuente de energía CA (2) corresponde a una realización preferida de la invención representada en la figura 3 que comprende al menos una salida CC para cargas críticas (11) y una salida CC para cargas no críticas (14). En este caso, además de los elementos representados en la figura 1, el sistema comprende un segundo convertidor CA/CC (12) que se conecta a la fuente de energía CA (2). La salida de dicho segundo convertidor CA/CC (12) está conectada a la salida CC para cargas no críticas (14) y, en función de la posición de un segundo selector (13), también a la salida CC para cargas críticas (11). La salida CC para cargas críticas (11) puede conectarse o bien al segundo convertidor CA/CC (12) o bien al convertidor CC/CC (3). La unidad de control (9) será la encargada de gestionar el funcionamiento del segundo selector (13) para la conexión de la salida CC para cargas críticas (11) al segundo convertidor CA/CC (12) o bien al convertidor CC/CC (3).
De este modo, el funcionamiento del sistema puede ser similar al descrito con relación a la figura 1. En funcionamiento normal, la unidad de control (9) ordena al primer selector y al segundo selector (5, 13) que adopten una primera posición correspondiente a la alimentación de la salida CC para cargas críticas (11) y de la salida CA para cargas críticas (7) desde la fuente de energía CC (1). Es decir, el primer selector (5) está en una primera posición correspondiente a la conexión de la fuente de energía CC (1) con la salida CA para cargas críticas (7) a través del primer convertidor CC/CA (4) y el segundo selector (13) está en una primera posición correspondiente a la conexión de la fuente de energía CC (1) con la salida CC para cargas críticas (11) a través del convertidor CC/CC (3). En caso de funcionamiento anómalo (por ejemplo, no está disponible la fuente de energía CC) , la unidad de control (9) ordena al primer selector (5) y al segundo selector (13) que adopten una segunda posición correspondiente a la alimentación de la salida CC para cargas críticas (11) y de la salida CA para cargas críticas (7) desde dicha fuente de energía CA (2). Es decir, el primer selector (5) pasa a una segunda posición correspondiente a la conexión directa de la fuente de energía CA (2) con la salida CA para cargas críticas (7) y el segundo selector (13) pasa a una segunda posición correspondiente a la conexión de la fuente de energía CA (2) con la salida CC para cargas críticas (11) a través del segundo convertidor CA/CC (12).
En este caso, se define funcionamiento normal cuando la fuente de energía CC (1) está disponible, y el primer convertidor CC/CA (4) y el convertidor CC/CC (3) funcionan. Se define funcionamiento anómalo cuando no se cumple al menos una de las condiciones que definen el funcionamiento normal.
El sistema representado en la figura 4 es similar al descrito en la figura 3 pero además comprende un segundo convertidor CC/CA (15) conectado entre la salida del convertidor CC/CC (3) y la salida CA para cargas críticas (7). Además, al igual que el sistema descrito en la figura 3, el sistema de la figura 4 incluye un segundo convertidor CA/CC (12) que se conecta entre la fuente de energía CA (2) y la salida CC para cargas no críticas (14). Además, la salida CC para cargas críticas (11) puede conectarse o bien a la salida CC del segundo convertidor CA/CC (12) o bien a la salida CC del convertidor CC/CC (3). Una unidad de control (9) gestiona el funcionamiento del segundo selector (13) de modo que la salida CC para cargas críticas (11) puede ser alimentada desde dicho segundo convertidor<C a / C C>(12) o desde el convertidor CC/CC (3).
Preferentemente, en cualquiera de las configuraciones descritas en este documento se contempla que la unidad de control esté integrada en el primer convertidor CC/CA (4), en el segundo convertidor CC/CA (15), en el convertidor CC/CC (3), o en el segundo convertidor CA/CC (12).
Con respecto al sistema representado en la figura 3, el sistema de la figura 4 proporciona redundancia. Por ejemplo, en caso de fallo de la fuente de energía CC (1) y del segundo convertidor<c A / c C>(12), la salida de CC para cargas críticas (11) es alimentada desde la fuente de energía CA (2) a través del segundo convertidor CC/CA (15).

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de alimentación para convertidores electrónicos capaz de proporcionar a su salida tensiones CC y CA a partir de al menos una fuente de energía CC (1) y al menos una fuente de energía CA (2), en donde el sistema de alimentación comprende:
- una salida para cargas CC (6) conectada a la salida de un convertidor CC/CC (3) cuya entrada está conectada a la fuente de energía CC (1),
- una salida CA para cargas críticas (7) conectada a un primer selector (5) configurado para alternar entre una primera posición donde dicha salida CA para cargas críticas (7) está conectada a la salida de un primer convertidor C<c>/CA (4) cuya entrada está conectada a la fuente de energía CC (1), y una segunda posición donde dicha salida CA para cargas críticas (7) está conectada a la fuente de energía CA (2),
- una salida CA para cargas no críticas (8) conectada a la fuente de energía CA (2), y
- una unidad de control (9) que controla el funcionamiento de dicho primer selector (5)
caracterizado porque
la fuente de energía CC (1) es un generador fotovoltaico, y la unidad de control (9) está configurada para mantener el primer selector (5) en la primera posición en condiciones de funcionamiento normal y para pasar dicho primer selector (5) a la segunda posición en condiciones de funcionamiento anómalo,
estando definido el funcionamiento normal como estando la fuente de energía CC (1) disponible y el primer convertidor CC/CA (4) trabajando, y estando definido el funcionamiento anormal como no cumpliéndose al menos una de las condiciones que definen el funcionamiento normal.
2. Sistema de alimentación para convertidores electrónicos según reivindicación 1, que además comprende un primer convertidor CA/CC (10) cuya entrada está conectada a la salida CA para cargas críticas (7) y cuya salida está conectada a la salida para cargas CC (6).
3. Sistema de alimentación para convertidores electrónicos según reivindicación 1, que además comprende
- una salida CC para cargas críticas (11) conectada a un segundo selector (13) configurado para alternar entre una primera posición donde dicha salida CC para cargas críticas (11) está conectada a la salida del convertidor CC/CC (3) cuya entrada está conectada a la fuente de energía CC (1), y una segunda posición donde dicha salida CC para cargas críticas (11) está conectada a la salida de un segundo convertidor CA/CC (12) cuya entrada está conectada a la fuente de energía CA (2), siendo dichas cargas críticas las cargas cuyo suministro de energía no puede cesar para un correcto funcionamiento del equipo,
- una salida CC para cargas no críticas (14) conectada a la salida del segundo convertidor CA/CC (12), siendo dichas cargas no críticas las cargas en las que puede cesar su suministro de energía y que pueden ser desconectadas temporalmente, y
- la unidad de control (9) controla además el funcionamiento de dicho segundo selector (13).
4. Sistema de alimentación para convertidores electrónicos según reivindicación 3, que comprende además un segundo convertidor CC/CA (15) cuyo lado CC está conectado a la salida del convertidor CC/CC (3) y cuyo lado CA está conectado a la salida CA para cargas críticas (7).
5. Sistema de alimentación para convertidores electrónicos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de control (9) está integrada en el primer convertidor CC/CA (4), en el segundo convertidor CC/CA (15), en el convertidor CC/CC (3), o en el segundo convertidor CA/CC (12).
6. Sistema de alimentación para convertidores electrónicos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente de energía CA (2) es la red eléctrica.
7. Método para controlar un sistema de alimentación según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- en condiciones de funcionamiento normal, la unidad de control (9) mantiene el primer selector (5) en una primera posición correspondiente a la alimentación de la salida CA para cargas críticas (7) desde la fuente de energía CC (1) a través del primer convertidor CC/CA (4); y
- en condiciones de funcionamiento anómalo, la unidad de control (9) acciona el primer selector (5) para pasar a una segunda posición correspondiente a la alimentación de la salida CA para cargas críticas (7) directamente desde la fuente de energía CA (2).
8. Método para controlar un sistema de alimentación según cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- en condiciones de funcionamiento normal, la unidad de control (9) mantiene el primer selector (5) en una primera posición correspondiente a la alimentación de la salida CA para cargas críticas (7) desde la fuente de energía CC (1) a través del primer convertidor CC/CA (4), y el segundo selector (13) en una primera posición correspondiente a la conexión de la fuente de energía Ce (1) con la salida CC para cargas críticas (11) a través del convertidor CC/CC (3); y
- en condiciones anómalas de funcionamiento, la unidad de control (9) acciona el primer selector (5) para pasar a una segunda posición correspondiente a la alimentación de la salida CA para cargas críticas (7) directamente desde la fuente de energía CA (2), y el segundo selector (13) para pasar a una segunda posición correspondiente a la alimentación de la salida CC para cargas críticas (11) desde la fuente de energía CA (2) a través del segundo convertidor CA/CC (12).
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