ITSA20090004A1

ITSA20090004A1 - Metodo di controllo di un sistema di generazione di potenza elettrica basato su sorgenti di energia, in particolare sorgenti di energia rinnovabile, e relativo dispositivo controllore.

Info

Publication number: ITSA20090004A1
Application number: IT000004A
Authority: IT
Inventors: Luigi Egiziano; Nicola Femia; Giovanni Petrone; Giovanni Spagnuolo; Massimo Vitelli
Original assignee: Univ Degli Studi Salerno
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-08-21
Also published as: EP2399179B1; ES2405685T3; WO2010095159A3; EP2399179A2; WO2010095159A2

Description

METODO DI DI DI GENERAZIO POTENZA ELETTRICA BASATO SU SORGENTI DI ENERGIA IN PARTICOLARE SORGENTI Di ENERGIA RINNOVABILE, E RELATIVO CONTROLLO:

La presente invenzione riguarda un metodo di di un sistema di generazione dì potenza elettrica, basato su sorgenti di energia.

In particolare sorgenti di energia rinnovabile, preferibilmente sorgenti fotovoltaiche o celle a combustibile, dinamicamente adattativo tramite tecnica di “perturba e osserva* o PSQ (Perturb&Observe) condotta su almeno due variabili di controllo, il metodo risultando semplice, affidabile, efficiente, preciso, ed economico, otimizzando te prestazioni del sistema complessivo attraverso l'adattamento dinamico alle condizioni istantanee dì funzionamento della sorgente di energia,

La presente invenzione riguarda altresì il relativo dispositivo controllore.

In particoìare, il metodo secondo l'invenzione verrà descritto in relazione ad un dispositivo invertitore a singolo stadio per un convertitore elettronico, con uscita corrente alternata ed ingresso in corrente continua (dc-ac). basate Su tecnica di controllo su singolo ciclo di commutazione e switching, detta anche tecnica One-Cycl Control o OCC. che consente di massimizzare la potenza estratta dal campo fotovoltao attraverso l'adattamento dinamico alle condizioni istantanee di funzionamento dei campo fotovoltaio ottimizzando contemporaneamente sia il controllo MPPT Che il fattore di potenza di uscita o PF-out (Power Factor-output) del convertitore dc-ac.

Inoltre, il metodo secondo invenzione verrà descritto relazione ad un dispositivo controllore per una cella a combustibile che consente ottimizzare l'efficienza funzionamento della cella attraverso l'adattamento dinamico alle sue condizioni istantanee di funzionamento Sebbene nel seguito della descrizione si farà specifico riferimento alla applicazione dei metodo di controllo a specifici controllori elettronici per sorgenti fotovoltaiche 3 celle a combustibile a membrane ad elettrolita polimerico o PEM (Polymeric Electrolyte Membrane), è da intendersi che li metodo di controllo (ed il relativo dispositivo controllore) secondo l’invenzione può essere applicato a qualsiasi controllore e convertitore, con ingresso e/o uscita in corrente continua od alternata, sia monofase che multifase, per qualsiasi sorgente di energia funzionante in modalità isolata {che fornisce potenza elettrica ad un carico, in corrente continua od alternata, sia monofase che multifase) e/o connessa àd una rete di disiribuzione elettrica, in particolare rinnovabile, quali sistemi fotovoltaici, celie a combustibile (anche diverse da quelle PEM}, generatori eolici ed altre sorgenti, che abbiano specifiche condizioni dì funzionamento particolari ritenute preferenziali, in relazione a energia prodotta, efficienza energetica, livello di stress dei componenti, durata di vita, o qualsiasi altro fattore di valutazione possa definirsi per la specifica sorgente, e le quali condizioni risultino variabili, per effetto di fattori climatici, fisici, o di altra natura, sia controllabili che non controllabili, sìa predicibili che non predicibili, ed identificabili attraverso uno 0 più punti particolari di una 0 più caratteristiche elettriche 0 non elettriche di uscita delta sorgente dei tipo potenza-tensione, potenza-corrente, tensione-corrente, corrente-tensione, efficienza -tensione, efficienza-corrente 0 ad esse assimilabili.

Inoltre, nel seguito della descrizione si tara specifico riferimento ad una forma di realizzazione dei metodo di controllo basato sulla tecnica P&O condotta su due variabili di controllo, ma è da intendersi che il metodo di controllo può effettuare !a tecnica P&O su un numero maggiore di variabili di controllo,

Invertitori {0 inverter ) a singolo stadio fotovoltaici slatino guadagnando sempre maggiore interesse, rispetto a quelli a stadio multiplo, a causa della loro semplicità circuitale, affidabilita ed economicità. Un ponte ad H controllato utilizzando la tecnica OCC è stato descritto da Y. Chen e K, Ma. Smedley, in “A cost-effective single-stage inverter with maximum power point trackìng , IEEE Transactions on Power Electronics, Vol, 19, No. 5, Settembre 2004, pp, 1239-1294, introducendo l'uso di un controllore analogico basato su OCC allo scopo di ottenere la massima potenza dalia sorgente fotovoltaica e al contempo, all'uscita dell'Invertitore una elevata qualità della forma d’onda della corrente che viene iniettata nella rete di distribuzione dell'energia elettrica in corrente alternata cui è connesso l'invertitore.

Tuttavia, tale approccio soffre di alcune limitazioni.

Una prima limitazione è dovuta al Fatto che le equazioni di progetto proposte per modellizzare l'invertitore non consentono di ottimizzarle in termini sia di potenza fornita che di qualità della corrente di uscita.

Una seconda limitazione è dovuta all'incapacità del controllore di inseguire il punto di massima potenza delia sorgente fotovoltaica al variare delle condizioni climatiche. In altre parole, l'invertitore fotovoltaico proposto da Chen e Smedley non è in grado di eseguire realmente l’inseguimento del punto di massima potenza (o MRPT - Maximum Power Point TrackingJ, perché nessun parametro di controllo è modificato secondo i valori correnti dei livello di irradiazione e della temperatura, per cui le migliori prestazioni del campo fotovoltaico sono assicurate soltanto per prefissate condizioni climatiche. Questo provoca un pesame compromesso durante la determinazione dei parametri, allo scopo di estrarre la massima potenza dalla sorgente fotovoltaica al livello più probabile di soleggiamento nel sito di interesse riducendo la penalizzazione nella produzione di potenza per condizioni ambientali significativamente differenti da quella più probabili.

Una soluzione che supera tali inconvenienti è stata proposta da N. Femia, D.Granozio, G. Patrone, G-Spagnuolo, e M. Vitelli, in " Optimized One Cycle Control m Photovoltaic Grid Cannected Applications , IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Voi.42. No.3, Juiy 2006, pp.963-973, e dalla Domanda PCT No, WQ2007/007360 A2. In particolare, il contenuto di WO2007/007360 A2 viene qui interamente incorporato per riferimento.

In particolare, tali divulgazioni propongono una soluzione che consente di stabilire i parametri di progetto del controllore OCC allo scopo di ottenere una potenza prossima a quella massima ottenibile al desiderato livello di soleggiamento, oppure in media su un dato intervallo di soleggiamento, ei no modo da fissare la massima distorsione della corrente di uscita.

Inoltre, la soluzione proposta da queste due divulgazioni ha introdotto la possibilità, di utilizzare un controllore MPPT che consente di regolare il valore di un opportuno parametro del circuito analogico che realizza la funzione OCC. allo scopo di massimizzare la potenza fotovoltaica prodotta al variare delle condizioni climatiche.

M. Fortunato. A.Giustiniani. G. Patrone. G.Spagnuolo. e M. Vitelli. In “Maximum Power Point Trackìng a One Cycle Controlled Single Stage Photovoltaic Inverter , IEEE Transactions on industrial Electronics, Vol.55, No.7 July 2008, ρρ,: 2684-2693, hanno proposto ulteriori considerazioni sulla soluzione appena illustrata, allo scopo di comprendere la potenzialità del invertito provvisto del controllor MPPT a singola variabile rispetto all'invertitore più semplice, le cui prestazioni dipendono strettamente dalla funzione prestazionale scelta per condurre l 'ottimizzazione e sui risutati di tale metodo.

Entrando in maggior dettaglio, il diagramma circuitale di una classica struttura dì un invertitore OCC a singolo stadio (come descritta da tutte le quattro divulgazioni precedenti) è illustrato in Figura 1 , in cui un convertitore dc-ac, connesso ingresso alla sorgente fotovoltaica 1 ed in uscita alla rete 2, comprende un ponte ad H avente quattro interruttori M1 M4 di potenza a semiconduttore (realizzati proferibilmente mediante rispettivi MOSFET o IGBT), m condensatore C di livellamento o bulk d elevata capacità che sostiene un canale di comunicazione, noto anche con termine di bus in continua ed un induttore L filtro uscita. L inverter e controllato da una uni 8 di Pilotaggio sulla base P segnali provenienti da un dispositivo controllore 19, che opera mediante la tecnica OCC sul singolo ciclo di commutazione o swìtchìng degli interruttori, avente una semplice struttura circuitale enalogica che include un integratore azzerabile (o resettabile) 9.

L invertitore di Chen e Smedley è stato grandemente migliorato da N. Femia et al. e da WO2007/007360 A2, introducendo il seguente insieme di cinque disuguaglianze, utilizzate per esprimere r vincoli funzionali e la qualità della corrente di uscita dell'invertitore

dove:

r = R,C, è la costante o- tempo dell 'integratore 9;

- T è il periodo di switchin detto stadio di potenza, ovvero degli interruttori M 1 -M4 dell'inverter

V. è la tensione Φ controllo

- R, è il guadagno del sensore 3 di rilevazione della corrente Φ Uscita,

Κχè II guadagno dei sensore 5 di rilevazione delia tensione dei campo fotovoltaico 1 ,

Vg indica il valore medio della tensione istantanea vg(i) generata dal campo fotovoltaico 1 calcolato su un periodo Tgrid della tensione vo(t) della rete 2 in corrente alternata;

Vo ,max è il valore massimo assunto dalla tensione v0[t) di uscita: Δvsè l'ampiezza picco- picco dell'oscillazione a 120/Hz/100Hz che viene rappresentata da:

in cui (3⁄4;riQ s la pulsazione della rete 2 (in rad/s), C è la capacità del condensatore di buffer, e Pg è la potenza estratta dal campo fotovoltaico 1 in corrispondenza di un certo livello di soleggiamento S:

K è il guadagno del sensore 4 di rilevazione della tensione di uscita dell'inverter

P (S) è la potenza media di uscita dall'inverter iniettata nella rete 2 in corrispondenza di un ce livello di soleggiamento S Pi.Mrr(Sma) è la massima potenza erogabile dal campo fotovoltaico 1 in corrispondenza dei massimo livello di soleggiamento S = S ed alla corrispondente tensione V,;

il coefficiente a (con a > 1} esprime la capacità di sovraccarico dell’ inverter rispetto alla massima potenza di ingresso fornita dal campo fotovoltaico 1 ;

Vm indica valore medio di una tensione vm(t) definita come

il quale valore medio è calcolato su un periodo Tgrid;

il coefficiente y definisce i limiti ammissibili per ("escursione del rapporto VJVSdeterminato da ΔVV

Come descritto da Chen e Smedley, la prima e la seconda disuguaglianza garantiscono, rispettivamente, una stabile condizione di lavoro della tecnica non lineare OCC e la stabilità dell'inverter, mentre la terza disuguaglianza tiene conto dell'effetto dell'oscillazione, tipicamente a frequenza 120Hz/1G0Hz. della tensione V3del campo fotovoltaico 1 causata dalla connessione dell'uscita dell'inverter alla rete 2,

La disuguaglianza 4 assicura il comportamento ottimale deii'inverter operante come doppio convertitore buck, mentre la disuguaglianza 5 garantisce un elevato fattore di potenza di uscita o PF-out (Power Factoroutput) del convertitore.

Nell'articolo di N. Femia et aL ed in WO2007/ 007360 A2 è stato preposto un singolo approccio di ottimizzazione basato su funzioni indicative delie prestazioni definite alio scopo di ottenere la più elevata potenza fotovoltaica alle preferite condizioni climatiche, ad esempio al massimo ed ai minimo livello di soleggiamento e sulla media in un dato intervallo di variazione. Particolare attenzione è stala dedicala alia funzione indicativa delle prestazioni ottenuta dalia differenza tra la massima potenza dei campo fotovoltaico e Sa potenza di uscita P(Smax)deii'inverter al massimo livello Smax di soleggiamento relativo all' intervallo di interesse data da:

[9]

Ιl problema di massimizzazione vincolata sopra, menzionato e discusso in dettaglio da N, Femia et al, e da WO2007/00736G A2 ha fornito la soluzione ottimale corrispondente all'insieme dei parametri elencalo in Tabella I, indicato nei seguito come soluzione ipotesi”, che minimizzano Ψτ, ottenuto mediante il noto algoritmo genetico di ricerca Genocop.

T abella

La Figura 2 mostra te caratteristiche dell'invertitore corrispondente alia soluzione ipotesi unitamente alle caratteristiche del campo fotovoltaico utilizzate per simulare il sistema. Risulta piuttosto evidente che un buon punto di intersezione, vicino ai punto MPP, è stato ottenuto per il massimo livello di soleggiamento scelto pari a 1kW/m<2>, mentre altrove la potenza prodotta dal campo è molto lontana dai punto MPP reale soprattutto nell’intervallo intermedio (300,600]W/m<2>.

I vincoli [1]-[5] dipendono dal livello di soleggiamento tramite la tensione V.- del campo fotovoltaico 1 e le potenza di uscita P_uper cui l’appropriatezza di un dato insieme di parametri circuitali dipende dal livello di soleggiamento considerato per la sua valutazione. Di conseguenza, per raggiungere una soluzione ottimale che fosse appropriata non soltanto ad uno specifico livello di soleggiamento, in M.Femia et al. ed in WO2007/007360 A2 un insieme di parametri circuitali è stato considerato appropriato se ì vincoli [1]-[5] fossero stati soddisfatti per un dato numero di livelli di soleggiamento tra un minimo S,.,„ ed un massimo s^, e sono stati considerati dieci livelli di soleggiamento nell'intervallo [0,1, 1]kW/m2. Già significa che la soluzione ipotesi ottimale è appropriata nell'Intero intervallo di soleggiamento e. al contempo, fornisce la più elevata potenza fotovoltaica per il livello massimo Tuttavia, tali divulgazioni hanno riconosciuto che la soluzione ipotesi necessita di un ulteriore aggiustamento, dato che il livello di soleggiamento all'istante temporale corrente Ì* è pari ad un valore specifico S*=S(t*) e non ad un intero intervallo [5.™,, S^j, per cui i vincoli [1J-[5J debbono essere istantaneamente soddisfatti soltanto a quello specifico livello s*. Di conseguenza, una opportuna correzione della soluzione ipotesi potrebbe condurre ad un incremento della produzione di potenza fotovoltaica allo specifico livello S*, a patto di soddisfare ancora i vincoli [11-JSJ. Peraltro tale aggiustamento dovrebbe considerare anche ulteriori variazioni di condizioni climatiche e fisiche del sistema, come ad esempio la temperatura dei pannelli.

In N. Femia et al. ed m WO2Q07.OQ736G A2 è stato proposto un primo metodo di correzione della soluzione ipotesi tramite la cosiddetta tecnica di "perturba e osserva" o P&O (Perturb&Observe),

La tecnica P&G si basa sul ben noto metodo di hill climbing (o arrampicamento della collina) e risulta molto adatta per l'ottimizzazione in tempo reale di sistemi dinamici, Come mostrato in Figura 3, essa consente di ricercare continuamente il valore ottimo (e.g., un minimo od un massimo) di una assegnata funzione βρι indicativa delle prestazioni del sistema tempo-variante da controllare, a patto che sia determinato un opportuno parametro p da perturbare. Nell'ipotesi che f(pì esibisca un singolo valore ottimo (e.g,. un massimo) nell'intervallo entro il quale viene variato p, la tecnica P&O è in grado di salire sulla caratteristica ignota j\pi, a patto che una continua perturbazione di p sia applicata con un dato periodo Tt, e Che una opportuna condizione per rilevare la sommità della collina sia realizzata.

Come mostrato in Figura 4, la tecnica P&O opera come segue. II valore del parametro perturbato p viene ripetutamente incrementato (o decrementato) se il valore fip> aumenta progressivamente (cfr. i punti da 1 a 5 di Figura 4). Ciò significa che il punto di funzionamento del sistema è stato spostato in modo tale che le sue prestazioni espresse da βρ) si stanno avvicinando al loro ottimo. Pertanto, p deve essere perturbato nella medesima direzione. Altrimenti, se il valore f{p) (che esprime le prestazioni del sistema) diminuisce, il punto di funzionamento del sistema è stato spostato lontano dalle prestazioni ottimali (off. punti 5 e 6 di Figura 4) e. pertanto, la direzione della perturbazione di p deve essere invertita. Una volta raggiunto lo stato stabile corrispondente alle prestazioni ottimali, il punto di funzionaménto dei sistema scende e sale ripetutamente il massimo di/ìpj (cfr. punti 4, 5 e 6 di Figura 4),

Tale spostamento dinamico attorno al punto di funzionamento ottimale è di fondamentale importanza per assicurare l'inseguimento del valore ottimo di f(p) ogni qual volta la variazione di una o più variabili esogene modifica la funzione indicativa delle prestazioni e cambia il valore di p che corrisponde al valore ottimo di f(p).

Dunque, le tecnica proposta in N. Femia et al. ed in WO2007/007360 A2 prevedeva di variare il valore della tensione Vc di controllo, sfruttando la facilità della sua regolazione, e dimostrando che le caratteristiche OCC possono essere conseguentemente modificate in modo tale da effettuare un reale inseguimento MPPT anche al variare delle condizioni climatiche, in particolare del soleggiamento s e della temperatura θ l'effetto della variazione di Vrè mostrato in Figura 5, Tuttavia, come mostrato nelle Figure 6-9, è altresì possibile modificare altri parametri dell'invertitore di Figura 1 , invece della tensione V,- di controllo, per effettuare un tale inseguimento MPPT. Tali Figure mostrano grafici ottenuti variando un solo parametro della soluzione ipotesi sopra menzionata in un dato intervallo centrato nel valore nominale dato dalla Tabella I. Tali grafici non tengono conto dei vincoli [1]-[5j.

L’analisi delle Figure 5-S rivela che, ad eccezione della variazione del guadagno Rsdel sensore 3, la variazione di un parametro dell'invertitore è in grado dì fornire una caratteristica dell'invertitore OCC Che copre la regione in cui i punti MPP della caratteristica del campo fotovoltaico sono localizzati al variare delle condizioni di soleggiamento.

Tutavia, in presenza dei vincoli [1 j-{5], la perturbazione soltanto di un parametro controllabile dell'invertitore potrebbe rendere impossibile l'estrazione della massima potenza consentita dai campo fotovoltaico.

Tra le sorgenti di energìa rinnovabile, anche Se celle a combustibile (fuel cell) sono atualmente in crescente diffusione, in particolare, le celle a combustibile a membrane ad elettrolita polimerico o REM (Polymeric Electrolyte Membrane) sono sempre più utilizzate in moltissime applicazioni, sia isolate (stand-alone) che connesse ad una rete di distribuzione dell'energia elettrica in corrente alternata (grid-connected). come ad esempio unità di alimentazione per sistemi portatili od unità dì alimentazione in caso di guasto della rete, In applicazioni automobilistiche, per telecomunicazioni, militari, e di elettronica di consumo.

La Figura 10 mostra un Sistema di Celle a Combustibile, o FCS (Fuel Cell System), REM. nel seguito indicato anche come PEM-FCS, Nella sezione aria, un compressore 20 controllato da un motore elettrico fornisce aria pressurizzata ai canali del catodo 22 della pila 23. Uno scambiatore di calore ed una camera di umidificazione (non mostrate/ sono posizionate tra il compressore 20 e l'ingresso del catodo 22 per regolare la temperatura e l'umidità relativa, rispettivamente, del flusso dell'aria entrante. La pressione dell'aria all'interno della pila 23 è regolata dalla combinazione dell'azione di una valvola 26 di contro- pressione (back pressure) con la velocità del compressore 20.

Il compressore 20 daria riveste un ruolo importante nel sistema FCS, a causa dell'influenza positiva dell’incremento della pressione del catodo 22 sulla reazione eletrochimica. Dato che la potenza assorbita dal compressore 20 rappresenta la principale perdita di potenza del'intero sistema FCS (pari fino al 25% della potenza lorda della pila) è necessaria una appropriata valutazione di tale contributo parassita per migliorare la stima delle prestazioni del sistema FCS.

Occorre comunque considerare che il compressore 20 e caratterizzato da un comportamento dinamico ben noto, da una potenza assorbita e da una efficienza che dipendono dalle condizioni operative e da limiti operativi dipendenti da caratteristiche costruttive e tecnologia utilizzata (e.g. le condizioni di surge - o pompaggio - e di choke - o saturazione - in compressori centrifughi). Queste informazioni sono usualmente fornite, anche atraverso mappe sperimentali, dai costruttore del sistema compressore 20. Gii insegnamenti forniti in relazione alia presente invenzione rimangono validi indipendentemente dal modello deila polarizzazione della cella e dalla tipologia e dal modello del compressore adottato .

Le applicazioni delie celle e combustibile potrebbero essere ancora più estese se fossero in grado di garantire un più lungo tempo di vita, ovvero se fossero in grado di assicurare elevate prestazioni per un tempo più lungo.

Specialmente dopo un elevato numero di ore di lavoro, livelli insoddisfacenti di prestazioni sono spesso dovuti ad un controllo grossolano del sistema FCS, ad esempio in termini di pressione e flusso dell'aria. Infatti, i punti di impostazione più efficienti in termini di corrente e pressione della pila sono spesso determinati in laboratorio sulla base delie prestazioni e del comportamento nominale della pila, Partendo da queste analisi di laboratorio, molti sforzi di ricerca sono stati fati per assicurare jt funzionamento del sistema FCS nelle condizioni ottimali [i.e. più efficienti;.

Negli approcci con controllo in avanti o feedforward sono tipicamente sviluppate due tabelle dì consultazione o lookup per stimare la velocità ωovidel compressore 20 a l<'>apertura β delia valvola 26 di contropressione del catodo 22 in funzione delia corrente /.

Altri studi hanno focalizzato l<’>attenzione sui perfezionamento del comportamento del sistema FCS durante i transienti sviluppando opportuni metodi di controllo ad anello chiuso.

Tuttavia, dato che i punti di impostazione ricavati dalie tabelle di lookup non variano mai, tali approcci non sono in grado di garantire<!>e medesimo prostazioni dei sistemi PCS a lungo, a causa dei forte effetto, ad esempio, dell'usura del sistema e delie derive dei parametri.

A titolo esemplificativo, gii effetti del l'invecchiamento non possono esser tenuti in conto dalle tabelle di lookup. Inoltre le caratteristiche elettriche dei sistemi FCS risultano molto sensibili a quelle derive che influenzano la temperatura e l'umidità deile membrane così come l<’>area elettroattiva delle membrane.

Ciò significa che un sistema di controllo adattivo, che affianchi !s tabelle di lookup per adattarsi meglio alle reali condizioni operative, è necessario per ottenere prestazioni ottimali anche se il sistema sta lavorando lontano dai punti di impostazione nominali. Inoltre, una tecnica dì controllo adattiva garantirebbe l<'>ottenimento di un funzionamento ottimale in lutto il dominio di funzionamento delle membrane REM, mentre i classici metodi a retroazione risultano meno efficaci in condizioni significativamente differenti dal punto di linearizzazione.

Lo scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di controllare un sistema di generazione di potenza elettrica basato su sorgenti di energia, in particolare sorgenti di energia rinnovabile, ohe consenta di ottimizzare le prestazioni dei sistema complessivo in un ampio intervallo di condizioni di funzionamento delia sorgente di energia, tenendo conto delle variazioni di variabili esogene.

E' ancora scopo della presente invenzione quello di effettuare un tale controllo del sistema di generazione di potenza elettrica in modo semplice, affidabile, efficiente, preciso, ed economico,

E<f>particolare scopo della presente invenzione quol!o di ottimizzare fa potenza estratta da un campo fotovoltaico ed immessa in una rete ai distribuzione, inseguendo in modo altamente affidabile, accurato, e flessibile il punto di massima potenza de<!)>£ sorgente fotovoltaica al variare di variabili esogene quali soleggiamento e temperatura.

E<:>ulteriore particolare scopo della presente invenzione quello di ottimizzare In modo altamente affidabile , accurato, e flessibile le prestazioni di una cella a combustibile-Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un metodo di controllo dì un sistema di generazione dì potenza elettrica, basato su almeno una sorgente d' energia, in particolare una sorgente di energia rinnovabile, preferibilmente una sorgente fatovoltaica od a celle a combustibile, detto sistema funzionando secondo prestazioni dì funzionamento rappresentabili da almeno una funzione indicativa delie prestazioni avente almeno un valore ottimale, il funzionamento di detto sistema essendo dipendente da almeno due parametri controllabili. il metodo essendo caratterizzato dal fatto di perturbare i valori di deti almeno due parametri controllabili secondo le seguenti fasi:

a) assumere preliminarmente, par ognuno di deti almeno due parametri controllabili, un segno di perturbazione selezionato tra un segno positivo ed un segno negativo come segno della immediatamente precedente perturbazione dai aggettivo parametro controllabile, ed assumere un parametro controllabile corrente selezionato tra datti almeno due parametri controllabili

b) effettuare una o più perturbazioni del parametro controllabile corrente con il medesimo segno di perturbazione corrente fintantoché viene rilevato che, dopo ogni singola perturbazione, una distanza tra un valore di deta almeno una funzione indicativa delle prestazioni da detto almeno un valore ottimale diminuisce, mentre quando viene rilevato che detta distanza aumenta, eseguirò la fase c);

O assumere come parametro controllabile corrente un parametro controllabile selezionato tra detti almeno due parametri controllabili differente da quello perturbato- nella fase b);

d} assumere come segno di perturbazione corrente dei parametro controllabile corrente il segno opposto al segno delia immediatamente precedente perturbazione dello stesso parametro controllabile corrente, e tornare alia fase b),

Sempre secondo l<'>invenzione, nella fase c), il parametro controllabile corrente può essere perturbato di una rispettiva quantità dì perturbazione corrente dipendente da detta distanza tra un valore rilevato di detta almeno una funzione indicativa delle prestazioni da detto almeno un valore ottimale.

Ancora secondo l<'>invenzione, nella fase b), prima di ogni perturbazione del parametro controllabili corrente, può essere verificato che il funzionamento di detto sistema soddisfi uno c più vincoli di funzionamento, e quando viene rilevato che almeno uno di detti uno o più vincoli è violato, il metodo esegue ia fase c).

Ulteriormente secondo l<’>invenzione, ii sistema di generazione di potenza elettrica può comprendere una sorgente totovoltaica collegata ad un dispositivo invertitore a singolo stadio, comprendente mezzi interruttori, a sua volta collegato ad una rete elettrica a corrente alternata ad almeno una fase, di pulsazione ω,in cui i mezzi interruttori connettono periodicamente, con periodo Tsminore de! periodo Τ corrispondente alla pulsazione ω . la sorgente atta a fornire in uscita una tensione vg(t) di valore medio Vg. alla rete in modo che la corrente lo(t) di uscita di ciascuna fase del dispositivo invertitore è tn fase con la tensione v0(t) della medesima fase delia rete il cui vaiare massimo è V0,max, ì mezzi interruttori essendo controllati da mezzi elettronici controllori operanti secondo un controllo su singolo ciclo di commutazione dei mezzi interruttori, il dispositivo invertitore vedendo una induttanza L in uscita e comprendendo un sensore di rilevazione di una corrente di uscita del dispositivo invertitore avente guadagno R, collegato in serio alla rete, i mezzi elettronici controllori comprendendo:

- un circuito integratore azzeraile avente una costante r di tempo tale che T<TSJI! cui ingresso riceve un segnale in tensione (VcKB<*>vB) pari alla differenza tra una tensione Vcdi controllo ed una tensione proporzionale secondo un primo fattore Kgalla tensione vg(t) in uscita dalla sorgente.

- mezzi comparatori, atti a fornire in uscita un segnale indicativo della comparazione tra una tensione [Rs-ia(t)] fornita da detto sensore di rilevazione di una corrente di uscita e fa somma del segnale in uscita dal circuito integratore con una tensione [K-v0(t)] proporzionale secondo un secondo fattore K alla tensione va(t) delia rete, e

■ mezzi generatori atti a ricevere il segnale di uscita dei mezzi comparatori ed un segnale indicativo della fase della rete per fornire uno o più segnali di controllo dei mezzi interruttori, il sistema di generazione di potenza elettrica essendo tele da soddisfare ϊ vincoli di funzionamento il], (21 e (51 e che il segnale di Ingresso a! circuito integratore (9) e sempre positivo, in cui detta almeno una funzione indicativa delle prestazioni dei sistema e una potenza fotovoltaica generata dai sistema, detto almeno un valore ottimale è una massima potenza fotovoltaica generabile dai sistema, e detti almeno due parametri controllabili sono selezionati dal gruppo comprendente il guadagno R= del sensore di rilevazione di una corrente di uscita del dispositivo invertitore, fa costante t di tempo, la tensione Vc di controllo, il primo fattore Kg,ed it secondo fattore K.

Alternativamente secondo l invenzione, H dispositivo invertitore a singolo stadio può essere collegato ad un carico in corrente alternata ad almeno una fase, di pulsazione ω,(invece che ad una rete elettrica a corrente alternate ed almeno una fase), la tensione vg{t) essendo una tensione di riferimento di una fase di detto carico (invece della tensione di una fase della rete).

Sempre secondo i<'>invenzione, il sistema di generazione di potenza elettrica può essere tale da soddisfare altresì almeno uno dei due vincoli di funzionamento{3) e [4j.

Ancora secondo l<'>invenzione, detti almeno due parametri controllabili possono consistere in o comprendere la tensione Vsdi contro Ito ed il secondo fattore K.

Ulteriormente secondo l<'>Invenzione, il sistema di generazione ri; potenza elettrica può essere un Sistema di Celle a Combustibile, o FCS (Fuel Cell System), comprendente una pila di celle, alla quale un compressore fornisce aria pressurizzata, una pressione air'interno della pila essendo regolata da una velocità ÙÌ=Jdei compressore e da una apertura β di una valvola di contro-pressione, Il sistema comprendendo un controllore che riceve da una o più tabelle di consultazione, o lookup, rispettivi valori nominali della velocità m_ w e deita apertura β corrispondenti ad un valore bersaglio Pia,itìdi potenza di uscita del sistema, il metodo essendo caratterizzato dal fatto che detta almeno una funzione Indicativa delie prestazioni è una potenza Ptì„ di uscita generata dai sistema, dal fatto che detto almeno un valore ottimale è Π valore bersaglio Pmrit!di potenza, e dai fatto che detti almeno due parametri controllabili consistono in o comprendono la velocità aì-miidei compressore e r'apertura deila valvola di contro-pressione.

Sempre secondo l'invenzione, desti uno o piu vincoli di funzionamento possono essere selezionati dai gruppo comprendente ì seguenti tre:

- la velocità ω.Μdei compressore non differisce dal rispettivo valore nominale per più di un primo valore di soglia [che ne garantisca 'a sicurezza di funzionamento}.

- detta pressione all<'>interno della pila non eccede un rispettivo valere massimo (che ne garantisca ia sicurezza di funzionamento), e - l<’>apertura β delia vaivola di contro-pressione non differisce dai rispettivo valore nominale per più di un secondo valore di soglia

Claims

RIVENDICAZÌONI 1. Metodo di controllo di un sistema di generazione di potenza elettrica, basato su almeno una sorgente di energia, in particolare una sorgente di energia rinnovabile, preferibilmente una sorgente fotovoltaica od a celle a combustibile, detto sistema funzionando secondo prestazioni di funzionamento rappresentabili da almeno una funzione indicativa delle prestazioni avente almeno un valore ottimale, il funzionamento di detto sistema essendo dipendente da almeno due parametri controllabili (X; Y), il metodo essendo caratterizzato dal fatto di perturbare i valori di detti almeno due parametri controllabili (X; Y) secondo le seguenti fasi: a) assumere preliminarmente, per ognuno di detti almeno due parametri controllabili (X; Y), un segno (SX, SY) di perturbazione selezionato tra un segno positivo ed un segno negativo come segno delia immediatamente precedente perturbazione del rispettivo parametro controllabile, ed assumere un parametro controllabile corrente selezionato tra detti almeno due parametri controllabili (X; Y); b) effettuare una o più perturbazioni del parametro controllabile corrente con il medesimo segno di perturbazione corrente fintantoché viene rilevato che, dopo ogni singola perturbazione, una distanza tra un valore di detta almeno una funzione indicativa delle prestazioni da detto almeno un valore ottimale diminuisce, mentre quando viene rilevato che detta distanza aumenta, eseguire la fase c); c) assumere come parametro controllabile corrente un parametro controllabile selezionato tra detti almeno due parametri controllabili (X; Y) differente da quello perturbato nella fase b); d) assumere come segno di perturbazione corrente del parametro controllabile corrente il segno opposto al segno della immediatamente precedente perturbazione dello stesso parametro controllabile corrente, e tornare alla fase b).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che, nella fase c), il parametro controllabile corrente (X; Y) viene perturbato di una rispettiva quantità di perturbazione corrente dipendente da detta distanza tra un valore rilevato di detta almeno una funzione (P; ΔΡ) indicativa delle prestazioni da detto almeno un valore ottimale {PWrgei}·
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che, neila fase b), prima di ogni perturbazione del parametro controllabile corrente (X; Y), viene verificato che il funzionamento di detto sistema soddisfi uno o più vincoli di funzionamento, e quando viene rilevato che almeno uno dì detti uno o più vincoli è violato, il metodo esegue la fase c).
4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui il sistema di generazione di potenza elettrica comprende una sorgente fotovoltaica (1) collegata ad un dispositivo invertitore a singolo stadio, comprendente mezzi interruttori (M1-M4), a sua volta collegato ad una rete elettrica (2) a corrente alternata ad almeno una fase, di pulsazione <3⁄4„<}, in cui i mezzi interruttori (M1-M4) connettono periodicamente, con periodo Tsminore del periodo Tgndcorrispondente alla pulsazione <BgriC|, la sorgente (1 ), atta a fornire in uscita una tensione vg(t) di valore medio Vg, alla rete (2) in modo che la corrente iD(t) di uscita di ciascuna fase del dispositivo invertitore è in fase con la tensione vD(t) deila medesima fase della rete (2) il cui valore massimo è V0,max, i mezzi interruttori (M1-M4) essendo controllati da mezzi elettronici controiiori (10, 20) operanti secondo un controllo su singolo ciclo di commutazione dei mezzi interruttori (M1-M4), il dispositivo invertitore vedendo una induttanza L in uscita e comprendendo un sensore di rilevazione di una corrente di uscita del dispositivo invertitore avente guadagno Rscollegato in serie alia rete (2), i mezzi elettronici controllori (10, 20) comprendendo: - un circuito integratore (9) azzerabile avente una costante -rdi tempo tale che r<Ts, il cui ingresso riceve un segnate in tensione (Vc-Κ9<*>ν9) pari alla differenza tra una tensione Vcdi controllo ed una tensione proporzionale secondo un primo fattore K9alla tensione vg(t) in uscita dalla sorgente (1), - mezzi comparatori (14), atti a fornire in uscita un segnale indicativo delia comparazione tra una tensione [Rs'io(t)3 fornita da detto sensore di rilevazione di una corrente di uscita e la somma del segnale in uscita dal circuito integratore (9) con una tensione [K-v0(t)] proporzionale secondo un secondo fattore K alla tensione v0(t) della rete (2), e - mezzi generatori (11 , 12, 13) atti a ricevere il segnale di uscita dei mezzi comparatori (14) ed un segnale indicativo della fase della rete (2) per fornire uno o più segnali di controllo dei mezzi interruttori (M1-M4), il sistema di generazione di potenza elettrica essendo tale da soddisfare i seguenti vincoli di funzionamento:

- il segnale di ingresso al circuito integratore (9) è sempre positivo, - in ogni istante di tempo, la tensione in ingresso al dispositivo invertitore è maggiore della tensione in uscita da esso, e

P0(S) è la potenza media di uscita dal dispositivo per un insieme S di condizioni di funzionamento, P g,MPp(Smax) è la massima potenza erogabile dalla sorgente (1), a è un primo coefficiente di sovraccarico, con a ≥ 1 , e γ è un secondo coefficiente, con γ < 1 , il metodo essendo caratterizzato dal fatto che detta almeno una funzione indicativa delle prestazioni del sistema è una potenza fotovoltaica generata dal sistema, dal fatto che detto almeno un valore ottimale è una massima potenza fotovoltaica generabile dal sistema, e dal fatto che detti almeno due parametri controllabili sono selezionati dal gruppo comprendente il guadagno Rsdel sensore di rilevazione di una corrente di uscita del dispositivo invertitore, la costante τ di tempo, la tensione V0di controllo, il primo fattore Kg, ed il secondo fattore K.
5 Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui il dispositivo invertitore a singolo stadio è collegato, invece che ad una rete elettrica (2) a corrente alternata ad almeno una fase, ad un carico in corrente alternata ad almeno una fase, di pulsazione ω , ed in cui la tensione v0(t) è, invece della tensione di una fase della rete (2), una tensione di riferimento di una fase di detto carico.
6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che il sistema di generazione di potenza elettrica è tale da soddisfare altresì almeno uno dei seguenti due vincoli di funzionamento; - la tensione Vcdi controllo ed il primo fattore Kgsono tali che

dove AVgè l’ampiezza picco-picco dell’oscillazione della tensione vo(t); - Il secondo fattore K è tale che
7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che detti almeno due parametri controllabili consistono in o comprendono la tensione Vcdi controllo ed il secondo fattore K.
8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il sistema di generazione di potenza elettrica è un Sistema di Celle a Combustibile, o FCS (Fuel Cell System), comprendente una pila (23) di celle, alla quale un compressore (20) fornisce aria pressurizzata, una pressione all'interno della pila (23) essendo regolata da una velocità ωtmddel compressore (20) e da una apertura β di una valvola (26) di contropressione, o back pressure, il sistema comprendendo un controllore (60) che riceve da una o più tabelle (51) di consultazione, o lookup, rispettivi valori nominati detta velocità ωW e della apertura β corrispondenti ad un valore bersaglio Ptargeti potenza di uscita del sistema, il metodo essendo caratterizzato dal fatto che detta almeno una funzione indicativa delle prestazioni è una potenza Pneldi uscita generata dal sistema, dal fatto che detto almeno un valore ottimale è i! valore bersaglio Ptarget di potenza, e dal fatto che detti almeno due parametri controllabili consistono in o comprendono ta velocità del compressore (20} e l'apertura β della valvola (26) di contro-pressione.
9. Metodo secondo la rivendicazione 8, quando dipendente dalla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti uno o più vincoli di funzionamento sono selezionati dal gruppo comprendente i seguenti tre: - la velocità del compressore (20) non differisce dal rispettivo valore nominale per più di un primo valore di soglia, - detta pressione all’Interno della pila (23) non eccede un rispettivo valore massimo, e - l’apertura β della valvola (26) di contro-pressione non differisce dal rispettivo valore nominale per più di un secondo valore di soglia.
10. Dispositivo controllore (60) di un sistema di generazione di potenza elettrica, basato su almeno una sorgente di energia, in particolare una sorgente di energia rinnovabile, preferibilmente una sorgente fotovoltaica od a celie a combustibile, detto sistema funzionando secondo prestazioni dì funzionamento rappresentabili da almeno una funzione indicativa delle prestazioni avente almeno un valore ottimale, il funzionamento di detto sistema essendo dipendente da almeno due parametri controllabili (X, Y) dal dispositivo controllore, il dispositivo controllore essendo caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi elettronici di elaborazione in grado di eseguire il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9.