BR102016017984A2 - dispositivo conversor cc/ca e sistema de geração e conversão de energia adaptada para produzir e fornecer energia ca para uma grade ca monofásica - Google Patents
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Abstract
dispositivo conversor cc/ca e sistema de geração e conversão de energia adaptada para produzir e fornecer energia ca para uma grade ca monofásica. dispositivo conversor cc/ca, para a conversão de energia cc de uma fonte de energia cc em energia ca para a alimentação de uma carga e/ou grade da concessionária, adaptado para controlar automaticamente a quantidade tanto de energia elétrica ativa quanto reativa que é trocada com a grade da concessionária a fim de otimizar o consumo de energia elétrica da micro-grade.
Description
DISPOSITIVO CONVERSOR CC/CA E SISTEMA DE GERAÇÃO E CONVERSÃO DE ENERGIA ADAPTADA PARA PRODUZIR E FORNECER ENERGIA CA PARA UMA
GRADE CA MONOFÁSICA
Campo técnico da invenção [001] A presente invenção se refere a um dispositivo conversor CC/CA e a um sistema de geração e conversão de energia que compreende tal dispositivo conversor CC/CA. Em particular, mas não exclusivamente, a presente invenção se refere aos sistemas de conversão de CC/CA de energia elétrica gerada por sistemas fotovoltaicos e adaptados para serem conectados diretamente à rede elétrica.
Estado da técnica [002] A geração distribuída de energia é baseada na integração de geradores de energia de pequeno e médio porte que utilizam tecnologias de geração de energia novas e renováveis - tais como a solar, eólica e células de combustível - para fornecer energia aos usuários locais e uma grade elétrica. Enquanto as usinas elétricas convencionais, tais como as plantas movidas a carvão, gás e as nucleares, bem como hidrelétricas e usinas de energia solar em grande escala, são centralizadas e muitas vezes necessitam que a energia elétrica seja transmitida para os usuários através de longas distâncias, os sistemas de geração distribuída são descentralizados, modulares, mais flexíveis e localizados próximos à carga que atendem, apesar de apresentarem capacidades menores.
[003] Os sistemas de geração distribuída em geral empregam uma ou mais micro-grades para geração de energia. As micro-grades são sistemas de geração de energia localizados que operam em conexão com a rede elétrica. As ditas micro-grades podem funcionar tanto conectadas quanto desconectadas da rede principal. Quando elas são conectadas à rede principal, fornecem energia à dita rede principal e às cargas conectadas, quando elas são desconectadas da rede principal, funcionam de forma autônoma em um modo isolado, alimentando apenas a carga conectada.
[004] Um exemplo de micro-grade é baseado em inversores solares, amplamente utilizados para a geração de energia elétrica em sistemas de geração distribuída através da conversão da energia solar coletada por painéis de células solares. Os ditos conversores solares são adaptados para converter a tensão de entrada CC gerada a partir dos painéis de células solares em uma tensão de saída CA caracterizada pela amplitude e frequência, tal como exigido pelas especificações da rede de energia. A conversão CC/CA fornecida pelos ditos conversores solares em geral compreende dois estágios: uma primeira conversão CC/CC para aumentar e regular a tensão CC dos painéis de células solares, e uma segunda conversão CC/CA para fornecer a energia CA solicitada. A primeira conversão CC/CC é em geral realizada por um conversor elevador CC/CC enquanto que a dita segunda conversão é em geral realizada por um conversor CC/CA baseado em um inversor por modulação de largura de pulso (PWM) de alta frequência. As mesmas topologias também são empregadas com sucesso com entrada de energia CC a partir de turbinas eólicas ou células de combustível.
[005] De um lado os sistemas de geração distribuída oferecem grande flexibilidade e meios para gerenciar o consumo de energia elétrica da rede elétrica através da produção de energia elétrica local na micro-grade (rede local). A energia elétrica ativa produzida na micro-grade pode ser consumida localmente ou fornecida à rede pública, reduzindo assim o consumo total de energia elétrica da rede pública.
[006] Por outro lado, a micro-grade não é tão conveniente com relação à energia elétrica reativa.
[007] Em circuitos de corrente alternada (CA), a energia reativa é definida como a porção de energia devida à energia armazenada em capacitores e indutores do circuito, a qual retorna à fonte em cada ciclo. Se a carga alimentada pela dita fonte for puramente resistiva, a tensão e a corrente da carga estarão em fase, a cada instante, o produto da tensão e corrente será positivo, o que indica que a direção do fluxo de energia não se inverte, e a energia sobre a carga só será do tipo ativo. Se a carga alimentada pela dita fonte for puramente reativa, ou seja, compreender apenas indutores ou capacitores, então a tensão e a corrente serão 90 graus fora de fase. Para a metade de cada ciclo, o produto da tensão e corrente é positivo, mas na outra metade do ciclo, o produto é negativo, o que indica que, em média, o montante exato de energia que flui para a carga flui de volta. Não há fluxo líquido de energia ao longo de um ciclo. Neste caso, apenas o fluxo de energia reativa, e não há transferência de energia ativa para a carga. Nos casos práticos as cargas apresentam resistência, indutância e capacitância, para que a potência tanto ativa quanto reativa flua para as cargas reais. Neste caso, a potência aparente é muitas vezes medida, que é a grandeza da soma do vetor de energia ativa e reativa. A proporção entre a energia ativa (geralmente medida em Quilowatts kW) e potência aparente (geralmente medida em Quilovolts-ampéres, kVA) é chamada de fator de potência. O fator de potência varia de 0 (para circuitos compreendendo apenas indutores ou capacitores) a 1 (para circuitos que compreendem apenas resistores).
[008] As grades das redes elétricas fornecem a energia ativa para seus usuários e também gerenciam o fluxo de energia reativa. O fluxo de energia reativa, principalmente devido aos motores elétricos e aos reatores de lâmpadas fluorescentes, influencia fortemente os níveis de tensão e as perdas em toda a rede, portanto, o fluxo de energia reativa deve ser cuidadosamente controlado e limitado para permitir que um sistema de energia seja operado adequadamente, minimizando as perdas de energia da rede e, finalmente, a quantidade de gases de efeito estufa que são liberados na atmosfera.
[009] O gerenciamento da energia reativa é um custo para a concessionária de energia elétrica e, portanto, os usuários podem ser cobrados caso as cargas que eles alimentam sejam como as que causam quantidades significativas de energia reativa. Isso é conhecido como "taxa de fator de potência". As concessionárias de energia elétrica normalmente especificam em seus contratos de fornecimento um fator de potência limite inferior para a carga do usuário que não deve ser superado a fim de não incorrer nos custos de energia reativa trocada entre o usuário e a concessionária de energia elétrica.
[0010] Alternativamente, os usuários podem ser solicitados pela concessionária de energia elétrica para produzir uma certa quantidade de energia reativa a fim de permanecer dentro dos limites do fator de potência solicitado e não ser cobrado por superá-los.
[0011] No caso das micro-grades, o problema com a energia reativa é pior do que para usuários normais. De fato, as micro-grades produzem energia ativa, que é consumida tanto localmente quanto enviada para a rede elétrica. Quando a energia produzida pela micro-grade é consumida localmente para abastecer as cargas locais, a energia ativa drenada pela rede elétrica diminui ao passo que a energia reativa trocada com a dita rede elétrica permanece inalterado. Como resultado, o fator de potência (igual à relação entre a energia ativa e potência aparente) também diminui, possivelmente, abaixo do limite permitido pela concessionária e, portanto, uma "multa por fator de potência" pode ser aplicada ao usuário da micro-grade.
[0012] Alguns dos sistemas de conversão CC/CA do estado da arte oferecem o controle de energia reativa: no caso da concessionária precisar ajustar o equilíbrio de energia reativa através de sua rede e emitir um pedido para limitar a energia reativa total a uma micro-grade, o usuário pode alterar o modo de operação do sistema de conversão CC/CA da micro-grade, a fim de limitar a energia reativa de acordo com a norma aplicável, tal como, por exemplo, as normas CEI-021 ou VDE AR-N4105.
[0013] À luz da situação descrita acima, existe uma necessidade de um dispositivo conversor CC/CA melhorado, para a conversão de energia CC de uma fonte de energia CC em energia CA para a alimentação de uma carga e ou da grade da concessionária, enquanto consegue o controle automático da quantidade de energia reativa que é trocada com a dita grade da concessionária. Fornecido com controle automático de energia reativa, o dispositivo conversor CC/CA não terá que receber um pedido, pelo gerenciador da concessionária, para fornecer energia reativa a fim de manter o fator de potência acima de um limiar pré-determinado. A energia reativa das cargas locais da micro-grade será controlada e equilibrada em tempo real, no ponto de conexão com a rede, sem a necessidade de intervenção por parte do usuário. Além disso, o conteúdo harmônico da energia CA produzida será em conformidade corrigido e reduzido.
[0014] Portanto, um objetivo da presente invenção é o de introduzir um dispositivo conversor CC/CA melhorado, para a conversão de energia CC de uma fonte de energia CC em energia CA para a alimentação de uma carga e/ou à grade da concessionária, adaptado para controlar de forma automática a quantidade da energia elétrica tanto ativa quanto reativa trocada com a grade da concessionária, de modo a otimizar o consumo de energia elétrica da micro-grade.
[0015] Em termos de energia ativa, a otimização do uso de energia elétrica da micrograde significa: - a maximização da quantidade de energia CC de dita fonte de energia renovável que é convertida em corrente alternada; - a maximização do chamado auto-consumo, definido como a relação entre a fração de energia auto-produzida (ou seja, energia produzida dentro da micro-grade) que é consumida pelo usuário e a quantidade total de energia auto-produzida; - a minimização da troca de energia reativa entre a micro-grade e a grade da concessionária.
[0016] Em termos de energia reativa, a otimização do uso da energia elétrica da micrograde significa manter o fator de potência acima de um limite pré-determinado.
[0017] Outras características e vantagens da presente invenção serão evidentes na descrição a seguir de uma forma de realização não limitativa, com referência às figuras nos desenhos acompanhantes, que são diagramáticos e ilustram blocos funcionais que são adaptados para ser feitos de acordo com diferentes soluções de circuitos na prática. Em detalhe: - a figura 1 ilustra um diagrama esquemático de uma primeira forma de realização preferida do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção instalada em uma micro-grade residencial; - a figura 2 ilustra um diagrama esquemático de uma segunda forma de realização preferida do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção instalado em uma micro-grade residencial; - a figura 3 ilustra um diagrama esquemático de uma primeira forma de realização preferida do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, que mostra uma primeira forma de realização preferida do controlador de dito dispositivo conversor CC/AC; - a figura 4 ilustra um diagrama esquemático de uma segunda forma de realização preferida do dispositivo de acordo com a presente invenção que mostra uma segunda forma de realização preferida do controlador de dito dispositivo conversor CC/AC; - a figura 5 ilustra uma forma de realização preferida de uma seção do módulo de controle do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, o regulador de injeção de energia da grade; - a figura 6 ilustra uma forma de realização preferida de uma seção do módulo de controle do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, o regulador VAR; - a figura 7 ilustra uma forma de realização preferida de uma seção do módulo de controle do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, o regulador de consumo de energia.
Descrição detalhada da invenção [0018] O dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção é adaptado para converter uma tensão de entrada CC de uma fonte de tensão CC para uma tensão CA para alimentar uma carga CA e para ser alimentada em uma grade da concessionária, e é ainda adaptado para controlar automaticamente a quantidade de energia reativa que é trocada com a dita grade da concessionária, de modo a manter o fator de potência acima de um limiar pré-determinado.
[0019] A fonte de tensão CC pode ser, por exemplo, uma fonte renovável de energia, como um sistema fotovoltaico ou um sistema de energia eólica, mas também pode ser uma célula de combustível ou uma bateria.
[0020] A figura 1 acompanhante ilustra uma instalação típica de uma primeira forma de realização preferida do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção em uma micro-grade residencial 15. As cargas residenciais 14 podem compreender uma parte significativa reativa requerendo uma energia reativa Q3 em adição à energia ativa P3. Um medidor de energia bi-direcional 13 é adaptado para medir tanto a energia ativa P4 quanto a reativa Q4 que fluem entre a micro-grade 15 e grade da concessionária 16.
[0021] O dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção pode ler, através de uma linha de comunicação apropriada, o medidor de energia 13 e produzir uma energia ativa P2 - de preferência empregando, no caso da fonte de energia fotovoltaica, um algoritmo de MPPT, maximizando assim o fluxo de energia de dita fonte renovável PI -e uma energia reativa Q2.
[0022] O módulo de controle do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção irá produzir automaticamente a quantidade de Energia reativa Q2 necessária para equilibrar a demanda da energia reativa Q3 das cargas residenciais, cancelando assim a energia reativa Q4 que precisa ser trocada com a grade da concessionária. Desta forma, a grade da concessionária não será afetada pelas cargas reativas domésticas, a micro-grade residencial desse modo trocará apenas a energia ativa com a grade da concessionária, mantendo o fator de potência geral próximo ale evitando o custo extra da multa por fator de potência.
[0023] Com referência à figura anexa 1, uma primeira forma de realização preferida do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção compreende: - os terminais de entrada 10 adaptados para conectar a uma fonte de tensão CC 17, de preferência, compreendendo uma fonte de tensão CC renovável; - um módulo inversor adaptado para converter a tensão de dita fonte de tensão CC para uma tensão CA para o alimentação de uma carga e para fornecer a uma grade da concessionária; - um módulo de controle 12 adaptado para controlar e regular a operação de dito módulo inversor, o dito módulo de controle 12 sendo, de preferência, associado a uma interface de usuário; - os meios de medição de energia para medir a energia elétrica ativa e reativa que flui para e a partir da grade da concessionária, os ditos meios para medição de energia elétrica ativa e reativa sendo associados ao dito módulo de controle 12.
[0024] Os ditos meios para a medição da energia elétrica ativa e reativa compreendem, de preferência, um dispositivo medidor de energia bidirecional 13, adequadamente conectado ao dito módulo de controle 12, através de uma conexão de dados sem fio ou cabeada 18, para o envio e recepção de dados relacionados com as medições efetuadas e as configurações de controle.
[0025] O dito módulo inversor pode compreender um inversor CC/CA de estágio único ou um de estágio duplo, o dito inversor de estágio duplo CC/CA compreendendo um conversor CC/CC 11 e um inversor CC/CA 1 Íbis cascateado.
[0026] O conversor CC/CC é adaptado para aumentar e/ou regular a tensão CC da fonte de tensão renovável CC, a fim de torná-lo mais estável e otimizar a transferência de energia da fonte de tensão CC renovável, de preferência, empregando, no caso da fonte fotovoltaica, um algoritmo MPPT adequado (Seguidor de Ponto de Energia Máxima) de acordo com técnicas bem conhecidas na arte.
[0027] O inversor CC/CA em cascata é adaptado para converter a tensão CC de dito conversor CC/CC a montante para uma tensão de CA adaptada para ser fornecida à grade da concessionária e para alimentar as cargas CA dentro da micro-grade.
[0028] O módulo de controle 12, por meio da interação adequada com os ditos meios de medição de energia e com o dito dispositivo conversor CC/CA, é adaptado para regular a operação de dito dispositivo conversor CC/CA, a fim de: - maximizar a quantidade de energia CC de dita fonte de energia renovável que é convertida em corrente alternada; - maximizar o chamado auto-consumo, definido como a razão entre a fração de energia auto-produzida (que é a energia produzida dentro da micro-grade) que é consumida pelo usuário e a quantidade total de energia auto-produzida; - minimizar a quantidade de energia transferida a partir da micro-grade para a grade da concessionária; - minimizar a troca de energia reativa entre a micro-grade e a grade da concessionária.
[0029] A situação ideal em que a micro-grade não fornece energia para a grade da concessionária, entre outros, é muitas vezes dita como "sem exportação", "exportação zero", "injeção zero", "imissão zero à grade", etc.
[0030] Em termos gerais, o módulo de controle 12 do dispositivo de acordo com a presente invenção permite ajustar a operação de dito dispositivo conversor CC/CA de modo que a combinação do valor de energia ativa e reativa, produzida pelo dito dispositivo conversor CC/CA, e o valor da energia ativa e reativa, trocada pelo dito dispositivo conversor CC/CA com a grade da concessionária, seja aproximadamente igual a um valor desejado.
[0031] Em uma segunda forma de realização preferida do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, representado na figura acompanhante 2, o dito dispositivo conversor CC/CA compreende ainda: - o módulo carregador de bateria 19 associado e adaptado para carregar o módulo de batería - o módulo de bateria 20, adaptado para armazenar energia a partir de dito módulo inversor, durante a carga, e para fornecer energia ao dito módulo inversor durante a descarga. Em ambos os casos, o módulo de controle 12 do dispositivo de acordo com a presente invenção também consegue gerenciar para controlar a operação de dito módulo carregador de bateria 19 e a carga e descarga de dito módulo de bateria 20 a fim de maximizar o auto-consumo dentro da micro-grade: quando a energia elétrica coletada a partir de dita fonte de tensão CC 17 exceder as necessidades de energia de carga local, é então alimentada no módulo de bateria 20 e armazenada. Quando a energia elétrica coletada a partir de dita fonte de tensão CC 17 cair abaixo das necessidades de energia de carga local, então a energia armazenada anteriormente no dito módulo de bateria 20 é alimentada de volta ao dito módulo inversor para ser fornecida às cargas locais.
[0032] O dito módulo de controle 12 implementa um loop de dupla regulagem, um loop de regulagem da corrente de saída e um loop de regulagem de tensão de entrada. O loop de regulagem de corrente de saída é baseado em um controlador de corrente 31 adaptado para detectar a corrente de saída CA Iout do dispositivo conversor CC/CA e controlar a geração de corrente de saída instantânea de dito inversor CC/CA 1 Íbis de acordo com a corrente detectada. A geração de corrente de saída instantânea do inversor CC/CA llbis é controlada de modo que a corrente de saída CA siga a corrente de referência iRef.
[0033] O loop de regulagem de tensão de entrada é baseado em um controlador de tensão 30 adaptado para detectar a tensão de entrada de dito inversor CC/CA llbis (tensão de saída de dito conversor CC/CC) e controlar a geração da corrente de referência IRef com a qual a corrente Iout detectada é comparada. O loop de regulagem de tensão de entrada pode ser adaptado ainda para combinar a tensão de entrada com um ponto de referência fornecido por um algoritmo de MPPT adequado de acordo com técnicas bem conhecidas do especialista na arte.
[0034] Além disso, com referência à figura acompanhante 3, que ilustra uma primeira forma de realização preferida do dispositivo de acordo com a presente invenção, que mostra uma primeira forma de realização preferida do módulo de controle 12 de dito dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, o dito módulo de controle 12 compreende um controlador de energia ativa 21 e um controlador de energia reativa 22 colocado entre o dito loop de regulagem corrente de saída e o dito loop de regulagem da tensão de entrada.
[0035] Em maior detalhe, a figura 3 anexa mostra uma primeira forma de realização preferida de dito módulo de controle 12, que compreende: - um controlador de corrente 31 adaptado para detectar a corrente de saída CA de dito módulo inversor Iout (corrente de saída CA de dito inversor CC/CA llbis) e controlar a geração de corrente de saída instantânea de dito módulo inversor (corrente de saída CA de dito inversor CC/CA llbis) de acordo com a corrente detectada e um valor de corrente de referência iRef; - um controlador de tensão 30 adaptado para detectar a tensão de entrada de dito inversor CC/CA llbis (tensão de saída de dito conversor CC/CC) e controlar a geração da corrente de referência IRef com a qual a corrente detectada Ioirré comparada; - um controlador de energia ativa 21 adaptado para controlar a saída de energia ativa do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção e - um controlador de energia reativa 22 adaptado para controlar a saída de energia reativa do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção.
[0036] O dito módulo de controle 12 é adaptado para controlar a operação do dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção, através do fornecimento da regulagem de corrente que aciona o inversor CC/CA llbis para operar em um ou mais modos pré-definidos. Uma operação de controle de dito módulo de controle 12 detecta a corrente Iout na saída do inversor CC-CA llbis. Após isso, a corrente Iout é fornecida ao controlador da corrente 31 que compara a corrente Iout detectada e uma corrente de referência IRef. A corrente de referência IRef compreende uma magnitude de corrente e uma informação de forma de onda da corrente e ela representa a corrente que é exigida fluir para a carga 14 e para dentro da grade CA 16. De acordo com a presente invenção, a dita corrente de referência kef é gerada com a contribuição de dito controlador de tensão 30, de dito controlador de energia ativa 21 e dito controlador de energia reativa 22.
[0037] O controlador de tensão 30 é adaptado para detectar a tensão de entrada de dito inversor CC/CA llbis (tensão de saída de dito conversor CC/CC), comparar com uma tensão de referência VociinkRef e controlar a geração de uma segunda corrente de referência l2Ref.
[0038] A segunda corrente de referência l2Ref é a seguir alimentada no dito controlador de energia ativa 21 em conjunto com um valor de referência de uma primeira energia de ativa de saída PgridRef. 0 controlador de energia ativa 21 detecta, a partir de dito dispositivo de medição de energia bidirecional 13, a energia ativa de saída real Pghd e a processa juntamente com a segunda referência de corrente l2Ref e a dita primeira referência de energia ativa PgridRef para calcular uma terceira referência de corrente bRef.
[0039] A terceira referência de corrente bRef é a seguir alimentada no dito controlador de energia reativa 22 em conjunto com um valor de referência de energia reativa de saída QgridRef. O controlador de energia reativa 22 detecta, a partir de dito dispositivo de medição de energia bidirecional 13, a energia reativa de saída real Qgnd e a processa em conjunto com o segundo dado de referência Id2Ref e uma referência de energia reativa QgridRef para calcular a dita de corrente de referência iRef.
[0040] Em maior detalhe, o controlador de energia ativa 21 compreende um regulador de injeção de energia na grade 26 e um módulo de corte de corrente 27. O regulador de injeção de energia na grade 26 é adaptado para detectar, a partir de dito dispositivo de medição de energia bidirecional 13, a energia ativa de saída real Pgrid e a comparar com um valor de referência de energia ativa de saída PgridRef, o resultado é processado ainda para gerar uma primeira referência de corrente auxiliar Iüm que é alimentada no dito módulo de corte de corrente 27 para ser comparada com a dita segunda corrente de referência l2Ref gerada pelo dito controlador de tensão 30. A comparação dentro do módulo de corte de corrente 27 gera a dita terceira corrente de referência l3Ref.
[0041] O controlador de energia reativa 22 compreende um regulador VAR 28 e um módulo gerador de referência de corrente 29. O VAR regulador 28 é adaptado para detectar, a partir de dito dispositivo de medição de energia bidirecional 13, a energia reativa de saída real Qgrid e a compara com um valor de referência de energia de saída reativa QgridRef, o resultado é processado ainda para gerar uma segunda referência de corrente auxiliar Iq que é alimentada no dito módulo gerador de referência de corrente 29 para ser comparada com a dita terceira corrente de referência l3Ref gerada pelo dito controlador de energia ativa 21. O resultado dessa comparação gera a dita corrente de referência Iref para ser processada pelo dito controlador de corrente 31 para fechar o loop de regulagem de corrente de dito inversor CC/CA llbis.
[0042] As posições de dito controlador de energia ativa 21 e controlador de energia reativa 22 podem ser trocadas dentro do loop de controle do de módulo de controle 12, sem se afastar do escopo da invenção e a fim de priorizar a regulagem da energia ativa sobre a regulagem de energia reativa ou vice-versa.
[0043] Com referência à figura acompanhante 4, uma segunda forma de realização preferida do dispositivo de acordo com a presente invenção compreende ainda um módulo de bateria 20 e um carregador de bateria 19. Correspondentemente, o dito módulo de controle 12 compreende ainda um gerenciador de energia da bateria 23. O dito módulo de bateria 20 e o gerenciador de energia da bateria 23 permitem adicionar ao dispositivo conversor CC/CA de acordo com a presente invenção ainda mais flexibilidade para a otimização do consumo de energia da micro-grade.
[0044] O gerenciador de energia da bateria 23 é adaptado para controlar a operação de carga e descarga do carregador de bateria 19, de acordo com as definições e os requisitos por parte do usuário.
[0045] Se a exigência for para maximizar o auto-consumo dentro da micro-grade, quando a energia elétrica coletada a partir de dita fonte de tensão CC 17 exceder as necessidades de energia da carga local, em seguida, o gerenciador de energia da bateria 23 irá configurar o carregador de bateria 19 em seu modo de carga a fim de armazenar o excedente de energia no módulo de bateria 20. Quando ao contrário, a energia elétrica coletada a partir da dita fonte de tensão CC 17 estiver aquém das necessidades de energia de carga local, em seguida, o gerenciador de energia da bateria 23 irá ajustar o carregador de bateria 19 em seu modo de descarga, a fim de transmitir a energia armazenada anteriormente no dito módulo de bateria 20 para o dito módulo inversor a ser alimentada nas cargas locais.
[0046] Em maior detalhe e com referência à figura acompanhante 4, o gerenciador de energia da bateria 23 compreende um regulador de consumo de energia 25 e um controlador de energia da bateria 24. O regulador de consumo de energia 25 é adaptado para detectar, a partir de dito dispositivo de medição de energia bidirecional 13, a energia de saída ativa real Pgnd e a compara com um segundo valor de referência da energia ativa de saída PGridRefi. O resultado é processado ainda para gerar uma referência intermediária de energia da bateria Pmef. A dita referência intermediária de energia da bateria PiRef é a seguir alimentada no controlador de energia da batería 24 para ser comparada com a energia real da bateria PBatt, a energia a ser fornecida para ou a partir de dito módulo de bateria 20, sendo detectada pelo dito controlador de energia da bateria 24. O resultado da comparação leva à geração de uma referência de energia da bateria PeattRef que será alimentada no dito carregador de bateria 19 para fechar o loop de regulagem de energia do carregador da bateria e acionar o módulo de bateria 20 para modo de carga ou descarga de acordo com as requisições da configuração.
[0047] Em maior pormenor, com referência às figuras acompanhantes 5 a 7, o dito regulador de injeção de energia na grade 26 compreende, de preferência, um controlador proporcional-integral 50 (controlador PI), adaptado para calcular um valor de erro (Err) como a diferença entre uma variável medida do processo (Pgrid) e um ponto de ajuste desejado (PgridRef). O controlador P-I 50 tenta minimizar o dito erro por meio do ajuste do processo através do uso de sua variável manipulada de saída. Sendo que o dito controlador PI processa as variáveis e os pontos de ajuste expressos em termos de energia, um bloco multiplicador 51 é cascateado no dito controlador P-I 50 adaptado para multiplicar a variável de saída do controlador PI 50 pelo inverso da tensão da grade, a fim de chegar no primeiro valor de referência da corrente auxiliar W Além disso, um bloco de saturação 52 é, de preferência, conectado na saída do controlador P-I 50, a fim de limitar o sinal de saída de dito controlador P-I 50 em um valor máximo compatível com as características do hardware do dispositivo conversor CC/CA.
[0048] O dito módulo de corte de corrente 27 pode ser implementado por um simples comparador adaptado para detectar e fornecer o dito terceiro valor de referência da corrente de auxiliar bRef como o menor valor entre a dita primeira referência de corrente de auxiliar Inm e a dita segunda referência de corrente l2Ref.
[0049] O dito regulador VAR 28 compreende, de preferência, um controlador P-I 60 cascateado por um bloco multiplicador 61. O controlador P-I 60 processa as variáveis e os pontos de ajuste expressos em termos de energia reativa e o bloco multiplicador 61 é adaptado para multiplicar a variável de saída do controlador P-I 60 pelo inverso da tensão da grade, a fim de chegar na dita segunda referência de corrente de auxiliar Iq. O bloco de processamento 62 é adaptado para calcular a máxima energia reativa admissível como: «μ.» = V(w>2- (.py \ na qual SMax é o valor máximo de energia aparente, P é o valor real de energia ativa e Qmbx é a máxima energia reativa resultante permitida do dispositivo conversor CC/CA.
[0050] O dito módulo gerador de referência de corrente 29 compreende, de preferência, um somador de sinal senoidal adaptado para calcular a dita corrente de referência kef através da combinação de dois sinais de entrada, a dita segunda referência de corrente auxiliar Iq e a dita terceira referência de corrente auxiliar l3Ref são de acordo com a equação: ~~ ν{;ί3^ε/}2+ [0051] Finalmente, o dito regulador de consumo de energia 25 compreende, de preferência, um controlador P-I 70. O controlador P-I 70 processa as variáveis e os pontos de ajuste expressos em termos de energia ativa. Um bloco de saturação 72 é, de preferência, conectado na saída do controlador P-I 70, a fim de limitar o sinal de saída de dito controlador P-I 70 em um valor máximo compatível com as características do hardware do dispositivo conversor CC/CA.
[0052] Conforme explicado anteriormente, a energia ativa de saída real Pgrid e o valor de referência da energia ativa de saída PGridRefi são processados para gerar uma referência intermediária de energia da bateria Pmef. A dita referência intermediária de energia da bateria Pmef é a seguir alimentada no controlador de energia da bateria 24 para ser comparada com a energia real da bateria Peatt, detectada pelo controlador de energia da bateria 24. O resultado da comparação leva à geração de uma referência de energia da bateria PBattRef que será alimentada no dito carregador de bateria 19 para fechar o loop de regulagem de energia do carregador da bateria e aciona o módulo de bateria 20 para o modo carga ou descarga de acordo com as requisições da configuração.
Reivindicações
Claims (14)
1. Dispositivo conversor CC/CA compreendendo; - os terminais de entrada (10) adaptados para conectar a uma fonte de tensão CC (17); - um módulo inversor (llter) adaptado para converter a tensão de dita fonte de tensão CC para uma tensão CA para a alimentação de uma carga e para alimentar a grade da concessionária, o dito módulo inversor compreendendo um conversor CC/CC (11) e um inversor CC/CA (1 Íbis) cascateado; - um módulo de controle (12) adaptado para gerenciar e regular a operação de dito módulo inversor; - os meios de medição de energia para medir a energia elétrica ativa e reativa que flui para e a partir da grade da concessionária, os ditos meios para medição de energia elétrica ativa e reativa sendo associados ao dito módulo de controle (12); caracterizado pelo fato de que dito módulo de controle (12) compreende: - um controlador de corrente (31) adaptado para detectar a corrente de saída CA (Iout) de dito inversor CC/CA (1 Íbis) e controlar a geração de corrente de saída instantânea de dito inversor CC/CA (llbis) de acordo com a corrente detectada e com um valor de referência de corrente (iRef); - um controlador de tensão (30) adaptado para detectar a tensão de entrada de dito inversor CC/CA (llbis) e controlar a geração de dito valor de referência de corrente (IRef); - um controlador de energia ativa (21) adaptado para controlar a saída de energia ativa de dito dispositivo conversor CC/CA através do controle da geração de dito valor de referência de corrente (IRef) e - um regulador de energia reativa (22) adaptado para controlar a saída de energia reativa de dito dispositivo conversor CC/CA através do controle da geração de dito valor de referência de corrente (IRef).
2. Dispositivo conversor CC/CA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda: - um módulo carregador de bateria (19) associado a e adaptado para carregar um módulo de batería (20); - um módulo de batería (20), adaptado para armazenar energia a partir de dito módulo inversor, durante a carga, e para alimentar energia ao dito módulo inversor durante a descarga.
3. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios de medição de energia, para medir a energia elétrica ativa e reativa que flui para e a partir da grade da concessionária, compreendem um dispositivo de medição de potência bidirecional (13) conectado ao dito controle módulo (12), através de uma conexão de dados com ou sem fio (18), para enviar e receber dados relacionados com as medições realizadas e as configurações de controle.
4. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que dito módulo de controle (12) é adaptado para fornecer a regulagem de corrente que aciona o dito dispositivo conversor CC/CA para operar em um ou mais modos pré-definidos escolhidos no grupo compreendendo: - a maximização da quantidade de energia CC a partir de dita fonte de tensão CC (17), que é convertida em energia CA; - a maximização do auto-consumo, definido como a razão entre a fração de energia produzida pelo dito dispositivo conversor CC/CA que é consumida pelo usuário e a quantidade total de energia produzida pelo dito dispositivo conversor CC/AC; - a minimização da quantidade de energia transferida a partir de dito dispositivo conversor CC/CA para a grade da concessionária; - a minimização da troca de energia reativa entre o dito dispositivo conversor CC/AC e a grade da concessionária; - o ajuste da operação de dito módulo inversor de modo que a combinação do valor da energia ativa e reativa produzida pelo dito dispositivo conversor CC/CA e do valor da energia ativa e reativa trocada pelo dito dispositivo conversor CC/CA com a grade da concessionária seja igual a um valor desejado.
5. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que: - o dito controlador de tensão (30) é adaptado para detectar a tensão de entrada do dito inversor CC/CA (llbis), compará-la com uma tensão de referência (VociinkRef) e controlar a geração de uma segunda referência de corrente (l2Ref); - o dito controlador de energia ativa (21) é adaptado para detectar a energia de saída ativa real (Pgrid) a partir de ditos meios de medição de energia e para processar a dita energia de saída ativa real (Pgrid) juntamente com a dita segunda referência de corrente (l2Ref) e uma primeira referência de energia ativa (PgridRef) para calcular uma terceira referência de corrente (bRef); - o dito controlador de energia reativa (22) é adaptado para detectar a energia de saída reativa real (Qgrid) a partir de ditos meios de medição de energia e para processo a dita energia de saída ativa real (Qgrid) juntamente com a dita terceira referência de corrente (l3Ref) e uma referência da energia reativa (QgridRef) para calcular a dita referência de corrente (iRef).
6. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que: - o dito controlador de energia ativa (21) compreende um regulador de injeção de energia na grade (26) e um módulo de corte de corrente (27), o dito regulador de injeção de energia na grade (26) sendo adaptado para detectar, a partir de ditos meios de medição de energia, a energia de saída ativa real (Pgrid) e comparar com a dita energia de saída ativa real (Pgrid) com uma primeira referência de energia ativa (PgridRef) para gerar uma primeira referência de corrente auxiliar (Inm); o dito módulo de corte de corrente (27) é adaptado para comparar a dita primeira referência de corrente auxiliar (Iiim) com a dita segunda corrente de referência (l2Ref) para gerar a dita terceira referência de corrente (l3Ref); - o dito controlador de energia reativa (22) compreende um regulador VAR (28) e um módulo gerador de referência de corrente (29), o dito regulador VAR (28) sendo adaptado para detectar, a partir de ditos meios de medição de energia, a energia de saída reativa real (Qgrid) e comparar a dita energia de saída reativa real (Qgrid) com um valor de referência de energia de saída reativa (QgridRef) para gerar uma segunda referência de corrente auxiliar (Iq); o dito módulo gerador de referência de corrente (29) sendo adaptado para comparar a dita segunda referência de corrente auxiliar (Iq) com a dita terceira corrente de referência (bRef) para gerar a dita corrente de referência (Iref).
7. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações de 2 a 6, caracterizado pelo fato de que: - o dito módulo de controle (12) compreende ainda um gerenciador de energia da bateria (23), que por sua vez compreende um regulador do consumo de energia (25) e um controlador de energia da bateria (24), o dito regulador de consumo de energia (25) sendo adaptado para detectar, a partir de ditos meios de medição de energia, a energia de saída ativa real (Pgrid) e a compara com um segundo valor de referência da energia de saída ativa (PGridRefi) para gerar uma referência intermediária de energia da bateria (PiRef); o dito controlador de energia da bateria (24) sendo adaptado para detectar a energia real da bateria (PBatt) e comparar a dita energia real da bateria (Peatt) com a dita referência intermediária de energia da bateria (PiRef) para gerar uma referência de energia da bateria (PBattRef) adaptado para ser alimentada no dito carregador de bateria (19) para fechar o loop de regulagem de energia do carregador de bateria e acionar o módulo de bateria (20) para o modo de carga ou descarga de acordo com as requisições da configuração.
8. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações de 6 a 7, caracterizado pelo fato de que o dito regulador de injeção de energia na grade (26) compreende: - um controlador proporcional-integral (50) adaptado para calcular um valor de erro (Err) como a diferença entre uma variável medida do processo (Pgrid) e um ponto de ajuste desejado (PgridRef); - um bloco multiplicador (51) cascateado com o dito controlador P-I (50) e adaptado para multiplicar variável de saída do controlador P-I (50) pelo inverso da tensão da grade, a fim de gerar o dito primeiro valor de referência da corrente auxiliar W
9. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações de 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o dito módulo de corte de corrente (27) compreende um comparador adaptado para gerar o dito terceiro valor de referência de corrente auxiliar (l3Ref) como o menor dentre o dita primeira referência de corrente auxiliar (Iiim) e a dita segunda referência de corrente (bRef).
10. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações de 6 a 9, caracterizado pelo fato de que o dito regulador VAR (28) compreende: - um controlador proporcional-integral (60) adaptado para calcular um valor de erro como a diferença entre a energia reativa de saída real (Qgrid) e o valor de referência da energia reativa de saída (OaridRef) e para calcular a máxima energia reativa admissível como: na qual SMax é o valor máximo da energia aparente, P é o valor real da energia ativa e Qmbx é a energia reativa máxima resultante permitida do dispositivo conversor CC/CA; - um bloco multiplicador (61) adaptado para multiplicar a variável de saída de dito controlador proporcional-integral (60) pelo inverso da tensão de grade, a fim de gerar segunda referência de corrente auxiliar (Iq).
11. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações de 6 a 10, caracterizado pelo fato de que o dito módulo gerador de referência de corrente (29) compreende um somador de sinal senoidal adaptado para calcular a dita corrente de referência (iRef) através da combinação de dita segunda referência de corrente auxiliar (Iq) e a dita terceira referência de corrente auxiliar (bRef) de acordo com a equação:
12. Dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações de 6 a 11, caracterizado pelo fato de que o dito regulador de consumo de energia (25) compreende um controlador proporcional-integral (70) adaptado para calcular uma referência intermediária de energia da batería (PiRef) através do processamento da energia ativa de saída real (Pgrid) e do valor de referência de energia de saída ativa (PcndRefi).
13. Sistema de geração e conversão de energia adaptada para produzir e fornecer energia CA para uma grade CA monofásica caracterizado pelo fato de compreender: - uma unidade de geração de energia para a produção de energia CC; e - um dispositivo conversor CC/CA de acordo com uma ou mais dentre as reivindicações anteriores.
14. Sistema de geração e conversão de energia, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que dita unidade de geração de energia é uma unidade fotovoltaica de geração de energia.
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