BRPI0715350A2 - controle para fonte de alimentaÇço para gerador de energia - Google Patents
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Abstract
CONTROLE PARA FONTE DE ALIMENTAÇçO PARA GERADOR DE ENERGIA. Descreve-se um sistema (100) para conexão de uma coluna de células combustí- veis junto a uma rede AC proporcionando energia para a mesma, em que, um barramento DC com voltagem regulada (110) é fornecido para ser acopíado junto á coluna de células combustíveis, um inversor bidirecional (120) é acoplado ao barramento DC (110), devendo este acoplamento se dar entre o barramento DC (110) e a rede AC. Pelo menos, uma carga auxiliar DC (130) da coluna de células combustíveis é fornecida acoplada junto ao barramento DC (110). Fornece-se um conversor de DC para DC (140) entre a coluna de célula combustíveis e o barramento DC (110).
Description
"CONTROLE PARA FONTE DE ALIMENTAQAO PARA GERADOR DE ENERGIA" A presente invengao refere-se a geragao de energia. Em particular, a presente in- vengao volta-se a sistemas para controle da conexao de uma coluna de celulas combusti- veis e uma rede de corrente alternada (AC).
Antecedentes da Invencao
As celulas combustiveis podem compreender uma solu^ao Litil1 eficaz e ambiental- mente amiga quanto a geragao de energia. Elas apresentam muito poucas partes moveis, sendo a Ita me rite eficientes na conversao de energia contida no combustivel em forma de eletricidade utilizavel, e, em alguns casos, calor termico utilizavel. As celulas combustiveis geram corrente direta (DC). Em geral, uma celula combustivel gera uma corrente direta a uma voltagem da ordem de 1V, e, quando operando sob carga, entre 0,3V e 0,8V. As alte- Γβςδβε de voltagem dependem dos para met ros operacionais das celulas combustiveis e da carga extraida.
Em geral, a energia de uma celula combustivel e insuficiente para atender aos re- quisites de demanda por carga eletrica em referencia as aplica9des a que as celulas com- bustiveis se destinam. Dessa maneira, as mijltiplas celulas combustiveis sao conectadas conjuntamente para formarem uma coluna de celulas combustiveis, com a preferencia por se conectar eletricamente as celulas combustiveis em um arranjo em serie. Uma coluna de celulas combustiveis inclui itens adicionais, como ο ar e rede de tubulagoes para ο combus- tivel e mecanismos para a obtengao da Iibera^ao de energia eletrica a partir da coluna de celulas combustiveis.
Um sistema de celulas combustiveis iricorpora, pelo menos, um tipo dessas colunas de celulas combustiveis, bem como os componentes para manuseio do ar e do combustivel (tal como um ventoinha，valvules e filtros), um sistema de controle, e os circuitos eletronicos de forga para viabilizarem que a energia eletrica da celula combustivel seja convertida na forma correta, fazendo acionar a carga eletrica ou as cargas as quais se encontra conecta- da. Tais cargas eletricas podem compreender cargas sob corrente direta (cargas DC) ou cargas sob corrente alternada (cargas AC). Exemplos de tais cargas incluem baterias, bom- bas e ventoinhas，motores, redes dominantes Iocais1 redes Iocais e redes nacionais.
As colunas de celulas combustiveis podem ser empregadas para ο fornecimento de eletricidade junto a uma "rede" de Corrente Alternada (AC) (tal como a rede nacional do Reino Unido). As "redes" alternativas podem incluir geradores ou inversores avulsos conec- tados junto a uma fonte DC, e de fato, em qualquer sistema AC. Tais sistemas de celulas combustiveis, quando conectados a rede, disponibilizam uma rede de gera^ao de energia distribuida, e apresentam-se, particularmente iiteis para ο fornecimento de energia extra junto a rede em horarios de pico por demanda por energia, quando a rede encontra-se sob pesada carga de trabalho. Dada a sua natureza operacional, que riecessitam que combusti- vel e ar sejam providenciados junto a celula combustivel sob as devidas condigdes de tem- pera tura, e em algumas situagoes, de pressao, os sistemas de celulas combustiveis nao reagem instantaneamente para iniciar e interromper ο fornecimento de geragao de energia. Em contrario, eles apresentam periodos de "eleva^ao" e "declinio", entre se apresentarem completamente desligados e em suas plenas capacidades operacionais. Alem do mais, os sistemas de celulas combustiveis necessitam de dispositivos auxiliares, que possibilitam a operagao das colunas de celulas combustiveis. Exemplos de tais dispositivos auxiliares dao conta de ventoinhas, que mantem a temperatura operacional nos seus niveis corretos, e bombas de combustivel, que fornecem ο combustivel ate as colunas de celulas com bust i- veis capacitando-as a gerarem energia e tudo ο mais. Devido a que a coluna de celulas combustiveis gera voltagem DC, e a rede necessita de voltagem AC, necessita-se da con- versao da energia DC feita pelo sistema de celulas combustiveis quando for fornecer ener- gia a uma rede. Devido ao tempo de ascendencia de uma coluna de celula combustivel, ocorrerao oportunidades em que as cargas auxiliares deverao ser energizadas a partir da rede, de modo que elas sempre possam ser supridas com a energia operacional, mesmo quando a coluna de celulas combustiveis nao estiver oferecendo energia.
Sumario da Invencao
A presente invengao busca superar ou atenuar’ pelo menos, algumas das desvan- tagens associadas com ο estado anterior da tecnica. As modalidades da invengao fornecem um barramento DC acoplado entre, pelo
menos, uma celula combustivel e uma rede AC. As modalidades da invengao fornecem uma carga auxiliar DC, que pode representar uma carga parasita compreendendo, pelo menos, de uma celula combustivel, acoplada e acionada a partir do barramento DC.
Nas modalidades da invengao, um conversor de DC para DC e proporcionado en- tre, pelo menos, uma celula combustivel e ο barramento DC. Esta condigao pode transfor- mar a voltagem gerada, pelo menos, por uma celula combustivel para a voltagem a ser con- duzida atraves do barramento DC. Nas modalidades, ο conversor DC para D.C escalona a voltagem, elevando-a, a partir de uma saida de voltagem desregulada，pelo menos, advinda de uma celula combustivel, ate a uma voltagem regulada conduzida atraves do barramento DC, que sera mais elevada do que a voltagem liberada, pelo menos, de uma celula com- bustivel. O conversor de DC para DC pode ser um transformador de alta frequencia, por exemplo，com uma frequencia entre 20 KHz e 100 KHz. Diferentes tipos de conversores DC/DC podem ser utilizados, incluindo, mas nao se estando limitado, aos de meia ponte, ponte total ou equilibrada. Em uma modalidade, faz-se emprego de uma ponte total com um transformador de isolamento.
Nas modalidades da invengao, ο barramento DC tem a voltagem regulada. Nas
modalidades da invengao, um inversor bidirecional e fornecido entre ο barramento DC e a rede AC. Nas modalidades da inven?§o，ο inversor bidirecional pode controlar a voltagem no barramento DC, e dessa forma proporcionar a regulagem da voltagem. Nas modalidades da inven^io ο inversor bidirecional e disposto de modo a regular a voltagem no barramento DC quando ο sistema e conectado junto a rede AC1 viabilizando a regulagem.
Nas modalidades da invengao, a carga auxiliar DC compreende de uma carga pa- rasita advinda, pelo menos, de uma celula combustivel, ou seja’ uma carga que e requerida para que, pelo menos, uma celula combustivel funcione. Nas modalidades da ϊηνβηςέίο, a carga auxiliar DC inclui uma ventoinha para, pelo menos, uma celula combustivel. Nas mo- dalidades, a carga auxiliar inclui uma bomba de combustivel para, pelo menos, uma celula combustivel.
Nas modalidades da invengao, ο sistema inclui um barramento DC com voltagem regulada conectado entre um conversor de DC para DC e um inversor bidirecional, ο inver- sor bidirecional sendo tambem conectado junto a rede AC, e ο conversor DC para DC tam- bem sendo conectado a, pelo menos, uma celula combustivel, em que, pelo menos uma carga auxiliar DC advinda, pelo menos, de uma celula combustivel apresenta-se conectada junto ao barramento DC com voltagem regulada. O sistema podendo, portanto, ser concebi- do de maneira significativamente menor, e mais Ieve, ao custo de uma Iigeira perda da efici- encia.
Atraves do fornecimento de carga(s) auxiliar(es) DC , pelo menos, advinda(s) de uma celula combustivel no barramento DC, evita-se a transformagao de, pelo menos, uma celula combustivel gerando corrente a partir da corrente direta (DC) para a corrente alter- nada (AC) dominante, e dai, de volta a corrente direta (DC) para acionamento das cargas auxiliares. Desta forma, um Cinico estagio de conversao se faz necessario para acionamento da carga DC, seja advinda a partir, pelo menos, de uma celula combustivel, ou a partir da rede AC.
Alem do mais, caso as cargas auxiliares DC sejam energizadas a partir de uma sa- id a desregulada advinda, pelo menos, de uma celula combustivel, ao inves, a partir do bar- ramento DC, durante a fase de inicializagao, quando a celula combustivel nao esta gerando qualquer energia, ο sistema podera funcionar na condigao reversa, acionando as cargas conectadas junto a celula combustivel. Neste caso, um elemento de contato se fara neces- sario para se evitar a aplicagao de uma voltagem indesejavel junto a celula combustivel. Tais elementos de contato sao, em regra, grandes，de custo elevado e barulhentos.
As cargas DC posicionadas em um sistema de energia DC desregulado sao, geral- mente，projetadas para uma gama particular de voltagens DC (por exp.’ de 40-60V) que se acoplam com a condi^ao operacional da(s) celula(s) combustivel(eis). Contudo, isto significa que caso sejam produzidas uma unidade de energia Iigeiramente mais alta，por exemplo, com a presenga de mais camadas, ou entao, uma unidade com a mesma said a de energia, porem a uma razao de voltagem e energia diferentes, deva-se proceder a uma nova remo- delagem da(s) carga(s) DC.
Alem do que, de maneira a ter-se a voltagem DC desregulada acionando os dispo- sitivos parasitas, com a energia advinda da rede AC1 ο estagio DC/DC deve ser bidirecional. Isto auxilia significativamente no custo e na complexidade do sistema. Nas modalidades da presente inven^ao, pode ser empregado um conversor de DC para DC unidirecional.
Nas modalidades da inveng§o，a regulagem da voltagem no barramento DC e ba- seada na voltagem media, ao inves de se fazer ο controle da voltagem para que ela perma- nega exatamente constante. Em uma modalidade para uso em que a rede AC apresenta uma frequencia de 50Hz, superposta na voltagem regulada encontra-se uma corrente pul- sante da ordem 10V a 100Hz. Esta provisao e feita devido a que a energia em fase Linica e sempre fornecida, de fa to, a 100Hz; ο barramento DC e empregado para fazer esta fi Itra- gem, de modo que ο que e extraido da eeluIa combustivel nao passe de corrente direta (DC) pura.
Nas modalidades da invengao, pelo menos, conecta-se uma carga auxiliar AC no Iado da rede AC do inversor bidirecional. A carga auxiliar AC pode representar uma carga auxiliar da coluna de celulas combustiveis.
Nas modalidades da inven?ao, um dispositivo de armazenagem da energia eletrica e co门ectado junto ao barramento DC. O dispositivo de armazenagem pode ser conectado ao barramento DC por um conversor com corrente controlavel DC/DC: ο conversor DC. Podem ser fornecidos mais do que um dispositivo de armazenagem, conforme ο necessario.
Em uma modalidade da inven^ao, um segundo barramento DC com voltagem regu- lada pode ser fornecido externamente ao sistema para a conexao de uma coluna de celulas combustiveis junto a uma rede AC. O barramento DC externo pode ser conectado junto ao barramento DC com voltagem regulada do sistema. Um ou mais dispositivos de armazena- gem podem ser conectados a este barramento DC adicional via um ou mais conversores DC/DC. Alem do mais, ο barramento DC pode apresentar um sistema de celulas de com- bustiveis a mais conectado ao mesmo. O sistema de celulas combustiveis adicional pode ser diferente da coluna de celulas combustiveis descrita acima. Nas modalidades da inven- gao sao providenciados tan to ο dispositivo de armazenagem interna como ο externo. Nas modalidades da invengao, os miiltiplos dispositivos de armazenagem e/ou de colunas de celulas combustiveis podem ser fornecidos externamente ao sistema.
O dispositivo de armazenagem pode ser um ou mais de um, ou compreender mais baterias, capacitores, volantes ou outros tipos de dispositivos de armazenagem de energia.
Operacionalmente, para as modalidades da invengao, ο sistema pode operar em modos diferentes. Em um primeiro modo, a energia DC com voltagem regulada pode ser fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar DC advinda, pelo menos, de uma celula combustivel a partir de uma rede AC, via um barramento DC com voltagem regulada. Em um segundo modo, a energia DC com voltagem regulada pode ser fornecida, pelo menos, para uma carga auxiliar DC a partir de, pelo menos, uma celula combustivel, via ο barra- mento DC com voltagem regulada. Nas modalidades da invengao, em um primeiro sub- modo do primeiro modo, a energia e fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar DC a partir somente da rede AC. Nas modalidades da invengao, em um segundo sub-modo do primeiro modo, a energia e fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar DC a partir, tanto da rede AC e de, pelo menos, uma celula combustivel. O primeiro sub-modo do primeiro modo pode ocorrer quando, pelo menos, uma referida celula combustivel nao se encontrar produzindo qualquer energia. O segundo sub-modo do primeiro modo pode ocorrer quando, pelo menos, uma referida celula combustivel encontrar-se produzindo menos energia do que, pelo menos, uma daquelas referidas cargas auxiliares DC extraidas. Quando ο sistema encontra-se no segundo modo, a energia pode ser fornecida a rede AC a partir de, pelo me- nos, uma celula combustivel. O segundo modo pode ocorrer quando, pelo menos, uma refe- rida celula combustivel encontrar-se produzindo mais energia do que, pelo menos, uma das cargas auxiliares DC extraidas. O sistema pode operar tambem em um terceiro modo em que ο sistema de geragao de energia de celula combustivel encontra-se isolado da rede AC e a voltagem do barramento DC e regulada atraves do conversor de DC para DC. A volta- gem do barramento DC pode ser regulada entre as voltagens 300 e 500 volts DC. A volta- gem do barramento DC pode ser regulada em torno de 400 volts DC. A inicializagao do sis- tema pode ser tambem energizada a partir de um ou mais dispositivos de armazenagem, caso sejam fornecidos. Neste modo, a energia pode ser fornecida para aquela, pelo menos, uma carga auxiliar DC a partir de um ou mais dispositivos de armazenagem, ao inves da rede AC, durante a iriicializagao da coluna de celula combustivel.
Portanto, de acordo com um primeiro aspecto da inven?ao, e fornecido um sistema para a conexao de uma coluna de celulas combustiveis junto a uma rede AC para a provi- sao de energia ao mesmo de acordo com a reivindicagao 1. De acordo com um segundo aspecto da presente inven^ao, proporciona-se um metodo conforme ο estabelecido pela reivindica^ao 14.
Breve Descricao dos Desenhos
Descreve-se adiante modalidades da inven^ao, basicamente como formas de e- xemplos, com referencia aos desenhos de acompanhamento, aonde:
a Figura 1a apresenta um sistema de controle esquematico de acordo com uma primeira modalidade da invengao;
a Figura 1b apresenta um sistema de controle esquematico de acordo com uma va- riante da primeira modalidade;
a Figura 2a apresenta um sistema de controle esquematico de acordo com uma se- gunda modalidade da invengao;
as Figuras 2b e 2c mostram variantes da segunda modalidade;
a Figura 3 mostra um diagrama esquematico do fluxo de energia nos varios modos de operagao do sistema da Figura 2a; e a Figura 4 mostra um diagrama esquematico do criterio de intercambio para os dife-
rentes modos operacionais do sistema das Figuras 2a e 3.
Descricao Detalhada das Modalidades da Invericao
A Figura 1a apresenta um diagrama esquematico de um sistema de acordo com uma modalidade da invengao. O sistema 100 inclui um barramento DC com voltagem regu- Iada 110 a ser acoplado junto a uma coluna de celula combustivel (que pode compreender de uma ou mais celulas combustiveis), um inversor bidirecional 120 conectado junto ao bar- ramento DC 110，e a ser conectado entre ο barramento DC 110 e uma rede AC, e, pelo me- nos, uma carga auxiliar DC 130 da coluna de celulas combustiveis acoplada ao barramento DC 110. Um conversor intensificador de DC para DC 140 e fornecido entre a coluna de celu- las combustiveis e ο barramento DC. O conversor DC para DC 140 isola a coluna de celulas combustiveis a partir do barramento DC e procede ao escalonamerito da voltagem desregu- Iada a partir da coluna de celulas combustiveis para uma voltagem regulada no barramento DC. Embora uma iinica carga auxiliar DC 130 seja mostrada no presente relatorio, deve-se entender que mais cargas auxiliares poderiam ser ainda conectadas junto ao barramento DC 110.
A carga auxiliar DC 130 extrai energia a partir do barramento DC 110. Dependendo da operagao do sistema 100，a energia para a carga auxiliar 130 pode ser fornecida junto ao barramento DC, sendo retirada pela carga auxiliar DC 130 a partir da coluna de celulas combustiveis, da rede AC, ou de uma combinagao de ambas. O conversor bidirecional 120 regula a voltagem no barramento DC 110. Na presente modalidade, a regulagem da volta- gem no barramento DC e baseada na voltagem ponderada, ao inves do controle da volta- gem ser mantido exatamente constante. Apresentando-se superposta a voltagem regulada temos uma corrente pulsante da ordem de 10V a 100Hz. Faz-se esta concepgao devido a que a energia em fase Cinica e, em fato, fornecida a 100Hz; ο barramento DC e utilizado pa- ra a filtragem desta frequencia, de forma que ο que se e extraido da celula combustivel seja pura corrente direta (DC).
A Figura 1b apresenta uma variagao do sistema de controle de acordo com a pri- meira modalidade. Nesta variante, componentes semelhantes sao referenciados com iguais numerals de referencia. Nesta variante, que corresponde ao discutido ariteriormente em re- Iagao a Figura 1a，fornece-se um conversor DC/DC 150 a mais, que e conectado ao barra- mento DC com voltagem regulada 110. Um dispositivo de armazenagem de energia eletrica 160 apresenta-se conectado ao barramento DC 110 via um conversor DC/DC 150 a mais. Na presente modalidade, ο dispositivo de armazenagem compreende de um sistema de ba- terias. Contudo, outros dispositivos de armazenagem poderiam incluir capacitores, volantes ou outros dispositivos que poderiam ser do conhecimento de um especialista na area.
A Figura 2a apresenta uma segunda modalidade da inveng§o. A segunda modali- dade e similar a primeira modalidade, e compartilha das caracteristicas mostradas na pri- meira modalidade. Portanto, e fomecido um barramento DC 210, cuja voltagem e regulada por um inversor bidirecional 220. Na presente modalidade, ο inversor bidirecional 220 e mostrado em uma maneira simplificada e compreende de um conversor de AC para DC. Uma carga auxiliar DC 230 e conectada junto ao barramento DC 210. Ainda, como para a primeira modalidade, deve-se apreciar que, cargas auxiliares adicionais podem ser tambem conectadas ao barramento DC 210. Por exemplo, uma bomba de combustivel, e/ou outras cargas auxiliares podem ser tambem fornecidas no barramento DC.
Um conversor de DC para DC 240 e fornecido entre uma coluna de celulas com- bustiveis 250 (que pode compreender de uma ou mais celulas combustiveis) e ο barramento DC 210, que acopla a coluna de celulas combustiveis 250 junto ao barramento DC 210. O conversor de DC para DC 240 e unidirecional, ou seja, viabilizando que a energia escoe somente a partir da coluna de celulas combustiveis 250 em diregao ao barramento DC 210， sem permitir que a energia advinda do barramento DC 210 retorne de volta a coluna de ce- lulas combustiveis 250. As colunas de celulas combustiveis adequadas da presente modali- dade apresentam capacidade operacional para a produgao de Iiberagao de energia em torno de 10KW. A voltagem da coluna de celulas combustiveis e variavel dependendo dos fatores discutidos abaixo em relagao a operacionalidade do sistema.
Nesta modalidade, a carga auxiliar DC 230 compreende de um motor sem carvao DC, que e mostrado como um motor de tres-fases, e que pode, por exemplo, compreender de uma ventoinha para a coluna de celulas combustiveis 250. Podem ser fornecidas cargas auxiliares DC alternativas ou adicionais. Fornece-se tambem uma carga auxiliar AC 270, que em bora nao apresentada neste tipo de fungao na presente modalidade, pode compre- ender tambem de uma carga parasita da coluna de celulas combustiveis 250. Podem ser fornecidas ainda tambem cargas auxiliares AC. A carga auxiliar AC 270 e acoplada junto a rede AC 280.
Uma chave de comutagao 285 e fornecida para isolar ο sistema 200 da rede AC 280. Na modalidade, a carga auxiliar AC 270 e isolada da rede AC 280 quando a chave de comuta?ao 285 encontra-se aberta; a carga auxiliar AC 270 nao se apresenta no Iado da rede AC da chave de comutagao isolante 285. Alternativamente, caso seja preciso, a chave de comutagao 285 pode ser rearranjada ( ou ser fornecida uma chave de comutagao a mais) de modo que as cargas auxiliares AC nao se apresentam isoladas da rede AC quando a
chave de comuta?ao encontra-se aberta. Um filtro 290 e fornecido entre a rede AC 280 e ο inversor bidirecional 220.
Fomece-se um controlador 300, ο qual faz ο controle da coluna de celulas combus- tiveis 250, do conversor de DC para DC 240, do inversor bidirecional 220 e do filtro 290. Em uma modalidade, ο controlador 300 e dividido em dois elementos de controle 300A, 300B distintos. O primeiro elemento 300A controla a coluna de celulas combustiveis 250, as car- gas DC 230 e ο controlador de DC para DC 240 com uma opgao de controlar a carga auxili- ar AC 270. O segundo elemento 300B controla ο inversor bidirecional 220, e a chave de co- rn utagao 285, etc. Os dois elementos do controlador 300 podem ser separados, e terem condi?5es de funcionarem de modo independente dentro do controle geral do sistema 200. Os elementos de controle 300A, 300B podem se comunicar entre si.
As Figuras 2b e 2c mostram duas variagoes da segunda modalidade. Componentes semelhantes entre as figuras sao referidos por numerals de referenda semelhantes. A vari- ante mostrada na Figura 2b corresponde aquela mostrada na Figura 2a, com excegao de que um conversor de DC para DC 310 e conectado junto ao barramento DC 210. Um dis- positivo de armazenagem da energia eletrica 320 e conectado junto ao barramento DC 210 via ο conversor de DC para DC 310. O conversor de DC para DC 310 inclui tambem um controlador, para controlar a transferencia de energia entre ο dispositivo de armazenagem 320 e ο barramento DC 210. O controlador no conversor de DC para DC 310 e acoplado junto ao controlador 300. A Figura 2c mostra uma variante na segunda modalidade em que um conversor de
DC para DC 310a e fornecido, acoplado junto ao barramento DC 210, e tambem acoplado a um barramento DC 410 a mais, externo ao sistema 200. Um ou mais dispositivos de arma- zenagem DC 320a sao conectados a um barramento DC 410 a mais. Adicionalmente, ou alternativamente, um ou mais sistemas de celulas combustiveis podem ser conectados a um barramento DC 410 adicional.
A Figura 3 apresenta uma vista esquematica do fluxo de energia em um sistema de acordo com a Figura 2a nos diferentes modos de operagao. As setas na Figura indicam a dire^ao do escoamento da corrente em cada modo. A discussao refere-se aos elementos do sistema 200 mostrados na Figura 2a atraves de seus numerals de referencia. Em um primeiro modo, ο fluxo da corrente e a operagao do sistema 200 da Figura
2a sao apresentados quando a coluna de celulas combustiveis 250 encontra-se produzindo menos energia do que as cargas auxiliares DC 230 requerem de maneira a terem condig5es operacionais. Esta situagao poderia vir a ocorrer, em geral, durante, por exemplo, na iniciali- zagao ou fechamento da coluna de celulas combustiveis 250. Nesta situagao, qualquer e- nergia gerada pela coluna de celulas combustiveis 250 (a qual pode ser nenhuma, caso a coluna nao esteja operando em um primeiro sub-modo do primeiro modo) e fornecida junto ao barramento DC 210 via ο conversor de DC para DC 240. O primeiro elemento 300A do controlador 300 esta no controle mestre e dita a corrente extraida, com base nos requisitos para inicializagao/fechamento da celula combustivel. O conversor DC/DC 240 e controlado pelo primeiro elemento 300A do controlador 300 para a retirada da quantidade necessaria de corrente a partir da coluna de celulas combustiveis 250 aonde esta ocorrendo ο abaste- cimento de alguma energia, em um segundo sub-modo do primeiro modo, e em diregao ao barramento DC 210，assegurando-se assim que nenhuma energia DC advinda da rede AC 280 seja bombeada para ο interior da coluna de celulas combustiveis 250.
A energia restante requerida para as cargas auxiliares DC 230 e fornecida ao bar- ramento DC 210 pelo inversor bidirecional 220 a partir da rede AC 280. O inversor bidirecio- nal 220 e controlado pelo segundo elemento 300B do controlador 300 para regular ο barra- mento DC 210, na presente modalidade, a uma voltagem de 400V, variando a corrente de entrada AC a partir da rede 280 (o sistema encontrando-se no modo de controle de corren- te, com ο fa tor de corre^ao de energia fornecido, conforme discussao adiante). As cargas auxiliares AC 270 sao energizadas diretamente a partir da rede AC 280. Em um segundo modo, ο fluxo da corrente e a operagao do sistema 200 da Figura
2a sao mostrados quando a coluna de celulas combustiveis 250 encontra-se produzindo mais energia do que a requerida para as cargas auxiliares DC 230. Esta situagao ocorre, em geral, quando a coluna de celulas combustiveis 250 encontra-se em opera^ao normal. Nesta situa9ao, ο primeiro elemento 300A do controlador 300 controla a coluna de celulas combus- tiveis 250 para controlar qual corrente a coluna de celulas combustiveis 250 deveria produ- zir, com base, por exemplo，nas demandas do usuario, no horario do dia, em outras opera- g5es aguardadas quanto a demanda，etc. O controlador 300 regula ο escoamento de com- bustivel, ο fluxo do ar e outros requisitos concomitantes. O controlador de DC para DC 240 e controlado para extrair esta certa quantidade de corrente a partir da celula combustivel e fluindo ao barramento DC 210. No segundo modo, ο inversor encontra-se, novamente, no modo de controle da corrente, a rede AC ajusta a voltagem e frequencia e ο inversor bidire- cional impulsions a corrente para a rede AC em fase.
O inversor bidirecional 220 e controlado pelo controlador 300 para regular ο barra- mento DC 210 para 400V variando a corrente de said a AC. O sistema e configurado de mo- do que nao venha a sintonizar com as osciIag5es dominantes 2 χ da frequencia (100Hz no Reino Unido) que estao presentes no barramento DC 210. Parte da energia Iiberada a partir do conversor bidirecional 220 e empregada para energizar as cargas auxiliares AC 270，e ο restante e Iiberado para a rede AC 280.
Em um terceiro modo, ο sistema 200 da Figura 2a e isolado da rede atraves da a- bertura da chave de comutagao de isolamento 285. O sistema 200 funciona, entao, na forma de uma ilha local’ desconectado da rede AC 280. O inversor bidirecional 220 funciona, en-
tao, em um modo de controle de voltagem, em que e controlado pelo controlador 300 para gerar uma Yede' local atraves da definigao da voltagem e frequencia, fornecendo energia para a carga auxiliar AC 270. O conversor de DC para DC 240 e agora utilizado para regular ο barramento DC 210 a 400V，e controlado para fornecer a energia correta para fazer fun- cionar a carga auxiliar DC 230. O primeiro elemento 300A do controlador 300 e agora um componente indexado e reage a corrente direta (DC) atraves da variagao do escoamento de combustivel, escoamento do ar e outros parametros do sistema concomitantes.
No quarto modo, ο sistema se encontra desligado. Neste modo, a corrente direta e as cargas AC 230，270 estao desligadas. Nenhuma energia e retirada da col una de celulas combustiveis 250. O barramento DC 210 encontra-se desregulado, ο inversor 220 esta des- ligado e as fontes de alimentagao auxiliares (nao mostradas) encontram-se ativas e ο con- trolador 300 e energizado.
Em geral, ο sistema e configurado de modo que ο ponto mais baixo de oscila^ao no barramento com voltagem regulada e maior do que ο pico da voltagem AC dominante. Este pico pode ser definido como ponto de ajuste, ou pode ser monitorado e a voltagem regulada para se garantir que a voltagem regulada nao seja maior do que um pico instantaneo da voltagem dominante.
A Figura 4 apresente um diagrama esquematico do criterio de intercambio entre os diferentes modos operacionais do sistema das Figuras 2a e 3. Quando ο sistema 200 en- contra-se no primeiro modo e a energia advirida da coluna de celulas combustiveis 250 tor- na-se maior do que aquela extraida pela carga auxiliar DC 230，por exemplo, durante a ini- cializa^ao da coluna de celulas combustiveis 250，ο sistema ira comutar para ο segundo modo uma vez que a coluna de celulas combustiveis 250 dao inicio ao abastecimento de mais energia do que ο necessario para as cargas auxiliares DC 230. Quando ο sistema 200 encontrar-se no segundo modo, por exemplo, conforme possa ocorrer durante ο fechamento da coluna de celulas combustiveis 250，com a energia proporcionada pela coluna de celulas combustiveis 250 caindo a um nivel abaixo do requerido pela carga auxiliar DC 230，ο sis- tema 200 comutara para ο primeiro modo. De modo a se evitar que ο sistema 200 permane- 9a "flutuando" entre ο primeiro e segundo modos, ο sistema inclui alguma forma de histerese proporcionando um intervalo entre ο momento de detecgao da mudanga na distribuigao de energia e ο momento de comutagao entre os modos. A "flutuagao" pode ser evitada tam- bem, por exemplo, permitindo-se somente uma transigao por ciclo dominante.
No caso do sistema 200 encontrar-se operando no segundo modo, e sendo detec- tado que a rede AC 280 foi perdida e ο sistema 200 encontra-se ilhado, este sistema 200 comuta do segundo modo para ο terceiro modo. Ao contrario, quando a rede AC 280 for detectada como tendo sido restaurada, ο sistema 200 comuta de volta do terceiro para ο segundo modo.
O sistema pode se deslocar para ο quarto modo, desligado, a partir de qualquer ou- tro modo, conforme ο necessario. Fazendo referencia agora a Figura 2a, os componentes do sistema 200 da Figura 2a operam da forma como se segue. Quando ο sistema 200 encontra-se operando no se- gundo modo, ο inversor bidirecional 220，que e fornecido como um conversor de AC para DC, e controlado para entrega de uma corrente senotdal em fase com a voltagem dominante na rede AC 280. O inversor bidirecional 220 forma esta configuragao fazendo a variando do ciclo de tarefas de um sinal modulado pela Iargura de pulso (PWM). O filtro 290 e proporcio- nado para retificar a saida a partir do inversor bidirecional 220 pegando ο componente de alta frequencia do sinal PWM e deixando-o em forma senoidal sublimada para ser Iiberado junto a rede AC 280.
A energia instantanea sendo entregue a rede AC 280 compreende ο produto da vol- tagem e da corrente, ambas as quais represeritam alternancias a frequencia dominante (50HZ no Reino Unido). A energia resultante e, por conseguinte, uma onda de seno2，que representa uma onda de seno ao quadrado a frequencia dominante, com a oscilagao entre zero e duas vezes a energia media. A energia, e, por consequencia, a corrente extraida da coluna de celulas combustiveis 250, e pura corrente direta (DC), ou seja, nao se encontra exposta a qualquer frequencia AC, seja a energia ou a frequencia da corrente. De maneira a se alcangar isto de forma simples, ο conversor de DC para DC 240 e controlado na forma de uma fonte de corrente, e impulsiona a energia de modo filtrado a partir da coluna de celulas combustiveis 250 ate ο barramento DC 210. O conversor DC/DC escalona a voltagem da coluna de celula combustiveis 250 para um maior nivel de voltagem que seja mais elevado do que ο pico da voltagem da rede AC 280. Conforme ja discutido, este pico da voltagem dominante pode ser determinado em uma variedade de maneiras. Na presente modalidade， ο conversor de DC para DC 240 opera atraves da conversao da corrente direta advinda da coluna de celulas combustiveis 250 para uma corrente alternada a alta frequencia, passan- do-a atraves de um transformador para uma nova voltagem e，dai, retificando-a de volta pa- ra corrente direta (DC). O conversor DC/DC 240，portanto, assegura que a voltagem no bar- ramento Dc 210 permanega constante, muito embora a voltagem advinda da coluna de celu- las combustiveis 250 varie, e，portanto, apresente-se desregulada.
De modo a se chegar a um balango de energia no barramento DC 210，um banco de capacitores ou outros tipos de dispositivos ou sistemas de armazenagem de energia po- dem ser empregados (os quais podem ser posicionados no interior do conversor AC para DC 230), retirando e abastecendo a corrente junto ao barramento DC 210, proporcionando duas vezes mais a saida de energia na frequencia dominante requerida como a saida ne- cessaria. A voltagem no barramento DC 210 ira variar ao dobro das voltagens dominantes uma vez que a energia seja alimentada e absorvida nos capacitores, tipicamente, dando-se entre 390V e 410V. A voltagem media no barramento DC 210 e mantida atraves do balan- ceamento da energia extraida a partir da coluna de celulas combustiveis 250 junto a energia media entregue a rede AC 280.
Na modalidade presente, a carga auxiliar DC 230 compreende de um motor sem carvao DC, ο qual e enrolado para voltagens elevadas. Atraves da utilizagao de um sistema de uma modalidade da ίηνβηςβο, e possivel se evitar ο emprego de um transformador a mais, e as eta pas de conversao adicionais, para vir a se gerar a baixa voltagem, tipicamente utilizada no abastecimento dos motores sem carvao DC, basicamente, entre 24 V ou 48 V, tanto a partir de uma alta voltagem DC ou AC, ο que reduz as perdas devido a conversao de energia, bem como a quantidade de componentes, ο custo e ο tamanho do sistema 200， aumentado a sua eficiencia.
Quando ο sistema 200 encontra-se operando no primeiro modo, pelo menos, parte da energia para as cargas auxiliares DC 230 devem advir da rede AC 280. Caso isto seja feito atraves do fornecimento de um retificador de ponte para a conversao dos fatores domi- nantes para DC e de um capacitor de retificagao, uma forma de onda distorcida de corrente seria retirada da rede AC 280, ο que viria a ter-se necessidade por um circuito ativo para se fazer esta corregao. Tal circuito poderia fazer uso de um intensificador de voltagem entre a saida do retificador de ponte e do capacitor de retificagao para configurar ο carater senoidal da corrente de entrada extra ida. Tal conjunto de circuitos adicional aumentaria ο tamanho e custo do sistema. Na presente modalidade, ο inversor 220 e ο filtro 290 podem ser empre- gados ao re verso. No primeiro modo, as chaves de comutagao do inversor 220 sao contra- Iadas de maneira que a parte extra ida da corrente a partir da rede AC 280 apresente-se co- mo uma senoide, e proporcione um fator de corregao de energia ativo junto a carga auxiliar DC 230，prevenindo ο inversor 220 de induzir harmonicos de volta a rede AC 280. Os indu- tores no interior do filtro 290 (que no segundo modo fiItram a saida para a remogao do sinal PWM) sao empregados em conjunto com as chaves de comutagao no inversor 220 para proporcionarem uma intensificagao da voltagem. Novamentej ο banco de capacitores no inversor 220 dobra a absorvem e alimentam em dobro ο componente de frequencia da rede AC de energia. A carga auxiliar DC 230 pode, portanto, operar de modo normal a partir do barramento DC 210. A carga auxiliar DC 230 torna-se, portanto, "insensivel" para se ο sis- tema 200 encontra-se operando no primeiro ou segundo modo, ou seja, se ο barramento DC esta recebendo energia a partir da coluna de celulas combustiveis 250，da rede AC 280，ou de uma combinagao de ambas.
Nos sistemas mostrados nas Figuras 2b e 2c, ο dispositivo de armazenagem de energia eletrica pode ser utilizado, ao inves, ou entao, em conjunto, com a rede AC durante ο seu Iigamento e a interrupgao da coluna de celulas combustiveis.
Foram descritas no presente relatorio modalidades da invengao em uma maneira
nao limitadora, como forma de exemplo, e deve-ser apreciar que muitas alternativas, omis- s5es, substitui?5es e adiQdes podem ser feitas por um especialista da area, tais alternati- vas, omissdes, substitui90es e adigoes inserindo-se dentro do escopo da invengao. Deve-se apreciar que as modalidades da invengao podem ser utilizadas e incorporadas em aplica- goes para geragao da energia distribuida, geragao de micro-energia, geragao de energia em grande escala ou para grandes aplica^oes, tal como em usinas nucleares ou usinas de for- ga. Alem do mais, conforme discutido anteriormente, a rede AC pode ser uma rede local, ou pode representar um gerador ou um inversor independente conectado junto a uma fonte DC, ou seja, a qualquer sistema que conduza AC.
A menos que de outra forma explicitamente dito de forma contraria pelo contexto, as palavras "compreende", "compreendendo" e elementos do genero, sao empregados no relatorio de uma maneira inclusiva, ao irives de uma maneira exclusiva ou exaustiva，que seria na forma de se expressar “incluindo, mas nao se estando Iimitado a’·
Claims (32)
1. Sistema para conexao de uma coluna de celula combustivel junto a uma rede AC para ο fornecimento de energia ao mesmo, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: um conversor de DC para DC a ser acoplado junto a coluna de celula combustivel; um barramento DC com voltagem regulada acoplado ao conversor de DC para DC; um inversor bidirecional acoplado ao barramento DC, e a ser acoplado entre ο bar- ramento DC e a rede A C: e pelo menos, uma carga auxiliar DC da coluna de celula combustivel acoplada ao barramento DC.
2. Sistema, de acordo com a reivindicagao 1, CARACTERIZADO pelo fato do in- versor bidirecional compreender de um conversor de AC para DC.
3. Sistema, de acordo com a reivindicagao 1 ou a reivindicagao 2, CARACTERIZADO pelo fato do inversor bidirecional ser disponibilizado para regulagem da voltagem no barramento DC.
4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicaQ5es anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do inversor bidirecional ser disponibilizado para regular a vol· tagem no barramento DC quando ο sistema se apresentar conectado junto a rede AC.
5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindica^oes anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do conversor de DC para DC ser disponibilizado para regular a voltagem no barramento DC.
6. Sistema, de acordo com a reivindicaQao 5，CARACTERIZADO pelo fato do con- versor de DC para DC ser disponibilizado para regular a voltagem no barramento DC quan- do ο sistema nao se apresentar conectado a rede AC.
7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagdes anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda, pelo menos, uma carga auxiliar AC conectada no Iado da rede AC do inversor bidirecional.
8. Sistema, de acordo com a reivindicagao 7, CARACTERIZADO pelo fato da carga auxiliar AC compreender de uma carga auxiliar da coluna de celula combustivel.
9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindica^des anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do sistema ser disponibilizado para fornecimento de energia DC a, pelo menos, uma carga auxiliar DC, via ο barramento DC, pelo menos, parcialmente a partir da rede AC quando a coluna de celulas combustiveis nao estiver proporcionando sufi- ciente energia para, pelo menos, aquela uma carga auxiliar DC.
10. Sistema, de acordo com a reivindicagao 9，CARACTERIZADO pelo fato do in- versor bidirecional ser adaptado para fornecimento do fator de corre?ao de energia ativa junto a carga auxiliar DC quando a carga auxiliar DC e acionada, pelo menos, parcialmente, a partir da rede AC.
11. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicag5es anteriores, CARACTERIZADO pelo sistema ser disponibilizado para fornecer energia a, pelo menos, aquela uma carga auxiliar DC, via ο barramento DC, a partir da coluna de celulas combusti- veis quando a coluna de celulas combustiveis encontra-se fornecendo energia suficiente para, pelo menos, aquela uma carga auxiliar DC.
12. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda, pelo menos, um dispositivo de arma- zenagem de energia eletrica acoplado junto ao barramento DC.
13. Sistema, de acordo com a reivindicagao 12, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda um conversor de DC para DC adicional, acoplado entre ο barramento DC e ο dispositivo de armazenagem de energia eletrica.
14. Metodo para controle de um sistema de geragao de energia, CARACTERIZADO pelo fato de incluir uma coluna de celulas combustiveis suprindo uma rede AC, com ο metodo compreendendo ο fornecimento de energia a um barramento DC com voltagem regulada, e, pelo menos, uma carga auxiliar DC da coluna de celulas combus- tiveis conectada junto ao barramento DC, em que: em um primeiro modo, a energia DC com voltagem regulada e fornecida para, pelo menos, aquela uma carga auxiliar DC a partir da rede AC, via ο barramento DC com volta- gem regulada; e em um segurido modo, a energia DC com voltagem regulada e fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar DC a partir da coluna de celulas combustiveis, via ο barramento DC com voltagem regulada.
15. Metodo1 de acordo com a reivindicagao 14，CARACTERIZADO pelo fato de que em um primeiro sub-modo do primeiro modo, a energia e fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar DC a partir somente da rede AC.
16. Metodo, de acordo com a reivindicagao 15，CARACTERIZADO pelo fato de que em um segundo sub-modo do primeiro modo, a energia e fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar DC a partir tanto da rede AC e da coluna de celulas combustiveis.
17. Metodo, de acordo com a reivindicagao 15 ou 16，CARACTERIZADO pelo fato do primeiro sub-modo do primeiro modo ocorrer quando a coluna de celulas combustiveis nao estiver produzindo qualquer energia.
18. Metodo, de acordo com a reivindicagao 16, CARACTERIZADO pelo fato do se- gundo sub-modo do primeiro modo ocorrer quando a coluna de celulas combustiveis estiver produzindo menos energia do que, pelo menos, uma das cargas auxiliares extraidas.
19. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes de 14 a 18， CARACTERIZADO pelo fato de que no primeiro modo, a voltagem do barramento DC e re- gulada por um conversor AC para DC entre a rede AC e ο barramento DC.
20. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes de 14 a 19, CARACTERIZADO pelo fato de que no segundo modo a voltagem do barramento DC e re- gulada por um conversor AC para DC entre a rede AC e ο barramento DC.
21. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindica?5es de 14 a 20, CARACTERIZADO pelo fato de que no segundo modo, a energia e fornecida para a rede AC a partir da coluna de celulas combustiveis.
22. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindicagdes de 14 a 18， CARACTERIZADO pelo fato de que ο segundo modo ocorre quando a coluna de celulas combustiveis encontra-se produzindo mais energia do que, pelo menos, uma das cargas auxiliares DC extraidas.
23. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindicag5es de 14 a 22， CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda um terceiro modo em que ο sistema de geragao de energia e isolado da rede AC e a voltagem do barramento DC e regulada pelo conversor de DC para DC.
24. Metodo, de acordo com a reivindicagao 23, CARACTERIZADO pelo fato de que no terceiro modo, uma rede AC local e fornecida atraves de um conversor de AC para DC entre a rede AC local e ο barramento DC.
25. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindicag5es de 14 a 24, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda um quarto modo aonde nenhuma ener- gia e retirada da coluna de celulas combustiveis, nao sendo energizadas quaisquer cargas auxiliares com a energia sendo fornecida a um controlador de sistema.
26. Metodo, de acordo com a reivindicagao 25, CARACTERIZADO pelo fato de que no quarto modo, a energia e tambem fornecida para, pelo menos, uma carga auxiliar AC do sistema.
27. Metodo, de acordo com qualquer uma das reivindicagoes de 14 a 26, CARACTERIZADO pelo fato de que a voltagem do barramento DC encontra-se entre 300 e 500 volts DC.
28. Metodo, de acordo com a reivindicagao 27，CARACTERIZADO pelo fato da vol- tagem do barramento DC encontrar-se em torno de 400 volts DC.
29. Sistema, CARACTERIZADO pelo fato de ser substancialmente descrito com re- ferenda a qualquer um dos desenhos de acompanhamento da invengao.
30. Metodo, CARACTERIZADO pelo fato de ser substancialmente descrito com re- ferencia a qualquer um dos desenhos de acompanhamento da invengao.
31. Dispositivo de geraQao de energia, CARACTERIZADO pelo fato de compreen- der de um sistema de acordo com qualquer uma das reivindicagdes de 1 a 13.
32. Dispositivo de geragao de energia, de acordo com a reivindicagao 31， CARACTERIZADO pelo fato do dispositivo ser configurado para produzir calor com capac卜 dade de utilizacao
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