ES2919853B2

ES2919853B2 - Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia

Info

Publication number: ES2919853B2
Application number: ES202130063A
Authority: ES
Inventors: Lillo David Salvo; Lillo Abelardo Salvo; Aguilar Josue Juan; Soriano Jose Luis Camps; Manez Eusebio Rodrigo
Original assignee: Power Electronics Espana SL
Current assignee: Power Electronics Espana SL
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: EP4037171B1; EP4037171C0; US20220247177A1; ES3014562T3; EP4037171A1; ES2919853A1

Description

DESCRIPCIÓN

INVERSOR SOLAR FOTOVOLTÁICO CON FILTRO DE RED SIN INDUCTANCIA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Inversores solares fotovoltaicos conectados a la red AC con transformador a red AC incluido.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

Dimensiones, peso y coste de los inversores solares fotovoltaicos, debido al elevado tamaño y peso de los componentes asociados. Estudiar topologías que reduzcan el número de componentes y optimicen su ubicación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las soluciones disponibles en la actualidad implementan un filtro tras cada uno de los módulos convertidores DC/AC, con el objetivo de conectar el equipo a red y reducir los armónicos de alta frecuencia. La topología típica de estos filtros es LCL, ya que proporciona un filtrado de armónicos mayor con menores inductancias y con una baja distorsión de la corriente de red.

Los filtros LCL están compuestos por bobinas y condensadores de grandes dimensiones y gran peso.

Las inductancias primarias son los componentes que más espacio físico ocupan y que incrementa sustancialmente el peso del módulo y del equipo. A modo orientativo, la inductancia principal de un filtro LCL tiene las dimensiones y peso que se indica a continuación:

Teniendo en cuenta este dato, las dimensiones orientativas de un inversor solar común de 6 módulos con transformador de media tensión integrado serían las siguientes:

Se trata, por tanto, de buscar una configuración que reduzca el peso y las dimensiones de un inversor solar.

Como documento que ilustra el estado de la técnica de manera general, se puede citar el documento con título “A 60-kW 3-kW/kg Five-Level T-Type SiC PV Inverter With 99.2% Peak Efficiency” de Yanjun et. Al, publicado el 04 de marzo de 2018 en “2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 20180304 IEEE”. El documento de Yanjun et al. divulga un inversor fotovoltaico en “T” con semiconductores de carburo de silicio SiC que presenta cinco niveles en vez de tres para hacer un uso más eficiente de esta tecnología. Para definir estos niveles se acoplan dos inversores de tres niveles mediante bobinas. Debido a las altas frecuencias de conmutación en el inversor de cinco niveles, estas bobinas de acoplamiento trabajan como transformadores sin carga denominados en este documento “Inter Cell Transformers”, o ICTs, que eliminan la necesidad de que la conexión a la red de alterna cuente con más inductancias adicionales.

El documento “Intercell Transformer (ICT) Design Optimization and Interphase Crosstalk Mitigation of a 100-kW SiC Filter-Less Grid-Connected PV String Inverter’ (publicado el 8 de febrero de 2020 en “IEEE Open Journal of Power Electronics, 20200208 IEEE”), también de Yanjun et al., se centra en el dimensionamiento óptimo de los “Inter Cell Transformers” introducidos en el documento anterior.

Los documentos mencionados anteriormente consiguen un inversor que no necesita una bobina adicional en la salida de alterna para actuar como filtro. Sin embargo, ninguno de ellos lo hace dimensionando el transformador de salida como se expresa en la presente invención ya que, en la práctica, lo que hacen es minimizar las perturbaciones de salida del inversor hasta el punto de que las inductancias que ya existen en el aparato son suficientes para filtrar las perturbaciones de conmutación con muy poca o nula modificación.

Por último, indicar que en la presente invención se utiliza el concepto de SCR (Short Circuit Ratio) tal y como queda definido, por ejemplo, en el Capítulo 1 del documento con apartado “Short Circuit Ratio (SCR)" y públicamente accesible en el link: https://www.nerc.com/comm/PC_Reliability_Guidelines_DL/ltem_4a._lntegrating%20_l nverter-Based_Resources_into_Low_Short_Circuit_Strength_Systems_-_2017-11-08-FlNAL.pdf

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para resolver los problemas indicados anteriormente y relacionados con el exceso de peso y volumen de los inversores solares fotovoltaicos, la presente invención aprovecha el transformador que convierte la tensión AC a la salida de los módulos de potencia en la tensión de red AC a la que está conectado el inversor solar como parte de unas nuevas topologías de filtro para la eliminación de los armónicos de alta frecuencia.

En un primer aspecto de la invención, se divulga un inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, donde el inversor es conectable a la red AC. El inversor solar fotovoltaico de la presente invención comprende:

• al menos un modulo de potencia para convertir una tensión DC de entrada en una tensión trifásica AC de salida;

• un transformador trifásico AC/AC para adaptar la tensión trifásica AC de salida del módulo de potencia a la tensión trifásica AC de la red AC, la cual tiene una inductancia “L2”; donde el transformador trifásico AC/AC comprende:

o al menos un devanado en el lado de baja tensión conectado al modulo de potencia;

o al menos un devanado en el lado de red (media tensión) conectable en serie con la red AC;

donde el devanado en el lado de baja tensión conectado al modulo de potencia junto con el devanado en el lado de red (media tensión) tienen una inductancia equivalente “Li”; y,

• un condensador “C”, conectado al devanado del lado de red (lado de media tensión) del transformador trifásico AC/AC.

La inductancia equivalente “L1” (L-) del transformador AC/AC, el condensador “C” (-C-) y la inductancia “L2” (-L) de la red AC forman un filtro de alta frecuencia tipo “LCL”, de tal forma que los valores de la inductancia equivalente “L1” y del condensador “C” se calculan en función de la respuesta en frecuencia del filtro “LCL” (que se quiere obtener) según las siguientes expresiones:

donde:

XCc: es la impedancia equivalente de los devanados del transformador trifásico AC/AC, configurable en función de la respuesta en frecuencia necesaria para el filtro LCL;

Sn: es la potencia nominal del transformador;

Vn: es el voltaje nominal del transformador en el lado de baja (lado del modulo de potencia, normalmente entre 600 y 660V);

fn: es la frecuencia de trabajo (normalmente 50 o 60Hz);

fres: es la frecuencia de resonancia del filtro LCL;

y sabiendo que:

L2 es la inductancia de la red AC que varía según el SCR (Short Circuit Ratio) según la siguiente expresión:

En una forma de realización de la invención, el inversor solar adicionalmente puede comprender “n” módulos de potencia conectados a sendos devanados (multidevanados) independientes en el lado de baja tensión del transformador trifásico AC/AC, de tal forma que la inductancia equivalente “L1” se calcula mediante:

donde “x” es la proporción de impedancia del lado de red (único; si, por ejemplo, se divide al 50% el Xcc, x=0.5), “N” es el numero de devanados del lado de baja en funcionamiento y “n” es el número total de devanados del lado de baja tensión.

El inversor de la presente invención puede comprender un BUS DC único de alimentación a los “n” módulos de potencia. El donde el BUS DC único es conectable a al menos una fuente de alimentación DC. Alternativamente, el inversor de la presente invención puede comprender un BUS DC de alimentación por cada uno de los “n” módulos de potencia, de tal forma que cada uno de los “n” módulos de potencia es conectable a sendas fuentes de alimentación DC.

En un segundo aspecto de la invención, se divulga un inversor solar fotovoltaico con filtro de red LLCL sin inductancia, donde el inversor es conectable a la red AC. El inversor solar comprende:

• un transformador trifásico AC/AC para adaptar la tensión trifásica AC de salida del módulo de potencia a la tensión trifásica AC de la red AC, la cual tiene una inductancia “Lp”; donde el transformador trifásico AC/AC comprende:

o al menos un devanado en el lado de baja tensión conectado al modulo de potencia y con una inductancia equivalente “L1”;

o al menos un devanado en el lado de baja tensión conectado a un condensador

y con una inductancia “Lc”;

o al menos un devanado en el lado de red (media tensión) conectable en serie con la red AC, donde el devanado en el lado de red tiene una inductancia equivalente “LM”; y,

• el condensador “C”.

La inductancia equivalente “L1” (L-) del transformador AC/AC, la inductancia “Lc” (-L-); el condensador “C” (-C-) y una inductancia “L2” (-L) resultado de sumar la inductancia “Lp” y la inductancia equivalente “LM”, forman un filtro de alta frecuencia con tipología “LLCL”, de tal forma que los valores de la inductancia equivalente “L1” y del condensador “C” se calculan en función de la respuesta en frecuencia del filtro “LLCL” según las siguientes expresiones:

donde:

XCc es la configurable en función de la respuesta en frecuencia necesaria para el filtro LLCL;

x: proporción de impedancia del lado de media (único; si, por ejemplo, se divide al 50% el Xcc, x=0.5);

Sn es la potencia nominal del transformador;

Vn es el voltaje nominal del transformador en el lado de baja (lado del modulo de potencia);

fn es la frecuencia de trabajo del lado de baja (normalmente 50 o 60Hz);

fres es la frecuencia de resonancia del filtro LLCL;

y sabiendo que:

L2 = L^m+ Lp , donde:

Lp es la inductancia de la red AC que varía según el SCR (Short Circuit Ratio) según la siguiente expresión:

En una forma realización de la invención, el inversor solar adicionalmente puede comprender “n” módulos de potencia conectados a sendos devanados (multidevanados) independientes en el lado de baja tensión del transformador trifásico AC/AC, de tal forma que la inductancia equivalente “L1” se calcula mediante:

donde “x” es la proporción de impedancia del lado de media (único; si, por ejemplo, se divide al 50% el Xcc, x=0.5), “N” es el numero de devanados del lado de baja en funcionamiento y “n” es el número total de devanados del lado de baja tensión.

Para la segunda forma de realización, el inversor de la presente invención puede comprender un BUS DC único de alimentación a los “n” módulos de potencia. El donde el BUS DC único es conectable a al menos una fuente de alimentación DC. Alternativamente, el inversor de la presente invención puede comprender un BUS DC de alimentación por cada uno de los “n” módulos de potencia, de tal forma que cada uno de los “n” módulos de potencia es conectable a sendas fuentes de alimentación DC.

A modo de conclusión, se enumeran las ventajas del inversor solar fotovoltaico de la presente invención:

• Empleo de un transformador como filtro. La impedancia del transformador se emplea como bobina principal del filtro:

o Eliminar bobinas Reducción de peso y coste;

• Empleo de un transformador con secundarios multi-devanado entre módulos de potencia:

o Choque de modo común entre módulos de potencia;

o Empleo de conmutaciones entrelazadas;

• Empleo de conmutaciones entrelazadas:

o Incremento de la frecuencia de interés para el diseño del filtro.

• Incremento de la frecuencia de interés del filtro:

o Reducción del carácter capacitivo del filtro empleado;

o Mayor rango de diseño del filtro (la resonancia tiene mayor rango de frecuencias en el que no genera problemas);

• Mayor rango de diseño del filtro:

o Posibilidad de empleo de la impedancia de la red como impedancia secundaria del filtro.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1.- Muestra un inversor solar fotovoltaico del estado de la técnica.

Figura 2.- Muestra la primera realización (topología 1) del inversor solar fotovoltaico según la presente invención.

Figura 3.- Muestra un filtro equivalente para el inversor mostrado en la figura 2.

Figura 4.- Muestra el diagrama de Bode del filtro resultante para el inversor de la presente invención mostrado en la figura 2 para distintas redes de conexión AC que presentan distintos valores de SCR.

Figura 5.- Muestra la segunda realización (topología 2) del inversor solar fotovoltaico según la presente invención, con un transformador multi-devanado y BUS DC común para la alimentación de los módulos de potencia.

Figura 6.- Muestra la tercera realización (topología 3) del inversor solar fotovoltaico según la presente invención, con un transformador multi-devanado y alimentación independiente de los módulos de potencia.

Figura 7.- Muestra un filtro equivalente para cualquiera de los inversores mostrados en las figuras 5 y 6 con tres módulos de potencia en funcionamiento.

Figura 8.- Muestra un diagrama de Bode para el filtro mostrado en la figura 7.

Figura 9.- Muestra la corriente en el condensador del filtro LCL para cualquiera de los inversores mostrados en las figuras 5 y 6, con tres módulos de potencia en funcionamiento.

Figura 10.- Muestra un filtro equivalente para cualquiera de los inversores mostrados en la figura 5 y 6 con dos módulos de potencia en funcionamiento.

Figura 11.- Muestra un diagrama de Bode para el filtro mostrado en la figura 10.

Figura 12.- Muestra la corriente en el condensador del filtro LCL para cualquiera de los inversores mostrados en las figuras 5 y 6, con dos módulos de potencia en funcionamiento.

Figura 13.- Muestra un diagrama de Bode para el filtro mostrado en la figura 12, con un solo módulo de potencia en funcionamiento.

Figura 14.- Muestra la corriente en el condensador del filtro LCL para cualquiera de los inversores mostrados en las figuras 5 y 6, con un módulo de potencia en funcionamiento.

Figura 15.- Muestra la cuarta realización (topología 4) del inversor solar fotovoltaico según la presente invención, con un transformador multi-devanado, un devanado dedicado al condensador, formando un filtro de tipo LLCL.

Figura 16.- Muestra un filtro equivalente para el inversor mostrado en la figura 15.

DESCRIPCIÓN DE VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Listado de referencias.

1. - inversor solar fotovoltaico del estado de la técnica;

2. - módulo de potencia del estado de la técnica;

3. - filtro LCL del estado de la técnica;

4. - etapa de potencia del estado de la técnica;

5. - transformador de baja a media tensión del estado de la técnica;

6. - red AC de media tensión (36 KV);

6a.- inductancia de la red AC;

7. - fuente de tensión DC (planta fotovoltaica, baterías, etc.);

8. - inversor solar fotovoltaico de la presente invención.

8’.- inversor solar fotovoltaico de la presente invención - Topología 1.

8” .- inversor solar fotovoltaico de la presente invención - Topología 2.

8’’’.- inversor solar fotovoltaico de la presente invención - Topología 3.

8’’’’.- inversor solar fotovoltaico de la presente invención - Topología 4.

9. - Módulo de potencia de la presente invención;

10’.- transformador de baja a media tensión de la presente invención - Topología 1; 10’’.- transformador de baja a media tensión de la presente invención - Topología 2; 10’’’.- transformador de baja a media tensión de la presente invención - Topología 3; 10’’’’.- transformador de baja a media tensión de la presente invención - Topología 4; 10a, 10b: devanado (inductancia) del primario y devanado (inductancia) del secundario del transformador, respectivamente;

10c: devanado (inductancia) del transformador de baja a media tensión específico para el condensador;

11. - condensador (banco de condensadores con un condensador por fase - trifásico); 12. - BUS DC.

La presente invención aprovecha el transformador (de baja a media tensión, por ejemplo) que convierte la tensión AC a la salida de los módulos de potencia (normalmente baja tensión sobre 600V) en la tensión de red AC (normalmente media tensión: 36KV) a la que está conectado el inversor solar como parte de unas nuevas topologías de filtro para la eliminación de los armónicos de alta frecuencia.

La figura 1 muestra un inversor 1 del estado de la técnica, donde existen varios módulos de potencia 2, cada uno de los cuales incluye la etapa de potencia 4 y el filtro LCL 3, las salidas de módulos de potencia 2 se conectan a un BUS AC común, el cual se conecta a la entrada del transformador 5 de baja a media tensión. Pues bien, la presente invención elimina el filtro 3 como tal del módulo de potencia, y añade un nuevo transformador específico que sustituye al transformador 5 para que no solo cumpla la relación de transformación de baja a media tensión, sino que además tenga un comportamiento en frecuencia equivalente a la “primera L-” del filtro “LCL”. El condensador “-C-“ se añade a la salida del nuevo transformador específico y también se ajusta/configura en función de la respuesta necesaria para el filtro “LCL”. Finalmente, la red AC hace las veces de la última “-L”, la cual depende del SCR (Short Circuit Ratio) por lo que su valores quedan acotados dentro de un rango. De esta forma se aprovechan dos elementos existentes como son el transformador de baja a media tensión y la red AC como elementos (inductancias) primero y tercero del filtro LCL, y sólo se añade el condensador para formar el filtro como segundo elemento intermedio. Esta invención tiene la ventaja de que elimina los bobinados tan pesados para formar las inductancias del filtro LCL 3 incluidas en los módulos de potencia 2 de los inversores del estado de la técnica.

La primera realización del inversor solar fotovoltaico 8’ (topología 1) se muestra en la figura 2. En esta primera realización, la topología del filtro de “LCL” del estado de la técnica se sustituye por una topología de tipo “transformador condensador”. Esta topología implica la eliminación de las inductancias trifásicas secundarias (es decir, las inductancias del bloque con referencia 3 en la figura 1 y adicionalmente el condensador del mismo bloque). El inversor solar fotovoltaico 8’ mostrado en la figura 2 es un inversor “simple” con un solo módulo de potencia 9 (sin inductancia ni condensador con el que se forma el filtro LCL del módulo de potencia del estado de la técnica), en donde el transformador 10’ y el condensador 11 están situados en el lado de la red AC 6. El filtro “LCL” se completa con la inductancia “L2” 6a que tiene la red AC en el punto de conexión. Es decir, el filtro L-C-L está formado por las inductancias del primario-secundario 10a-10b del transformador específico 10’ (L-), el condensador 11 (-C-) también específico y la inductancia 6a variable pero acotada (dentro de un rango dependiente del SCR) de la red AC (-L) 6. Las inductancias del primariosecundario 10a-10b del transformador específico 10’ tienen una inductancia equivalente L1. La impedancia del transformador ZCC está relacionada con la resistencia RCC y con la reactancia XCC mediante la expresión %cc — Rcc + j^cc y 3 su vez la reactancia X Cc está relacionada con la inductancia L-i: Xcc =

La reactancia XCC es un parámetro que tiene un cierto margen de libertad en el diseño del transformador. Por tanto, modificando la reactancia XCC, modificamos la inductancia L1 y con ello la selección y respuesta del filtro. Es decir, la respuesta del filtro se configura seleccionando los valores adecuados de “C” y “XCC”.

A continuación, se desarrolla la función de transferencia del filtro para el inversor mostrado en la figura 2, el cual tiene un filtro equivalente al mostrado en la figura 3. Concretamente, la figura 3 muestra la inductancia equivalente “L1” a las inductancias del primario 10a y secundario 10b del transformador 10’ y también se muestra el condensador “C” 11 y la inductancia equivalente de red “L2” 6a. La función de transferencia es:

La inductancia equivalente L1 viene determinada por el transformador.

Datos del transformador:

- Vf-fn = 660V (lado de baja)

- Sn = 1,209 MVA

- Xcc = 8%

- fn = 50Hz

Por tanto:

La inductancia L2 viene determinada por la red. Para un SCR definido [2;5;10;30], se obtiene:

191; 96; 32]\iH

El condensador “C” se diseña para obtener la atenuación deseada en la frecuencia de conmutación del inversor (se considera 3kHz). Para ello se decide la frecuencia de resonancia de este. Fijándola a 1200Hz, se tiene:

322; 414; 782]\iF

Una vez calculado lo anterior, se puede diseñar un condensador único que valga para todo el rango de diseño. Por ejemplo, escogiendo C=350pF:

1151; 1306; 1794]Hz

Con los cálculos anteriores, se obtiene el diagrama de Bode (ver figura 4) del filtro resultante para el inversor de la presente invención para los valores de SCR indicados anteriormente.

La segunda forma de realización del inversor 8” (topología 2) de la presente invención se muestra en la figura 5. El inversor 8” mostrado en la figura 5 es un inversor modular sin inductancias ni condensador con el que se forma el filtro LCL del módulo de potencia del estado de la técnica. El inversor 8” tiene el transformador 10” con multidevanado 10a, más el condensador 11 en el lado de red. En el lado de DC 7, los tres módulos de potencia 9 están conectados a sendos devanados independientes 10a de entrada del transformador 10” , estando los tres módulos de potencia 9 alimentados con BUS DC 12 común a todos ellos procedente de la fuente DC 7 como puede ser una planta solar fotovoltaica. Las funciones y ventajas del inversor 8” son:

• Elevar/ajustar tensión AC entre inversor y red AC;

• Inductancia diferencial para filtrado de corrientes AC (junto con condensador en el lado de red)

• Choque de modo común: permite que varios módulos de potencia trabajen con un BUS DC común sin corrientes de recirculación de modo común. Funcionamiento entrelazado de módulos de potencia.

La tercera forma de realización 8’” (topología 3) del inversor de la presente invención se muestra en la figura 6. El inversor 8’’’ mostrado en la figura 6 de forma semejante al mostrado en la figura 5, es un inversor modular sin inductancias ni condensador con el que se forma el filtro LCL del módulo de potencia del estado de la técnica. El inversor 8’’’ tiene el transformador 10’’’ con multi-devanado 10a, más el condensador 11 en el lado de red AC 6. La única diferencia respecto del inversor mostrado en la figura 5, está en que tiene buses DC independientes. Es decir, en el lado de corriente continua DC, cada una de los tres módulos de potencia 9 tiene una alimentación 7 independiente que por ejemplo, pueden ser distintos campos solares fotovoltaicos o una configuración híbrida con entradas para campo solar fotovoltaico y baterías. Las funciones y ventajas del inversor 8’’’ son las mismas que las del inversor 8’’ mostrado en la figura 5.

A continuación se detalla en modelo equivalente del filtro para los inversores solares fotovoltaicos 8’’ y 8’’’ de la presente invención mostrados en las figuras 5 y 6, respectivamente. En la figura 7 se observa el transformador 10’’ o 10’’’ representado como una inductancia L1 por cada uno de los devanados a los que se conectan sendos módulos de potencia 9. De este modo se puede analizar el modelo equivalente del transformador 10’’ o 10’’’ para los distintos casos de uso (de uno a tres módulos de potencia 9 en funcionamiento). En la figura 7 también se muestra el condensador “C” 11 y la inductancia de red “L2” 6a.

Cuando se trabaje con este modelo, será necesario definir el ^{X Cc} del primario (X cr^ i) y del secundario ( X^c). Como primera aproximación, se puede asumir que el Xcc se divide a partes iguales entre primario y secundario (X = X ^ c = 0.5 • Xcc).

La ecuación genérica en función del número de módulo de potencia para calcular L1 es la siguiente:

donde “x” es la proporción de impedancia del lado de media (único), “N” es el numero de devanados del lado de baja en funcionamiento y “n” es el número total de devanados del lado de baja.

Se recuerda la expresión para la inductancia de la red AC “L2”, que varía según el SCR (Short Circuit Ratio), según la siguiente expresión:

• TRES módulos de potencia en funcionamiento.

A continuación se analiza el caso de tres módulos de potencia en funcionamiento cuando el inversor tiene tres módulos de potencia. Teniendo en cuenta lo anterior, la impedancia de cada devanado de secundario es tres veces (número de devanados “n”=3); dicho valor (X ~ dev = 1.5 • Xcc). De este modo se puede definir:

Cuando se trabaja con tres módulos de potencia 9, el funcionamiento es similar al caso del inversor 8’ de la primera realización de la invención mostrado en la figura 2 cuyo filtro equivalente se puede llevar a cabo de forma semejante a lo descrito para la figura 3. La principal diferencia con el inversor mostrado en la figura 2, es que los módulos de potencia 9 trabajaran entrelazados, siendo la frecuencia de conmutación a atenuar por el filtro tres veces superior a la frecuencia de conmutación de los módulos de potencia (3kHz en las módulos de potencia y 9kHz es la frecuencia de interés para el filtro).

Se puede calcular el equivalente por módulo de potencia para el diseño del filtro teniendo en cuenta que N=n=3, x=0.5 y SCR [2, 5, 10, 30]:

En este caso L1 y L2 tienen el mismo valor que en el caso anterior y la principal diferencia es que el condensador se diseñará para resonar el filtro a 3600Hz para los distintos valores de SCR [2, 5, 10, 30], con lo que:

36; 46; 87]\iF

Una vez calculado lo anterior, se puede diseñar un condensador único que valga para todo el rango de diseño. Por ejemplo, escogiendo C=70pF:

Con los cálculos anteriores, se obtiene el diagrama de Bode (ver figura 8) del filtro resultante para el inversor de la presente invención según la segunda 8” y la tercera realización 8’” de la invención para los valores de SCR [2, 5, 10, 30] y con tres módulos de potencia funcionando. En la figura 9, se muestra la corriente en el condensador “C” 11 del filtro LCL para dicho inversor 8’’ o 8’’’ y los mismos valores de SCR.

• DOS módulos de potencia en funcionamiento

A continuación se analiza el caso de dos módulos de potencia en funcionamiento cuando el inversor tiene tres módulos de potencia en total. Con las consideraciones anteriores, se puede determinar el modelo del inversor solar fotovoltaico de la segunda 8’’ y tercera 8’’’ realización (figura 5 y figura 6, respectivamente) trabajando con dos de los tres módulos de potencia y su inductancia principal equivalente L|. El filtro equivalente trabajando con dos módulos de potencia 9 se muestra en la figura 10, donde se muestra la inductancia principal Li equivalente a las inductancias 10a y 10b.

La figura 10 también muestra el condensador 11 y la inductancia de red 6a equivalente L2 de la red AC. La inductancia equivalente L1 se calcula de la siguiente manera:

Con el valor del condensador “C” definido para el funcionamiento con tres módulos de potencia, C= 70pF, se obtiene una frecuencia de resonancia:

Como se puede observar, el filtro con dos módulos de potencia es muy similar al filtro con tres módulos de potencia. La principal diferencia es que la frecuencia de interés para el filtro será sólo de 6kHz, de acuerdo con el supuesto de 3kHz de conmutación en los módulos de potencia 4.

Con los cálculos anteriores, se obtiene el diagrama de Bode (ver figura 11) del filtro resultante para el inversor de la presente invención según la segunda 8” y la tercera 8’” realización de la invención (topologías 2 y 3) para los valores de SCR [2, 5, 10, 30] y con dos módulos de potencia funcionando. En la figura 12, se muestra la corriente en el condensador 11 del filtro LCL (L-|CL2) para dichas formas de realización del inversor y los mismos valores de SCR.

• UN módulo de potencia en funcionamiento

A continuación se analiza el caso de un módulo de potencia en funcionamiento cuando el inversor tiene tres módulos de potencia. Finalmente, con un módulo de potencia 9 y los mismos supuestos que en los casos anteriores para dos y tres módulos de potencia:

Ll = 2.-* ^y £p ^.t £ ^/2 _ = 153{iH

271 fn '^ n

Con el mismo valor del condensador definido para el funcionamiento de dos y tres módulos de 70pF se obtienen unas frecuencias de resonancia para los distintos valores de SCR [2, 5, 10, 30]:

Con los cálculos anteriores, se obtiene el diagrama de Bode (ver figura 13) del filtro resultante para el inversor de la presente invención según la segunda 8” y la tercera 8’” realización de la invención (topologías 2 y 3) para los valores de SCR [2, 5, 10, 30] y con un módulo de potencia funcionando. En la figura 14, se muestra la corriente en el condensador del filtro LCL para dichas formas de realización del inversor y los mismos valores de SCR. Sin embargo, dadas las resonancias del filtro, para un módulo de potencia es obligatorio incrementar la frecuencia de conmutación. En este ejemplo hasta 6kHz.

La cuarta 8”” realización del inversor solar fotovoltaico se muestra en la figura 15 (Topología 4). En este caso de la cuarta realización 8’’’’ el filtro resultante es LLCL. El filtro equivalente se muestra en la figura 16, donde el filtro se compone por L-|L^cCL2. La inductancia L-i es la inductancia equivalente a las tres inductancias 10a del primario del transformador 10’’’’. La inductancia L2 es la inductancia equivalente a la inductancia 10b del secundario del transformador 10’’’’ y de la inductancia 6a de la red AC 6. El primario del transformador tiene una inductancia 10c adicional que será la inductancia “LC”, dedicada al condensador 11, de tal forma que el condensador 11 queda conectado entre la inductancia 10c y tierra. El diseño del banco de condensadores 11 sería dual, adaptándose el notch a la frecuencia de 6 y 9 kHz (dos ó tres veces la frecuencia de conmutación).

La función de transferencia del filtro L-E^cCL2 es:

Y los valores de L-E^cCL2 se calculan de la siguiente manera:

donde:

“N” es el numero de devanados del lado de baja en funcionamiento y “n” es el número total de devanados del lado de baja tensión;

x: proporción de impedancia del lado de media (único; si, por ejemplo, se divide al 50% el Xcc, x=0.5),

Sn es la potencia nominal del transformador;

fn es la frecuencia de trabajo del lado de baja (normalmente 50 o 60Hz);

fres es la frecuencia de resonancia del filtro LLCL;

y sabiendo que:

L²= L^m+ LP , donde:

Claims

REIVINDICACIONES

1. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, donde el inversor (8’,8” ,8” ’) es conectable a la red AC (6); el inversor (8’,8” ,8” ’) comprende:

• al menos un modulo de potencia (9) para convertir una tensión DC (7) de entrada en una tensión trifásica AC de salida;

• un transformador trifásico AC/AC (10’, 10’’, 10’’’) para adaptar la tensión trifásica AC de salida del módulo de potencia (9) a la tensión trifásica AC de la red AC (6), la cual tiene una inductancia “L2”; donde el transformador trifásico AC/AC (10’, 10’’, 10’’’) comprende:

o al menos un devanado en el lado de baja tensión (10a) conectado al modulo de potencia (9);

o al menos un devanado en el lado de red (10b) conectable en serie con la red AC (6);

donde el devanado en el lado de baja tensión (10a) conectado al modulo de potencia (9) junto con el devanado en el lado de red (10b) tienen una inductancia equivalente “L|”;

• un condensador “C” (11), conectado al devanado del lado de red (10b) del transformador trifásico AC/AC (10’, 10’’, 10’’’);

caracterizado porque la inductancia equivalente ‘E ” (L-) del transformador AC/AC, el condensador “C” (-C-) y la inductancia “L2” (-L) de la red AC forman un filtro de alta frecuencia tipo “LCL”, de tal forma que los valores de la inductancia equivalente “L-T y del condensador “C” se calculan en función de la respuesta en frecuencia del filtro “LCL” según las siguientes expresiones:

donde:

XCc: es la impedancia equivalente de los devanados del transformador trifásico AC/AC;

Sn: es la potencia nominal del transformador;

Vn: es el voltaje nominal del transformador en el lado de baja;

fn: es la frecuencia de trabajo;

fres: es la frecuencia de resonancia del filtro LCL;

y sabiendo que:

L2 es la inductancia de la red AC que varía según el Short Circuit Ratio “SCR” según la siguiente expresión:

2. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, según la reivindicación 1, donde el inversor (8’,8” ,8” ’) adicionalmente comprende “n” módulos de potencia (9) conectados a sendos devanados en el lado de baja tensión (10a) del transformador trifásico AC/AC (10’, 10’’, 10’’’), de tal forma que la inductancia equivalente “L1” se calcula mediante:

donde “x” es la proporción de impedancia del lado de red, “N” es el numero de devanados del lado de baja en funcionamiento y “n” es el número total de devanados del lado de baja tensión.

3. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, según la reivindicación 2, donde el inversor (8’,8’’,8’’’) comprende un BUS DC (12) único de alimentación a los “n” módulos de potencia (9), y donde el BUS DC (12) único es conectable a al menos una fuente de alimentación DC (7).

4. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, según la reivindicación 2, donde el inversor (8’,8’’,8’’’) comprende un BUS DC (12) de alimentación por cada uno de los “n” módulos de potencia (9), de tal forma que cada uno de los “n” módulos de potencia es conectable a sendas fuentes de alimentación DC (7).

5. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, donde el inversor (8’’’’) es conectable a la red AC (6); el inversor (8’’’’) comprende:

• un transformador trifásico AC/AC (10’’’’) para adaptar la tensión trifásica AC de salida del módulo de potencia a la tensión trifásica AC de la red AC (6), la cual tiene una inductancia “Lp”; donde el transformador trifásico AC/AC comprende: o al menos un devanado en el lado de baja tensión (10a) conectado al modulo de potencia (9) y con una inductancia equivalente “L1”; o al menos un devanado en el lado de baja tensión (10c) conectado a un condensador “C” (11), y con una inductancia “Lc”;

o al menos un devanado en el lado de red (10b) conectable en serie con la red AC (6), donde el devanado en el lado de red (10b) tiene una inductancia equivalente “LM”;

• el condensador “C” (11);

caracterizado porque la inductancia equivalente “L-i” (L-) del transformador AC/AC (10” ”), la inductancia “Lc” (-L-); el condensador “C” (-C-) y una inductancia “L2” (-L) resultado de sumar la inductancia “Lp” y la inductancia equivalente “LM”, forman un filtro de alta frecuencia con tipología “LLCL”, de tal forma que los valores de la inductancia equivalente “L r y del condensador “C” se calculan en función de la respuesta en frecuencia del filtro “LLCL” según las siguientes expresiones:

donde:

x: proporción de impedancia del lado de media;

Sn: es la potencia nominal del transformador;

Vn: es el voltaje nominal del transformador en el lado de baja;

fn: es la frecuencia de trabajo del lado de baja;

fres es la frecuencia de resonancia del filtro LLCL;

y sabiendo que:

L2 = L^m+ Lp , donde:

Lp es la inductancia de la red AC que varía según el Short Circuit Ratio “SCR” según la siguiente expresión:

6. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, según la reivindicación 5, donde el inversor solar (8””) adicionalmente comprende “n” módulos de potencia (9) conectados a sendos devanados en el lado de baja tensión (10a) del transformador trifásico AC/AC (10” ”), de tal forma que la inductancia equivalente “L1” se calcula mediante:

donde “x” es la proporción de impedancia del lado de media, “N” es el numero de devanados del lado de baja en funcionamiento y “n” es el número total de devanados del lado de baja tensión.

7. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, según la reivindicación 6, donde el inversor (8” ” ) comprende un BUS DC (12) único de alimentación a los “n” módulos de potencia (9), y donde el BUS DC único es conectable a al menos una fuente de alimentación DC (7).

8. Inversor solar fotovoltaico con filtro de red sin inductancia, según la reivindicación 6, donde el inversor (8”” ) comprende un BUS DC (12) de alimentación por cada uno de los “n” módulos de potencia (9), de tal forma que cada uno de los “n” módulos de potencia es conectable a sendas fuentes de alimentación DC (7).