ITTO20090375A1

ITTO20090375A1 - SOURCE FROM SOLAR SOURCE WITH ACTIVE FILTER AND CONTINUITY FEEDING FUNCTION

Info

Publication number: ITTO20090375A1
Application number: IT000375A
Authority: IT
Inventors: Rosa Mario La
Original assignee: Rosa Mario La
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-14

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: DESCRIPTION of the Industrial Invention entitled:

"Sorgente da fonte solare con funzione di filtro attivo e di alimentazione di continuità" "Source from solar source with active filter function and continuity power supply"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce ad una sorgente da fonte solare con funzione di filtro attivo e di alimentazione di continuità (da qui in poi indicato come convertitore di potenza elettrica), particolarmente, ma non solo, per carichi potenzialmente distorcenti, quali apparecchi elettronici. Nella tecnica anteriore sono comunemente impiegati alimentatori ausiliari, detti anche gruppi di continuità o UPS, collegabili fra la sorgente di distribuzione principale d'energia elettrica (di regola la rete pubblica) e uno o più carichi che spesso sono apparecchi e reti di elaborazione e comunicazione digitale. Tali gruppi di continuità sono provvisti di una batteria mantenuta in carica con una corrente fornita normalmente dalla distribuzione elettrica principale e associata a un inverter, nonché di mezzi circuitali atti a far intervenire la batteria e l'inverter per fornire una corrente alternata sostitutiva quando la distribuzione principale viene a mancare. The present invention relates to a solar source source with active filter function and continuity power supply (hereinafter referred to as electrical power converter), particularly, but not only, for potentially distorting loads, such as electronic devices. In the prior art, auxiliary power supplies are commonly used, also called uninterruptible power supplies or UPS, which can be connected between the main electricity distribution source (usually the public network) and one or more loads which are often processing and communication devices and networks. digital. These uninterruptible power supplies are provided with a battery kept charged with a current normally supplied by the main electrical distribution and associated with an inverter, as well as with circuit means capable of causing the battery and the inverter to intervene to supply a replacement alternating current when the distribution principal fails.

Naturalmente, in caso di interruzione prolungata della distribuzione elettrica principale la batteria può scaricarsi, e in tal caso persino il gruppo di continuità può venir meno. Of course, in the event of a prolonged interruption of the main electrical distribution, the battery can be discharged, and in this case even the UPS can fail.

Sono anche noti generatori fotovoltaici costituiti da pannelli di celle fotovoltaiche associati a inverter, i quali generatori sono destinati a essere inseriti come sorgente elettrica ausiliaria per carichi normalmente alimentati dalla rete di distribuzione elettrica principale. Il loro funzionamento è naturalmente limitato ai soli momenti di insolazione, e pertanto essi non sono in grado di intervenire in sostituzione della rete quando questa viene a mancare. Photovoltaic generators are also known consisting of panels of photovoltaic cells associated with inverters, which generators are intended to be inserted as an auxiliary electrical source for loads normally powered by the main electrical distribution network. Their operation is naturally limited only to moments of insolation, and therefore they are not able to intervene to replace the grid when it fails.

Scopo essenziale dell'invenzione è ora realizzare un convertitore di potenza elettrica dotato sia di funzioni di continuità di tipo UPS, di filtro attivo, sia di generazione fotovoltaica, in modo da poter intervenire automaticamente in sostituzione della rete non solo quando questa si guasta, ma ogniqualvolta sia possibile ottenere una potenza adeguata dalla generazione fotovoltaica, e in modo inoltre da ricaricare la batteria dell'UPS indipendentemente dalla rete principale. The essential purpose of the invention is now to realize an electrical power converter equipped with both UPS-type continuity functions, active filter, and photovoltaic generation, so as to be able to intervene automatically to replace the network not only when it fails, but whenever it is possible to obtain adequate power from the photovoltaic generation, and also in order to recharge the battery of the UPS independently from the main network.

Un altro scopo è migliorare il rendimento dell’impianto fotovoltaico sul carico, minimizzando gli effetti negativi di una cattiva qualità dell’alimentazione quali gli azionamenti intempestivi dei dispositivi di protezione, i problemi meccanici, i problemi di surriscaldamento sui componenti, il basso MTBF, e le alte correnti nei conduttori di neutro. Another purpose is to improve the performance of the photovoltaic system on the load, minimizing the negative effects of poor power quality such as untimely activations of the protection devices, mechanical problems, overheating problems on components, low MTBF, and the high currents in the neutral conductors.

Un altro scopo è quello di funzione di filtro attivo anche quando il carico è alimentato dalla sola rete pubblica. Another object is to provide an active filter even when the load is powered by the public network only.

Più in generale, l'invenzione si propone di permettere l’impiego ottimale dell’impianto fotovoltaico per utilizzare, nelle opportune condizioni, la potenza richiesta dal carico, nonché per immissione verso il gestore pubblico. Come tale, quindi, è provvisto di un gruppo di conversione che consente di trasformare l’energia elettrica prodotta sotto forma di corrente continua dall’impianto fotovoltaico in corrente alternata pronta per essere immessa direttamente nella rete elettrica. A tale scopo il convertitore di potenza elettrica dell'invenzione ottimizza il rendimento dell’impianto fotovoltaico e riduce la potenza impegnata costruendo e inviando alla sorgente una corrente sinusoidale a frequenza di rete (p. es. 50 Hz), in fase con la tensione di alimentazione, nel contempo mantenendola il più vicino possibile a una sinusoide a 50Hz di ampiezza fissata in base alla tensione nominale della rete pubblica. More generally, the invention aims to allow the optimal use of the photovoltaic system to use, in the appropriate conditions, the power required by the load, as well as for input to the public operator. As such, therefore, it is equipped with a conversion unit that allows you to transform the electricity produced in the form of direct current from the photovoltaic system into alternating current ready to be fed directly into the electricity grid. For this purpose, the electrical power converter of the invention optimizes the efficiency of the photovoltaic system and reduces the power used by building and sending to the source a sinusoidal current at grid frequency (e.g. 50 Hz), in phase with the voltage of power supply, at the same time keeping it as close as possible to a sinusoid at 50Hz of amplitude set according to the nominal voltage of the public grid.

L'invenzione raggiunge i suddetti e altri scopi e vantaggi, quali risulteranno dal seguito della descrizione, con un convertitore di potenza elettrica avente le caratteristiche recitate nella rivendicazione 1. The invention achieves the aforesaid and other objects and advantages, as will emerge from the following description, with an electric power converter having the characteristics recited in claim 1.

Le rivendicazioni subordinate definiscono altre caratteristiche utili secondo ulteriori elaborazioni dell'invenzione. The subordinate claims define other useful characteristics according to further elaborations of the invention.

L'invenzione è ulteriormente descritta nel seguito della descrizione con riferimento a una sua realizzazione preferita, basandosi sui disegni allegati, in cui: The invention is further described in the following description with reference to a preferred embodiment thereof, based on the attached drawings, in which:

la Fig. 1 è uno schema a blocchi di principio di un convertitore di potenza elettrica secondo l'invenzione; e Fig. 1 is a basic block diagram of an electric power converter according to the invention; And

la Fig. 2 è uno schema a blocchi di una realizzazione trifase del convertitore di potenza elettrica dell'invenzione. Fig. 2 is a block diagram of a three-phase embodiment of the electrical power converter of the invention.

La Fig.1 è uno schema a blocchi semplificato del convertitore di potenza elettrica dell'invenzione. Per semplicità, lo schema si riferisce a un sistema monofase, ma il convertitore nella sua attuazione più tipica è previsto come sistema trifase con neutro, come rappresentato nella Fig. 2. I conduttori di potenza sono rappresentati con linee spesse in entrambe le Figg. Fig.1 is a simplified block diagram of the electrical power converter of the invention. For simplicity, the diagram refers to a single-phase system, but the converter in its most typical implementation is envisaged as a three-phase system with neutral, as shown in Fig. 2. The power conductors are represented with thick lines in both Figs.

1 e 2, mentre i conduttori per i segnali di controllo sono rappresentati con linee sottili. 1 and 2, while the conductors for the control signals are represented with thin lines.

Con riferimento alla Fig. 1, un primo interruttore statico 10, azionabile elettricamente, è collegato fra una sorgente di potenza elettrica principale 12, costituita tipicamente dalla rete elettrica pubblica, e un carico 14, che può comprendere un insieme di utenze distorcenti quali apparecchiature elettroniche e simili. With reference to Fig. 1, a first static switch 10, which can be operated electrically, is connected between a main electrical power source 12, typically constituted by the public electricity network, and a load 14, which can comprise a set of distorting users such as electronic equipment and similar.

Un pannello di celle fotovoltaiche 16 alimenta un convertitore 18, la cui uscita è collegata anch'essa al carico 14 attraverso un secondo interruttore statico 20, un trasformatore 22 ed un sezionatore 37, in parallelo al primo interruttore 10, preferibilmente con interposizione di un trasformatore 22. Il convertitore 18 è preferibilmente un ponte di cosiddetto elementi valvolari statici di tipo H-bridge, pilotato in modo noto per generare una tensione di ampiezza e frequenza identica a quella della rete pubblica 12. A panel of photovoltaic cells 16 feeds a converter 18, whose output is also connected to the load 14 through a second static switch 20, a transformer 22 and a disconnector 37, in parallel with the first switch 10, preferably with the interposition of a transformer 22. The converter 18 is preferably a bridge of so-called static valve elements of the H-bridge type, piloted in a known way to generate a voltage of identical amplitude and frequency to that of the public network 12.

Inoltre, il convertitore di potenza elettrica comprende un gruppo di continuità (UPS) costituito essenzialmente da un inverter 24 a quattro quadranti il cui ingresso è collegato a una batteria ricaricabile 26 e la cui uscita va al trasformatore 22 e quindi al secondo interruttore statico 20 ed al sezionatore 37, in parallelo al convertitore 18, attraverso un'induttanza 28 di valore L prefissato. Furthermore, the electrical power converter comprises an uninterruptible power supply (UPS) essentially consisting of a four-quadrant inverter 24 whose input is connected to a rechargeable battery 26 and whose output goes to the transformer 22 and therefore to the second static switch 20 and to the disconnector 37, in parallel with the converter 18, through an inductance 28 having a predetermined value L.

Infine, il convertitore di potenza elettrica dell'invenzione prevede più sensori di tensione e corrente, atti a rilevare con cadenza prestabilita i valori istantanei in diversi punti dell'impianto e rappresentati simbolicamente nella Fig. 1. Più precisamente, sono previste una coppia di sensori tensione-corrente 30 ai terminali di rete, una coppia di sensori 32 all'ingresso del carico, una coppia di sensori 34 all'uscita dell'inverter 18, e una coppia di sensori 36 all'uscita dell'inverter 24. Le otto uscite di segnale dei sensori 30, 32, 34 e 36 sono applicate a un controllore 40 tramite collegamenti che per semplicità illustrativa non sono stati indicati nella Fig. 1. Il controllore 40 è dotato di capacità di elaborazione digitale (DSP), di interfaccia analogica con i sensori di corrente e tensione, e di interfaccia appropriata per pilotare gli interruttori 10 e 20 e gli inverter 18 e 24. Il controllore svolge diversi compiti basilari, quali: Finally, the electrical power converter of the invention provides several voltage and current sensors, suitable for detecting instantaneous values in different points of the system with a predetermined frequency and represented symbolically in Fig. 1. More precisely, a pair of sensors are provided voltage-current 30 at the grid terminals, a pair of sensors 32 at the load input, a pair of sensors 34 at the output of the inverter 18, and a pair of sensors 36 at the output of the inverter 24. The eight outputs signals of the sensors 30, 32, 34 and 36 are applied to a controller 40 by means of connections which for simplicity of illustration have not been indicated in Fig. 1. The controller 40 is equipped with digital processing capability (DSP), an analog interface with the current and voltage sensors, and an appropriate interface to drive the switches 10 and 20 and the inverters 18 and 24. The controller performs several basic tasks, such as:

- rilevare, tramite il sensore 30, quando viene a mancare la tensione di rete per comandare in tal caso la commutazione degli interruttori 10 e 20 per alimentare il carico 14 dall'UPS; - detecting, by means of the sensor 30, when the mains voltage fails to command in this case the switching of the switches 10 and 20 to power the load 14 from the UPS;

- indipendentemente dalla presenza della tensione di rete, rilevare, tramite i sensori 32, 34, se la potenza di origine fotovoltaica è sufficiente ad alimentare il carico, e anche in tal caso commutare gli interruttori 10 e 20 per escludere la rete e alimentare il carico 14 dal pannello fotovoltaico (se è richiesta tale modalità di funzionamento in isola). Altrimenti l’impianto solare può essere usato in parallelo al gestore pubblico: in questo caso devono essere previsti i noti dispositivi di interfaccia richiesti dalla buona tecnica per il funzionamento in parallelo alla rete pubblica; - regardless of the presence of the mains voltage, using sensors 32, 34, detect if the power of photovoltaic origin is sufficient to power the load, and also in this case switch the switches 10 and 20 to exclude the mains and power the load 14 from the photovoltaic panel (if this mode of island operation is required). Otherwise, the solar system can be used in parallel with the public operator: in this case the known interface devices required by good technique for operation in parallel with the public network must be provided;

Inoltre, secondo l'invenzione, il controllore 40 ha anche il compito di rilevare continuamente le correnti di carico e determinare il contenuto armonico e reattivo corrispondente, per attuare una procedura di correzione come noto dalla letteratura tecnica. Furthermore, according to the invention, the controller 40 also has the task of continuously detecting the load currents and determining the corresponding harmonic and reactive content, in order to carry out a correction procedure as known from the technical literature.

Tornando a far riferimento alla Fig. 1, il controllore 40, secondo l'invenzione, è quindi programmato per modulare la commutazione dell'inverter 24. Referring back to Fig. 1, the controller 40, according to the invention, is therefore programmed to modulate the switching of the inverter 24.

In questo modo l'inverter 24 viene a comportarsi come filtro di potenza attivo (APF), il quale funziona secondo il principio della “compensazione”, per annullare nella linea la corrente armonica prodotta da un carico distorcente: in altre parole, il filtro inietta nella stessa linea le medesime armoniche presenti nella corrente di carico, ma cambiate di segno. Per realizzare l’azione rifasante, invece, l’APF genera una corrente sinusoidale in quadratura rispetto alla tensione di alimentazione, avente ampiezza dipendente dalla corrente reattiva del carico. In this way the inverter 24 acts as an active power filter (APF), which works according to the "compensation" principle, to cancel the harmonic current produced by a distorting load in the line: in other words, the filter injects in the same line the same harmonics present in the load current, but changed in sign. To achieve the power factor correction, however, the APF generates a sinusoidal current in quadrature with respect to the supply voltage, having an amplitude dependent on the reactive current of the load.

Il sistema è di tipo attivo, cioè adatta in tempo reale la propria risposta alle reali condizioni armoniche e reattive del carico. In questo modo si ha un abbattimento armonico efficace anche in condizioni di carico frequentemente variabile con enormi vantaggi da un punto di vista di Power Quality. The system is active, that is, it adapts its response in real time to the real harmonic and reactive conditions of the load. In this way there is an effective harmonic reduction even in frequently variable load conditions with enormous advantages from a Power Quality point of view.

Anche l’azione rifasante, essendo realizzata con correnti impresse fornite da un ponte inverter con modulazione Proporzionale-Integrale, è di tipo continuo ed inserisce in rete la quantità di potenza reattiva calcolata per portare il fattore di potenza a valori accettabili, cioè maggiore di 0.9. In questo modo si elimina quindi l’inconveniente che sorge nel caso di un rifasamento di tipo passivo, dove, a causa della discretizzazione del numero di condensatori in rete, l’iniezione di potenza reattiva può risultare a volte insufficiente e a volte eccessiva. In quest’ultimo caso, si rischia di immettere in rete una potenza reattiva di tipo capacitivo che può essere molto dannosa nel caso di alimentazioni del sistema con gruppo elettrogeno o con sorgenti a modesta potenza di cortocircuito. Inoltre, il rifasamento attivo elimina l’inconveniente legato all’insorgere di frequenze di risonanza che nascono nei rifasamenti di tipo passivo. Also the power factor correction action, being realized with impressed currents supplied by an inverter bridge with Proportional-Integral modulation, is of the continuous type and inserts into the network the quantity of reactive power calculated to bring the power factor to acceptable values, i.e. greater than 0.9. . This eliminates the inconvenience that arises in the case of a passive power factor correction, where, due to the discretization of the number of capacitors in the network, the injection of reactive power can sometimes be insufficient and sometimes excessive. In the latter case, there is a risk of injecting into the grid a reactive power of a capacitive type which can be very harmful in the case of powering the system with a generator set or with sources with modest short-circuit power. In addition, active power factor correction eliminates the drawback related to the rise of resonant frequencies that arise in passive power factor correction.

La Fig. 2 rappresenta una versione trifase del sistema descritto sopra. Il sistema della Fig. 2 è simile a quello della Fig. 1, eccetto che componenti quali gli interruttori statici 10 e 20, gli inverter 18 e 24, i mezzi induttivi 28 e il trasformatore 22 (oltre al carico 14) sono sostituiti da corrispondenti dispositivi trifase, indicati cogli stessi numeri di riferimento della Fig. 1. I collegamenti sono anch'essi trifase, e inoltre è presente un neutro 42. Per miglior chiarezza illustrativa, si è omessa la rappresentazione dei sensori di tensione e corrente illustrati con 30, 32, 34 e 36 nella Fig. 1, ma naturalmente si deve comprendere che anche nella Fig. 2 essi sono presenti. Fig. 2 represents a three-phase version of the system described above. The system of Fig. 2 is similar to that of Fig. 1, except that components such as the static switches 10 and 20, the inverters 18 and 24, the inductive means 28 and the transformer 22 (in addition to the load 14) are replaced by corresponding three-phase devices, indicated with the same reference numbers as in Fig. 1. The connections are also three-phase, and there is also a neutral 42. For the sake of clarity, the representation of the voltage and current sensors illustrated with 30 has been omitted, 32, 34 and 36 in Fig. 1, but of course it must be understood that also in Fig. 2 they are present.

Da quanto descritto sopra, l'esperto nel ramo potrà apprezzare che dall'attuazione dell'invenzione discendono numerosi vantaggi, tra cui sopratutto: From what has been described above, the skilled in the art will appreciate that numerous advantages derive from the implementation of the invention, among which above all:

- rifasamento e minima distorsione armonica totale sulla sbarra d'alimentazione principale (PCC), indipendentemente dalla fonte di alimentazione; - power factor correction and minimum total harmonic distortion on the main power busbar (PCC), regardless of the power source;

- in difetto o instabilità o deformazione dell'alimentazione principale, i carichi sono alimentati dal sistema in continuità, cioè senza buchi di tensione e la sbarra di continuità risulta sempre rifasata e a minima distorsione armonica; - in the event of a defect or instability or deformation of the main power supply, the loads are powered by the system in continuity, ie without voltage dips and the continuity bus is always power factor correction and with minimum harmonic distortion;

- il rendimento dell’inverter fotovoltaico è ottimizzato, e la forma e ampiezza della tensione di uscita sono stabilizzate. - the performance of the photovoltaic inverter is optimized, and the shape and amplitude of the output voltage are stabilized.

Quindi, con un unico oggetto si realizzano quattro funzioni: Therefore, with a single object, four functions are carried out:

a) Azione rifasante, e quindi miglioramento del fattore di potenza del sistema di alimentazione; a) Power factor correction, and therefore improvement of the power factor of the power supply system;

b) Azione filtro attivo: miglioramento della distorsione armonica totale dovuta ai carichi non lineari; b) Active filter action: improvement of the total harmonic distortion due to non-linear loads;

c) Impianto di generazione fotovoltaica: nel caso limite, anche in assenza di alimentazione principale i carichi sono alimentati dal convertitore mediante l'array fotovoltaico; inoltre, in caso di deformazione della tensione di rete pubblica, è comunque possibile mantenere stabile la tensione ai morsetti dell'inverter-filtro-attivo, ottimizzando il rendimento di conversione; c) Photovoltaic generation system: in the extreme case, even in the absence of the main power supply, the loads are powered by the converter through the photovoltaic array; moreover, in the event of deformation of the public grid voltage, it is still possible to keep the voltage at the terminals of the inverter-filter-active stable, optimizing the conversion efficiency;

d) Azione UPS: in assenza di alimentazione e con condizioni ambientali sfavorevoli, la continuità di alimentazione delle utenze è garantita dal filtro attivo mediante pacco batterie. d) UPS action: in the absence of power supply and with unfavorable environmental conditions, the continuity of the power supply of the users is guaranteed by the active filter by means of a battery pack.

Si sono descritte alcune realizzazioni preferite dell'invenzione, ma naturalmente sono possibili varianti equivalenti, con sostituzioni di componenti o con aggiunte di funzioni ulteriori, ovvie per l'esperto nel ramo, quali sezionatori, dispositivi di sicurezza, telecontrolli da server, raccolta dati, e così via. Tutte tali varianti sono da considerarsi rientranti nell'ambito dell'invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Some preferred embodiments of the invention have been described, but of course equivalent variants are possible, with substitutions of components or with the addition of further functions, obvious to those skilled in the art, such as disconnectors, safety devices, remote controls from servers, data collection, and so on. All such variants are to be considered as falling within the scope of the invention, as defined in the attached claims.

Claims

"Source from solar source with active filter function and continuity power supply" CLAIMS 1. Converter of alternating electric power, particularly for distorting loads, comprising: - a first electrically operable static switch (10) connected between a main power source (12) and a load (14); - a photovoltaic generator (16, 18) connected to said load through a second electrically operated static switch (22), placed in parallel to the first static switch (10), to supply an electric current of amplitude and frequency equal to that of the source of main power; - an uninterruptible power supply unit comprising a rechargeable battery (26) and a four-quadrant inverter (24), connected to said second switch (20) in parallel to said photovoltaic generator (16, 18); - control means (40) adapted to continuously detect through sensors (30, 32, 34, 36) voltage and current on the main power source (12) and on the load (14) to switch the first and second circuit breakers into in order to ensure power supply to the load by minimizing the use of the main source.

2. Electric power converter according to claim 1, characterized in that said photovoltaic generator (16, 18) is constituted by a photovoltaic panel (16) and by an inverter of the H-bridge type (18).

Electric power converter according to one of claims 1-2, characterized in that the converter is three-phase.

4. Electric power converter according to one of claims 1-3, characterized by the fact that the operating mode can be in isolation or in parallel with the public grid, in the latter maintaining the function of active filter and power factor correction in addition to the generation function .

5. Electric power converter according to one of claims 1-4, characterized in that said electric power converter can perform the function of active filter and power factor correction even in the absence of the photovoltaic generation function.