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Title:
CONTROL DEVICE AND METHOD FOR PHOTOVOLTAIC PUMP SYSTEMS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/134453
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a control device (4) for pumping systems, which, by means of a PID algorithm, regulates the operating frequency of variable-frequency drives (2) connected between a photovoltaic generator (1) and a pumping unit (3), to keep the voltage of the generator (1) within a reference voltage range and above the minimum power voltage of the variable-frequency drives (2). When the control device (4) detects a sharp fall in the DC voltage of the generator (1) below a first threshold value, it deactivates the PID algorithm to establish a frequency lower than the operating frequency of the variable-frequency drives (2) and a minimum gradient of sudden deceleration for an increase in the voltage of the variable-frequency drives (2). When the control device detects that the DC voltage has returned above a second threshold value, the PID controller of the control device (4) is reactivated.

Inventors:
FERNÁNDEZ RAMOS, José (Universidad Politécnica de Madrid, Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
NARVARTE FERNÁNDEZ, Luis (Universidad Politécnica de Madrid, Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
HOGAN TEVES DE ALMEIDA, Rita (Universidad Politécnica de Madrid, Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
BARATA CARRELO, Isaac (Universidad Politécnica de Madrid, Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
CARRASCO MORENO, Luis Miguel (Universidad Politécnica de Madrid, Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
LORENZO PIGUEIRAS, Eduardo (Universidad Politécnica de Madrid, Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
Application Number:
ES2017/070856
Publication Date:
July 26, 2018
Filing Date:
December 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID (Ramiro de Maeztu 7, MADRID, 28040, ES)
International Classes:
H02S40/30; A01G25/16; F04B17/00; H02J3/24
Foreign References:
ES1074806U2011-06-13
CN203575261U2014-05-07
CN203952015U2014-11-26
CN205848220U2017-01-04
Other References:
FERNANDEZ-RAMOS J ET AL.: "IMPROVEMENT OF PHOTOVOLTAIC PUMPING SYSTEMS BASED ON STANDARD FREQUENCY CONVERTERS BY MEANS OF PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS", SOLAR ENERGY, 20100101 PERGAMON, vol. 84, no. 1, 1 January 2010 (2010-01-01), pages 101 - 109, XP026802101, ISSN: 0038-092X, Retrieved from the Internet [retrieved on 20170903]
"DILSAD ENGIN AND MUSTAFA ENGIN . AUTO-TUNING OF PID PARAMETERS WITH PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER", PROCEEDINGS OF 2013 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHATRONICS AND AUTOMATION, 7 August 2013 (2013-08-07), XP032494121, Retrieved from the Internet [retrieved on 20170309]
C. GOPAL ET AL.: "Renewable energy source water pumping systems -A literature review", RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS, vol. 25, 30 May 2013 (2013-05-30), pages 351 - 370, XP055505488, Retrieved from the Internet [retrieved on 20170309]
Attorney, Agent or Firm:
UNGRÍA LÓPEZ, Javier (Avda. Ramón y Cajal 78, MADRID, 28043, ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

Un procedimiento de control para sistemas de bombeo fotovoltaico, que comprende: medir una tensión de salida de un generador fotovoltaico (1),

establecer una tensión de consigna correspondiente a un punto de máxima potencia del generador fotovoltaico (1) para sistemas de bombeo a presión y caudal variables y correspondiente a un punto de potencia demandada al generador fotovoltaico (1) por el sistema de bombeo para sistemas de bombeo a presión y caudal constantes,

un algoritmo de control proporcional-integral-derivativo, PID, que actúa sobre al menos un variador de frecuencia (2) conectado a la salida del generador fotovoltaico (1) y que establece una frecuencia de operación, el algoritmo de control PID configurado para:

reducir la frecuencia de operación del, al menos un, variador de frecuencia (2) cuando la tensión medida de salida del generador fotovoltaico (1) es inferior a la tensión de consigna establecida,

aumentar la frecuencia de operación del, al menos un, variador de frecuencia (2) cuando la tensión medida de salida del generador fotovoltaico (1) es superior a la tensión de consigna establecida;

el procedimiento de control caracterizado por que además comprende los siguientes pasos:

establecer un primer valor de tensión umbral que es superior a una tensión mínima de funcionamiento del, al menos un, variador de frecuencia (2);

cuando la tensión medida de salida del generador fotovoltaico (1) desciende por debajo del primer valor de tensión umbral, desactivar el algoritmo de control PID y establecer una frecuencia de referencia para el, al menos un, variador de frecuencia (2) inferior a la frecuencia de operación, y establecer una pendiente mínima de deceleración abrupta para hacer entrar al, al menos un, variador de frecuencia (2) en un modo de frenado regenerativo que produce una subida de la tensión de funcionamiento del, al menos un, variador de frecuencia (2).

El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por que además comprende establecer un segundo valor de tensión umbral que es superior al primer valor de tensión umbral y, cuando la tensión en el generador fotovoltaico (1) supera el segundo valor de tensión umbral, activar el algoritmo de control PID. Un dispositivo de control (4) para sistemas de bombeo fotovoltaico que comprenden al menos una unidad de bombeo (3) conectada a la salida de al menos un variador de frecuencia (2) que, a su vez, está conectado a la salida de al menos un generador fotovoltaico (1), el dispositivo de control comprendiendo un controlador proporcional- integral-derivativo, PID, configurado para:

reducir la frecuencia de operación del variador de frecuencia (2) cuando en la salida del generador fotovoltaico (1) el controlador PID mide una tensión inferior a una tensión de consigna correspondiente a un punto de máxima potencia del generador fotovoltaico (1) para sistemas de bombeo a presión y caudal variables y correspondiente a un punto de potencia demandada al generador fotovoltaico (1) por la unidad de bombeo (3) para sistemas de bombeo a presión y caudal constantes,

aumentar la frecuencia de operación del variador de frecuencia (2) cuando en la salida del generador fotovoltaico (1) el controlador PID mide una tensión superior a la tensión de consigna;

el dispositivo de control (4) caracterizado por que además comprende medios de procesamiento configurados para desactivar el controlador PID cuando en la salida del generador fotovoltaico (1) el controlador PID mide una tensión por debajo de un primer valor de tensión umbral, el primer valor siendo superior a una tensión mínima de funcionamiento del variador de frecuencia (2); y, desactivado el controlador PID, establecer una frecuencia de referencia para el variador de frecuencia (2) inferior a su frecuencia de operación, y establecer una pendiente mínima de deceleración abrupta para hacer entrar al variador de frecuencia (2) en un modo de frenado regenerativo que produce una subida de la tensión de funcionamiento del variador de frecuencia (2).

El dispositivo de control (4) de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que los medios de procesamiento están configurados además para activar el controlador PID cuando en la salida del generador fotovoltaico (1) el controlador PID mide una tensión superior a un segundo valor de tensión umbral que, a su vez, es superior al primer valor de tensión umbral.

5. El dispositivo de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-4, caracterizado por que es un controlador lógico programable, PLC. El dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que está conectado al control del variador de frecuencia (2).

El dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que está integrado en el variador de frecuencia (2).

Description:
DESCRIPCIÓN

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO DE CONTROL PARA SISTEMAS DE BOMBEO

FOTOVOLTAICO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra en el campo técnico de tecnologías fotovoltaicas, más concretamente, en lo relativo a procedimientos y sistemas de control para operar con sistemas de bombeo solar fotovoltaico, aplicable en el sector agrícola y de las energías renovables.

Más particularmente, la presente invención se refiere a un procedimiento y dispositivo de control incorporable en cualquier sistema de bombeo fotovoltaico (FV) para estabilizar su funcionamiento frente a las fluctuaciones en la potencia fotovoltaica producidas por la variación brusca de la radiación solar.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas de bombeo fotovoltaico (FV) comprenden múltiples módulos fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, conectados a la bomba de extracción a través de uno o varios variadores de frecuencia que produce el bombeo del agua durante las horas de sol. El caudal del bombeo solar directo no es constante ya que la irradiación es variable en función de las horas del día o de los fenómenos meteorológicos.

En los sistemas de bombeo FV actuales, una intermitencia de potencia fotovoltaica provocada, por ejemplo por el paso de una nube, produce una desestabilización del variador de frecuencia del sistema de bombeo, provocando su parada brusca. Esta parada no es simplemente una cuestión estética sino que provoca dos problemas que afectan a la fiabilidad y tiempo de vida del sistema de bombeo FV. El primero es el golpe de ariete, que reduce el tiempo de vida del sistema hidráulico. El segundo es la reflexión de ondas de tensión eléctrica entre la etapa de salida del variador de frecuencia y el motor de la bomba, que produce sobretensiones que pueden dañar ambos componentes. Un ejemplo de sistema de bombeo FV que pretende estabilizar el bombeo de una bomba extractora de agua para conseguir un riego con presión y caudal constantes es el descrito en ES 1074806 U. El sistema cuenta con una o más bombas elevadoras de presión que disponen un caudal mayor al máximo de la bomba de extracción y de una válvula de paso o de apertura por presión que impida el paso de agua a través de la bomba elevadora de presión. Además, este sistema de bombeo solar directo cuenta también con un depósito auxiliar de almacenamiento cuya capacidad es de unos minutos de caudal de la bomba o bombas elevadoras de presión y que dispone de sensores de nivel. Ésta es una configuración muy particular de un sistema controlado de bombeo FV que, por tanto, no puede aplicarse a otros sistemas de bombeo con otras configuraciones.

El problema técnico objetivo que se presenta es pues proveer un método y medios de control para estabilizar el funcionamiento de cualquier sistema de bombeo fotovoltaico, incluido, por ejemplo, el que se describe en ES 1074806 U, frente a las intermitencias de potencia FV causadas, por ejemplo, por el paso de una nube.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención sirve para solucionar el problema mencionado anteriormente, resolviendo los inconvenientes que presentan las soluciones comentadas en el estado de la técnica, mediante un dispositivo con un procedimiento de control que evita la desestabilización de los variadores de frecuencia en sistemas de bombeo fotovoltaico (FV) cuando hay fluctuaciones de potencia FV. El dispositivo y procedimiento de control propuestos permiten utilizar el sistema de control estándar de los sistemas de bombeo FV eliminando los problemas que presentan cuando se producen caídas bruscas en la potencia FV disponible, por ejemplo, debidas al paso de una nube.

Un aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de control para sistemas de bombeo FV que comprende:

un algoritmo de control proporcional-integral-derivativo, PID, que actúa sobre al menos un variador de frecuencia conectado a la salida del generador fotovoltaico y que establece una frecuencia de operación, el algoritmo de control PID configurado para:

reducir la frecuencia de operación del variador de frecuencia cuando la tensión medida de salida del generador fotovoltaico es inferior a una tensión de consigna establecida, aumentar la frecuencia de operación del variador de frecuencia cuando la tensión medida de salida del generador fotovoltaico es superior a la tensión de consigna establecida;

donde la tensión de consigna se establece como:

una tensión correspondiente a un punto de máxima potencia del generador fotovoltaico para sistemas de bombeo a presión y caudal variables; o

una tensión correspondiente a un punto de potencia demandada al generador fotovoltaico por el sistema de bombeo para sistemas de bombeo a presión y caudal constantes.

El procedimiento de control además comprende los siguientes pasos:

medir una tensión de salida de un generador fotovoltaico,

establecer un primer valor de tensión umbral que es superior a una tensión mínima de funcionamiento del variador de frecuencia;

cuando la tensión medida de salida del generador fotovoltaico desciende por debajo del primer valor de tensión umbral, desactivar el algoritmo de control PID y establecer:

una frecuencia de referencia para el variador de frecuencia inferior a su frecuencia de operación establecida, y

una pendiente mínima de deceleración abrupta para hacer entrar dicho variador de frecuencia en un modo de frenado regenerativo que produce una subida de su tensión de funcionamiento.

Otro aspecto de la invención se refiere a un dispositivo de control que implementa el procedimiento descrito anteriormente, para su uso en sistemas de bombeo fotovoltaico que comprenden al menos una unidad de bombeo conectada a la salida de uno o más variadores de frecuencia que, a su vez, se conectan a la salida de uno o más generadores fotovoltaicos. El dispositivo de control para sistemas de bombeo fotovoltaico que se propone comprende los siguientes componentes:

- un controlador proporcional-integral-derivativo, PID, configurado para:

reducir la frecuencia de operación del variador de frecuencia cuando en la salida del generador fotovoltaico el controlador PID mide una tensión inferior a una tensión de consigna correspondiente a un punto de máxima potencia del generador fotovoltaico para sistemas de bombeo a presión y caudal variables y correspondiente a un punto de potencia demandada al generador fotovoltaico por la unidad de bombeo para sistemas de bombeo a presión y caudal constantes,

aumentar la frecuencia de operación del variador de frecuencia cuando en la salida del generador fotovoltaico el controlador PID mide una tensión superior a la tensión de consigna;

medios de procesamiento (por ejemplo, un controlador PLC) configurados para desactivar el controlador PID cuando en la salida del generador fotovoltaico el controlador PID mide una tensión por debajo de un primer valor de tensión umbral, el primer valor siendo superior a una tensión mínima de funcionamiento del variador de frecuencia; y, desactivado el controlador PID, establecer una frecuencia de referencia para el variador de frecuencia inferior a su frecuencia de operación, y establecer una pendiente mínima de deceleración abrupta para hacer entrar al variador de frecuencia en un modo de frenado regenerativo que produce una subida de la tensión de funcionamiento del variador de frecuencia

Las ventajas de la presente invención con respecto a las soluciones del estado de la técnica anterior son fundamentalmente:

Robustez frente a intermitencias de potencia fotovoltaica.

- Compatibilidad con los sistemas de control existentes como estándar para los sistemas de bombeo FV.

Aumento de la fiabilidad y durabilidad de los sistemas de bombeo fotovoltaico al solucionar los problemas asociados a las paradas bruscas del variador de frecuencia causadas por la intermitencia de la potencia fotovoltaica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

FIGURA 1.- Muestra un diagrama de bloques de un sistema de bombeo fotovoltaico con un dispositivo de control para estabilizar la potencia fotovoltaica, según una realización preferente de la invención. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques de la arquitectura de un sistema de bombeo FV con el control de potencia fotovoltaica que se propone.

Desde un punto de vista general los sistemas de bombeo están compuestos de las partes siguientes:

- Al menos un generador fotovoltaico (1), compuesto a su vez, de módulos interconectados eléctricamente hasta constituir una unidad de producción DC con una estructura soporte.

- Al menos un variador de frecuencia (2) que actúa como acondicionador de potencia, capaz de variar la frecuencia y la tensión de salida en función de la potencia disponible del generador fotovoltaico (1).

- Al menos un unidad de bombeo (3), por ejemplo, una bomba de agua accionada por un motor eléctrico y que en conjunto constituyen una motobomba.

- Un dispositivo de control (4), por ejemplo, un controlador lógico programable o PLC (en inglés, PLC: "Programmable Logic Controller"), como el propio PLC que está integrado en muchos variadores de frecuencia (2), que incorpora funciones de control y seguridad.

El dispositivo de control (4) mide en todo momento la tensión de salida del generador FV (1) así como toma medidas del bus DC de cada variador de frecuencia (2), y mediante un controlador proporcional-integral-derivativo o PID utiliza esas medidas para:

- reducir la frecuencia de operación de los variadores (2) cuando la tensión del generador FV (1) es inferior a la tensión de consigna,

aumentar la frecuencia de operación de los variadores (2) cuando la tensión es superior a la tensión de consigna. El algoritmo de control PID suele estar implementado en el firmware de todos los variadores de frecuencia (2) y de los controladores industriales.

La tensión de consigna es establecida por el dispositivo de control (4) mediante cualquier algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia del generador FV (1). La tensión de consigna se establece siendo: para el caso de bombeo a presión y caudal variables, la tensión correspondiente al punto de máxima potencia del generador FV (1); para el caso de bombeo a presión y caudal constantes, la tensión a la que el generador fotovoltaico (1) entrega la potencia demandada por las bombas (3) para trabajar a la presión y caudal requerida por el sistema hidráulico de bombeo/riego.

El algoritmo de control PID consigue regular la frecuencia de operación de los variadores de frecuencia (2) y, consecuentemente, su consumo, para que la tensión del generador FV (1) que mide continuamente el dispositivo de control (4) se mantenga en el entorno de la tensión de consigna y por encima de la tensión mínima de alimentación de los variadores de frecuencia (2). Este algoritmo de control PID es, por tanto, de tipo realimentado, siendo: su variable de control de entrada, la tensión de salida del generador FV (1); y su variable de control de salida la frecuencia de operación de los variadores de frecuencia (2).

La configuración de los parámetros de control (también denominada "sintonización") del controlador PID se realiza de forma que se minimizan las fluctuaciones de frecuencia y, así, se garantiza un funcionamiento estable del sistema. Sin embargo, este tipo de sintonización presenta el problema de que cuando se produce una caída brusca de la potencia FV, provocada, por ejemplo, por el paso de una nube sobre el generador FV (1), la tensión de salida del generador FV (1) presenta una abrupta caída antes de que el algoritmo de control PID de control pueda reaccionar y baje la frecuencia de los variadores de frecuencia (2) para que la tensión del generador FV (1) vuelva a acercarse al valor de consigna. En muchas ocasiones, la reducción de la potencia del variador de frecuencia (2) es lo suficientemente grande como para que la tensión de salida del generador FV (1) requerida a la entrada de los variadores de frecuencia (2) descienda por debajo del nivel mínimo, provocando una señal de alarma y una parada brusca de los variadores de frecuencia (2). Esta parada brusca puede tener consecuencias muy negativas tanto en el sistema hidráulico como en el eléctrico, que pueden reducir dramáticamente su durabilidad.

Para resolver este problema, el dispositivo de control (4) implementa un método de control que actúa cuando detecta una caída brusca de la tensión del generador FV (1) medida por dicho dispositivo de control (4). Esta caída brusca detectada en la tensión del generador FV (1) está, a su vez, causada por una caída brusca de la potencia fotovoltaica provocada, por ejemplo, por el paso de una nube. Para solucionar la posible desestabilización del variador de frecuencia (2) y su consecuente parada brusca debido a la repentina caída de la potencia FV, el dispositivo de control (4) está configurado para ejecutar los siguientes pasos de control:

Se desactiva el algoritmo de control PID cuando la tensión del generador FV (1) desciende por debajo de un primer valor de cierta tensión umbral. Dicho primer valor de tensión umbral se establece como una tensión superior a la tensión mínima de funcionamiento de los variadores de frecuencia (2).

Se establece una frecuencia de referencia o de consigna para los variadores de frecuencia (2) mucho más baja que la actual, así como una pendiente mínima de deceleración abrupta. La combinación de una frecuencia menor y una pendiente de deceleración muy abrupta provoca que el variador de frecuencia (2) entre en modo de frenado regenerativo, cuya consecuencia es una subida abrupta en la tensión de su bus DC. Esta subida de tensión compensa la bajada de tensión producida en el generador FV (1).

Cuando la tensión en el generador FV (1) vuelve a superar un segundo valor de tensión umbral, se vuelve a activar el algoritmo de control PID. De esta manera se evita la desestabilización del variador de frecuencia (2), su parada brusca, y los efectos perniciosos de la misma. Reactivado el algoritmo de control PID, el variador de frecuencia (2) vuelve a pasar a ser controlado por controlador PID y no sufre ninguna parada por alarma. La duración total del proceso puede ser menor de un segundo, por lo que el impacto en el sistema de bombeo hidráulico es imperceptible.