Seguimiento del punto de máxima potencia en Sistemas Fotovoltaicos

MASTER EN SISTEMAS DE ENERGÍA ELECTRICA
Trabajo Fin de Master
Escuela Técnica Superior de Ingenieros (ETS)
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad de Sevilla
Seguimiento del punto de máxima potencia en
Sistemas Fotovoltaicos
por
Master Estudiante: D. Ahmed Mohamed Abd el Motaleb
Tutor: Dr. Antonio de la Villa Jaen
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RESUMEN
Seguimiento del punto de máxima potencia en
Sistemas Fotovoltaicos
Este informe analiza varios algoritmos y métodos de control sobre el Seguimiento
del punto de máxima potencia en sistemas fotovoltaicos (MPPT). Los métodos más
populares aplicados al MPPT serán explicados brevemente a través de este
resumen de tesis.
Finalmente, se indican las principales conclusiones y requisitos aplicables a los
sistemas MPPT.
Nota: para obtener más información acerca de la introducción de sistemas
fotovoltaicos (PV), la estructura MPPT, el método experimental establecido, los
resultados de las simulaciones aplicadas por matlab pueden verificarse en la edición
en inglés de esta tesis.
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Agradecimientos
Me gustaría agradecer a mi profesor primero tranquila y respetable,
Antonio de la Villa, por su apoyo y asesoramiento a lo largo de esta
tesis. Su orientación y dedicación me dio una buena experiencia durante
el curso.
También quisiera expresar mi sincero agradecimiento al resto de mis
profesores del master durante el año pasado 2009, por su valiosa
información y comentarios.
Me gustaría dar las gracias a mis amigos de Mohamed Abd El.Twab,
Amr Ismail por su apoyo y las ideas que surgieron de nuestra
numerosos debates que se incorporan a través de este trabajo final de
Master.
Ahmed Abd El Motaleb
Septiembre 2010
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DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
La cantidad de energía generada a partir de una instalación fotovoltaica depende
principalmente de los siguientes factores: temperatura e irradiancia solar. Es
conveniente operar en el punto de máxima potencia (MPP), que cambia con la
intensidad luminosa solar, o con las variaciones de carga. Numerosas técnicas de
seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) se han desarrollado para los
sistemas fotovoltaicos. El problema es cómo obtener los puntos óptimos de
operación (voltaje y corriente) de forma automática a la máxima potencia de salida
fotovoltaica en la mayoría condiciones.
Dadas las características variables según las condiciones atmosféricas las
estrategias de control MPPT determinan las condiciones de funcionamiento de los
paneles fotovoltaicos en tiempo real.
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1)PERTURBATION&OBSERVATION
El método se basa en modificar (perturbar) la tensión de continua a la entrada del
inversor, y observar la variación de la potencia de salida.
El incremento (decremento) de tensión ,modifica la potencia de salida. Por lo tanto,
si hay un aumento en la potencia, la perturbación debe continuarse realizando en el
mismo sentido para alcanzar el MPP. Si hay una disminución en la potencia, la
perturbación debe ser invertida.
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2) INCREMENTAL CONDUCTANCE
El MPP se pueden rastrear mediante la comparación de la conductancia instantánea
(I / V) a la conductancia incremental (ΔI / ΔV).
Vref es la tensión de referencia por el que la red obliga a operar al PV. En el MPP, es
igual a Vref VMPP. Una vez que el MPP es alcanzado, el funcionamiento de la red
de PV se mantiene en este punto a menos que se observe un cambio en la
intensidad , lo que indica un cambio en las condiciones atmosféricas y el MPP.
El algoritmo emplea de decrementos o incrementos de tensiones e intensidades
para realizar un seguimiento del nuevo MPP.
El algoritmo emplea la variación de la potencia de salida con respecto a la tension,
la cual se expresa mediante:
En el punto MPP la variación de la potencia con respecto a la tensión es nula. En
este caso el cociente entre los valores de intensidad y tensión tiene un valor
opuesto al cociente entre los incrementos de intensidad y tensión. En caso de no
coincidir estos cocientes, la diferencia entre sus valores nos indica que nos hemos
desplazado del MPP y además nos aporta información sobre el sentido de esa
desviación.
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3) FRACTIONAL OPEN CIRCUIT VOLTAGE
Siendo:
VMPP: Tensión en el punto de máxima potencia
VOC: Tensión a circuito abierto para cada insolación.
En sistemas fotovoltaicos existe una relación casi aproximadamente proporcional
entre las variables VMPP y VOC, para diferentes niveles de irradiación y
temperatura. De esta forma da lugar a la relación
VMPP ≈ k1 * VOC
El factor K1 es una constante. Una vez que se conoce k1,VMPP se puede calcular a
partir de los valores de VOC medidos periódicamente. Para ello por un momento es
necesario desconectar el convertidor de potencia.
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4)FRACTIONAL SHORT CIRCUIT CURRENT
Siendo:
IMPP: Corriente a la máxima potencia
ISC: La corriente máxima de la energía fotovoltaica en cada insolación
IMPP es posible obtenerla aproximadamente mediante una relación lineal con el ISC
del fotovoltaico
IMPP ≈ k2 * ISC
donde k2 es una constante de proporcionalidad.
La medición de ISC durante el funcionamiento es problemática. Es necesario añadir
un interruptor adicional en el convertidor para provocar el corto periódicamente a la
salida de la instalación FV.
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5)FUZZY LOGIC CONTROL
El empleo de microcontroladores ha hecho que el control de lógica difusa sea
popular para su aplicación en los MPPT durante la última década. Los controladores
de lógica difusa tienen las ventajas de trabajar con entradas imprecisas, sin
necesidad de un modelo matemático preciso, y la manipulación no linealidades.
El control de lógica difusa por lo general consta de tres etapas:
1) fuzzificación
2) tabla de base
3) defuzzificación
Durante la fuzzificación las variables numéricas de entrada se convierten en una
variable lingüística. En nuestro caso una entrada es el error que se determina de acuerdo
con el objetivo del experimento como dp / dv. Otra entrada es el incremento de dicho error
en un instante con respecto al error en el instante anterior.
En la tabla de base de reglas se toman los valores de las entradas y en base a sus
valores se obtiene la salida en la variable lingüística. En la etapa de defuzzificación
por ejemplo, si el valor del error en un momento es positivo grande y el cambio en el error
es cero, entonces el resultado debe ser positivo grande y así sucesivamente de acuerdo a los
valores de las dos entradas al valor de las acciones será determinado a través de la tabla
base de reglas, la salida lógica del controlador difuso se convierte de una variable
lingüística a una variable numérica. Por ejemplo después de la agregación de las
superficies resultantes de la cartografía de la tabla de base de reglas, el valor de este campo
se convierte de valor fuzzificado que el controlador de lógica difusa los entienda solo como
positivos grande, negativo grande, cero..., etcétera a los valores numéricos más tarde
podemos tratar con ellos por lazos de control externo
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6)NEURAL NETWORK
Las redes neuronales suelen tener tres capas: de entrada, ocultas y de salida capas
como se muestra en la siguiente figura.
Neural Network
Las variables de entrada son los parámetros del generador fotovoltaico. La salida es
normalmente una o varias señal de referencia (s), como una señal de ciclo de
trabajo utilizado para conducir el convertidor de energía para operar en o cerca del
MPP. El punto de trabajo se acerca a la MPP o lejos del MPP depende de los algoritmos
utilizado por la capa oculta y que tan bien la red neuronal ha sido entrenado.
Por ejemplo si tenemos entradas de temperatura, insolación y de tensión en circuito abierto
a la red neuronal, y también que introducir el valor deseado de la salida para que hagan de
tres mapas dimensión por lo que el proceso de formación serán los siguientes:
La salida de la red neuronal se comparará con el valor de entrada que desea, si no son
similares, entonces el proceso de formación se iniciará desde atrás a adelante para
corrección de los valores de sesgo y el peso que las características de la red neuronal y luego
comparar los resultados con la entrada del deseada valor si no son similares el proceso de
formación se repetirá una vez más hasta llegar a la salida del valor deseado, a interrumpir su
propagación. Este proceso se llama propagación hacia atrás.
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7) LOAD LINE
Aquí se sugiere un método para acelerar el tiempo de convergencia de algoritmos
convencionales MPPT sin sacrificar la precisión en régimen permanente. El
convertidor de potencia se controla a fin de reflejar por sí una carga virtual hacia el
FV. La carga virtual está optimizada para cruzarse con las características de salida
del generador fotovoltaico tal y como se muestra en la figura. En la figura aparecen
las marcas de los puntos MPP. Una línea de carga lineal virtual es también
esbozada, que corresponde a V - RI - Vref = 0.
El convertidor opera a lo largo de esta línea (en la entrada del convertidor MPPT)
alcanzándose
mediante
un
lazo
de
control
simple.
De esa manera ,el generador fotovoltaico se opera en el actual MPP ante cualquier
insolación.
Curvas I-V de un panel fotovoltaico con diferentes niveles de insolación ,
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8) SUN TRACKING
PV pista del sol de forma automática por la conducción dos motores de corriente
continua en dos ejes. El plano del generador fotovoltaico se mantiene perpendicular
al sol durante el día con el fin de obtener la máxima generación. El campo FV debe
ser girado continuamente durante el día. Esta práctica se denomina seguimiento.
En nuestro caso hemos utilizado dos sensores para el eje horizontal para seguir de este a
oeste y le envían señales al motor responsable de mover el panel FV a través del eje de
este- oeste
También utilizamos otros dos sensores para el eje vertical de norte a sur, que envían señales
al motor responsable de mover el panel FV a través del eje norte-sur.
De esta forma podemos garantizar que los paneles fotovoltaicos están siempre adaptadas y
perpendicular al sol por lo que podemos obtener la máxima potencia del FV siempre todo el
tiempo
9)RIPPLE CORRELATION CONTROL (RCC)
Cuando un generador fotovoltaico se conecta a un convertidor de potencia, la acción
de conmutación del convertidor de potencia impone la onda de voltaje y la corriente
en el generador fotovoltaico. Como una consecuencia, la potencia del generador
fotovoltaico también está sujeta a fluctuaciones. El método de Ripple correlation
control (RCC) hace uso de ondas para realizar el seguimiento de MPPT.
RCC correlaciona la derivada de la potencia p con el tiempo con la derivada de
intensidad o tensión para conducir el gradiente de potencia a cero, alcanzando así
el MPP.
Si la derivadas de V o I es cada vez mayor (v ˙> 0 o ˙ i> 0) y p˙ es cada vez mayor
(p ˙> 0) entonces el punto de trabajo está por debajo del MPP.
Por otra parte, si v˙ o i˙ es cada vez mayor y p es decreciente (p ˙ <0), entonces el
punto de trabajo está por encima del MPP.
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10)GENERATION CONTROL CIRCUIT (GCC)
Este método no esta destinado para a realizar un seguimiento del MPPT. El método
propone mejorar el comportamiento de una PV cuando hay alguna zona de un panel
fotovoltaico que se encuentran en sombra.
Aquí se propone un circuito de control de generación (GCC) para obtener la
potencia máxima de todos los módulos fotovoltaicos, incluidos aquellos que estén el
sombreados módulos fotovoltaicos la corriente generada por el no sombreada
módulos fotovoltaicos fluye a través del diodo de derivación que está conectado en
Paralelamente a la sombra módulos fotovoltaicos.
El método consiste en cargar con diferentes valores de tensión unos condensadores
conectados en paralelo con algunas de las ramas de la células fotovoltaicas.
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Simulaciones
Este trabajo se ha completado realizando algunos programas en Matlab
que permiten evaluar el comportamiento de algunos de los algoritmos
anteriormente descritos.
Los algoritmos simulados han sido:
1) P & O
2) Modified P & O
3) Incremental Conductance
4) Open Circuit Voltage
5) Short Circuit Voltage
6) Fuzzy Logic
7) Neural Network
También algunos controles en el panel fotovoltaico como:
1) Efecto de la temperatura en el tensión del FV
2) Efecto del insolación en la potencia de la FV
3) Efecto de la cantidad de ramas en paralelo de energía fotovoltaica
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Simulacion del metodo Incremental conductance
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Conclusión final
A través de este estudio se ha mencionado los beneficios en la generación de energía
eléctrica mediante una instalación fotovoltaica.
Se han mostrado algunas aplicaciones de la energía fotovoltaica, concentrando en el
problema MPPT y las componentes del sistema.
El problema del MPPT debe resolverse mediante métodos que se aplican en tiempo real.
A raíz de las simulaciones realizadas se ha llegado a los siguientes resultados:
* Las desventajas que tiene el método P & O, frente al de conductancia incremental. Este
último es más efectivo simplemente porque los sentidos incrementales en la variación en la
radiación, que no es bien detectada en P & O.
* El método de circuito abierto de voltaje es mejor que el método de corriente de
cortocircuito. El método por cortocircuito cambia el paso de tensión en la peor dirección.
* A partir de los resultados extraídos se concluye que la energía entregada de tanto por el
método P & O, como por conductancia incremental son más eficaces que el de circuito
abierto y el de corriente de cortocircuito.
* Sin embargo los mejores resultados se han obtenido de parte de la inteligencia artificial
tanto en la lógica difusa como en las redes neuronales. Aproximadamente no hay
superioridad del fuzzy o del neural ya que ambos aportan casi los mismos resultados.
* Otros métodos han sido mostrados y las salidas ofrecen son buenos resultados. Sin
embargo para elegir cualquiera de ellos sería necesario realizar una comparación de costes.
Los aspectos principales para seleccionar la técnica más adecuada del seguimiento
de MPPT se mencionan en los apartados siguientes:
1) La aplicación
La facilidad de implementación es un factor importante al decidir la técnica que se
utilizará.
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2) Sensores
El número de sensores necesarios para aplicar MPPT también es un factor que
debe afectar en la decisión sobre la técnica más adecuada.
3) Múltiples máximos locales
La aparición de máximos locales debido a sombras parciales en el sistema
fotovoltaico, puede ser un verdadero obstáculo para el buen funcionamiento de un
seguidor de MPP.
4) Costes
Saber si la técnica es analógica o digital, y si se requiere de software y
programación, y el número de sensores.
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