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MASTER EN SISTEMAS DE ENERGA ELECTRICA

Trabajo Fin de Master

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros (ETS)

Departamento de Ingeniera Elctrica

Universidad de Sevilla

Seguimiento del punto de mxima 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 mxima potencia en

Sistemas Fotovoltaicos

Este informe analiza varios algoritmos y mtodos de control sobre el Seguimiento del punto de mxima potencia en sistemas fotovoltaicos (MPPT). Los mtodos ms populares aplicados al MPPT sern explicados brevemente a travs de este

resumen de tesis.

Finalmente, se indican las principales conclusiones y requisitos aplicables a los sistemas MPPT.

Nota: para obtener ms informacin acerca de la introduccin de sistemas fotovoltaicos (PV), la estructura MPPT, el mtodo experimental establecido, los

resultados de las simulaciones aplicadas por matlab pueden verificarse en la edicin en ingls de esta tesis.

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Agradecimientos

Me gustara agradecer a mi profesor primero tranquila y respetable, Antonio de la Villa, por su apoyo y asesoramiento a lo largo de esta tesis. Su orientacin y dedicacin me dio una buena experiencia durante el curso. Tambin quisiera expresar mi sincero agradecimiento al resto de mis profesores del master durante el ao pasado 2009, por su valiosa informacin y comentarios.

Me gustara 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 travs de este trabajo final de

Master.

Ahmed Abd El Motaleb

Septiembre 2010

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DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

La cantidad de energa generada a partir de una instalacin fotovoltaica depende

principalmente de los siguientes factores: temperatura e irradiancia solar. Es

conveniente operar en el punto de mxima potencia (MPP), que cambia con la

intensidad luminosa solar, o con las variaciones de carga. Numerosas tcnicas de

seguimiento del punto de mxima potencia (MPPT) se han desarrollado para los

sistemas fotovoltaicos. El problema es cmo obtener los puntos ptimos de

operacin (voltaje y corriente) de forma automtica a la mxima potencia de salida

fotovoltaica en la mayora condiciones.

Dadas las caractersticas variables segn las condiciones atmosfricas 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 mtodo se basa en modificar (perturbar) la tensin de continua a la entrada del

inversor, y observar la variacin de la potencia de salida.

El incremento (decremento) de tensin ,modifica la potencia de salida. Por lo tanto,

si hay un aumento en la potencia, la perturbacin debe continuarse realizando en el

mismo sentido para alcanzar el MPP. Si hay una disminucin en la potencia, la

perturbacin debe ser invertida.

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2) INCREMENTAL CONDUCTANCE

El MPP se pueden rastrear mediante la comparacin de la conductancia instantnea

(I / V) a la conductancia incremental (I / V).

Vref es la tensin 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 atmosfricas 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 variacin de la potencia de salida con respecto a la tension,

la cual se expresa mediante:

En el punto MPP la variacin de la potencia con respecto a la tensin es nula. En

este caso el cociente entre los valores de intensidad y tensin tiene un valor

opuesto al cociente entre los incrementos de intensidad y tensin. En caso de no

coincidir estos cocientes, la diferencia entre sus valores nos indica que nos hemos

desplazado del MPP y adems nos aporta informacin sobre el sentido de esa

desviacin.

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3) FRACTIONAL OPEN CIRCUIT VOLTAGE

Siendo:

VMPP: Tensin en el punto de mxima potencia

VOC: Tensin a circuito abierto para cada insolacin.

En sistemas fotovoltaicos existe una relacin casi aproximadamente proporcional

entre las variables VMPP y VOC, para diferentes niveles de irradiacin y

temperatura. De esta forma da lugar a la relacin

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 peridicamente. 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 mxima potencia

ISC: La corriente mxima de la energa fotovoltaica en cada insolacin

IMPP es posible obtenerla aproximadamente mediante una relacin lineal con el ISC

del fotovoltaico

IMPP k2 * ISC

donde k2 es una constante de proporcionalidad.

La medicin de ISC durante el funcionamiento es problemtica. Es necesario aadir

un interruptor adicional en el convertidor para provocar el corto peridicamente a la

salida de la instalacin FV.

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5)FUZZY LOGIC CONTROL

El empleo de microcontroladores ha hecho que el control de lgica difusa sea

popular para su aplicacin en los MPPT durante la ltima dcada. Los controladores

de lgica difusa tienen las ventajas de trabajar con entradas imprecisas, sin

necesidad de un modelo matemtico preciso, y la manipulacin no linealidades.

El control de lgica difusa por lo general consta de tres etapas:

1) fuzzificacin

2) tabla de base

3) defuzzificacin

Durante la fuzzificacin las variables numricas de entrada se convierten en una

variable lingstica. 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 lingstica. En la etapa de defuzzificacin

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 as sucesivamente de acuerdo a los

valores de las dos entradas al valor de las acciones ser determinado a travs de la tabla

base de reglas, la salida lgica del controlador difuso se convierte de una variable

lingstica a una variable numrica. Por ejemplo despus de la agregacin de las

superficies resultantes de la cartografa de la tabla de base de reglas, el valor de este campo

se convierte de valor fuzzificado que el controlador de lgica difusa los entienda solo como

positivos grande, negativo grande, cero..., etctera a los valores numricos ms 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 parmetros del generador fotovoltaico. La salida es

normalmente una o varias seal de referencia (s), como una seal de ciclo de

trabajo utilizado para conducir el convertidor de energa 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, insolacin y de tensin en circuito abierto

a la red neuronal, y tambin que introducir el valor deseado de la salida para que hagan de

tres mapas dimensin por lo que el proceso de formacin sern los siguientes:

La salida de la red neuronal se comparar con el valor de entrada que desea, si no son

similares, entonces el proceso de formacin se iniciar desde atrs a adelante para

correccin de los valores de sesgo y el peso que las caractersticas de la red neuronal y luego

comparar los resultados con la entrada del deseada valor si no son similares el proceso de

formacin se repetir una vez ms hasta llegar a la salida del valor deseado, a interrumpir su

propagacin. Este proceso se llama propagacin hacia atrs.

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7) LOAD LINE

Aqu se sugiere un mtodo para acelerar el tiempo de convergencia de algoritmos

convencionales MPPT sin sacrificar la precisin en rgimen permanente. El

convertidor de potencia se controla a fin de reflejar por s una carga virtual hacia el

FV. La carga virtual est optimizada para cruzarse con las caractersticas de salida

del generador fotovoltaico tal y como se muestra en la figura. En la figura aparecen

las marcas de los puntos MPP. Una lnea de carga lineal virtual es tambin

esbozada, que corresponde a V - RI - Vref = 0.

El convertidor opera a lo largo de esta lnea (en la entrada del convertidor MPPT)

alcanzndose mediante un lazo de control simple.

De esa manera ,el generador fotovoltaico se opera en el actual MPP ante cualquier

insolacin.

Curvas I-V de un panel fotovoltaico con diferentes niveles de insolacin ,

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8) SUN TRACKING

PV pista del sol de forma automtica por la conduccin dos motores de corriente

continua en dos ejes. El plano del generador fotovoltaico se mantiene perpendicular

al sol durante el da con el fin de obtener la mxima generacin. El campo FV debe

ser girado continuamente durante el da. Esta prctica se denomina seguimiento.

En nuestro caso hemos utilizado dos sensores para el eje horizontal para seguir de este a

oeste y le envan seales al motor responsable de mover el panel FV a travs del eje de

este- oeste

Tambin utilizamos otros dos sensores para el eje vertical de norte a sur, que envan seales

al motor responsable de mover el panel FV a travs del eje norte-sur.

De esta forma podemos garantizar que los paneles fotovoltaicos estn siempre adaptadas y

perpendicular al sol por lo que podemos obtener la mxima potencia del FV siempre todo el

tiempo

9)RIPPLE CORRELATION CONTROL (RCC)

Cuando un generador fotovoltaico se conecta a un convertidor de potencia, la accin

de conmutacin del convertidor de potencia impone la onda de voltaje y la corriente

en el generador fotovoltaico. Como una consecuencia, la potencia del generador

fotovoltaico tambin est sujeta a fluctuaciones. El mtodo 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 tensin para conducir el gradiente de potencia a cero, alcanzando as

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 est por debajo del MPP.

Por otra parte, si v o i es cada vez mayor y p es decreciente (p

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10)GENERATION CONTROL CIRCUIT (GCC)

Este mtodo no esta destinado para a realizar un seguimiento del MPPT. El mtodo

propone mejorar el comportamiento de una PV cuando hay alguna zona de un panel

fotovoltaico que se encuentran en sombra.

Aqu se propone un circuito de control de generacin (GCC) para obtener la

potencia mxima de todos los mdulos fotovoltaicos, incluidos aquellos que estn el

sombreados mdulos fotovoltaicos la corriente generada por el no sombreada

mdulos fotovoltaicos fluye a travs del diodo de derivacin que est conectado en

Paralelamente a la sombra mdulos fotovoltaicos.

El mtodo consiste en cargar con diferentes valores de tensin unos condensadores

conectados en paralelo con algunas de las ramas de la clulas 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

Tambin algunos controles en el panel fotovoltaico como:

1) Efecto de la temperatura en el tensin del FV

2) Efecto del insolacin en la potencia de la FV

3) Efecto de la cantidad de ramas en paralelo de energa fotovoltaica

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Simulacion del metodo Incremental conductance

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Conclusin final

A travs de este estudio se ha mencionado los beneficios en la generacin de energa

elctrica mediante una instalacin fotovoltaica.

Se han mostrado algunas aplicaciones de la energa fotovoltaica, concentrando en el

problema MPPT y las componentes del sistema.

El problema del MPPT debe resolverse mediante mtodos que se aplican en tiempo real.

A raz de las simulaciones realizadas se ha llegado a los siguientes resultados:

* Las desventajas que tiene el mtodo P & O, frente al de conductancia incremental. Este

ltimo es ms efectivo simplemente porque los sentidos incrementales en la variacin en la

radiacin, que no es bien detectada en P & O.

* El mtodo de circuito abierto de voltaje es mejor que el mtodo de corriente de

cortocircuito. El mtodo por cortocircuito cambia el paso de tensin en la peor direccin.

* A partir de los resultados extrados se concluye que la energa entregada de tanto por el

mtodo P & O, como por conductancia incremental son ms 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 lgica difusa como en las redes neuronales. Aproximadamente no hay

superioridad del fuzzy o del neural ya que ambos aportan casi los mismos resultados.

* Otros mtodos han sido mostrados y las salidas ofrecen son buenos resultados. Sin

embargo para elegir cualquiera de ellos sera necesario realizar una comparacin de costes.

Los aspectos principales para seleccionar la tcnica ms adecuada del seguimiento

de MPPT se mencionan en los apartados siguientes:

1) La aplicacin

La facilidad de implementacin es un factor importante al decidir la tcnica que se

utilizar.

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2) Sensores

El nmero de sensores necesarios para aplicar MPPT tambin es un factor que

debe afectar en la decisin sobre la tcnica ms adecuada.

3) Mltiples mximos locales

La aparicin de mximos locales debido a sombras parciales en el sistema

fotovoltaico, puede ser un verdadero obstculo para el buen funcionamiento de un

seguidor de MPP.

4) Costes

Saber si la tcnica es analgica o digital, y si se requiere de software y

programacin, y el nmero de sensores.