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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.