Universidad Politécnica de Sinaloa

Programa Académico de Ingeniería en Energía

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN

CONTROL MPPT PARA UN

CONVERTIDOR BOOST CON

APLICACIONES EN SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS

Tesina presentada como requisito parcial para optar al título

de: Ingeniero en Energía.

Autor: David Alfonso Otañez Luna

Asesor interno: Dra. Nildia Yamileth Mejias Brizuela

Asesor externo: Dr. José de Jesús Rangel Magdaleno

Mazatlán, Sinaloa. Enero 2016

1

2

Dictamen

3

4

Dedicatoria

A mis amados padres, hermanos, familia y amigos.

El hombre que dijo “preferiría ser afortunado que bueno', tenía una profunda

perspectiva de la vida. La gente teme reconocer qué parte tan grande de la vida

depende de la suerte. Da miedo pensar que sea tanto sobre lo que no tenemos

control. Hay momentos en un partido de tenis en el que la pelota alcanza a pegar

en la red y por una décima de segundo puede seguir su trayectoria o bien caer

hacia atrás. Con un poco de suerte sigue su trayectoria y ganas. O tal vez no, y

pierdes."

Woody Allen, Film "Match Point".

5

Agradecimientos

Doy las gracias a todo y a todos los que hicieron esto capaz.

A los que consciente, o inconscientemente, me enseñaron y aprendí de ellos.

A mis maestros, a mis profesores y a mi institución la Universidad Politécnica de

Sinaloa, por haberme adoptado como alumno y haberme emancipado como

ingeniero.

Gracias al Instituto Nacional de Astrofísica y Óptica por permitirme realizar mi

estadía en sus instalaciones.

Gracias al Dr. José de Jesús Rangel Magdaleno por haberme abierto las puertas

del INAOE y a Marco Antonio Morales Caporal por guiarme en la totalidad de este

trabajo.

6

Resumen

Actualmente, muchas son las personas y los organismos alrededor del mundo que

trabajan para el mejoramiento de la eficiencia en las energías renovables con el fin

de impulsar hacia una transición energética. Tras la energía eólica, la energía

fotovoltaica está haciendo una rápida incursión en las redes eléctricas a lo largo

del mundo. Los sistemas de generación solar utilizan paneles fotovoltaicos que

convierten directamente la radiación solar en energía eléctrica. Pero existe un

inconveniente, debido a la característica de los propios sistemas, esta es, que

dependen directamente del nivel de radiación así como de su temperatura de

operación para generar una máxima potencia. Es por esto que es necesario

implementar un seguidor de máxima potencia que permitirá obtener el máximo de

energía y por consiguiente hacer más eficiente este tipo de energía. Un sistema de

control mppt trabaja dentro de un convertidor boost (llamado “regulador” en

algunos casos) el cual censa las salidas del módulo o arreglo fotovoltaico y en

base a los datos obtenidos de voltaje, corriente y potencia, el sistema busca

permanecer siempre el punto máximo de potencia según la grafico de potencia

contra voltaje de los módulos fotovoltaicos. De esta manera no importa cuanta

energía luminosa este recibiendo el módulo fotovoltaico, el sistema de control

exigirá siempre exigir la máxima potencia aumentado con esta la cantidad de

energía otorgada por los módulos fotovoltaicos y aumentando la eficiencia del

sistema en general para una mayor producción.

Palabras Clave

Convertidor boost, control Mppt, fotovoltaico.

7

Abstract

Nowadays, many people and many organizations around the world are working on

the improvement of the efficiency in the renewables energy, with the purpose to

lead the world to an energy transition. After wind energy, photovoltaics is making a

quick foray into the power grids throughout the world. Solar power generation

systems using photovoltaic panels that convert sunlight directly into electricity. But

there is a drawback, because the characteristic of the systems themselves, this is

directly dependent on the level of radiation and its operating temperature to

generate maximum power. This is why it is necessary to implement a maximum

power tracker which will produce the most energy and therefore more efficient this

type of energy. A system MPPT control works within a boost converter (called

"regulator" in some cases) which sense module or array outputs and based on

data from voltage, current and power, the system searches always stay maximum

power point according to the graphic power versus voltage of the PV modules.

Thus no matter how light energy is receiving the photovoltaic module, the control

system will always require the maximum power demand is increased with the

amount of energy provided by the photovoltaic modules and increasing overall

system efficiency for higher production.

Keywords

Boost Converter, Mppt control, photovoltaic.

8

Contenido

Pág.

Resumen………………….……………………………………………......6

Índice de Figuras………….……………………………………………….10

Índice de Tablas……………………………………………………………12

Introducción………………………………………………………………...13

Capítulo 1: Marco contextual. …………………………………………...14

1.1 La empresa…………………………………….………….........14

1.2 Planteamiento del problema…………………………………..15

1.3 Justificación……………………………………………………..16

1.4 Objetivos…………………………………………………………16

Capítulo 2: Marco teórico…………………………………………………17

2.1 Energía Fotovoltaica…………………………………………...17

2.2 Sistemas Mppt………………………………………………….18

Capítulo 3: Metodología…………………………………………………..18

3.1 Actividades a Realizar………………………………...……….18

3.2 Aspecto teórico-analítico………………………………………19

3.3 Tabla de eficiencias……………………………………………19

3.4 Técnica PandO para arreglos fotovoltaicos…………………20

3.5 Técnica Incond para arreglos fotovoltaicos………………….22

3.6 Pruebas en Matlab Y Simulink………………………………..23

9

3.7 Implementación de un convertidor boost para prueba de

control Mppt…..………………………………………………….....26

3.8 Convertidor Boost………………………………………………27

3.9 Pruebas y experimentación…………………………………...29

3.10 Pruebas de modelo fotovoltaico sin sistema Mppt………..29

3.11 Pruebas a modelo fotovoltaico con sistema Mppt

PandO………………………………………………………………..31

3.12 Prueba a modelo fotovoltaico con sistema Mppt Incond…33

3.13 Implementación de sistema de control Mppt en plataforma

FPGA………………………………………………………………...34

Capítulo 4: Resultados………………..……………………..……………38

4.1 Resultados sin control MPPT…………………………………38

4.2 Resultados con control MPPT………………………………..39

Capítulo 5: Conclusiones…………………………………………………40

Bibliografía………………………………………………………………….41

10

Índice de Figuras

Pág.

Figura 1.0: Organigrama de personal académico del área de electrónica en el

INAOE…………………………………………………………………………………..15

Figura 3.1: Algoritmo de técnica PandO para controles Mppt….….…….……….21

Figura 3.2: Curva P-V de un Módulo Fotovoltaico.…..…………………………….22

Figura 3.3: Algoritmo para control Mppt Incond…………………………………….23

Figura 3.4: Modulo fotovoltaico para pruebas en Simulink...….………………….24

Figura 3.5: Algoritmo para sistema Mppt Incond en MATLAB...………………….25

Figura 3.6: Modelo del sistema Mppt Incond en Simulink…………………………25

Figura 3.7: Algoritmo para sistema Mppt PandO en MATLAB...…………………26

Figura 3.8: Circuito de un Convertidor Boost CD-CD estándar…………….…….27

Figura 3.9: Modelo de un Convertidor Boost en Simulink…………………………28

Figura 3.10: Modelo final en Simulink de un módulo fotovoltaico conectado a un

convertidor boost CD-CD…………………….……………………………………….29

Figura 3.11: Variación de radiación solar con respecto al tiempo para prueba a

modulo fotovoltaico…………………………………………………………………….30

Figura 3.12: Modelo de arreglo fotovoltaico en Simulink………………………….30

Figura 3.13: Modelo de arreglo fotovoltaico con la implementación de un

convertidor boost y el control Mppt en Simulink……………………..…………….32

Figura 3.14: Plataforma FPGA Cyclone IV…………………………………………….33

Figura 3.15: Modelo del sistema de control Mppt en cosimulación con Active-HDL y

SIMULINK….……………………………………………………………………………34

Figura 4.1: Potencia vs Tiempo del arreglo fotovoltaico sin control Mppt.…..….38

11

Figura 4.2: Potencia de salida en modelo fotovoltaico con sistema Mppt PandO

implementado…………………………………………………………………………..39

Figura 4.3: Grafica de potencia de salida en modelo fotovoltaico con sistema Mppt

Incond………………………………………………………..………………………….40

12

Índice de Tablas

Tabla 3.1: Tabla de eficiencias de algunos sistemas Mppt……………………….20

13

Introducción

Los sistemas Mppt han tomado un papel bastante importante dentro de las

instalaciones fotovoltaicas. Hoy en día este tipo de controladores forman parte de

la estructura electrónica de algunos reguladores e inversores con aplicaciones

fotovoltaicas, los cuales realizan una función bastante aceptable dentro del ciclo

de trabajo de la instalación; lamentablemente, los Mppt al ser un sistema moderno,

es desconocido por la mayoría de los ingenieros y las instituciones que trabajan

con la energía fotovoltaica, por lo cual es un factor despreciable para ellos. A

demás, otra problemática que enfrentan los Mppt es su falta de desarrollo, al ser

un área totalmente nueva dentro la energía fotovoltaica. Estos sistemas nacen con

la necesidad en el aumento de la eficiencia en los sistemas fotovoltaicos con el fin

de hacerlos más competitivos dentro del mercado energético y así impulsar una

transición energética.

Dentro de este trabajo se busca identificar el algoritmo Mppt que mejor funcione y

si es posible, poder combinar lo mejor de cada uno para generar un que cumpla

con todas las condiciones y rebase la eficiencia de los existentes.

En base a simulaciones computacionales, dentro de este trabajo se muestra cómo

es que estos sistemas Mppt trabajan y los cambios que producen al modelo

fotovoltaico funcional. Estos sistemas además se implementan en plataformas

FPGA para confirmar su funcionamiento en campo y su eficiencia real.

Dentro del Capítulo 1 se muestra de forma concisa la descripción del organismo

donde se trabajó, así como una justificación pensada en las necesidades que

dieron origen a este trabajo, junto con los objetivos planteados en el mismo. El

Capítulo 2 describe y presenta información relevante para el mejor entendimiento

de este trabajo, mostrando conceptos básicos con su explicación y

desglosamiento. En el Capítulo 3 se encuentra la metodología seguida para la

realización de este trabajo, con una secuencia ordenada y con las técnicas

aplicadas durante los diferentes procesos. Mientras que en el Capítulo 4 se

expresan los resultados y conclusiones a las que se llegaron en el trabajo.

14

Capítulo 1: Marco contextual

1.1 La empresa

1.1.1 Antecedentes de la empresa

El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) fue creado por

decreto presidencial el 11 de noviembre de 1971 como un organismo

descentralizado, de interés público, con personalidad jurídica y patrimonio propio,

ubicado en Tonantzintla, Puebla.

EL INAOE es heredero de una gran tradición científica que data de 1942, cuando

Luis Enrique Erro fundó el Observatorio Astrofísico Nacional de Tonantzintla. En

aquel entonces, Tonantzintla se escogió como el lugar idóneo para la instalación

del Observatorio, el cual cumplía con las exigentes normas de calidad como

noches despejadas y en cantidad por año, así como altura geográfica y mínima

incidencia luminosa de poblaciones cercanas, ya que en la capital de la República

no era posible instalar un moderno Observatorio.

1.1.2 Área de Electrónica

En esta Coordinación se realizan actividades de investigación, desarrollo

tecnológico y formación de recursos humanos en las áreas de dispositivos

electrónicos, tecnología de fabricación de dispositivos y circuitos integrados en

silicio, diseño de circuitos integrados, desarrollo de CAD, verificación de circuitos y

sistemas electrónicos VLSI, Instrumentación Electrónica y Sistemas de

Comunicaciones.

La Coordinación cuenta a la fecha con 35 Investigadores organizados en 4 grupos

de investigación, 21 técnicos asignados a los diferentes laboratorios, quienes dan

apoyo a los proyectos de investigación y desarrollo tecnológico [8]

15

1.1.3 Personal del área de electrónica

Fig. 1.0 Organigrama de personal académico del área de electrónica en el INAOE.

1.2 Planteamiento del problema

Las energías convencionales están provocando grandes cambios negativos sobre

nuestro planeta: calentamiento global, cambio climático, contaminación, son solo

algunos de los fenómenos que los gases de efecto invernadero están provocando

sobre La Tierra, afectando toda la vida en ella, flora, fauna y humanidad. Existen

diversos métodos de producción de energía que reducen significativamente la

liberación de agentes contaminantes al medio ambiente, uno de ellos es la energía

fotovoltaica, que se deriva de la energía solar. Este tipo de energía posee grandes

ventajas en comparación con los combustibles fósiles, pero a su vez existen una

serie de desventajas que impiden que este tipo de producción de energía tenga

una fuerte presencia en el mercado energético. Uno de los mayores problemas es

su eficiencia, puesto que los módulos fotovoltaicos en la actualidad poseen una

eficiencia baja en contra de las eficiencias de las energías convencionales

(hidrocarburos), además, la energía fotovoltaica depende meramente de las

Ramírez Cortés Juan Manuel

Coordinador

Torres Jácome Alfonso

Jefe del Laboratorio de LI-MEMS

Rosales Quintero Pedro

Jefe del Laboratorio de Microelectrónica

Moreno Moreno Mario

Representante docente

16

condiciones climáticas, las cuales son muy impredecibles incluso con toda la

tecnología actual, por lo que actualmente la energía fotovoltaica es muy poco

considerada como fuente de producción energética.

1.3 Justificación

Con el mejoramiento en la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos se podría tener

una mayor presencia en el mercado energético, y los sistemas fotovoltaicos serían

considerados como una opción totalmente viable para sustituir a las energías

convencionales Es necesario una transición energética global para detener toda

esta serie de problemas de contaminación alrededor del mundo. El hecho de la

utilización de sistemas de control como son los sistemas Mppt, proporciona un

aumento en la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos, logrando que su eficiencia

pueda competir contra los combustibles fósiles y así convencer al mundo que las

energías renovables pueden llegar a ser la principal fuente de energía para la

humanidad.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un sistema de control “Mppt (Maximum power point

tracking)” para uso en arreglos fotovoltaicos, realizando comparaciones de

algoritmos Mppt convencionales con nuevos algoritmos para determinar el que

mejor se adapte a las necesidades.

1.4.2 Objetivos Específicos

I. Realizar un estudio acerca de los sistemas MPPT actuales y obtener

información necesaria para elegir y proponer un sistema propio.

II. Probar en un convertidor boost los sistemas MPPT propuestos.

III. Determinar la eficiencia de los sistemas en base a pruebas diversas.

IV. Redactar un reporte final donde se muestre con claridad los resultados de

la implementación de los sistemas obtenidos durante las pruebas.

17

Capítulo 2: Marco Teórico

2.1 Energía Fotovoltaica

Con la tecnología fotovoltaica, la luz de Sol es convertida directamente en

electricidad. La luz que llega a las celdas solares libera su energía a los electrones

que éstas contienen. Dichos electrones, una vez conectados a una carga, generan

una corriente eléctrica. Dicho proceso no requiere necesariamente radicación solar

directa, aún en condiciones de luz difusa, como cielos nublados, es posible

obtener hasta un 50 % de la producción de un día normal. [1]

El fundamento de la energía solar fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico o

fotovoltaico, que consiste en la conversión de la luz en electricidad. Este proceso

se consigue con algunos materiales que tienen la propiedad de absorber fotones y

emitir electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es

una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

En 1.839, el físico francés Edmundo Bequerel fue el primero en constatar el efecto

fotoeléctrico. Más tarde, Willbughby Smith en 1.873 y Lenard en 1.900 verifican su

existencia bajo diferentes condiciones. En 1.921 Albert Einstein gana el Premio

Nobel de Física gracias a un trabajo en el que se describe la naturaleza de la luz y

el efecto fotoeléctrico y en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. En 1.920

el físico norteamericano Millikan corroborará totalmente la teoría de Einstein. Sin

embargo, fue en 1.954 cuando se construye el primer módulo fotovoltaico en los

Laboratorios Bell y es tratado como un experimento científico ya que su coste era

demasiado elevado para su utilización a gran escala.

Desde entonces, una sucesión de nuevos procesos industriales, junto con la

expansión del mercado de consumo, han permitido una drástica reducción de los

costes de producción de módulos. Las células fotovoltaicas están hechas con

silicio, material semiconductor muy utilizado también en electrónica.

Para las células fotovoltaicas, una rejilla semiconductora recibe un tratamiento

químico especial para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en

18

el otro. Cuando la luz solar incide en la célula, los electrones son desplazados del

material semiconductor.

Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la

rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en

forma de electricidad.

Esta electricidad puede ser utilizada para suministrar energía a una carga, por

ejemplo para encender una bombilla. La conjunción de varias células conectadas

eléctricamente entre si y montadas en una estructura de apoyo o marco, se llama

módulo fotovoltaico.

Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un campo

solar. Los módulos producen electricidad en corriente continua, pudiendo ser

conectados en serie o en paralelo para conseguir el voltaje que se requiera [7].

2.2 Sistemas Mppt

Un sistema Mppt (Maximum power point tracking) por sus siglas en inglés, es un

algoritmo de control que rastrea el punto de máxima potencia de diferentes

técnicas de producción de energía, tales como la fotovoltaica o la eólica. Dicho

algoritmo se encarga de mantener la potencia de salida sobre su punto máximo y

así obtener una mayor energía al final del proceso.

19

Capítulo 3: Metodología

3.1 Actividades Realizadas

A. Se realizó un amplio estudio y se investigara sobre todo los aspectos que

rodean un control “Mppt

Meta a alcanzar: Elegir el mejor algoritmo posible considerando los

diferentes factores y características de cada uno.

B. Se implementó un convertidor boost (CD-CD) donde se realizaron pruebas

para el control Mppt y ver cómo se comporta. Recabando datos e

información necesaria para pruebas posteriores.

Meta a alcanzar: Identificar las características del sistema Mppt

seleccionado y conocer su comportamiento en distintas condiciones.

C. Se trabajó en pruebas de campo para determinar la eficiencia del control ya

conectado a la plataforma FPGA con el trabajo de programación finalizado.

Meta a alcanzar: Demostrar que el sistema Mppt es funcional en una

plataforma FPGA y determinar su eficiencia.

3.2 Aspecto teórico-analítico

En la primera etapa se realizó una investigación sobre la actualidad de los

sistemas de control Mppt para conocer cómo es que funcionan y en que basan su

comportamiento.

Existen diferentes tipos de controles Mppt, algunos son de topología básica,

mientras que algunos otros son un poco más complejos. Lo que determina el

comportamiento de un sistema de control Mppt es su algoritmo de programación,

el cuales toma ciertos valores del módulo fotovoltaico para determinar cómo

empezar a trabajar.

3.3 Tabla de eficiencias

En base a las investigaciones y estudios realizados en diferentes textos y artículos

sobre el tema, se procedió a realizar una tabla de eficiencias comparativas entre

20

Fuzzy P&O Incond Proposed PSO

A comprehensive comparison of different MPPT techniques for photovoltaic systems. ++ + -

Efficient MPPT control for PV systems adaptive to fast changing irradiation and partial shading conditions. + - ++

New algorithm using only one variable measurement applied to a maximum power point tracker. ++

Analysis and enhancement of PV efficiency with incremental conductance MPPT technique under non-linear loading conditions. ++

A modified differential evolution based maximum power point tracker for photovoltaic system under partial shading condition. 99.5 99

Evaluation of performance of MPPT devices in PV systems with storage batteries.

A survey of the most used MPPT methods: Conventional and advanced algorithms applied for photovoltaic systems. 99.22 97 97

Simulation and comparison of perturb and observe and incremental conductance MPPT algorithms for solar energy system connected to grid. - +

Variable Step Size Perturb and Observe MPPT for PV Solar Applications. +

Practical Guide to Implementing Solar Panel MPPT Algorithms.

Performance Test Protocol for Evaluating Inverters Used in Grid-Connected Photovoltaic Systems.

A Comparative Study on Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Power Systems.

MPPT with Inc.Cond method using conventional interleaved boost converter. +

Fast Hybrid MPPT Technique for Photovoltaic Applications: Numerical and Experimental Validation. +

An Improved PSO-Based MPPT Control Strategy for Photovoltaic Systems. +

A New Fuzzy-Based Maximum Power Point Tracker for a Solar Panel Based on Datasheet Values. +

Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method. +

Dynamic Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Arrays Using Ripple Correlation Control. +

Discrete-Time Ripple Correlation Control for Maximum Power Point Tracking. 98.3

Advanced Incremental Conductance MPPT Algorithm with a Variable Step Size. +

Performance Evaluation of Photovoltaic Solar System with Different MPPT Methods. + -

Simulation and Hardware Implementation of Incremental Conductance MPPT With Direct Control Method Using Cuk Converter. +

Genetic algorithms for maximum power point tracking in photovoltaic systems. +

Tipo De Control MpptNombre Del Articulo

Tabla 3.1. Tabla de eficiencias de algunos sistemas Mppt

los distintos sistemas Mppt existentes, esto con el fin de clasificar la mayoría de

los sistemas encontrados para en base a eso, seleccionar los que más convengan

para realizar las pruebas posteriores. La tabla de eficiencia se muestra en la Tabla

3.1.

Donde el signo más (+) representa al de mayor eficiencia, según el artículo

especificado, y el signo menos (– ) representa al de menor eficiencia, mientras que

los valores específicos muestran la eficiencia de los sistemas Mppt en porcentajes.

En este trabajo se tomaron principalmente dos tipos de control Mppt como base,

estos fueron el sistema “Perturb and Observe (PandO)” y el sistema “Incremental

Conductance (Incond)”, puesto que sus algoritmos son los más utilizados en el

ámbito de estudio de los sistemas de seguimiento de máxima potencia.

3.4 Técnica PandO para arreglos fotovoltaicos

Esta técnica es la más comúnmente utilizada debido a su estructura simple [4] ya

que trabaja en base a los valores censados de corriente y voltaje entregados por

el modulo fotovoltaico, con las cuales se determina una potencia de salida y la

compara con una potencia anterior, dependiendo del valor arrojado en dicha

comparación es la dirección hacia donde debe moverse el sistema de seguimiento

21

para así permanecer el mayor tiempo posible sobre el punto de máxima potencia

de la curva P-V. En la Figura 3.1 se muestra el algoritmo utilizado para este tipo de

técnicas de seguimiento de máxima potencia.

Fig.3.1 Algoritmo de técnica PandO para controles Mppt [2]

Como podemos observar el algoritmo toma el valor calculado de la potencia actual

y lo compara con la potencia anterior, después hace lo mismo con los voltajes, es

decir, compara el voltaje actual con el voltaje anterior y así determina si debe

desplazarse hacia la derecha de la gráfica o hacia la izquierda de la misma para

mantenerse lo más cercano al punto de máxima potencia. En la Figura 3.2 se

muestra la gráfica P-V de un módulo fotovoltaico y como es que se comporta el

sistema de seguimiento en diferentes valores de voltaje y potencia.

22

Fig. 3.2 Curva P-V de un Módulo Fotovoltaico [3]

3.5 Técnica Incond para arreglos fotovoltaicos

Entre todas las técnicas de seguimiento de máxima potencia, el Incond, es

utilizado ampliamente en el ámbito fotovoltaico debido a su muy alta precisión para

el punto de máxima potencia en estado estable y a su rápida respuesta a

repentinos cambios atmosféricos [4]. Este tipo de técnica es más compleja en

comparación con la técnica PandO, puesto que el Incond trabaja con la pendiente

de la curva del módulo fotovoltaico para seguir al punto de máxima potencia, la

cual tiene un valor igual a cero justo en el punto de máxima potencia, con base a

esto es como se desarrolla el algoritmo para este sistema Figura 3.3.

23

Fig.3.3 Algoritmo para control Mppt Incond [1]

Como se observa en la Figura 3.3 el algoritmo realiza el cálculo de una pendiente

en base a los valores de corriente y voltaje censados a las salidas del módulo

fotovoltaico. El valor resultante de esa pendiente es comparado con cero, según el

resultado de la comparación es hacia qué dirección debe desplazarse el sistema

para mantenerse en el punto de máxima potencia.

3.6 Pruebas en Matlab y Simulink

Para conocer experimentalmente como es que ambos sistemas de control se

comportan, se realizaron pruebas en Matlab y Simulink, utilizando los algoritmos

anteriormente mostrados para imitar el trabajo de un sistema de control y observar

cómo es que trabajan en distintas condiciones.

24

Lo primero que se realizó fue un módulo fotovoltaico virtual, el cual tuviera todas

las características con las que cuenta un módulo fotovoltaico real, con sus

correspondientes entradas y salidas. En la Figura 3.4 se muestran los elementos

con los que cuenta el módulo fotovoltaico virtual.

Fig.3.4 Modulo fotovoltaico para pruebas en Simulink

Este modelo cuenta con su respectivo diodo y sus resistencias, así como un

capacitor, todo esto con el fin de simular lo mejor posible el comportamiento de un

módulo fotovoltaico real. A este modelo se le agrega el bloque en Simulink del

sistema de seguimiento implementado, y se observan las diferencias en las

salidas del módulo con el sistema Mppt y sin el para realizar las comparaciones

debidas.

Para la técnica Incond se desarrolló el algoritmo en MATLAB con su debida

estructura y se creó el bloque en Simulink, en la Figura 3.5 se muestra la

estructura del algoritmo con el cual se creó el bloque en Simulink para desarrollar

las pruebas.

25

Fig.3.5 Algoritmo para sistema Mppt Incond en MATLAB

Una vez que el bloque fue creado se procedió a realizar el modelo completo, el

cual se adaptaría al convertidor boost para así interconectarse con el panel y

comenzar a trabajar con el sistema de control Mppt.

El modelo completo antes de interconectarse con el convertidor boost se muestra

en la Figura 3.6, el cual cuenta con las entradas de voltaje y corriente, las cuales

provienen del módulo fotovoltaico, además de los parámetros necesarios a

considerar durante el tiempo de operación del panel y del sistema Mppt.

26

Fig.3.6 Modelo del sistema Mppt Incond en Simulink

Para el sistema PandO se realizaron los mismo pasos, se desarrolló el algoritmo

en MATLAB para posteriormente crear el bloque en Simulink y este conectarlo al

convertidor boost para la interconexión con el panel, el algoritmo del sistema Mppt

PandO se muestra en la Figura 3.7.

Fig.3.7 Algoritmo para sistema Mppt PandO en MATLAB

27

Con esto se logró obtener los bloques en Simulink de ambos sistemas de control

Mppt (Incond y PandO) para realizar las pruebas debidas a dichas técnicas de

seguimiento de punto de máxima potencia.

3.7 Implementación de un convertidor boost para prueba

de control Mppt

Ya con los bloques creados en Simulink de los dos sistemas Mppt y con el módulo

fotovoltaico virtual diseñado, se prosiguió al diseño e implementación de un

“convertidor Boost” para realizar las pruebas al comportamiento del módulo

fotovoltaico con y sin sistema Mppt.

3.8 Convertidor Boost

El convertidor tipo Boost es un circuito elevador de tensión, que usa las

características del inductor y el capacitor como elementos almacenadores de

energía para elevar la corriente proveniente de la fuente de alimentación y usarla

para inyectarla al condensador, produciendo así niveles de voltaje mayores en la

carga que los de la fuente[6].

El circuito básico de un convertidor boost se muestra en la Figura 3.8. El cual

básicamente está integrado por una fuente de entrada, un inductor, un capacitor,

un transistor, un diodo y las resistencias.

Fig. 3.8 Circuito de un Convertidor Boost CD-CD estándar [6]

28

Se procedió a realizar un convertidor boost virtual en Simulink, con la finalidad de

poder realizar la interconexión entre el panel y el sistema de control Mppt.

En la Figura 3.9 se muestra la estructura del convertidor boost con bloques de

Simulink.

Fig.3.9 Modelo de un Convertidor Boost en Simulink

Dentro del bloque con el nombre “Control of DC-DC Boost-Converter” se

encuentra el sistema de control Mppt, es decir, el bloque del algoritmo creado

anteriormente, ya sea del Incond o del PandO. Ya con este modelo terminado se

puede conectar el módulo fotovoltaico y observar cómo se comporta en las salidas

el módulo.

En la Figura 3.10 se muestra el modelo terminado, con el modulo fotovoltaico

conectado al convertidor boost el cual cuenta ya con el algoritmo Mppt que se

implementara. En esta ocasión se realizaran las pruebas con los dos controles

Mppt seleccionados (Incond y PandO) para determinar la eficiencia y eficacia de

cada uno de ellos y observar el comportamiento de los valores del módulo en

estado operacional.

29

Fig.3.10 Modelo final en Simulink de un módulo fotovoltaico conectado a un convertidor boost CD-CD

Con este modelo finalizado se procede a realizar las pruebas debidas y observar

cómo se comportan las gráficas con cada sistema Mppt y sin ningún tipo de

sistema de control.

3.9 Pruebas y experimentación

Las pruebas realizadas fueron divididas en dos fases, la primera fase consta en

verificar la gráfica de potencia de salida arrojada por nuestro modelo en Simulink

(Figura 3.10) con cada uno de los sistemas Mppt desarrollados, además de

observar la gráfica de potencia de salida sin ningún de tipo de sistema de control,

con el fin de determinar en qué condiciones se obtiene la mayor potencia de

salida.

3.10 Pruebas de modelo fotovoltaico sin sistema Mppt

Estas pruebas se realizaron en condiciones de operación estándar a 25°C y con

variaciones en la radiación solar que van de entre 1000W/m2 hasta los 700W/m2.

En la Figura 3.11 se muestra la gráfica de variación de radiación solar con

respecto al tiempo.

30

Fig.3.11 Variación de radiación solar con respecto al tiempo para prueba a modulo fotovoltaico

La prueba se realizó con un arreglo fotovoltaico de nuestros módulos virtuales, el

cual cuenta con dos módulos en paralelo y dos en serie de 220W cada uno. Esta

simulación se realizó Simulink, donde se determinaron las condiciones y

variaciones de características necesarias sobre nuestro arreglo fotovoltaico, para

poder observar con claridad los resultados del comportamiento de nuestros

módulos fotovoltaicos en estado operacional. En la Figura 3.12 se puede observar

el modelo utilizado para las pruebas debidas.

Fig.3.12 Modelo de arreglo fotovoltaico en Simulink

31

Una vez que el modelo fue compilado, comenzó la simulación, en la cual se simulo

por un tiempo de 0.4 segundos, es decir, nuestro arreglo fotovoltaico trabajo por

esa cantidad de tiempo.

3.11 Pruebas a modelo fotovoltaico con sistema Mppt

PandO

Después de realizar las pruebas al arreglo fotovoltaico sin ningún tipo de control

Mppt, se procedió a implementar el sistema Mppt PandO para buscar permanecer

siempre en el punto de máxima potencia. Este sistema Mppt se interconecto junto

con un convertidor boost, para así buscar tener un aumento en la potencia de

salida del arreglo fotovoltaico.

Esta prueba se realizó bajo las mismas condiciones que la prueba realizada sin

control Mppt, es decir, en condiciones de operación estándar y con las mismas

variaciones en la radiación solar (Figura 3.11). El modelo final en Simulink se

muestra en la Figura 3.13.

Fig. 3.13 Modelo de arreglo fotovoltaico con la implementación de un convertidor boost y el control Mppt en Simulink

32

3.12 Prueba a modelo fotovoltaico con sistema Mppt

Incond

Para finalizar las pruebas, se procedió a utilizar el algoritmo del sistema Mppt

Incond, bajo las mismas condiciones de radiación solar que en las pruebas

anteriores (Figura 3.11) y con el mismo modelo que se utilizó en la prueba con

sistema de control Mppt PandO (Figura 3.13) a diferencia del algoritmo utilizado,

en este caso se implementó el algoritmo Incond.

3.13 Implementación de sistema de control Mppt en

plataforma FPGA

Una FPGA (Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que

contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser

configurada mediante un lenguaje de descripción especializado. La lógica

programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a

cabo por una puerta lógica, hasta complejos sistemas en un chip. Básicamente

esta plataforma FPGA es el puente entre lo virtual y lo físico, una vez que el

sistema Mppt se encuentra en funcionalidad dentro de la plataforma, este

dispositivo pasa a interconectarse, junto con el convertidor boost, al modelo

fotovoltaico, realizando la tarea del sistema Mppt programado en la plataforma.

Para poder programar el sistema de control dentro de la FPGA, es necesario un

lenguaje HDL, por lo cual se procedió a trabajar simultáneamente con software de

Matlab, SIMULINK y Active-HDL, para poder implementar nuestro sistema de

control Mppt en la plataforma FPGA. En la Figura 3.14 se puede observar la

plataforma FPGA utilizada para las pruebas realizadas.

33

Fig.3.14 Plataforma FPGA Cyclone IV

Este proceso está dividido en dos partes principales; la primera consiste en

realizar las pruebas en cosimulación, es decir, usando el software de Active-HDL

con el algoritmo Mppt para crear un bloque en SIMULINK del mismo algoritmo, y

este bloque implementarlo como nuestro sistema de control dentro del modelo

fotovoltaico, a diferencia de las primeras pruebas, este bloque del Mppt creado en

Active-HDL simulara que el sistema de control está trabajando ya dentro de la

FPGA, con esto se puede determinar si el sistema ya está listo para trabajar

físicamente en la plataforma. El segundo paso consta en programar la FPGA con

el sistema Mppt, esto se realiza en software de SIMULINK en conjunto con el

software Altera Quartus II.

3.13.1 Cosimulación

Lo primero que se realizo fue desarrollar los algoritmos de ambas técnicas Mppt

(Incond y PandO) en lenguaje HDL, esto se realizó con ayuda del software Active-

HDL. Una vez que el algoritmo quedo listo en el software Active-HDL, se procede

a crear un bloque un SIMULINK, dicho bloque realiza el trabajo descrito por el

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algoritmo, además, este bloque puede ser implementado directamente al

convertidor boost y por consiguiente a nuestro modelo fotovoltaico. En la Figura

3.15 se muestra como queda el sistema de control dentro del convertidor boost de

nuestro modelo fotovoltaico.

Fig.3.15 Modelo del sistema de control Mppt en cosimulación con Active-HDL y SIMULINK

El mismo proceso fue realizado para ambas técnicas Mppt, con la única diferencia

en el algoritmo desarrollado.

Una vez que el programa haya compilado y la simulación esté terminada, significa

que el sistema Mppt está listo para ser implementado en la plataforma FPGA.

3.13.2 Programación FPGA

Para programar la FPGA, lo primero que SE debe hacer es conectarla al

ordenador vía Ethernet y por conexión USB. Ya que la plataforma esté conectada

adecuadamente, con todos los drivers debidamente instalados y los recursos

necesarios, se procede a ejecutar el software de Matlab junto con el modelo en

SIMULINK de nuestro arreglo fotovoltaico, ya con el convertidor boost y el sistema

Mppt implementado (Figura 3.14). En nuestro modelo en SIMULINK, procedemos

a crear el bloque de nuestro algoritmo y hacerlo adaptable a nuestra plataforma

FPGA, solo se debe seleccionar la opción “FPGA in the loop…” y seguir los pasos

correspondientes del menú que se despliega. Con el bloque creado, adaptable a la

plataforma FPGA, se procede a cambiar el algoritmo dentro de nuestro modelo

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fotovoltaico (Figura 3.14), por el nuevo bloque creado, una vez terminado esto, lo

cargamos a la FPGA y procedemos a iniciar nuestra simulación.

Con la simulación terminada, se observaron las gráficas, y se determinó que los

sistemas Mppt funcionaban con regularidad, y nos permitió definir cual se

adaptaba mejor al trabajar en conjunto con la plataforma FPGA.

3.13.3 FPGA In the loop.

A continuación se mostraron los pasos requeridos para poder conectar nuestra

plataforma FPGA a nuestra computadora y así poder realizar las simulaciones

debidas.

Lo primero es conectar la FPGA al ordenador vía USB y vía Ethernet e instalar los

drivers necesarios; ya con los drivers necesarios nos dirigimos a las propiedades

de nuestro adaptador de cable de red; dentro de estas propiedades procedemos a

cambiar la dirección IP colocando una IP estándar como sería la 192.168.0.1, en

caso de que dicha IP ya se encuentre en uso, solo es necesario cambiar el ultimo

numero por un numero una unidad mayor, es decir, si nuestro último número es 1

se debe cambiar por 2 y así sucesivamente hasta encontrar una IP habilitada.

Con la plataforma conectada pasamos a utilizar un demo de Matlab como base

para nuestra programación, este demo lleva el nombre de

𝑉𝑒𝑟𝑖𝑓𝑦 𝐻𝐷𝐿 𝐼𝑚𝑝𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑜𝑓 𝑃𝐼𝐷 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟 𝑖𝑛 𝐹𝑃𝐴 𝑈𝑠𝑖𝑛𝑔 𝐹𝑃𝐺𝐴 − 𝑖𝑛 − 𝑡ℎ𝑒 − 𝑙𝑜𝑜𝑝 ,

abrimos el ejemplo de este demo y proseguimos.

Para hacer correr este ejemplo, se necesita una carpeta donde trabajar, así que se

debe crear una dentro de nuestro disco duro, preferentemente afuera de nuestra

carpeta de MATLAB y la nombraremos “MyTests”. Asumiremos que esta carpeta

fue creada en la siguiente dirección: C:\MyTests.

Ya que la carpeta fue creada iremos a la ventana de comandos de MATLAB y

pondremos el siguiente comando:

"cd C:\MyTests”

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Una vez hecho esto, usamos el siguiente comando en la ventana de comandos de

MATLAB:

copyFILDemoFiles(‘pid’)

Este comando creara una subcarpeta con nombre “pid_hdlsrc” dentro de la

carpeta ya creada y copiara los archivos del ejemplo a esa carpeta.

Vamos a la ventana de comandos de MATLAB y corremos el siguiente comando:

hdlsetuptoolpath(′ToolName′, ′Altera Quartus II′, ′ToolPath′, ′C:\altera\14.0\quartus\bin64\quartus. exe′);

Habiendo hecho esto ya estará cargado nuestro programa, que en este caso es

“Altera Quartus II” y este nos permitirá programar nuestra FPGA.

Una vez que nuestra plataforma esté conectada adecuadamente en nuestra

computadora y los programas estén cargados en Matlab, el siguiente paso es abrir

el modelo demo que seleccionamos, dentro de este modelo encontraremos una

opción en nuestras herramientas con el nombre “FPGA in the loop” esta opción se

encuentra dentro de la ventada CODE en nuestra barra de herramientas de

SIMULINK.

Dentro del menú que se despliega al dar clic sobre la opción “FPGA in the loop”

procedemos a establecer los datos de nuestra plataforma y las condiciones en las

que trabajara, lo primero es seleccionar nuestro tipo de FPGA en las opciones

dadas, si nuestro modelo no se encuentra, es posible descargar más modelos

desde Mathworks.

Ya que la FPGA haya sido seleccionada, pasamos al siguiente menú dando clic en

NEXT; Damos clic en la opción “Add” y seleccionamos los archivos que copiamos

en la carpeta “MyTests\pid_hdlsrc”, al seleccionarlos y abrirlos aparecerán dentro

del espacio en blanco llamado Sources files. Al estar los archivos ahí, debemos

seleccionar al de mayor prioridad y activarle la opción Top level, en este caso la

opción CONTROLLER es la de mayor prioridad.

En la siguiente ventada aparecerán todos los puertos que existen, aquí solo resta

determinar que los puertos estén correctos; deberán aparecer 4 de entrada (CLK,

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RESET, CLK_ENABLE, ERROR_D) y una salida (CONTROL_SIGNAL), de ser así

procedemos al siguiente menú.

Dentro de este menú veremos un recuadro con nuestro puerto de salida

(CONTROL_SIGNAL), nos aseguramos que en la opción “Data type" aparezca:

“Fixedpoint”, en la pestaña “Sign” aparezca: “signed” y que la pestaña “Fraction

Lenght” sea de “28”. Procedemos al siguiente menú.

Este nuevo menú solo es un resumen de las características que hemos

seleccionado para nuestro programa. Una vez revisado y encontrado todo en

orden damos clic en la opción BUILD.

En ese momento nuestro nuevo bloque comenzara a crearse, una vez finalizado el

proceso, copiamos el bloque dentro de nuestro modelo en SIMULINK, y

sustituimos nuestro controlador por el nuevo bloque. Al dar doble clic sobre el

bloque nos aparecerá una nueva ventana, en esta ventana seleccionaremos el

archivo que se desee cargar a la FPGA, para el caso del demo se llama

𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟_𝑓𝑖𝑙. 𝑠𝑜𝑓. Si el programa fue creado correctamente, se cargara a la

FPGA y aparecerá un mensaje en nuestra computadora con la expresión: FPGA

programming file loaded successfully. Con esto nuestra plataforma ya fue

programada y cumplirá con las funciones establecidas en el programa que se

cargó en ella.

Cabe mencionar que este proceso puede ser utilizado para cargar cualquier

controlador a la FPGA, siguiendo los pasos anteriormente mencionados con la

diferencia del modelo utilizado, omitiendo usar el demo, y utilizando otro modelo

deseado.

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Capítulo 4: Resultados

4.1 Resultados sin control MPPT

En la Figura 4.1 se muestran la gráfica de potencia de salida que entrego el

arreglo fotovoltaico después de terminada la simulación sin ningún tipo de control

Mppt.

Fig.4.1 Potencia vs Tiempo del arreglo fotovoltaico sin control Mppt

Como se puede observar la potencia alcanza hasta casi los 800W/m2 con

1000W/m2 de radiación solar, lo cual es un poco bajo considerando que nuestros

módulos tienen una potencia de 220W cada uno, también hay que considerar las

perdidas por eficiencia de nuestros módulos fotovoltaicos, ya que no transforman

al 100% la radiación solar en energía eléctrica.

4.2 Resultados con control MPPT

Una vez obtenido el modelo completo con el algoritmo PandO, se procedió a

compilar el programa y a comenzar la simulación, al igual que la simulación

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anterior, esta se realizó por un periodo de 0.4 segundos. En el momento en que la

simulación termino, se obtiene la gráfica de potencia de salida, la cual se muestra

en la Figura 4.2, y que presenta considerables diferencias a la primera (Figura

4.1).

Fig.4.2 Potencia de salida en modelo fotovoltaico con sistema Mppt PandO implementado

Como se puede observar, nuestra potencia de salida alcanza hasta los 900W/m2

con una radiación de 1000W/m2, siendo está mucho mayor a la obtenida sin algún

sistema de control Mppt. El problema con el sistema PandO es su considerable

oscilación durante los cambios de radiación solar; en la Figura 4.2 se observa

fácilmente que la curva no alcanza a estabilizarse y se mantiene fluctuando

durante los periodos de cambio de radiación solar, siendo este sistema poco

recomendable ya que es bien sabido que la radiación solar que llega a los

módulos fotovoltaicos es muy variada con respecto al tiempo.

En la última prueba se revisaron las salidas de potencia de este nuevo modelo

para observar cómo se comporta en las variaciones de radiación solar y cual su

velocidad de reacción ante las mismas. En la Figura 4.3 se puede observar la

gráfica de potencia de salida de este modelo.

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Fig.4.3 Grafica de potencia de salida en modelo fotovoltaico con sistema Mppt Incond

Observando la gráfica (Figura 4.3) se puede notar que la curva es mucho más

estable en comparación con un sistema Mppt PandO, aunque entrega un poco

menos de potencia en los periodos de máxima radiación solar, pero comparado

con los niveles mínimos de radiación y su velocidad para estabilizarse se puede

decir que encuentra el punto de máxima potencia con mayor facilidad y logra

mantenerse ahí mucho más tiempo que un sistema Mppt PandO.

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Capítulo 5: Conclusiones

Con los resultados obtenidos, se llegó a la conclusión de que un sistema Mppt

proporciona un considerable aumento en la potencia de salida de un arreglo

fotovoltaico, por lo cual lo vuelve con un implemento totalmente viable y que puede

trabajar perfectamente en comunión con la energía fotovoltaica.

Como se pudo observar en las gráficas presentadas dentro de este trabajo,

existen diferentes tipos de sistema Mppt, cada uno con características distintas

pero comportamientos similares, los cuales en general, ayudan a obtener una

mayor potencia de salida de los arreglos fotovoltaicos; en este caso el sistema

Mppt Incond resulto ser el que mejor cubrió todas las necesidades presentadas en

este trabajo, obteniendo hasta más de 50W de potencia de salida en comparación

con un módulo fotovoltaico sin sistema Mppt, y presentando una mayor estabilidad

y una pronta reacción a rápidos cambios en la radiación solar.

En conclusión se puede determinar que un sistema de control Mppt adaptado a los

arreglos fotovoltaicos es una gran opción para aumentar considerablemente la

potencia entregada por estos, y así lograr una eficiencia mayor en estos sistemas

de generación de energía, convirtiéndolos en una vía alterna bastante sólida de

generación de energía, pudiendo competir ahora con más fuerza contra los

métodos de energía convencionales.

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