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Comparación de algoritmos MPPT aplicados a sistemas fotovoltaicos

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Academic year: 2020

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(1)Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. Comparación de algoritmos MPPT aplicados a sistemas fotovoltaicos. Autor: Tutores:. José Roberto Chantres Borges Dr. José Rafael Abreu García Dr. Alain Martínez Laguardia. , junio 2018.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) i. PENSAMIENTO. Seamos realista soñemos lo imposible. Ché..

(4) ii. DEDICATORIA. Muchas felicidades recién graduado. Con cuantas ansias esperó este momento, de mil manera imaginó este día o quizás unas 𝑒 ∞ veces lo pensó, solo él sabe, como también sabe que a pesar de no estar en el aula vivió la concentración del curso y los momentos tensos cuando se acercaban los exámenes, la inconformidad permanente con los resultados; y el ansia de acumular cacharros viejos o equipos rotos, pues esa era su prueba más constante del verdadero conocimiento, la puesta en práctica. Fueron cinco no tan largos años, nunca contó lo que faltaba siempre lo vencido, tampoco le faltó la expresión aconsejadora de con esfuerzo, dedicación, disciplina y responsabilidad se podía lograr; sumándose al final un compromiso: -“dale que tengo unas cuantas cosas que me tienes que arreglar”-. Te reitero las felicidades, públicas en esta ocasión, y me alegro mucho pues quizás vuelvas a lo que te apasionó en tu juventud, no como soldador, pailero o jefe de los molinos pero sí como ingeniero en automática. A Fernando Borges García..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. Muchas gracias a todos aquellos que una vez me preguntaran por este proyecto, me ofrecieran su ayuda, apoyo y preocupación por mi salud. Miles de gracias especiales a: José Rafael Abreu García Moraima Borges Mariscal.

(6) iv. RESUMEN. En el trabajo de tesis “Comparación de algoritmos MPPT aplicados a sistemas fotovoltaicos” se realizó un cotejo de los algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia en sistemas solares fotovoltaicos para dos regímenes de trabajo, ante cambios en las condiciones climáticas de temperatura e irradiación. Para ello se propuso, como objetivo general, determinar cuál de los algoritmos MPPT ofreció mayor eficiencia en la captación de la energía solar en el sistema fotovoltaico que se instalan en la Universidad Central Martha Abreu, así como, establecer una comparación de los mismos en régimen estático y dinámico, con los elementos integrantes de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Los resultados obtenidos con las simulaciones digitales usando SIMULINK MATLAB mostraron la eficacia de utilizar el método de Conductancia Incremental, en tanto los datos revelan su superioridad respecto al resto de los algoritmos, mostrando mayor potencia de salida, intensidad y eficiencia. Económicamente se comprobó que la potencia de salida en horario pico con este algoritmo permite un ahorro de 312 USD diarios en este parque. La investigación evidencia la factibilidad de los sistemas fotovoltaicos con el uso del algoritmo Conductancia Incremental pues evita la emisión de 4.43 kg de CO2 por cada 100kW/h..

(7) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1. 1.1. SISTEMA FOTOVOLTAICO .................................................................. 5. Descripción del sistema fotovoltaico ....................................................................... 6. 1.1.1 Modelo de la celda fotovoltaica ........................................................................... 7 1.1.2 Converor CC-CC ................................................................................................ 11 1.2. Viabilidad en la utilización de los MPPT .............................................................. 12. 1.2.1 Algoritmos más usados....................................................................................... 14 1.3. Arquitectura............................................................................................................ 15. 1.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 16. CAPÍTULO 2. 2.1. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA .................................................. 17. Desarrollo energético en Cuba sobre paneles fotovoltaicos .................................. 18. 2.1.1 Sistemas fotovoltaicos cubanos conectados a la red eléctrica ............................ 20 2.2. Algoritmos MPPT .................................................................................................. 21. 2.2.1 Pertubar y Observar (PO) ................................................................................... 22 2.2.2 Conductancia Incremental (CondInc) ................................................................. 26 2.2.3 Fraccional de voltaje en circuito abierto (FVoc) ................................................ 29 2.2.4 Fraccional de corriente en corto circuito (FIsc) ................................................. 30.

(8) vi 2.2.5 Célula Piloto ....................................................................................................... 31 2.2.6 Contralador Difuso ............................................................................................. 31 2.3. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 33. CAPÍTULO 3.. SIMULACIÓN Y RESULTADOS ......................................................... 35. 3.1. Régimen de trabajo ................................................................................................ 37. 3.2. Simulación de los algoritmos ................................................................................. 39. 3.2.1 Simulación del Perturbar y Observar ................................................................. 39 3.2.2 Simulación del Conductancia Incremental ......................................................... 42 3.2.3 Simulación de Célula Piloto ............................................................................... 45 3.2.4 Simulación de Controlador Difuso ..................................................................... 47 3.2.5 Simulación sin algoritmo de MPPT ................................................................... 49 3.3. Análisis económico y medio ambiental ................................................................. 51. 3.4. Conclusiones del capitulo ...................................................................................... 52. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 53 Conclusiones ..................................................................................................................... 53 Recomendaciones ............................................................................................................. 54 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 55 ANEXOS .............................................................................................................................. 60 Anexo I. Modelo en SIMULINK MATLAB del sistema fotovoltaico conectado a la red 60.

(9) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El sol es una fuente de energía alternativa y renovable para las regiones tropicales por presentar esta área del planeta la mayor incidencia de radiación. La situación crítica del mundo respecto a la contaminación, altas demandas eléctricas y agotamiento de los combustibles fósiles han influido en el desarrollo del hombre en la búsqueda de nuevas formas y transformación de las energías. El avance en los sistemas fotovoltaicos presenta limitaciones debido a su dependencia a condiciones climáticas como la temperatura ambiente y la intensidad de la irradiación del sol, que afectan la potencia de salida de las celdas solares o fotovoltaicas, haciendo que tenga baja eficiencia(Liu et al., 2004) (Green et al., 2017) y alto costo de adquisición (Mittag et al., 2017). Entre las investigaciones realizadas por centros de estudios para mejorar la obtención de energía eléctrica mediante los sistemas fotovoltaicos se encuentran las dedicadas a los algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia denominado MPPT por sus siglas en inglés, que es un sistema totalmente electrónico que opera en los módulos fotovoltaicos variando el punto eléctrico de operación de los paneles de tal manera que permite extraer la máxima potencia de éstos. Los modelos empleados presentan una eficiencia que oscilan entre 25% y 30% (Messenger and Abtahi, 2017) aunque los procedimientos, métodos y circuitos de seguimientos MPPT según las condiciones de prueba alcanzaron un 44% de rendimiento en prototipos aun no comercializados disminuyendo así el peso, tamaño y finalmente los costos de las instalaciones fotovoltaicas (Lumb et al., 2017)..

(10) INTRODUCCIÓN. 2. A diferencia de las fuentes de energía convencionales, es deseable operar los sistemas fotovoltaicos en su punto de máxima potencia (MPP) que es donde se encuentra el valor de voltaje y corriente máximo que genera el panel fotovoltaico (Marouani and Bacha, 2009).El modelo matemático tradicionalmente usado tiene como dificultad principal su perturbación ante las condiciones de sombreados instantáneos y el envejecimiento de las celdas fotovoltaica, a lo que se le agrega la dependencia de generación a partir de temperaturas en el PV y la radiación solar; estas circunstancias hacen que el lugar geométrico del MPP varíe en amplio rango. En el funcionamiento del generador fotovoltaico (PVG, por sus siglas en inglés), se requiere de un algoritmo que permita contrarrestar dichas perturbaciones originadas por las condiciones atmosféricas cambiantes. Donde la etapa de potencia del MPPT comúnmente se implementa con un conversor de corriente continua - corriente continua (CC-CC) y un modulador de ancho de pulso (PWM) pues es necesario para altas frecuencias. Se han propuesto muchos algoritmos MPPT, desarrollados por la condición local respecto a las condiciones climatológicas o en respuesta a exigencias según su aplicación, algunos en aras de mayor rapidez en el posicionamiento del MPP y otros en la precisión. Al obtener el MPP de manera iterativa (Ventura and Asaf, 2014) estos algoritmos deben ser ajustados por el valor en el cual MPP es controlado. La eficiencia obtenida del MPPT depende de la complejidad del algoritmo utilizado, los cuales convergen en cortos intervalos de iteraciones para el rastreo rápido del punto y con largos tiempos de establecimiento de corriente y voltaje del PV para el menor error en la medición de la señal(Firouzi et al., 2017). Con el propósito de trabajar en esta área del mejor aprovechamiento y optimización de los recursos energéticos, en especial de sistemas fotovoltaicos, esta investigación propone la simulación y evaluación de algoritmos de MPPT para un convertidor CC-CC aplicado a un sistema fotovoltaico conectado a la red. En el país se hacen grandes esfuerzos en las instalaciones de sistemas fotovoltaicos a partir de tecnologías importadas sin que se conozcan con certeza los algoritmos MPPT que se utilizan, ni se garantice la máxima eficiencia en su captación de energía. Basados en la situación propia del país respecto a los factores económicos y ambientales, surge la siguiente pregunta de investigación:.

(11) INTRODUCCIÓN. 3. ¿Cuál algoritmo MPPT es el que permite obtener la máxima potencia en las instalaciones fotovoltaicas de Cuba? Presentando como objetivo general: “Determinar dentro de los algoritmos MPPT más utilizados los que den una mayor eficiencia en la captación de la energía solar en los sistemas fotovoltaicos que se instalan en la Universidad Marta Abreu de las Villa”. Igualmente para dar respuesta a la pregunta de investigación se presentan los siguientes objetivos específicos: -Establecer la información científica y bibliográfica acerca de los sistemas fotovoltaicos y especificar los algoritmos MPPT más utilizados. -Describir de forma clara y concisa el soporte científico de este proyecto, que consta en la teoría de los algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia más usados en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. -Comparar los algoritmos descritos mediante en el software SIMULINK MATLAB, en régimen estático y dinámico, con los elementos integrantes de los sistemas fotovoltaicos que se instala en la Universidad Marta Abreu de las Villas. Organización del informe Con el fin de dar cumplimento a los objetivos, el trabajo se encuentra organizado en tres capítulos, donde el primer capítulo se hará una revisión al estado del arte con el fin de dar una visión clara desde el punto de arrancada del proyecto de los elementos básico para la entrega de tensión estable de los paneles; en el segundo se hace mención a los planes de desarrollo de las fuente de energía renovables y en especial a la fotovoltaicas con lo cual, además del ahorro y la protección del medio ambiente, se busca la independencia energética del país. En este capítulo también se especificara las principales características de los sistemas utilizados en Cuba, las partes que conformar un sistema fotovoltaico conectado a una red y una previa comparación de los algoritmos cuánto a implementación, costo, ventajas y desventajas. En el tercer capítulo se dedicará a la comparación de los diferentes algoritmos mediante simulación del sistema fotovoltaico. El cotejo de los algoritmos principales se hará sobre la base de la respuesta dinámica y estática del sistema, la eficiencia energética.

(12) INTRODUCCIÓN. 4. alcanzada (comparando la potencia obtenida con la máxima posible ante variaciones de la irradiación), y las posibilidades de implementación del sistema. Por último se presentan las conclusiones y referencias bibliográficas respectivas..

(13) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 5. CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. En los últimos años se han presentado problemas relacionados con factores energéticos (crisis petrolera), ecológicos (cambio climático) y de demanda eléctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial. Estas dificultades, lejos de encontrar soluciones efectivas, se encuentran en continuo aumento, lo cual lleva a plantear la necesidad de alternativas tecnológicas para asegurar, por un lado el suministro adecuado y de calidad de la energía eléctrica y por el otro, el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales preservando el medio ambiente(Figueredo, 2010). Las energías renovables presentan la capacidad de regenerarse de forma natural. Motivo, por el cual, crece el interés de estas fuentes de energía, aparentemente inagotables, frente al inminente agotamiento de las explotadas energías fósiles. En el caso particular de los sistemas de generación basados en energía solar, se presenta una gran acogida gracias a su funcionamiento silencioso, de larga duración, a sus costos de funcionamiento, mantenimientos reducidos y porque no constituye un agente contaminante al medio ambiente, principalmente por tener al sol como fuente de energía prácticamente inagotable para su operación (Kolhe et al., 2002) (Messenger and Abtahi, 2017). La cantidad de energía generada a partir de una instalación fotovoltaica depende principalmente de los siguientes factores: temperatura e irradiación solar; debido a la construcción de la celda, básicamente, de un material semiconductor de unión p–n que convierte la radiación solar en corriente continua utilizando el efecto fotovoltaico. En el caso particular de los sistemas fotovoltaicos, el costo de adquisición es alto (Green et al., 2017) (Wang, 2017) y su eficiencia de conversión es baja, a pesar de los múltiples avances tecnológicos existentes, sobretodo son dependientes de las condiciones ambientales. Por lo tanto, diseñar sistemas que permitan la optimización del MPPT es de vital importancia, por.

(14) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 6. la necesidad de contribuir con el desarrollo de tecnología eficiente de producción energética, que sean a su vez asequibles para el país y que permitan aportar al suministro de electricidad exigido por la creciente demanda de energía. Numerosas técnicas de seguimiento del punto de máxima potencia se han desarrollado para los sistemas fotovoltaicos y en todas se necesita enfatizar sobre la eficiencia de cada método para extraer la máxima potencia del sistema. Sin embargo la principal problemática radica en cómo obtener los puntos óptimos de operación (voltaje y corriente) de forma automática para la máxima potencia de salida en la mayoría de las condiciones de trabajo. 1.1. Descripción del sistema fotovoltaico. La composición básica del sistema fotovoltaico, mostrada en la Figura 1.1, está dada por el panel que mediante la conversión energética genera una potencia de corriente directa. Para estabilizar el voltaje de salida y que alcance los valores requerido por el usuario se utiliza un conversor de CC-CC que por lo general se emplea un conversor elevador (boost) para que el voltaje generado en las celdas este en el rango deseado, tomando valores hasta de diez veces más que el generado por la celda fotovoltaica.. Figura 1.1.Sistema fotovoltaico. En la Figura 1.1 se muestra el sistema fotovoltaico con sus etapas de control y seguimiento de potencia esquematizando el conversor boost generalizado. Donde el algoritmo de MPPT recibe el voltaje generado por PV (señal de entrada) y la corriente PV para entregar la señal.

(15) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 7. compensadora al punto de suma para el sistema de control accione el mando sobre el boost para obtener el voltaje requerido (Vb). Al monitorear el sistema fotovoltaico se atienden parámetros fundamentales como son: La corriente de corto circuito (ISC) es el valor de la corriente que circula por el panel cuando el voltaje en sus terminales es nula, V = 0, y es la máxima corriente que se podría llegar a obtener (en un caso ideal) del panel cuando trabaja como generador. El voltaje de circuito abierto (VOC) es el mayor voltaje que puede polarizar al dispositivo cuando trabaja como generador. El punto de máxima potencia (PM) y el punto de trabajo correspondiente, (VM,IM), define los valores nominales del voltaje y la corriente en el punto de máxima potencia (no confundir con el voltaje y corriente máxima), siendo: PM = IM x VM. El factor de forma (FF) es la relación entre la potencia máxima y el producto de ISC y VOC. Su valor es más alto cuanto mejor es la célula. Por lo general, un valor bajo de FF está asociado con la existencia en pérdidas de eficiencia en el dispositivo, mientras que una célula de buena calidad suele tener valores de FF superiores a 0.70; por ejemplo, los paneles solares SolarWorld tienen un FF>0,75, lo que confirma que cuanto más alto es el FF, más calidad tiene el panel(Gallo et al., 2017) (Marrero Valdivia, 2017) (Guzmán Villavicencio et al., 2017). La eficiencia, se expresa habitualmente como un porcentaje y es la relación entre la potencia eléctrica entregada por el panel y la potencia de la radiación que incide sobre él(Figueredo, 2010),(Carannante et al., 2009) (Somoza Cabrera and Betancourt Alayón, 2017).. 1.1.1 Modelo de la celda fotovoltaica Las células fotovoltaicas son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, en un proceso en el que la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produciendo una diferencia del voltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo que se pueda producir trabajo útil..

(16) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 8. Un parque fotovoltaico está compuesto por un conjunto de paneles que típicamente presenta una asociación de celdas fotovoltaicas, en dependencia de la irradiación y temperatura recibida por el astro rey se crea una mayor interacción entre los átomos haciendo una diferencia de potencial entre sus terminales (Esramand and Chapman, 2007). Diferentes modelos se han desarrollado para definir el comportamiento del panel, uno de los más usados es el modelo de simple diodo mostrado en la Figura 1.2, el cual representa en forma precisa del panel monocristalino, policristalino o amorfo.. Figura 1.2.Circuito equivalente de la celda fotovoltaica. Observerse en la figura anterior como la fuente de corriente Isc representa la energía entregada por el sol, donde Rs es las pérdidas debidas a contactos, cableado y otras conexiones física; la resistencia Rsh representa la corriente de fuga del diodo y el diodo simula la acción de la celda de silicio como la unión p–n. Al aplicar la ley de Kirchhoff de corrientes, se obtine lo mostrado en la ecuación (1.1) 𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑐𝑐 − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑟𝑠ℎ. (1.1). Al considerar Id como la corriente de saturación del diodo en inversa se refleja en la ecuación (1.2) basada en el modelo Shockley. 𝐼𝑑 = 𝐼𝑜 (𝑒. 𝑞∗(𝑉𝑝𝑣+𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠) n∗k∗T. − 1). (1.2). Donde Io es la corriente de saturación inversa del diodo, 𝑞 la carga del electrón, k es la constante de Boltzman, T es la temperatura absoluta de la unión, n es el coeficiente de.

(17) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 9. emisión y dependiente del proceso de fabricación del diodo y el término sumas de voltaje es la tensión de la celda. Aplicando la ley de Kirchoff de voltaje en la última malla con la finalidad de obtener la corriente que circula por Rsh resulta en la ecuación (1.3) 𝐼𝑟𝑠ℎ =. Vpv+IpvRs Rsh. (1.3). Entonces al sustituir (1.2) y (1.3) en (1.1) se desarrolla la ecuación característica de la celda solar quedando como: 𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑐𝑐 − 𝐼𝑜 (𝑒. 𝑞∗(𝑉𝑝𝑣+𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠) n∗k∗T. − 1) −. Vpv+IpvRs Rsh. (1.4). La ecuación (1.4) es el reflejo de la dependencia de irradiación y temperatura en el proceso fotoelectrico y al desarrollar sus curvas características y principalmente la de potencia se encuentra el pocisionamiento del MPP como se muestra en la Figura 1.3.. Figura 1.3.Curvas de I, V, P de la celda fotovoltaica. La curva de potencia se contrae o dilata según la irradiancia presentando mejor resultado en los horarios de 12:00 meridiano a 2:00 pasado meridiano y en días despejados pues la incidencia solar es perpenticular a la celda. La necesidad de un voltaje y corriente apropiados para diferentes aplicaciones se interconectan varias celdas solares en serie, paralelo o ambas en forma matricial para armar.

(18) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 10. un módulo fotovoltaico, a su vez estos pueden interconectarse entre si para formar un arreglo fotovoltaico (Wang, 2017). Los paneles solares que existen hoy en día tienen varios valores de potencia. Esta potencia además del tamaño también depende de la eficiencia de las células que lo componen, de las uniones que tiene interiormente el panel. El término estandarizado para los paneles solares es el de potencia pico (Wp), que corresponde a la potencia que el módulo es capaz de entregar bajo las condiciones ideales que corresponden a una irradiación de (1000 W / m2) y a la temperatura de 25 ºC (Rezk et al., 2017) (Ferrer Vallin et al., 2018) (Marrero Valdivia, 2017). Una célula típica fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será disminuida a la mitad)(Figueredo, 2010). Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz. Para comparar diversas celdas se les clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula(Sales et al., 2011) (Messenger and Abtahi, 2017). La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula. La capacidad al generar energía la celda fotovoltaica puede ser alta y de igual manera desaprovechada si el sistema presenta un conversor o conjunto de conversores incompetentes al módulo. Esto lleva al análisis del conversor en uso según características de respuesta en la construcción del panel o la finalidad en sus aplicaciones que puede ser conectado directos a la red o aislados..

(19) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 11. 1.1.2 Converor CC-CC En la electrónica de potencia ocupan una importante posición el estudio y desarrollo de los convertidores conmutados. Un conversor CC-CC es un sistema de conversión de potencia que transforma voltaje CC de un nivel determinado en su entrada a un voltaje de nivel CC diferente en su salida; se construye con conmutadores de potencia y un filtro de salida. De acuerdo a la relación entre el valor del voltaje de entrada y el valor del voltaje de salida se pueden clasificar en tres tipos básicos de convertidores: Boost (Salida superior a la entrada), Buck (Salida inferior a la entrada) y el Buck-Boost (Salida superior, igual o inferior a la entrada) (Micolau Subirón, 2016) (Fajardo et al., 2017) (Hua and Shen, 1998). Los conversores basados en los modelos con transistores (MOSFET o IGBT), tiristores y diodos son capaz de controlar mediante modulación de ancho de pulsos (PWM) del conmutador electronico con bajas perdidas, porque gran parte de la potencia generada es entregada a la carga y no se disipa en energía calorífica a diferencia del resto. Es útil el uso de PWM porque es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. Estos poseen eficiencia por encima del 80% y soportan potencias de salida por encima de los 500W, caracteristica útil en la implementación de módulos PV (Hua and Shen, 1998) (Mumtaz et al., 2012) (Messenger and Abtahi, 2017). Como se mencionó anteriormente, el módulo PV exhibe bajos niveles de voltaje, estos deben ser elevados para la entrada requerida según las exigencia de la red eléctrica. Usandose el conversor clásico de la topología Boost tanto a los paneles PV conectados a la red como a los aislados. El cual eleva el voltaje del panel en su entrada y es convertido a un voltaje superior en la salida, para poder suministrar la máxima potencia disponible del panel a una carga predeterminada. La polaridad de la tensión de salida es la misma que la de la tensión de entrada. Es una característica de este convertidor, que el ruido generado a la salida es alto al poseer armónicos, es por ello el empleo de la configuración LC en el circuito (Mahendran, 2011). El funcionamiento del convertidor tipo Boost se clasifica de acuerdo al modo de operación, el cual puede ser en modo continuo (MCC) donde la intensidad durante el ciclo de trabajo no.

(20) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 12. llega a un valor nulo y por otra parte está el discontinuo (MCD) que ocurre cuando la corriente se anula al final del ciclo de trabajo. En general, un inversor fotovoltaico debe ser capaz de transferir la potencia a la red mediante la inyección de corriente alterna con el voltaje y frecuencia necesaria para sincronizar el parque con el sistema electroenergetico. Con el fin de incrementar la potencia entregada a la red y mejorar la eficiencia del sistema, el inversor puede contener un MPPT, el cual registra la señal de corriente emitida por el arreglo PV y busca maximizar la potencia generada por el mismo. El MPPT debe hacer que el generador fotovoltaico trabaje en el punto de máxima potencia teniendo en cuenta que este varia constantemente a lo largo del día y dependiendo de las condiciones climatológicas(Ferrer Vallin et al., 2018). El inversor consigue que el generador funcione en el punto de operación de mayor prestaciones porque lleva incorporado un algoritmo seguidor de máxima potencia. Este dispositivo consiste básicamente en un convertidor CC-CC que se conecta delante del propio inversor y ajusta la tensión de entrada del inversor a la tensión del punto de máxima potencia del generador. 1.2. Viabilidad en la utilización de los MPPT. Los sistemas fotovoltaicos reales presentan pérdidas de potencia superando el 25% de la potencia total de la planta. Los motivos dados en su origen, fundamentalmente en la dispersión de los parámetros de los módulos, la aparición de sombras parciales, las pérdidas en el inversor y pérdidas por temperatura. Estos comportamientos se muestran con mayor influencia en las topologías complejas, como fachadas o tejados fotovoltaicos, por las condiciones propias de la instalación. El costo, no sólo económico, de un sistema de generación de energía eléctrica fotovoltaico está asociado a la eficiencia total del sistema, por eso, para incrementar la eficiencia es importante fijar un seguidor de máxima potencia. La simulación del sistema PV proporciona medios flexibles para analizar y comparar el rendimiento de diferentes algoritmos de MPPT cuando se opera bajo condiciones climáticas específicas. Así se crea un sistema de trabajo para desarrollar mecanismos en los algoritmos de seguimientos para optimizarlos y alcanzar valores superiores de eficiencia..

(21) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 13. Los métodos tradicionales de control del voltaje en arreglos fotovoltaicos se basan en la aproximación de su modelo por linealización, limitando su validez en vecindades del punto de máxima(Rezk et al., 2017) (Wang, 2017) (Mumtaz et al., 2012); poniendo en riesgo el desempeño adecuado del sistema en todo su rango de operación, por lo que es necesario diseñar técnicas de control que garantice el mejor y óptimo funcionamiento del arreglo PV. El bloque de control MPPT se encarga de generar el ciclo de trabajo del convertidor que adecue el generador fotovoltaico a su voltaje óptimo. Por lo tanto, es un algoritmo de control que busca el punto de máxima potencia que interactúa con el convertidor monitoreando las variables corriente y voltaje de la célula con la finalidad de determinar el punto de trabajo del conjunto fotovoltaico para el cual la potencia en bornes sea máxima como se muestra en la Figura 1.1 referida anteriormente en este capítulo. El algoritmo MPPT proporciona una señal de control que mediante un módulo PWM genera una señal que permite activar y desactivar el interruptor del convertidor para conseguir el voltaje óptimo en el panel fotovoltaico. En la mayoría de los algoritmos MPPT necesitan conocer el punto de trabajo en que se encuentra el panel fotovoltaico; es por ello que existe una interacción de datos entre el panel fotovoltaico y el algoritmo MPPT. El seguimiento a la trayectoria del punto de máxima potencia permite la obtención máxima de la potencia disponible en el sistema PV. Por su dependencia a el clima, presenta fluctuaciones en la carga, generando no linealidades en la relación corriente y voltaje.(Rezk et al., 2017) (Messenger and Abtahi, 2017) Se hace necesario asegurar la coincidencia de puntos entre el método de MPPT y el MPP del modelo matemático del PV según las condiciones atmosféricas y climatológicas. Existen diferentes métodos MPPT para extraer la máxima potencia de un generador fotovoltaico. El conjunto de técnicas MPPT existentes se pueden organizar en 3 categorías dependiendo su estrategia de control: . Las técnicas indirectas de control son aquellas técnicas que no interactúan con el panel fotovoltaico sino que se basa en estadísticas y base de datos para su funcionamiento.. . Las técnicas directas son las técnicas basadas en un modelo matemático y que necesitan una interacción con el panel para saber valores de voltaje, corriente,.

(22) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 14. potencia... Al existir esta interacción son técnicas que su utilización recae en la búsqueda del extremo de una función. . Las técnicas computacionales de control que no se basan en un modelo matemático como las anteriores sino que se consigue el punto de máxima potencia mediante prueba y error.. 1.2.1 Algoritmos más usados Entre los algoritmos de mayor uso y popularidad atendiendo a su desempeño estable y a la sencillez de implementación se encuentra el Perturbar y Observar (PO), y el Conductancia Incremental (IC, por su siglas en inglés) (Ruiz et al., 2010) (Jimenez and Biel Solé, 2009) (John et al., 2017). Las técnicas de cantidades fraccionales del Voltaje de Circuito Abierto y la Corriente de Corto Circuito se llevan a cabo en aplicaciones específicas por el bajo costo y fácil implementación pues solo se necesita un sensor de voltaje o de corriente (Ahmad, 2010), pero lejos de la conexión directa a la red debido a requerir un banco de acumuladores y la eficacia es baja así como la eficiencia comparado con PO y CondInc(Ahmad, 2010) (Guillén Núñez, 2016). Estos algoritmos se clasifican dentro de las técnicas directas. Otros métodos basados en control inteligente presentan los menores tiempos de respuesta y una eficacia relevante (Alajmi et al., 2011) (Pilco and Jaramillo, 2008), pero, el alto costo de implementación es la mayor contención presente debido a que la construcción del parque fotovoltaico más económico tiene su ganancia a medio y largo plazo y de encarecerse más por estos métodos lo hacen poco factibles económicamente para los inversionistas o a los usuario finales. La naturaleza de los sistemas fotovoltaico es no lineal y estos métodos convencionales tratan de linealizar su modelo limitando las vecindades al MPP (Green et al., 2017). Las técnicas no lineales en MPPT como el control por modo deslizante es útil para regular el voltaje del arreglo PV(John et al., 2017) (Femia et al., 2009),. como medio opcional según las. incidencias en las variaciones de radiación. La superficie de deslizamiento es diseñada a partir del error de la potencia de salida. El control por modo deslizante se enlaza a un método lineal por lo general con PO haciéndolo más robusto, mejor eficacia y tiempo de respuesta(Femia et al., 2009) (Ruiz et al., 2010b) (Jimenez and Biel Solé, 2009)..

(23) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 1.3. 15. Arquitectura. La interconexión serie-paralelo de PV constituye el generador fotovoltaico y es la más usada pero se recogen en la literatura conexiones serie natural (Teles et al., 2018) (Abreu-Reche and García-Hernández, 2017). Es importante agrupar paneles de características similares y que estén sometidos a condiciones ambientales idénticas con el fin de maximizar la potencia generada. La agrupación de paneles permite escalar la curva de potencia para obtener un único punto de máxima potencia igual a la suma de las máximas potencias de cada panel, lográndose en paneles iguales y en las mismas condiciones de trabajo. Al conectar en paralelo varias ramas de PV, puede que en la manipulación alguna de ellas resulte severamente sombreada o deteriorada, y la corriente a través de otra rama derive hacia ésta pues su comportamiento es similar a una carga (Green et al., 2017). En aras de evitar este problema se le conectan un conjunto de diodos en serie evitando el paso de corriente en sentido inverso y denominados diodos de bloqueo, aislando las ramas que presenten roturas(Messenger and Abtahi, 2017). Además se conectan los diodos de paso en paralelo con cada módulo para evitar la pérdida de potencia del generador cuando uno de los módulos limita la corriente de su rama. Al interconectar en serie una gran cantidad de paneles para alcanzar valores de tensión elevados aparecen máximos locales de potencia en la característica corriente-tensión del generador. Los métodos de MPPT también pueden diferir por su arquitectura aunque la literatura básicamente hace énfasis en la centralizada y la distribuida (Blaabjerg and Yang, 2017) (Walker, 2001). Esta nomenclatura está dada en relación con el convertidor pues en la centralizada existe solamente un CC-CC bajando los costos y facilitando la implementación, con la desventaja de presentarse nubosidad parcial decae la eficiencia por existir variaciones en el voltaje de salida entre los paneles del arreglo fotovoltaicos (Chavarria Roé, 2010). En la arquitectura distribuida para cada módulo PV existe un convertidor CC-CC implementándose tantos algoritmos de MPPT como convertidores existan (Ben-Yaakov et al., 2018) (Flórez, 2014). Es evidente que la distribuida es más costosa pero el desempeño del sistema antes condiciones de desigualdad por módulo es considerable; agregando la capacidad de sistemas de protección inteligente para poder separar módulos con deficiencia o defectuosos..

(24) CAPÍTULO 1. SISTEMA FOTOVOLTAICO. 16. Es relevante conocer la arquitectura presente del inversor además de la interconexión de los módulos PV o la de los algoritmos MPPT pues la conformación de los tres favorece al factor más débil de los paneles, eficiencia y eficacia. Inversor central es una estructura utilizada para PV conectados a la red. Presenta una sola etapa de conversión de corriente directa a corriente alterna y su costo es bajo pero al tener un gran número de paneles; presenta pérdidas de potencia útil al transferir a la red (Singh, 2017). Las arquitecturas que incluyen una etapa de conversión CC-CC para elevar la tensión de salida del generador fotovoltaico permiten reducir el número de paneles por generador. Esta arquitectura es la de mayor uso en los parques fotovoltaicos, no obstante, es necesario tener una etapa inversora (CC-CA) para generar la corriente que se inyecta a la red, esta arquitectura es conocidas (CC-CC-CA) (Velez Sanchez, 2015) (Fajardo et al., 2017). 1.4. Conclusiones del capítulo. Hasta este punto del trabajo investigativo se ha revisado el estado del arte de los sistemas fotovoltaicos. Comprobándose que las pérdidas de potencia obedecen a debilidades en la tecnología de construcción de los paneles y sus componentes eléctricos, aspectos que merecen profundizarse en proyectos investigativos con el propósito de reducir costos, ganar eficiencia y reducir emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmosfera. Una vez definido los principios de funcionamiento del generador fotovoltaico y sus partes, el presente trabajo de tesis centrará su estudio en los paneles instalados en Cuba y los algoritmos MPPT que interactúan con el convertidor CC-CC para la entrega del voltaje, la corriente y la frecuencia que exige la red eléctrica nacional..

(25) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 17. CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. Los temas ambientales en la generación de la energía es uno de los más importantes de la actualidad. La quema de combustibles fósiles es uno de los principales medios de obtención de electricidad que representa más de 80% de la energía producida en el mundo (CamposRojas, 2017) (Flórez, 2014). De acuerdo a las estadísticas de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés), en el mundo el 75% de la energía generada proviene de combustibles fósiles tales como carbón, petróleo y gas natural (IEA, 2010). La alta explotación de las fuentes no renovables ha ocasionado consecuencias medioambientales como el efecto invernadero, el aumento desmedido del calentamiento global y el deterioro de ecosistemas terrestres y marinos. Ante esta situación, crece el interés por el aprovechamiento de fuentes limpias para la generación de electricidad entre las que figura la energía solar como alternativa de alto potencial especialmente en regiones intertropicales. La radiación solar puede generar el doble de la energía producida con combustibles fósiles, a pesar de la baja eficiencia de los generadores, la cual es de un 30% aproximadamente. Son por estas razones por las que se invierte tiempo y trabajo en la investigación y desarrollo de más y mejores tecnologías en energías renovables de fuentes como el viento, el Sol, las mareas, corrientes de agua en ríos y biocombustibles. Más que una preocupación, las tendencias en el aumento de las temperaturas y la crisis climática global, son una amenaza real para la vida en el planeta, estos fenómenos impactan también de manera específica en el archipiélago cubano. Papel protagónico en este resquebrajamiento de la salud de los ecosistemas lo tiene la alta tendencia de la humanidad en el consumo eléctrico..

(26) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 18. Más de 93% de la energía eléctrica se produce en Cuba es por la quema de combustibles fósiles, por lo que el sector eléctrico nacional es el responsable del 40% aproximadamente de las emisiones totales de gases contaminantes en el país, y que a su vez ocupe el quinto lugar entre países del mundo que más CO2 por kWh generado emite, según los datos de la Agencia Internacional de Energía en el 2008. Para obtener estos datos la agencia tomó 156 países y regiones promediando los datos por continentes, con excepción de Cuba y de los 4 países que la superan en emisiones para comparar porcentualmente lo que representa. Asombrar como Cuba está encima de regiones como Asia y África. La mayor de las Antillas en su evolución histórica ha tenido momentos difíciles por su marcada dependencia en el uso de combustibles fósiles, práctica que data de la colonial y neocolonial. Posterior al triunfo de la Revolución en 1959 con el apoyo del CAME y la desaparecida Unión Soviética continúo esta dependencia, lo que generó que en la década del noventa del siglo veinte por la caída del campo socialista y la intensificación del criminal y genocida bloqueo económico impuesto de Estados Unidos de Norteamérica a la isla, se presentara un enorme problema energético; la demanda cubana superaba en 70% a lo generado, este dato incluye el sector industrial y el doméstico. Todo lo anteriormente expuesto evidencia cada vez más el apremio de avanzar hacia el uso de las fuentes renovables de energía; por otra parte, al encontrarse Cuba en una zona geográfica de alta radiación solar hace de este recurso una fuente atractiva para su estudio y aprovechamiento, sin desviarse de los fundamentos de la Resolución 136 del Ministerio de Energías y Minas más el decreto presidencial número 3 que se creó la Comisión Gubernamental para la elaboración y desarrollo de la “política para el desarrollo perspectivo de las fuentes renovables y el uso eficiente de la energía”, que preside el vicepresidente del consejo de estado y de ministro Comandante de las Revolución Ramiro Valdés, la cual ha funcionado sistemáticamente desde su creación. 2.1. Desarrollo energético en Cuba sobre paneles fotovoltaicos. El 21 de junio del 2014 fue aprobada la “Política para el Desarrollo Perspectivo de las Fuentes Renovables y el Uso eficiente de la Energía para el periodo 2014 – 2030” con los objetivos.

(27) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 19. de transformar la estructura de las fuentes energéticas, disminuir la dependencia de los combustibles fósiles de importación, elevar la eficiencia en la generación y la sostenibilidad medioambiental. El programa para cumplir los objetivos propuestos contempla la incrementación de la participación de las Fuentes Renovables de Energía (FRE) en la generación eléctrica hasta un 24%. Producir 7 mil 316 GWh/año con FRE; sustituir 1,75 millones de toneladas de combustible/año, y, dejar de emitir a la atmosfera 6 millones Ton de CO2 anuales. Los puntos de mira de mayor potencia están en las inversiones en biomasa y fotovoltaica además de contar con sistemas eólicos e hidráulicos. La Figura 2.1 hace un esbozo de la distribución de parques fotovoltaicos a lo largo del territorio nacional, donde están proyectados 210 parques para una potencia de 700 MW generando 1050 GWh/año que sustituye 240 000 Ton/año de petróleo crudo y evita 0.89 mil millones de emisiones de CO2 al año. Este programa presenta fecha de culminación para el año 2022 (López Valdés, 2018).. Figura 2.I.Desarrollo fotovoltaico en Cuba. La proyección vista en la figura anterior está diseñada en torno a los parques conectados directamente a la red eléctrica nacional. Además aumentará la instalación de módulos fotovoltaicos en hospitales rurales, consultorios del médico de la familia, escuelas, salas de televisión y círculos sociales. El país también invierte en los sistemas aislados vinculados a.

(28) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 20. la agricultura como por ejemplo estaciones de bombeo de agua solar, instalados más de 1000 sistemas para el sector de la ganadería; así como 2100 cercados eléctricos instalados con módulos de un alcance de 13.42 hectáreas cada uno (López Valdés, 2018). Como parte de la estrategia para aumentar de forma priorizada la generación eléctrica a partir del uso de fuentes renovables, el país cuenta hoy con 34 parques solares fotovoltaicos sincronizados al sistema electroenergético nacional y debe acercarse a los 90 MW de potencia instalada (Stolik, 2017). Al realizar un estudio a fondo del terreno donde se construyen los parques, la adquisición de los componentes electrónicos y sistemas de control correspondientes; así como los algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia, no es pretenciosos, hablar de sobrepasar los 90 MW y de la necesidad de utilización de los algoritmos de MPPT, con el objetivo de aprovechar al máximo la energía suministrada por el panel fotovoltaico. 2.1.1 Sistemas fotovoltaicos cubanos conectados a la red eléctrica Los sistemas fotovoltaicos conectados directamente a la red eléctrica se diferencian de los instalados de modo aislados, en no tener banco de acumulación de energía o respaldo antes la ausencia de radiaciones solares; estos sistemas entregan directamente a la red según los estándares y requerimientos de la empresa eléctrica (UNE) y su composición se desglosa en la Figura 2.2.. Figura 2.2. Sistema fotovoltaico conectado a la red. Como muestra se toma el parque fotovoltaico Universidad Marta Abreu de las Villas. Generador fotovoltaico: Módulos solares fotovoltaicos de 265 W en el horario pico, fabricante Shanghai Aerospace Automobile Electromechanical Co.,Ltd.(HT-SAAE), modelo HT60-156P-265, con tensión en el punto de máxima potencia de 31.7 V, corriente en el punto.

(29) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 21. de máxima potencia igual 8.37 A, tensión en circuito abierto 37.8, corriente de cortocircuito en 9.04 A y eficiencia aproximadamente de 16.2%. Inversor: cuenta con un inversor de fabricación China del 20015, SUNGROW SG500MX de, Voltaje Nominal de entrada 460-850V, Corriente nominal 1220 A, Temperatura de operación – 40…+65 °C y con una entrada al punto de máxima potencia. Los valores de salida cuenta con una potencia nominal de 500 kW con una corriente máxima de 1008 A y voltaje nominal de 315V para conexión trifásica y a frecuencia variable 45-55 Hz y 55-65 Hz. Se supervisa el funcionamiento del Parque Solar Fotovoltaico, en la caseta de control de los operadores, por vía remota, a través de sistemas de comunicaciones convencionales (SCADA), visualizado en dos pantallas de una microcomputadora; previéndose intervenciones planificadas de un personal mínimo para su mantenimiento o reparaciones. 2.2. Algoritmos MPPT. A partir de 1968 comienza aparecer en la literatura publicaciones sobre algoritmos que pretenden garantizar la transferencia de máxima potencia (NASA and GE, 1981). El primer algoritmo MPPT que se implemento era muy simple, entre otras cosas porque la capacidad de los microcontroladores del momento era mucho menor que en la actualidad. Con la entrada en la era digital se reduce el consumo y el número de componentes; por otra parte este tipo de control se caracteriza por una implementación más sencilla, lo que implica: . Obtención rendimientos MPPT altos aprovechando las radiaciones solares.. . Disminución del número de componentes electrónicos para ahorrar en placa, componentes y encapsulado.. . Reducción en pérdidas de control porque es menor la potencia que se disipa.. . Aminoramiento del costo de fabricación del prototipo, flexibilidad del sistema y competitivo en el mercado.. Por estas razones se implementan los algoritmos MPPT de forma digital y de dos maneras según su operación:.

(30) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. . 22. Seguimiento mecánico el cual va trasladando la parrilla del panel hacia la máxima radiación posible variando su ángulo de inclinación atendiendo a los días o estaciones.. . Seguimiento eléctrico que utiliza convertidores eléctricos de alta potencia para poder modificar el ciclo de trabajo del convertidor mediante técnicas de control.. La implementación mecánica de los algoritmos de control, en los parques ya construidos, sería muy costosa, teniendo en cuenta además que las pérdidas energéticas en los sistemas de movimiento de los paneles son mayores. Por eso a continuación se describe los algoritmos de control MPPT de seguimiento eléctrico que posteriormente serán comparados. 2.2.1 Pertubar y Observar (PO) Este algoritmo de seguimiento de potencia varía el voltaje del panel y monitorea la potencia 𝑑𝑃. resultante respecto al voltaje 𝑑𝑉. Si la potencia medida es mayor que la muestra del instante anterior se continúa realizando la misma variación en el voltaje. Si la potencia es menor que la obtenida en la muestra anterior, se realiza la variación de voltaje opuesta a la que se estaba haciendo en el ciclo anterior. Las muestras del voltaje del panel solar permiten ubicar el punto de operación. Una vez alcanzado el punto de máxima potencia, el algoritmo PO hará que el punto de operación del panel oscile en torno a él (Wang, 2017) (Femia et al., 2009) (Gallo et al., 2017). 𝑑𝑃. Las variaciones de voltaje para encontrar el MPP presentan un proceder matemático si 𝑑𝑉 > 0 , entonces, el punto de operación se encuentra en el lado izquierdo del MPP llevando al aumento del voltaje en el PV mediante el conversor CC-CC para igualar los dos puntos. En el caso contrario donde. 𝑑𝑃 𝑑𝑉. < 0 , el punto se encuentra en el lado derecho y se realizan las. operaciones opuesta a las condiciones dichas. Su nombre viene dado por lo anteriormente explicado debido a observar que potencia es mayor en cada iteración para perturbar el ciclo de trabajo del conversor aumentando o disminuyendo el voltaje (Gallo et al., 2017)..

(31) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 23. La Figura 2.3 muestra las cincos condiciones posibles donde puede encontrarse el algoritmo PO; los vectores indican la tendencia de las iteraciones.. Figura 2.3. Curva voltaje vs potencia y funcionamiento de PO.. . El punto 1 se encuentra a la izquierda del MPP por tanto se disminuye el ciclo de trabajo del conversor para aumentar el voltaje.. . El punto 2 el sistema se encuentra a la izquierda pero como ∆P<0 y ∆V<0. Indica que está cerca del punto MPP de igual forma debe disminuir el ciclo de trabajo para aumentar el voltaje pero en menor proporción.. . La posición del punto 3 es la deseada por lo que no es necesario variar el ciclo de trabajo.. . El punto 4 es el reflejo del punto 2, por tanto se debe aumentar el ciclo de trabajo para disminuir el voltaje.. . El punto 5 se encuentra a la derecha del MPP por tanto se aumenta el ciclo de trabajo del conversor para disminuir el voltaje.. La Figura 2.4 muestra el diagrama de flujo del algoritmo Perturbar Observar el cual es continuo robusto y fácil de implementar pues solo lleva un operador matemático para obtener la potencia, dos comparadores y dos registro. El sistema primeramente arranca y solicita las mediciones de voltaje y corriente para hallar la potencia, luego verifica si es cero porque.

(32) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 24. puede ser que se encuentre desde el inicio en el MPP, en caso contrario se comienza a estimar a partir de la misma potencia y del voltaje, incrementando o decreciendo el ciclo de trabajo del conversor según sea la respuesta de la ∆P y ∆V. Al ser un proceso iterativo actualiza los valores anteriores de con los actuales y retorno al inicio.. Figura 2.4. Diagrama de flujo del algoritmo PO. La simplicidad y fácil implementación de este algoritmo hace evidente sus ventajas. Sin embargo, presenta algunas limitaciones que reducen su eficiencia de seguimiento. Cuando la cantidad de luz decrece considerablemente, la curva P-V se contrae perdiendo la curvatura ya definida. Esto dificulta al MPPT la localización del MPP, ya que los cambios producidos en la potencia son pequeños con respecto a la perturbación en la tensión (Hohm and Ropp, 2003) (Schneider Electric, 2014). La principal desventaja de este algoritmo radica en su eficiencia ya que está sujeta a la velocidad con que se midan las variables, como la corriente y el voltaje. Esto depende.

(33) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 25. directamente de la velocidad de muestreo, pues de ser pequeño puede producir inestabilidad para alcanzar el MPP (Ruiz et al., 2010). También este algoritmo puede exhibir un comportamiento errático bajo cambios rápidos en los niveles de radiación, por ejemplo, con el movimiento de las nubes el PO se desvía del MPP. Este algoritmo puede operar equivocadamente en estos casos porque no es capaz de distinguir las variaciones de la potencia de salida del sistema PV causadas por el ciclo de trabajo de aquellas causadas por la desviación de la radiación solar (Ventura and Asaf, 2014) (Marrero Valdivia, 2017) (Zyrianov, 2017) Los efectos negativos asociados con la utilización del algoritmo de MPPT tipo PO pueden ser significativamente reducidos si la magnitud de las perturbaciones del ciclo de trabajo y el intervalo de muestreo son modificadas según el comportamiento dinámico del convertidor de CC-CC empleado para realizar el seguimiento del MPP. Si la frecuencia de muestreo de las variables es elevada, el algoritmo será más rápido y encontrará antes el MPP y se pondrá a oscilar en torno a él. Si la frecuencia de muestreo es demasiado elevada, el transitorio del sistema que se produce cada vez que se modifica el ciclo de trabajo puede dar lugar a valores erróneos que generan interpretaciones de dirección equivocadas en el algoritmo (Fu et al., 2017) (Velez Sanchez, 2015). Varias mejoras del algoritmo P&O han sido propuestas(Liu et al., 2004) (Wang, 2017) (Yu et al., 2004). Una de ellas consiste en la adición de un tiempo de espera; si el sistema detecta una serie de signos alternos en la perturbación, esto indica que se ha alcanzado el MPP. Así se reduce la oscilación sobre el MPP y se mejora la eficiencia del algoritmo bajo condiciones de radiación constante. Sin embargo el MPPT se vuelve muy lento frente a cambios en las condiciones atmosféricas, haciendo más notable el comportamiento errático en días parcialmente nublados. Otra modificación se genera al realizar la medición entre las dos potencia (medición en los dos últimos instantes de muestreo). El sistema es capaz de discernir la variación de radiación solar, incluso, estimar esta variación y actuar en consecuencia. Estas modificaciones aumentan la complejidad del sistema MPPT, y aumenta el tiempo de respuesta. Un recurso en vías de mayor explotación es el procedimiento de complementar el algoritmo de MPPT de PO con sistemas de control inteligente, principalmente de control deslizante,.

(34) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 26. por la robustez del mismo y la capacidad de trabajar en sistemas no lineales pero este recurso ingenieril encarece el sistema (Abreu García J.R, 2017). 2.2.2 Conductancia Incremental (CondInc) El método de conductancia incremental se encarga de estudiar la curva de potencia contra voltaje, de un panel solar fotovoltaico. Se basa en hallar donde la pendiente es cero en la curva (P-V). dP 𝑑𝑉. = 0, pues allí se encuentra MPP. Así, la tensión del sistema PV puede ser. regulada cercana a la tensión en el MPP. Este método tiene como criterio que la potencia es constante en el punto óptimo de trabajo (Lee et al., 2006). El algoritmo emplea decrecimientos o incrementos de voltajes e intensidades para realizar un seguimiento del nuevo MPP. Estas variaciones se rigen por la ecuación de potencia que según su devolución puede estar en el lado izquierdo o derecho. Se puede definir de la siguiente manera: dP 𝑑𝑉 dP 𝑑𝑉 dP 𝑑𝑉. = 0 Está en MPP < 0 Se encuentra a la derecha del MPP > 0 Se encuentra a la izquierda del MPP. Una más clara explicación de trabajo por condiciones derivadas se muestra en la Figura 2.5 que indica hacia donde está dirigido el punto de MPP.. Figura 2.5. Ubicación de la derivada en algoritmo CondInc..

(35) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 27. dP. Como puede observarse se reemplaza 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 en 𝑑𝑉, para poner el método de conductancia incremental en variables fácilmente medibles, como corriente y voltaje. Realizándose de la siguiente manera: dP 𝑑𝑉 dP. V∗I. dV. dI. = 𝐼 + 𝑉 𝑑𝑉 𝑑𝑉 dP 𝑑𝑉. dI. = 𝑑 𝑑𝑉 = 𝐼 𝑑𝑉 + 𝑉 𝑑𝑉. ∆I. ≅ 𝐼 + 𝑉 ∗ ∆𝑉. (2.1) (2.2) (2.3). Así se establece la comparación entre la Conductancia incremental. ∆I ∆𝑉. con el valor de. I. conductancia instantánea 𝑉. Una vez el MPP se logra alcanzar, el MPPT continua trabajando en este punto hasta que se produce un cambio en la corriente, el cual puede ser generado por las variaciones de radiación sobre el panel. El algoritmo implementado controla el ciclo útil según la ubicación del punto en el análisis de la derivada (Mahendran, 2011) (Flórez, 2014) (Tey and Mekhilef, 2014) (Ventura and Asaf, 2014) (Rezk et al., 2017) (Pakkiraiah and Sukumar, 2016). El diagrama de flujo que se muestra en la Figura 2.6 desarrolla el método secuencial para encontrar el máximo punto de potencia y las condiciones necesarias para el control del ciclo útil por la teoría CondInc..

(36) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 28. Figura 2.6. Diagrama de flujo del algoritmo CondInc. Los valores instantáneos de voltaje y corriente, junto con los del muestreo anterior, son utilizados para calcular dI y dV. Si dV = 0 y dI = 0, las condiciones atmosféricas no han cambiado y el MPPT está funcionando en el MPP. En el caso de dV = 0 y dI > 0, se ha producido un aumento en la radiación solar creciendo así el voltaje del MPP. Esto requiere un incremento en el voltaje de operación para seguir al MPP. Por el contrario, si dI < 0, el nivel de radiación solar ha decrecido, bajando el voltaje del MPP. Entonces el MPPT debe disminuir el voltaje de operación del sistema. De forma que no se cumpla dV = 0, el sistema toma la rama de la izquierda. En el caso en dI. I dP. que 𝑑𝑉 > − 𝑉 (𝑑𝑉 > 0) el punto de trabajo del arreglo se encuentra a la izquierda del MPP en la curva P contra V. Por tanto la tensión de operación del sistema debe aumentarse. Del dI. I. dP. mismo modo si 𝑑𝑉 < − 𝑉 (𝑑𝑉 < 0) el sistema está trabajando a la derecha del MPP. Así, el voltaje de operación del arreglo debe reducirse. El algoritmo Conductancia Incremental calcula en cada momento la dirección hacia donde modificar el punto de trabajo del generador fotovoltaico para aproximarlo al MPP, y determina cuándo se ha alcanzado. Es por esto que para cambios atmosféricos rápidos no tomará una dirección errónea y no oscilará en torno al MPP una vez alcanzado (Lee et al.,.

(37) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 29. 2006). Este algoritmo tiene la ventaja de reducir al mínimo la oscilación alrededor del MPP en estado estacionario. En los comienzos este método fue de poco interés por la complejidad para diseñar el controlador. Aunque esta dificultad ya no es problema para las aplicaciones PV actuales, acopladas a la red, que implementan todos los esquemas de control a través de un controlador digital. No obstante, se mantiene el problema en la velocidad de rastreo que depende de la magnitud del incremento, y como solución no se pueden bajar las tazas de rastreo porque es posible que el MPPT no encuentre el punto de máxima potencia y se mantenga oscilando alrededor de este (Tey and Mekhilef, 2014) (Ventura and Asaf, 2014). En la práctica el método clásico mostrado no alcanza el valor de MPP debido a la resolución del conversor análogo – digital o pequeñas variaciones en la salida de los sensores presentando oscilaciones en estado estable. Como solución para dicha problemática se incluye una tolerancia en la condición de la derivada, que debe asegurar erradicar las oscilaciones y mayor constancia en el punto de MPP. Para ajustar la condición de corrección de error se usan métodos heurísticos (Tey and Mekhilef, 2014) (Ventura and Asaf, 2014) (Farayola et al., 2017). Se redefine el método de la siguiente manera: I. ∆I. Si | 𝑉 + ∆𝑉 | < 𝑐 Está dentro de la tolerancia cercana al MPP, no es necesario modificar el ciclo de trabajo del convertidor. I. ∆I. Si 𝑉 + ∆𝑉 < −𝑐 Se encuentra a la derecha del MPP, debe incrementar el ciclo de trabajo para disminuir el voltaje. I. ∆I. Si 𝑉 + ∆𝑉 > 𝑐 Se encuentra a la izquierda del MPP, debe disminuir el ciclo de trabajo para aumentar el voltaje. En cuanto el diagrama de flujo no presenta muchos cambios solo en la rama izquierda donde las condiciones estarán dadas por la tolerancia según lo que se acaba de definir. Esta corrección ha creado una tendencia de ser una de las técnicas más usadas. 2.2.3 Fraccional de voltaje en circuito abierto (FVoc) Uno de los parámetros que se monitorea en el control del funcionamiento de los parques fotovoltaicos es el voltaje de circuito abierto el cual es la tensión máxima en los terminales.

(38) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 30. del módulo fotovoltaico cuando no hay carga conectada al mismo (Chaves et al., 2016). Su valor de ajuste es proporcionado por el fabricante para condiciones dadas de temperatura y radiación. Este algoritmo se basa en la característica de los paneles, donde el voltaje del punto de máxima potencia para cualquier nivel de irradiación y temperatura es una proporción aproximadamente constante al voltaje en circuito abierto. FVoc es uno de los algoritmos más fácil de implementar, donde el voltaje de MPP es obtenido de forma empírica: 𝑉𝑚𝑝𝑝 ≈ 𝐾1 ∗ 𝑉𝑂𝐶. (2.4). El valor de K1 varía entre 0.70 y 0.92 y debe ser estimado mediante prueba y error del sistema, el generador fotovoltaico es aislado temporalmente por el sistema MPPT para medir VOC y no entra al sistema hasta que se calcula el Vmpp y se ajuste el conversor. Esta operación se repite periódicamente para seguir la trayectoria de MPP (Schneider Electric, 2014) (Ahmad, 2010) (Messenger and Abtahi, 2017). El método puede ser implementado de manera sencilla utilizando hardware analógico. Sin embargo, la eficiencia del algoritmo de seguimiento MPPT es inferior a la de otros pues el valor de K1 presenta errores y la medición del VOC crea interrupción momentánea en la entrega de potencia. Muestra una precisión limitada pues la medición es en período regular y solo se utiliza cuando hay variación de temperatura (Mumtaz et al., 2012) (Pilco and Jaramillo, 2008). 2.2.4 Fraccional de corriente en corto circuito (FIsc) La corriente de corto circuito se refiere a la corriente máxima que se puede obtener en el panel fotovoltaico, para ello éste debe estar sin ninguna resistencia adicional para provocar el corto circuito pues al no existir dicho elemento, el voltaje es nulo (Mohamed, 2010) (Blaabjerg and Yang, 2017). En el algoritmo fraccional de corriente en corto circuito, las características no lineales de la celda, en el sistema fotovoltaico, se modelan con ecuaciones matemáticas o aproximaciones numéricas al igual que el algoritmo fraccional de voltaje en circuito abierto. Además del trabajo con la variación de las condiciones climáticas se analiza el nivel de degradación del panel PV..

(39) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 31. Estas características dadas en voltaje contra corriente son construidas con una relación entre la corriente de corto circuito y la corriente en el punto de máxima potencia Impp, en una dependencia aproximadamente lineal existente como se muestra: 𝐼𝑚𝑝𝑝 ≈ 𝐾2 ∗ 𝐼𝑆𝐶. (2.5). El valor de K2 oscila entre 0.64 y 0.85 pero la medición de ISC durante el funcionamiento es una problemática al separar generador e interconectar momentáneamente sus terminales mediante un interruptor adicional porque el proceso se repite periódicamente (Messenger and Abtahi, 2017) (Firouzi et al., 2017).. Los algoritmo de FIsc y FVoc sean conceptualmente análogos son muy similares, incluso comparten las mismas desventajas pero al fraccional de corriente en corto circuito también se le adjunta la dificultad de establecer un corto circuito controlado (Ahmad, 2010). 2.2.5 Célula Piloto Célula Piloto no constituye un método de MPPT, es una ligera modificación a los algoritmos de FVoc y FIsc. Es una celda separada de la conexión del PV pero bajo las mismas condiciones de trabajo e idénticas características constructivas (Blaabjerg and Yang, 2017). A la Célula Piloto es a la que se le monitorea el voltaje en circuito abierto o la corriente en corto circuito según el sistema implementado. Estas mediciones son las entradas a los algoritmos de seguimiento fraccional que actúa sobre el generador para dirigirlo al MPP. Esta solución evita el aislamiento del generador, eliminando las pérdidas de potencia que se generan en la medición de voltaje y corriente. Facilidad de implementación al eliminar la conmutación controlada. No obstante, se mantiene el problema de establecer la constante de proporción K, además no es efectivo para nubosidad parcial porque puede estar la célula bajo los efectos de la perturbación o fuera de la misma. Además no es apropiado para aplicaciones con limitación de superficie. 2.2.6 Contralador Difuso En los últimos años el control por lógica borrosa (FLC, fuzzy logic control) ha recibido una atención notable. En concreto, su uso en aplicaciones de búsqueda del MPP en sistemas fotovoltaicos ha tenido una gran aceptación..

(40) CAPÍTULO 2. CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA. 32. Aparte de mejorar la robustez del sistema de control, los controladores borrosos presentan ciertas ventajas sobre los controladores convencionales. Éstas pueden resumirse principalmente. en. que. no. necesitan. modelos. matemáticos. exactos,. ya. que pueden trabajar con variables de entrada imprecisas, manejan de manera eficiente las no linealidades y además son adaptativos (Wendling Júnior, 2016) (Gutiérrez et al., 2014) (Hohm and Ropp, 2003). Del mismo modo, proporcionan un comportamiento robusto frente a las variaciones en la radiación, temperatura y carga del sistema. Estos algoritmos se implementan en dispositivos lógicos programables. La idea básica es sintetizar lógicamente el controlador en un conjunto de ecuaciones booleanas y se forma la tabla de búsqueda del controlador (Hohm and Ropp, 2000) (Micolau Subirón, 2016) (Alajmi et al., 2011b). Esto supone, en la mayoría de los casos, una sintonización compleja. El control tiene 3 etapas: 1. Ambigüedad: los valores numéricos son convertidos en valores “difusos” o variables lingüísticas. 2. Búsqueda de los valores en tablas o aplicación de reglas: se selecciona un valor de salida respecto a los valores difusos de entrada. 3. No ambigüedad: el valor difuso de salida de la tabla lo convertimos en un valor numérico La efectividad de este método depende de la forma en que se calcule las variables de entradas (Larbes et al., 2009) (Farayola et al., 2017) (Patcharaprakiti et al., 2005). El controlador difuso diseñado en este proyecto para poder seguir el MPP tiene una entrada que es el Error (E) definida de la siguiente manera para tiempos de muestreo k. 𝑃(𝑘)−𝑃(𝑘−1). ∆𝐸(𝑘) = 𝑉(𝑘)−𝑉(𝑘−1) (2.6) La entrada es la pendiente de la curva P/V y define si el punto de operación del sistema fotovoltaico se encuentra a la derecha, izquierda o en el punto MPP. La variable de salida del controlador es el cambio del ciclo útil del convertidor el cual tomara el valor según a partir del punto de operación. ∆𝐷(𝑘) = 𝐷(𝑘) − 𝐷(𝑘 − 1) (2.7).

Figure

Figura 1.1.Sistema fotovoltaico.
Figura 1.2.Circuito equivalente de la celda fotovoltaica.
Figura 1.3.Curvas de I, V, P de la celda fotovoltaica.
Figura 2.I.Desarrollo fotovoltaico en Cuba.
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Referencias

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