Estudio y simulación de sistemas de conversión fotovoltaicaeléctrica mediante Matlab/Simulink

Transcripción

1 Esudio y simulación de sisemas de conversión foovolaicaelécrica mediane Malab/Simulink J. F. Jiménez-Oriz, D. Biel UC- Deparameno de Ingeniería Elecrónica. ilanova i la Gelrú, España. (biel@eel.upc.edu) Resumen El presene arículo describe una herramiena de simulación desarrollada en enorno Malab/Simulink que permie la realización de experiencias descripivas del funcionamieno de los sisemas foovolaicos. Dicha herramiena se formula con el objeivo de dar sopore y apoyar el aprendizaje de los fundamenos de los sisemas de conversión foovolaica-elécrica. Las experiencias de simulación se han desarrollado para mosrar desde el comporamieno de las células foovolaicas hasa complejos sisemas conecados a la red elécrica. I. INTRODUCCIÓN Las energías renovables son en la acualidad un ema de enorme profusión ecnológica, social y culural. Las enseñanzas de ciclo superior se adapan a ales cambios y, por ello, en las iulaciones de ingeniería han surgido maerias y asignauras de exposición eórica y prácica que esudian el raamieno, el análisis y el diseño de sisemas basados en energías renovables. Los sisemas foovolaicos esán formados por un conjuno de disposiivos mecánicos, elécricos y elecrónicos cuya funcionalidad principal es capar la energía solar disponible y ransformarla en energía elécrica úil. La enseñanza de ese ipo de sisemas consiuye una emáica mulidisciplinar al incorporar concepos de física, elecrónica, informáica y eoría de conrol. Es esa caracerísica la que provoca que sea un campo de difícil comprensión para los esudianes noveles que se inroducen en ese ámbio. Las herramienas de simulación pueden ayudar a un mejor y más profundo aprendizaje cuando las enseñanzas eóricas se acompañan de resulados visuales y, por ello, fácilmene enendedores. Ese arículo presena un conjuno de experiencias desarrolladas en Malab/Simulink que cubren aquellos aspecos de comprensión más difícil de los sisemas foovolaicos. Los siguienes aparados de la presene comunicación describen y deallan las diversas experiencias propuesas para la ayuda al ensayo y aprendizaje de los sisemas de conversión foovolaica-elécrica. II. EXERIENCIA RIMERA: CÉLULA Y AGRUACIÓN FOTOOLTAICA. ARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN ANEL FOTOOLTAICO Una agrupación foovolaica esá compuesa por células y paneles solares (dependiendo de su amaño). La primera experiencia propuesa preende iniciar al esudiane en la caracerización de agrupaciones foovolaicas incidiendo principalmene en su caracerísica no lineal y variane en el iempo (al hacerlo la irradiancia y emperaura). Debe indicarse que ése es un puno crucial en el aprendizaje de los sisemas foovolaicos debido a las dificulades que conlleva la comprensión del concepo de fuene de poencia (en lugar de las radicionales fuenes de ensión o corriene) para los no habiuados en ese ipo de fuenes de energía. ara el diseño del modelo de panel foovolaico en Malab/Simulink se ha parido de la ecuación que define el comporamieno de una célula solar: q( + RsI ) + R nkt s I I = I L I o e () R sh La corriene foogenerada I L depende de las variaciones de irradiancia y emperaura []. Se han definido los siguienes parámeros y variables: q=.62-9 C: Carga elemenal, K= J/K: Consane de Bolzman, T: Temperaura en grados Kelvin, n: Facor de idealidad del diodo, I L : Corriene foogenerada, I o : Corriene inversa de sauración del diodo, : Tensión del panel, I: Corriene del panel, R s : Resisencia inerna en serie, R sh : Resisencia inerna en paralelo. El panel foovolaico surge por la necesidad de adecuar los niveles de ensión y corriene del generador foovolaico a los requisios del sisema elécrico al cual alimena. ara ello se disponen las celdas foovolaicas en serie o paralelo en función de las necesidades. La ecuación (2) permie caracerizar el comporamieno de una agrupación foovolaica []: RsI q + Rs I + Ns N p N s N p I = N nkt p I L I o e (2) Rsh donde N s es el número de celdas en serie y N p es el número de celdas en paralelo. El modelo Malab/Simulink de la figura conempla la programación de la ecuación (2) y permie obener las curvas caracerísicas corriene-ensión (I-) y poenciaensión (-) que se presenan en la figura 2. wk3 roduc wk2 ipv wk s Inegraor2 _array Fig.. Modelo de célula y panel foovolaico en Malab/Simulink Irradiance 298 Temperaure

2 Los parámeros que deerminan el funcionamieno de una célula se reflejan en la figura 2; pudiéndose observarse la corriene de corocircuio I sc, la ensión de circuio abiero oc y las coordenadas del puno de máxima poencia de la agrupación foovolaica (M). El fichero propueso permie programar, de una forma sencilla, diferenes configuraciones de celdas en serie o paralelo, observando los cambios de los parámeros más imporanes de corriene y ensión; así como variaciones de los niveles de irradiancia, emperaura, facor de idealidad y de resisencia serie y paralelo. Como conclusión, el esudiane puede observar y comprender con relaiva facilidad la dependencia de la poencia máxima exraíble de una agrupación foovolaica respeco a la irradiancia y emperaura y razonar la necesidad de un sisema conversor de poencia capaz de acondicionar la energía foovolaica para su poserior raamieno. I I sc I max M max max oc Fig. 2. Curvas caracerísicas de una célula foovolaica. En verde, la curva I-; en azul, la curva - III. EXERIENCIA SEGUNDA: CONERSIÓN FOTOOLTAICA-ELÉCTRICA DC-DC En la segunda experiencia propuesa se diseña y simula el funcionamieno de un sisema que permie realizar la carga de una baería en corriene coninua DC. La esrucura bajo esudio responde al esquema de la figura 3, donde aparecen sus principales componenes, a saber: el panel foovolaico, el converidor reducor DC/DC Buck y el conjuno de baerías. figura 4 que uiliza la definición de variables del esquema circuial de la figura 3). Obsérvese que la baería se ha considerado como fuene de ensión ideal. 3 d roduc2 I roduc ba 2 /C /C Fig. 4. Diseño inerno del bloque pereneciene al converidor Buck realizado en Malab/Simulink El esudio se esrucura en dos pares: en la primera, el sisema rabaja en lazo abiero para esudiar el comporamieno del converidor y ajusar de forma manual el ciclo de rabajo con el objeivo de enconrar el puno de máxima poencia (M) de la agrupación foovolaica en unas condiciones de irradiancia y emperaura fijas; en la segunda pare se añade un conrolador para regular la ensión en bornes del panel. ara ello, se diseña un conrolador ipo roporcional Inegral uilizando el modelo promediado del converidor de poencia y bajo el supueso de pequeña señal. Un conjuno de simulaciones (como las presenadas en la figura 5) permien evaluar el rango de aplicación del modelo lineal en iempo coninuo respeco al modelo real del conjuno foovolaico y deerminar la sensibilidad del M frene a variaciones de irradiancia y emperaura, lo cual permie inroducir el concepo de los algorimos seguidores de puno de máxima poencia W/m 2 /L s di G2 6W/m 2 4W/m 2 3W/m 2 s di2 v 2 i Fig. 5. oencia asociada al panel foovolaico para diferenes irradiancias (W/m 2 ). La inersección con c =5 ofrece la poencia obenida. Fig. 3. Esquema inicial de un sisema foovolaico auónomo ara la implemenación en Malab/Simulink, se ha uilizado el módulo foovolaico previamene diseñado en la experiencia anerior y se han programado las ecuaciones de esado del converidor reducor Buck (ver I. EXERIENCIA TERCERA: CONERSIÓN FOTOOLTAICA-ELÉCTRICA DC-AC Una vez esudiado el sisema de conversión foovolaica-elécrica en corriene coninua los esudianes ya esán en disposición de ser inroducidos a los sisemas foovolaicos conecados a red elécrica.

3 I La configuración uilizada en las simulaciones corresponde a un inversor cenral (cuyo esquema circuial se muesra en la figura 6), que se implemena a parir de sus ecuaciones de esado conrolador del lazo exerno se ha definido como G = ( z ) c γ α con α=.875 ( z ) Evolución real de la energía almacenada en el condensador (J) Fig. 6. Esquema circuial del sisema foovolaico conecado a red elécrica La experiencia persigue dos objeivos imporanes. El primero esá relacionado con la comprensión de los concepos de exracción de poencia del generador foovolaico y su correca enrega a la red elécrica en érminos de disorsión armónica baja y facor de poencia uniario. El segundo aspeco, a raar en esa experiencia, considera los aspecos de modelado y diseño de los conroladores adecuados para la realización de las areas aneriormene mencionadas. Cenrando la discusión en ese segundo objeivo se presena el esquema clásico de doble lazo (un lazo exerno de regulación de ensión del panel foovolaico y uno inerno para el seguimieno de la corriene) y se obiene el modelo en iempo discreo del conjuno foovolaico al y como se presena en [2]. Los esudianes pueden a parir de una breve descripción eórica realizar su propio modelo simplificado en iempo discreo y comparar las respuesas obenidas respeco al modelo compleo. Como resulado, son capaces de uilizar herramienas ya conocidas, como la écnica del lugar geomérico de las raices para diseñar los conroladores (ver figura 7), y evaluar el rango de validez del modelo y, por ano, del diseño realizado (ver figura 8). Las figuras 9 y presenan algunos resulados significaivos del funcionamieno de odo el sisema de conversión foovolaica-elécrica π/T.5π/T.4π/T.7π/T..3π/T.2.3.8π/T.4.5.2π/T.6.7.9π/T.8.9.π/T π/t π/t.9π/t.8π/t.π/t.2π/t.7π/t.3π/t -.8.6π/T.4π/T.5π/T Fig. 7. Siuación de los polos del sisema para los siguienes valores de γ:., -.5, -., -.3, -.6, -.65 y -.7. El Evolución de la energía almacenada en el condensador uilizando el modelo en iempo discreo (J) Fig. 8. Respuesa del modelo real perurbado y respuesa del modelo en iempo discreo perurbado para γ=-.. uede comprobarse la correspondencia enre la respuesa obenida y la posición de las raíces mosrada en la figura Tensión de la red elécrica () sine il Corriene inyecada a la red elécrica (A) Fig. 9. Dealle de la corriene inyecada a la red ane un descenso de irradiancia 5 Tensión en el panel foovolaico () Corriene del panel foovolaico (A) il ipv -5 Corriene inyecada a la red elécrica (A) Fig.. Dealle de la ensión-corriene del panel y la corriene inyecada a la red ane un descenso de irradiancia

4 . EXERIENCIA CUARTA: ALGORITMOS DE SEGUIMIENTO DE UNTO DE MÁXIMA OTENCIA (MT) La siguiene experiencia muesra los beneficiosos efecos de los algorimos de seguimieno de máxima poencia (MT). Una vez llegado a ese puno, los esudianes son conocedores de que una regulación a un valor fijo de corriene o ensión de la agrupación foovolaica no garaniza la exracción de la máxima poencia (y por lo ano del máximo rendimieno) para cualquier condición de irradiancia y emperaura. El diseño de los MT propuesos se realiza sobre la plaaforma diseñada en la experiencia anerior. De ese modo, el algorimo de MT aparece como un nuevo bloque a incorporar en la plaaforma previamene diseñada que proporciona la consigna (en ensión en ese caso) a seguir por el conrolador del inversor. Se proponen la implemenación, y poserior comparación, de los algorimos MT de Tensión en Circuio Abiero ( oc ) Fraccional, erurbación y Observación (&O) y Conducancia Incremenal [3]. Los diseños permien esudiar el comporamieno de los MT &O y Conducancia Incremenal modificando el periodo de muesreo y el incremeno de ensión de referencia y evaluar su influencia sobre el seguimieno del puno de máxima poencia. Así, puede comprobarse que cuano más pequeño es el periodo de muesreo más rápido se realiza el seguimieno del M (figura ). Además, un muesreo bajo permie al algorimo enconrar el M con más precisión. En conraparida, el sisema iende a oscilar en orno al puno de rabajo, provocando perurbaciones en la ensión regulada del panel. 2 T=.2s T=.5s T=.7s Inc=. Inc= Inc= Fig. 2. Comparaiva de la poencia exraída del sisema foovolaico para diferenes valores de incremeno de ensión de referencia Curva de poencia seguida por el panel foovolaico (W) W/m 2-323ºK W/m 2-298ºK 7W/m 2-323ºK 5W/m 2-298ºK Fig. 3. Recorrido efecuado por el algorimo Conducancia Incremenal para la búsqueda del M cuando es someido a cambios simuláneos de emperaura e irradiancia 9 2 Mid Fig.. Comparaiva de la poencia exraída del sisema foovolaico para diferenes valores del periodo de muesreo En el caso de que la variable incremenal enga un valor pequeño el seguimieno del M se realiza más lenamene, debido a que la muesra iene menos ampliud de ensión y dispone de más dificulades en alcanzar la ensión ópima (figura 2). Sin embargo, la precisión del algorimo es mayor. Con un valor de incremeno pequeño la respuesa del sisema oscila menos en orno al M y iende a ser más esable oencia ideal (W) oencia exraída (W) Fig. 4. Comparaiva enre la poencia exraída del sisema y la poencia ideal or úlimo, se simulan los modelos de los diferenes algorimos de MT bajo diferenes condiciones de irradiancia y emperaura. Se pueden adquirir las evoluciones gráficas del seguimieno del M, la ensión del panel y su referencia, la poencia exraída y

5 el rendimieno (ver figuras 3 y 4). Como conclusión, a parir de los resulados alcanzados se comprueba que las respuesas del algorimo &O y de Conducancia Incremenal son similares, difiriendo ligeramene en casos muy concreos de irradiancia y emperaura, y que el algorimo de c Fraccional, aunque presena una eficiencia menor que la del reso, puede ser ineresane en aplicaciones donde no se requiere una gran inversión ecnológica y económica. cargas se manienen prácicamene inalerables y el puno de rabajo de la agrupación foovolaica abandona el puno de máxima poencia para siuarse en el puno de poencia requerida por las cargas (ver figura 8). 3 2 Corriene enregada por la agrupación foovolaica (A) I. EXERIENCIA QUINTA: SISTEMA FOTOOLTAICO CONECTADO A RED ELÉCTRICA CON CARGAS EN DC Y AC En la úlima experiencia propuesa los esudianes ensayan diversas siuaciones de rabajo en un sisema foovolaico conecado a red elécrica con cargas en alerna y en coninua, siendo ése un compendio de odos los modelos esudiados aneriormene. La figura 9 presena el modelo desarrollado en el enorno Malab/Simulink. Como puede comprobarse el sisema puede rabajar con o sin conexión a red, lo cual requiere de un diseño compleo de conroladores para cada una de las posibles circunsancias. A su vez, ano la irradiancia y la emperaura como el consumo de cargas pueden variarse con el objeivo de emular siuaciones diversas. La visualización de la corriene enregada por la agrupación foovolaica y las corrienes de red y en las cargas permie comprender el funcionamieno del sisema en cada caso. or ejemplo la figura 5 muesra el efeco de un cambio de irradiancia. Como puede verse en la figura, inicialmene el nivel de corriene foogenerada por el panel foovolaico (en rojo) es insuficiene para abasecer el consumo de energéico de las cargas. Nóese como la corriene enregada a la red (en azul cyan) maniene un desfase de 8º respeco a la corriene consumida por la carga (en verde), lo cual permie deducir que la red elécrica esá proporcionando el flujo de corriene que las cargas requieren (en verde, carga en alerna, y en azul, carga en coninua). Obsérvese como a parir de =.5s, la corriene foogenerada por el panel aumena debido al crecimieno del nivel de irradiancia. A causa de ello, el sisema foovolaico es capaz de proporcionar la poencia suficiene a las cargas. uede apreciarse como el desfase enre corrienes desaparece. En ese caso, la poencia sobrane puede ser inyecada a la red elécrica. Cabe desacar que el consumo de la carga en coninua (azul) se maniene inalerable, a pesar de los cambios de irradiancia, gracias a la acción reguladora del sisema de conrol. La figura 6 presena los resulados cuando no exise irradiancia. En ese caso, la poencia consumida por las cargas conecadas al sisema foovolaico es absorbida direcamene de la energía proporcionada por la red elécrica. ara finalizar, la figura 7 muesra el resulado cuando se produce una desconexión de la red elécrica. Así, para =.622s el sisema es desconecado de la red elécrica. Como puede apreciarse, las corrienes en las Corriene en la carga de alerna (A) Corriene enregada a la red (A) Fig. 5. Dealle de la evolución de las corrienes ane un aumeno de la irradiancia 5 4 Corriene de la 3 agrupación foovolaica (A) 2 Corriene enregada a la red (A) Corriene en la carga de alerna (A) Fig. 6. Dealle de la evolución de las corrienes ane un cambio a irradiancia nula Corriene enregada por la agrupación foovolaica (A) Corriene en la carga de alerna (A) Corriene enregada a la red (A) Fig. 7. Dealle de la evolución de las corrienes al desconecar la red elécrica.

6 M Reca de poencia fijada Inc M Fig. 8. Trayecoria de la poencia del panel desde el M al puno de rabajo al desconecar la red elécrica. II. CONCLUSIONES En la presene comunicación se ha descrio un conjuno de experiencias desarrolladas en el enorno Malab/Simulink que proporcionan un apoyo a la enseñanza en el campo de la energía foovolaica. Esas experiencias cubren los diversos aspecos de mayor imporancia a la hora de analizar y diseñar sisemas foovolaicos aislados o conecados a red elécrica. En concreo, se esudian desde la caracerísica no lineal variane en el iempo (en función de la irradiancia y la emperaura) de la agrupación foovolaica, hasa la exracción de la máxima poencia disponible en deerminadas condiciones mediane converidores de poencia en corriene coninua (cuando se alimena a cargas de DC o baerías) o en corriene alerna (cuando las cargas son en AC o se coneca a red elécrica). Las experiencias desarrolladas permien evaluar el rango de aplicación de los modelos uilizados para el diseño de los diversos conroladores y permien realizar el ajuse de los parámeros de los conroladores mediane écnicas clásicas de conrol. Se inroduce, ambién, la necesidad de los algorimos de seguimieno de máxima poencia (MT), realizándose la programación y experimenación de los mismos en diversas aplicaciones. AGRADECIMIENTOS Ese rabajo ha sido cofinanciado por el Miniserio de Ciencia y Tecnología (España) a ravés de los proyecos DI C3- y DI por fondos de la Unión Europea (FEDER) REFERENCIAS [] F. M. González-Longa, Model of hoovolaic Module in Malab, Segundo Congreso Iberoamericano de Esudianes de Ingeniería Elécrica, Elecrónica y Compuación, II Cibelec, 25. [2] C. Meza, J. J. Negroni, D. Biel, F. Guinjoan, Energy- Balance Modeling and Discree Conrol for Single-hase Grid-Conneced Cenral Inverers, IEEE Transacions on indusrial Elecronics,vol.55, no.7, Julio 28. [3] T. Esram,. L. Chapman, Comparison of hoovolaic Array Maximum ower oin Tracking Techniques, Grainger Cener for Elecric Machinery and Elecromechanics a he Universiy of Illinois a Urbana-Champaign. [4] R. Ramos, D. Biel. Maerial Didácico basado en irual Tes Bed para Sisemas Elecrónicos de oencia para Energías Renovables. Seminario anual de auomáica y elecrónica indusrial (SAAEI). ag Sepiembre 26. Signal Irradiancia L _array From5 vref vref Clock [ime] Goo3 Signal Builder3 ipv [ipv] [vref] ime 298 Temp From8 L [ipv] Goo4 roduc From6 [vref] From3 MT Goo5 Display2 2 [ipv] From2 [Iac] From7 [] From9 si ne señal red Sine Wave Ipv Iac c Condensador [Uac] Goo From4 [u] From5 2 RloadAC c Uac U Señal red Rload AC Converidor DC/AC ILac Iac Iacload ac [ilac] Goo6 [Iac] Goo6 [Iacload] Goo7 [ac] Goo8 ilac ilac Iac Iac iacload iacload ac ac From8 [Udc] From RloadDC c Udc Rload DC Converidor DC/DC ILdc load [ILdc] Goo [] Goo2 [] Goo3 [load] Goo4 ILdc ILdc load load From [vref] From4 [ilac] From6 [Uac] Goo [Udc] Goo5 Reference volage Conrol oupu Conrol Goo2 2 Temp [] From [ac] irref Con_red [u] From [u] From2 Conrol K - Sin_red Manual Swich Fig. 9. Modelo del sisema foovolaico conecado a red elécrica con cargas en DC y AC implemenado en Malab/Simulink