Sistema para la generación Auromática de curvas I-V, P

XXV Jornadas de Automática
Ciudad Real, del 8 al 10 de septiembre de 2004
SISTEMA PARA LA GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE CURVAS
I-V, P-V Y MONITORIZACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Andújar Márquez, José M.
Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.
Tlf: +34 959 017380, Fax: +34 959 017304, andujar@diesia.uhu.es
Enrique Gómez, Juan M.
Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.
Tlf: +34 959 017364, Fax: +34 959 017304, Juanm.enrique@diesia.uhu.es
Durán Aranda, Eladio
Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.
Tlf: +34 959 017388, Fax: +34 959 017304, aranda@diesia.uhu.es
Martínez Bohórquez, Miguel A.
Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.
Tlf: +34 959 017388, Fax: +34 959 017304, Bohórquez@diesia.uhu.es
Resumen
El control de instalaciones fotovoltaicas de modo
eficiente exige un conocimiento preciso de las
características I-V y P-V de los módulos
fotovoltaicos. De hecho, estas curvas permiten situar
el punto de máxima transferencia de potencia (MPPT
) del panel fotovoltaico, cuyo seguimiento es un
problema
de
control
aún
no
resuelto
satisfactoriamente. Hasta ahora, la obtención de las
curvas I-V y P-V se viene realizando mediante
cargas electrónicas variables de elevado coste, lo
cual
hace
económicamente
inviable
la
monitorización en instalaciones de tipo doméstico.
En este trabajo se propone una nueva metodología
basada en el uso de convertidores DC/DC
controlados mediante un sistema electrónico
automático que genera ciclos de trabajo variables en
todo el rango, lo cual permite la generación del
conjunto de valores (V,I) necesarios para la
caracterización del módulo en uso. Respecto del
método tradicional de la carga activa, el propuesto
en este trabajo presenta las siguientes ventajas
principales: disminución de tamaño y coste, así como
la posibilidad de monitorización y análisis de fallos
de la instalación.
Palabras Clave: Control, monitorización, análisis de
fallos, trazador I-V, panel fotovoltaico.
1
INTRODUCCIÓN
Los convertidores DC/DC son ampliamente
utilizados en sistemas de generación fotovoltaicos
como interface entre el panel fotovoltaico y la carga,
permitiendo el seguimiento del punto de máxima
transferencia de potencia (MPPT). Principalmente, su
misión es la de acondicionar la energía producida por
el conjunto de células siguiendo una estrategia de
control determinada [1,2,3]. Existe una característica
intrínseca asociada al proceso de conversión DC/DC,
relacionada con la capacidad que presentan estos
sistemas para reflejar o adaptar la resistencia vista
desde su entrada y la conectada a su salida. En este
sentido, los convertidores son similares a los
transformadores, cuando son empleados como
adaptadores de impedancia, excepto que en los
convertidores el parámetro de adaptación no es la
relación de espiras entre el secundario y el primario,
sino el ciclo de servicio δ, que puede ser gobernado
electrónicamente [4,5,6,7]. Una nueva aplicación de
esta capacidad es propuesta en el presente trabajo
para determinar la característica I-V de un panel
fotovoltaico.
Los procedimientos utilizados experimentalmente
para obtener la característica I-V de un panel
fotovoltaico, están basados en la conexión de una
impedancia variable en los terminales del panel y
seguidamente medir la tensión y la corriente
proporcionadas por el módulo, mientras dicha
impedancia varía entre cortocircuito y circuito
abierto [8,9,10,11,12]. Esta misma estrategia será
implementada en este trabajo empleando un
convertidor DC/DC haciendo variar su ciclo de
servicio, pero en este caso el barrido de los distintos
puntos se realiza, con reguladores no disipativos, lo
cual cobra mayor importancia a medida que aumenta
la potencia suministrada por el panel.
En la sección 2 se describe brevemente el principio
de funcionamiento de una célula fotovoltaica así
como sus características I-V y P-V.
generada por la radiación solar (S). Dicha corriente
exhibe una relación sensiblemente lineal respecto de
la radiación y la temperatura.
En la sección 3 se realiza una descripción de la
capacidad que presentan los distintos convertidores
DC/DC para realizar un barrido de las curvas I-V y
P-V de un panel fotovoltaico, y se demuestra que la
estructura Reductora-Elevadora es la más adecuada
para este fin.
La expresión (1) (considerando la dependencia de sus
parámetros con T y S), proporciona las denominadas
curvas I-V teóricas de un panel fotovoltaico, y el
producto de ambas magnitudes la potencia
suministrada. En la Figura 1 se muestran las curvas
de un panel determinado, así como la dependencia de
estas variables con la temperatura y la radiación
solar.
En la sección 4, la metodología propuesta es
validada mediante simulación. En la sección 5 se
aplica el diseño anterior a una instalación real en la
que se monitorizan la corriente, tensión, temperatura
y radiación, con objeto de efectuar un análisis de
fallos de la instalación. Por último se aportan algunas
conclusiones.
2
CARACTERÍSTICAS I-V Y P-V
DE PANELES SOLARES.
Cada curva presenta un punto de máxima potencia
(Vp), el cual proporciona el punto óptimo de
operación, para un uso eficiente del panel. Otros dos
puntos importantes de esta curva, son la tensión a
circuito abierto (Voc) y la corriente de cortocircuito
(Isc). La tensión en circuito abierto representa la
máxima tensión proporcionada por el panel a
corriente cero (sin carga o en vacío), mientras que la
corriente en cortocircuito representa la máxima
corriente extraíble del panel (carga en cortocircuito).
El principio físico que rige el funcionamiento de una
célula fotovoltaica, puede ser explicado tomando
como base una unión p-n de material semiconductor
(normalmente silicio) sensible a la luz solar. Cuando
ésta incide sobre la unión (generalmente sobre el lado
n), los fotones que la constituyen suministran la
cantidad de energía necesaria a los electrones de
valencia del semiconductor para romper el enlace que
los mantenía unidos a sus átomos respectivos.
Una única célula es capaz de proporcionar una
tensión de apenas 0,5V y una potencia de entre 1 y
2W. Para elevar la potencia suministrada, las células
se conectan en serie y en paralelo, dando lugar a lo
que se denomina panel o módulo fotovoltaico.
La expresión exponencial simplificada propuesta por
Gow y Manning [13], describe la relación entre la
tensión (V) y la corriente (I) proporcionada por un
módulo, ecuación (1).
q
I = nP I L − Is e
V IRS
+
nS nP
V
AKT
−1 −
nS
+
I RS
RP
nP
(1)
donde nP y nS indican el número de células
conectadas en paralelo y en serie; RP y RS las
resistencias intrínsecas paralelo y serie asociadas a la
célula, K es la constante de Boltzman (1.38·10-23 J/K)
y q es la carga del electrón. El factor A determina la
desviación de las características de una unión p-n
ideal, e IS es la corriente inversa de saturación, que
presenta una dependencia con la temperatura del
panel. IL representa la corriente (foto corriente)
Figura 1: Características I-V y P-V de un panel
fotovoltaico.
3
CONVERTIDORES
DC/DC
COMO
EMULADORES
DE
RESISTENCIA VARIABLE.
Los convertidores DC/DC son muy empleados en
aplicaciones donde se requiere obtener una tensión
media de salida que puede ser mayor o menor que la
aplicada a su entrada, gobernando los tiempos en que
el interruptor principal del convertidor conduce o noconduce (técnica PWM), generalmente a frecuencia
constante. A la relación entre el intervalo de tiempo
en el que el interruptor esta cerrado (TON) y el
periodo de conmutación (T), se le denomina ciclo de
servicio (δ).
Tanto en el modo de funcionamiento con corriente
continuada (CCM, Continuous Conduction Mode),
como en el modo discontinuo (DCM, Discontinuous
Conduction Mode), las tres topologías básicas pueden
ser asemejadas a un transformador de corriente
continua, donde la relación de transformación puede
ser controlada electrónicamente variando el ciclo de
servicio δ del convertidor en el rango [0,1]. La figura
2 muestra el diagrama de un panel solar conectado a
un convertidor DC/DC, donde la resistencia reflejada
a la entrada del convertidor viene representada por Ri
(R es la resistencia de carga).
3.2
De la tabla 1 se deduce:
Ri (CCM ) ∈ [ 0, R ] ; Ri ( DCM ) ∈
Reductor
1−δ
Elevador
δ ⋅ (1 − δ )
Con
δ
2
(1 − δ )2
Reductorelevador.
K=
Ri (DCM)
R
2L ;
RT
R ⋅ (1 − δ )
1 + 1 + 4δ
R ⋅ (1 − δ )
K ⋅R
2
δ
2
2
2
K
a) Convertidor Reductor.
d)Resistencia de
entrada vs. δ en CCM.
b) Convertidor Elevador.
e) Resistencia de
entrada vs. δ en CCM.
2
DCM ocurre para K<Kcrit
Tabla 1: Valores de Ri para los convertidores de la
Figura 3.
En la figura 3 se muestran los tres convertidores
básicos que proporcionan las diferentes relaciones de
conversión dadas en la Tabla 1, junto con una
representación gráfica de la resistencia de entrada
reflejada en función del ciclo de servicio δ para
CCM.
3.1
CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR
4⋅ R
2
δ
)
, 2R
2
R
⋅ 1 + 1 + 4K 2
δ
4
2
K
2
)
Suponiendo convertidores sin pérdidas, la relación
entre la resistencia de entrada y la carga conectada a
los convertidores se muestra en la Tabla 1, tanto para
CCM, como DCM.
Ri (CCM)
1+ 1+ 4
Las topologías reductora-elevadoras Zeta, Cuk y
SEPIC proporcionan la misma resistencia de entrada
mostrada en la tabla 1; y por tanto que
Ri (CCM ) ∈ [ 0, ∞ ) y Ri ( DCM ) ∈ 2 L , ∞
T
lo cual implica que estas estructuras son capaces de
caracterizar toda la curva I-V de un módulo en CCM,
desde la tensión a circuito abierto hasta la corriente
de cortocircuito.
Figura 2: Conexión Panel-Convertidor.
Kcrit.
(
4⋅ R
lo cual indica que un convertidor elevador es incapaz
de reflejar a su entrada impedancias mayores que la
de carga, y que por tanto no se alcanzan valores
próximos a la tensión de circuito abierto del panel.
3.3
Convertidor
CONVERTIDOR ELEVADOR.
CONVERTIDOR REDUCTOR.
De la tabla 1 se deduce:
Ri (CCM ) ∈ [ R, ∞ ) ; Ri ( DCM ) ∈
(
R
⋅ 1 + 1 + 4K
4
)
2
,∞
lo cual indica que un convertidor reductor presenta
una incapacidad para reflejar a su entrada
impedancias menores que la de carga, y que por tanto
no se alcanzan valores próximos a la corriente de
cortocircuito del panel.
c) Convertidor Red-Elev.
f ) Resistencia de
entrada vs. δ en CCM.
Figura 3: Convertidores DC/DC usados comúnmente
y su resistencia de entrada.
4. DISEÑO DEL SISTEMA Y
METODOLOGÍA.
El análisis teórico realizado En la sección 3, ha sido
verificado mediante PSpice® utilizando un modelo de
panel implementado mediante bloques ABM (Analog
Behavioral Modeling) y basado en la ec. (1). Los
parámetros del modelo corresponden al módulo “BP
Saturno” (n s= 60 y np = 1) [8].
frecuencias indica de forma aproximada el nº de
puntos por barrido (aproximadamente 103 en este
caso).
PARAMETERS:
PANEL FOTOVOLTAICO
Rvar = 1k
R2
out
0.768
I1
R1
21
R4
511.72
2.904
{Rvar}
(2.26e-11)*(exp(V(%IN1,%IN3)/((55.82)*(8.625e-5)*(273.15+V(%IN2))))-1)
0
4.0A
I
2.0A
0A
100W
P
50W
0W
0V
5V
10V
15V
20V
25V
30V
35V
En las figuras 6 y 7, se presentan los resultados
obtenidos en la simulación de las topologías
Elevadora y SEPIC, para las mismas condiciones de
radiación, temperatura y carga (R=20Ω). En estas
figuras se observan las predicciones del análisis
teórico realizado en la sección 3, en cuanto a la
imposibilidad de reproducir los puntos cercanos a
VOC por la topología Elevadora, y la capacidad de la
estructura Reductora-Elevadora para representar
todos los puntos de la característica I-V de un panel,
incluido el VOC y el ISC. En la Tabla 2 se muestran los
valores de los puntos más representativos de dichas
curvas. Nótese la precisión de la metodología
empleada, la cual permite obtener resultados muy
próximos a los deseados.
40V
V(OUT)
Figura 4: Modelo y curvas I-V y P-V del modulo “BP
Saturno”.
La figura 4 presenta las curvas I-V y P-V del módulo
en cuestión a 21ºC y 1000W/m2. Para obtener un
conjunto de valores (V, I) a la salida del módulo, es
necesario implementar una Ri variable ya que ésta
fija el punto de operación del módulo. Según lo
explicado en la sección 3, esto se puede conseguir
utilizando un convertidor DC/DC con δ variando
entre 0 y 1.
4.1
OBTENCIÓN DE UNA SEÑAL PWM
CON δ VARIABLE.
La metodología de elaboración de curvas I-V y P-V
propuesta, se implementa en base a los montajes de
las figuras 5, 6 y 7. La generación de la señal PWM
se consigue básicamente comparando una señal
triangular Vtriang con otra señal de referencia Vref. El
comparador satura a nivel alto o bajo dependiendo de
los valores instantáneos de ambas señales.
Manteniendo Vref constante se obtiene una señal
PWM con δ constante. Variando lentamente Vref
obtendremos una señal PWM con δ variando de
forma suave. La frecuencia de la señal PWM viene
fijada por la señal Vtriang (señal más rápida), mientras
que δ depende de la relación entre la amplitud de
Vtriang y el valor de Vref en ese instante.
En nuestro caso, el sistema de generación PWM-δ
variable, se compone de dos generadores de señal
triangular y un comparador, como se observa en la
figura 5. El oscilador superior proporciona una señal
triangular de unos 25Khz. El inferior genera otra
señal de 25 Hz que podríamos denominar de
referencia y de amplitud superior a la primera, para
garantizar los estados δ = 0 y δ = 1. La relación de
.
1.0V
-1.0V
0s
VTriang
1.0ms
2.0ms
Time
0V
-2.0V
0s
Vref
20ms
40ms
Time
10V
0s
VPWM
400us
800us
Time
Figura: 5. Sistema de generación de la señal PWM
con δ variable.
PANEL FOTOVOLTAICO
R2
out
L2
1
I1
R1
21
R1
511.72
2.904
D2
2
100uH
0.768
MBR3520
10
20
330uF
IRF150
GENERADOR
PWM
(2.26e-11)*(exp(V(%IN1,%IN3)/((55.82)*(8.625e-5)*(273.15+V(%IN2))))-1)
R2
C1
M1
0
δ-VARIABLE
0
4.0A
I
2.0A
0A
100W
P
O
75W
50W
25W
0W
0V
5V
10V
15V
20V
25V
30V
35V
40V
V(OUT)
Figura 6: Curvas I-V y P-V obtenidas con un
convertidor elevador.
adquisición de datos (SAD) tal como el mostrado en
la figura 8. Además, añadiendo al SAD las señales
procedentes de las medidas de temperatura y
radiación luminosa del panel, es posible efectuar de
forma automática un análisis de fallos en el módulo o
detección de anomalías en su funcionamiento, debido
a depósitos de polvo en su superficie, por ejemplo.
Las señales adquiridas de tensión y corriente
(mediante un sensor de efecto Hall para no interferir
en el sistema) se acondicionan antes de ser
introducidas en una tarjeta de adquisición de datos
(TAD), con objeto de poder utilizar todo el margen
de entrada del canal analógico. La TAD puede ser
una de tipo estándar alojada en un slot de expansión
de un PC que actúa a modo de controlador de toda la
instalación. Las señales de tensión y corriente
adquiridas junto con el control del ciclo de trabajo
del convertidor DC/DC se emplean para, en base a la
metodología presentada en el apartado 4,
implementar las característica I-V y P-V reales del
panel.
PANEL FOTOVOLTAICO
R2
C2
L2
out
1
D2
2
100uH
0.768
R1
I1
330uF
M1
2
10
511.72
2.904
MBR3520
R2
L1
R1
21
C1
100uH
20
330uF
IRF150
1
(2.26e-11)*(exp(V(%IN1,%IN3)/((55.82)*(8.625e-5)*(273.15+V(%IN2))))-1)
GENERADOR
PWM
δ-VARIABLE
0
0
4.0A
I
2.0A
0A
100W
P
Figura 8:Esquema del circuito de monitorización y
análisis de fallos
75W
50W
25W
0W
0V
5V
10V
15V
20V
25V
30V
35V
40V
V(OUT)
Figura 7: Curvas I-V y P-V obtenidas con un
convertidor SEPIC.
Real
Elevad.
SEPIC
VOC (v)
36.18
36.19
ISC (a)
2.90
2.90
2.90
VMPP (v)
29.80
29.80
29.81
IMPP (a)
2.71
2.71
2.71
PMPP (w)
80.66
80.66
80.66
Tabla 2: Comparativa de los valores más
significativos de las curvas I-V y P-V obtenidas con
distintos convertidores
5. MONITORIZACIÓN Y ANALISIS
DE FALLOS
El sistema de generación automática de curvas I-V y
P-V diseñado en el apartado anterior permite una
implementación práctica inmediata. Para ello se
puede utilizar un simple y económico sistema de
Además de las señales de tensión y corriente, el SAD
adquiere los valores de temperatura y radiación
presente en el módulo, lo cual permite implementar
las características I-V y P-V teóricas del panel.
Una comparativa entre las característica I-V y P-V
reales y teóricas permite analizar el comportamiento
correcto del panel y detectar cualquier fallo o
anomalía en su funcionamiento, bien por problemas
en las propias células o por la acción de agentes
externos.
El control de toda la instalación se efectúa mediante
un PC y software diseñados para ello. Para la
implementación del software de instrumentación y
control se puede diseñar una aplicación específica en
un lenguaje de programación como C, por ejemplo, o
bien utilizar programas comerciales de los usuales en
los sistemas de adquisición y distribución de señales.
En nuestro caso hemos optado por lo segundo y el
software del instrumentación y control se ha
implementado en Labview®.
6. CONCLUSIONES.
En el presente trabajo se ha propuesto y demostrado
mediante simulación la posibilidad de caracterizar las
curvas I-V y P-V de un panel fotovoltaico mediante
el uso de convertidores CC/CC con δ variable. Esta
metodología abre una nueva alternativa en el diseño
de trazadores I-V fotovoltaicos, pudiendo tener
consecuencias importantes en el proceso de
simplificación de éstos. Además, como se ha
demostrado, la topología Elevadora-Reductora es la
única eficaz para este fin, ya que es capaz de barrer la
curva completa.
Respecto de los métodos tradicionales, el propuesto
en este trabajo proporciona las ventajas siguientes:
1) Mínima pérdida de potencia al contrario de los
sistemas que operan en zona lineal (zona
activa). Esto implica ventajas en tamaño y
coste.
2) Adaptación automática del intervalo de
interpolación.
La metodología propuesta, una vez verificada
mediante simulación, se ha implementad en un
sistema real, el cual permite además, mediante la
adquisición de los valores de radiación luminosa y
temperatura en el panel, monitorizarlo y detectar
cualquier fallo o anomalía en su funcionamiento.
En la actualidad estamos trabajando en la
estandarización de la metodología y en el
dimensionado del sistema de instrumentación y
control, con objeto de adaptarlo a las necesidades de
los sistemas comerciales.
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