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CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DE
ONDULADORES FOTOVOLTAICOS BASADOS EN
EL LFR
Titulación: Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial
AUTOR: Javier Bogariz Vilches.
PONENTE*: Hugo Valderrama Blavi.
FECHA: Abril / 2005.
ÍNDICE
1. OBJETIVOS Y ESTADO DEL ARTE
1
1.1 - OBJETIVOS GENERALES
2
1.2 - INTRODUCCIÓN AL ONDULADOR AC-LFR
2
1.2.1 - CONTEXTO Y JUSTIFICACIÓN
2
1.2.2 - SEGUIMIENTO DEL MPP USANDO UN LFR
3
1.2.3 - IMPLEMENTACIÓN DE UN AC-LFR
4
1.2.4 – MODULARIZACIÓN DEL SISTEMA
5
1.2.5 - RESULTADOS EXPERIMENTALES
8
1.2.6 – CONCLUSIONES
10
1.2.7 – LIMITACIONES DEL AC-LFR
11
1.3 - RESUMEN SINGER, S.
11
1.4 - FILOSOFIA OLDENKAMP, H.
21
1.4.1 – INTRODUCCIÓN
21
1.4.2 - RESULTADOS DE SU APLICACIÓN
21
1.4.3 - ESTUDIO COMPARATIVO
22
1.5 - SUBVENCIONES PARA ENERGIAS RENOBABLES
25
1.6 - JUSTIFICACIÓN DEL AC-LFR
25
1.7 - ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR “BUCK-BOOST”
26
2. CONTRIBUCIÓN TEÓRICA AL DESARROLLO DE
ONDULADORES FOTOVOLTAICOS BASADOS EN EL LFR 35
2.1 – OBJETIVOS
36
2.2 - ALGORITMO DE CONTROL MPPT
36
2.2.1 – INTRODUCCIÓN A LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
36
2.2.2 – CAMBIO DE ALGORITMO MPPT
38
2.2.3 – ALGORITMO DE CONTROL MPPT PROPUESTO
2.3 - SIMULACIONES REALIZADAS DEL MPPT
39
42
2.3.1 – ALGORITMO MPPT ANTERIOR
43
2.3.2 - ALGORITMO MPPT PROPUESTO
44
2.3.3 – RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES
47
2.3.4 – CONCLUSIONES
57
2.4 - LAZO DE REALIMENTACIÓN DE CORRIENTE
58
2.4.1 – JUSTIFICACIÓN DEL LAZO DE CONTROL
60
2.4.2 - SIMULACIONES REALIZADAS
61
2.4.3 – CONCLUSIONES
66
3. CONTRIBUCIÓN PRÁCTICA AL DESARROLLO DE
ONDULADORES FOTOVOLTAICOS BASADOS EN EL LFR 67
68
3.1 – OBJETIVOS
3.1.1- MEJORAR HARDWARE AC-NLFR / AC-NILFR
3.1.1.1- MAYOR ROBUSTEZ DEL ONDULADOR
68
68
a) EVITAR FALLOS EN LA CONEXIÓN
68
b) PROTECCIONES ADICIONALES
68
c) REDISEÑO DE ETAPAS DEL ONDULADOR
68
3.1.1.2 - MEJORA THD DE CORRIENTE
3.1.2 – IMPLEMENTACIÓN HARDWARE MPPT
3.2 - SOLUCIÓN ADOPTADA
3.2.1 - CONVERTIDOR AC-NLFR
3.2.1.1 – PROTECCIÓN DE ARRANQUE
69
69
70
70
70
a) LIMITACIÓN DE CORRIENTE
70
b) PROTECCIONES ADICIONALES
72
c) ESQUEMA ELÉCTRICO PUSH-PULL
74
3.2.1.2 - LAZO DE CORRIENTE
75
a) INTRODUCCIÓN
75
b) DIAGRAMA DE BLOQUES
78
c) JUSTIFICACIÓN DEL LAZO DE CONTROL
93
d) GANANCIA DE LAZO
95
e) ESQUEMA ELÉCTRICO
97
3.2.2 - CONTROL MPPT
98
3.2.2.1 – INTRODUCCIÓN
98
3.2.2.2 - IMPLEMENTACIÓN MPPT
100
3.2.2.3 – CAMBIO ALGORITMO MPPT
104
3.2.2.4- IMPLEMENTACIÓN MPPT
107
3.2.2.5 - MÓDULO MPPT
109
a) CONTROL MANUAL MPPT
109
b) CONTROL AUTOMÁTICO MPPT
110
c) MICROCONTROLADOR
113
d) CÓDIGO CONTROL MPPT
116
3.2.2.6 – ESQUEMA ELECTRICO MPPT
3.3 - RESULTADOS EXPERIMENTALES
3.3.1- GRAFICAS DE CORRIENTE INYECTADA
122
123
123
3.3.1.1 - POTENCIA INYECTADA 245W (Ired VS Vred)
123
3.3.1.2 – POTENCIA INYECTADA 175W (Ired VS Vred)
124
3.3.1.3 – POTENCIA INYECTADA 70W (Ired VS Vred)
124
3.4 – CONCLUSIONES
126
3.4.1 – CONTROL LFR CON REALIMENTACIÓN DE CORRIENTE
126
3.4.2 – CONTROL MPPT
126
4. ANEXOS
127
4.1 - PLANOS DEL ONDULADOR FOTOVOLTAICO
128
4.1.1 - MODULO DE CONTROL LFR
128
4.1.1.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
129
4.1.1.2 - FOTOLITO SUPERIOR
130
4.1.1.3 - FOTOLITO INFERIOR
130
4.1.1.4 - CARA DE COMPONENTES
131
4.1.2- MODULO DE CONTROL MPPT
132
4.1.2.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
133
4.1.2.2 - FOTOLITO SUPERIOR
134
4.1.2.3 - FOTOLITO INFERIOR
134
4.1.2.4 - CARA DE COMPONENTES
135
4.1.3 - MODULO PUSH-PULL
136
4.1.3.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
137
4.1.3.2 - FOTOLITO SUPERIOR
138
4.1.3.3 - FOTOLITO INFERIOR
138
4.1.3.4 - CARA DE COMPONENTES
139
4.1.4 - MODULO MULTIPLICADOR
4.1.4.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
4.1.5 - MODULO BUCK-BOOST
4.1.5.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
140
141
142
143
4.2 - FOTOGRAFIAS DEL ONDULADOR FOTOVOLTAICO
144
4.2.1 – ONDULADOR AC-LFR
144
4.2.2 – ALZADO ONDULADOR AC-LFR
144
4.2.3 – PERFIL ONDULADOR AC-LFR
145
4.2.4 – PLANTA ONDULADOR AC-LFR
145
4.2.5 – MÓDULO LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE
146
4.2.6 - MÓDULO PUSH-PULL
146
4.2.7 – MÓDULO CONTROL MPPT
147
4.2.8 - MÓDULO CONVERTIDORES BUCK-BOOST
147
4.2.9 – MÓDULO MULTIPLICADOR
148
4.2.10 – TRANSFORMADOR
148
4.2.11 – MÓDULO DE FILTRADO TENSIÓN PANEL
149
4.2.12 – DISPOSICIÓN DE MÓDULOS EN EL AC-LFR
149
4.3 – AGRADECIMIENTOS
150
5. BIBLIOGRAFÍA
151
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1. OBJETIVOS Y ESTADO DEL ARTE
1
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1.1 - OBJETIVOS GENERALES
El proyecto que se realiza tiene como objetivo contribuir en el desarrollo de
onduladores fotovoltaicos basados en el LFR. Esta contribución se hace desde un punto
de vista teórico y práctico, ya que se pretenden dar nuevas ideas de implementación del
LFR y por tanto también se quieren llevar a cabo, en la medida de lo posible, para
comprobar las mejoras introducidas.
Según lo expuesto anteriormente, este trabajo estará formado por dos partes bien
diferenciadas. En primer lugar se presentará un estudio teórico de las posibles mejoras
que se pueden introducir en el ondulador AC-LFR , y así completar una primera
contribución al desarrollo de este tipo de onuladores.
En segundo lugar se completará dicha contribución con la implementación real de las
mejoras teóricas introducidas. Se pretende presentar los resultados reales de
implementar dichas soluciones y discutir el grado de mejora introducido en el ondulador
AC-LFR.
A continuación se presenta una serie de información introductoria al ondulador ACLFR y su filosofía de funcionamiento, así como otros datos de interés.
1.2 - INTRODUCCIÓN AL ONDULADOR AC-LFR
Se introduce un resumen de la tesis doctoral realizada por el Dr. Hugo Valderrama
Blavi, por tal de entender la estructura y funcionamiento del ondulador fotovoltaico
desarrollado.
En ese trabajo se presentaban onduladores para sistemas fotovoltaicos modulares
conectados a la red. Cada panel trabajaba en su punto de máxima potencia (MPP).
Dichas estructuras basadas en el concepto de AC-LFR, utilizaban un solo interruptor
conmutando en alta frecuencia por panel. Los resultados experimentales de dos
prototipos basados en dicho convertidor corroboraban las hipótesis previstas.
1.2.1 - CONTEXTO Y JUSTIFICACIÓN
En los sistemas autónomos, los paneles fotovoltaicos cargan unas baterías y éstas
alimentan cargas variadas, por ejemplo, un ondulador. Cuando las baterías finalizan su
proceso de carga, ya no es posible continuar aprovechando la energía de los paneles. En
este tipo de sistemas el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) pierde
relativamente su interés. Por el contrario, en un sistema conectado a red no hay
limitaciones en el almacenamiento de la energía, y el seguimiento del punto de máxima
potencia (MPP) resulta más consecuente que en el caso anterior. Convencionalmente,
los onduladores conectados a red son fuentes de tensión (VSI) y se derivan de
topologías reductoras como el puente completo. En tales sistemas, la conexión a red
implica el uso del inductor de salida para convertir esa fuente de tensión en una fuente
de corriente (CSI) en fase con la red. A diferencia de las estructuras presentadas en este
artículo, el carácter reductor de los onduladores convencionales impide su correcto
funcionamiento cuando la tensión de los paneles es excesivamente baja. Como
consecuencia en tales estructuras reductoras, el seguimiento del MPP de los paneles
solares no es posible a niveles muy bajos de irradiación.
2
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1.2.2 - SEGUIMIENTO DEL MPP USANDO UN LFR
En un panel solar con carga resistiva, el punto de trabajo resulta de la intersección de la
curva I-V del panel solar y la recta de carga de la resistencia. El ajuste del valor la
resistencia permite controlar la potencia entregada por el panel, figura 1.
PO = Vp 2 ⋅ G → G = Góptima ⇒ PO = PMPP
Figura 1. Puntos de Trabajo Panel PV-Carga resistiva.
Una fuente de potencia es un elemento circuital con una característica I-V hiperbólica,
figura 2a. Un "Loss Free Resistor" (LFR) es un bipuerto, cuyo puerto de entrada tiene
una característica I-V resistiva, y cuyo puerto de salida es una fuente de potencia Po
cuyo valor se corresponde con la potencia absorbida por la entrada, ver figura 2a. En la
misma figura se muestra una aplicación del LFR, la adaptación entre un panel solar y
una carga genérica. Variando la conductancia de entrada del LFR, se puede seguir el
punto de máxima potencia del panel y transferir esa energía a la carga.
Puede demostrarse, que los convertidores que se derivan del convertidor Buck-Boost,
cuando operan en régimen discontínuo, ofrecen una característica de entrada resistiva,
mientras que su salida puede modelarse como una fuente de potencia. Es decir, el
convertidor Buck-Boost en DCM se comporta como un LFR, figura 2b.
Figura 2. a) Fuente de Potencia. b) Adaptación entre panel y carga con un LFR.
3
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Un AC-LFR es un LFR cuyo puerto de salida se conecta a la red. Es decir, es un LFR
cuyo puerto de entrada trabaja en corriente continua y su puerto de salida es compatible
con la corriente de alterna. Es decir es un LFR y un ondulador. En la figura 3 se muestra
la aplicación de un AC-LFR al seguimiento del punto de máxima potencia de un panel
solar, y consecuentemente, la inmediata inyección de esa potencia en la red.
Figura 3. Filosofía AC-LRF: MPPT y conexión a red con un sólo convertidor.
1.2.3 - IMPLEMENTACIÓN DE UN AC-LFR
Un AC-LFR consta de un convertidor "Buck-Boost" DCM y una célula "Push-Pull" que
actúa como inversor síncrono. La figura 5 muestra su circuito. Obsérvese que los
interruptores de la etapa Push-Pull conmutan a 50Hz, y por tanto sus pérdidas de
conmutación son despreciables. Por consiguiente el AC-LFR es capaz de realizar la
conversión DC-AC y el seguimiento del punto de máxima potencia con un solo
Interruptor conmutando en alta frecuencia.
La conductancia de entrada G(t) del AC-LFR dependerá de dos parámetros: D(t) y TS .
El ciclo de trabajo D(t) se modula senoidalmente, tomando como referencia la red,
mientras que el período de conmutación TS sirve para ajustar el valor medio de la
conductancia de entrada G avg y seguir el punto de máxima potencia del panel solar.
D (t ) = sen ( w0 t ) → G (t ) =
PIN (t ) = Vp 2
m 2 ⋅ Ts 2
D (t )........................................(1)
2L
m 2 ⋅ Ts 2
D (t ) → PIN (avg ) = Vp 2 ⋅ Gavg = P..............( 2)
2L
PINV − R (t ) + PINV − S (t ) + PINV −T (t ) = cte = P.......................................(3)
4
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Figura 5. Convertidor AC-LFR.
1.2.4 – MODULARIZACIÓN DEL SISTEMA
a ) Procesado de Potencia Paralelo: (AC-NLFR)
La primera idea que surge es la paralelización de N células "Buck-Boost" de forma que
N LFRs procesen la energía de otros tantos paneles. La potencia instantánea a la salida
POUT (t) del ondulador incorpora las potencias PK (t) generadas por todos ellos. G avgK es
la conductancia media (DC) vista por cada panel. Como se observa en la figura 6, la
ventaja de esta solución respecto de usar N AC-LFR's completos es el ahorro de N-1
etapas Push-Pull.
η pm2 

POUT (t ) =
 ∑η BK V 2 pk TSK  sen 2 (σ o t )..........(4)
2 L  ∀K

G avgK =
m2
TSK .......................................................(5)
4L
Las conductancias de entrada GavgK de cada célula LFR tienen un único parámetro de
control, el período de conmutación TSK. Es decir, la conductancia de la célula K, no
depende de las otras células, y por tanto se puede asegurar que el control del MPP de los
paneles será independiente o desacoplado.
5
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Figura 6. Convertidor AC-NLFR.
b) Procesado de Potencia Multiplexado: (AC-NILFR)
La multiplexación temporal de las fuentes combina el concepto de LFR con la idea de
procesar múltiples entradas usando un solo inductor, como en las topologías
onduladoras multinivel. Por este motivo se introduce la nomenclatura de NI-LFR o "N
Input Loss Free Resistor". Además de la eliminación de N-1 inductores, también se
suprimen N-1 etapas drivers con sus correspondientes alimentaciones flotantes para
controlar los MOSFETs de la etapa de potencia, pues como puede observarse en la
figura 7, los MOSFETs están montados en fuente (S) común.
Como desventajas, además de la incorporación de N diodos adicionales, el seguimiento
del MPP de cada panel no se puede realizar de forma desacoplada o independiente,
como consecuencia obvia del control por multiplexación temporal controlada por
duración de pulsos, ver la figura 8.
Según se aprecia en el cronograma de la figura 8 esta técnica consiste en enviar a la
salida cíclicamente un pulso energético correspondiente a cada panel, y por tanto se
puede concluir que, la conductancia de entrada vista por cada fuente GavgK depende de
la duración del tiempo dedicado a cada panel TSK dentro de cada ciclo, y de la duración
total del ciclo multiplexado TC = ∑ TSK que, obviamente depende de todos los paneles.
G avgK =
m2 2
T SK → Tc = ∑ TSK ................................(6)
4 LTc
∀k
POUT (t ) =
ηP m2 

 ∑ V 2 PK η K T 2 SK  sen 2 (wo t )................(7)
2 LTc  ∀k

6
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Figura 7. Sistema Modular. AC-NILFR. Prototipo B..
Figura 8. Multiplexación temporal por Duración de Pulsos.
7
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1.2.5 - RESULTADOS EXPERIMENTALES
Con el fin de validar los desarrollos teóricos y las simulaciones realizadas se
construyeron dos prototipos. El prototipo A respondía al esquema de procesado paralelo
(AC-NLFR) y estaba dimensionado para 700W. El prototipo B correspondía a un ACNILFR, y su potencia nominal superaba los 300 W. En ambos casos N=4.
En las figuras 9 y 10 se observan las formas de onda de tensión, corriente y potencia
para los prototipos A y B. El prototipo A “absorbía” de la red -664W, mientras que el
prototipo B absorbía unos -240W. Si se observan ambas figuras se apreciará que el
contenido espectral de la corriente inyectada en la red es diferente, como podía
esperarse de dos sistemas con no linealidades diferentes. Además, los armónicos
presentes en la red intermodulaban con el rizado inducido en la tensión de los paneles
Vp, pues el filtrado del condensador de entrada Cp no era ideal. Este problema se
atenuaba en sistemas trifásicos. Considérense asimismo, las no linealidades del
transformador de salida de la etapa Push-Pull.
Figura 9. Forma de onda del prototipo A. (AC-NLFR).
Figura 10. Forma de onda del prototipo B. (AC-NILFR).
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Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Se realizaron, diversas medidas espectrales permitiendo asegurar que el equipo pasaba
la norma para equipos de clase D de armónicos de corriente inyectados en la red. La
gráfica de la figura 11 visualiza en escala logarítmica los armónicos inyectados por el
prototipo de AC-NLFR a una potencia de 400W y los de la tensión de red.
Figura 11. Espectro de tensión y corriente en el AC-NLFR para una potencia de 400 W.
La figura 12 muestra la dependencia de la suma de las conductancias de entrada de las 4
células del prototipo de AC-NFR en función del período de conmutación, que por
comodidad se asume idéntico para las cuatro células. Dicha dependencia es lineal como
preveían los resultados teóricos. Con el mismo criterio, la figura 13 muestra el
rendimiento y la potencia de salida en función de la frecuencia de conmutación.
Figura 12. Conductancia de entrada global Gavg equivalente para el AC-NLFR.
9
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Figura 13. Redimiento, potencia de salida y frecuencia de conmutación (1/Ts) para el AC-LFR.
1.2.6 - CONCLUSIONES
En aquel trabajo se demostró la factibilidad de las estructuras onduladoras presentadas,
y basadas en el concepto de "Loss Free Resistor". Ambas estructuras presentaban como
punto importante, la realización de la conversión continua-alterna y el control del punto
de máxima potencia de cada panel fotovoltaico utilizando un solo interruptor
conmutando en alta frecuencia. Asimismo, la elección del ciclo de trabajo
D(t)=k.Vg(t), es decir, proporcional a la red, presentaba ciertas ventajas adicionales,
como eran: a) funcionamiento con un alto factor de potencia, fuese cual fuese la forma
de onda de la red y su grado de distorsión, b) sincronización automática con la red sin
necesidad de PLL's o circuitos parecidos, c) en caso de ausencia de red, el circuito no
entregaba ninguna potencia.
En consecuencia, podemos decir que las estructuras presentadas solucionaban la
conversión DC-AC, el seguimiento del punto de máxima potencia, la sincronización con
la red, y el "islanding" de una forma robusta y fiable. Entre los aspectos a mejorar, se
citaban la tasa de distorsión armónica y el rendimiento de los convertidores.
10
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1.2.7 – LIMITACIONES DEL AC-LFR
En el resumen anterior del funcionamiento de los anduladores AC-LFR se determina
que la potencia inyectada en la red sigue la expresión:
P = V 2 × Gavg ......................................(8)
siendo G avg la conductancia que presenta el convertido buck-boost a su entrada y que es
directamente proporcional al periodo de conmutación del interruptor (5).
Por lo tanto, de acuerdo con lo anterior, si se pretende inyectar más potencia lo que se
tiene que hacer es incrementar el periodo de conmutación, o lo que es lo mismo
disminuir la frecuencia. Esto es así hasta cierto límite, ya que la potencia inyectada en la
red eléctrica esta fuertemente condicionada por las limitaciones tecnológicas de los
Mosfets y otros componentes del circuito.
Por ejemplo, al aumentar la potencia que se inyecta en la red también se esta
aumentando la corriente que circula en el Mosfet del convertidor y por tanto cuando esta
corriente alcanza valores elevados, la resistencia Ron del Mosfet deja de ser la
especificada por el fabricante y alcanza valores cada vez mayores. Este hecho hace que
las perdidas por conducción aumente considerablemente y por tanto la potencia
inyectada en la red no aumente sino que se satura y/o disminuye.
1.3 - RESUMEN SINGER, S.
El articulo original que se presenta a continuación “A Pure Realization of Loss-Free
Resistor” explica de una forma detallada el uso de los convertidores en modo de
conducción discontinua (DCM) para implementar circuitos LFR.
Como se indica en el articulo, un convertidor trabajando en modo discontinuo equivale
a un bipuerto en el cual se transfiere toda la potencia de entrada en su salida ya que en
los extremos de entrada de este bipuerto existe una conductancia.
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1.4 - FILOSOFIA OLDENKAMP, H.
1.4.1 - INTRODUCCIÓN
Oldenkamp, H. propone un cambio en la filosofía de obtención de potencia a través del
uso de paneles fotovoltaicos.
La filosofía más extendida y la más usada es la de conectar los paneles fotovoltaicos en
configuraciones serie / paralelo y gestionar toda esa energía con un solo convertidor
adecuado a la potencia que se desea tratar.
El problema que se observa en este sistema es que si por alguna causa un panel se avería
o deja de dar toda la potencia que podría ofrecer en condiciones normales, este esta
limitando la potencia total que se podría obtener ya que todo el sistema se adapta al que
menos potencia puede ofrecer. Esto, en resumidas cuentas, se traduce en perdidas de
potencia del sistema fotovoltaico.
De alguna manera Oldenkamp, H. intenta solventar este problema diseñando un
convertidor de baja potencia para cada panel fotovoltaico en vez de un convertidor de
más potencia gestionando a todo el conjunto.
Con esta nueva filosofía se obtiene una gestión individual de cada panel y por tanto
aumenta el rendimiento de todo el conjunto, ya que cada panel ofrece la máxima energía
que pueda dar y luego se suman dichas potencias.
Lo que queda por determinar es la mejora económica de esta nueva filosofía que se
plantea, es decir, valorar el precio final y la fiabilidad del conjunto comparando un
número relativamente alto de convertidores de baja potencia con un único convertidor
de más potencia.
De ahí surge la necesidad de diseñar convertidores de baja potencia robustos,
económicos y fiables para asegurar que esta nueva idea sea completamente satisfactoria.
1.4.2 - RESULTADOS DE SU APLICACIÓN
Se presenta un breve estudio de los resultados de aplicar la filosofía Oldenkamp.
Fig 14. Representación de instalación fotovoltaica
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Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Existen diferentes sistemas de configuración de los paneles fotovoltaicos, esta la
configuración centralizada y descentralizada.
La diferencia entre el sistema convencional centralizado y el sistema descentralizado se
muestra en la siguiente figura. En el sistema centralizado, todos los paneles
fotovoltaicos se conectan en serie y van a parar a un único inversor central adaptado
para la potencia que esta esperado que den todo el conjunto de paneles.
En el sistema descentralizado existe un inversor que controla de forma individual cada
panel fotovoltaico y posteriormente se tratan todas las potencias.
Fig 15. configuración centralizada y descentralizada
Como se planteaba desde un principio, el ondulador trabaja siguiendo la filosofía de
Oldenkamp.
Oldenkamp defiende la postura descentralizada, ya que con este sistema el rendimiento
total de todo el conjunto de las células fotovoltaicas es mucho mayor y las perdidas se
reducen drásticamente.
A continuación se muestran unas gráficas muy representativas de las perdidas que
existen en ambos sistemas fotovoltaicos.
1.4.3 - ESTUDIO COMPARATIVO
Se define un caso hipotético en el que se tienen veinticuatro paneles solares. Obsérvese
como afecta a las distintas filosofías expuesta el hecho de tener un panel solar de los
veinticuatro que se tienen en distintos porcentajes de sombra, es decir que no recibe la
irradiación solar que puedan recibir los otros porque algún elemento sin determinar le
hace sombra o tapa parcialmente la célula solar.
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Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig 16. Perdidas totales de energía
Se puede observar como para la configuración centralizada las perdidas de energía
pueden llegar a rozar el 50% si el panel afectado tiene una sombra del 100%, es decir
que solo se aprovecharía la mitad de la energía obtenida en la totalidad de los paneles
fotovoltaicos. Esto sin duda son muchas perdidas para poder rentabilizar la instalación .
En las mismas condiciones que anteriormente se puede observar la energía total que
darían los paneles activos.
Fig 17. Energía de cada célula en caso de sombra en una de ellas.
23
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Como era de esperar, en el caso descentralizado los paneles fotovoltaicos dan la máxima
energía siempre, ya que el control de ellos se hace de forma individual y no existe
relación entre los paneles para que se puedan perjudicar unos con otros.
Esta relación entre los paneles fotovoltaicos en las distintas filosofías de trabajo se
puede explicar de la siguiente manera.
Si un panel fotovoltaico de los veinticuatro que se disponen, se le coloca algún objeto
con el fin de proporcionarle sombra y hacer que su energía que pueda entregar se
reduzca en distintos porcentajes, para los distintos modos de trabajo se tendría lo
siguiente:
- Para el centralizado, la energía total se vería reducida en distintos porcentajes según la
sombra que se le este haciendo al panel afectado ya que todo el sistema se adapta al que
menos potencia puede entregar.
En este caso un panel en sombra no ofrecería ninguna energía útil, sino lo contrario ya
que limitaría a toda la energía que se podría obtener si no estuviera.
- Para el descentralizado, la energía total se vería disminuida en los distintos porcentajes
según la sombra del panel afectado, pero en ningún caso significaría perder energía del
resto de los paneles de los que se dispone.
Esta explicación se ve de una forma gráfica en la siguiente representación, donde vemos
el efecto de un panel en sombra sobre la energía del conjunto.
Fig 18. Energía de la célula en sombra
La conclusión que se puede extraer de todo esto es que aunque puede ser más caro
implementar una filosofía descentralizada, sin duda es la que ofrece más rendimiento y
mejor aprovechamiento de la energía entregada por los paneles fotovoltaicos.
El ondulador AC-LFR sigue esta filosofía y se intenta hacerla más factible gracias al
diseño de unos onduladores más robustos y baratos.
24
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1.5 - SUBVENCIONES PARA ENERGIAS RENOBABLES
Por el gran interés que suscitan los temas de desarrollo de energías renovables, existen
programas de subvenciones para proyectos e investigaciones que se dediquen
específicamente en el estudio de estas nuevas tecnologías.
En este caso, estas investigaciones que se llevan a cabo para la realización del proyecto
LFR son subvencionadas por el programa “Procesado modular de potencia para
energías renovables-paralelo” y el código del proyecto es DPI2003-08887-C03-02.
Esta investigación se lleva a cabo con el departamento de ingeniería electrónica,
eléctrica y automática, siendo el investigador responsable el Dr. Hugo Valderrama
Blaví.
1.6 - JUSTIFICACIÓN DEL AC-LFR
El ondulador AC-LFR trabaja siguiendo la filosofia de Oldenkamp, H. de intentar
obtener el máximo rendimiento del sistema fotovoltaico, pero se intenta mejora el
concepto de utilizar un número de convertidores igual al número de paneles que se
desean utilizar para tratar las energías obtenidas.
En este caso lo que se pretende es diseñar un ondulador híbrido, es decir, utiliza tantos
LFR (convertidores “buck-boost”) como paneles deseamos conectar pero con la ventaja
de utilizar solo un inversor que canaliza toda la potencia que los paneles ofrecen y la
inyecta a la red eléctrica. Por lo tanto es como trabajar con ambas filosofías de trabajo,
la de Oldenkamp, H. y la tradicional.
El propósito es realizar un ondulador que presente las ventajas de rendimiento y
aprovechamiento de la potencia individual de cada panel, pero intentando hacer más
barato el desarrollo de los convertidores.
De esta forma lo que se pretende es potenciar el uso de esta filosofía de trabajo haciendo
más favorable la idea desde el punto de vista económico y obtener un producto
comercial.
25
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
1.7 - ANÁLISIS DEL CONVERTIDOR “BUCK-BOOST”
26
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
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30
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
31
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Condición de funcionamiento en modo continuo:
32
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33
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
34
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2. CONTRIBUCIÓN TEÓRICA AL
DESARROLLO DE ONDULADORES
FOTOVOLTAICOS BASADOS EN EL
LFR
35
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.1 - OBJETIVOS
El objetivo de la realización de este estudio es profundizar en el desarrollo teórico y
simulación de nuevas estrategias de control aplicadas en sistemas fotovoltaicos,
concretamente en el ondulador fotovoltaico AC-LFR diseñado por el Dr. Hugo
Valderrama Blavi.
Este estudio se centra específicamente en el algoritmo del seguimiento del punto de
máxima potencia (MPPT) usado para maximizar la potencia extraída de los paneles
fotovoltaicos y en el lazo de realimentación de corriente que se usa para minimizar los
armónicos inyectados a la red eléctrica.
El objetivo es dar una aportación teórica de mejora al ondulador desarrollado y
presentar una comparativa entre las estrategias de control que se usaban y las nuevas
que se proponen.
2.2 - ALGORITMO DE CONTROL MPPT
Antes de comenzar con el análisis de la problemática del seguimiento del punto de
máxima potencia, se considera oportuno, recordar los principios de funcionamiento de
las células fotovoltaicas, y por consiguiente de los paneles solares.
2.2.1 – INTRODUCCIÓN A LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
A continuación se presenta el circuito eléctrico equivalente de una de las células
fotovoltaicas fig.1 y las curvas de tensión-corriente y potencia-tensión para una célula
ideal fig.2.
Fig.1 Circuito equivalente célula solar
36
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig.2 Curvas célula solar
Se observa que existe un punto donde la potencia de una célula solar es máxima.
Se puede demostrar, que una panel solar, que es un agregado serie-paralelo de células
tendrá también por consiguiente un punto de máxima potencia.
Con estas condiciones, parece lógico tratar de aprovechar la máxima potencia
disponible en los paneles y por este motivo interesa la investigación en algoritmos de
seguimiento del punto de máxima potencia, ya que varia en función de la irradiación y
de la temperatura de trabajo. Mayor será todavía el interés en el seguimiento del punto
de máxima potencia, si consideramos además el elevado coste y bajo rendimiento de los
paneles.
En el prototipo inicial de AC-LFR se presentó un algoritmo de seguimiento del punto de
máxima potencia. En este trabajo dirigido, se presentará un algoritmo alternativo, y sus
prestaciones serán comparadas a las del algoritmo originario por simulación.
37
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.2.2 – CAMBIO DE ALGORITMO MPPT
El algoritmo que se empleaba para el control del punto de máxima potencia era el
siguiente.
Sensar V(k) I(k)
Calcular
potencia
P(k)>P(K-1)?
V(k)>V(k-1)?
Vref=Vref-c
V(k)>V(k-1)?
Vref=Vref+c
Vref=Vref-c
Vref=Vref+c
Fin
Fig3. Algoritmo a sustituir
Se observa en este diagrama de flujo que se están empleando para el control del MPPT
dos informaciones simultáneamente, como son la tensión del panel fotovoltaico y la
potencia que entregan los paneles.
El muestreo de tensión se llevaba a cabo para determinar en que región de la curva
característica I-V del panel fotovoltaicos estaba trabajando y así modificar el signo del
incremento o decremento del tiempo de conmutación según la potencia crezca o
decrezca.
En este tipo de algoritmo se muestrean dos variables por panel. Además el algoritmo
debe realizar cálculos con ambas señales, considerando que se tienen cuatro paneles
fotovoltaicos a controlar, el tiempo necesario para ajustar el periodo óptimo de cada
panel puede ser elevado.
La versión propuesta en este trabajo utiliza como entrada de información la potencia
que entrega el panel fotovoltaico, de esta forma se implementa un control de MPPT que
tendría un tiempo de computo menor que el anterior, y que podría tener mayor rapidez
de convergencia hacía el punto de máxima potencia MPP.
38
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.2.3 – ALGORITMO DE CONTROL MPPT PROPUESTO
INICIO
SENSADO POTENCIA
SI
P(n)=P(n-1)?
NO
P(n)>P(n-1)?
NO
SI
Incrementar/decrementar
Ts
INVERTIR incrementar/decrementar
Fig4. algoritmo propuesto
En este caso el algoritmo solo tiene en cuenta la potencia que el panel fotovoltaico esta
entregando y controla dicha potencia para que sea siempre máxima.
Con este tipo de algoritmo se espera que el programa alcance el valor óptimo de
frecuencia de conmutación del convertidor “buck-boost” más rápidamente que en el
algoritmo anterior, es decir que converja a un valor determinado en menos tiempo.
Una ventaja es que implementando dicho programa solo se necesitan cuatro
conversiones analógicas digitales para poder controlar en “tiempo real” la potencia que
están entregando los cuatro paneles fotovoltaicos.
A continuación se presenta un gráfico que explica el funcionamiento del nuevo
algoritmo propuesto:
39
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Localización de un máximo fijo.
Fig5. control MPPT
Siguiendo los puntos que se representan:
P2a-P1a: El algoritmo iniciaría la búsqueda del punto de trabajo del panel fotovoltaico,
por lo tanto se haría un decremento de la frecuencia de conmutación de convertidor para
pasar del punto P2a al punto P1a ya que a menos frecuencia más potencia se obtiene.
P1b-P2b: Si se continua bajando la frecuencia de conmutación el panel puede ofrecer
más potencia que anteriormente pero aún no se sitúa en el punto máximo ya que se
encuentra en P2b, por tanto aumenta más la frecuencia y pasa al punto P1b, superando
el máximo. En este caso el punto P1b se sitúa en una región de la curva del panel de
menos potencia, de esta forma no hemos aumentado la potencia sino que la hemos
decrementado.
P1c-P2c: Como anteriormente se había situado en un punto de menos potencia, en este
caso se hace lo contrario y aumenta la frecuencia como medida de corrección situándose
en el punto P2c.
Como ahora la potencia es menor se hace lo contrario y baja la frecuencia situándose en
el punto óptimo o el de máxima potencia como es el punto P1c.
El algoritmo ira incrementando la potencia que entrega el ondulador subiendo la
frecuencia de conmutación del LFR y así acercándose al punto máximo de potencia.
Dependiendo el incremento que aplique el control llegará a un determinado estado en
que oscilará entre unos puntos donde este situado el punto de máxima potencia, en ese
momento el algoritmo se quedará de forma permanente en esa frecuencia de
conmutación hasta que alguna de las características del panel varíen.
40
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Si por ejemplo las condiciones de iluminación solar cambiaran de forma muy drástica,
el controlador de MPPT seguiría una estrategia de control como la que sigue en esta
representación gráfica:
Adaptación a un cambio de el máximo.
Fig6. Control MPPT
P1a-P2b/P1b-P2b: Los puntos marcarían la región de oscilación en la cual el control
MPPT se movería cerca del punto de máxima potencia para unas determinadas
condiciones del panel fotovoltaico.
P1c-P2c: Si de repente cambian las condiciones de iluminación y por lo tanto también
lo hace su curva característica, el punto de máxima potencia se encuentra en otro lugar y
el control MPPT iniciaría de forma automática su búsqueda.
El control intentaría adaptarse a las nuevas condiciones del panel fotovoltaico y se
pondría a trabajar para obtener el nuevo punto de máxima potencia, variaría la
conductancia del convertidor DC/DC mediante la frecuencia de conmutación y así
tendería al punto óptimo de la curva.
41
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.3 - SIMULACIONES REALIZADAS DEL MPPT
Una primera valoración de los resultados de la aplicación del nuevo algoritmo MPPT se
realiza por simulación con Simulink/MATLAB, donde se comparan las prestaciones del
algoritmo propuesto y el precedente.
A tal efecto se pasa a modelar el ondulador AC-LFR incorporando aquellos efectos más
característicos del mismo que no se deben obviar, ver figura 5 del resumen de la tesis
anterior.
Por tanto, se deben tener en cuenta el efecto de filtro del condensador Cp que se pone en
la entrada del ondulador, la corriente entregada por el panel fotovoltaico Ip y la
corriente absorbida Iin.
Estas ecuaciones se representan de la siguiente manera:
1 t
Vp (t ) =
[Ip(τ ) − Iin(τ )]dτ ....................(1)
Cp ∫0
Iin(t ) = Vp × Gavg.......................................(2)
También se modela la no linealidad del panel fotovoltaico con N células en serie y para
ello se usa el modelo de un diodo único, también se tienen en cuenta las resistencias
serie y shunt del panel fotovoltaico, Rs y Rsh respectivamente.
Las ecuaciones que relacionan estos parámetros son:
VD
− ID..............................(3)
Rsh
  VD  
ID = Io.exp
 − 1..............................(4)
  NcVt  
Ip(t ) = Isc(t ) −
VD = [Rs(Isc − ID ) + Vp ].
Rsh − Rs
...............(5)
Rs
De esta manera se crea en Simulink un bloque que se denomina PV Panel Filter donde
se tienen en cuenta todas estas ecuaciones para simular el panel fotovoltaico
42
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig7. PV Panel Filter
A continuación se pasa a modelar el comportamiento de ambos algoritmos de control
MPPT.
2.3.1 – ALGORITMO MPPT ANTERIOR
El control MPPT que actualmente se usa es el siguiente:
Fig8. MPPT anterior
43
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Se observa que este algoritmo precisa de la información de potencia y tensión del cada
panel fotovoltaico, y su salida sirve para variar la conductancia del convertidor
maximizando la potencia ofrecida por cada panel fotovoltaico.
Las ecuaciones equivalentes a los bloques que modelan al algoritmo son las siguientes.
Ts = Ts (0) + Ts (n − 1) + ∆Ts ( n). sgn[∆Ts (n )]
sgn [Ts ( n)] = − sgn [P (n) − P (n − 1) ]. sgn [Vp (n) − Vp (n − 1)]
∆Ts = {1 + 0.008 ⋅ P (n ) + 0.7 P ( n) − P (n − 1)
}× {− 0.0005 sig ( P(n) − P (n − 1)). sgn(Vp ( n) − Vp (n − 1)) }
2.3.2 - ALGORITMO MPPT PROPUESTO
El algoritmo propuesto es el siguiente:
Fig9. Algoritmo propuesto
Este algoritmo solo necesita la información de la potencia del panel para modificar la
conductancia del LFR y así maximizar la potencia ofrecida por cada panel fotovoltaico.
44
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Se ve en el diagrama de bloques que el algoritmo varía el periodo de conmutación del
LFR con unos incrementos (“slope”) de 222 × 10 −9 s.
A su vez la frecuencia de conmutación se acota entre 20kHz y 450kHz, de esta forma el
mínimo incremento de tiempo de conmutación (∆Ts) es de:
 1   1 
−9
Slope = 
 / 255 = 2222 × 10 s
−
 20kHz   450kHz 
Este incremento viene dado porque el algoritmo hace variar la frecuencia del LFR a
través de unas resistencias digitales que se controlan con un registro de 8 bits, dando
una variación de resistencia de 255 posiciones.
Como la conductancia Gin(t) se define como
m = 1 / 3
m2
Gin(t ) =
× Ts × sin 2 ( wot ) → siendo 
2L
 L = 20uH
Se debe introducir un bloque ganancia que multiplique a Ts para obtener la
conductancia media deseada en la salida del bloque MPPT ya que el bloque de
sin 2 ( wot ) se encuentra posteriormente.
( )
2
1
m2
3
=
= 2778
2 L 2 ⋅ 20uH
En definitiva, en ambas simulaciones la disposición de bloques funcionales en simulink
es la siguiente, la diferencia entre ambas, es por supuesto, el control MPPT cada uno
con su propio algoritmo.
Fig10. Simulación del ondulador
45
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Los paneles fotovoltaicos cambian la potencia entregada según la irradiación solar que
reciban o la temperatura de trabajo a la que estén sometidos. Por tanto en las
simulaciones se pretende realizar un estudio de cada algoritmo variando la corriente que
puede proporcionar cada panel, ya que es proporcional a la irradiación solar recibida y
variando también la temperatura de trabajo.
Para poder introducir en el bloque de simulación del panel solar el efecto de la
temperatura, se modifica este último de la siguiente manera:
Fig11 . PV Panel Filter con el efecto temperatura
Se introduce el efecto que tiene la temperatura sobre la corriente que ofrecen los diodos
de cada panel fotovoltaico siguiendo la siguiente expresión:
3

 T  
 273 
 T 
 − 273 
I = − 1 + exp
  × (5.02 exp − 7 ) ⋅ 
 ⋅ exp

 ⋅ VD ⋅ exp
 273 
 T 
 T 
 2,7   

46
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.3.3 – RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES
El objetivo de este apartado es realizar las simulaciones de cada algoritmo de control
MPPT variando las condiciones de trabajo de los paneles fotovoltaicos simulados.
Para ello simularemos cambios de irradiación solar recibida (Isc) y cambios de
temperatura de trabajo.
Hay que destacar que el algoritmo anterior hacía los muestreos de potencia y tensión
cada 1ms, mientras que el algoritmo propuesto para el control MPPT realiza cada 5ms
una conversión A/D de la potencia del panel fotovoltaico.
Para la elección de la frecuencia de muestreo se realiza un estudio por simulación con el
fin de escoger aquel periodo que maximice la velocidad de convergencia y la estabilidad
aparente.
Por tanto a la hora de la comparación del tiempo de establecimiento se ha de tener en
cuenta dicha diferencia entre ambos algoritmos en el tiempo de muestreo de las señales.
a) Transitorios de arranque del ondulador.
Un cambio en la irradiación solar recibida en un panel fotovoltaico hace variar la
intensidad de cortocircuito de dicho panel afectado y por tanto cambia el punto de
máxima potencia y el algoritmo debe proporcionar una conductancia óptima para tal
intensidad de panel.
§
Transitorio de arranque 2 A.
La gráfica de potencia que se obtiene de ambos algoritmos es la siguiente:
Fig12. Gráfica de potencia
47
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Si se tiene una intensidad de cortocircuito de 2 A, una tensión de circuito abierto de 35V
y se conoce el FF del panel se puede estimar la potencia máxima que éste esta en
condiciones de dar.
Según la gráfica anterior esta potencia es de 63 W y por tanto le corresponde una
conductancia igual a
P
63W
≈ 0.052
P = Vp 2 × Gavg ⇒ G avg = 2 =
Vp
35V 2
tal y como se confirma en la siguiente gráfica.
Fig13. Gráfica de conductancia
Para que el convertidor buck-boost presente una conductancia determinada tiene que
estar trabajando con una frecuencia de conmutación tal que proporcione dicha
conductancia, esto queda determinado por la siguiente expresión:
m2
Gavg =
× TS = k × TS ; substituyendo por los valores encontrados tenemos que TS es
4L
igual a 10.9us y por tanto la frecuencia de conmutación es de 90,5kHz, tal y como se
confirma con la siguiente gráfica.
48
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig14. Gráfica de frecuencia de conmutación
§
Intensidad de cortocircuito 3 A.
La gráfica de potencia que se obtiene de ambos algoritmos es la siguiente:
Fig15. Gráfica de potencia
49
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Según la gráfica anterior esta potencia es de 95 W y por tanto le corresponde una
conductancia igual a
P
95W
≈ 0.077
P = Vp 2 × Gavg ⇒ G avg = 2 =
Vp
35V 2
tal y como se confirma en la siguiente gráfica.
Fig16. Gráfica de conductancia
Fig 17. Gráfica de frecuencia
50
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
En este caso al frecuencia de conmutación del convertidor ha bajado para situarse a
64,73kHz y ofrecer la conductancia óptima en los extremos del panel fotovoltaico.
§
Intensidad de cortocircuito 4 A.
La gráfica de potencia que se obtiene de ambos algoritmos es la siguiente:
Fig18. Gráfica de potencia
Según la gráfica anterior esta potencia es de 130 W y por tanto le corresponde una
conductancia igual a
P
130W
P = Vp 2 × Gavg ⇒ G avg = 2 =
≈ 0.1
Vp
35V 2
y por tal de ofrecer esta conductancia el convertidor buck-boost tiene que trabajar a una
frecuencia de conmutación igual a 50kHz.
Estos datos se confirma en las siguientes gráficas que se presentan a continuación:
51
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig 19. Gráfica de conductancia
Fig20. Gráfica de frecuencia
52
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
§
Seguimiento de los cambios en la irradiación.
Para simular un caso más real donde la intensidad de radiación solar puede variar
durante el tiempo y hacer cambiar la potencia de los paneles fotovoltaicos, se hace una
simulación variando la intensidad de cortocircuito en diferentes intervalos de tiempo.
La potencia que se obtiene es la siguiente.
Fig21. Gráfica de potencia
Ambos algoritmos se adaptan al cambio de potencia y por tanto se asegura que estos son
validos para encontrar el punto MPP.
A continuación se presentan las gráficas de conductancia y frecuencia para ratificar que
cada algoritmo encuentra el punto de máxima potencia deseado.
53
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig22. Gráfica de conductancia
Fig 23. Gráfica de frecuencia
54
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
b) Simulación del cambio de temperatura.
Para ver la influencia de la temperatura sobre los algoritmos y su capacidad de encontrar
el punto MPP en distintas temperaturas se lleva a cabo la siguiente simulación.
Se pretende cambiar la temperatura de trabajo del panel fotovoltaico en distintos
intervalos de tiempo y esto es lo que se obtiene.
Potencia suministrada por el panel fotovoltaico con una intensidad de cortocircuito de
2A.
Fig 24. Gráfica de potencia
Véase a continuación la variación de la conductancia y de la frecuencia de conmutación
para adaptarse a los distintos cambios de temperatura.
55
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig25. Gráfica de conductancia
Fig26. Gráfica de frecuencia
56
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.3.4 - CONCLUSIONES
Se puede observar que ambos algoritmos permiten alcanzar el punto de máxima
potencia buscado (MPP).
La principal ventaja del nuevo algoritmo propuesto es que para potencia bajas el tiempo
de establecimiento es mucho menor que en el algoritmo actual, pero para potencias
mucho mayores el tiempo de establecimiento se iguala o empeora ya que el decremento
de frecuencia de conmutación se hace en pasos constantes y por tanto pasar de la
frecuencia inicial de 450kHz a la frecuencia óptima requiere cierto tiempo.
Este algoritmo mejoraría sus prestaciones incorporando un paso adaptativo para
encontrar el MPP en menos tiempo a potencias mayores.
Por otro lado el algoritmo actual trabaja con conversiones A/D cada 1ms y el propuesto
lo hace cada 5 ms.
Se tiene que tener en cuenta que en estas simulaciones se desprecia el tiempo de
conversión A/D y el tiempo de ejecución secuencial del algoritmo, y en este caso si que
el nuevo algoritmo propuesto tiene una mayor ventaja respecto al actual ya que se usan
menos conversiones A/D y el tiempo de ejecución del programa es menor.
Lógicamente este factor también beneficia al tema económico, ya que se podría utilizar
una DSP o un uControlador de menores prestaciones para obtener los mismo resultados.
57
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.4 - LAZO DE REALIMENTACIÓN DE CORRIENTE
El segundo objetivo de este trabajo es diseñar una realimentación de corriente en el
ondulador para minimizar los armónicos inyectados en la red eléctrica.
A tal efecto, se decide que la señal de control tenga información relativa a la forma de
onda de la corriente.
Tal y como se tenía el control LFR hace variar la conductancia de carga de los paneles
variando la frecuencia de la señal diente de sierra, ya fuese variándolo manualmente o
por medio de un microcontrolador que situara esa frecuencia en un determinado valor
para que la transmisión de potencia del panel fuera la máxima (MPP).
Fig27. Ondulador AC-LFR
Siguiendo el circuito que se emplea realmente en el ondulador:
Fig28. Convertidor AC-LFR.
58
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Por otro lado la señal de control para el Buck-Boost se generaba de acuerdo con el
diagrama de bloques siguiente.
Tensión doble onda rectificada red eléctrica
PWM
Modulador
D(t)= m .sin(wot)
OP
+
-
VCO
Tensión de control MPPT
Fig29. Lazo de control originario.
Según este diagrama de bloques el control del convertidor se hace simplemente
variando la tensión de control MPPT que a su vez varia la frecuencia de la señal diente
de sierra y así se modifica la conductancia del LFR implementada mediante un
convertidor buck-boost en DCM, sin tener en cuenta la corriente que se esta inyectando
en la red eléctrica.
Por tanto si se quiere que la obtención de la señal de control del LFR reciba información
de la forma de onda de la corriente inyectada en la red eléctrica, se debe modificar el
anterior diagrama de bloques.
Tensión proporcional
V red eléctrica
Tensión proporcional
I red eléctrica
PWM
Modulador
+
-
AGC
Rectf
D(t)= m .sin(wot)
OP
+
-
VCO
Tensión de control MPPT
Fig30. Lazo de control propuesto.
59
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Con este diagrama de bloques lo que se intenta es que la corriente que se inyecta a la red
tenga una forma más senoidal ya que se esta introduciendo una realimentación negativa
del error entre la tensión de la red, que es teóricamente senoidal , y la corriente que el
ondulador inyecta que es la que tiene una componente total armónica muy notable.
Se intentaron hacer procesados diferentes para ese error de forma de onda. Entre ellos
los controladores P, PI, PID. Se observó por simulación, que el mejor de los mismos,
era el control proporcional, puesto que los otros provocaban desfases en la señal de
control que impedían la sincronía del sistema y por tanto provocaban el efecto contrario,
o sea una mayor distorsión.
Para obtener una señal proporcional y constante en amplitud de la intensidad que se esta
inyectando a la red eléctrica se necesita un bloque denominado AGC (Automatic Gain
Control) ya que la potencia inyectada variará según la potencia que pueda entregar el
panel fotovoltaico.
2.4.1 – JUSTIFICACIÓN DEL LAZO DE CONTROL
Explicando esta filosofía de control desde un punto de vista más teórico para
comprender lo que hace el diagrama de bloques propuesto, se tiene lo siguiente.
Interesa obtener el error entre la señal senoidal de la tensión de la red y la señal
distorsionada de la intensidad de red , para posteriormente sumar el error a la tensión de
red e introducir dicha señal para el control LFR , por lo tanto:
V tensión de red – (V intensidad de red + V thd) + V tensión de red =
= 2V tensión de red – (V intensidad de red + V thd)
nota: (Vintensidad de red + Vthd) , es la intensidad de la red eléctrica más la distorsión harmónica total.
En consecuencia la tensión proporcional a la red eléctrica tendrá el doble de amplitud
que la muestra de corriente de la red, en este caso se seleccionó que la tensión de red
fuese de 4 Vpp y la tensión de la muestra de corriente fuese 2 Vpp.
Resumiendo con este sistema se obtiene la tensión proporcional de la red eléctrica más
el error existente entre la tensión y la corriente de la red, por tal de introducir esta señal
al control del LFR y hacer constar de alguna manera la distorsión armónica total de la
corriente en el control empleado.
Tensión a comparar con el diente de sierra
V tensión de red + Vthd
60
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.4.2 - SIMULACIONES REALIZADAS
Por tal de comprobar las mejoras que puede introducir dicho cambio en el control LFR
se simulan los distintos circuitos mediante PSPICE.
a) Circuito anterior del ondulador AC-LFR
Fig31. Ondulador Fotovoltaico AC-LFR anterior
b) Circuito propuesto del ondulador AC-LFR
Fig32. Ondulador Fotovoltaico AC-LFR propuesto
A continuación se presenta una comparativa de los resultados obtenidos al implementar
los distintos controles para el ondulador AC-LFR.
61
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
§
Gráficas de las tensiónes a comparar con el diente de sierra
Fig33. Tensiones de comparación con el diente de sierra.
La aplicación del nuevo control AC-LFR provoca una deformación en la señal que se
compara con el diente de sierra (para generar la señal de control del convertidor) puesto
que se le añaden unos armónicos que en teoría deberían compensar o cancelar los
armónicos no deseados de la corriente que se inyecta en la red, tal y como se observa en
la figura anterior.
Se espera que al comparar una señal en la cual se han considerado los armónicos que
tiene la corriente inyecta, se produzca una reducción de la distorsión armónica total a
través de una cancelación de los mismos.
62
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
§
Gráficas de la corriente inyectada y la tensión de la red
Fig34. Señales de red AC-LFR usado
Fig35. Señales de red AC-LFR propuesto
Se observa en las siguientes gráficas que al aplicar el nuevo control LFR se obtiene una
mejor en la corriente inyectada en la red eléctrica. Aunque hay que destacar que la
mejor no es significativa y por tanto se presentan las graficas FFT para contrastar
realmente dicha mejora.
63
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
§
Gráficas FFT de la corriente inyectada en la red
0.92
0.19
0.1
0.04
Fig36. Ondulador AC-LFR usado.
0.92
0.1
0.08
0.05
Fig37. Ondulador AC-LFR propuesto.
En este caso si se puede ver que el control LFR propuesto reduce parcialmente la
influencia del tercer armónico de la corriente inyectada en la red eléctrica.
Por lo tanto se puede concluir que el control nuevo introduce una mejora relativa, que
probablemente con una estrategia de control diferente podría corregirse.
64
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
§
Gráficas de la potencia inyectada.
Fig38. Ondulador AC-LFR usado.
Fig39. Ondulador AC-LFR propuesto.
Se puede observar como la potencia inyectada en la red eléctrica es prácticamente igual
en ambos casos, pero con el control AC-LFR propuesto obtenemos una señal más
limpia y con menos contenido armónico.
65
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
2.4.3 - CONCLUSIONES
Al aplicar el nuevo control LFR se observa que el contenido armónico total de la señal
de corriente inyectada en la red eléctrica mejora relativamente.
La aplicación de algún tipo de control no lineal podría mejorar aún más el espectro de la
señal, aunque esta última afirmación no ha sido comprobada todavía, y podría ser una
vía de futura continuación del presente trabajo.
66
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3. CONTRIBUCIÓN PRÁCTICA AL
DESARROLLO DE ONDULADORES
FOTOVOLTAICOS BASADOS EN EL
LFR
67
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.1 - OBJETIVOS
A continuación se detallan los principales objetivos que llevan a la realización del
proyecto de contribución al desarrollo práctico del ondulador fotovoltaico basado en la
filosofía del LFR.
3.1.1- MEJORAR HARDWARE AC-NLFR / AC-NILFR
3.1.1.1- MAYOR ROBUSTEZ DEL ONDULADOR
a) EVITAR FALLOS EN LA CONEXIÓN
Se tenía una gran probabilidad de sufrir averías en el ondulador cada vez que este era
conectado a la red eléctrica para inyectar potencia. Se debía a la etapa Push-pull del
ondulador que sufría daños irreparables en los Mosfets que se empleaban como nexo de
unión entre la tensión DC de los paneles fotovoltaicos y la tensión AC de la red
eléctrica.
Por este motivo uno de los principales objetivos es estudiar las causas de destrucción de
dichos Mosfets y tomar las acciones correctoras pertinentes, ya sea por ejemplo
proponer un circuito alternativo al existente que garantice el correcto funcionamiento de
todo el sistema.
b) PROTECCIONES ADICIONALES
El ondulador AC-LFR carece de sistemas de protección eficaces y se debería rediseñar
algunas de sus etapas por tal de obtener un buen ondulador y ofrecer un prototipo
comercial y robusto. En consecuencia se estudia la posibilidad de añadir protecciones
adicionales en las etapas que sean más vulnerables.
Son de especial interés el estudio de la etapa Push-pull, las puertas de los Mosfets que lo
componen y la limitación de corriente de arranque del transformador ya que en muchas
ocasiones sobrepasa la corriente máxima permitida por el magnetotérmico y hace que
este se active e interrumpa el suministro de tensión eléctrica.
c) REDISEÑO DE ETAPAS DEL ONDULADOR
Por tal de reducir el volumen de circuitos electrónicos que componen el ondulador, se
pacta el objetivo de intentar sustituir diferentes módulos por uno único que desempeñe
ese misma tarea de una forma más robusta y centralizada.
Uno de los principales circuitos que se deben compactar es el módulo de obtención de la
señal diente de sierra que ocupa un área efectiva muy grande. En la actualidad ya
existen componentes VCO que son capaces de ofrecer una variación de frecuencias
superiores a las requeridas por el ondulador.
Por otro lado también es interesante la modificación hardware de otras etapas, como son
la etapa push-pull, ya que se podría mejorar el rendimiento del ondulador compactando
a nivel físico las señales de disparo de los Mosfets y así evitar fenómenos innecesarios
como puede ser el “ringing” al conmutar los interruptores.
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3.1.1.2 - MEJORA THD DE CORRIENTE
Se tiene un ondulador que inyecta potencia a la red de forma eficaz pero la forma de
onda de la corriente eléctrica inyectada dista mucho de ser senoidal.
En consequencia se esta inyectando a la red eléctrica armónicos que no son nada
deseables para un prototipo que esta pensado para su comercialización.
Se realiza un estudio para introducir mejoras en la forma de onda de la corriente
inyectada y realizar una etapa de control que tenga en cuenta dicha corriente y que sea
capaz de corregir, en la medida de lo posible, la distorsión armónica total (THD).
Se vuelve a valorar la posibilidad de compactar el ondulador reduciendo el número de
etapas que lo forman y albergando en la nueva etapa de control algunas funciones que
se hacen de forma distribuida.
3.1.2 – IMPLEMENTACIÓN HARDWARE MPPT
Se propone una alternativa hardware de control MPPT distinta a la anterior. Se propone
trabajar con un microcontrolador PIC con la capacidad de hacer lecturas A/D de 10 bits,
substituyendo al actual microcontrolador 8085.
Se tenía que la conductancia del LFR era variada con una tensión comprendida entre 0 y
5V, que era el microprocesador el encargado de dar tales señales siguiendo el algoritmo
de programación del MPPT por tal de variar la conductancia que se presenta al panel en
sus extremos y dar en su salida la máxima potencia disponible.
Esta filosofía se modifica de tal forma que el microcontrolador PIC varíe la resistencia
de unos potenciómetros digitales y estos sean los encargados de dar las tensiones de
control de conductancia del LFR.
Se tiene que esta última filosofía es más robusta y rápida de implementar.
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3.2 - SOLUCIÓN ADOPTADA
Se presentan las soluciones adoptadas para cada objetivo a realizar en la contribución al
desarrollo del ondulador fotovoltaico basado en el LRF.
3.2.1 - CONVERTIDOR AC-NLFR
3.2.1.1 – PROTECCIÓN DE ARRANQUE
a) LIMITACIÓN DE CORRIENTE
Uno de los objetivos a realizar en este proyecto era evitar que el ondulador hiciera
activar la protección de sobrecorriente del magnetotérmico situado en la toma de tensión
de la red eléctrica, cada vez que este se conectaba.
Para ello se realiza un estudio previo analizando con un osciloscopio la corriente
absorbida por el ondulador en el momento en que este se conecta a la red eléctrica y
tomando una captura de la imagen de corriente demandada.
Se observa en la imagen obtenida que existe un pico de corriente inicial que supera el
límite permitido por las protecciones de tensión alterna.
Las causa de este fenómeno se implican con la corriente de magnetización del
transformador empleado. Es decir, todo transformador en su devanado primario
consume una corriente que se denomina de magnetización que hace que su núcleo
puede magnetizarse correctamente, caracterizada esta corriente por el hecho de tener la
asociación paralela de la inductancia jxm y la resistencia rol.
Fig 1. Circuito real del transformador
En este caso en particular, el transformador que se emplea es de unas dimensiones
considerables y por tanto demanda una corriente inicial excesiva que debe ser limitada.
La solución adoptada en este caso es introducir una resistencia limitadora en serie con el
devanado primario del transformador, de este modo se reduce parcialmente el pico de
corriente inicial que ha de suministrar la red eléctrica.
70
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig 2. Push – Pull
Se opta por seleccionar una resistencia NTC. Estas resistencias tienen un coeficiente de
temperatura negativo, es decir que mientras más se calientan más bajo es su valor
resistivo.
Este hecho es muy favorable para el ondulador ya que en el instante de arranque la NTC
tiene el valor resistivo más alto porque la potencia en ella es inexistente y la protección
al sobrepico es máxima.
Pero cuando el ondulador empieza a inyectar corriente a la red eléctrica la potencia en la
NTC empieza a ser considerable y por tanto incrementa su temperatura interna que hace
que su valor resistivo baje y de esta forma no se tienen perdidas de potencia en los
extremos de la resistencia. Se quiere transferir toda la potencia que ofrecen los paneles a
la red eléctrica y no perderla en forma de calor en el ondulador.
Las NTC son resistencias no lineales y su resistencia varía de forma exponencial
siguiendo la siguiente expresión:
R = A . e B/T
Fig 3. Respuesta de termistores NTC.
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En conclusión, con la resistencia limitadora NTC se consigue que la corriente inicial de
magnetización se limite de forma drástica sin implicar una perdida de potencia
inyectada en red considerable por la consecuencia de tener una resistencia en serie entre
la red eléctrica y el devanado primario del transformador.
b) PROTECCIONES ADICIONALES
Una de las principales preocupaciones era determinar la causa de la destrucción de los
interruptores (Mosfets) empleados en la etapa PUSH-PULL del ondulador.
Inicialmente se pensó que podría ser debido a un sobrepico de tensión entre la puerta y
el surtidor del Mosfet en el instante en que el ondulador se conectaba a la red eléctrica,
y que los diodos zener de protección que se tenían no eran los suficientemente rápidos
como para limitar su valor.
Posteriormente se garantizó mediante unas capturas de osciloscopio de la tensión VGS
de los Mosfets que en ningún momento se superaba los límites del fabricante.
Por lo tanto, la investigación se centró en la activación de los interruptores que debían
ser complementaria y conmutar a una frecuencia de 50Hz como la de la red eléctrica.
En esta ocasión, si se observó la anomalía que llevaba a la destrucción del módulo
PUSH-PULL.
Esta anomalía consistía en que las señales de activación de los interruptores no eran
complementarias en el momento de arranque del ondulador y por lo tanto se producía un
cortocircuito cada vez que los dos interruptores conducían en el mismo instante.
Con esta investigación se llegó a la conclusión que el problema radicaba en la señal
inicial de control de la activación del puente PUSH-PULL ya que en sus instantes era
indeterminada.
Esto se debía a que se emplea en todo el ondulador una alimentación simétrica de
± 15V que provenía de otro módulo. Esta tensión simétrica se formaba con un regulador
de tensión lineal (LM7905) para obtener la tensión negativa y una fuente conmutada
para obtener la tensión positiva.
Para la alimentación positiva se decidió emplear una fuente conmutada porque esta
puede suministrar más potencia que un regulador lineal, ya que esta tensión alimentaba
a más circuitos que la tensión negativa.
De esta forma se observó que la disposición temporal de estas tensiones en el momento
de arranque era distinta, siendo la tensión positiva más lenta de estabilizar. Por esta
causa la tensión de disparo del puente era inestable hasta que la tensión positiva llegaba
a su valor final y se estabilizaba.
Por este motivo se opto por introducir a la etapa PUSH-PULL un retardo en su
alimentación de control del puente superior al de la fuente conmutada empleada.
Para llevar a cabo dicho retardo se diseño un simple circuito temporizador que active
toda la circuitería de control pasados unos milisegundos. Dicho circuito esta compuesto
por un condensador y una resistencia que hacen activar un Mosfet cuando la tensión del
condensador es igual a la tensión de activación del Mosfet y este habilita la tensión de
alimentación de todo el módulo (figura 4).
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U1
LM7805C/TO
Entrada
+15V fuente conmutada
C2
IN
OUT
3
GND
1
2
1n
C3
10u
2 Q6
1
R1
47k 3
D1
N DSG
2
1
R2
100k
C4
10u
Salida +5V
Control puente
PUSH-PULL
1N4620
Fig. 4 Circuito retardo de alimentación.
Con este simple circuito se garantiza que las señales de control del puente conmutado
sean las correctas y que la etapa no se destruya, asegurando así el buen funcionamiento
del ondulador.
Como queda demostrado que la etapa PUSH-PULL es de vital importancia para el
ondulador, se procede a hacer un estudio de las medidas adicionales que se podrían
introducir para garantizar su robustez.
En este caso el principal objetivo es la protección de los Mosfets, ya que son unos
elementos muy críticos e importantes.
La principal mejora es introducir unos supresores entre la puerta y el surtidor de cada
interruptor substituyendo los diodos zener que habían. Como se sabe los supresores de
tensión son unos componentes que limitan la tensión de una forma muy rápida, mucho
más que unos simples diodos zener y que suelen ser componentes más robustos.
Se estudia la posibilidad de emplear algún Snubber para proporcionar una seguridad
extra, pero se desestima porque la frecuencia de conmutación de los interruptores es de
50Hz y no se cree que sea crítica.
Por tanto a continuación se presenta el circuito esquemático modificado de la etapa
Push-Pull.
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c) ESQUEMA ELÉCTRICO PUSH-PULL
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3.2.1.2 - LAZO DE CORRIENTE
a) INTRODUCCIÓN
Otro objetivo del proyecto es mejorar la forma de onda de la corriente que se inyecta a
la red eléctrica desde el ondulador. Como se hacía mención en el articulo “Onduladores
Fotovoltaicos Modulares basados en el convertidor AC-LFR” las formas de onda que
se tenían distaban bastante de ser una onda senoide, es decir que se apreciaba una gran
componente armónica total en ella.
De este mismo artículo se extraen los resultados experimentales que se citan:
Fig5. Forma de onda del prototipo A. (AC-NLFR).
Fig6. Espectro de tensión y corriente en el AC-NLFR
Se puede observar la gran influencia del tercer armónico en la corriente inyectada en la
red y como aparecen otros armónicos de diferentes ordenes de magnitud que afectan en
su totalidad a al forma de onda final de la señal.
Las causas de esta distorsión en la corriente de la red eléctrica son varias, pero las más
destacables son la no linealidad del transformador de salida de la etapa Push-Pull y que
los armónicos presentes en la red intermodulan con el rizado inducido en la tensión de
los paneles, pues el filtrado del condensador de entrada no es ideal.
En su día se hicieron las pertinentes comprobaciones para asegurar que el ondulador
cumplía con las normativas de equipos de clase D, para que los armónicos inyectados en
la red eléctrica estuvieran acotados dentro de los límites de la norma.
Aún así, si se quiere hacer un ondulador comercial y competitivo se debe mejorar esta
corriente que inyecta a la red eléctrica y hacer un producto más eficaz, de ahí la
necesidad del estudio que se lleva a cabo.
La mejora que se quiere introducir en el ondulador es hacer constar en el control LFR la
forma de la corriente que estamos inyectando a la red, es decir implementar un lazo de
control proporcional de la corriente.
Tal y como se tenía el control LFR hacia variar la conductancia de carga de los paneles
variando la frecuencia de la señal diente de sierra, ya fuese variándolo manualmente o
por medio de un microcontrolador que situara esa frecuencia en un determinado valor
para que la transmisión de potencia del panel fuera la máxima (MPP).
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Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig. 7 AC-LFR
Siguiendo el circuito que se empleaba realmente en el ondulador:
Fig.8 Convertidor AC-LFR.
Y si nos centramos en la obtención de la señal de control para el Buck-Boost se tiene
que el diagrama de bloques que se empleaba era el siguiente.
Tensión doble onda rectificada red eléctrica
PWM
Modulador
D(t)= m .sin(wot)
OP
+
-
VCO
Tensión de control MPPT
Fig9. Diagrama de bloques del anterior módulo PWM
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Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Según este diagrama de bloques el control del convertidor se hacía simplemente
variando la tensión de control MPPT que a su vez variaba la frecuencia de la señal
diente de sierra y así se modificaba la conductancia del LFR implementada mediante un
convertidor buck-boost en DCM, sin tener en cuenta la corriente que se estaba
inyectando en la red eléctrica.
Por tanto si se quiere que la obtención de la señal de control del LFR este implicada con
la forma de onda de la corriente inyectada en la red eléctrica, se debe cambiar la antigua
filosofía empleada por la siguiente.
Tensión proporcional
V red eléctrica
Tensión proporcional
I red eléctrica
PWM
Modulador
+
-
AGC
Rectf
D(t)= m .sin(wot)
OP
+
-
VCO
Tensión de control MPPT
Fig10. Diagrama de bloques del actual módulo PWM
Con este diagrama de bloques lo que se intenta es que la corriente que inyectamos a la
red tenga una forma más senoidal ya que se esta introduciendo una realimentación
negativa del error entre la tensión de la red, que es teóricamente senoidal , y la corriente
que el ondulador inyecta que es la que tiene una componente total armónica muy
notable.
De alguna manera lo que se intenta hacer es un control proporcional que modifique el
ciclo de trabajo del LFR para intentar compensar los armónicos de corriente que el
ondulador crea.
77
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b) DIAGRAMA DE BLOQUES
AGC
Se observa en el diagrama anterior que se introduce un bloque denominado AGC
(Automatic Gain Control).
Este bloque se utiliza para obtener una señal de amplitud constante proporcional a la
corriente independientemente de la potencia que el ondulador este inyectando en la red
eléctrica, es decir, el ondulador variará la potencia inyectada según la potencia que sean
capaces de entregar los paneles fotovoltaicos.
Para aplicar el control con realimentación de corriente se necesita restar la tensión de la
red eléctrica con la tensión proporcional a la corriente que se esta inyectando en una
proporción constante dos a uno respectivamente(8Vpp y 4Vpp), independientemente de
la potencia que se este inyectando en todo momento.
De esta manera con el AGC se facilita la obtención del error entre ambas señales y
podemos aplicar el control proporcional sin ningún problema con el cambio de
amplitudes.
El circuito que se emplea para este propósito es el siguiente:
V (Iredeléctrica)
Vcontrol
Vout
MULTIPLICADOR
PI
+
-
Detector
de
Pico
Referencia
Fig11. Diagrama de bloques del AGC
Como se puede ver en el diagrama de bloques, se tiene una tensión de referencia que
indica la amplitud máxima que deseamos obtener en la salida (Vout) que en este caso es
de 4Vpp y por tanto el valor que se le da es de 2V.
Obsérvese que se implementa un control PI para que la tensión de control (Vcontrol) y
la tensión proporcional a la corriente de la red eléctrica (V iredeléctrica) al
multiplicarlas siempre tengan el valor de salida de 4Vpp. De esta forma obtenemos un
circuito AGC que nos garantiza que siempre tendremos el mismo nivel de tensión
proporcional a la intensidad de la red eléctrica independientemente de la potencia que se
esta inyectando, siempre y cuando dicha potencia no sea nula o muy pequeña.
Simulando este circuito se obtiene los siguientes resultados.
78
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Si por ejemplo esta inyectando poco potencia a la red y la tensión que se obtiene
proporcional a la corriente AC es de 1Vpp, se tendría lo siguiente:
Fig12. Simulación del AGC para valores bajos de potencia
Y si en este caso inyecta más potencia y la tensión proporcional a la corriente AC es de
6Vpp se tiene lo siguiente:
Fig.13. Simulación del AGC para valores altos de potencia
Obsérvese que en ambos casos, la multiplicación del valor máximo de pico de la tensión
V(Iredeléctrica) y la tensión Vcontrol siempre dan un valor de 2 V de pico para Vout tal
y como se requiere.
Para desarrollar el AGC circuitalmente, se dispone de un multiplicador de cuatro
cuadrantes de dos canales denominado MPY634 con el cual se efectúa la multiplicación
de las señales V (Iredeléctrica) y Vcontrol.
Se realiza un control PI con un único amplificador operacional trabajando con
realimentación negativa y para el detector de pico se utiliza un simple circuito que
detecta la amplitud máxima del semiciclo positivo de la señal de salida.
79
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
El circuito implementado se presenta a continuación:
MULTIPLICADOR
+15V
C2
V(Iredeléctrica)
2
1
2
1
2
6
7
Vcontrol
11
10
1
2
C3
200p
12
14
OUT
Vout
2
Y1
Y2
Z1
Z2
R2
90k
1
MPY634
C1
1
2
R3
10k
1
C5
1
4
SF
8
2
X1
X2
0.1u
+VS
1
U5
-VS
R1
1k
0.1u
-15V
1u
2
R9 120k
1
2
PI
DETECTOR DE PICO
-15V
+15V
2
U1B
+
8
124
9
10
R7
1
2
+
7
2
100k
-5V C4
1
-
D1N4151
R6
R8
22
10u 100k
1
4
1
100k
C43 1u
+15V
R4
10k
4
D1
R10
124
5
1
6
11
11
U1C
2
1
-15V
2
1
R5 2k
Fig14. Esquema eléctrico del AGC
Como no se ha implementado un circuito restador la tensión de referencia es negativa,
de esta forma evitamos incorporar más circuitería a todo el sistema.
80
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Rectificador de doble onda de precisión
Como se tiene en el diagrama de bloques, se necesita de un rectificador de doble onda
para rectificar la señal de la resta entre la tensión proporcional a la red eléctrica y la
tensión proporcional a la corriente.
Esta señal es la que ira a compararse con la señal diente de sierra variable en frecuencia,
para así variar el ciclo de trabajo del convertidor “buck-boos” DCM que implementa el
LFR.
El circuito que se desarrolla es el siguiente:
R30
R31
1
2
1
100k
R26
1
2
2
100k
100k
D3 D1N4149
-15V
2
5
+
50k
D2
11
124
6
R27
7
124
9
D1N4149
U3C
2 10
Vrectificada (2Vp)
8
+
2
-
(8Vpp - 4Vpp= 4Vpp)
R25
U3B
-
Vredelectrica - V(Iredelectrica) 1
11
-15V
R28
4
R29
4
33k
47k
1
+15V
1
+15V
Fig15. Esquema eléctrico del rectificador de precisión
Se presenta una simulación del circuito empleado.
Fig16. Señales de salida del rectificador
81
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Como es lógico en este tipo de circuitos, se dispone del potenciómetro R27 para ajustar
a la perfección la amplitud de cada semiciclo de la señal rectificada.
Si las amplitudes de cada semiciclo no son las mismas se tendrán problemas en el
momento de control del LFR, ya que se estaría haciendo trabajar asimétricamente al
ondulador y por tanto las potencias en cada semiciclo serían distintas.
Este hecho haría que el transformador intentara que las potencias en cada semiciclo
fuesen las mismas y por tanto introduciría unas modificaciones en el semiciclo
pertinente para que las áreas de potencia fuesen iguales.
Estas modificaciones en los semiciclos se traducen en cambios abruptos en la corriente
inyectada que pueden ser perjudiciales para los Mosfets de conmutación de la etapa
Push-Pull.
Se muestra una simulación aproximada de estas anomalías en la corriente de la red
cuando la asimetría de la señal rectificada es muy notable:
Fig17. Asimetría en transformador
No conviene que haya mucha diferencia de amplitud en cada semiciclo rectificado para
así poder conservar la integridad de todas las etapas del ondulador.
VCO
El bloque VCO (Voltage Controlled Oscilators) es un circuito electrónico que controla
la frecuencia de una señal diente de sierra mediante la tensión que se le aplica en su
entrada.
Esta etapa ha sido objeto de estudio y modificación respecto al circuito VCO que se
utilizaba con anterioridad en el ondulador.
Como se había justificado en los objetivos del proyecto, se intenta compactar cada
módulo interno para así obtener un circuito total más sencillo, fácil de identificar y más
robusto.
Gracias a los avances tecnológicos de ciertos productos electrónicos, se dispone en el
mercado de un generador de funciones integrado llamado MAX038.
Este generador de funciones substituye con creces a otros que existían que por su poco
rango de variación de frecuencia se hacían inservibles para el ondulador.
82
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Con anterioridad el circuito que se empleaba proporcionaba una variabilidad de
frecuencia de 20kHz a 300kHz, controlado por una tensión que iba de 0V a 5V.
Como se ha comentado el MAX038 proporciona unas características técnicas que lo
hacen muy útil para el ondulador.
Fig18. MAX038
Características técnicas:
§
§
§
§
§
§
§
Rango de frecuencia 0.1Hz a 20MHz
Señales triangulares, diente de sierra, senoide, pulso y cuadrada
Ajustes independientes de frecuencia y duty-cycle
duty-cycle variable entre 15% a 85%
baja impedancia 0.1Ω
baja distorsión señal senoide 0.75%
Influencia de temperatura 200ppm/°C
Como se quiere crear una señal diente de sierra, lo primero que se debe hacer es
programar el generador de funciones para obtenerla.
Primeramente se debe seleccionar que el generador de funciones nos de en su salida una
señal triangular, por tanto tal y como indica el fabricante se debe insertar en los pines
A0 y A1 un nivel lógico alto y bajo respectivamente.
Posteriormente se selecciona que la señal triangular que proporciona el generador de
funciones sea un diente de sierra, es decir que su duty-cycle sea próximo al 100%.
En este caso el generador puede llegar al 85% .
83
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Para obtener el 85% de duty-cycle se debe introducir una tensión en el pin DADJ(V) de
un valor cercano a –2,5V, tal y como indica el fabricante en la siguiente gráfica.
Fig19. Duty cycle vs Dadj voltage
Se emplea una tensión de referencia que da el mismo generador de funciones de un
valor de 2,5V. Esta tensión se encuentra en el pin número uno, y lo único que se hace es
negarla con un circuito integrado negador ICL7660 e introducirla en el pin DADJ.
+2,5V
INVERSOR
ICL7660CPA
-2,5V
Fig20. Esquema de conexión DADJ
Una vez programado el generador de funciones para obtener el diente de sierra, se pasa
a configurarlo para que varíe la frecuencia de la señal según la tensión que se le aplique
y en el rango que se necesita. El rango mínimo de variación es de 20kHz-300kHz.
La frecuencia de la señal diente de sierra que ofrece el generador de funciones se
controla mediante un pin denominado IIN.
A esta entrada denominada IIN se le coloca una resistencia en serie y por tanto cuando
se le aplica una tensión se genera internamente una corriente que hace que la señal
diente de sierra tome el valor de una determinada frecuencia.
84
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
El rango de frecuencia donde se va a mover el generador de funciones queda
determinado según el condensador que se incorpore en el pin denominado COSC.
Según la grafica del fabricante se tiene que:
Fig21.tabla de frecuencias obtenibles
Como se puede observar en la gráfica, sería interesante optar por un condensador de un
valor entre 100pF-300pF. De este modo se podría obtener la variación de frecuencia de
la señal diente de sierra deseada.
Se escoge un valor de 160pF ya que se aproxima a la media aritmética de ambos valores
de condensador citados.
Con este valor de condensador el generador es capaz de darnos una variación de la
frecuencia de la señal diente de sierra de 17kHz-450kHz.
Este valor sin duda es muy superior y aconsejable que con el que se conseguía
anteriormente y empleando un único componente que siempre mejora la robustez total
de todo el ondulador.
Hay que pensar que este integrado substituye a todo un conjunto de componentes
electrónicos discretos que se utilizaban para implementar el VCO y que en el caso
concreto del ondulador se necesitan cuatro módulos, tantos como paneles fotovoltaicos
a controlar.
85
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Por lo tanto con esta configuración final del generador de funciones, este nos da en su
salida una señal de 2Vpp con una frecuencia comprendida entre 17kHz-450kHz,
dependiendo de la tensión que se aplique en la entrada IIN.
Fig22. Señal de salida del MAX038
El esquema circuital del MAX038 se repite para los cuatro generadores de funciones
que existen en el ondulador, ya que se tienen cuatro paneles fotovoltaicos a controlar y
por tanto se necesitan variar la tensión de control de cuatro “buck-boost” que
implementan el LFR.
Este esquema es el siguiente:
U6
C13 2
10u
2
4
1
-2,5V
CAP+
CAP-
5
2
6
7
LV
OSC
8
3
V+
GND
VOUT
+2,5V
C14
10u
1
ICL7660CPA
3
4
1
R61 12k
PDO
7
8
2
DADJ
FADJ
10
13
5
16
IIN
PDI
COSC
DV+
-5V
2 20
V-
2
C16
165p
C39
1u
1
SYNC
OUT
REF
GND
GND
GND
GND
GND
GND
1
A0
A1
14
12
19
1
17kHz-450kHz
MAX038
2
6
9
11
15
18
1u
VCC
U7
2
C15
17
+5V
1
R62
1
2
1k
Tensión de control VCO
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Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Como se puede observar el generador de funciones ya ofrece la señal diente de sierra
que se requería para el control LFR de cada panel.
Pero esta señal que se tiene aún no es la idónea para ser comparada con la señal de
doble onda rectificada, ya que carece de la amplitud necesaria y se debe eliminar el
offset que presenta para que varíe de 0V a 12V.
Para realizar este acondicionamiento de señal se diseña un simple amplificador inversor
que introduce un offset negativo ajustable y una ganancia igual a seis.
R45
1
2
6.2k
-15V1
11
Vgenerador
Diente de sierra
1k
3
124
4
C44
1u
1 R57
1
2
2
+
-1V
-5V
R49 R53 1k
12
2
1u
-
1V
C37
2
1
1
V diente de sierra
U4A
C38
2
12V
+15V
1u
Fig23. Esquemático del circuito acondicionador diente de sierra
Por lo tanto la señal final que se obtiene del diente de sierra tiene el siguiente aspecto:
Fig24. Señal diente de sierra final
La razón de que la señal este acotada entre 12 voltios y 0 voltios es porque se compara
con la señal rectificada de doble onda que tiene una amplitud de 4Vp.
Como se sabe, este ondulador trabaja con un convertidor “buck-boost” que hace la
función de LFR siempre y cuando este trabaje en modo discontinuo (DCM).
Por este hecho, el convertidor siempre trabajará en modo discontinuo siempre y cuando
el valor de amplitud de la señal rectificada no supere a ½ del valor total de amplitud del
diente de sierra.
87
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Según lo comentado se tiene que:
Si se define
m=
AMPLITUDrectificada
AMPLITUDdientedesierra
y se tiene que el convertidor “buck-boost” trabaja en modo discontinuo (DCM) siempre
y cuando se cumpla el siguiente requisito
0 ≤ m ≤ 12
Por lo tanto aplicando las amplitudes que se han diseñado para el control LFR:
m=
4Vp 1
AMPLITUDrectificada
=
= ⇒0≤m≤ 1
3
AMPLITUDdientedesierra 12Vp 3
De este modo se garantiza que el control LFR siempre haga trabajar al convertidor
“buck-boost” en modo discontinuo asegurando que cumpla con el cometido de
conductancia equivalente.
Para garantizar que este circuito sea eficaz se debe utilizar un amplificador operacional
de un gran ancho de banda, ya que se desea amplificar por seis señales con frecuencias
máximas de 450kHz.
En este caso se utiliza el EL2444 con una ganancia unidad situada a 120MHz, tal y
como muestra el fabricante del componente para la configuración inversora que se
emplea.
Fig25. Respuesta en frecuencia
88
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Comparador
La implementación del bloque comparador es muy sencilla, únicamente se emplea un
comparador con alimentación asimétrica de +15V.
Este comparador es el LM311 con unas características técnicas excelentes para el
propósito de comparación a alta frecuencia.
Fig26. Figura del comparador
Fig27. Características eléctricas del comparador
Se observa en la hoja de características que el tiempo de respuesta típico es de 200ns,
como se trabaja con frecuencias no superiores a 450kHz (2,2us) este componente
asegura la buena conmutación de la comparación para el control LFR.
89
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
El circuito que se usa es el siguiente:
+15V
2
C27 1u
1
5
6
8
2
U11
2
+
7
3
-
R41
1
1k
4
1
LM311
Fig28. Esquema eléctrico del comparador
La señal de salida del comparador se lleva directamente al dirver de control del Mosfet
del convertidor “buck-boost” en DCM.
Haciendo una simulación aproximada, se puede ver que forma de onda se obtiene en la
salida del comparador para realizar el control del LFR.
Suponiendo que la señal diente de sierra tiene un valor de frecuencia igual a 6kHz, se
toma este valor para poder hacer una simulación sin problemas de representación ya que
se sabe que la mínima frecuencia es de 17kHz, se tiene que:
Fig29. respuestas del circuito
Se observa que la gráfica superior representa las entradas del comparador, tanto el
diente de sierra que proviene del generador de funciones MAX038 como la señal
rectificada de media onda que proviene del lazo de control.
La gráfica inferior sería la salida del comparador y por tanto la señal de control del
convertidor que trabaja como LFR.
90
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Se puede deducir que la señal de control tendrá un período de 100Hz igual al de la señal
rectificada, pero que variará el duty-cycle a lo largo del período.
Es fácil ver que si varía la frecuencia del diente de sierra también lo hará el duty-cycle
de la señal de control LFR.
Obtención de las señales eléctricas
§
SEÑAL DE INTENSIDAD DE LA RED ELÉCTRICA:
Para implementar el lazo de control teniendo en cuenta la intensidad que el ondulador
esta inyectando en la red eléctrica se necesita algún elemento que sea capaz de ofrecer
esa intensidad eléctrica en forma de tensión.
Por tal motivo se utiliza un sensor Hall denominado LA55-P (50A)
Dispone de tres terminales:
§ Terminal +: Tnsión de alimentación +15V.
§ Terminal -: Tensión de alimentación –15V.
§ Terminal m: Medida.
Y el circuito de obtención de la señal es el siguiente
+15V
V+
1
Seguidor
de
tensión
-15V
LA55
3
+
12
VOUT
Sensor
HALL
2
Vout
V-
124
13
4
R40
200
2
11
U2D
-
14
S1
1
-15V
+15V
Fig30. Buffer
§
SEÑAL DE TENSIÓN DE LA RED ELÉCTRICA:
De la misma manera se necesita tomar una muestra de la tensión de la red eléctrica. Esta
se toma de uno de los devanados adicionales del transformador de 15Vp, únicamente se
ajusta el valor de la señal con un simple divisor de tensión formado por una resistencia
y un potenciómetro de alto valor resistivo ya que nos interesa que el consumo sea
mínimo.
Tensión devanado
15V
2 VAC
R20
1k
1
Muestra de tensión
de la red eléctrica
R21
Fig31. Obtención muestra de tensión red eléctrica
91
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
En ambos casos, la obtención de las señales se hace de una forma eficaz y sencilla. El
único problema que se presenta es el siguiente; al conectar el ondulador en la red
eléctrica se inducen una serie de armónicos que perjudican las señales obtenidas, tanto
la señal proporcional a la tensión de red como el de la corriente.
Este es un problema grave ya que si el objetivo del lazo de control de corriente es
intentar evitar que nuestro ondulador inyecte armónicos a la red, no se puede permitir el
hecho de controlar el LFR con señales que no sean limpias ya que podríamos empeorar
los resultados obtenidos.
Por este motivo detrás de cada circuito de obtención de señal se coloca una etapa de
filtro paso bajos de 18dB/octava con una frecuencia de corte de 1kHz, suficiente para
eliminar de una forma cómoda el ruido que no nos interesa y no afectar a las señales de
50Hz y los primeros armónicos de corriente importantes que se están tomando.
El circuito que se implementa es el siguiente:
Fig32. Esquema del filtro pasa bajos
Simulando este circuito se pueden ver los resultados obtenidos imaginando que sobre
una señal obtenida tenemos un ruido adicional.
Fig33. Señal de salida del filtro
92
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Como se puede apreciar este circuito elimina los armónicos de la señal de entrada y en
la salida obtenemos esa misma señal pero sin ningún armónico que nos pueda afectar al
control del LFR.
Se observa que el circuito añade un cierto atraso en la fase, esto no es nada perjudicial
ya que para la obtención de la señal de corriente se utiliza el mismo sistema y por tanto
al final tenemos las dos señales en fase.
Se debe situar la frecuencia de corte del filtro paso bajos a un valor lo suficientemente
alejado como para no atenuar los armónicos de corriente que queremos corregir con el
lazo de control.
Estos armónicos se sitúan en su totalidad en 150Hz aproximadamente, por tanto con una
frecuencia de corte de 1kHz aseguramos que pasen todos esos armónicos para poder
corregirlos.
c) JUSTIFICACIÓN DEL LAZO DE CONTROL
Véase esta filosofía de control desde un punto de vista más teórico para comprender lo
que hace el diagrama de bloques.
Primeramente interesa obtener el error entre la señal senoide de la tensión de la red y la
señal distorsionada de la intensidad de red ; y luego sumar el error a la tensión de red e
introducir dicha señal para el control LFR , por lo tanto:
V tensión de red – (V intensidad de red + V thd) + V tensión de red =
= 2V tensión de red – (V intensidad de red + V thd)
nota: (Vintensidad de red + Vthd) , es la intensidad de la red eléctrica más la distorsión harmónica total.
De esta manera se observa que la tensión proporcional a la red eléctrica tendrá el doble
de amplitud que la muestra de corriente de la red, en este caso se seleccionó que la
tensión de red fuese de 8 Vpp y la tensión de la muestra de corriente fuese 4 Vpp.
En resumen con este sistema se obtiene la tensión proporcional de la red eléctrica más el
error existente entre la tensión y la corriente de la red, por tal de introducir esta señal al
control del LFR y hacer constar de alguna manera la distorsión armónica total de la
corriente en el control empleado.
Tensión a comparar con el diente de sierra
V tensión de red + Vthd
93
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Con las siguientes representaciones gráficas obtenidas del ondulador se observa lo que
se esta justificando:
Figura 34. Tensión e intensidad de la red eléctrica
Figura 35. (V tensión de red+Vthd) rectificada
En estas graficas, se puede ver en la figura 34 como la corriente inyectada en la red
eléctrica (señal de color azul) tiene una gran componente harmónica total en
comparación con la señal senoide de la tensión de la red (señal de color verde).
En este caso el control detecta esta anomalía y observando la figura 35, se ve como la
señal final resultante que ira al control LFR lleva incorporadas las irregularidades de la
señal de corriente de red eléctrica superpuestas a la tensión de red eléctrica.
De una forma intuitiva se podría decir que el control intenta inyectar los harmónicos
contrarios a los que inyecta el ondulador para así compensar el resultado final.
94
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
d) GANANCIA DE LAZO
Para obtener unos buenos resultados en el control proporcional que se aplica en el
ondulador LFR, es importante tener una ganancia de lazo de un valor elevado.
Desgraciadamente por la configuración del ondulador, la ganancia de lazo que se
obtiene no es muy elevada y por tanto la corrección en la señal de corriente de la red
eléctrica es significativa pero no lo suficiente como para corregir la señal hasta el punto
de crear una senoidal perfecta.
Si se modela de una forma simplificada el sistema de control se obtiene el siguiente
diagrama de bloques.
Fig36. Modelo AC-LFR
Se obtiene la siguiente función de transferencia:
Iredeléctrica
2 Ke − st
=
Vredeléctrica 1 + Ke − st
Si se hace la consideración de que Vredeléctrica tiene como valor la unidad, y que
K<<1 como se partía de la hipótesis inicial, se tiene que:
Iredeléctrica = 2 K
Sabiendo que la potencia que entrega el ondulador sigue la siguiente expresión
Pout ≈ Pin ≈ Vp 2 ⋅
Ts
⋅ D 2 (t )
2L
siendo
D (t ) = m ⋅ sin wot ⇒ D 2 (t ) = m 2 ⋅ sin 2 wot
y si se tiene que
Vout = VT ⋅ sin wot
entonces se puede representar la Ired eléctrica como
2
Ts m 2 sin 2 wot
2 Ts m sin wot
Iredeléctrica = Vp
= Vp
2 L VT sin wot
2L
VT
2
95
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Si se substituyen los parámetros de la fórmula por los del ondulador, siendo:
Vp ⇒ Tensión de los paneles = 30V
m ⇒ relación de amplitudes señal diente sierra vs señal de control = 1/3
VT ⇒ Tensión secundario transformador = 55√2V
L ⇒ Inductancia convertidor
Ts ⇒ tiempo de conmutación → para 700W se tiene un Ts de 50us y para 100W de
7us.
 Kmáx (700W ) = 0.8
Iredeléctrica = 2 K = 32000 ⋅ Ts 
 Kmín(100W ) = 0.112
Por tanto se observa que la ganancia máxima del ondulador es de 0.8 y la mínima de
0.112, de esta forma se concluye que el control proporcional no tiene una gran ganancia
de lazo y que la corrección será mucho peor mientras más pequeña sea la potencia que
se inyecta en la red eléctrica.
96
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
e) ESQUEMA ELÉCTRICO
97
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.2.2 - CONTROL MPPT
A continuación se detalla el control MPPT que se les aplica a los paneles fotovoltaicos
para que el ondulador pueda inyectar el máximo de potencia a la red eléctrica
aprovechando toda la energía que estos pueden ofrecer al sistema.
Antes de entrar en como el ondulador implementa el MPPT, se pretende realizar una
breve explicación de que es un sistema fotovoltaico y cuales son sus características.
3.2.2.1 - INTRODUCCIÓN
Sin ningún género de dudas la energía solar es una fuente de energía limpia, renovable y
gratuita. Por este tipo de ventajas es una fuente energética muy valorada y en continuo
desarrollo para poder aprovechar sus ventajas al máximo.
La conversión de energía solar a eléctrica se lleva a cabo a través de los paneles
fotovoltaicos.
Fig37. Célula fotovoltaica.
La mayoría de estas células fotovoltaicas están construidas con cristal de silicio. Existen
esencialmente cuatro tipos de paneles fotovoltaicos que son los más usados: (a-Si),
CdTe, CIGS y GaAs.
Actualmente existen muchos tipos de paneles fotovoltaicos y con técnicas de
fabricación muy distintas para intentar aumentar la eficiencia individual de cada panel,
por ejemplo en febrero del 2000 se obtuvo un tipo de panel fotovoltaico con una
eficiencia oficial del 32.6% todo un logro para este tipo de sistemas energéticos, ya que
en sus inicios esta eficiencia era solamente del 6% siendo los laboratorios Bell los
primeros creadores de esta célula fotovoltaica.
98
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
El circuito eléctrico equivalente de una de las células fotovoltaicas es el siguiente.
Fig38. circuito equivalente célula solar
y las curvas de tensión-corriente y potencia-tensión para una célula ideal serían.
Fig39. Curva tensión_ potencia panel solar
Existe un punto donde la potencia del panel es máxima. Por este motivo el ondulador
implementa un control MPPT para situar las condiciones de carga del panel fotovoltaico
en el punto óptimo de máxima potencia y así aumentar su rendimiento al máximo.
99
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Como se ha comprobado el rendimiento de una célula es muy pequeño y por tanto se
necesita aprovechar al máximo la poca energía que nos ofrece, en caso contrario no
sería rentable su uso.
3.2.2.2 - IMPLEMENTACIÓN MPPT
Un sistema fotovoltaico (PV) es una fuente de energía no lineal, la corriente / potencia
de salida depende de la tensión que pueda ofrecer el panel en sus extremos. Por otro
lado, la máxima potencia generada por el sistema cambia con la radiación solar
incidente y la temperatura de trabajo del panel.
Entonces para incrementar la relación potencia de salida / coste de la instalación el
panel debe trabajar siempre con la máxima potencia de salida (MPP), sino toda la
instalación dejaría de ser rentable.
Por todo lo expuesto anteriormente, se debe diseñar un control en “tiempo real” basado
en un microcontrolador para el seguimiento del punto de máxima potencia de los
paneles fotovoltaicos (MPPT) para obtener una alta eficiencia de conversión sin
incrementar el coste de la instalación del sistema fotovoltaico.
En este ondulador se emplea un simple algoritmo MPPT que ajuste la potencia de los
paneles fotovoltaicos a través de un control digital del seguimiento del punto de máxima
potencia para controlar la conductancia del convertidor y así maximizar la transferencia
de potencia y la eficiencia de todo el sistema fotovoltaico.
El sistema que se tiene es el siguiente; se disponen de cuatro paneles fotovoltaicos de
los cuales se trata la potencia total de ellos a través de un módulo MPPT y así
obtenemos la máxima potencia disponible en ese instante, posteriormente esta energía
obtenida se introduce en un inversor para poder inyectar la potencia a la red eléctrica.
En esta representación se puede ver lo explicado de una forma mas visual.
Fig40. Partes del ondulador
100
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig41. Diagrama bloques del ondulador.
De esta manera lo que se tiene que diseñar es un circuito capaz de hacer variar las
condiciones de carga del panel fotovoltaico para que siempre de su máxima potencia en
la salida.
Se puede observar de una forma gráfica, el efecto de aplicar un control MPPT para un
sistema fotovoltaico y el efecto de no aplicarlo viendo la potencia que suministra todo el
sistema.
Fig42. Comparativa MPPT
Queda demostrada la gran importancia del control MPPT para obtener el máximo de
potencia en todas las circunstancia a las que se ven sometidos los paneles fotovoltaicos.
101
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Viendo la gráfica se puede comprobar como la potencia total obtenida mediante un
control MPPT es mucho mayor que sin aplicar dicho control, justificando así su
implementación y uso en este ondulador.
El único modo accesible de cambiar las condiciones de trabajo de un panel fotovoltaico,
es variar la resistencia / conductancia de la carga que se presenta en sus extremos.
Fig43. recta de carga en un panel
Fig44. Punto de máxima potencia
Para ello un nuevo sistema de control MPPT es el que se desarrolla en este ondulador,
se trata de un único convertidor DC/DC buck-boost el cual se controla mediante una
unidad microcontroladora que envía una señal de control PWM para el convertidor
haciendo que su conductancia (1/RL) varíe y se sitúe en el punto óptimo de máxima
potencia.
La principal diferencia entre el método usado para el control MPPT y el de otras
técnicas de control es que la potencia de salida de los paneles fotovoltaicos se usa
directamente para controlar el convertidor DC/DC, esto reduce drásticamente la
complejidad de todo el sistema.
De esto resulta un sistema de alta eficiencia, bajo coste y fácil de reconfigurar según el
número de paneles a controlar.
Según se ha comentado para implementar el MPPT se sigue un esquema como el
siguiente:
Fig45. Diagrama bloques AC-LFR
102
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Siendo estrictos con el diseño del ondulador, este inyecta potencia a la red eléctrica y
por tanto detrás del convertidor back-boost DC/DC hay una etapa Push-Pull para
adaptar esa potencia en DC a la potencia AC que deseamos inyectar.
Por tanto todo el sistema de control más el ondulador se pueden ver de la siguiente
manera:
Fig46. AC-LFR
Observando que se tiene de una forma simplificada un bipuerto donde se transfiere la
energía desde los paneles fotovoltaicos hasta la red eléctrica, controlando el punto de
máxima potencia de los paneles.
Para implementar el LFR se emplea un convertidor buck-boost trabajando en modo de
conducción discontinuo (DCM).
Esta demostrado que estos convertidores trabajando en modo DCM se comportan como
una conductancia variable dependiendo directamente del tiempo de conmutación con el
que trabaja el interruptor.
G (t ) =
m 2Ts 2
D (t )
2L
Para obtener una mayor información sobre cómo trabaja el convertidor “buck-boost” en
modo discontinuo y conocer la función de transferencia en este régimen de
funcionamiento nos podemos referenciar al apartado 1.7 del estado del arte que lleva
por titulo Análisis del convertidor “Buck-Boost”.
103
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.2.2.3 – CAMBIO ALGORITMO MPPT
Uno de los objetivos del proyecto, era implementar un algoritmo de control MPPT más
eficaz que el que se empleaba con anterioridad.
El algoritmo que se empleaba para el control del punto de máxima potencia era el
siguiente.
Sensar V(k) I(k)
Calcular
potencia
P(k)>P(K-1)?
V(k)>V(k-1)?
Vref=Vref-c
V(k)>V(k-1)?
Vref=Vref+c
Vref=Vref-c
Vref=Vref+c
Fin
Fig47 .Algoritmo MPPT anterior
Se observa en este diagrama de flujo que se están empleando para el control del MPPT
dos informaciones simultáneamente, como son la tensión del panel fotovoltaico y la
potencia que entregan los paneles.
El muestreo de tensión se llevaba a cabo para determinar en que región de la curva
característica I-V del panel fotovoltaicos estaba trabajando y así modificar el signo del
incremento o decremento del tiempo de conmutación según la potencia crezca o
decrezca.
En este tipo de algoritmo se muestrean dos variables por panel. Además el algoritmo
debe realizar cálculos con ambas señales, considerando que se tienen cuatro paneles
fotovoltaicos a controlar, el tiempo necesario para ajustar el periodo óptimo de cada
panel puede ser elevado.
La versión propuesta en este trabajo utiliza como entrada de información la potencia
que entrega el panel fotovoltaico, de esta forma se implementa un control de MPPT que
tendría un tiempo de computo menor que el anterior, y que podría tener mayor rapidez
de convergencia hacía el punto de máxima potencia MPP.
104
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Nuevo algoritmo de control MPPT
RESISTENCIA=10kO
FrecMax de 450kHz
SENSADO POTENCIA
SI
P(n)=P(n-1)?
NO
P(n)>P(n-1)?
NO
SI
Incrementar/decrementar
Resistencia
INVERTIR incrementar/decrementar
Fig48. Algoritmo MPPT propuesto
En este caso el algoritmo solo tiene en cuenta la potencia que el panel fotovoltaico esta
entregando y controla dicha potencia para que sea siempre máxima.
Con este tipo de algoritmo se espera que el programa alcance el valor óptimo de
frecuencia de conmutación del convertidor “buck-boost” más rápidamente que en el
algoritmo anterior, es decir que converja a un valor determinado en menos tiempo.
Hay que destacar que implementando dicho programa solo se necesitan cuatro
conversiones analógicas digitales para poder controlar en “tiempo real” la potencia que
están entregando los cuatro paneles fotovoltaicos.
105
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Localización de un máximo fijo.
Fig. 49 control MPPT
Siguiendo los puntos que se representan:
P2a-P1a: El algoritmo iniciaría la búsqueda del punto de trabajo del panel fotovoltaico,
por lo tanto se haría un decremento de la frecuencia de conmutación de convertidor para
pasar del punto P2a al punto P1a ya que a menos frecuencia más potencia se obtiene.
P1b-P2b: Si se continua bajando la frecuencia de conmutación el panel puede ofrecer
más potencia que anteriormente pero aún no se sitúa en el punto máximo ya que se
encuentra en P2b, por tanto aumenta más la frecuencia y pasa al punto P1b, superando
el máximo. En este caso el punto P1b se sitúa en una región de la curva del panel de
menos potencia, de esta forma no hemos aumentado la potencia sino que la hemos
decrementado.
P1c-P2c: Como anteriormente se había situado en un punto de menos potencia, en este
caso se hace lo contrario y aumenta la frecuencia como medida de corrección situándose
en el punto P2c.
Como ahora la potencia es menor se hace lo contrario y baja la frecuencia situándose en
el punto óptimo o el de máxima potencia como es el punto P1c.
El algoritmo ira incrementando la potencia que entrega el ondulador subiendo la
frecuencia de conmutación del LFR y así acercándose al punto máximo de potencia.
Dependiendo el incremento que aplique el control llegará a un determinado estado en
que oscilará entre unos puntos donde este situado el punto de máxima potencia, en ese
momento el algoritmo se quedará de forma permanente en esa frecuencia de
conmutación hasta que alguna de las características del panel varíen.
106
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Si por ejemplo las condiciones de iluminación solar cambiaran de forma muy drástica,
el controlador de MPPT seguiría una estrategia de control como la que sigue en esta
representación gráfica:
Adaptación a un cambio de el máximo.
Fig.50 Control MPPT
P1a-P2b/P1b-P2b: Los puntos marcarían la región de oscilación en la cual el control
MPPT se movería cerca del punto de máxima potencia para unas determinadas
condiciones del panel fotovoltaico.
P1c-P2c: Si de repente cambian las condiciones de iluminación y por lo tanto también
lo hace su curva característica, el punto de máxima potencia se encuentra en otro lugar y
el control MPPT iniciaría de forma automática su búsqueda.
El control intentaría adaptarse a las nuevas condiciones del panel fotovoltaico y se
pondría a trabajar para obtener el nuevo punto de máxima potencia, variaría la
conductancia del convertidor DC/DC mediante la frecuencia de conmutación y así
tendería al punto óptimo de la curva.
3.2.2.4- IMPLEMENTACIÓN MPPT
La filosofía de control MPPT va directamente relacionada con el control de la
frecuencia de conmutación del interruptor del convertidor “buck-boost”, que es el
encargado de variar su conductancia para que en los extremos del panel fotovoltaico
siempre haya una resistencia de carga que maximice la transferencia de potencia.
Por tanto se debe diseñar un control que sea capaz de variar esa frecuencia para cumplir
con su cometido.
Como el ondulador esta provisto de un control MPPT manual, es decir, mediante unos
potenciómetros ajustables se puede variar la frecuencia del diente de sierra desde un
mínimo de 17kHz a un máximo de 450kHz, todo ello gracias a que esta tensión que
controlan los potenciómetros hace variar la frecuencia de conmutación de la etapa VCO,
que se implementa mediante un generador de funciones llamado MAX038.
107
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
De esta forma para el control automático del punto de máxima potencia se quiere
aprovechar esta misma filosofía y aplicarla para que el microcontrolador PIC del que se
dispone sea el encargado de variar el valor de unos potenciómetros digitales que serán
habilitados cuando se seleccione desde el panel principal de control el modo
automático.
Obsérvese un diagrama de bloques simplificado:
Vcc
Relé
Corriente
panel
X
A/D
SPI
uControlador
PIC
Pot
Digital
Pot
manual
Vcont
tensión
panel
17kHz-450kHz
VCO
MAX038
50Hz
Señal control
Back-Boost
+
Señal lazo de control
Fig51. Circuito control MPPT
En este diagrama de bloques solo aparece el control de un panel fotovoltaico, hay que
pensar que se disponen de cuatro paneles y que por tanto todos estos bloques se
multiplican por cuatro menos la señal del lazo de control que es la misma para todos.
La etapa multiplicadora es un circuito exterior que se encarga de obtener la corriente y
la tensión de cada panel fotovoltaico y multiplicarlo para escalar su valor desde un
mínimo de 0V hasta un máximo de 5V, de esta forma el conversor analógico /digital del
microcontrolador puede obtener una lectura directa de esta potencia sin ninguna tensión
de referencia, ya que él mismo se alimenta con una tensión igual de 5V.
La selección de control MPPT manual o automática y la obtención de la tensión de
control del VCO se hacen desde un mismo módulo.
Este módulo también incorpora el microcontrolador con las entradas de potencia que
provienen de la etapa del multiplicador.
108
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
De este modo el módulo que se diseña para el control MPPT es el siguiente.
Selección manual/automático
MÓDULO MPPT
Relé cuádruplo
Entrada
Potencia
paneles
uC PIC
Pot
digital
Pot
manual
Acond
tensión
Pot
digital
Pot
manual
Acond
tensión
Pot
digital
Pot
manual
Acond
tensión
Pot
digital
Pot
manual
Acond
tensión
Salida
Control
VCO’s
Fig52. Módulo control MPPT
3.2.2.5 - MÓDULO MPPT
Como se ha dicho con anterioridad el control MPPT puede ser implementado de una
forma manual por la acción del usuario o automática pasando el control al
microcontrolador que se emplea.
a) CONTROL MANUAL MPPT
En el panel frontal del ondulador se sitúan cuatro potenciómetros para controlar la
potencia máxima que son capaces de entregar los cuatro paneles que se quieren
controlar. La habilitación de estos potenciómetros se lleva a cabo mediante un
interruptor que selecciona el modo manual y un relé electromecánico cuádruple activa la
conexión eléctrica de estos.
La variación resistiva de los potenciómetros modifica la tensión que va a parar a cada
generador de funciones MAX038 que se comportan como VCO, de este modo se puede
controlar la conductancia de cada convertidor “buck-boost” que hay situado como carga
de cada panel a controlar.
Para obtener un grado de robustez se acota el valor de variación de la tensión VCO con
un boque denominado acondicionamiento de señal, formado por un divisor de tensión.
De esta forma para la tensión mínima que el circuito es capaz de proporcionar se
obtiene una señal de diente de sierra de una frecuencia de 17kHz y para la máxima
tensión permitida se tiene una frecuencia de 450kHz.
Hay que destacar que el usuario en este caso es el encargado de maximizar la potencia
que son capaces de ofrecer los paneles de una forma visual, observando en el
osciloscopio la señal de corriente que se esta inyectando en la red eléctrica.
109
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
b) CONTROL AUTOMÁTICO MPPT
En este caso si desde el panel frontal se selecciona mediante el interruptor el modo
automático, el relé electromecánico habilita la conexión eléctrica de los potenciómetros
digitales y permite la alimentación del microcontrolador PIC.
Al estar alimentado el microcontrolador PIC, este pasa a controlar el valor resistivo de
los cuatro potenciómetros digitales para poder maximizar la potencia entregada por los
cuatro paneles fotovoltaicos.
De algún modo el microcontrolador seguirá el algoritmo programado del seguimiento
de máxima potencia y hará variar la tensión de control de los cuatro VCO’s para
modificar la frecuencia de conmutación de cada convertidor que se sitúa como carga de
cada panel fotovoltaico.
Los potenciómetros digitales y los manuales son del mismo valor resistivo de 10kΩ
para que sean compatibles con el módulo de acondicionamiento de señal y obtener las
mismas variaciones de frecuencia de conmutación.
Potenciómetro digital
Se emplea el potenciómetro digital dual MCP42010.
Este integrado incorpora dos potenciómetros digitales que varían su resistencia de 10kΩ
en 256 posiciones gracias a un registro de 8 bits. Aunque la instrucción es de 16 bits ya
que se necesitan 8 bits adicionales para interpretar que instrucción se quiere realizar y a
que potenciómetro nos referimos.
110
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
La comunicación con este dispositivo se realiza mediante el bus SPI, y es el
microcontrolador el encargado de dar dichas instrucciones.
A continuación se presenta una grafica temporal de la comunicación que se debe
emplear y la información que requiere el potenciómetro digital.
Fig53. diagrama temporal de la escritura del dato al potenciómetro digital
Fig54. instrucciones del potenciómetro digital
111
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Por tanto el microcontrolador enviará el valor de los potenciómetros digitales a través
del bus SPI y modificar su valor para intentar maximizar la energía entregada por cada
panel fotovoltaico a controlar.
Fig55. Comunicación SPI
Como se tienen cuatro potenciómetros digitales para controlar con un mismo
microcontrolador PIC, el fabricante aconseja utilizar la configuración daisy-chain.
Esta configuración permite controlar todos los potenciómetros ya que cada integrado va
aguardando los datos a transmitir para el otro mediante una comunicación serie entre
ellos.
Véase una representación más gráfica de lo que se explica.
Fig56. configuración Daisy-chain
112
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Fig57. escritura en Daisy-Chain
Por lo tanto con esta microcontrolador nos garantizamos el pleno control de los cuatro
paneles fotovoltaicos con un único microcontrolador PIC.
c) MICROCONTROLADOR
El microcontrolador que se emplea es el PIC16F876
Entrada
Potencia
Paneles
A/D
Comunicación
SPI
Fig58. Microcontrolador
Este dispositivo es que se adapta mejor a las necesidades del módulo de control MPPT,
ya que dispone de cuatro canales de conversión A/D y de la comunicación serie SPI
para poder controlar los potenciómetros digitales.
113
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Se muestra el organigrama detallado del programa de control MPPT que emplea el
microcontrolador PIC para los cuatro paneles fotovoltaicos.
INICIO PROGRAMA
MPPT
INICIALIZACIONES
REGISTROS
R’s DIGITAL = 10KO
SPI
NO
¿FIN ESPERA
1mS?
SI
OBTENER 4
POTENCIAS (A/D)
PARA N=1 HASTA 4
SI
Panterior=Pnueva?
NO
Pnueva>Panterior?
NO
SI
INCRE/DECRE RES
INVERT INCRE/DECRE
ENVIAR R SPI
Fig59. Algoritmo MPPT propuesto
El algoritmo primeramente inicializa todos los registros internos del microcontrolador
así como las variables de usuario creadas para el programa.
Por tal de inicializar a un valor los potenciómetros digitales, el algoritmo los programa
mediante la comunicación serie SPI a su valor máximo de 10kΩ que corresponde a
obtener una frecuencia de conmutación máxima del convertidor de 450kHz.
Se intenta diseñar una búsqueda del punto de máxima potencia seguro y por tanto se
parte de la mínima potencia que se puede inyectar a la red eléctrica para así ir
incrementándola sin peligro de superar algún limite que comprometa la seguridad del
ondulador.
114
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Como se trabaja con un cristal oscilador de 4MHz el microcontrolador ejecuta las
instrucciones y obtiene los resultados a aplicar a una velocidad mucho mayor que la
dinámica de nuestro sistema a controlar. Por este motivo se introduce una retardo de
espera de un milisegundo para que la modificación de la frecuencia de trabajo del
convertidor no inestabilice todo el control MPPT.
Una vez finalizada la espera se proceda a la obtención del valor de potencia entregado
por cada panel fotovoltaico, para ello se utilizan cuatro canales de conversión A/D y se
guardan los resultados en unas variables internas del programa.
Seguidamente se pasa a ejecutar el control MPPT para cada panel que se tiene y se
procede de la siguiente manera.
§
§
§
Si Potencia sensada = Potencia anterior ⇒ el valor de resistencia no se
modifica
Si Potencia sensada > Potencia anterior ⇒ se sigue
incrementando/decrementando su valor resistivo porque hace aumentar la
potencia.
Si Potencia sensada < Potencia anterior ⇒ se hace lo contrario de
incrementar/decrementar su valor resistivo porque hace disminuir la potencia.
Una vez modificado o respetado el valor de resistencia del los diferentes potenciómetros
digitales, se pasa a transferir dicho valor a los potenciómetros mediante la comunicación
serie SPI.
El algoritmo ejecuta un bucle infinito donde se queda controlando el valor de potencia
entregado por cada panel, tal y como deseábamos.
A continuación se muestra el programa en código máquina diseñado para el control
MPPT y verificado su funcionamiento mediante el simulador que facilita el fabricante
del microcontrolador PIC de MICROCHIP.
115
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
d) CÓDIGO CONTROL MPPT
;///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
;///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
;//////////////PROGRAMA CONTROL MPPT PARA CUATRO PANELES FOTOVOLTAICOS///////////////////
;///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
;///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include <p16f876.inc>
;...........VARIABLES DEL PROGRAMA........................................................
CS
NPOT1
NPOT2
NPOT3
NPOT4
VPOT1
VPOT2
VPOT3
VPOT4
R1
R2
R3
R4
CONTADOR1
CONTADOR2
RR
RMAX
RMIN
SLOPE1
SLOPE2
SLOPE3
SLOPE4
ZERO
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
H'00'
0X20
0X21
0X22
0X23
0X24
0X25
0X26
0X27
0X28
0X29
0X30
0X31
0X32
0X33
0X34
0x35
0X36
0X37
0X38
0X40
0X41
0X42
;habilitación de potenciometros digitales
;valores de potencia actuales
;valores de potencia anteriores
;valor de resistencia
;contadores
;variable auxiliar
;resistencia máxima permitida
;resistencia mínima permitida
;incremento de resistencia positivo/negativo
;...........INICIO DEL PROGRAMA DE CONTROL MPPT..........................................
org
goto
00h
inicio
;...........INICIALIZACIÓN DE LOS REGISTROS..............................................
inicio
BSF
STATUS,RP0
MOVLW
MOVWF
MOVLW
MOVWF
MOVLW
MOVWF
MOVWF
BCF
CLRF
CLRF
MOVLW
MOVWF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
b'00000000'
ADCON1
b'11111111'
TRISA
b'00000000'
TRISB
TRISC
STATUS,RP0
PCLATH
INTCON
0X03
SSPCON
NPOT1
NPOT2
NPOT3
NPOT4
VPOT1
VPOT2
VPOT3
VPOT4
SLOPE1
SLOPE2
;selección bank1
;selección RA3..RA0
;como entradas analógicas
;puerto A como entrada
;puerto B y C como salida
;selección bank0
;set sync serial port control register
116
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
MOVLW
MOVWF
MOVWF
MOVWF
MOVWF
MOVWF
MOVWF
GOTO
SLOPE3
SLOPE4
ZERO
RMIN
0XFF
R1
R2
R3
R4
PORTB
RMAX
TRA
;reset registros
;set CS y RS
;set RMAX a 255
;iniciar valor potenciometros a 10k
;...........RETARDO PARA OBTENER LAS LECTURAS A/D........................................
Delay
D0
D1
MOVLW
MOVWF
MOVWF
DECFSZ
GOTO
DECFSZ
GOTO
0X11
;retardo para las conversiones A/D
CONTADOR1
CONTADOR2
CONTADOR2,F
D1
CONTADOR1,F
D0
;fin del retardo
1ms
;...........CONVERSION A/D DE LAS POTENCIAS DE CADA PANEL................................
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVLW
b'11000001'
MOVWF
ADCON0
BSF
ADCON0,2
loop
BTFSC
ADCON0,2
GOTO
loop
MOVF
ADRESH,W
MOVWF
NPOT1
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVLW
b'11001001'
MOVWF
ADCON0
BSF
ADCON0,2
loop1
BTFSC
ADCON0,2
GOTO
loop1
MOVF
ADRESH,W
MOVWF
NPOT2
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVLW
b'11010001'
MOVWF
ADCON0
BSF
ADCON0,2
loop2
BTFSC
ADCON0,2
GOTO
loop2
MOVF
ADRESH,W
MOVWF
NPOT3
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVLW
b'11011001'
MOVWF
ADCON0
BSF
ADCON0,2
loop13
BTFSC
ADCON0,2
GOTO
loop13
MOVF
ADRESH,W
MOVWF
NPOT4
;CONVERSION A/D PANEL 1 (CHO)
;start new A/D conversion
;optencion de la potencia panel 1
;CONVERSION A/D PANEL 2 (CH1)
;start new A/D conversion
;optencion de la potencia panel 2
;CONVERSION A/D PANEL 3 (CH2)
;start new A/D conversion
;optencion de la potencia panel 3
;CONVERSION A/D PANEL 4 (CH3)
;start new A/D conversion
;optencion de la potencia panel 4
117
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
;...........CONTROL MPPT DE CADA PANEL A CONTROLAR.......................................
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVF
NPOT1,W
SUBWF
VPOT1,W
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIST1
GOTO
FIN1
DIST1
MOVF
NPOT1,W
SUBWF
VPOT1,W
BTFSS
STATUS,C
GOTO
NMAY1
CALL
INVEROPERA1
operación
NMAY1
MOVFW
R1
CALL
OPERA1
MOVWF
R1
FIN1
MOVFW
NPOT1
MOVWF
VPOT1
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVF
NPOT2,W
SUBWF
VPOT2,W
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIST2
GOTO
FIN2
DIST2
MOVF
NPOT2,W
SUBWF
VPOT2,W
BTFSS
STATUS,C
GOTO
NMAY2
CALL
INVEROPERA2
NMAY2
MOVFW
R2
CALL
OPERA2
MOVWF
R2
FIN2
MOVFW
NPOT2
MOVWF
VPOT2
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVF
NPOT3,W
SUBWF
VPOT3,W
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIST3
GOTO
FIN3
DIST3
MOVF
NPOT3,W
SUBWF
VPOT3,W
BTFSS
STATUS,C
GOTO
NMAY3
CALL
INVEROPERA3
NMAY3
MOVFW
R3
CALL
OPERA3
MOVWF
R3
FIN3
MOVFW
NPOT3
MOVWF
VPOT3
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
MOVF
NPOT4,W
SUBWF
VPOT4,W
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIST4
GOTO
FIN4
DIST4
MOVF
NPOT4,W
SUBWF
VPOT4,W
BTFSS
STATUS,C
GOTO
NMAY4
CALL
INVEROPERA4
NMAY4
MOVFW
R4
CALL
OPERA4
MOVWF
R4
FIN4
MOVFW
NPOT4
MOVWF
VPOT4
;PANEL 1
;¿son iguales valores potencia anterior y nueva?
;no lo son
;si lo son
;si NPOT1>VPOT1 ir a NMAY1
;si no es mayor la potencia nueva invertir la
;realizar la operación
;guardar la potencia obtenida
;PANEL 2
;si NPOT2>VPOT2 ir a NMAY2
;guardar la potencia obtenida
;PANEL 3
;si NPOT3>VPOT3 ir a NMAY3
;guardar la potencia obtenida
;PANEL 4
;si NPOT4>VPOT4 ir a NMAY4
;guardar la potencia obtenida
118
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
;..........TRANSMITIR INFORMACIÓN A POTENCIOMETROS DIGITALES.............................
TRA
BCF
MOVLW
CALL
MOVFW
CALL
PORTB,CS
b'00010001'
TRANSMIT
R1
TRANSMIT
MOVLW
CALL
MOVFW
CALL
b'00010010'
TRANSMIT
R2
TRANSMIT
MOVLW
CALL
MOVFW
CALL
b'00010001'
TRANSMIT
R3
TRANSMIT
MOVLW
CALL
MOVFW
CALL
BSF
b'00010010'
TRANSMIT
R4
TRANSMIT
PORTB,CS
;seleccionar el potenciometro
;escribir en segundo PD en pot 1
;escribir el valor de la resistencia
;escribir en segundo PD en pot 2
;escribir el valor de la resistencia
;escribir en primer PD en pot 1
;escribir el valor de la resistencia
;escribir en primer PD en pot 2
;escribir el valor de la resistencia
;deshabilitar el potenciometro
;...........VOLVER A INICIAR EL PROGRAMA.................................................
GOTO
Delay
;...........TRANSMISION DE DATOS VIA SPI.................................................
TRANSMIT
bucle
BCF
MOVWF
BSF
BTFSS
GOTO
BCF
RETURN
STATUS,RP0
SSPBUF
STATUS,RP0
SSPSTAT,BF
bucle
STATUS,RP0
;...........ACOTAR VALOR MAXIMO DE LA RESISTENCIA DIGITAL................................
ACOTMAX
DIF
SUBWF
BTFSS
GOTO
MOVLW
SUBWF
RETURN
RMAX,W
STATUS,Z
DIF
b'00000001'
RR
;...........ACOTAR VALOR MINIMO DE LA RESISTENCIA DIGITAL................................
ACOTMIN
DIFF
SUBWF
BTFSS
GOTO
MOVLW
ADDWF
RETURN
RMIN,W
STATUS,Z
DIFF
b'00000001'
RR
119
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
;...........REALIZAR LA INVERSIÓN DE OPERACION...........................................
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
INVEROPERA1
MOVFW
SLOPE1
SUBWF
ZERO
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIF1
BSF
SLOPE1,0
RETURN
DIF1
BCF
SLOPE1,0
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
INVEROPERA2
MOVFW
SLOPE2
SUBWF
ZERO
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIF2
BSF
SLOPE2,0
RETURN
DIF2
BCF
SLOPE2,0
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
INVEROPERA3
MOVFW
SLOPE3
SUBWF
ZERO
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIF3
BSF
SLOPE3,0
RETURN
DIF3
BCF
SLOPE3,0
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
INVEROPERA4
MOVFW
SLOPE4
SUBWF
ZERO
BTFSS
STATUS,Z
GOTO
DIF4
BSF
SLOPE4,0
RETURN
DIF4
BCF
SLOPE4,0
RETURN
;...........REALIZAR LAS OPERACIONES.....................................................
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
OPERA1
BTFSC
SLOPE1,0
GOTO
SUMA1
RESTA1
MOVWF
RR
CALL
ACOTMIN
MOVLW
b'00000001'
SUBWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
SUMA1
MOVWF
RR
CALL
ACOTMAX
MOVLW
b'00000001'
ADDWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
OPERA2
BTFSC
SLOPE2,0
GOTO
SUMA2
RESTA2
MOVWF
RR
CALL
ACOTMIN
MOVLW
b'00000001'
SUBWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
SUMA2
MOVWF
RR
CALL
ACOTMAX
120
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
MOVLW
b'00000001'
ADDWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
OPERA3
BTFSC
SLOPE3,0
GOTO
SUMA3
RESTA3
MOVWF
RR
CALL
ACOTMIN
MOVLW
b'00000001'
SUBWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
SUMA3
MOVWF
RR
CALL
ACOTMAX
MOVLW
b'00000001'
ADDWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
OPERA4
BTFSC
SLOPE4,0
GOTO
SUMA4
RESTA4
MOVWF
RR
CALL
ACOTMIN
MOVLW
b'00000001'
SUBWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
SUMA4
MOVWF
RR
CALL
ACOTMAX
MOVLW
b'00000001'
ADDWF
RR
MOVFW
RR
RETURN
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
;////////////////////////////FIN DEL PROGRAMA MPPT///////////////////////////////////////
;////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
end
121
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.2.2.6 – ESQUEMA ELECTRICO MPPT
122
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.3 - RESULTADOS EXPERIMENTALES
3.3.1- GRAFICAS DE CORRIENTE INYECTADA
A continuación se presentan los resultados obtenidos al aplicar al ondulador AC-LFR la
realimentación de corriente, para obtener una mejor en la distorsión harmónica total de
la señal de corriente que se inyecta en la red eléctrica.
Se pretende hacer una comparativa de los resultados que se obtenían sin aplicar la
realimentación de corriente y los que se obtienen aplicándola, corroborando los
resultados obtenidos en las simulaciones realizadas.
El estudio se hace para distintas potencias de panel fotovoltaico, para así poder apreciar
la corrección que se implementa en todas las condiciones de radiación solar recibida en
los paneles fotovoltaicos.
3.3.1.1 - POTENCIA INYECTADA 245W (Ired VS Vred)
Con realimentación de corriente:
Fig60. Gráfica con realimentación de corriente
Sin realimentación de corriente:
Fig61. Gráfica sin realimentación de corriente
En las graficas expuestas se observa que al aplicar la realimentación de corriente la
señal obtenida de corriente de red se asemeja más a la señal de tensión senoidal de la
red eléctrica, esto índica que el control aplicado ejerce su efecto y elimina en cierto
modo la distorsión armónica.
Se observa que dicho control también ejerce una influencia de centrado de la señal ya
que en la gráfica de corriente sin realimentación se obtienen una señal descentrada
respecto a la tensión de red.
123
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.3.1.2 – POTENCIA INYECTADA 175W (Ired VS Vred)
Con realimentación de corriente:
Fig62. Gráfica con realimentación de corriente
Sin realimentación de corriente:
Fig63. Gráfica sin realimentación de corriente
En las graficas expuestas se observa que al aplicar la realimentación de corriente la
señal obtenida de corriente de red se asemeja más a la señal de tensión senoidal de la
red eléctrica, esto índica que el control aplicado en este caso también ejerce su efecto y
elimina en cierto modo la distorsión armónica.
En esta ocasión también ejerce una influencia de centrado de la señal ya que en la
gráfica de corriente sin realimentación se obtienen una señal descentrada respecto a la
tensión de red.
3.3.1.3 – POTENCIA INYECTADA 70W (Ired VS Vred)
Con realimentación de corriente:
Fig64. Gráfica con realimentación de corriente
Sin realimentación de corriente:
Fig65. Gráfica sin realimentación de corriente
124
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
Se observa que en este caso la corrección de los armónicos inyectados en la red es
menor aunque visible, pero aún así se vuelve a apreciar el centrado de la señal respecto
a los resultados obtenidos de no aplicar la realimentación de corriente.
Se puede observar como la corrección de la corriente eléctrica es menor para potencias
pequeñas, esto se debe a que la ganancia de lazo cerrado del ondulador es muy pequeña
para frecuencias de conmutación del convertidor back-boost muy elevadas.
Tal y como se puede comprobar en la fórmula siguiente:
La potencia se caracteriza por
Ts
⋅ D 2 (t )
2L
y si Ts es mínima implica que la frecuencia es la máxima y por tanto el valor K que es
el valor de realimentación del lazo de corriente (figura 66) decrece ya que es
directamente proporcional al tiempo de conducción
Pout ≈ Pin ≈ Vp 2 ⋅
K = 16000.Ts
Fig66. Ondulador AC-LFR
125
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
3.4 - CONCLUSIONES
3.4.1 – CONTROL LFR CON REALIMENTACIÓN DE CORRIENTE
Se concluye mediante la simulación y la experimentación que utilizar un control lineal
LFR con realimentación de corriente disminuye la componente armónica total que se
inyecta hacia la red eléctrica. Por lo tanto se puede anunciar que el propósito de mejora
del proyecto se ve cumplido.
No obstante siendo honestos y críticos con los resultados que se obtienen, se debe
indicar que las mejoras introducidas son menores de las que se esperaban en un
principio.
La causa principal de obtener unos resultados pobres se debe a la poca ganancia en lazo
cerrado que presenta el ondulador AC-LFR y que hace que a potencias menores la
corrección sea mucho menor ya que su ganancia desciende drásticamente.
Quedaría por estudiar el efecto que tendría el aplicar un control no lineal de
realimentación, ya que se cree que este tipo de control se adaptaría mejor a las no
linealidades que presenta el ondulador y por tanto se podrían obtener unos resultados
más satisfactorios, aunque quedaría por demostrar.
Salvo los problemas expuestos, se determina que la realimentación de corriente con
control lineal ofrece una mejora en los armónicos inyectados en la red eléctrica gracias a
un simple y económico circuito que también incorpora la miniaturización de otras
etapas como pueden ser los VCO de cada panel. De esta forma se obtiene un módulo de
control más robusto que el anterior e incorporando componentes de más prestaciones y
menos consumo que ocupan un espacio efectivo menor.
3.4.2 – CONTROL MPPT
Se concluye mediante simulación que el nuevo algoritmo de control MPPT cumple con
las expectativas iniciales del proyecto, ya que se obtienen unos resultados similares que
aplicando el antiguo control MPPT pero con un circuito más económico y fiable que el
anteriormente empleado.
Se destaca que el nuevo control MPPT tiene un tiempo de establecimiento o
convergencia menor que el antiguo control para potencias menores, y para potencias
mayores el tiempo de establecimiento prácticamente es igual al que se obtenía con el
antiguo control.
Se debe tener en cuenta que actualmente el control MPPT utiliza la mitad de
conversores A/D que el antiguo control y que el tiempo de muestreo se ha multiplicado
por cinco. Esto se traduce en un decremento del coste económico y también en la
potencia consumida por el controlador.
También se debe pensar que se usa un microcontrolador con muchas menos
prestaciones que el anterior, ya que el tiempo de computo del algoritmo es menor al
igual que el número de conversores que se necesitan.
126
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4. ANEXOS
127
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1 - PLANOS DEL ONDULADOR FOTOVOLTAICO
Se presentan los esquemas de los distintos módulos que componen el ondulador
fotovoltaico ACLFR, así como los fotolitos de los módulos rediseñados como son la
placa de control con realimentación de corriente, la etapa Push-Pull con las
modificaciones que se han incorporado y le módulo de control MPPT.
4.1.1 - MODULO DE CONTROL LFR
128
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.1.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
Fig. 1 Esquema
129
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.1.2 - FOTOLITO SUPERIOR
Fig. 2 Fotolito superior
4.1.1.3 - FOTOLITO INFERIOR
Fig. 3 Fotolito inferior
130
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.1.4 - CARA DE COMPONENTES
Fig.4 Cara de componentes
131
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.2- MODULO DE CONTROL MPPT
132
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.2.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
Fig. 5 Esquema
133
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.2.2 - FOTOLITO SUPERIOR
Fig. 6 Fotolito superior
4.1.2.3 - FOTOLITO INFERIOR
Fig. 7 Fotolito inferior
134
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.2.4 - CARA DE COMPONENTES
Fig. 8 Cara de componentes
135
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.3 - MODULO PUSH-PULL
136
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.3.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
Fig. 9 Esquema
137
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.3.2 - FOTOLITO SUPERIOR
Fig. 10 Fotolito superior
4.1.3.3 - FOTOLITO INFERIOR
Fig. 11 Fotolito inferior
138
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.3.4 - CARA DE COMPONENTES
Fig. 12 Cara de componentes
139
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.4 - MODULO MULTIPLICADOR
140
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.4.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
Fig. 13 Esquema
141
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.5 - MODULO BUCK-BOOST
142
Contribución al Desarrollo de Onduladores Fotovoltaicos Basados en el LFR
4.1.5.1 - ESQUEMA ELÉCTRICO
Fig. 14 Esquema
143
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4.2 - FOTOGRAFIAS DEL ONDULADOR FOTOVOLTAICO
A continuación se presentan las fotografías tomadas del ondulador fotovoltaico donde
se pueden apreciar los distintos módulos que lo forman, así como el panel de control del
usuario. Lo que se pretende es dar una idea global de cómo esta constituido el
ondulador AC-LFR.
4.2.1 – ONDULADOR AC-LFR
Fig. 15 Ondulador AC-LFR
4.2.2 – ALZADO ONDULADOR AC-LFR
Fig. 16 Alzado ondulador AC-LFR
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4.2.3 – PERFIL ONDULADOR AC-LFR
Fig. 17 Perfil ondulador AC-LFR
4.2.4 – PLANTA ONDULADOR AC-LFR
Fig. 18 Planta ondulador AC-LFR
Una vez vistas las imágenes globales del ondulador, se ofrecen las fotografías de cada
módulo situado en cada uno de su emplazamiento otorgado.
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4.2.5 – MÓDULO LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE
Fig. 19 Lazo de control de corriente
4.2.6 - MÓDULO PUSH-PULL
Fig. 20 Push-Pull
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4.2.7 – MÓDULO CONTROL MPPT
Fig. 21 Control MPPT
4.2.8 - MÓDULO CONVERTIDORES BUCK-BOOST
Fig. 22 Convertidores Buck-Boost
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4.2.9 – MÓDULO MULTIPLICADOR
Fig. 23 Multiplicador
4.2.10 - TRANSFORMADOR
Fig. 24 Transformador
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4.2.11 – MÓDULO DE FILTRADO TENSIÓN PANEL
Fig. 25 Filtrado tensión del panel
4.2.12 – DISPOSICIÓN DE MÓDULOS EN EL AC-LFR
Fig. 26 Vista general
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4.3 - AGRADECIMIENTOS
Se agradece infinitamente la oportunidad de participar en este proyecto y todo el apoyo
prestado por el doctor Hugo Valderrama Blavi, y toda la ayuda recibida por parte del
equipo del laboratorio I+D del “Grup d’Automàtica y Electrónica Industrial” de la URV
que nos facilitaron todos los recursos que se necesitaban para implementar el proyecto.
También se agradece a Mª Dolores, Agustín, David y Vanessa por su inestimable ayuda
y su infinita paciencia.
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5. BIBLIOGRAFÍA
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