Optimization of the operation of photovoltaic systems for pumping applications

Resumen

En la actualidad, es evidente la constante necesidad de agua y energía para el desarrollo de la vida moderna. Los avances tecnológicos requieren cada vez la utilización de mayores recursos energéticos. Además, las dificultades para el abastecimiento energético son especialmente críticas en áreas remotas donde el uso de recursos convencionales es muy costoso y, en ocasiones, no es viable. Por otro lado, la cobertura de energía en estos lugares se debe hacer frente a diversos obstáculos, como por ejemplo las dificultades en el transporte de combustible o la escasez de redes eléctricas, entre otros. Las energías renovables, como son la energía fotovoltaica, eólica, hidrotérmica o la energía geotérmica, son alternativas que están cada vez en mayor uso debido a su eficiencia y a que contribuyen al cuidado del medio ambiente. Este tipo de energía es cada vez menos costosa y su consumo no provoca el agotamiento del recurso. A menudo nos referimos a este tipo de energía como energía ''verde'', ya que evita la contaminación producida por las fuentes de energía tradicionales y por otras fuentes alternativas. En particular, el bombeo de agua en zonas agrícolas y rurales, que a menudo se encuentran aisladas, es una tarea de gran importancia para la subsistencia en estas zonas. En estos casos la estructura de un sistema de bombeo de agua alimentado por energía solar que emplea un sistema eléctrico de almacenamiento es una buena solución. Debido a discontinuidad en la generación fotovoltaica, el almacenamiento de la energía eléctrica producida por un sistema fotovoltaico es una de los mayores retos para conseguir la autonomía de un sistema fotovoltaico. Por todo ello, el objetivo de esta tesis es mejorar el rendimiento de estos sistemas de forma que se asegure su adecuado funcionamiento y se aumente su durabilidad. En este trabajo estudiamos el control de un sistema de bombeo fotovoltaico. El objetivo principal de este tipo de sistemas es extraer la máxima potencia del generador fotovoltaico para los diferentes valores de carga producidos para un determinado valor del flujo de agua requerido. Así, un objetivo prioritario a la hora de optimizar la eficiencia de aplicaciones fotovoltaicas es conseguir un alto rendimiento del controlador encargado de realizar el seguimiento del punto máxima potencia (MPPT). El seguimiento del punto de máxima potencia supone un reto que debe hacer frente a las variaciones de la radiación solar a lo largo del tiempo. No en vano, el sistema fotovoltaico es considerado como un sistema complejo fuertemente no lineal. Por este motivo, el diseño e implementación de un sistema de seguimiento del punto de máxima potencia que sea adecuado para este tipo de sistema es una tarea compleja. La fiabilidad de una aplicación fotovoltaica depende además de la eficiencia de los sistemas de potencia electrónicos que se emplean para conducir al sistema fotovoltaico al máximo de eficiencia ante condiciones meteorológicas variables. De manera que para conseguir un sistema fotovoltaico eficiente, el controlador del sistema debe adaptar el valor de la resistencia conectada a la salida del sistema fotovoltaico a su valor óptimo para que éste trabaje en el punto de máxima potencia. Basándonos en el concepto del convertidor DC-DC controlado por un ciclo de trabajo (D), se asegura la adaptación de la carga al valor óptimo para el funcionamiento del sistema fotovoltaico. Para ello, es suficiente con calcular el ciclo de trabajo adecuado (D) para el convertidor DC-DC de forma que se transforma el valor de la carga conectada al sistema fotovoltaico para que éste trabaje en el punto de máxima potencia. Dada la curva característica del sistema de bombeo fotovoltaico, la acción del controlador estará dirigida por el seguidor del punto de máxima potencia. Posteriormente, a partir de la señal de referencia, el controlador induce el cambio necesario en el ciclo de trabajo del convertidor con el fin de obtener la variación de la carga deseada a través del convertidor DC-DC. En el primer capítulo se estudian diferentes partes del sistema fotovoltaico y su carga. Los elementos principales de este sistema son detallados para resaltar su comportamiento dinámico. Esto supone establecer un modelo de generador fotovoltaico lo más realista posible. Se realiza un análisis de los convertidores DC-DC que se emplean habitualmente en este tipo de aplicaciones. Este análisis también incluye el estudio de diferentes convertidores, como son: convertidor buck, boost y convertidor buck-boost. Dentro de esta variedad de convertidores, estábamos interesados en el convertidor boost, que es el que finalmente se ha empleado tanto en la simulación como en el trabajo experimental. Esta sección se completa con el estudio de un elemento de almacenamiento que permite el empleo de baterías para almacenar la energía eléctrica. En este capítulo también se analizan las cargas conectadas al sistema. En este trabajo de modelado también se estudia el inversor como el segundo tipo de convertidor estático que se utilizará. El inversor analizado es de dos niveles con un sistema de control por modulación de la anchura de pulso (PWM) y estrategia de modulación. Los actuadores electrónicos del sistema de bombas acopladas son de tipo AC y de tipo DC. Los actuadores modelados son el motor de inducción en su modelo dinámico y el DC. Las bombas volumétricas y centrífugas fueron modeladas de acuerdo a sus características mecánicas de bombeo estático. El volumétrico es acoplado a un motor de corriente directa y el centrífugo es acoplado al motor de tipo AC. El segundo capítulo se destina a los controladores MPPT y a la implementación de sus algoritmos para el sistema fotovoltaico. Los algoritmos convencionales para optimizar el sistema fotovoltaico aseguran un alto rendimiento. Sin embargo, la tendencia actual en cuanto a la maximización de le eficiencia energética se puede mejorar a través de nuevos controladores MPPT. En primer lugar, se concedió especial interés al estudio del controlador MPPT clásico y, en particular, al método de Perturbación Observación (P&O). Para resolver las limitaciones del algoritmo P&O mencionadas en este capítulo, se lleva a cabo un estudio de diferentes algoritmos inteligentes más sofisticados. En este capítulo proponemos una red neuronal artificial (ANN) y sistemas neuro-difusos adaptativos (ANFIS), ambos controladores generan el ciclo de trabajo D adecuado para que el sistema trabaje en el punto de máxima potencia. También proponemos controladores de lógica difusa para generar el ciclo de trabajo D. EL primer FLC tiene dos controladores y el segundo es de entrada única. Además, las reglas de funcionamiento de los dos FLC se basaron en el método de estabilidad de Lyapunov, que garantiza una elevada estabilidad del sistema. El controlador de lógica difusa que se ha diseñado con entrada única proporciona una reducida carga computacional y un tiempo de procesamiento menor porque tienen un número significativamente menor de reglas para evaluar y no requiere tanta memoria como otros controles de lógica difusa que emplean un elevado número de reglas. En los controladores de lógica difusa con entrada múltiple es inevitable una solución de compromiso entre velocidad y precisión. Generalmente los convertidores conmutados (en ese caso de tipo Boost) son sistemas de estructura variable. Estos sistemas tienen por definición un carácter no lineal que hace que la estructura del sistema cambie en función del estado del sistema. Por lo tanto, estos convertidores pueden ser controlados por técnicas de control no lineales. Los controladores de tipo modo deslizante (sliding mode) son conocidos por ser robustos además de tener un alto rendimiento. En esta tesis, para obtener el MPP del generador fotovoltaico, el interés se centró en el uso del SMC de primer orden y el controlador de estructura variable. El principal objetivo de este controlador es hacer que el sistema trabaje en el punto de máxima potencia. El algoritmo SMC genera directamente las señales moduladas de amplitud de pulso (PWM). Esto último evita la necesidad de una señal de conmutación de alta frecuencia (Saw signal) para generar la señal PWM de esta forma la salida del controlador se lleva directamente al convertidor. La estabilidad fue analizada usando el método de estabilidad de Lyapunov. Finalmente se hace una descripción detallada de las estructuras y las nociones básicas sobre la síntesis de todos los controladores propuestos. El último capítulo se dedica al estudio de simulación del sistema de bombeo fotovoltaico y a la validación experimental de los resultados. El primer objetivo de la simulación es el estudio del rendimiento de los controladores de acuerdo con las tipologías del sistema propuestas. Estas se basan principalmente en la obtención de la impedancia adecuada mediante el control del convertidor Boost empleando cada uno de los diferentes controladores para el seguimiento del punto de máxima potencia que se han propuesto en los capítulos anteriores. El generador fotovoltaico es en primer lugar acoplado directamente (sin el MPPT) a una carga pasiva (a modo de resistencia). En este caso, el sistema muestra una baja eficiencia. Por lo tanto, añadimos el convertidor Boost junto con los esquemas de control. En primer lugar se analiza el P&O, después el FLC con dos entradas, el ANN, el ANFIS, y finalmente, el controlador de estructura variable (M-G) y el controlador de tipo sliding mode (M-G1). Tanto el MG-1 como el M-G dan lugar a las mismas respuestas dinámicas. La comparación de diferentes controladores MPPT (P&O, FLC, ANFIS y sliding mode) muestra que los controladores ANFIS y sliding mode tienen la mejor respuesta comparado con los reguladores FLC, P&O y ANN. Posteriormente comparamos un sistema de bombeo fotovoltaico aplicando bombeo continuo con diferentes MPPT, donde comparamos el P&O, FLC, ANFIS y el M-G. El controlador P&O, FLC tiene una elevada sobreoscilación y presenta una señal oscilatoria que conduce a un error estático. El ANFIS y sliding mode tienen el mismo tiempo de respuesta, que es relativamente instantáneo. Los controladores MPPT ANFIS y sliding mode resultan relativamente más eficientes y con un error estático próximo a cero. Por último, se ha llevado a cabo una optimización del sistema fotovoltaico empleando un PMSM con un elemento para almacenar la energía y se ha comparado con los controladores P&O y M-G. Todos los resultados obtenidos muestran que el M-G es mucho más eficiente comparado con el P&O. El M-G asegura una convergencia muy rápida al MPP, además no se producen oscilaciones alrededor del MPPP y, por tanto, las pérdidas se minimizan. Además, el seguimiento del MPP se mantiene a pesar de cambios bruscos en la irradiación. Los controladores MPPT estudiados han dado lugar a la selección del control a través del algoritmo de tipo modo deslizante. El comportamiento dinámico de este controlador se confirmó por su alto rendimiento. Seguidamente se realizó el trabajo experimental, donde se propone un estudio sobre el control global del sistema fotovoltaico. Para ello se emplearon: cuatro paneles fotovoltaicos Atersa A55 y un convertido Boost, sensores de corriente y voltaje, cargas de resistencia variable y finalmente un sistema digital de tiempo real dSPACE DS1104. La plataforma de pruebas permite al usuario implementar algoritmos de control y de optimización integrados en el trabajo de simulación. La validación de los resultados de simulación se asegura a través de la tarjeta dSPACE DS1104 que tiene un entorno de software dedicado Real Time Interface RTI y se comunica con la herramienta software Matlab/Simulink. El diseño experimental se lleva a cabo en la base de los componentes principales del sistema fotovoltaico. El objetivo del estudio es validar el controlador MPPT del sistema fotovoltaico empleando el convertidor de tipo Boost. Los resultados experimentales mostrados en este capítulo se refieren a la implementación en tiempo real de los algoritmos MPPT propuestos Se genera una señal en forma de PWM para controlar el convertidor DC-DC a través de la tarjeta DS1104. Los diferentes experimentos son descritos para validar los resultados de simulación y valorar la viabilidad y calidad del control llevado a cabo. Las curvas experimentales se grabaron para diferentes tipos de operaciones; además se realizó una comparación del funcionamiento MPPT del sistema utilizando tanto el algoritmo de optimización P&O como el control basado el lógica difusa y el control basado en modos deslizantes.