SISTEMA PARA LA GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE CURVAS I-V, P-V Y MONITORIZACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Andújar Márquez, José M. Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.

Tlf: +34 959 017380, Fax: +34 959 017304, andujar@diesia.uhu.es

Enrique Gómez, Juan M. Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.

Tlf: +34 959 017364, Fax: +34 959 017304, Juanm.enrique@diesia.uhu.es

Durán Aranda, Eladio Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva.

Tlf: +34 959 017388, Fax: +34 959 017304, aranda@diesia.uhu.es

Martínez Bohórquez, Miguel A. Dpto. de Ing. Electrónica, de Sist. Infor. y Aut.- Universidad de Huelva. Tlf: +34 959 017388, Fax: +34 959 017304, Bohórquez@diesia.uhu.es

Resumen El control de instalaciones fotovoltaicas de modo eficiente exige un conocimiento preciso de las características I-V y P-V de los módulos fotovoltaicos. De hecho, estas curvas permiten situar el punto de máxima transferencia de potencia (MPPT ) del panel fotovoltaico, cuyo seguimiento es un problema de control aún no resuelto satisfactoriamente. Hasta ahora, la obtención de las curvas I-V y P-V se viene realizando mediante cargas electrónicas variables de elevado coste, lo cual hace económicamente inviable la monitorización en instalaciones de tipo doméstico. En este trabajo se propone una nueva metodología basada en el uso de convertidores DC/DC controlados mediante un sistema electrónico automático que genera ciclos de trabajo variables en todo el rango, lo cual permite la generación del conjunto de valores (V,I) necesarios para la caracterización del módulo en uso. Respecto del método tradicional de la carga activa, el propuesto en este trabajo presenta las siguientes ventajas principales: disminución de tamaño y coste, así como la posibilidad de monitorización y análisis de fallos de la instalación. Palabras Clave: Control, monitorización, análisis de fallos, trazador I-V, panel fotovoltaico. 1 INTRODUCCIÓN Los convertidores DC/DC son ampliamente utilizados en sistemas de generación fotovoltaicos

como interface entre el panel fotovoltaico y la carga, permitiendo el seguimiento del punto de máxima transferencia de potencia (MPPT). Principalmente, su misión es la de acondicionar la energía producida por el conjunto de células siguiendo una estrategia de control determinada [1,2,3]. Existe una característica intrínseca asociada al proceso de conversión DC/DC, relacionada con la capacidad que presentan estos sistemas para reflejar o adaptar la resistencia vista desde su entrada y la conectada a su salida. En este sentido, los convertidores son similares a los transformadores, cuando son empleados como adaptadores de impedancia, excepto que en los convertidores el parámetro de adaptación no es la relación de espiras entre el secundario y el primario, sino el ciclo de servicio δ, que puede ser gobernado electrónicamente [4,5,6,7]. Una nueva aplicación de esta capacidad es propuesta en el presente trabajo para determinar la característica I-V de un panel fotovoltaico. Los procedimientos utilizados experimentalmente para obtener la característica I-V de un panel fotovoltaico, están basados en la conexión de una impedancia variable en los terminales del panel y seguidamente medir la tensión y la corriente proporcionadas por el módulo, mientras dicha impedancia varía entre cortocircuito y circuito abierto [8,9,10,11,12]. Esta misma estrategia será implementada en este trabajo empleando un convertidor DC/DC haciendo variar su ciclo de servicio, pero en este caso el barrido de los distintos puntos se realiza, con reguladores no disipativos, lo cual cobra mayor importancia a medida que aumenta la potencia suministrada por el panel.

XXV Jornadas de AutomáticaCiudad Real, del 8 al 10 de septiembre de 2004

En la sección 2 se describe brevemente el principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica así como sus características I-V y P-V. En la sección 3 se realiza una descripción de la capacidad que presentan los distintos convertidores DC/DC para realizar un barrido de las curvas I-V y P-V de un panel fotovoltaico, y se demuestra que la estructura Reductora-Elevadora es la más adecuada para este fin. En la sección 4, la metodología propuesta es validada mediante simulación. En la sección 5 se aplica el diseño anterior a una instalación real en la que se monitorizan la corriente, tensión, temperatura y radiación, con objeto de efectuar un análisis de fallos de la instalación. Por último se aportan algunas conclusiones. 2 CARACTERÍSTICAS I-V Y P-V

DE PANELES SOLARES. El principio físico que rige el funcionamiento de una célula fotovoltaica, puede ser explicado tomando como base una unión p-n de material semiconductor (normalmente silicio) sensible a la luz solar. Cuando ésta incide sobre la unión (generalmente sobre el lado n), los fotones que la constituyen suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia del semiconductor para romper el enlace que los mantenía unidos a sus átomos respectivos. Una única célula es capaz de proporcionar una tensión de apenas 0,5V y una potencia de entre 1 y 2W. Para elevar la potencia suministrada, las células se conectan en serie y en paralelo, dando lugar a lo que se denomina panel o módulo fotovoltaico. La expresión exponencial simplificada propuesta por Gow y Manning [13], describe la relación entre la tensión (V) y la corriente (I) proporcionada por un módulo, ecuación (1).

+

−

−−=

+

P

P

S

SAKTnRI

nV

q

sLP R

nRI

nV

eIInIP

S

S

1

(1)

donde nP y nS indican el número de células conectadas en paralelo y en serie; RP y RS las resistencias intrínsecas paralelo y serie asociadas a la célula, K es la constante de Boltzman (1.38·10-23 J/K) y q es la carga del electrón. El factor A determina la desviación de las características de una unión p-n ideal, e IS es la corriente inversa de saturación, que presenta una dependencia con la temperatura del panel. IL representa la corriente (foto corriente)

generada por la radiación solar (S). Dicha corriente exhibe una relación sensiblemente lineal respecto de la radiación y la temperatura. La expresión (1) (considerando la dependencia de sus parámetros con T y S), proporciona las denominadas curvas I-V teóricas de un panel fotovoltaico, y el producto de ambas magnitudes la potencia suministrada. En la Figura 1 se muestran las curvas de un panel determinado, así como la dependencia de estas variables con la temperatura y la radiación solar. Cada curva presenta un punto de máxima potencia (Vp), el cual proporciona el punto óptimo de operación, para un uso eficiente del panel. Otros dos puntos importantes de esta curva, son la tensión a circuito abierto (Voc) y la corriente de cortocircuito (Isc). La tensión en circuito abierto representa la máxima tensión proporcionada por el panel a corriente cero (sin carga o en vacío), mientras que la corriente en cortocircuito representa la máxima corriente extraíble del panel (carga en cortocircuito).

Figura 1: Características I-V y P-V de un panel

fotovoltaico. 3 CONVERTIDORES DC/DC

COMO EMULADORES DE RESISTENCIA VARIABLE.

Los convertidores DC/DC son muy empleados en aplicaciones donde se requiere obtener una tensión media de salida que puede ser mayor o menor que la aplicada a su entrada, gobernando los tiempos en que el interruptor principal del convertidor conduce o no-conduce (técnica PWM), generalmente a frecuencia constante. A la relación entre el intervalo de tiempo en el que el interruptor esta cerrado (TON) y el periodo de conmutación (T), se le denomina ciclo de servicio (δ). Tanto en el modo de funcionamiento con corriente continuada (CCM, Continuous Conduction Mode), como en el modo discontinuo (DCM, Discontinuous Conduction Mode), las tres topologías básicas pueden

ser asemejadas a un transformador de corriente continua, donde la relación de transformación puede ser controlada electrónicamente variando el ciclo de servicio δ del convertidor en el rango [0,1]. La figura 2 muestra el diagrama de un panel solar conectado a un convertidor DC/DC, donde la resistencia reflejada a la entrada del convertidor viene representada por Ri (R es la resistencia de carga).

Figura 2: Conexión Panel-Convertidor.

Suponiendo convertidores sin pérdidas, la relación entre la resistencia de entrada y la carga conectada a los convertidores se muestra en la Tabla 1, tanto para CCM, como DCM.

Convertidor Kcrit. Ri (CCM) Ri (DCM)

Reductor δ−1 2δ

R 2

2411

4

++⋅ δ

KR

Elevador ( )21 δδ −⋅ ( )21 δ−⋅R 22411

4

++

⋅

K

R

δ

Reductor-elevador. ( )21 δ− ( )

2

21δ

δ−⋅R 2δRK ⋅

Con RT

LK

2= ; DCM ocurre para K<Kcrit

Tabla 1: Valores de Ri para los convertidores de la

Figura 3.

En la figura 3 se muestran los tres convertidores básicos que proporcionan las diferentes relaciones de conversión dadas en la Tabla 1, junto con una representación gráfica de la resistencia de entrada reflejada en función del ciclo de servicio δ para CCM. 3.1 CONVERTIDOR REDUCTOR. De la tabla 1 se deduce:

[ ) ( ) ( )2( ) , ; 1 1 4 ,

4i i

RR CCM R R DCM K ∈ ∞ ∈ ⋅ + + ∞

lo cual indica que un convertidor reductor presenta una incapacidad para reflejar a su entrada impedancias menores que la de carga, y que por tanto no se alcanzan valores próximos a la corriente de cortocircuito del panel.

3.2 CONVERTIDOR ELEVADOR. De la tabla 1 se deduce:

lo cual indica que un convertidor elevador es incapaz de reflejar a su entrada impedancias mayores que la de carga, y que por tanto no se alcanzan valores próximos a la tensión de circuito abierto del panel. 3.3 CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR Las topologías reductora-elevadoras Zeta, Cuk y SEPIC proporcionan la misma resistencia de entrada mostrada en la tabla 1; y por tanto que

[ ) ( ) )2( ) 0, y ,i iLR CCM R DCM T

∈ ∞ ∈ ∞

lo cual implica que estas estructuras son capaces de caracterizar toda la curva I-V de un módulo en CCM, desde la tensión a circuito abierto hasta la corriente de cortocircuito.

a) Convertidor Reductor.

d)Resistencia de

entrada vs. δ en CCM.

b) Convertidor Elevador.

e) Resistencia de entrada vs. δ en CCM.

c) Convertidor Red-Elev.

f ) Resistencia de entrada vs. δ en CCM.

Figura 3: Convertidores DC/DC usados comúnmente y su resistencia de entrada.

4. DISEÑO DEL SISTEMA Y

METODOLOGÍA. El análisis teórico realizado En la sección 3, ha sido verificado mediante PSpice® utilizando un modelo de panel implementado mediante bloques ABM (Analog Behavioral Modeling) y basado en la ec. (1). Los parámetros del modelo corresponden al módulo “BP Saturno” (n s= 60 y np = 1) [8].

[ ] ( )( )2

4( ) 0, ; , 2

41 1i i

RR CCM R R DCM R

K

⋅∈ ∈ + +

0

out

PANEL FOTOVOLTAICO

R1

511.72

R4

Rvar

I1

2.904

21

(2.26e-11)*(exp(V(%IN1,%IN3)/((55.82)*(8.625e-5)*(273.15+V(%IN2))))-1)

R2

0.768

PARAMETERS:Rvar = 1k

V(OUT) 0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V 35V 40V

0W

50W

100W P

0A

2.0A

4.0A I

Figura 4: Modelo y curvas I-V y P-V del modulo “BP

Saturno”. La figura 4 presenta las curvas I-V y P-V del módulo en cuestión a 21ºC y 1000W/m2. Para obtener un conjunto de valores (V, I) a la salida del módulo, es necesario implementar una Ri variable ya que ésta fija el punto de operación del módulo. Según lo explicado en la sección 3, esto se puede conseguir utilizando un convertidor DC/DC con δ variando entre 0 y 1. 4.1 OBTENCIÓN DE UNA SEÑAL PWM

CON δ VARIABLE. La metodología de elaboración de curvas I-V y P-V propuesta, se implementa en base a los montajes de las figuras 5, 6 y 7. La generación de la señal PWM se consigue básicamente comparando una señal triangular Vtriang con otra señal de referencia Vref. El comparador satura a nivel alto o bajo dependiendo de los valores instantáneos de ambas señales. Manteniendo Vref constante se obtiene una señal PWM con δ constante. Variando lentamente Vref obtendremos una señal PWM con δ variando de forma suave. La frecuencia de la señal PWM viene fijada por la señal Vtriang (señal más rápida), mientras que δ depende de la relación entre la amplitud de Vtriang y el valor de Vref en ese instante. En nuestro caso, el sistema de generación PWM-δ variable, se compone de dos generadores de señal triangular y un comparador, como se observa en la figura 5. El oscilador superior proporciona una señal triangular de unos 25Khz. El inferior genera otra señal de 25 Hz que podríamos denominar de referencia y de amplitud superior a la primera, para garantizar los estados δ = 0 y δ = 1. La relación de

frecuencias indica de forma aproximada el nº de puntos por barrido (aproximadamente 103 en este caso). En las figuras 6 y 7, se presentan los resultados obtenidos en la simulación de las topologías Elevadora y SEPIC, para las mismas condiciones de radiación, temperatura y carga (R=20Ω). En estas figuras se observan las predicciones del análisis teórico realizado en la sección 3, en cuanto a la imposibilidad de reproducir los puntos cercanos a VOC por la topología Elevadora, y la capacidad de la estructura Reductora-Elevadora para representar todos los puntos de la característica I-V de un panel, incluido el VOC y el ISC. En la Tabla 2 se muestran los valores de los puntos más representativos de dichas curvas. Nótese la precisión de la metodología empleada, la cual permite obtener resultados muy próximos a los deseados.

.

Time 0s 400us 800us

VPWM

10V

Time 0s 20ms 40ms

Vref -2.0V

0V

Time 0s 1.0ms 2.0ms

VTriang

-1.0V

1.0V

Figura: 5. Sistema de generación de la señal PWM

con δ variable.

M1 IRF150

(2.26e-11)*(exp(V(%IN1,%IN3)/((55.82)*(8.625e-5)*(273.15+V(%IN2))))-1)

R2 0.768

C1 330uF R1

10

PANEL FOTOVOLTAICO

0

R2 20

GENERADOR

L2 100uH 1 2 out D2

MBR3520

0

I1 2.904 21

PWM

R1 511.72

δ-VARIABLE

V(OUT) 0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V 35V 40V

0W

25W

50W

75W

100W PO

0A

2.0A

4.0A I

Figura 6: Curvas I-V y P-V obtenidas con un

convertidor elevador.

V(OUT) 0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V 35V 40V

0W

25W

50W

75W

100W P

0A

2.0A

4.0A I

Figura 7: Curvas I-V y P-V obtenidas con un

convertidor SEPIC.

VOC (v) ISC (a) VMPP (v) IMPP (a) PMPP (w) Real 36.18 2.90 29.80 2.71 80.66

Elevad. - 2.90 29.80 2.71 80.66 SEPIC 36.19 2.90 29.81 2.71 80.66

Tabla 2: Comparativa de los valores más significativos de las curvas I-V y P-V obtenidas con

distintos convertidores

5. MONITORIZACIÓN Y ANALISIS DE FALLOS

El sistema de generación automática de curvas I-V y P-V diseñado en el apartado anterior permite una implementación práctica inmediata. Para ello se puede utilizar un simple y económico sistema de

adquisición de datos (SAD) tal como el mostrado en la figura 8. Además, añadiendo al SAD las señales procedentes de las medidas de temperatura y radiación luminosa del panel, es posible efectuar de forma automática un análisis de fallos en el módulo o detección de anomalías en su funcionamiento, debido a depósitos de polvo en su superficie, por ejemplo. Las señales adquiridas de tensión y corriente (mediante un sensor de efecto Hall para no interferir en el sistema) se acondicionan antes de ser introducidas en una tarjeta de adquisición de datos (TAD), con objeto de poder utilizar todo el margen de entrada del canal analógico. La TAD puede ser una de tipo estándar alojada en un slot de expansión de un PC que actúa a modo de controlador de toda la instalación. Las señales de tensión y corriente adquiridas junto con el control del ciclo de trabajo del convertidor DC/DC se emplean para, en base a la metodología presentada en el apartado 4, implementar las característica I-V y P-V reales del panel.

Figura 8:Esquema del circuito de monitorización y análisis de fallos

Además de las señales de tensión y corriente, el SAD adquiere los valores de temperatura y radiación presente en el módulo, lo cual permite implementar las características I-V y P-V teóricas del panel. Una comparativa entre las característica I-V y P-V reales y teóricas permite analizar el comportamiento correcto del panel y detectar cualquier fallo o anomalía en su funcionamiento, bien por problemas en las propias células o por la acción de agentes externos. El control de toda la instalación se efectúa mediante un PC y software diseñados para ello. Para la implementación del software de instrumentación y control se puede diseñar una aplicación específica en un lenguaje de programación como C, por ejemplo, o bien utilizar programas comerciales de los usuales en los sistemas de adquisición y distribución de señales. En nuestro caso hemos optado por lo segundo y el software del instrumentación y control se ha implementado en Labview®.

M1 IRF150

(2.26e-11)*(exp(V(%IN1,%IN3)/((55.82)*(8.625e-5)*(273.15+V(%IN2))))-1)

R2 0.768

C1 330uF R1

10

PANEL FOTOVOLTAICO

0

R2 20 L1

100uH 1

2

GENERADOR

L2 100uH 1 2 out D2

MBR3520

0

C2 330uF

I1 2.904 21

PWM

R1 511.72

δ-VARIABLE

6. CONCLUSIONES. En el presente trabajo se ha propuesto y demostrado mediante simulación la posibilidad de caracterizar las curvas I-V y P-V de un panel fotovoltaico mediante el uso de convertidores CC/CC con δ variable. Esta metodología abre una nueva alternativa en el diseño de trazadores I-V fotovoltaicos, pudiendo tener consecuencias importantes en el proceso de simplificación de éstos. Además, como se ha demostrado, la topología Elevadora-Reductora es la única eficaz para este fin, ya que es capaz de barrer la curva completa. Respecto de los métodos tradicionales, el propuesto en este trabajo proporciona las ventajas siguientes: 1) Mínima pérdida de potencia al contrario de los

sistemas que operan en zona lineal (zona activa). Esto implica ventajas en tamaño y coste.

2) Adaptación automática del intervalo de interpolación.

La metodología propuesta, una vez verificada mediante simulación, se ha implementad en un sistema real, el cual permite además, mediante la adquisición de los valores de radiación luminosa y temperatura en el panel, monitorizarlo y detectar cualquier fallo o anomalía en su funcionamiento. En la actualidad estamos trabajando en la estandarización de la metodología y en el dimensionado del sistema de instrumentación y control, con objeto de adaptarlo a las necesidades de los sistemas comerciales. Referencias [1] C. Hua, C. Shen: "Study of maximum power

tracking techniques and control of DC/DC converters for photovoltaic power system". 29th Annual IEEE PESC, IEEE Computer Soc. Press, pp. 86-93, New York 1998.

[2] M.A.S. Masoum, H. Dehbonei, E.F. Fuchs:

"Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltage-and-current-based maximum power-point tracking". IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 17, no. 4, December 2002.

[3] K.H. Hussein, I. Muta, T. Hoshino, M. Osaka:

"Maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions". IEE Proc. Gener. Transnm. Distrib., vol. 142, no.1, pp. 59-64, January 1995.

[4] K.K. Tse, M.T. Ho, H.S.-H. Chung, S.Y.R.Hui:

"A comparative study of maximum-power-point tracker for photovoltaic panels using switching frequency modulation". IEEE Transactions on

Power Electronics, vol. 17, no. 6, November 2002.

[5] K.K. Tse, M.T. Ho, H.S.-H. Chung, S.Y.R.Hui:

"A novel maximum power point tracker for PV panels using switching-frequency modulation scheme". IEEE Trans. on Industrial Elec., vol. 51, no. 2, April 2004.

[6] S. Singer: "The application of loss-free resistors

in power processing circuits". Power Elect., IEEE Trans., vol. 6, no. 4, pp. 595-600, 1991.

[7] C. Jingquan, R. Erickson, D. Maksimovic:

"Averaged switch modeling of boundary conduction mode DC-to-DC converters". Industrial Electronics Society, IECON '01. The 27th Annual Conference of the IEEE, vol. 2, pp. 844 – 849, 29 Nov.-2 Dec. 2001.

[8] CIEMAT: "Fundamentos, dimensionado y

aplicaciones de la energía solar fotovoltaica", Cap. 11, Editorial CIEMAT, Madrid 2000.

[9] D,L, King: "Photovoltaic module and array

performance characterization methods for all system operating conditions". Proceedings of NREL/SNL Photovoltaic Program Review Meeting, pp. 347-368, November 1996.

[10] C.M. Whitaker, T.U. Townsend, J.D.

Newmiller, D.L. King, W.E. Boyson, J.A. Kratochvil, D.E. Collier, D.E. Osborn: "Application and validation of a new PV performance characterization method". Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twenty-Sixth IEEE, pp. 1253-1256, 29 Sept.-3 Oct. 1997.

[11] M. A. de Blas, J. L. Torres, E. Prieto, A. García:

"Selecting a suitable model for characterizing photovoltaic devices". Renewable Energy, vol. 25, no. 3, pp. 371-380, March 2002.

[12] B. G. Bahgat, N. H. Helwa, G. E. Ahamd, E. T.

El Shenawy: "Estimation of the maximum power and normal operating power of a photovoltaic module by neural networks". Renewable Energy, vol. 29, no. 3, pp. 443-457, March 2004.

[13] J.A. Gow, C.D. Manning: "Development of a

photovoltaic array model for use in power-electronics simulation studies". IEE Proc. on Electric Power Applications, vol. 146, no.2, pp. 193-200, March 1999.