hardware in the loop simulation of photovoltaic …
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HARDWARE IN THE LOOP SIMULATION OF PHOTOVOLTAIC
SYSTEM WITH INDUSTRIAL PLC
Tesis presentada como requisito para optar al título de:
Magíster en Ingeniería Electrónica y de Computadores
Por:
Andrés Felipe Guarnizo Saavedra
Asesor:
José Fernando Jiménez Vargas
Co Asesor:
Michael Bressan
Universidad de Los Andes
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, Colombia
29 de marzo de 2019
JURADOS
Asesor: José Fernando Jiménez Vargas, PhD. Profesor Asociado. Departamento de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica. Universidad de Los Andes.
Co Asesor: Michael Bressan, PhD. Profesor Visitante. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
Universidad de Los Andes
Jurados:
Gustavo Ramos López, PhD. Profesor Asociado. Departamento de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica. Universidad de Los Andes.
Oswaldo López Santos, PhD. Profesor Asociado. Universidad de Ibagué.
A mis padres por su esfuerzo y su amor. Al profesor Fernando por su apoyo y ayuda. A Michael
Bressan por ser un gran amigo y un guía.
Tabla de contenido 1. Introducción 5
2. Modelamiento del convertidor elevador de voltaje dc-dc implementando el algoritmo MPPT 6
3. Resultados obtenidos de la simulación 8
4. Resultados obtenidos usando un prototipo real 10
5. Conexión PLC con el convertidor boost 12
6. Conclusiones 13
Bibliografía ¡Error! Marcador no definido.
1. Introducción
Hasta la fecha se han hecho numerosos esfuerzos para mitigar el cambio climático [1]. En todo el
mundo la demanda de energía está creciendo exponencialmente ocasionando preocupaciones por
el posible déficit en el suministro, el cual no puede ser solucionado usando combustibles fósiles
debido a que hay una importante disminución y generan problemas medioambientales [1], [2], [3].
Investigaciones relacionadas con energías renovables como por ejemplo la solar y la eólica se han
vuelto más atractivas para el mundo dado que estas no contaminan, son ilimitadas y pueden ser
obtenidas de forma gratuita. Una notable reducción en los costos de fabricación de las celdas
fotovoltaicas y un incremento en la eficiencia de estas convierten a la energía solar en una
prometedora fuente de energía eléctrica [4], [5], [6]. Los sistemas que incorporan energías
renovables requieren el uso de convertidores adecuados puesto que entregan energía no regulada,
por ejemplo, uno de los convertidores más comunes utilizado generalmente en aplicaciones con
energía solar es el convertidor elevador de voltaje, al cual se le pueden hacer modificaciones
facilitando su conexión con otros sistemas, mejorando su eficiencia y reduciendo su consumo. Los
convertidores que incluyen un algoritmo MPPT (maximum power point tracking) tienen la ventaja
de asegurar que el sistema siempre estará trabajando en el punto de máxima potencia, a diferencia
de los convertidores convencionales que solamente regulan la salida del módulo fotovoltaico [7],
[8].
Se han realizado numerosas investigaciones sobre el uso de inductores acoplados en la topología de
los convertidores boost, el uso de dichos inductores permite alcanzar una mayor ganancia en el
voltaje, reducir el rizado en la corriente de entrada y de salida y reducir la tensión a través del switch
en bajo voltaje [9], en la Ilustración 1, se presenta la topología básica de un convertidor boost
usando un inductor acoplado.
Ilustración 1 Convertidor elevador de voltaje con inductor acoplado Tomado de [9]
Comúnmente se usa la tecnología de Hardware In the Loop Simulation (HILS) para desarrollar y
probar sistemas complejos [10]. En una simulación de Hardware In the Loop (HIL) se reemplaza una
parte del sistema real por un modelo numérico [11]. La simulación de HIL tiene dentro de sus
ventajas usar un ambiente real para la prueba de componentes y sensores, de igual manera permite
el diseño de nuevos elementos que pueden ser sometidos virtualmente a condiciones extremas para
probar su funcionamiento, así mismo la simulación HIL es muy flexible y el software puede ser
actualizado y adaptado rápidamente a nuevas condiciones y requerimientos [12]. Una vez se logra
emular una planta fotovoltaica dentro de una tarjeta electrónica como por ejemplo en un field-
programmable gate array (FPGA), se hace interesante la interacción entre esta planta virtual y un
controlador lógico programable (PLC), ya que esto permite diseñar topologías complejas e
incorporar supervisión sobre las condiciones de funcionamiento del sistema.
Este trabajo presenta el diseño de un convertidor boost para controlar la operación de un arreglo
de celdas fotovoltaicas a través del algoritmo de perturbación y observación (P&O MPPT), además
de realizar la conexión entre un PLC y varios convertidores boost. La motivación para el desarrollo
de este trabajo es el poder diseñar una solución de bajo costo económico, con un bajo consumo de
potencia y que pueda servir de base para la obtención de un modelo matemático que permita
posteriormente realizar HILS.
2. Modelamiento del convertidor elevador de voltaje dc-dc
implementando el algoritmo MPPT
En esta etapa del sistema se diseñó un convertidor elevador de voltaje usando como transistor el
MOSFET IRFZ44N, el cual cambia entre los modos de operación de corte y saturación dependiendo
de una señal PWM inyectada en la puerta(G) del MOSFET. Gracias al algoritmo MPPT es posible
variar la señal PWM en función de los voltajes y corrientes de entrada y salida del convertidor. Para
la simulación del sistema se utilizó el software Matlab Simulink, y el diseño completo del sistema se
evidencia en la Ilustración 2, en donde las secciones (a) y (b) corresponden a un modelo de un
arreglo de celdas fotovoltaicas, la sección (c) y (d) son propiamente el algoritmo de control MPPT y
los componentes del convertidor boost. La relación entre el voltaje de salida y entrada está
relacionada con el ciclo útil de la señal de PWM que controla la puerta del MOSFET y está dada por
la siguiente ecuación [13]:
Ilustración 2 Estructura completa del Boost Converter, el algoritmo MPPT conectados a una carga desarrollado en Matlab Simulink
Es necesario tener en cuenta las especificaciones expresadas en la Tabla 1, para el cálculo de los
componentes del sistema.
Tabla 1 Especificaciones de diseño del convertidor BOOST
El cálculo del ciclo útil mínimo está dado por la ecuación (2):
El cálculo del ciclo útil mínimo está dado por la ecuación (3):
El cálculo de los valores del capacitor de entrada, el inductor y el capacitor de salida se presentan a
continuación [13]:
3. Resultados obtenidos de la simulación
La entrada del sistema se puede apreciar en la Ilustración 3, en donde se evidencia que para medir
la respuesta del sistema se usaron varios valores de irradiancia y de temperatura, cambiando dichos
valores cada 0.5 s.
Ilustración 3 Valor de la irradiancia y la temperatura de entrada
La respuesta a dicha variación en la entrada del sistema se presenta en la Ilustración 4.
Ilustración 4 Curvas de IV y PV para diferentes entradas del sistema. Las Unidades de la temperatura están en K
Ilustración 5 Análisis de corriente del convertidor boost
En las Ilustraciones 5 y 6 se puede observar el análisis en corriente y voltaje del convertidor boost.
Cuando hay una caída en la irradiancia también se genera una caída en la corriente de entrada y en
la corriente de salida. Cuando la irradiancia aumenta manteniendo la temperatura constante, se
observan unos cambios en el voltaje debido a las corrientes tan bajas para los 4 casos de estudio y
también a que el sistema no es ideal.
Se puede ver en la Ilustración 4 como el algoritmo MPPT responde a los diferentes cambios, tratando
de asegurar siempre el trabajo en el punto de máxima potencia.
Ilustración 6 Análisis de voltaje del convertidor boost
Se puede ver en la Ilustración 7 la respuesta en potencia del sistema, en donde la curva azul
representa la potencia de entrada y la curva roja la potencia de salida.
Ilustración 7 Análisis de potencia del convertidor boost
En la Tabla 2 se encuentra un resumen que evidencia el factor de eficiencia del convertidor.
Tabla 2 Especificaciones eléctricas del convertidor boost
4. Resultados obtenidos usando un prototipo real
En esta etapa se buscó realizar la validación de los modelos encontrados en la simulación y realizar
un mejoramiento de los componentes. Se realizaron mediciones cuando el ciclo útil de la señal de
PWM era de 50%. Debido a la falta del instrumento para la medición de la irradiancia no fue posible
obtener las gráficas correspondientes, por lo que se usó una fuente de voltaje variable. Con el uso
del MOSFET IRFZ44N se obtuvo una salida de 5 voltios, cuando la entrada era de 2.5 voltios y un
ciclo útil de 50%. Cuando se aumentó el ciclo útil al 66% manteniendo las demás condiciones iguales,
la salida obtenida fue de 7.11 voltios, sin embargo, es importante destacar que el voltaje necesario
aplicado en la puerta del MOSFET fue de 5.04 voltios pico a pico, por lo que se consideró que esta
etapa del sistema debía ser optimizada. La forma en la que se pudo optimizar esta etapa del sistema
fue mediante el uso de un transistor JFET, el cual tenía características superiores al MOSFET.
Generando una señal de PWM de 50% y con una entrada de 2.5 voltios, se buscó el punto en el cual
el voltaje aplicado a la puerta del JFET era suficiente para lograr el correcto funcionamiento del
convertidor, encontrando dicho punto en 1.1 Voltios pico a pico.
Ilustración 8 Salida del convertidor usando un MOSFET
Ilustración 9 Salida del convertidor usando un JFET
De las Ilustraciones 8 y 9 se puede analizar que mientras el voltaje mínimo en la puerta del MOSFET
para que el convertidor funcione dentro de los parámetros aceptables de operación se encuentra
en 3.42Vpp, en el JFET este voltaje es de tan solo 1.2Vpp, lo que permite mejorar el consumo de
potencia del circuito.
Tabla 3 Funcionamiento del sistema con diferente ciclo útil utilizando JFET
En la Tabla 3 se muestra el funcionamiento del sistema con diferentes valores del ciclo útil de la
señal de PWM, usando el transistor JFET, se puede analizar que a medida que el ciclo útil crece
también aumenta el voltaje de salida, pero gracias al uso de un JFET se puede mantener la misma
tensión de entrada en la puerta del transistor. En la última prueba donde el ciclo útil es de 70% se
aumentó el voltaje en la puerta a 3.28Vpp para observar si había mejoría, pero el resultado fue el
mismo que al tener 1.2Vpp en la puerta.
5. Conexión PLC con el convertidor boost
Una vez se ha comprobado el funcionamiento del convertidor boost, se hace necesario la
integración de este a un sistema más complejo que permita una fácil integración con redes
inteligentes, que tenga una gran flexibilidad a la hora de incorporar más elementos y finalmente
que sea capaz de monitorear el estado actual de todo el sistema. Se propone el uso de un
controlador lógico programable con el fin de poder diseñar una topología que integre varios
convertidores y de poder contar con un uso eficiente en función de los requerimientos de la carga,
para este artículo se conectaron 3 convertidores boost usando cada uno un JFET, un ciclo útil fijo a
50% y un voltaje de entrada de 2.5 voltios.
Ilustración 10 Interfaz diseñada para el monitoreo y activación de los convertidores boost conectados al PLC
En la Ilustración 10 se muestra la interfaz diseñada para el monitoreo y activación de los
convertidores boost conectados al PLC, dicha interfaz permite encender la función de monitoreo del
PLC a través de los botones Encender y Apagar, teniendo que activarse para que al menos un
convertidor si cumple ciertas condiciones pueda suministrar energía a una carga. También se
observa un recuadro llamado Alertas en donde se puede conocer el estado de falla de cada
convertidor. Previamente en el programa del PLC se ha establecido un límite mínimo y máximo tanto
en el parámetro del voltaje.
Para las pruebas se estableció que el voltaje de entrada mínimo presente en cada convertidor debía
ser de 1.8 voltios, dado que la salida obtenida es suficiente para alimentar un sensor bluetooth
usado solamente como carga para el sistema, de igual manera se estableció un voltaje de entrada
máximo de 2 voltios para no generar a la salida del convertidor un voltaje mayor a 4 voltios, dicho
valor fue condicionado por el rango de funcionamiento del sensor.
Ilustración 11 Pantalla para la lectura de los convertidores
En la Ilustración 11 se muestra la segunda pantalla del sistema, la cual permite la lectura de los
voltajes de entrada y salida, como también las corrientes de entrada y salida de cada convertidor.
El funcionamiento en este punto del sistema garantiza que si el voltaje de entrada del convertidor
1 es inferior a 1.8 voltios se activara el convertidor 2 y en el caso de que el convertidor 2 tampoco
cuente con el voltaje mínimo requerido se activara el convertidor 3, de igual manera si ninguno de
los convertidores tiene el voltaje mínimo, la carga será desconectada hasta que al menos uno de
ellos se restablezca, se aplica la misma lógica en el caso de que alguno de los convertidores cuente
con un voltaje de entrada superior al máximo límite permitido.
6. Conclusiones
En este trabajo se logró mejorar el convertidor elevador de voltaje cambiando el transistor MOSFET
por un JFET obteniendo una reducción del 33% en el voltaje necesario para la conmutación entre
los modos de operación del transistor. Se diseñó y simuló un sistema controlado a partir de un
algoritmo MPPT basado en un convertidor boost. La eficiencia del convertidor elevador fue de hasta
73%, un valor significativo si se tiene en cuenta las pequeñas corrientes de operación.
Se diseñó e implementó un sistema de monitoreo básico en un controlador lógico programable que
permitió el uso eficiente de los convertidores conectados dependiendo de unos criterios de
funcionamiento establecidos. La integración de sistemas de generación basados en energía
renovable con el PLC es posible y pertinente, ya que este elemento facilita la implementación de
estrategias de control y también el monitoreo eficaz de las variables de los sistemas. Dentro de las
perspectivas de trabajo futuro se encuentra el poder desarrollar un modelo virtual de la planta física
que integre la inductancia acoplada y permita el uso de software especializado para la realización
de simulaciones en tiempo en real, trayendo consigo la posibilidad de probar diferentes
configuraciones y topologías usando un mínimo de recursos. Se deben orientar futuras
investigaciones hacia conseguir la integración de los modelos emulados en FPGA y controladores
reales que permitan simular fallas, condiciones ambientales y demás características presentes en
este tipo de sistemas.
Bibliografía
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