Metodologías de diseño conjunto de controladores y algoritmos MPPT para sistemas fotovoltaicos

Abstract

Esta tesis doctoral presenta técnicas de control orientadas a incrementar la extracción de energía generada por los sistemas fotovoltaicos. La primera parte de este trabajo presenta un análisis de los algoritmos “Perturbar y observar”, y “conductancia incremental”, analizando sus condiciones de diseño y limitaciones de estos algoritmos de búsqueda del punto de máxima potencia. Asimismo, se realiza un modelado matemático del convertidor dc/dc tipo boost y se revisan los principios básicos para diseñar controladores en modos deslizantes. Esta técnica de control se seleccionó debido a la robustez y estabilidad global que ofrece. En la segunda parte del trabajo se presenta el diseño de un controlador en modos deslizantes basado en la medición de la corriente del inductor, en cascada con un algoritmo “Perturbar y observar” (P and O) y un regulador de voltaje, el cual evita colapsos en el sistema debido a las caídas en la irradiación solar. Para el diseño del regulador de voltaje se aplican dos técnicas de control adaptativas: la primera técnica diseñada es un control por modelo de referencia, el cual asegura una dinámica constante para todo el rango de operación, garantizado así un tiempo de establecimiento constante, para asegurar la estabilidad del P and O. La segunda técnica diseñada es un controlador PI auto-ajustable, el cual permite ajustar el tiempo de perturbación del algoritmo perturbar y observar sin constreñirse a la condición más restrictiva, i.e. la irradiación más baja, garantizando así una respuesta rápida del sistema fotovoltaico mediante la reducción del tiempo de perturbación del algoritmo P and O. Con estas soluciones se logra acelerar el seguimiento del punto de máxima potencia, y al mismo tiempo, garantizar la estabilidad del sistema, incrementando de esta manera la cantidad de energía producida. El tercer método de diseño provee una solución con una única etapa de control, la cual realiza el seguimiento del punto de máxima potencia de una manera rápida y precisa. Este enfoque evita la dependencia circular en el diseño clásico de controladores en cascada, usados para optimizar el funcionamiento del sistema fotovoltaico, y al mismo tiempo reduce el número de controladores y evita el uso de modelos linealizados. Estas características proporcionan estabilidad global en todo el rango de operación y reducen la complejidad y coste en la implementación del sistema. Finalmente, esta tesis analiza los inconvenientes de implementación clásica de los controladores en modos deslizantes basadas en frecuencia variable. Asimismo, se presenta una nueva metodología de implementación, a frecuencia fija, para controladores en modos deslizantes aplicados a sistemas fotovoltaicos. Está metodología es aplicable a superficies de deslizamiento de primer orden. Las soluciones propuestas son evaluadas usando simulaciones realistas con perturbaciones tanto en la radiación solar como en el voltaje de la carga. Asimismo, se reportan experimentos en un prototipo de laboratorio

Abstract: This doctoral thesis presents control techniques oriented to increase the energy extraction generated by photovoltaic systems. The first part of this work presents an analysis of the algorithms “Perturb and Observe” and “Incremental Conductance”, analyzing their design conditions and the limitations of such algorithms to find the maximum power point. In this way, a mathematical model of a dc/dc boost converter is developed and the basic principles for designing sliding mode controllers are studied. This control technique has been chosen due to its robustness and global stability. In the second part of this work, the design of a controller by using sliding mode theory is presented, this based in measurements of the inductor current, connected in cascade with a Perturb and Observe algorithm (P and O) and a voltage regulator which avoids collapses in the system due to the irradiance drops. For the regulator design two adaptive control techniques are applied the first one is a control for reference model, which ensures a constan dynamic for all the operating range, guaranteeing a constant settling time to ensure the P and O stability. The second technique is a self-adjusting PI controller which allows to adjust the perturbation time of the Perturb and Observe algorithm with constrain to the most restrictive condition, i.e. the lowest irradiance, guaranteeing a fast response in the photovoltaic system by means of the reduction of the perturbation in the P and O algorithm. With these solutions the tracking of the maximum power point is accelerated and at the same time, the stability of the system is guaranteed increasing the amount of produced energy. The third method provides a solution with a unique control stage in which the tracking of the maximum power point is done in a fast and accurate way. This approach avoids the circular dependence in the classic design of cascade controllers, used to optimize the functioning of the photovoltaic system and at the same time, reducing the number of controllers and avoids the use of linear models. These characteristics provide global stability in all the operating range and reduce the complexity and cost in the implementation of the system. Finally, this thesis analyses the drawbacks of the implementation of classic controllers in sliding mode based on variable frequency. In the same way, it presents a new methodology of implementation, at fixed frequency, for controllers in sliding mode applied to photovoltaic systems. This methodology is applicable to sliding surfaces of first order. The proposed solutions are evaluated using realistic simulations with perturbations in the solar radiation and in the load voltage. In the same way, experiments in a laboratory prototype are reported