Control and optimization strategies to maximize the energy generated by photovoltaic sources

Abstract

This thesis presents control and optimization techniques to improve the energy generated by Photovoltaic (PV) power systems. The first part of this work presents an analysis of the Perturb and Observe MPPT algorithm, providing integral procedures to design the perturbation period and amplitude size parameters. The first method presented is aimed at design the amplitude size from a maximum PV power losses restriction, while the perturbation period is designed to track a dynamic irradiance profile with the correct three-point behavior to guarantee the system stability. Subsequently, a second method to precisely design the perturbation period of a Perturb and Observe MPPT algorithm is also proposed. Such a procedure is designed to calculate the perturbation period in agreement with the settling time of the PV voltage for any condition of the damping ratio. Similarly, this thesis proposes an optimization strategy to maximize the energy generated by the PV system through a non-linear control of the DC/DC converter. Such an optimization process is carried out using the Sliding Mode Control (SMC) theory to drive the PV voltage to follow an external reference provided by an MPPT algorithm avoiding the linearization of the PV system model, which is a classical solution used in the literature, to ensure the same performance in all the PV operation range. The first control structure proposed in this thesis is aimed to design an integral procedure to ensure a stable sliding regime in all the desired operation range of the system. This design procedure exhibits advantages in comparison with existing solutions that rely in the linearization of inner current loop dynamics. The second design method provides a single solution that involves both the MPPT algorithm and DC/DC converter controller. This integral design of both control systems allows to optimize the parameters values of both controllers. The SMC-based solutions are mathematically analyzed to mitigate the perturbations caused by the irradiance changes and oscillations in the load connected to the DC/DC converter, e.g. a grid-connected inverter. Finally, this thesis also analyses the negative effects caused by the mismatching phenomena at the PV array, mainly the power drop. Hence, an optimization process for the modules connections is proposed in order to mitigate the mismatching effects. That process is based on reconfiguration algorithms that change the electrical connection between the modules to maximize the PV array power. Those techniques are compared with the classical exhaustive search approach, demonstrating the advantages of the new solution by means of circuital simulations

Resumen : Esta tesis presenta técnicas de control y optimización para la mejora de la energía generada en sistemas de potencia fotovoltaicos (PV). La primera parte de este trabajo presenta un análisis del algoritmo MPPT de Perturbar y Observar, suministrando un procedimiento para diseñar los parámetros de amplitud y periodo de la perturbación. El primer método presentado es enfocado al diseño de la amplitud de la perturbación a partir de una restricción de pérdida máxima de potencia del módulo PV, mientras que el periodo de perturbaciones diseñado para seguir un perfil de irradiación dinámico con el correcto comportamiento de los tres puntos, para garantizar la estabilidad del sistema. Seguidamente, un segundo método para diseñar correctamente el periodo de perturbaci ́on del algoritmo MPPT de Perturbar y Observar es presentado. Este procedimiento es diseñado para calcular el periodo de perturbación en concordancia con el tiempo de establecimiento del voltaje PV para cualquier condición de factor de amortiguamiento. Similarmente, esta tesis propone una estrategia de optimización para maximizar la energía generada por un sistema PV a través de un control no lineal del convertidor DC/DC. Este proceso de optimización es llevado a cabo usando la teoría de control por modos deslizantes (SMC) para regular el voltaje PV a una referencia externa dada por un algoritmo MPPT, evitando el uso de la linealización del módulo PV; lo cual es una solución clásica usada en la literatura, para asegurar el mismo desempeño en todo el rango de operación del PV. La primera estructura de control propuesta en esta tesis es enfocada a diseñar un procedimiento integral para asegurar una estabilidad de deslizamiento en todo el rango de operación del sistema. Este procedimiento de diseño exhibe ventajas en comparación con las soluciones existentes que se basan en linealizaciones de los lazos internos de control de corriente. El segundo método de diseño provee una solución que involucra el algoritmo MPPT y el control del convertidor DC/DC. Este diseño integral de ambos sistemas de control permite optimizar los parámetros de ambos controladores. Las soluciones basadas en SMC son matemáticamente analizadas para mitigar las perturbaciones causadas por los cambios de irradiación y las oscilaciones en la carga conectada al convertidor DC/DC, e.g. un inversor conectado a la red eléctrica. Finalmente, esta tesis analiza los efectos negativos causados por el sombreado en un arreglo de módulos PV, principalmente en la extracción de potencia. Por lo tanto, un proceso de optimización para la conexión de los módulos es propuesta con el objetivo de mitigar los efectos del sombreado. Este proceso es basado en algoritmos de reconfiguración que cambian la conexión eléctrica entre los módulos para maximizar la potencia de los arreglos PV. Estas técnicas son comparadas con la búsqueda exhaustiva clásica, demostrando las ventajas de las nuevas soluciones por medio de simulaciones circuitales