Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas

Máster en Electrónica Industrial y Automática MÁSTER EN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO FIN DE MÁSTER NUEVO CONVERTIDOR BASADO EN MMC PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICAS Autor: D. José Arroyo Galán Tutores: D. Luis Carlos Herrero de Lucas D. Fernando Martínez Rodrigo Departamento de Tecnología Electrónica Valladolid, 10 de julio de 2019 RESUMEN - ABSTRACT En el presente proyecto se pretende analizar e intentar llevar a cabo la integración de los paneles fotovoltaicos de una instalación en un Convertidor Modular Multinivel. El objeto de esto es intentar independizar los paneles entre sí para que, en caso de sombreado, la potencia generada de la instalación no se vea afectada en demasía, solucionando así uno de los grandes problemas existentes de esta forma de energía alternativa. Se intentará comprender el funcionamiento de la energía fotovoltaica, de los Convertidores Modulares Multinivel y de su integración. Una vez entendido esto, se planteará la aplicación de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia para panel, de manera que la potencia generada solo dependa de la irradiancia incidente en cada uno y no del estado de los otros paneles de la instalación. A medida que avance el proyecto, se irá desarrollando el control que se pretende implementar, intentando poner solución a los problemas que puedan ir surgiendo. Dicho control es distinto al que se realiza en el artículo bibliográfico principal del cual se extrajo la idea de este trabajo, intentando investigar así vías alternativas para llevar a cabo esta integración. The aim of this project is to analyze and trying to carry out the integration of the photovoltaic panels of an installation in a Modular Multilevel Converter. The objective of this is trying the panels to be independient from each other so that, in case of partial shading, the power generated from the installation is not affected too much, thus solving one of the major problems of this form of alternative energy. Understanding the operation of photovoltaic energy, Modular Multilevel Converters and their integration is pretended in this project. Once this aspecto is understood, the application of a máximum power point tracking algorithm for the panel will be considered, so that the power generated only depends on the irradiance incident on each one and not on the state of the other panels of the installation. As the project progresses, the control to be implemented will be developed, trying to solve the problems that may arise. This control is different from the one carried out in the main bibliographic article from which the idea of this work was extracted, trying to investigate alternative ways to carry out this integration. TABLA DE CONTENIDO 1 Introducción y objetivos .................................................................................................... 1 2 Energía Fotovoltaica .......................................................................................................... 3 2.1 Paneles fotovoltaicos. Generalidades. ...................................................................... 3 2.2 Búsqueda del punto de máxima potencia ................................................................ 4 2.2.1 Perturbación y Observación ................................................................................ 5 2.2.2 Conductancia incremental .................................................................................. 8 3 Convertidores Modulares Multinivel ............................................................................. 11 3.1 Introducción ............................................................................................................. 11 3.2 Topología, principio de funcionamiento y control .................................................. 12 3.2.1 Topología ........................................................................................................... 12 3.2.2 Principio de funcionamiento ............................................................................ 16 3.2.3 Modulación ....................................................................................................... 17 3.2.4 Simulación ........................................................................................................ 19 3.2.5 Conexión a red .................................................................................................. 21 4 Integración Fotovoltaica – MMC ................................................................................... 25 4.1 Módulo MMC aislado + panel fotovoltaico ............................................................ 30 4.1.1 Funcionamiento módulo MMC con panel fotovoltaico .................................. 30 4.1.2 Búsqueda del punto de máxima potencia en módulo MMC aislado ............ 33 4.2 Convertidor MMC + Campo Fotovoltaico sin control de potencia y sin RM ......... 36 4.2.1 Paneles fotovoltaicos empleados ................................................................... 36 4.2.2 Funcionamiento sin control de potencia ........................................................ 38 4.3 Efecto del Módulo Redundante (RM) ..................................................................... 54 4.4 Introducción del algoritmo MPPT y del control RM ............................................... 56 4.4.1 Acoplamiento inicial del algoritmo de búsqueda de máxima potencia ........ 56 4.4.2 Control inicial del módulo redundante ........................................................... 57 4.4.3 Simulación inicial del conjunto controlado ..................................................... 58 4.4.4 Conclusiones .................................................................................................... 67 4.5 Rediseño del algoritmo de ordenación .................................................................. 68 4.6 Problemática de los controles MPPT y RM implementados inicialmente ........... 72 4.6.1 Control del Módulo Redundante ..................................................................... 72 4.6.2 Control del punto de máxima potencia ........................................................... 74 4.7 Conexión a red del convertidor MMC ..................................................................... 86 5 Conclusiones .................................................................................................................. 97 6 Bibliografía ...................................................................................................................... 99 TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Curvas V-I paneles fotovoltaicos ....................................................................... 4 Ilustración 2: Convertidor CC/CC para lograr máxima potencia ............................................ 5 Ilustración 3: Esquema eléctrico MPPT Panel ......................................................................... 6 Ilustración 4: Características panel comercial empleado ...................................................... 7 Ilustración 5:Resultados MPPT P&O ........................................................................................ 8 Ilustración 6: Diagrama flujo MPPT conductancia incremental ............................................. 9 Ilustración 7: Resultados MPPT Conductancia Incremental ............................................... 10 Ilustración 8: Relación coste - distancia transmisión eléctrica ........................................... 11 Ilustración 9: Topología MMC ................................................................................................ 13 Ilustración 10: Salida MMC con n=2 .................................................................................... 14 Ilustración 11: Salida MMC con n=5 .................................................................................... 14 Ilustración 12: Topología de módulos MMC (puente y semipuente) .................................. 15 Ilustración 13: Funcionamiento de los módulos MMC en semipuente .............................. 15 Ilustración 14: Esquema MMC con 1 fase y n=2 ................................................................. 16 Ilustración 15: Modulación PDSPWM ................................................................................... 18 Ilustración 16: Sistema implementado para control MMC ................................................. 19 Ilustración 17: Salida MMC y número de polos en conducción .......................................... 20 Ilustración 18: Salida MMC ................................................................................................... 21 Ilustración 19: Situación de un MMC conectado a red ....................................................... 22 Ilustración 20: Conexión a red con control en tensión ........................................................ 22 Ilustración 21: Conexión a red con control en corriente ..................................................... 22 Ilustración 22: Módulos trabajando a misma irradiancia ................................................... 26 Ilustración 23: Un módulo sombreado ................................................................................. 27 Ilustración 24: Acoplamiento panel fotovoltaico en el módulo MMC ................................. 28 Ilustración 25: Ejemplo de integración MMC + Fovotoltaica .............................................. 29 Ilustración 26: Estado 1, Ipm entrante al módulo ............................................................... 31 Ilustración 27: Estado 1, Ipm saliente > Ipv ......................................................................... 31 Ilustración 28: Estado 1, Ipm saliente < Ipv ......................................................................... 32 Ilustración 29: Estado 2 ......................................................................................................... 32 Ilustración 30: Esquema simulación PV + MMC Aislado ..................................................... 33 Ilustración 31: Búsqueda máxima potencia: Simulación 1 ................................................ 34 Ilustración 32: Seguimiento de potencia con corriente de rama negativa ........................ 35 Ilustración 33: Resultados MPPT P&O .................................................................................. 35 Ilustración 34: Modelo panel fotovoltaico ............................................................................ 37 Ilustración 35: Esquema campo fotovoltaico + MMC.......................................................... 39 Ilustración 36: Salida MMC R = 50 Ohm .............................................................................. 40 Ilustración 37: Tensiones y corrientes de paneles con R = 50 Ohm .................................. 41 Ilustración 38: Corriente en las ramas R = 50 Ohm ............................................................ 41 Ilustración 39: Salida MMC con R = 7 Ohm ......................................................................... 42 Ilustración 40: Tensiones y corrientes de paneles con R = 7 Ohm .................................... 43 Ilustración 41: Salida MMC con R = 1 Ohm ......................................................................... 44 Ilustración 42: Tensiones y corrientes de paneles con R = 1 Ohm .................................... 44 Ilustración 43: Medida de VDC .............................................................................................. 45 Ilustración 44: VDC para todos con irradiancia 1000 W/m2 ............................................. 46 Ilustración 45: VDC con un panel a 200 W/m2 ................................................................... 46 Ilustración 46: Tensiones y corrientes de la rama con uno trabajando a menos irradiancia ................................................................................................................................................. 47 Ilustración 47: Infografía funcionamiento con panel sombreado ...................................... 48 Ilustración 48: VDC reduciendo el valor de la carga ............................................................ 48 Ilustración 49: Tensiones y corrientes con panel sombreado y carga reducida ............... 49 Ilustración 50: Salida MMC con rama a distinta irradiancia ............................................... 50 Ilustración 51: VDC con rama a distinta irradiancia ............................................................ 50 Ilustración 52: Tensiones y corrientes de la rama a distinta irradiancia ........................... 51 Ilustración 53: Tensiones y corrientes con sistema a 1000W/m2 .................................... 52 Ilustración 54: Tensiones y corrientes con una rama a 200 W/m2 ................................... 52 Ilustración 55: VDC con RM sin control (20V) ...................................................................... 55 Ilustración 56: Tensiones y corrientes de rama sombreada con RM ................................. 55 Ilustración 57: Conflicto entre señales de control para módulos ....................................... 56 Ilustración 58: Situación implementada en el primer intento ............................................ 57 Ilustración 59: Control RM implementado inicialmente ...................................................... 58 Ilustración 60: Tensión y corriente de salida con controles iniciales ................................. 59 Ilustración 61: Activación módulos vs nº modulos a conducir ............................................ 60 Ilustración 62: V RM con el control inicial ............................................................................ 61 Ilustración 63: Tensión y corriente de salida modificando referencia del control RM ...... 62 Ilustración 64: Funcionamiento paneles control inicial ...................................................... 63 Ilustración 65: Fase sin seguir MPP...................................................................................... 63 Ilustración 66: Corrientes por fase ....................................................................................... 64 Ilustración 67: Seguimiento MPP con un panel sombreado ............................................... 65 Ilustración 68: V PV frente a número de polos que conducen y activación del sombreado ................................................................................................................................................. 66 Ilustración 69: Curva V - P Paneles Fotovoltaicos ................................................................ 68 Ilustración 70: Comportamiento algoritmo ordenación ...................................................... 69 Ilustración 71: MPPT con ordenación rediseñada (1 sombreado) ..................................... 70 Ilustración 72: Comportamiento con 3 tipos de irradiancias .............................................. 71 Ilustración 73: Detalle de comportamiento con 3 tipos de irradiancias ............................ 71 Ilustración 74: Nuevo control RM ......................................................................................... 73 Ilustración 75: Tensión y corriente MMC con control RM implementado .......................... 73 Ilustración 76: Tensión paneles y RM ................................................................................... 74 Ilustración 77: Cálculo potencias .......................................................................................... 75 Ilustración 78: Algoritmo MPPT ............................................................................................. 76 Ilustración 79: Ejemplos nz<n_POLOS_PM .......................................................................... 78 Ilustración 80: Ejemplos nz>n_POLOS_PM .......................................................................... 79 Ilustración 81: Gráfica resumen 1 ........................................................................................ 83 Ilustración 82: Gráfica resumen 2 ........................................................................................ 83 Ilustración 83: Salida MMC con rediseño de algoritmos..................................................... 84 Ilustración 84: Salida MMC desequilibrada tras rediseño de algoritmos .......................... 84 Ilustración 85: Tensión, corriente y potencia de paneles con rediseño de algoritmo ....... 85 Ilustración 86: Generación de referencias de corriente en ejes d y q ............................... 87 Ilustración 87: Funcionamiento del regulador interno ........................................................ 88 Ilustración 88: Salida MMC con Kp=-10 y Ki=-1 .................................................................. 89 Ilustración 89: Regulador PI con Kp=-10 y Ki=-1 ................................................................ 90 Ilustración 90: Salida MMC con Kp = -0.1 y Ki = -0.01 ....................................................... 91 Ilustración 91: Regulador PI con con Kp = -0.1 y Ki = -0.01 ............................................... 91 Ilustración 92: Punto de trabajo de los paneles con Kp = -0.1 y Ki = -0.01 ...................... 92 Ilustración 93: Regulador PI con Kp=-0.7 y Ki=-0.03 .......................................................... 93 Ilustración 94: Punto de trabajo de los paneles con Kp = -0.7 y Ki = -0.03 ...................... 93 Ilustración 95: Control implementado en el artículo de referencia .................................... 95 Ilustración 96: Control implementado en este proyecto ..................................................... 95 Ilustración 97: Situación general del control ....................................................................... 96 6 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 3: Esquema eléctrico MPPT Panel Dado que no es objetivo del presente proyecto explicar el funcionamiento de los convertidores electrónicos de potencia CC/CC, la presente prueba se va a centrar en obtener un algoritmo que funcione de manera correcta para el objetivo que se nos presenta: que el panel trabaje en el punto de máxima potencia. Por simplicidad, se ha optado por fijar la salida del convertidor CC/CC a 2 V con una fuente de tensión para que sea capaz de absorber en todo momento la potencia que se le entregue. Además, dado que se ha escogido una fuente de 2 V y el panel va a operar en todo momento con tensiones mayores, se ha implementado un convertidor CC/CC reductor. El algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia se va a encargar de leer la tensión y potencia con la que está operando el panel fotovoltaico en todo momento y, a partir de ellas, generar el correspondiente ciclo de servicio. El algoritmo se basa principalmente en la ecuación que relaciona la salida y la entrada de un convertidor Buck: 𝑉𝑜 =𝐷·𝑉𝑖 →𝑉𝑖 = 𝑉𝑜 𝐷 (1) Dado que la Vo viene fijada por la batería de 2 V, las modificaciones en el ciclo de servicio tendrán repercusión directa en la tensión a la que trabaja el panel fotovoltaico (Vi del convertidor). Si es necesario que el panel aumente su tensión para llegar al MPP, se reducirá el ciclo de servicio del convertidor. Si por el contrario es necesario que el panel disminuya su tensión para llegar al MPP, se aumentará el ciclo de servicio, permitiendo tal cometido. 7 Energía Fotovoltaica Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas El algoritmo desarrollado y con comentarios pertinentes para su correcta comprensión se recoge en el Apartado 1 de los Anexos. La idea de implementarlo de esta manera en Matlab se ha obtenido de [4]. Tras tener el algoritmo implementado, se procede a realizar la simulación. En este caso, es de gran ayuda disponer de las gráficas del panel fotovoltaico que se va a simular. El modelo empleado de la librería de Simulink las facilita. Se trata del módulo 1Soltech 1STH – 125 – P y sus características se muestran en la Ilustración 4. Ilustración 4: Características panel comercial empleado Dado que se nos muestran 3 curvas de irradiancia diferentes, se van a simular los 3 casos para comprobar la robustez del algoritmo implementado y probar que funciona para todo el rango de irradiancias del panel. Se comenzará con una irradiancia de 100W/m2, posteriormente se dará un salto a una irradiancia de 500W/m2 y se finalizará con la irradiancia máxima mostrada (1000W/m2). En la Ilustración 5, se muestran los resultados de potencias medias entregadas por el panel. Para una visualización más clara del valor medio obtenido, se ha pasado la potencia del panel por un filtro, obteniendo así la potencia media. Se puede ver que se estaciona en un punto de potencia tras un transitorio inicial debido al cambio de las condiciones de irradiancia. 8 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 5:Resultados MPPT P&O Se resumen los resultados en la Tabla 2: Tabla 2: Resumen resultados P&O Irradiancia (W/m2) Potencia máxima teórica (W) Potencia máxima obtenida (W) 100 20.68 19.9 500 108 104.6 1000 213.1 206.7 Como se puede apreciar, los resultados relativos a la potencia máxima entregada por el panel fotovoltaico son bastante similares, por lo que se considera que el algoritmo está implementado correctamente. 2.2.2 CONDUCTANCIA INCREMENTAL Otro algoritmo que se suela aplicar es el de la “Conductancia Incremental”. Este algoritmo se encarga de evaluar la pendiente de la curva de potencia del generador y actuar en función de ella teniendo en cuenta que la pendiente en el MPP es nula. Resumiendo esto, se tiene que: 𝑑𝑃 𝑑𝑉 =0 →𝐸𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑃 𝑑𝑉 >0→ 𝐴 𝑙𝑎 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑃 𝑑𝑉 <0→ 𝐴 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑟𝑒𝑐ℎ𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 9 Energía Fotovoltaica Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas A partir de esta base y, teniendo en cuenta la derivada de la potencia en función de la tensión: 𝑑𝑃 𝑑𝑉 =−𝑑(𝐼𝑉) 𝑑𝑉 =𝐼+𝑉 𝑑𝐼 𝑑𝑉 ≌𝐼+𝑉 ∆𝐼 ∆𝑉 (2) Se obtiene que: ∆𝐼 ∆𝑉 = −𝐼 𝑉→𝐸𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∆𝐼 ∆𝑉 >− 𝐼 𝑉→𝐴 𝑙𝑎 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∆𝐼 ∆𝑉 <− 𝐼 𝑉→𝐴 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑟𝑒𝑐ℎ𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 Como se puede deducir, este algoritmo se va a basar en comparar la conductancia instantánea con la conductancia incremental y, en base al resultado de dicha comparación, se forzará al panel a trabajar a una tensión mayor o menor hasta que se alcance el punto de máxima potencia. El flujo que debe seguir el algoritmo se muestra en la Ilustración 6 [3], siendo Vref la tensión a la que trabaja el panel fotovoltaico: Ilustración 6: Diagrama flujo MPPT conductancia incremental Visto el diagrama de flujo, la aplicación del código en Matlab es directa. Se muestra en el Apartado 2 de Anexos el código implementado debidamente comentado para su comprensión. En la Ilustración 7, se muestran los resultados de la simulación. Nuevamente, se han empleado irradiancias de 100W/m2, 500W/m2 y 1000W/m2. El panel empleado es 10 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas el mismo y, por lo tanto, tiene las mismas características (ver Ilustración 4) que el anterior en el que se implementó el algoritmo P&O. Ilustración 7: Resultados MPPT Conductancia Incremental Se resumen los resultados en la Tabla 3: Tabla 3: Resumen resultados Conductancia Incremental Irradiancia (W/m2) Potencia máxima teórica (W) Potencia máxima obtenida (W) 100 20.68 19.8 500 108 104.5 1000 213.1 206.6 Como se puede apreciar nuevamente, los resultados relativos a la potencia máxima entregada por el panel fotovoltaico son bastante semejantes con los teóricos, por lo que se considera que el algoritmo de conductancia incremental se ha implementado de forma correcta. Dado que se han implementado 2 tipos distintos de algoritmos, se establece en la Tabla 4 una tabla comparativa entre ellos para observar que sus resultados han sido muy similares. Tabla 4: Comparativa ambos algoritmos Irradiancia (W/m2) Potencia máxima teórica (W) Potencia obtenida P&O (W) Potencia obtenida Cond Incremental (W) 100 20.68 19.9 19.8 500 108 104.6 104.5 1000 213.1 206.7 206.6 11 Convertidores Modulares Multinivel Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas 3 CONVERTIDORES MODULARES MULTINIVEL 3.1 INTRODUCCIÓN Históricamente, la corriente alterna ha sido (y sigue siendo) la forma más extendida de transmitir energía eléctrica en todo el mundo [5]. Fue desarrollada e impulsada por Nikola Tesla [6]. Presenta numerosas ventajas frente a la transmisión en corriente continua, como por ejemplo menores pérdidas. Además, gracias a los transformadores y al gran auge y crecimiento que ha experimentado la electrónica de potencia en las últimas décadas, es relativamente sencillo trabajar con distintas amplitudes y frecuencias de las senoides, lo cual aporta mucha flexibilidad a la hora de transmitir energía. Pese a esto, en los últimos años se viene empleando la transmisión HVDC (High Voltage Direct Current o Corriente Continua de Alta Tensión) en determinadas aplicaciones como por ejemplo los parques eólicos marinos, ya que presenta ciertas ventajas frente a la transmisión en corriente alterna, entre las cuales se destacan las siguientes: - Las pérdidas de la transmisión en corriente alterna aumentan bastante cuanto mayor es la distancia entre los puntos a interconectar. - Los costes de la instalación, tal y como se puede observar en la Ilustración 8, aumentan también con la distancia de transmisión. Ilustración 8: Relación coste - distancia transmisión eléctrica Por lo tanto, por la relación coste – distancia de transmisión, a partir de cierta distancia será más eficiente la transmisión en HVDC frente a la transmisión en AC. Por el contrario, la transmisión en HVDC tiene un mayor coste en cuanto a convertidores electrónicos de potencia, los cuales son necesarios para llevar a cabo la transformación entre CC y CA. - Para transmisión submarina, las pérdidas de la corriente alterna se hacen más ostensibles debido al mayor efecto capacitivo, por lo que la transmisión en HVDC se hace más eficiente a partir de distancias menores (75 km aproximadamente). Para la transmisión en HVDC fue necesario desarrollar nuevas tipologías de convertidores CC/CA que fueran capaces de manejar tales potencias y niveles de tensión, entre las cuales destacan la topología LCC (Line Commutated Converter) [7], la 12 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas topología VSC (Voltage Source Converter) [8], la topología multi-level VSC [9] y, por último, la topología MMC (Modular Multilevel Converter), la cual es la más extendida. También se han desarrollado otros tipos de convertidores multinivel, como lo son los de condensadores flotantes y los de diodos fijadores. No obstante, este proyecto va a estar centrado en los modulares multinivel. La topología MMC presenta numerosas ventajas frente a sus predecesoras, como por ejemplo la reducción de pérdidas de potencia y las necesidades de filtrado, su diseño modular, su mejor respuesta frente a fallas o menores picos de corriente en el sistema. Es la más extendida entre los grandes fabricantes hoy en día, ya que además de presentar numerosas ventajas en cuanto a funcionamiento, su construcción es más sencilla debido a su carácter modular. 3.2 TOPOLOGÍA, PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CONTROL A continuación, se procede a explicar de manera resumida cómo se conforman los convertidores modulares multinivel y su principio de funcionamiento [10]. 3.2.1 TOPOLOGÍA La topología de este tipo de convertidores se muestra en la Ilustración 9, extraída del artículo bibliográfico citado unas líneas más arriba. Como se puede observar y como su propio nombre indica, se encuentra formado por distintos módulos (SMx), los cuales se van a ir conectando según convenga para obtener los niveles de tensión deseados. En la salida AC se va a lograr obtener un número de niveles de tensión igual al número de módulos existentes más 1. Esto implica que, a mayor cantidad de módulos por rama, la salida va a ser más similar a una onda senoidal y las necesidades de filtrado se van a ver reducidas. Por el contrario, el precio del convertidor aumentará, debido a que serán necesarios más componentes. 13 Convertidores Modulares Multinivel Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 9: Topología MMC Para que quede clara la importancia del número de módulos en relación a los niveles de tensión que se obtendrán a la salida, en la Ilustración 10 e Ilustración 11 se muestran la salida para un número de módulos igual a 2 y la salida para un número de módulos igual a 5, respectivamente. 14 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 10: Salida MMC con n=2 Ilustración 11: Salida MMC con n=5 Se puede observar cómo, efectivamente, para un mayor número de módulos (5), disponemos de un mayor número de niveles de tensión (5+1=6) y, por lo tanto, la salida se asemeja más a una senoide. En lo relativo a la topología de los módulos, pese a que existen distintas variantes que tienen sus pros y contras, las más extendidas son la topología en medio puente y en puente completo, mostradas en la Ilustración 12. 15 Convertidores Modulares Multinivel Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 12: Topología de módulos MMC (puente y semipuente) Este proyecto se va a realizar con módulos en medio puente, por lo que se procede a explicar con mayor profundidad su funcionamiento y su integración con el convertidor completo. Para explicar el comportamiento de estos módulos, se ha desarrollado la Ilustración 13 a modo de infografía. Ilustración 13: Funcionamiento de los módulos MMC en semipuente Cuando se desea conectar el módulo, se debe poner en conducción el polo de potencia T1 y cortar el T2. De esta manera, se conseguirá que la tensión aportada por el módulo sea igual a la que tiene el condensador C. Además, en función del sentido de la corriente se podrá cargar y descargar el condensador para que su tensión se mantenga equilibrada en torno a un valor, consiguiendo así que los niveles en la tensión total de salida no sean demasiado desequilibrados. A esta técnica de control se la conoce como Equilibrado de condensadores. No se profundizará mucho en ella debido a que en el objetivo final del presente proyecto se pretende que no sea necesario implementarla. 22 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 19: Situación de un MMC conectado a red Ilustración 20: Conexión a red con control en tensión Ilustración 21: Conexión a red con control en corriente 23 Convertidores Modulares Multinivel Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Como se puede observar, el control en tensión es ligeramente más complicado de implementar que el control en corriente, ya que se deben aplicar ecuaciones de desacoplo, además de implementar 2 reguladores PI a mayores para lograr las referencias de tensión deseadas para el modulador. En todos los controles mostrados se está intentando regular el valor de VDC del MMC y la potencia reactiva. 24 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas 25 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas 4 INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA – MMC Una vez se han visto las generalidades de los dos elementos principales que van a intervenir en este proyecto como lo son la generación de energía fotovoltaica y los convertidores modulares multinivel, en este apartado se procede a explicar la forma en la que se pretenden integrar ambas tecnologías. La idea de dicha integración se ha obtenido de [12]. Se intentará ir cumpliendo una serie de objetivos más sencillos hasta llegar a hacer funcionar el sistema completo, estudiando si fuera posible la mejora del mismo. Las simulaciones y el modelado del sistema se llevarán a cabo con la herramienta Matlab/Simulink. Como ya se mencionó en el Apartado 2: Energía FotovoltaicaEnergía Fotovoltaica, uno de los mayores problemas de este tipo de tecnología es la disparidad de condiciones en las que pueden trabajar los distintos paneles de un campo fotovoltaico. Un campo completo está formado por asociaciones serie – paralelo de numerosos módulos. A la hora de realizar estas asociaciones, naturalmente se tiene en cuenta las características de todos los módulos, pero estas pueden ser dispares a las especificadas, ya que normalmente estas últimas se dan bajo unas condiciones determinadas. Si las condiciones cambian, como por ejemplo la temperatura del módulo, su suciedad o la cantidad de luz que incide en ellos (por ejemplo a consecuencia de un sombreado), los módulos presentarán una generación de potencia distinta a la que deberían. Teniendo en cuenta esto, si un módulo trabaja a una potencia inferior al resto de la asociación, va a limitar la potencia total generada. A continuación, se plantean una serie de ejemplos para entender por completo esta problemática. Se van a considerar unos módulos fotovoltaicos “ejemplo”, los cuales van a dar 1 A y 20 V cada uno en su punto de máxima potencia. En primer lugar, se visualiza en la Ilustración 22 lo que sucede cuando todos ellos están soleados y trabajando a máxima potencia. 26 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 22: Módulos trabajando a misma irradiancia Como todos están trabajando a su máximo e, idealmente, las características de todos ellos son iguales, la potencia que se obtiene a la salida del campo fotovoltaico es la máxima posible. A continuación, a uno de los módulos de la rama 1 le llega una sombra, por lo cual deja de generar la misma potencia, descendiendo la corriente entregada por el mismo. Para este ejemplo, nos ponemos en un caso extremo en el que el módulo sombreado entregue la misma tensión y entregue 0.1 A. Se muestra en la Ilustración 23. 27 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 23: Un módulo sombreado Como se puede ver, el sombreado en un solo panel condiciona la potencia entregada por todo el campo fotovoltaico, lo cual es perjudicial si se quiere obtener el máximo rendimiento de la instalación. Además, en este ejemplo se ha supuesto que el panel va a dar la misma tensión que el resto. Normalmente, la tensión entregada por el panel sombreado va a variar, por lo que la tensión total del conjunto también se va a ver afectada. Esto provoca que los paneles se puedan polarizar con una tensión inversa, lo que va a hacer que estos se comporten como una carga, disipando energía y aumentando su temperatura, lo cual puede llegar a destruir el módulo. A esto se le llama problema del punto caliente, ya mencionado en el Apartado 2: Energía Fotovoltaica. Como se puede ver, que ciertos módulos trabajen desacompasados del resto puede provocar consecuencias muy negativas para nuestra instalación. Con todo esto, además se supone que va a ser prácticamente imposible que todos los módulos trabajen en su punto de máxima potencia, ya que sus tensiones y corrientes, especialmente en caso de sombreado, van a venir impuestas. Se puede pretender que el conjunto de la instalación trabaje en las mejores condiciones posibles dada una situación concreta (por ejemplo colocando un CC/CC entre la instalación y la carga e implementando un MPPT), pero en ningún caso se conseguirá que todos los módulos por separado entreguen la máxima potencia posible. La solución que se estudia en el presente proyecto para evitar esto pasa por los convertidores modulares multinivel. 28 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Como se vio en el Apartado 3: Convertidores Modulares Multinivel, los MMC están formados por distintos módulos que, controlados, establecen la tensión de salida. Cada uno de estos módulos obtiene su tensión del condensador que tiene acoplado, el cual actúa como una fuente de tensión aislada del resto del sistema. Eligiendo la secuencia correcta de los polos de cada módulo se consigue mantener la tensión en estos condensadores en torno a un valor deseado, obteniendo energía de la fuente de CC para cargarlos o entregando energía a la salida, momento en el cual se descargan (se tratan de convertidores CC/CA). Dado que estos módulos necesitan extraer la energía de algún lugar, se puede considerar sustituir la fuente de CC existente a la entrada del MMC por un módulo fotovoltaico en paralelo con cada condensador, como se muestra en la Ilustración 24. Ilustración 24: Acoplamiento panel fotovoltaico en el módulo MMC De esta manera, se podría conseguir que cada panel fotovoltaico se comporte como una fuente de energía aislada para lograr que los módulos tengan la tensión necesaria. La particularidad que se presenta en [12] es la existencia en las ramas positiva y negativa de cada fase de un módulo carente de panel fotovoltaico, simplemente con condensador. Se denomina “Módulo Redundante (RM)” y se encarga de aportar energía cuando la rama lo requiera. Su importancia se verá más claramente en apartados posteriores. El conjunto total, de manera simplificada (n módulos = 2 + Redundante), se muestra en la Ilustración 25. 29 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 25: Ejemplo de integración MMC + Fovotoltaica Una de las grandes ventajas de esta configuración es que, al estar los paneles fotovoltaicos aislados del resto del sistema, lo que le suceda a uno no va a tener influencia en el resto. Es decir, si un módulo de una rama pasa a estar sombreado, no tiene por qué afectar a la potencia final que se extrae del sistema, aumentando la eficiencia del campo fotovoltaico. Además, debido a que los paneles están aislados, los problemas por rotura por punto caliente también se solventan. 30 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas En resumen, las corrientes existentes por las ramas del MMC serán diferentes e independientes a las que tenga cada PV en cada momento. Otra gran ventaja es la posibilidad de que todos los módulos fotovoltaicos sigan de manera individual su punto de máxima potencia. Esto se puede conseguir mediante el control de los polos de potencia presentes en cada módulo del MMC y sin necesidad de implementar convertidores CC/CC para ello. El equilibrio de las tensiones en las 3 ramas se va a lograr mediante el módulo redundante. Cuando un panel de una rama se encuentre sombreado, es muy probable que dicha rama no sea capaz de llegar a la tensión de referencia impuesta para esa fase. Por ello, con un correcto control del módulo redundante, este será capaz de entregar la energía que le falte a esa fase cuando se encuentre algún panel sombreado. Una vez vista la integración que se plantea entre los MMC y la fotovoltaica, así como sus principales ventajas, se pueden comenzar a simular el sistema para lograr un correcto funcionamiento final. Para lograr esto, se irán planteando una serie de pasos en forma de simulación, especialmente enfocados a conocer el funcionamiento general del sistema, desarrollo de los principales algoritmos que pueden intervenir en el control… De manera que se vayan integrando todos los componentes para intentar lograr el objetivo final. 4.1 MÓDULO MMC AISLADO + PANEL FOTOVOLTAICO En este apartado se desea conocer el funcionamiento de un módulo del MMC aislado cuyo condensador se encuentre acoplado en paralelo con un panel fotovoltaico. Los objetivos principales que se plantean en este apartado son los siguientes: 1. Esclarecer el flujo de energía en los distintos estados por los que pueda pasar el módulo MMC con el panel fotovoltaico acoplado según se controlen sus polos de potencia. Se estudiará con un módulo MMC aislado, sin tener acoplados otros formando una rama. 2. Implementar un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para el panel fotovoltaico controlando el módulo MMC. Como en el punto anterior, también se realizará de forma aislada. 4.1.1 FUNCIONAMIENTO MÓDULO MMC CON PANEL FOTOVOLTAICO Teniendo en cuenta la Ilustración 24, como ya se ha mencionado, según cómo se controlen los 2 polos de potencia vamos a poder controlar el flujo de energía en el módulo MMC. Los estados por los que puede pasar dicho módulo son los que se muestran en la siguiente tabla, llamando T1 al polo superior y T2 al polo inferior: 31 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Tabla 6: Estados del módulo ESTADO T1 T2 1 ON OFF 2 OFF ON 3 OFF OFF Por lo tanto, dado que con los polos de potencia se va a controlar el flujo de energía por el módulo, se podrá determinar la carga y descarga del condensador y, por consiguiente, la tensión a la que trabaja el PV. A continuación, se procede a explicar lo que sucede con cada uno de ellos. • Estado 1: En este estado, se considera que el módulo MMC está en ON o conectado, ya que la corriente que fluye por la rama del MMC va a pasar por el condensador. En función de las corrientes existentes en el sistema, se van a dar 3 situaciones posibles: o Corriente entrante al módulo MMC: Ilustración 26: Estado 1, Ipm entrante al módulo En este caso, la tensión del condensador aumenta y, por lo tanto, la de trabajo del PV, también. El aumento de voltaje es debido a que las corrientes del MMC y del panel cargan al condensador. o Corriente saliente del módulo MMC, siendo esta mayor que la generada por el PV: Ilustración 27: Estado 1, Ipm saliente > Ipv En este segundo caso, debido a que Ipm > Ipv, la corriente del condensador es saliente y, por lo tanto, se va a descargar. La tensión de trabajo del PV disminuirá. 38 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas emplearán fundamentalmente en las simulaciones. En caso de necesitar más, se puede recurrir a las curvas V – I del datasheet. Los datos empleados de este panel, por lo tanto, son los que se muestran en la Tabla 8. Tabla 8: Datos del modelo de panel fotovoltaico IRRADIANCIA (W/m2) 1000 800 200 Vm (V) 44.3 42.5 43.2 Im (A) 5.54 4.41 1.09 Voc (V) 53 50.3 49.6 Isc (A) 5.86 4.71 1.17 Estos datos serán de relevancia en simulaciones posteriores, por lo que conviene tenerlos presentes. 4.2.2 FUNCIONAMIENTO SIN CONTROL DE POTENCIA En este primer caso, se va a proceder a simular el sistema sin módulo redundante en las ramas. Es decir, simplemente se emplea un MMC normal de 5 módulos y se acopla un panel fotovoltaico en paralelo con cada uno de ellos. Los módulos MMC con panel se denominarán PMx. El sistema simulado se muestra en la Ilustración 35. 39 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 35: Esquema campo fotovoltaico + MMC La referencia de este sistema será una señal trifásica de unos 110 V de amplitud. Esta señal de referencia se modulará para cada fase siguiendo el método PDSPWM ya explicado en el funcionamiento de los MMC en apartados anteriores. Para seleccionar qué módulos poner en conducción en cada caso, se empleará el método de equilibrado de condensadores (en función del sentido de la corriente por los módulos y de la tensión que tengan cada uno, se intentarán seleccionar los módulos MMC de forma que se equilibren todos ellos continuamente). Este control mencionado en el párrafo anterior será el único que se lleve a cabo en las simulaciones de este sub – apartado. No se intentará controlar de ninguna manera la potencia entregada por los paneles aún, pues el objetivo es tratar de comprender el comportamiento del convertidor completo con los paneles acoplados. Se van a ir realizando diferentes simulaciones variando distintos parámetros del sistema para comprobar el comportamiento. 4.2.2.1 VARIACIONES EN LA CARGA Inicialmente, se lleva a cabo una simulación con todos los paneles fotovoltaicos del sistema recibiendo una irradiancia de 1000 W/m2. Además, la carga configurada será únicamente de tipo resistivo, cuyo valor inicial se configura en 50 Ω. En resumen, las condiciones de esta primera simulación serán: 40 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas - V_abc_ref = Trifásica de amplitud 110 V. - Carga: Resistiva = 50 Ω. - Irradiancia PV = 1000 W/m2 todos ellos. En primer lugar, se muestra en la Ilustración 36 la salida del convertidor. Es decir, la energía que se le entrega a la carga (tensión en gráfica superior, corriente en gráfica inferior). Ilustración 36: Salida MMC R = 50 Ohm Como se puede comprobar, la salida del convertidor MMC sigue perfectamente las referencias establecidas. Se toma también una muestra de la tensión y corriente a la que están trabajando los paneles en Ilustración 37. Al ser todos iguales y estar bajo las mismas condiciones, el sistema se equilibra perfectamente y cada uno de los 30 paneles existentes son capaces de trabajar de la misma manera. 41 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 37: Tensiones y corrientes de paneles con R = 50 Ohm La tensión de los paneles se estaciona en torno a los 52.5 V y la corriente en torno a 0.27 A. Se puede observar también en la gráfica superior que el funcionamiento de los paneles en lo que a la relación V – I se refiere es consistente con el funcionamiento de estos dispositivos: en los momentos en los que la tensión aumenta, la corriente generada disminuye y viceversa. Si la tensión continuara aumentando hasta la Voc, la corriente caería a 0 A. Por último, se visualiza la corriente que circula por cada una de las 6 ramas en Ilustración 38. En las gráficas de la izquierda se representan las corrientes de las 3 ramas superiores y en las de la derecha se representan las de las 3 ramas inferiores. Ilustración 38: Corriente en las ramas R = 50 Ohm 42 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Se puede ver que las corrientes permanecen equilibradas (mismo valor y oscilando en torno a 0). Además, las corrientes de las ramas superiores e inferiores contienen terceros armónicos que, al obtener la corriente total circulante por la fase, se cancelarán y se obtendrán las señales senoidales que se vieron en la Ilustración 36. El siguiente paso que se sigue es modificar el valor resistivo de la carga. La siguiente prueba se realizará con un valor de R = 7 Ω. El resto de parámetros del sistema permanecen constantes respecto a la primera simulación. Se muestran nuevamente en la Ilustración 39 las tensiones (referencia y obtenida) y corrientes por cada una de las fases a la salida del MMC. Ilustración 39: Salida MMC con R = 7 Ohm Como se puede comprobar, la referencia de tensión se sigue sin problema y, además, la corriente por las fases ha aumentado en amplitud como consecuencia directa de haber reducido el valor de la carga resistiva (se entrega más potencia). Tras esto, en la Ilustración 40 se muestra nuevamente las condiciones en las que trabaja cada uno de los paneles existentes en el MMC. 43 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 40: Tensiones y corrientes de paneles con R = 7 Ohm En este caso, debido a que la carga ha disminuido, y, como se ha visto, la corriente entregada a dicha carga ha aumentado en consecuencia, se debe reclamar más corriente al sistema. Como las fuentes de energía disponibles son los paneles fotovoltaicos, se intentará extraer de ellos. Como se puede comprobar, la corriente I PV ha aumentado considerablemente respecto al caso anterior. En consecuencia a esto y, siguiendo nuevamente la lógica de las gráficas V – I de los paneles, la tensión ha disminuido ligeramente, ya que se ha desplazado el punto de trabajo del panel a la izquierda de dichas gráficas por haber disminuido la carga (la pendiente de la recta de carga equivale a 1/R, si se disminuye la R, la pendiente aumenta y corta a las gráficas V – I en un punto de menor tensión y mayor corriente). Respecto a la corriente por las ramas de cada fase, no hay nada reseñable que comentar, ya que simplemente han visto modificado sus valores máximos por consecuencia de todo esto expuesto anteriormente. Para terminar de comprobar qué sucede modificando la carga, se procede a descender el valor de la misma a R = 1 Ω. En la gráfica superior de Ilustración 41 se muestran los valores de referencia (líneas gruesas) y los valores de tensión entregados por el MMC (línea fina). Se puede ver cómo, en este caso, el convertidor no llega a los niveles de tensión esperados. Posteriormente, cuando se visualice lo que sucede en los paneles, se averiguará por qué. Además, los valores de corriente entregados a la carga son muy elevados respecto a las otras simulaciones. 44 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 41: Salida MMC con R = 1 Ohm Tras esto, en Ilustración 42 se muestra las condiciones en las que está trabajando cada uno de los paneles fotovoltaicos del sistema. Ilustración 42: Tensiones y corrientes de paneles con R = 1 Ohm En este caso, dado que se está entregando una gran cantidad de corriente, la corriente entregada por los paneles ha ascendido hasta valores cercanos a la de cortocircuito de dichos dispositivos. Dado que se ha reducido el valor de R, la recta de carga ha aumentado mucho su pendiente y corta a la curva V – I de los paneles en un punto en el que, además de ser la corriente muy elevada, la tensión evidentemente es menor que en los casos anteriores. Si se siguiera reduciendo el valor de R, llegaría un momento en el que la tensión caería a 0 y la corriente alcanzaría el valor Isc del panel. 45 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas La razón de que la salida del MMC no sea capaz de llegar a los valores de referencia establecidos es esta que acabamos de ver. Los paneles no están siendo capaces de dar la tensión suficiente como para llegar a la tensión demandada. 4.2.2.2 DISTINTA IRRADIANCIA EN PANELES FOTOVOLTAICOS DE UNA MISMA RAMA Para llevar a cabo estas simulaciones, se va a fijar una resistencia de carga de R=10 Ω. Un parámetro de gran importancia en el funcionamiento de los MMC junto con paneles fotovoltaicos es la tensión existente entre todos los paneles de una fase. Se denominará VDC y se muestra su medida en la Ilustración 43 para mayor claridad. Ilustración 43: Medida de VDC En primer lugar, se procede a realizar una simulación para ver el valor de VDC con todos los paneles trabajando con una irradiancia de 1000 W/m2. Se muestra en la Ilustración 44. 46 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 44: VDC para todos con irradiancia 1000 W/m2 El valor de VDC bajo estas condiciones se encuentra en torno a 254,7 V. A continuación, se procede a llevar a un panel de la rama superior de la primera fase a una irradiancia de 200 W/m2. La salida del MMC permanece inalterada en tensión y en corriente con este cambio de irradiancia. Además, fijándonos en el valor de VDC en la Ilustración 45, permanece prácticamente inalterado. Ilustración 45: VDC con un panel a 200 W/m2 Lo único que faltaría por comprobar es cómo están trabajando los paneles, especialmente en la rama del panel con una irradiancia menor. En la gráfica superior de 47 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas la imagen se muestran las tensiones de los paneles de la rama en cuestión y en la Ilustración 46 se muestran las corrientes. Ilustración 46: Tensiones y corrientes de la rama con uno trabajando a menos irradiancia Se puede ver que la tensión de los 6 paneles es prácticamente igual, mientras que algo sucede con las corrientes. Las corrientes de los paneles con 1000 W/m2 son normales, mientras que la del panel que está trabajando a 200 W/m2 ha caído a 0 A. ¿A qué se debe esto? La clave está en las tensiones existentes en el sistema. El valor de VDC lo están imponiendo los paneles de las otras fases que están trabajando a pleno rendimiento. Es por ello por lo que en la Ilustración 44 y en la Ilustración 45 dicho valor apenas ha variado pese a haber sombreado un panel de la primera fase. Debido a esto, se está obligando a trabajar a la primera fase a la misma tensión que las otras, incluyendo al panel con menos irradiancia, el cual tiene que dar la tensión necesaria para equilibrar el valor de voltaje total, adquiriendo un valor de unos 51 V. Esto, si lo contrastamos con los parámetros del panel (especialmente Voc = 49.9 V, como se vio en la Tabla 8 para la irradiancia de 200 W/m2) nos indica que este PV está superando su tensión de cortocircuito y que, por lo tanto, su corriente entregada será 0. Todo esto se explica de una manera gráfica en la Ilustración 47, particularizando la situación a las ramas superiores del MMC. 54 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas entre las distintas ramas de las fases para permitir que los paneles trabajen de manera correcta en su punto de máxima potencia. - Se ha podido comprobar que cada panel queda completamente aislado del resto del campo fotovoltaico, solucionando problemas que daban las asociaciones serie – paralelo clásicas. Por ejemplo, cuando a uno de ellos le ha tocado trabajar a una irradiancia menor que el resto, la potencia entregada a la carga no se ha visto afectada debido a este hecho. 4.3 EFECTO DEL MÓDULO REDUNDANTE (RM) En este breve apartado se pretende observar el comportamiento del sistema añadiendo módulos redundantes en cada rama. Como se vio en el apartado anterior, la presencia de estos módulos sin panel fotovoltaico parece de vital importancia para el correcto funcionamiento del sistema. Para observar el efecto de introducir módulos redundantes, se pueden introducir fuentes de tensión controladas en lugar de módulos con condensadores, los cuales tienen una dinámica algo más compleja y lenta que estos elementos mencionados. Además, no se pretende controlar aún los módulos redundantes. Simplemente se desea que aplique un valor de tensión para ver si se consigue sacar del estado de no conducción a la rama que se encuentre trabajando a una irradiancia menor. Para esta simulación, partimos del estado visto en el apartado 4.2.2.3: Distinta irradiancia en una rama completa (Ilustración 50, Ilustración 51 e Ilustración 52). En este caso, se va a introducir un módulo redundante en la rama que está trabajando a una menor irradiancia, aportando este un valor de 20 V. El valor obtenido de VDC en este caso se muestra en la Ilustración 55. Se puede observar que es muy similar al obtenido sin el módulo redundante, lo cual es positivo, ya que se podrá ver el efecto que tiene en la rama sombreada. 55 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 55: VDC con RM sin control (20V) Tras esto, es conveniente fijarse en las tensiones y corrientes de la rama en cuestión. Se muestran en la Ilustración 56. Ilustración 56: Tensiones y corrientes de rama sombreada con RM Se puede ver cómo, en efecto, la presencia del módulo redundante ha hecho reducir algo la tensión existente en los paneles con irradiancia menor y ha provocado que puedan conducir. Esto hace que se refuerce la segunda conclusión obtenida en el apartado anterior, pues si se pretende que los módulos trabajen en su punto de máxima potencia, las tensiones van a ser dispares y será necesario que estos módulos redundantes compensen las tensiones para que todo vaya como es esperado. 56 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas 4.4 INTRODUCCIÓN DEL ALGORITMO MPPT Y DEL CONTROL RM Llegados a este punto, se comienzan a realizar pruebas para intentar controlar la potencia de los paneles fotovoltaicos. Además, también resulta conveniente comenzar a buscar la forma de controlar los módulos redundantes. 4.4.1 ACOPLAMIENTO INICIAL DEL ALGORITMO DE BÚSQUEDA DE MÁXIMA POTENCIA El algoritmo MPPT que se intente implementar será el mismo que se vio cuando se experimentó con el panel fotovoltaico en el módulo aislado en el apartado 4.1.2: Búsqueda del punto de máxima potencia en módulo MMC aislado y, como se comentó por aquel entonces, el código de Matlab se recoge en el apartado 4 de los Anexos. A la hora de determinar en qué punto se debería implementar el seguimiento de máxima potencia, se pensó inicialmente que debía ir funcionando a la par que el panel fotovoltaico. Es decir, que se debía implementar un algoritmo MPPT por cada panel que se desee controlar ya que, como parece lógico, cada algoritmo se encarga de la potencia de un único generador. El MPPT debería generar la decisión de qué polos deben conducir en cada momento en cada módulo (el superior o el inferior) para intentar llevar la tensión del panel al valor deseado. En este punto también se debe tener en cuenta la modulación generada por el control del convertidor MMC, en la cual se deciden cuántos módulos deben conducir en cada momento para llegar a la referencia de tensión, y el algoritmo de ordenación, el que se encarga de decidir qué módulos deben conducir a partir del número generado en la modulación. Como resultado de todo esto, nos encontramos con 2 señales de control para cada módulo, las cuales se debe gestionar. La situación viene resumida en la Ilustración 57. Ilustración 57: Conflicto entre señales de control para módulos 57 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Para combinar ambas señales de control, inicialmente (aunque de manera errónea, como posteriormente se verá) se optó por combinar ambas señales de control con una puerta AND, generando así una señal combinada para los polos superior (T1) e inferior (T2) que permitiera controlarlos. Añadir que, en todos los casos posibles tanto por parte del algoritmo MPPT como por parte del modulador, los estados de los polos T1 y T2 siempre van a estar negados uno respecto del otro. Dado que la señal de control generada por ambos bloques siempre va a ser activar o no activar el módulo y, la activación se consigue haciendo que el T1 conduzca, ambos controles van a generar la señal de control del polo superior. Teniendo en cuenta todo esto, será necesario negar esta señal de control obtenida para controlar a la par el polo T2. Se muestra la situación final implementada en este primer intento en la Ilustración 58. Ilustración 58: Situación implementada en el primer intento 4.4.2 CONTROL INICIAL DEL MÓDULO REDUNDANTE Dado que se ha acoplado ya el algoritmo de búsqueda de máxima potencia al sistema, también sería conveniente comenzar a controlar de algún modo los módulos redundantes, los cuales deben ser capaces de entregar la tensión que le falte a la rama en la que se encuentre por estar generando esta una tensión menor que el resto. Inicialmente, se pensó de forma errónea en compensar la tensión de cada módulo de forma individual. Es decir, que si a un módulo le faltaba “x” tensión para llegar a la que debía tener en el punto de máxima potencia a su irradiancia máxima, el RM se debe encargar de suplir en cada momento esa tensión. Cuando estuvieran conectados 2 módulos de la rama, se sumarían las tensiones de ambos y se calcularía la diferencia con el valor teórico que deberían tener si ambos trabajasen en el punto de máxima potencia y el módulo RM la aportaría. Así sucesivamente con los 5 módulos de cada rama. De esta manera, se pretende que el valor general de VDC de las 3 fases se mantenga constante pese a que los módulos den tensiones menores por trabajar sus paneles a menores irradiancias y así evitar imponer tensiones indeseadas en los generadores fotovoltaicos, como ya se vio en apartados anteriores. Para llevar a cabo esta implementación, se contabilizan los módulos que indica el modulador que deben conducir en cada momento y se multiplica por el valor de tensión 58 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas máxima teórico que deben tener. De esta manera, se obtiene la referencia de tensión que deberían tener si trabajasen en el punto de máxima potencia. Tras esto, se mide la tensión existente en la rama y se resta la que aporta el RM, ya que no se debe tener en cuenta. Además, se añade lógica adicional para que, en el caso de que la tensión que deba de aportar el RM sea 0 o negativa, ese módulo se desconecte de la rama. El esquema de esta estrategia de control se muestra en la Ilustración 59. Ilustración 59: Control RM implementado inicialmente 4.4.3 SIMULACIÓN INICIAL DEL CONJUNTO CONTROLADO Una vez se tiene un primer intento de control implementado, se procede a visualizar los resultados. En primer lugar, se observa la tensión y corriente de salida del convertidor MMC en la 59 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 60: Tensión y corriente de salida con controles iniciales Se puede ver que, en principio, la modulación se está llevando a cabo de forma correcta por las formas de onda de salida (las más gruesas), pero que no están llegando hasta los valores de la referencia, por lo que algo no está funcionando bien. Dada la complejidad del sistema y la gran cantidad de variables que contiene, es complicado realizar un análisis pormenorizado de lo que está fallando, pero se proceden a observar distintos puntos del convertidor para intentar identificar el error. En la Ilustración 61 se muestra: - Gráfica superior: módulos conectados en una rama (todas ellas se encuentran actualmente trabajando a la misma irradiancia) en un intervalo de tiempo concreto. Se representa la señal de activación de los 5 módulos existentes en esa rama. - Gráfica inferior: módulos que según el modulador deberían estar conduciendo en el intervalo de tiempo escogido (4 – 5 módulos). 60 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 61: Activación módulos vs nº modulos a conducir Aquí ya salta a la vista que algo no está funcionando bien. Por lo general, como se aprecia en la gráfica superior, no está conectado ningún módulo a la rama pese a que, además, el número que debería estar conectado sería 4 – 5 como se indica en la inferior. El hecho de que ningún módulo esté conectado cuando el modulador indica lo contrario debería tener su consecuencia en la tensión de salida, debiendo estar ésta en torno a 0V, pero como se ha visto en la Ilustración 60 esto no es así. Por ello, con este simple análisis, se pueden extraer 2 errores diferentes: 1La señal de activación de los módulos del MMC no está haciendo caso de las indicaciones del modulador, pues no se está conectado el número correcto para lograr la tensión de referencia a la salida. Es decir, no se está respetando el número de módulos conectados, lo cual es una premisa básica en los Convertidores Modulares Multinivel. Esto nos indica que la integración realizada entre el modulador y el algoritmo MPPT no es correcta. 2Pese a que la señal de salida debería estar en torno a 0V por todo lo comentado, hay algo que la está llevando a que siga en cierto modo la referencia en su forma senoidal, y desde luego que los módulos del MMC no son. Por ello, todo hace indicar que el Módulo Redundante también está funcionando de una manera indeseada, ya que es el otro elemento de la rama que puede estar entregando esa tensión para estar falseando la salida. Si se analiza en primer lugar el punto 2, se debe observar qué tensión está aportando el módulo redundante de la rama para confirmar la teoría de que está funcionando mal. Se muestra dicho parámetro en la Ilustración 62. 61 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 62: V RM con el control inicial Se puede ver que no es el comportamiento que se espera de un Módulo Redundante, el cual simplemente debe entregar un valor de tensión que supla la que no pueden proporcionar los módulos de la rama. Por las características de los paneles, esta tensión normalmente no va a ser de un valor muy elevado, lo cual colisiona con lo que vemos en la imagen superior. Además, por la forma que tiene la tensión de salida parece que está siendo modulada, lo cual es un error, ya que no se ha implementado ningún tipo de control PWM (se está dando simplemente un valor a la fuente de tensión controlada), lo que da una pista de que, posiblemente, la razón por la que la forma de la tensión de salida esté siendo senoidal y modulada esté en el control implementado en el RM. Posiblemente el error se encuentre focalizado en que se tiene en cuenta el número de polos en conducción indicado por el modulador, señal que sí que se encuentra modulada. Pese a que todo indica a que el control del RM se ha implementado erróneamente, se realiza una prueba a mayores: modificar el valor “V_ref” de la Ilustración 59 a un valor mayor. Aunque como se ha comentado antes es un poco complicado realizar un análisis en detalle por la gran cantidad de elementos y estados por los que pasa en instantes cortos de tiempo todo el sistema, este valor “V_ref” posiblemente esté fijando la tensión máxima que se consigue a la salida del MMC, ya que como se ha visto en el párrafo anterior la tensión de salida viene totalmente condicionada por lo que está sucediendo en el RM y “V_ref” es el único valor concreto que se le está aportando a dicho control. Por ello, se prueba a cambiar dicho valor de “Vm” al valor de pico que se pretende obtener a la salida, es decir, al de la referencia. La salida del MMC con esta modificación se muestra en la Ilustración 63. 62 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 63: Tensión y corriente de salida modificando referencia del control RM Se observa y confirma que el módulo redundante está influyendo totalmente en la tensión de salida y que el parámetro que le estamos proporcionando de referencia es el que fija su amplitud, comportamiento totalmente erróneo. Conociendo que esto se debe modificar, se procede a ver cómo se está comportando el algoritmo MPPT en los paneles. Ya se ha visto que la integración del Modulador + Algoritmo de Ordenación con el Algoritmo MPPT es problemática, pero se puede visualizar aun así si los paneles están siguiendo el punto de máxima potencia. Trabajando con los 30 paneles fotovoltaicos del sistema a una irradiancia de 1000 W/m2, se observa en 2 de las 3 fases existentes el comportamiento de los paneles (Tensión, Corriente y Potencia) que se muestra en la Ilustración 64. 63 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 64: Funcionamiento paneles control inicial Se puede ver que todos los paneles de las 2 fases mencionadas están siguiendo el punto de máxima potencia con una precisión sumamente buena (se deben recordar los parámetros de los paneles de la Tabla 8). Esto puede llegar a dar una pista nuevamente de que el algoritmo MPPT está implementado de forma correcta y que puede llegar a funcionar también con todo el sistema integrado y no solo con un módulo aislado, como ya se probó anteriormente. Sin embargo, los paneles de la fase restante no están siguiendo el punto de máxima potencia, tal y como se muestra en la Ilustración 65. Ilustración 65: Fase sin seguir MPP 70 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas En primer lugar, se muestra en la Ilustración 71 una simulación en la que se ha sombreado un panel de una rama, trabajando a una irradiancia de 800 W/m2. El resto de paneles estará funcionando a 1000 W/m2. Ilustración 71: MPPT con ordenación rediseñada (1 sombreado) A continuación, también se procede a hacer trabajar a un panel de la misma rama a una irradiancia de 200 W/m2. Es decir, ahora mismo tendríamos un panel a 200 W/m2, un panel a 800 W/m2 y el resto de paneles a 1000 W/m2. Se muestra en la Ilustración 72 el comportamiento. Tras un transitorio, el algoritmo MPPT hace que todos los paneles se estacionen en el punto de máxima potencia. Más abajo, en la Ilustración 73 se muestra un detalle del transitorio con los valores que alcanzan los paneles. 71 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 72: Comportamiento con 3 tipos de irradiancias Ilustración 73: Detalle de comportamiento con 3 tipos de irradiancias 72 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Se puede comprobar que en ambos casos el comportamiento es sumamente bueno. Han desaparecido los problemas presentes por el algoritmo de ordenación anterior y los valores de tensión, corriente y potencia son muy cercanos a los teóricos del panel fotovoltaico (prácticamente idénticos) de la Tabla 8. Por ello, se da por buena la implementación realizada del algoritmo de ordenación. Tras esto, se pretende seguir corrigiendo los errores numerados en el epígrafe anterior. 4.6 PROBLEMÁTICA DE LOS CONTROLES MPPT Y RM IMPLEMENTADOS INICIALMENTE En este apartado se pretende intentar poner solución a los problemas encontrados en el apartado 4.4: “Introducción del algoritmo MPPT y del control RM” relacionados con el control implementado inicialmente sobre los módulos redundantes y con la integración del algoritmo MPPT en el convertidor MMC. 4.6.1 CONTROL DEL MÓDULO REDUNDANTE Como ya se pudo ver anteriormente, el control implementado sobre los módulos redundantes era totalmente erróneo, ya que la señal de referencia que se le aportaba a la fuente de tensión controlada era una señal modulada (cosa que no es correcta, además de ser imposible para el funcionamiento de un condensador) y además era el que se encargaba de sostener la tensión de salida del MMC, enmascarando así otros problemas presentes en el sistema. También la amplitud de la tensión de salida dependía de la referencia introducida en el control del módulo redundante, haciendo así inútiles las referencias de tensión reales aportadas al sistema de control del MMC. En este caso, el control del RM se plantea de una forma mucho más sencilla y acorde con el cometido real de los módulos redundantes. Además, está más de acuerdo con el control que se propone en [12]. Para implementar esta nueva forma de control, simplemente se contabiliza el valor de tensión existente en la rama (excluyendo el módulo redundante). Se establece una tensión de referencia que consiste en el valor de tensión máxima que se va a poder dar en cada rama. Es decir, el valor de tensión de los paneles en su MPP trabajando a la máxima irradiancia multiplicado por el número de módulos de la rama. Posteriormente, se debe obtener la diferencia entre el valor de referencia establecido y el valor de tensión total obtenido de la rama. Esta diferencia será la que tenga que aportar el módulo redundante para intentar mantener la VDC constante. Si dicha diferencia es 0 o menor que 0, se desconectará el módulo redundante de la rama para que no aporte tensiones negativas (se sigue trabajando con una fuente de tensión controlada en lugar de con condensadores). El control implementado se muestra en la Ilustración 74. 73 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 74: Nuevo control RM Para comprobar que funciona como es esperado, se puede ver en primer lugar la tensión y corriente de salida del MMC (Ilustración 75). Ilustración 75: Tensión y corriente MMC con control RM implementado Se puede observar que, pese a que la salida del MMC está prácticamente a 0 (líneas marrones en gráfica superior de tensión y todas las corrientes en la inferior), el resultado esta vez sí que se parece más a lo que cabría esperar. Se debe recordar que la integración realizada hasta ahora entre el algoritmo de ordenación y el MPPT no era correcta, por lo que la salida del MMC debe ser de la forma en la que se muestra en la imagen superior. Además, el módulo redundante ahora no está aportando por sí mismo prácticamente toda la energía, que es uno de los problemas que existía en apartados anteriores. Debido a que está funcionando correctamente, deja de enmascarar el problema de la salida del MMC. 74 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Otro aspecto en el que nos podemos fijar es en la tensión que aporta el RM. Se procede a simular un ejemplo para ver que efectivamente el RM está cumpliendo su función. Se inicia la simulación con todos los paneles de una rama trabajando a una irradiancia de 1000 W/m2. A los 0.06 segundos, se provoca que uno de ellos pase a trabajar a 800 W/m2. En la Ilustración 76 se ve la tensión a la que están trabajando los paneles de esa rama (gráfica superior) y el efecto que tiene esto en la tensión aportada por el módulo redundante (gráfica inferior). Se aprecia claramente cómo cuando uno de los paneles pierde irradiancia y pasa a trabajar a una tensión menor (en su MPP), la tensión que aporta el RM aumenta ligeramente para suplir esta pérdida y así conseguir la tensión de la rama constante. Ilustración 76: Tensión paneles y RM Por todo esto, se asume que el módulo redundante ya está funcionando como debería y se procede al siguiente paso. 4.6.2 CONTROL DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Como se ha visto en apartados anteriores, la integración que se realizó del algoritmo MPPT junto con el algoritmo de ordenación ha sido problemática desde el principio, haciendo que el convertidor MMC no aportara la tensión y corriente como debería. El problema se expuso aportando como prueba la Ilustración 61, donde se vio que no se estaba respetando el número de módulos activos indicado por el modulador. Esto era debido a la acción de la puerta lógica AND implementada para unir ambos algoritmos. La explicación es que, aunque por parte del modulador + algoritmo de ordenación se indicara a un módulo que debía conducir, si el algoritmo MPPT decía que 75 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas el panel no debía conectarse para intentar alcanzar el punto de máxima potencia, debido a la condición lógica AND este módulo no sería capaz de aportar su tensión a la salida. Si esto sucede de forma generalizada con todos los módulos del sistema, sucede lo que se ha visto en la Ilustración 75. Por ello, se debe desechar esta opción de integración y buscar una alternativa. El mayor problema existente es que se tienen 2 señales de control (modulador - algoritmo de ordenación y algoritmo MPPT) para una misma entrada de control del módulo, lo cual puede dar problema a incompatibilidades como la que se ha expuesto unos párrafos más arriba. Por ello, lo ideal sería obtener una sola señal de control por módulo, eliminando así estos problemas. Para obtener una única señal y además tener el algoritmo MPPT + algoritmo de ordenación, se deben integrar todos ellos para tomar una decisión acerca de los módulos que deben conducir en cada momento. Todo esto se integra en una función de Matlab por cada rama que controlará los 5 paneles existentes en la misma. Su desarrollo se va a dividir en 3 fases que se exponen a continuación. 4.6.2.1 FASE 1 DE INTEGRACIÓN: CÁLCULO DE POLOS PARA MPPT A la función de Matlab se le van a aportar las tensiones de los paneles y sus corrientes, así como las tensiones y corrientes de los estados anteriores. Mediante estos parámetros se podrán calcular de forma sencilla las potencias actuales y anteriores de cada uno de los 5 paneles (Ilustración 77). Ilustración 77: Cálculo potencias 76 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Tras esto, y definiendo otro input a la función (la corriente por la rama, IPM), se tienen todos los ingredientes para poder implementar el algoritmo MPPT para cada panel. La implementación de este algoritmo ya se ha explicado en apartados anteriores, por lo que se obvia entrar en mucho detalle. Simplemente se muestra esquematizado en la Ilustración 78. Ilustración 78: Algoritmo MPPT La nomenclatura de los polos (g) empleada es la siguiente: - Primer número: indica si es el polo superior (1) o inferior (2) del módulo. Siempre van a estar negados uno respecto del otro, por lo que con generar en la función de Matlab el superior y luego introducirlo negado al módulo es suficiente. - Segundo número: indica el número de módulo al que corresponde (1…5). Una vez se tiene implementado el algoritmo MPPT, el cual indica qué polos deben conducir para que cada panel se acerque a su punto de máxima potencia, se tiene finalizada la fase 1. 4.6.2.2 FASE 2 DE INTEGRACIÓN: ORDENACIÓN DE MÓDULOS En esta fase se implementa exactamente lo mismo que en el algoritmo de ordenación expuesto en el apartado 4.5: “Rediseño del algoritmo de ordenación”. Por ello, no se va a hacer demasiado énfasis en su explicación. Se debe generar un vector de derivadas de potencia respecto a la tensión de cada panel para posteriormente ordenarlo en sentido ascendente/descendente, en función del sentido de la corriente en la rama (IPM). La Ilustración 70 es una clara representación de lo que se pretende. Una vez se tiene el vector de derivadas ordenado según esto, se finaliza la fase 2. 77 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas 4.6.2.3 FASE 3 DE INTEGRACIÓN: MÓDULOS QUE DEBEN CONDUCIR Tras haber implementado las 2 fases, ya tenemos las herramientas para poder finalizar el algoritmo. Esta fase es de gran importancia, pues en ella reside la base de la integración del algoritmo MPPT y ordenación. Se debe partir de una premisa fundamental: se debe respetar SIEMPRE el número de módulos que el modulador nos indica que debe conducir. Esto es para que la tensión de salida del MMC sea capaz de seguir la referencia. Si no se respeta esta indicación, la salida del MMC resultará ser errónea. Por lo tanto, un input fundamental para la función de Matlab es el número de polos (nz) que indica el modulador que deben conducir. A partir de aquí, se deben generar ciertas decisiones en base a los resultados obtenidos en las 2 fases anteriores, siempre respetando nz. Dado que en la fase 1 se generaron estados de conducción/no conducción de los módulos para lograr seguir el punto de máxima potencia, esta será una variable importante en esta fase. La idea en líneas generales consiste en comparar nz del modulador con el número de polos que indica en conducción el algoritmo MPPT (n_POLOS_PM) y, en función del resultado de esta comparación, poner a conducir los módulos propicios en función del resultado obtenido en la ordenación de derivadas en la fase 2 para intentar que, manteniendo el valor de nz, se puedan acercar los módulos lo máximo posible al MPP. Se presentan 3 posibles casos: 1) El valor de nz coincide con el valor de n_POLOS_PM. Este se trata del caso más simple, ya que como nz coincide con n_POLOS_PM, se pondrán a conducir exactamente los mismos polos que nos indica el algoritmo MPPT, por lo que no habrá problema alguno. 2) El valor de nz es menor que el valor de n_POLOS_PM. En este caso, dado que no se pueden poner a conducir todos los módulos que nos indica el algoritmo MPPT, lo cual sería ideal para que todos llegasen más rápido al punto de máxima potencia, se debe tomar una decisión acerca de cuáles son los más propicios. Para priorizar, será de vital importancia el vector de derivadas de potencia ordenado en función de la corriente de rama obtenido en la fase 2. Se pondrán a conducir los módulos por el orden que indica el vector de derivadas hasta completar nz, siempre y cuando coincida también con la decisión del MPPT. Por ello, habrá ciertos módulos que no se podrán conectar aunque el algoritmo MPPT diga que sí. Para verlo de forma más clara, se exponen un par de ejemplos en la Ilustración 79. 78 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 79: Ejemplos nz<n_POLOS_PM En la imagen se muestran los polos ordenados en función de los valores de las derivadas y del sentido de la corriente de rama (algoritmo de ordenación, fase 2) y los polos que el MPPT ha determinado que deben conducir para acercarse al MPP en recuadros de color rojo. En el caso a), el algoritmo MPPT nos dice que deben conducir los módulos que contienen el PV1 y el PV2. Se tiene el inconveniente de que el modulador indica que nz=1, por lo que solo se puede poner a conducir uno de ellos. Ahí es cuando entrará la decisión en función del algoritmo de ordenación, el cual va a poner a conducir el PV1 por encontrarse en primer lugar y ser el más alejado del MPP en ese momento. En el caso b), el algoritmo MPPT nos indica que se deben poner a conducir los polos PV1, PV2 y PV3 para que puedan llegar al punto de máxima potencia, pero el modulador nos indica que solo se pueden poner a conducir 2. Por ello, la decisión se tomará en base al orden generado y se pondrán a conducir PV1 y PV2, ya que son los más lejanos al MPP. 3) El valor de nz es mayor que el valor de n_POLOS_PM. Aquí se nos presenta el caso contrario que en el punto anterior. El modulador nos indica que deben conducir más módulos que los que el algoritmo MPPT desea, por lo que a algunos de los módulos que deberían permanecer desconectados no tendrán otro remedio que conducir para poder mantener la tensión de salida del MMC deseada. 79 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Para tomar la decisión de cuáles deben conducir, también será necesario basarse en la ordenación generada en la Fase 2. En primer lugar, se tendrán que poner a conducir todos los módulos que nos indica el MPPT. Posteriormente, se tendrán que poner a conducir tantos módulos como diferencia haya hasta llegar a nz. Es decir, si el algoritmo MPPT nos indica que deben conducir 2 módulos y nz=4, se tendrán que poner a conducir los 2 módulos del MPPT + 2 módulos que se decidirán en función de la ordenación generada en la fase 2. Esto está pensado para que, en caso de poder elegir (nz<n), se evite poner a conducir los módulos más alejados del MPPT en condiciones desfavorables para ellos. Se presentan nuevamente 2 ejemplos en la Ilustración 80. Ilustración 80: Ejemplos nz>n_POLOS_PM En el caso a), el modulador indica que se deben conectar 3 módulos, pero el algoritmo solo indica que sería conveniente conectar 1 (PV1, recuadro en rojo). Como se debe respetar en todo momento el valor de nz, se tendrán que conectar otros 2 a 86 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas 4.7 CONEXIÓN A RED DEL CONVERTIDOR MMC Para realizar la conexión a red del convertidor MMC, se ha escogido un control en tensión. Debido a las características de nuestro sistema, será interesante intentar controlar la variable VDC, la cual conviene recordar que es la que se encuentra en los extremos de las 3 fases (ver Ilustración 43). Dado se va a intentar que los paneles trabajen en su punto de máxima tensión, se recuerda que se tuvo que implementar el módulo redundante para intentar mantener esta tensión constante. Ahora, con la conexión a red, se va a introducir un control adicional para intentar mantener esta tensión constante, actuando sobre las referencias de tensión que se le aplican al modulador. La lógica que se sigue es: - Si se quiere ampliar la tensión VDC porque estamos por debajo del objetivo, se debe extraer menos potencia del sistema → Entregar menos potencia a la red → Las referencias de tensión entregadas al modulador tendrán que disminuir. - Si se quiere disminuir la tensión VDC porque estamos por encima del objetivo, se debe extraer más potencia del sistema → Entregar más potencia a la red → Las referencias de tensión entregadas al modulador tendrán que aumentar. La idea es fijar la referencia en la tensión de máxima potencia que pueda dar el conjunto completo a la máxima irradiancia más un pequeño margen para que no sea demasiado estricto. Es decir, en una fase se puede conseguir una tensión máxima de: 𝑉𝐷𝐶𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝑚𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙(1000𝑊/𝑚2)·𝑛𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 (12) Por lo tanto, la referencia que se establecerá será de: 𝑉𝐷𝐶𝑟𝑒𝑓 =𝑉𝐷𝐶𝑚𝑎𝑥 +𝑘 (13) siendo k un coeficiente para dar cierta holgura al control. De esta manera, si la tensión del conjunto se excede de la de máxima potencia, la conexión a red debería actuar para aumentar las referencias del sistema y así ser capaz de inyectar más energía, propiciando que la tensión VDC vuelva a disminuir a valores admisibles. Por otra parte, si la tensión VDC disminuye en demasía y el módulo redundante no es capaz de equilibrarlo, la conexión a red debería disminuir las referencias y así entregar menos energía a la red, propiciando un aumento de la tensión VDC para volver a su referencia. De esta manera se pretende gestionar la entrega de potencia del convertidor MMC para acoplarse a las necesidades de la generación de los paneles en todo momento y que no se produzcan desequilibrios en el sistema. Para llevar a cabo la implementación, en primer lugar, se debe medir la VDC real del sistema para poder compararla real y a partir de ahí llevar a cabo el control. La señal de control generada en dicha comparación se introducirá en un regulador PI cuyas constantes se tendrán que sintonizar, generando de esta manera la referencia de corriente del eje d (Id*). 87 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Las constantes Kp y Ki del regulador PI de este lazo más externo tendrán que ser negativas por la lógica de control que se sigue: - Cuanto más bajo sea el valor de VDC, más positiva se hará la señal de error. Si las constantes del regulador PI fueran positivas, se generaría una acción de control cada vez mayor y, en consecuencia, las referencias de tensión para el modulador aumentarían también. De esta forma, se estaría consiguiendo entregar más energía a la red, cosa contraproducente ya que la idea es reducir dicha potencia entregada para así hacer que la tensión VDC vuelva a aumentar. - Cuanto más alto sea el valor de VDC, más negativa se hará la señal de error. Si las constantes del regulador PI fueran positivas, se generaría una acción de control que se haría más negativa aun, reduciendo los valores de las referencias de tensión y permitiendo entregar menos energía a la red, lo cual haría que el valor de VDC siguiera aumentando, que es lo contrario del objetivo en este caso. Por todo esto, si se invierte el signo a las constantes del regulador PI, se conseguirá aumentar la entrega de potencia a red cuando se desee reducir el valor de VDC y viceversa. Dado que este tipo de controladores regulan 2 variables (en el eje d: la potencia activa P o la tensión continua VDC, en el eje q: la potencia reactiva Q o la tensión alterna AC), se debe generar también una referencia de corriente para el eje q (Iq*). Se establece que la potencia reactiva a generar por el convertidor MMC debe ser 0, por lo que dicha referencia será también nula. El esquema de esta parte del control se muestra en la Ilustración 86 Ilustración 86: Generación de referencias de corriente en ejes d y q Una vez se tienen estas referencias de corriente en ejes d y q, dado que se implementa un controlador en tensión y esto implica obtener unas referencias de tensión que introducir al modulador, se debe llevar a cabo la transformación. Para esto, se aplica el esquema que se mostró en la Ilustración 20. 88 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Una vez implementado esto, ya se disponen de las referencias de tensión para introducir al modulador y así generar el número de polos que deben conducir en cada momento, calcular ordenación y MPPT… Hasta ahora, las referencias introducidas en dicho modulador eran señales senoidales simuladas, siendo un control en lazo abierto. A la hora de ir probando el sistema, se debe asegurar en primer lugar que los reguladores internos del controlador en tensión están haciendo bien su trabajo. Para ello, se deben sintonizar los valores Kp y Ki de cada uno de los 2 PI que se deben implementar en este tipo de conexión a red. Para comprobar si los valores escogidos han sido correctos y, en caso de ser necesario, modificarlos, lo mejor es romper el lazo de control, dejando las referencias Id* e Iq* generadas por el lazo externo en constantes, aislándolo así del convertidor MMC. En las simulaciones llevadas a cabo, ambos reguladores PI se han sintonizado con valores de Kp = 1 y Ki = 25. En la Ilustración 87 se muestra cómo el funcionamiento aparentemente es correcto: la señal real Id (gráfica azul superior) e Iq (gráfica azul inferior) se estacionan en torno a las referencias Id* (gráfica roja superior) e Iq* (gráfica roja inferior) tras un transitorio normal en estos sistemas. Ilustración 87: Funcionamiento del regulador interno Una vez está el regulador interno funcionando, se puede empezar a tocar los parámetros del regulador externo y observar el comportamiento de nuestro sistema para intentar que, por fin, tenga un funcionamiento correcto. Inicialmente, se prueba con unos valores de Kp = -10 y Ki = -1. Añadir que las irradiancias a las que están trabajando los paneles son de 1000 W/m2. Si se consiguen controlar, se procederá a variar dichos valores. La salida que muestra el convertidor MMC en tensión y corriente es totalmente errónea, como se muestra en la Ilustración 88. 89 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 88: Salida MMC con Kp=-10 y Ki=-1 La señal de referencia de tensión es en todo momento demasiado elevada para el convertidor MMC. Si se observa lo que está sucediendo en el regulador PI externo, tenemos la Ilustración 89. 90 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 89: Regulador PI con Kp=-10 y Ki=-1 La señal de control del regulador PI es en todo momento (desde el instante inicial) demasiado elevada y se pierde el control demasiado pronto. La dinámica del control parece demasiado rápida respecto a la del convertidor, por lo que se procede a disminuir las constantes del PI para ver si se consigue llegar a controlarlo. En una segunda iteración, se decide reducir los valores de Kp e Ki 100 veces. Es decir, ahora Kp = -0.1 y Ki = -0.01. En este caso, la salida del convertidor MMC sí que es correcta y sigue las referencias, como se puede ver en la Ilustración 90. 91 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 90: Salida MMC con Kp = -0.1 y Ki = -0.01 Si se observa lo que sucede en el PI, se obtiene lo que se muestra en la Ilustración 91. Ilustración 91: Regulador PI con con Kp = -0.1 y Ki = -0.01 92 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ahora, parece que el control se ha estabilizado, pero existe cierto error entre la tensión VDC real y la tensión VDC de referencia de unos 30 V. Esto es un indicativo de que los paneles están trabajando a tensiones superiores a las de su MPP, por lo que no se está consiguiendo el objetivo. Esto se puede confirmar si se muestran los parámetros a los que están trabajando los paneles de una rama cualquiera (Ilustración 92). Ilustración 92: Punto de trabajo de los paneles con Kp = -0.1 y Ki = -0.01 Se ha procedido a probar con otros valores de constantes para el controlador PI para ver si se podía mejorar el control. La situación más favorable que se ha encontrado ha sido con unos valores de Kp = - 0.7 y Ki = - 0.03, mostrado en la Ilustración 93. 93 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 93: Regulador PI con Kp=-0.7 y Ki=-0.03 Se muestran también los parámetros de funcionamiento de los paneles para estos casos en la Ilustración 94. Ilustración 94: Punto de trabajo de los paneles con Kp = -0.7 y Ki = -0.03 Se puede ver que, aunque es la situación más favorable que se ha encontrado, no se consigue que los paneles trabajen en su punto de máxima potencia, por lo que hay algo en la integración que no está funcionando como se espera. Se ha intentado realizar distintas pruebas a mayores como: 94 Jose Arroyo Galán Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas - Modificar la inductancia de acoplamiento con la red. - Aumentar el valor del condensador de los módulos del MMC. Se debe recordar que, cuando se probó el algoritmo MPPT en un módulo aislado (epígrafe 4.1.2 del presente proyecto) fue necesario aumentar el valor de dichos condensadores para que el panel pudiera encontrar el punto de máxima potencia. - Aunque las pruebas realizadas hasta aquí han sido relativas al PI, se ha seguido probando con distintos valores de constantes. - Valores iniciales de los condensadores de los módulos. - Introducir manualmente la referencia de Id con el valor teórico que tendría con los paneles en su punto de máxima potencia para ver si el comportamiento mejoraba. - Controlar la potencia activa entregada a la red en lugar de la tensión VDC. - Añadir un rectificador a la salida del convertidor MMC que permita acoplar una fuente de tensión DC en el otro extremo. De esta manera se simularía una carga que consumiera toda la potencia generada sin necesidad de realizar un control con conexión a red. En ninguno de estos casos se han conseguido mejorar los resultados obtenidos hasta ahora. Quizás no sea viable llegar a controlar la potencia de los paneles fotovoltaicos por esta vía que se ha escogido hasta ahora. Se debe recordar que en el artículo de referencia principal de este proyecto, se plantea un control de distinta forma a la que se ha planteado aquí. En el mencionado artículo se lleva a cabo toda la acción de control antes del paso por el modulador: se implementan diferentes controles que considera necesarios para llegar a generar finalmente una referencia de tensión para cada uno de los módulos que se introduce a un control Carrier Phase Shifted PWM, tal y como se muestra en la Ilustración 95. En el control que se ha intentado implementar en el presente proyecto, la topología del control cambia. En base a unas referencias de tensión, se genera en el modulador unas señales PWM que indican el número de polos a conducir. A partir de esta señal del modulador, es cuando se implementa el control sobre el punto de máxima potencia de los paneles (Ilustración 96). Seguramente, algo de la dinámica no esté funcionando de forma correcta o sea incompatible (o que haya algún error en algún punto que no se ha sabido ver). 95 Integración Fotovoltaica – MMC Nuevo convertidor basado en MMC para aplicaciones fotovoltaicas Ilustración 95: Control implementado en el artículo de referencia Ilustración 96: Control implementado en este proyecto