AGS Audio Engineering

La serie de artículos sobre técnicas de MPPT ha sido el primer monográfico de cierta envergadura que se ha publicado completo en Polo Estable. A raíz de esto ha aparecido un grupo de seguidores muy interesados, no sólo en la automática en general, sino concretamente en la electrónica en sí. A la vista de esto, he decidido dedicar una entrada a la última incorporación del blogroll de este blog: AGS Audio Engineering

Se trata del blog técnico de Agustín García Sáez; un Ingeniero Industrial de la especialidad de electrónica al que ya habíamos mencionado en Polo Estable agradeciéndole su ayuda en la elaboración del monográfico sobre MPPT. Agustín, además de haber trabajado con inversores fotovoltáicos, tiene como afición la electrónica aplicada al sonido. En su blog podemos encontrar varias secciones en las que enseña la parte más interesante de su experiencia en este campo:

• artículos. Dedicados a los músicos y desarrollados sin entrar en detalles demasiado profesionales. Interesantes, por ejemplo, los dedicados a los bucles de masa o al efecto de las cargas complejas sobre los amplificadores.
• diseños. En los que se muestra la parte más novedosa de su actividad. Soluciones originales que aportan algo nuevo a la electrónica aplicada al sonido.
• modificaciones. Agustín mete su mano en elementos existentes para mejorar o ampliar alguna funcionalidad: activación remota de pedales, filtrado y estabilización de tensión de alimentación de un previo, sustitución de los A.O.’s de un pedal por otros de calidad, …
• otras secciones en las que se puede consultar su currículum, una lista del equipo del que dispone, datos de contacto o noticias sobre sus últimas actividades.

Los aficionados a la tecnología del sonido tienen en AGS Audio Engineering un sitio para distraerse y aprender.

Disfrutadlo y que la fuerza os acelere.

Técnicas de “Maximum Power Point Tracking”, Resumen Final

Como se ha ido viendo durante esta serie de artículos, existen muchas maneras de implementar el MPPT y existen también variaciones para cada una de ellas. En este artículo se ofrece un resumen de las características de cada una que puede ayudar a elegir la técnica más apropiada para cada caso y dos tablas que recogen dicha información para las distintas técnicas.

En primer lugar, la facilidad de implementación y de mantenimiento es un factor importante a la hora de elegir que depende en gran medida del usuario final. Algunos pueden estar más familiarizados con la circuitería analóigca, mientras que otros pueden preferir implementaciones digitales aunque requieran programación o el uso de software especial. El estudio previo de las características de la planta y la sintonización periódica requieren tiempo y esfuerzo, por lo que son características indeseables en muchas ocasiones, aunque se podrían admitir en pro de otra serie de ventajas.

El número y el tipo de sensores necesarios influye mucho en el precio final de la instalación, especialmente si se trata de plantas divididas en sectores con controladores de MPPT en cada uno de ellos. Por otra parte los sensores de tensión son, a menudo, más baratos y fiables que los de intensidad. Los sensores de irradiancia por su parte son poco comunes y más difíciles de encontrar.

Técnica	Estudio de planta	Verdadero MPPT	Analógico / Digital	Sintoniz. periódica
Hill-climbing/P&O	No	Sí	Ambos	No
IncCond	No	Sí	Digital	No
Fractional VOC	Sí	No	Ambos	Sí
Fractional ISC	Sí	No	Ambos	Sí
Fuzzy Logic Control	Sí	Sí	Digital	Sí
Neural Network	Sí	Sí	Digital	Sí
RCC	No	Sí	Analógico	No
Current Sweep	Sí	Sí	Digital	Sí
DC Link Capacitor Droop Control	No	No	Ambos	No
Load I or V Maximization	No	No	Analógico	No
dP/dV or dP/dI Feedback Control	No	Sí	Digital	No
Array Reconfiguration	Sí	No	Digital	Sí
Linear Current Control	Sí	No	Digital	Sí
IMPP & VMPP Computation	Sí	Sí	Digital	Sí
State-based MPPT	Sí	Sí	Ambos	Sí
OCC MPPT	Sí	No	Ambos	Sí
BFV	Sí	No	Ambos	Sí
LRCM	Sí	No	Digital	No
Slide Control	No	Sí	Digital	No

Los máximos locales son un problema que afecta principalmente a las plantas grandes que se ven fácilmente afectadas por sombras parciales y que les puede hacer perder mucho rendimiento. En estos casos, las técnicas capaces de evitarlos (como por ejemplo la técnica

Técnicas de «Maximum Power Point Tracking» (VI)

Control por realimentación de dP/dV o dP/dI

La característica matemática principal del MPP es que en él la derivada de la potencia con respecto a la tensión y a la intensidad es cero: dP/dV = 0 y dP/dI = 0.
En varios de los métodos de MPPT vistos aquí se ha utilizado esta expresión manipulándola para obtener expresiones más sencillas de evaluar (p.ej: Hill Climbing / P&O o IncCond). Sin embargo, si se dispone de DSPs y micro controladores es posible emplear el cálculo directo de la pendiente de la curva P – V o P – I y utilizar ese dato para realimentar cualquier sistema de control que lo lleve a cero.

Existen muchas posibles variantes de este método directo que han mostrado buenos resultados llegando a convergir algunas en centésimas de segundo.

Otras técnicas de MPPT

Otras técnicas de MPPT incluyen la

Técnicas de «Maximum Power Point Tracking» (V)

Maximización de la intensidad / tensión de la carga

A menudo las plantas fotovoltaicas se emplean para alimentar una carga concreta y en esos casos, suponiendo un conversor de potencia sin pérdidas, maximizar la potencia obtenida de la planta equivale a maximizar la potencia consumida por dicha carga. Esta equivalencia se puede aprovechar a la hora de abordar el problema de maximización teniendo en cuenta que la mayoría de las cargas son de tipo fuente de tensión, fuente de intensidad, resistivas o una combinación de ellas. En el caso de fuentes de tensión, maximizar la potencia implica maximizar la intensidad consumida i_out, en el caso de una fuente de intensidad la potencia se maximiza maximizando la tensión v_out y en el resto de los casos se puede usar cualquiera de los dos. Esto también es cierto para el caso de cargas no lineales siempre que no muestren características de impedancia negativa.



Como consecuencia, es posible hacer un

Técnicas de “Maximum Power Point Tracking” (IV)

Control por relación del rizado

De todas las formas que puedan existir para resolver un problema, las más elegantes son siempre las más sencillas y, en concreto, si es posible, las que sacan partido de los inconvenientes convirtiéndolos en ventajas. La técnica del Control por Relación de Rizado (RCC) (del inglés: Ripple Corelation Control) hacen precisamente esto, solucionan el problema del MPPT haciendo uso de uno de los principales inconvenientes del uso de convertidores de potencia: el rizado.

Como es sabido, los convertidores de potencia realizan su función a base de conmutaciones a media-alta frecuencia entre estados de cortocircuito y de circuito abierto (en los casos más sencillos). Esto provoca la aparición de armónicos de alta frecuencia (rizado) que es necesario eliminar a la salida del convertidor mediante condensadores rápidos y capaces. Estos armónicos aparecen también en la planta fotovoltaica, lo que provoca que su punto de funcionamiento oscile a alta frecuencia.

El RCC se basa, al igual que la técnica P&O vista anteriormente, en la relación que existe entre las variaciones de potencia y las variaciones de tensión (o de intensidad) a cada lado del MPP. Sin embargo, mientras en P&O se perturbaba el punto de funcionamiento para comprobar la variación de potencia asociada, RCC utiliza las «pequeñas perturbaciones de alta frecuencia» que supone el rizado, por lo que no es necesario programar ningún algoritmo que establezca las perturbaciones sobre el punto de funcionamiento (lo cual supone un importante ahorro de inversión en electrónica y en tiempo de programación).

Desde el punto de vista de la maximización de potencia conseguida, el RCC consigue un seguimiento constante y exacto del MPP al basarse en oscilaciones de alta frecuencia ya presentes en la planta. Mientras que el P&O hacía oscilar el punto de funcionamiento alrededor del punto de máxima potencia, lo que suponía una cierta pérdida de eficiencia en función de la frecuencia y amplitud de dichas oscilaciones.

Haciendo un estudio de casos parecido al que se hizo al ver el control P&O, vemos que

Técnicas de «Maximum Power Point Tracking» (III)

Control mediante lógica difusa

El uso de micro controladores hace posible realizar el «Maximum Power Point Tracking» con técnicas de control mediante lógica difusa, que se ha hecho popular en la última década. Entre las ventajas de la lógica difusa se encuentran el hecho de que no necesita un modelo matemático preciso, admite comportamiento no lineal y funciona con entradas poco precisas.

El control por lógica difusa consta de tres etapas:

1. Ambiguación (fuzzification): En la que las entradas son convertidas de valores  numéricos a valores «difusos» o niveles como: «muy alto», «alto», «medio», «bajo» y «muy bajo»
2. Búsqueda en tabla: Se selecciona un valor difuso de la salida correspondiente a los valores difusos de las entradas.
3. Desambiguación (defuzzification): Donde se convierte el valor difuso de la salida en una salida numérica.

NG = Negativo Grande; NP = Negatvo Pequeño; CE = Cero; PP = Positivo Pequeño; PG = Positivo grande

Para el primer y el tercer paso se utilizan funciones de pertenencia del estilo de las de la figura anterior, típicamente con tres, cinco o siete niveles. En el MPPT, las entradas para este tipo de control suelen consistir en

Técnicas de «Maximum Power Point Tracking» (II)

Hill Climbing y P&O

De los métodos sobre los que más estudios existen para maximizar la potencia obtenida por los paneles fotovoltaicos son los llamados “Ascenso de Colina” (Hill Climbing) y “Perturbar y Observar” (Perturb and Observe) o P&O. La técnica Hill Climbing consiste en alterar el ciclo activo del conversor de potencia, mientras que la P&O consiste en alterar la tensión de funcionamiento del sistema de paneles fotovoltaicos; sin embargo, cuando el sistema va conectado a un conversor de potencia, una alteración del ciclo activo produce una variación de la tensión de funcionamiento de los paneles. Como se ve, se trata realmente de nombres para dos puntos de vista distintos de la misma técnica.

El procedimiento se resume en los siguientes pasos:

1. Alterar la tensión de funcionamiento (aumentar o disminuir).
2. Comprobar la variación de la potencia obtenida.
3. Seleccionar el sentido de la siguiente perturbación (I.e.: el signo del siguiente incremento de tensión):

• Si la potencia ha aumentado se conserva el anterior.
• Si la potencia ha disminuido se cambia el sentido del incremento.

Con estos pasos, en vista de la forma de la curva de potencia, se consigue mantener el punto de funcionamiento oscilando entorno al punto de máxima potencia (MPP). La oscilación se puede minimizar reduciendo el tamaño de los incremento, aunque esto, por otro lado,

Técnicas de «Maximum Power Point Tracking» (I)

No es necesario a estas alturas convencer a nadie de la importancia de las energías renovables y energías limpias ni de las ventajas que ofrecen y que pueden llegar a ofrecer. Si su uso está a día de hoy limitado a un porcentaje menor del 10% de la energía eléctrica producida a nivel mundial, se debe a distintos factores políticos, sociales y económicos, muchos de los cuales son extrínsecos y transitorios (como demuestra el gran crecimiento que el uso de estas energías está teniendo). Otros, sin embargo son intrínsecos y están relacionados con la rentabilidad de la producción de energías renovables.

El caso de la energía solar fotovoltaica es un claro ejemplo de desventaja en cuanto a rentabilidad. En países como España, el potencial solar es mucho mayor que el eólico y que el hidráulico y estadísticamente es más predecible y constante. Además, los costes de instalación y de mantenimiento de las instalaciones solares son mucho más bajos por unidad de potencia producida. Sin embargo, a pesar de todo eso, sigue ocupando un puesto inferior en el mix de las energías renovables a causa de su baja rentabilidad energética. En palabras más sencillas: La energía que producen a lo largo de su vida útil no es muy grande en comparación con la que hace falta para producir los paneles. Las soluciones a estos problemas