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, reduce la velocidad de convergencia hacia el MPP (Hay que tener en cuenta que en general el MPP variará con el tiempo). Como consecuencia han aparecido muchas versiones de este método que adaptan el tamaño del intervalo para conseguir velocidades de convergencia altas y poca sobre oscilación. Las más importantes son: Uso de lógica difusa para estimar el tamaño del intervalo, división del algoritmo en una etapa de convergencia y una posterior de seguimiento o pasar directamente a la etapa de seguimiento utilizando una ecuación no lineal para estimar un buen  punto inicial para el algoritmo.

Este método funciona tanto con el uso de valores instantáneos como con valores medios. Sin embargo puede fallar ante cambios muy bruscos de la irradiación, por lo que existen otras variantes que utilizan una comparación ponderada de varias medidas anteriores para decidir el signo de la siguiente perturbación.

Para implementar el Hill Climbing o el P&O son necesarios en principio dos sensores: de tensión y de intensidad; de los que se calcula la potencia, aunque ciertos conversores de potencia permiten implementarlo a través de un único sensor de tensión. Por lo demás, lo más adecuado es implementarlos mediante el uso de DSP o microcomputadores de control.

Incremental Conductance (IncCond)

El método IncCond (se basa en el hecho de que la pendiente de la curva de potencia es cero en el MMP, positiva a su izquierda y negativa a su derecha:

dP / dV = 0, en el MPP

dP / dV > 0, a la izquierda del MPP                    (1)

dP / dV < 0, a la derecha del MPP.

Teniendo en cuenta que:

(1) se puede escribir como:

Propiedad del MPP (2)
Diagrama de Flujo IncCond

Con estas condiciones se puede llevar a cabo el seguimiento del MPP mediante la comparación de la conductancia instantánea (I/V) con el incremento de la conductancia (ΔI/ΔV) tal y como se muestra en la figura.

Esta técnica presenta el mismo compromiso que la anterior entre velocidad de convergencia y estabilidad entorno al MPP, que depende del tamaño de los incrementos y también se aplican para mejorarlo los métodos de dos etapas (convergencia y seguimiento) aplicadas con las técnicas “hill climbing” y P&O. En este caso la etapa de seguimiento es posible seleccionar un punto de funcionamiento inicial en el que la conductividad (I/V) sea igual a la relación entre la Intensidad de cortocircuito y la tensión de circuito abierto (Icc/Vca), lo que asegurará que se sigue al verdadero MPP en el caso de que existan múltiples máximos locales.

Otra forma efectiva de llevar a cabo la técnica IncCond es utilizar la conductancia instantánea y su incremento instantáneo para generar una señal de error cuyo valor se anula en el MPP. Un simple control PI sirve para llevar e hasta cero.

Para esta técnica de nuevo son necesarios dos sensores (tensión e intensidad). Por lo demás, se adapta bien al uso de DSP’s, con los que es fácil hacer el seguimiento de los valores previos de tensión e intensidad y decidir las acciones de control.

Tensión proporcional a la de circuito abierto y corriente proporcional a la de cortocircuito.

Se resumen aquí dos técnicas parecidas basadas en principios equivalentes. Una en el campo de la tensión y otra en el de la corriente.

Una característica de las células fotovoltaicas es que, para cualquier nivel de irradiación y temperatura, la tensión del MPP es una fracción aproximadamente constante de la tensión de circuito abierto:

(3)

Análogamente, la intensidad del MPP para distintas condiciones atmosféricas guarda una relación aproximadamente lineal con la intensidad de cortocircuito:

(4)

Estas dos propiedades se pueden resumir diciendo que las distintas curvas I-V para las distintas condiciones atmosféricas son geométricamente semejantes. Los parámetros K1 y K2 deben ser estimados previamente al uso de la planta mediante ensayo. K1 suele tomar valores entre 0.71 y 0.78, mientras que K2 suele valer entre 0.78 t 0.92. Cada uno de estos dos valores nos va a permitir seleccionar el punto de operación a partir de la tensión de circuito abierto (si conocemos k1) o bien de la intensidad de cortocircuito (si conocemos k2).

Los problemas de estas técnicas vienen de la necesidad de medir el VCA o la ICC para adaptar el punto de funcionamiento en cada momento:

En el primer caso, en principio, es necesario desconectar periódicamente el conversor de potencia durante unos instantes para medir la VCA. Eso tiene ciertas desventajas como, por ejemplo, una pérdida temporal de potencia que reduce la eficacia del control. Sin embargo, existen alternativas para evitar las desconexiones de la planta: Una de ellas consiste en tener una única célula de referencia que sería desconectada y utilizada para medir la VCA sin tener que desconectar la planta entera. El cuidado que hay que tener es elegir adecuadamente la célula para asegurar que sea representativa de las demás. Otra alternativa es medir la caída de tensión que existe en los diodos de unión PN, que se sabe que es, aproximadamente, un 75% de la tensión de circuito abierto.

En el caso de control por corriente hay que cortocircuitar la célula periódicamente para calcular la ICC. Esto puede hacerse añadiendo un interruptor o bien utilizando el propio interruptor del “boost converter”.

La potencia obtenida con estas técnicas se ve reducida, no sólo por la necesidad de cortocircuitar la planta (o desconectarla si fuera el caso), sino también por el hecho de que (3) y (4) son aproximaciones, con lo que el MPP nunca se sigue con exactitud. Por otra parte, en condiciones de sombra parcial de la planta los valores K1 y K2 dejan de ser válidos. Para solucionar esto existen implementaciones que realizan barridos periódicos de las tensiones o intensidades para actualizar dichos valores. Esto, sin embargo, lleva asociada también una cierta pérdida de potencia.

En el próximo artículo se revisarán todavía más técnicas de MPPT interesantes como el uso de lógica difusa o de redes neuronales entre otras. Finalmente ofreceremos una clasificación a modo de resumen en función de sus características principales.

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2 comentarios en “Técnicas de “Maximum Power Point Tracking” (II)”

  1. Atienza Says:

    Pues parece que está bastante completo. Me interesa bastante el de redes neuronales… ¿harás alguna simulación cuando esté hecho? Bueno, seguiré esperando.

    A propósito, en la última técnica no has hecho resumen de sensores ni nada de eso.

    Saludos

    • Javier Barro Says:

      Gracias, Atienza. No tenía pensado hacer ninguna simulación sobre esto, aunque ahora que lo dices una con redes neuronales estaría bien, creo que la haré. Lo de los sensores se me ha escapao, enseguida lo actualizo y los incluyo.

      Y ya que estamos, si te interesa el próximo artículo, te recuerdo que puedes suscribirte por correo escribiendo tu dirección en la barra de la derecha y pulsando “¡Me apunto!”.

      Saludos


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