Photovoltaic System Regulation Based on a PID Fuzzy Controller to Ensure a Fixed Settling Time

El objetivo principal de controlar los sistemas fotovoltaicos (PV) es asegurar la máxima extracción de potencia disponible. Estos controladores usualmente combinan la acción de un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) con un regulador de tensión, el cual tiene la función de rechazar las perturbaciones en los terminales del panel. Estos controladores se basan comúnmente en estructuras PI-PID que requieren modelos linealizados alrededor del punto de operación. Pero, debido a perturbaciones generadas por el ambiente y la carga, el punto de operación cambia drásticamente, lo que dificulta obtener el desempeño deseado. Este artículo propone regular el sistema PV utilizando un controlador Fuzzy-PID, el cual se adapta a los cambios de irradiancia solar y oscilaciones en la carga. Esta característica garantiza un tiempo de establecimiento constante, el cual se requiere para definir de forma precisa el periodo del algoritmo MPPT. En el caso de controladores lineales, el periodo del MPPT se fija en el peor caso (periodo más largo), lo cual genera pérdidas de potencia adicionales al disminuir la velocidad del seguimiento del punto de operación óptimo. La solución propuesta en este artículo mejora la eficiencia general del sistema. Finalmente, la solución se valida con simulaciones en Matlab®.The main objective of the controllers in photovoltaic systems (PV) is to ensure the maximum extraction of the available power. Those controllers usually combine the action of a maximum power point tracking algorithm (MPPT) with a voltage regulator, which has the function of rejecting disturbances at the panel terminals. Such controllers are commonly based on PI and PID structures, it requiring linearized models at an operating point. But, due to disturbances generated by the environment and the load, the operating point of the system changes drastically, which hinder to obtain the desired system performance. This paper proposes to regulate the PV system using a Fuzzy PID controller, which adapts to changes in solar irradiance and load oscillations. This characteristic guarantees a constant settling time, which is required to precisely define the period of the MPPT algorithm. In the case of classical linear controllers, the period of the MPPT algorithm is set to the worst case (longest period) which generates additional power losses by slowing down the tracking of the optimal operating point. Therefore, the solution proposed in this paper improves the overall system efficiency. Finally, such a solution is validated through simulations in Matlab®

Equivalent circuits for simulating irregular PV arrays under partial shading conditions

El modelado y simulación de sistemas fotovoltaicos (PV) son áreas de investigación abiertas ya que las curvas I-V y P-V son comúnmente requeridas para analizar el desempeño de instalaciones PV. Para obtener dichas curvas se pueden utilizar paquetes de cómputo, sin embargo, el tipo de conexión y el tamaño del arreglo PV pueden ocasionar largos tiempos de simulación. Para superar dicha dificultad se han propuesto técnicas basadas en los puntos de inflexión para modelar el arreglo PV con el objetivo de reconstruir exactamente las curvas eléctricas requeridas. Sin embargo, tal análisis ha sido aplicado solo a la configuración serie-paralelo (SP), la cual es solo una de las alternativas para conectar arreglos PV entre otras opciones de conexión regular o irregular. Por esto, se requiere una aproximación más general. Este artículo presenta una proximación para obtener las curvas características de cualquier arreglo PV, regular o irregular, extendiendo el análisis de los puntos de inflexión. Entonces, de las curvas eléctricas del arreglo PV es simplificado utilizando circuitos equivalentes en intervalos definidos por los puntos de inflexión. Tal procedimiento está basado en definir cuáles módulos se activan debido al comportamiento de los diodos de bypass. Finalmente, la aproximación propuesta permite analizar cualquier arreglo PV sin requerir de simulaciones largas. La solución fue validada por medio de resultados de simulación obtenidos en Matlab®.Modeling and simulation of photovoltaic (PV) systems are open research areas since I-V and P-V curves are commonly required to analyze the performance of PV installations. To obtain such curves commercial software packages can be used, however the connection type and size of the PV array may cause large simulation times. To overcome such an issue several techniques based on analyzing the inflection points have been proposed to model the PV array with the aim of reconstruct accurately the required electrical curves. However, such analysis has been applied only for series-parallel (SP) configuration, which is just one alternative to connect PV arrays among several other regular or irregular options. Therefore, a more general approach is needed. This paper presents an approach to obtain the characteristics curves for any PV array, regular or irregular, by extending the inflection points analysis. Then, the calculation of the PV array electrical curves is simplified by using equivalent circuits within the intervals defined by the inflection points. Such a procedure is based on defining which modules become active due to the behavior of the bypass diodes. Finally, the proposed approach enables to analyze any PV array without requiring long electrical simulations. The solution was validated by means of simulation results obtained in Matlab®

Mathematical Model of Bridge-Linked Photovoltaic Arrays Operating Under Irregular Conditions

Este artículo presenta un procedimiento matemático para modelar un arreglo fotovoltaico (N filas y M columnas) en configuración puente-vinculado operando en condiciones regulares o irregulares. Dicho procedimiento usa el modelo ideal de un diodo para representar cada modulo fotovoltaico y la ecuación de Shockley para representar cada diodo de desviación. Para plantear el sistema de NxM ecuaciones no lineales requerido para obtener los voltajes de cada modulo, el modelo propuesto aplica la ley de corrientes de Kirchhoff a cada nodo interno del arreglo y la ley de voltajes de Kirchhoff a: cada lazo creado en la parte superior de una conexión entre dos columnas consecutivas y a cada columna con respecto al voltaje del arreglo. Además, el modelo provee un procedimiento para obtener la matriz Jacobiana para reducir el tiempo de solución del sistema de ecuaciones. El modelo circuital de dos arreglos (pequeño: 3x3 y mediano: 20x3) fue implementado en Simulink para validar el modelo. La exactitud y mejora en la velocidad de cálculo del modelo propuesto permite su uso para realizar evaluaciones energéticas de arreglos en puente vinculado o su comparación con otras configuraciones típicas, lo cual puede ser útil en el diseño de plantas fotovoltaica.This paper presents a mathematical procedure to model a photovoltaic array (N rows and M columns) in bridge-linked configuration operating under regular and irregular conditions. The proposed procedure uses the ideal single-diode model representation for each photovoltaic module and the Shockley equation to represent each bypass diode. To pose the system of NxM non-linear equations required to obtain the voltages of each module of the array, the proposed model apply the Kirchhoff current law to each internal node of the array and the Kirchhoff voltage law to: each loop created in the upper part of each connection of two consecutive strings and each string with respect to the output voltage of the array. Moreover, the model provide a procedure to obtain the Jacobian matrix to reduce the solution time of the equation system. The circuital model of two arrays (small: 3x3 and medium: 20x3) were implemented in Simulink to validate the proposed model. The accuracy and improved calculation speed of the proposed model allow its use to perform energetic evaluations of bridge-linked arrays or its comparison with other typical array configurations, which can be useful in the designing of photovoltaic plants

Modeling of PV Systems Based on Inflection Points Technique Considering Reverse Mode

Este artículo propone una metodología para el modelado de sistemas fotovoltaicos, considerando su comportamiento tanto en el modo de operación directo como en modo inverso bajo condiciones no uniformes de irradiación. La metodología propuesta se basa en la técnica de puntos de inflexión con una aproximación lineal del modelo del diodo de bypass y un modelo simplificado del módulo fotovoltaico. El modelo matemático planteado permite evaluar el rendimiento energético de un sistema fotovoltaico, con tiempos cortos de simulación para arreglos de gran tamaño. Adicionalmente, esta metodología permite estimar el estado de los módulos afectados por el sombreo parcial ya que es posible conocer la potencia disipada debido a la operación en el segundo cuadrante.This paper proposes a methodology for photovoltaic (PV) systems modeling, considering their behavior in both direct and reverse operating mode and considering mismatching conditions. The proposed methodology is based on the inflection points technique with a linear approximation to model the bypass diode and a simplified PV model. The proposed mathematical model allows to evaluate the energetic performance of a PV system, exhibiting short simulation times in large PV systems. In addition, this methodology allows to estimate the condition of the modules affected by the partial shading since it is possible to know the power dissipated due to its operation at the second quadrant

Energy Prediction in Urban Photovoltaic Systems

Este artículo propone un nuevo método para estimar la potencia y energía producida por sistemas fotovoltaicos urbanos, los cuales son comúnmente cubiertos por sombras que afectan su desempeño. La solución se basa en un algoritmo para procesar, rápidamente, un modelo preciso que considera el efecto de las sombras. Esta solución provee un mejor desempeño en comparación con aproximaciones clásicas, ya que reduce significativamente el tiempo de cálculo sin introducir errores sensibles, permitiendo la simulación de largos periodos de operación, e.g. meses y años. Por lo tanto, esta solución es apropiada para realizar estimaciones de energía orientadas a análisis económicos, e.g. cálculo del tiempo de retorno de la inversión, así como para soportar el diseño de instalaciones fotovoltaicas, permitiendo el cálculo preciso del número de módulos requeridos para suplir el perfil de carga.This paper proposes a new method to accurately estimate the power and energy production in urban photovoltaic (PV) systems, which are commonly covered by shades affecting its performance. The solution is based on an efficient algorithm designed to compute, in short time, an accurate model accounting for the shades impact. In such a way, the proposed approach improves classical solutions by significantly reducing the processing time to simulate long periods, e.g. months and years, but without introducing sensible errors. Therefore, this approach is suitable to estimate the production of PV systems for economical analyses such as the return-of-invested time calculation, but also to accurately design PV installations by selecting the right number of photovoltaic modules to supply the required load power.  

Traffic characterization in a communications channel for monitoring and control in real-time systems

The response time for remote monitoring and control in real-time systems is a sensitive issue in device interconnection elements. Therefore, it is necessary to analyze the traffic of the communication system in pre-established time windows. In this paper, a methodology based on computational intelligence is proposed for identifying the availability of a data channel and the variables or characteristics that affect the performance and data transfer, which is made up of four stages: a) integration of a communication system with an acquisition module and a final control structure; b) communication channel characterization by means of traffic variables; and c) relevance analysis from the characterization space using SFFS (sequential forward oating selection); d) Channel congestion classification as Low or High using a classifier based on Naive Bayes algorithm. The experimental setup emulates a real process using an on/off remote control of a DC motor on an Ethernet network. The communication time between the client and server was integrated with the operation and control times, to study the whole response time. This proposed approach allows support decisions about channel availability, to establish predictions about the length of the time window when the availability conditions are unknown