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®

Search Space Calculation to Improve Parameter Estimation of Excitation Control Systems

En este artículo se presenta un método para calcular el espacio de búsqueda de cada parámetro del modelo de un sistema de control de excitación. Con el espacio de búsqueda calculado se pretende reducir el número de conjuntos de parámetros solución que pueden ser encontrados por el algoritmo de estimación, reduciendo su tiempo de procesamiento. El método considera un rango de la constante de tiempo del generador sincrónico entre 4s y 10s, un índice de desempeño del sistema de control de excitación, una técnica de diseño de controladores y la estructura del modelo del sistema de control de excitación. Cuando se usa el espacio de búsqueda obtenido para estimar los parámetros, el algoritmo toma menos tiempo de procesamiento y los parámetros estimados son cercanos a los parámetros de referencia.A method to calculate the search space for each parameter in an excitation control system is presented in this paper. The calculated search space is intended to reduce the number of parameter solution sets that can be found by an estimation algorithm, reducing its processing time. The method considers a synchronous generator time constant range between 4s and 10s, an excitation control system performance index, a controller design technique, and the excitation control system model structure. When the obtained search space is used to estimate the parameters, less processing time is used by the algorithm. Also the estimated parameters are closer to the reference ones

A design methodology of microgrids for non-interconnected zones of Colombia

En este artículo se propone una metodología para diseñar microrredes en zonas no interconectadas de Colombia. El diseño de la microrred se realiza siguiendo la normativa eléctrica colombiana. Las etapas de la metodología son: recolección de información de campo, evaluación de recursos energéticos renovables y no renovables, estimación del perfil de carga, dimensionamiento de los generadores, diseño de la topología de la microrred y análisis eléctrico. Los calibres de los conductores se seleccionan según la NTC 2050. Se presenta un caso de estudio, para el cual se selecciona la región de Taroa, en el Departamento de la Guajira. Taroa está ubicada en una zona no interconectada de Colombia. A partir de información meteorológica de la zona y el análisis de carga, se seleccionan los equipos de generación usando el software HOMER. Las tensiones en la microrred son calculadas a partir de flujos de potencia utilizando el software Power System Analysis Toolbox. Los generadores son representados con modelos reducidos para agilizar el proceso de diseño. Las variaciones de tensión en los nodos de la microrred diseñada están dentro del 3% de la tensión nominal. Este rango de variación está definido en el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE). Los resultados de las simulaciones, utilizando datos reales, evalúan la viabilidad de la metodología propuesta.A methodology for microgrids design in non-interconnected zones of Colombia is proposed in this paper. The microgrid design is carried out following the Colombian electrical normativity. The stages of the methodology are: collection of the field information, evaluation of renewable and nonrenewable resources, load profile estimation, sizing of the generators, design of microgrid topology, and electrical analysis. The size of conductors is selected according to NTC 2050. A study case is presented, where the region of Taroa, in the Department of Guajira, is selected. Taroa is located in a not interconnected zone of Colombia. From meteorological information of the zone and the load analysis, the generation equipment is selected using the software HOMER. The voltages on the microgrid are computed applying power flow analysis using the software Power System Analysis Toolbox. The generators are represented with reduced models to streamline the design. The voltage variations in the buses of the designed microgrid are in the 3% of the nominal voltage. This variation range is defined in Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE). Simulation results, using actual data, assess the feasibility of the proposed methodology

Experimental characterization of compact fluorescent lamps for harmonic analysis of power distribution systems

The modeling of a compact fluorescent lamp for harmonic analysis under terminal voltage variation is presented in this paper. The compact fluorescent lamp is represented with the diode bridge rectifier model, which is commonly used for harmonic analysis. The set of parameters is estimated for different values of the terminal voltage applied to the lamp. The equations to estimate the parameters and the required measurements to calculate them are presented. To characterize the lamp an experiment is carried out varying the RMS terminal voltage from 10 V to 131.6 V and for each terminal voltage value the apparent, real and reactive powers, the power factor, the current and the applied voltage are registered. To validate the model in the range of the terminal voltage, the total harmonic distortion of current calculated with the experimental signal and the total harmonic distortion of current calculated with simulation software are compared. The results show that the compact fluorescent lamp can be represented for one set of parameters in the operation range of the terminal voltage suggested by the manufacture

Identification of a Permanent Magnet Direct Current Motor from One Experiment

En este artículo se presenta un procedimiento simple para estimar los parámetros de las funciones de transferencia, basándose en la respuesta al escalón, de un sistema conformado por un driver de velocidad y un motor de corriente directa de imanes permanentes. El proceso de identificación consiste en la selección de los modelos, la adquisición y pre-procesamiento de los datos, la estimación de parámetros y su validación. Los resultados muestran que es posible estimar los parámetros del sistema a partir de la respuesta al escalón, logrando valores de la suma normalizada de los errores cuadráticos menores al 0,5 %.A simple procedure to estimate the transfer function parameters, based on the step response, of a system composed by a speed driver and a permanent magnet direct current motor is presented in this paper. The identification process is composed by the model selection, the acquisition and pre-processing of data, the parameter estimation and its validation. The results show that it is possible to estimate the system parameters from the step response achieving values of the normalized sum of squared errors less than 0.5 %

Modeling of the Direct Current Generator Including the Magnetic Saturation and Temperature Effects

En este artículo se propone la inclusión del efecto de la temperatura sobre la resistencia de campo al modelo del generador de corriente directa DC1A valido para estudios de estabilidad. Se parte del modelo lineal del generador, luego se incluye el efecto de la saturación magnética y por último el cambio en la resistencia de campo debido a la temperatura producida por la corriente de campo. La metodología aplicada para validar el modelo es la comparación de resultados experimentales y simulaciones de los modelos. La comparación visual de los resultados simulados con resultados experimentales muestra el acierto del modelo propuesto, puesto que presenta el menor error de los modelos comparados. El acierto del modelo propuesto se observa a través del índice Suma Normalizada de Errores Cuadráticos Modificada igual a 3.8979%.In this paper the inclusion of temperature effect on the field resistance on the direct current generator model DC1A, which is valid to stability studies is proposed. First, the linear generator model is presented, after the effect of magnetic saturation and the change in the resistance value due to temperature produced by the field current are included. The comparison of experimental results and model simulations to validate the model is used. A direct current generator model which is a better representation of the generator is obtained. Visual comparison between simulations and experimental results shows the success of the proposed model, because it presents the lowest error of the compared models. The accuracy of the proposed model is observed via Modified Normalized Sum of Squared Errors index equal to 3.8979%

Recommendations to Select Indices for Model Validation

En este artículo se presentan recomendaciones para seleccionar índices de error para validar modelos. Las recomendaciones se basan en la comparación de los índices usados para validar sistemas dinámicos. Se presentan y definen matemáticamente nueve índices de error y un índice de ajuste. Con base en el tipo de datos reportados en la literatura para validar modelos, se seleccionan la función escalón y la función seno, como señales patrón, para evaluar los resultados de los índices. Como resultado relevante de este artículo se presentan recomendaciones para seleccionar e interpretar índices de error cuando se validan modelos de sistemas físicos.A set of recommendations to select error indices to model validation is presented in this paper. The recommendations are based on the comparison of indices used to validate dynamic systems. Nine error indices and one fit index are presented and mathematically defined. Based on the data reported in literature to validate models, step function and sine function are selected, as patron signals, to evaluate the index results. As a relevant contribution of this paper, recommendations to select and interpret error indices during the validation of physical system models are given

Modeling and Parameter Estimation of a Small Wind Generation System

En este artículo se presentan el modelado y la estimación de parámetros de un sistema de generación eólico de baja potencia. El sistema está conformado por: una turbina eólica, un generador de imanes permanentes, un rectificador trifásico y una carga eléctrica de corriente directa. Para estimar los parámetros se utilizan datos de velocidad de viento registrados con una estación meteorológica ubicada en el Campus Fraternidad del ITM. Los datos de velocidad de viento fueron aplicados a un modelo de referencia programado en el software PSIM y de esta simulación se registraron las variables para estimar los parámetros. El modelo del sistema de generación en conjunto con los parámetros estimados constituye una excelente representación del modelo detallado, ofreciendo mayor flexibilidad que el modelo utilizado en el software PSIM.The modeling and parameter estimation of a small wind generation system is presented in this paper. The system consists of a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator, a three phase rectifier, and a direct current load. In order to estimate the parameters wind speed data are registered in a weather station located in the Fraternidad Campus at ITM. Wind speed data were applied to a reference model programed with PSIM software. From that simulation, variables were registered to estimate the parameters. The wind generation system model together with the estimated parameters is an excellent representation of the detailed model, but the estimated model offers a higher flexibility than the programed model in PSIM software

Photovoltaic battery charger with sliding mode control and charging current derivative limitation

En los sistemas fotovoltaicos (PV) aislados, los cargadores de baterías son importantespara garantizar el suministro de energía cuando la luz solar no está disponible. Dichoscargadores necesitan realizar el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) ylimitar la derivada de corriente de carga de las baterías para extender su vida útil. Esteartículo propone un sistema cargador de baterías compuesto por un convertidor Buck, uncontrol en cascada de la corriente de las baterías y la tensión del panel PV, y la técnica deMPPT Perturbar y Observar (P&O). El P&O genera la referencia de tensión del panel parael lazo externo del control en cascada, implementado con un regulador P, cuya acción decontrol es la referencia de la corriente de carga de las baterías. Dicha referencia de corrientepasa por un limitador de derivada antes de llegar al lazo interno de control de corriente delas baterías, el cual es implementado con un control por modos deslizantes (SMC). Elartículo incluye el análisis de transversalidad y alcanzabilidad del SMC, así como elprocedimiento de diseño del regulador P. El sistema propuesto se valida por medio desimulaciones en el software PSIM mostrando la capacidad de realizar el MPPT y limitar laderivada de corriente de carga de las baterías al mismo tiempo.In stand-alone photovoltaic (PV) systems, battery chargers are important to guaranteethe energy supply when sunlight is not available. Such chargers need to track the maximumpower point (MPPT) and limit the derivative of the batteries’ charging current to extendtheir lifetime. This paper proposes a battery charging system composed of a Buck converter,a cascade control of the battery current and the PV panel voltage, and the Perturb andObserve (P&O) MPPT technique. P&O generates the reference of the panel voltage for theexternal loop of the cascade control implemented with a P regulator, whose control action isthe reference of the batteries’ charging current. Such current reference passes through aderivative limiter before reaching the internal current control loop, which is implementedby a sliding-mode controller (SMC). This paper includes transversality and reachabilityanalyses of the SMC, as well as the procedure to design the P regulator. The proposedsystem is validated by simulations in PSIM software to show its capacity to perform MPPTand limit the battery’s charging current derivative at the same time

Design of DC-DC Converter and its Control for a Wind Generation System Connected to an Isolated Load

En este artículo se presenta un método para diseñar un convertidor cd-cd y su control, el cual está asociado a un sistema de generación eólico que alimenta una carga aislada. Para diseñar el convertidor se deduce un equivalente Thevenin que representa el comportamiento de la turbina, el generador sincrónico de imanes permanentes y el rectificador. El diseño de los elementos del convertidor garantiza rizados de los voltajes de entrada y salida, y de la corriente del inductor que no superan el 5 %. El control del voltaje de salida se realiza con un controlador proporcional-integral-derivativo y como criterios de ajuste se seleccionan un amortiguamiento de 0,707 y una frecuencia de corte de 1/5 la frecuencia de conmutación del convertidor. El controlador diseñado regula el voltaje de salida frente a perturbaciones de la carga y cambios en la velocidad del viento.A method to design a Buck converter and its control, which are associated to a wind generation system that is feeding an isolated load, is presented in this paper. To design the converter a Thevenin equivalent is deduced, which represents the behavior of the wind turbine, the permanent magnet synchronous generator, and the rectifier. The design of the converter elements guarantees input/output voltages and inductor current ripples of 5 % or less. The output voltage control is developed with a proportional-integral-derivative controller and as design criteria a damping of 0,707 and cutoff frequency of 1/5 converter commutation frequency are selected. The designed controller regulates the output voltage faced load perturbations and wind speed variations.