Modeling techniques for photovoltaic systems under mismatching conditions

There is a growing interest in photovoltaic (PV) systems since they represent a strong option for power supply around the world. Therefore, there is also a growing necessity for developing tools to analyze the behavior of the PV systems under realistic conditions. Hence, better planning, design and operative strategies can be developed. This thesis addresses the issues related with the modeling of PV systems operating under uniform and mismatched irradiance conditions. Moreover, this work considers the PV array connected in different configurations. In this way, the first part of the thesis presents the state-of-the-art in modeling techniques, it including circuital representations of PV cells and modules and its behavior under different scenarios, operation characteristics of different configurations, the effects of the operation under shading conditions, available modeling techniques, among others. The Series-Parallel (SP) is one of the most studied configuration, then some modeling techniques for SP arrays are introduced in this thesis. Such procedures allowed to understand the operation of PV arrays to detect the main aspects that need to be considered in a modeling process. The first technique is based on the ideal single diode model but considers the operation of the modules in the second quadrant by using a linear model to represent the bypass diodes. The approach allows to avoid introducing errors which may cause overestimation in the predicted power when the array is exposed to partial shading conditions. A second approach introduces a combination between the single diode model to represent the modules and a linear model to represent the bypass diodes; the mathematical relationships between the voltages and currents in the modules are typically implicit expression which requires the use of special functions as the Lambert-W function. However, the approach introduced a procedure to avoid the use of such a function, which allows to reduce the computation bur- den. The third approach is based on the single diode model for representing the PV modules and the Schottky model for representing the bypass diode; it proposes a procedure to calculate the maximum power point (MPP) for a given condition operation, without the need of calculating the whole power vs. voltage curve as it is typically performed. Instead, the procedure calculates some points in the neighborhood of the local maximum power points (LMPP) to define the MPP, it providing a fast calculation of the power delivered by the array for a given operating condition. Moreover, the procedure applies the mathematical treatment introduced in the second approach to avoid using the Lambert-W function. Finally, the fourth approach is based on simplified versions of the single diode model and the Schottky model; such versions are named ideal single diode model and ideal switch model, respectively. The main purpose of the approach is to introduce a procedure for modeling the shading considering its dynamic behavior which enables to achieve a more realistic operating condition to calculate the power provided by the array. Other PV configurations, such as the Total Cross Tied (TCT) or the Bridge Linked (BL), may present better performances in comparison with the SP configuration for some opera- ting conditions. However, there is no detailed procedures for modeling such configurations. In fact, the available techniques allow to analyze only one configuration which means that for each configuration a modeling algorithm is required, it making the evaluation of several configuration a complex and time consuming task. In other words, there is not a modeling procedure capable to represent any configuration. Therefore, a general modeling procedure for analyzing any PV configuration operating under uniform or shading conditions is introduced in this thesis. The possibility of studying any connection allows to consider structures without any connection pattern, in this way the thesis introduces the concept of irregular structure as a new option for obtaining improved power profiles at a particular operating condition. The general modeling procedure is a useful tool for reconfigurations analysis, planning and design of PV arrays. All the modeling approaches presented in this work were validated through simulations and experimental tests. Most of them were implemented using Matlab scripts based on widely known programming structures and mathematical functions, those codes can be reproduced in languages such as C and C + +Resumen: Hay un creciente interés en los sistemas fotovoltaicos (PV) debido a que ellos representan una opción fuerte para abastecimiento al rededor del mundo. Por esto, también hay una necesidad creciente de desarrollar herramientas para analizar el comportamiento de dichos sistemas bajo condiciones realistas. Por tanto, mejor planeamiento, diseño y estrategias de operación pueden desarrollarse. Esta tesis aborda los problemas relacionados con el modelado de sistemas fotovoltaicos operando bajo condiciones uniformes y no uniformes. Más aun, este trabajo considera el arreglo fotovoltaico conectado en diferentes configuraciones. De esta forma, la primera parte de la tesis presenta el estado del arte en técnicas de modelado, esto incluyendo las representaciones circuitales de las celdas y modelos fotovoltaicos y su comportamiento en diferentes escenarios, características de operación de diferentes configuraciones, los efectos de la operación bajo condiciones de sombreado, técnicas de modelado disponible, entre otros. La configuración serie paralelo (SP) es una de las estudiadas, por tanto, algunas técnicas para modelar arreglos SP son introducidas en esta tesis. Tales procedimientos permiten entender la operación de arreglos fotovoltaicos para detectar los aspectos principales que se deben considerar en un proceso de modelado. La primera técnica está basada en el modelo ideal de un solo diodo, pero considera la operación en el segundo cuadrante utilizando un modelo lineal para representar el diodo de bypass. Esta aproximación evita errores que provocan sobre estimación en el cálculo de la potencia cuando el arreglo está expuesto a condiciones de sombreado parcial. Una segunda aproximación introduce una combinación entre el modelo de un solo diodo y un modelo lineal para el diodo de bypass; las relaciones matemáticas entre voltajes y corrientes en el módulo son típicamente implícitas lo cual requiere el uso de funciones especiales como la función Lambert W. Sin embargo, la aproximación introduce un procedimiento para evitar el uso de tal funciona, lo cual permite reducir la carga computacional. La tercera aproximación está basada en el modelo de un solo diodo para representar los módulos y el modelo Schottky para representar los diodos de bypass; se propone un procedimiento para calcular el punto de máxima potencia (MPP) para una condición de operación dada sin la necesidad de calcular toda la curva potencia vs voltaje como es realizado normalmente. En cambio, el procedimiento calcula algunos puntos en la vecindad de los puntos máximos locales (LMPP) para definir el MPP, logrando un cálculo rápido de la potencia entregada por el array en una condición de operación. Más aun, el procedimiento aplica tratamiento matemático introducida en la segunda aproximación para evitar el uso de la función Lambert W. Finalmente, la cuarta aproximación está basada en versiones simplificadas del modelo de un solo diodo y el modelo Schottky; tales versiones son llamadas modelo ideal de un solo diodo y modelo de interruptor ideal, respectivamente. El propósito principal de esta aproximación es introducir un procedimiento para modelar la sombra considerando su comportamiento dinámico lo cual permite obtener una condición de operación más realista para calcular la potencia entregada por el arreglo. Otras configuraciones PV tales como la Total Cross Tied (TCT) o la Bridge Linked (BL) pueden presentar mejor desempeño en comparación con la SP para algunas condiciones de operación. Sin embargo, no hay procedimientos detallados para modelar dichas configuraciones. De hecho, las técnicas disponibles permiten analizar solo una configuración lo cual significa que para cada configuración un algoritmo es requerido. Esto haciendo que la evaluación de diferentes configuraciones sea una tarea compleja y que consume mucho tiempo. En otras palabras, no hay un procedimiento de modelado capaz de representar cualquier configuración. Por esto, un procedimiento de modelado general para analizar cualquier configuración operando bajo condiciones uniformes o de sombrado parcial es introducido en esta tesis. La posibilidad de estudiar cualquier conexión permite considerar estructuras sin ningún patrón de conexión, de esta forma esta tesis introduce el concepto de arreglo irregular como una nueva opción para obtener perfiles de potencia mejorados para ciertas condiciones de operación. El procedimiento de modelado general es una herramienta útil para aplicaciones como reconfiguración, planeamiento y diseño de arreglos fotovoltaicos. Todas las aproximaciones presentadas en este trabajo fueron validadas en pruebas de simulación y experimentales. La mayoría de ellas se implementaron en códigos de Matlab basados en estructuras de programación ampliamente utilizadas, estos códigos pueden ser reproducidos en lenguajes como C o C + +Doctorad

Diseño e implementación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos

La calidad de la energía eléctrica es un concepto de gran interés en la actualidad ya que las perturbaciones en los sistemas eléctricos de distribución inciden directamente en todos los usuarios (residenciales, comerciales, industriales), además la regulación y supervisión del estado a las empresas distribuidoras hacen que la necesidad de suministrar energía con buen perfil de tensión y baja cantidad de armónicos (ruido y distorsión) sea mayor. La calidad del suministro se basa fundamentalmente en garantizar una forma de onda de tensión adecuada pero como el sistema está expuesto a la conexión de cargas y componentes no lineales este objetivo se hace difícil de lograr, dado que estas alteran la amplitud de la onda e introducen componentes de frecuencia múltiplos de la fundamental, y por consiguiente una deficiente operación y posibles daños en los equipos alimentados con tal suministro. La solución planteada para esta problemática consiste en la utilización de circuitos de compensación como el D-STATCOM (Distribution Static Compensator), el cual se basa en la topología VSC (Voltaje Sourced Converter) y utiliza electrónica de potencia avanzada para generar un conjunto de voltajes trifásicos sinusoidales balanceados con amplitud y faserápidamente controlables. Estos circuitos están basados principalmente en convertidores (CC/CA) que utilizan componentes de estado sólido. Estos componentes han marcado gran importancia en la electrónica de potencia en los últimos años sumado al desarrollo de los sistemas de control que permiten tener más versatilidad a la hora de implementar los circuitos de compensación

Simulación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos usando SIMULINK de MATLAB

En este trabajo se presenta la simulación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos, utilizando como ambiente de simulación la plataforma Simulink de Matlab. Se analiza su desempeño conectado a diferentes tipos de carga, a través de la forma de onda de la tensión y la corriente de la carga y también del contenido armónico y se compara con la respuesta de un inversor convencional de dos niveles simulado de igual forma en Simulink de Matlab

Simulación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos usando SIMULINK de MATLAB

En este trabajo se presenta la simulación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos, utilizando como ambiente de simulación la plataforma Simulink de Matlab. Se analiza su desempeño conectado a diferentes tipos de carga, a través de la forma de onda de la tensión y la corriente de la carga y también del contenido armónico y se compara con la respuesta de un inversor convencional de dos niveles simulado de igual forma en Simulink de Matlab

Estimating the produced power by photovoltaic installations in shaded environments

A model to improve the estimation of the power and energy from photovoltaic installations under dynamic shading conditions is proposed in this paper. The model considers the shaded profile in each photovoltaic module and the temperature profile to update the model parameters of each photovoltaic module. The impact of dynamic shades on the power production is analyzed, illustrating the large errors introduced by classical prediction approaches, which consider non-shading at all or average shading.  Moreover, a procedure to model the shades profile in any environment is described and illustrated. Finally, experimental irradiance and environment temperature profiles are used to evaluate the performance of the proposed model in contrast with the classical approaches. The results illustrate that the classical approaches overestimate the power produced by the photovoltaic array, in contrast with the power produced by the proposed model

Descripción general de sistemas de potencia eólicos

This paper presents a general overview of the main characteristics of the wind power systems, also considerations about the simulation models and the most used Maximum Power Point Tracker (MPPT) techniques are made. Some simulation results are shown and cEste documento presenta una visión general de las principales características de los sistemas de energía eólica, también se hacen consideraciones sobre los modelos de simulación y las técnicas más utilizadas de seguimiento del punto de máxima potencia (M

Overall Description of Wind Power

This paper presents a general overview of the main characteristics of the wind power systems, also considerations about the simulation models and the most used Maximum Power Point Tracker (MPPT) techniques are made. Some simulation results are shown and conclusions about the work are given. PACS 88.50.-k; 88.50.-G; 88.50.X