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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 inter茅s en los sistemas fotovoltaicos (PV) debido a que ellos representan una opci贸n fuerte para abastecimiento al rededor del mundo. Por esto, tambi茅n hay una necesidad creciente de desarrollar herramientas para analizar el comportamiento de dichos sistemas bajo condiciones realistas. Por tanto, mejor planeamiento, dise帽o y estrategias de operaci贸n pueden desarrollarse. Esta tesis aborda los problemas relacionados con el modelado de sistemas fotovoltaicos operando bajo condiciones uniformes y no uniformes. M谩s 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 t茅cnicas de modelado, esto incluyendo las representaciones circuitales de las celdas y modelos fotovoltaicos y su comportamiento en diferentes escenarios, caracter铆sticas de operaci贸n de diferentes configuraciones, los efectos de la operaci贸n bajo condiciones de sombreado, t茅cnicas de modelado disponible, entre otros. La configuraci贸n serie paralelo (SP) es una de las estudiadas, por tanto, algunas t茅cnicas para modelar arreglos SP son introducidas en esta tesis. Tales procedimientos permiten entender la operaci贸n de arreglos fotovoltaicos para detectar los aspectos principales que se deben considerar en un proceso de modelado. La primera t茅cnica est谩 basada en el modelo ideal de un solo diodo, pero considera la operaci贸n en el segundo cuadrante utilizando un modelo lineal para representar el diodo de bypass. Esta aproximaci贸n evita errores que provocan sobre estimaci贸n en el c谩lculo de la potencia cuando el arreglo est谩 expuesto a condiciones de sombreado parcial. Una segunda aproximaci贸n introduce una combinaci贸n entre el modelo de un solo diodo y un modelo lineal para el diodo de bypass; las relaciones matem谩ticas entre voltajes y corrientes en el m贸dulo son t铆picamente impl铆citas lo cual requiere el uso de funciones especiales como la funci贸n Lambert W. Sin embargo, la aproximaci贸n introduce un procedimiento para evitar el uso de tal funciona, lo cual permite reducir la carga computacional. La tercera aproximaci贸n est谩 basada en el modelo de un solo diodo para representar los m贸dulos y el modelo Schottky para representar los diodos de bypass; se propone un procedimiento para calcular el punto de m谩xima potencia (MPP) para una condici贸n de operaci贸n 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 m谩ximos locales (LMPP) para definir el MPP, logrando un c谩lculo r谩pido de la potencia entregada por el array en una condici贸n de operaci贸n. M谩s aun, el procedimiento aplica tratamiento matem谩tico introducida en la segunda aproximaci贸n para evitar el uso de la funci贸n Lambert W. Finalmente, la cuarta aproximaci贸n est谩 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 prop贸sito principal de esta aproximaci贸n es introducir un procedimiento para modelar la sombra considerando su comportamiento din谩mico lo cual permite obtener una condici贸n de operaci贸n m谩s 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 desempe帽o en comparaci贸n con la SP para algunas condiciones de operaci贸n. Sin embargo, no hay procedimientos detallados para modelar dichas configuraciones. De hecho, las t茅cnicas disponibles permiten analizar solo una configuraci贸n lo cual significa que para cada configuraci贸n un algoritmo es requerido. Esto haciendo que la evaluaci贸n 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 configuraci贸n. Por esto, un procedimiento de modelado general para analizar cualquier configuraci贸n operando bajo condiciones uniformes o de sombrado parcial es introducido en esta tesis. La posibilidad de estudiar cualquier conexi贸n permite considerar estructuras sin ning煤n patr贸n de conexi贸n, de esta forma esta tesis introduce el concepto de arreglo irregular como una nueva opci贸n para obtener perfiles de potencia mejorados para ciertas condiciones de operaci贸n. El procedimiento de modelado general es una herramienta 煤til para aplicaciones como reconfiguraci贸n, planeamiento y dise帽o de arreglos fotovoltaicos. Todas las aproximaciones presentadas en este trabajo fueron validadas en pruebas de simulaci贸n y experimentales. La mayor铆a de ellas se implementaron en c贸digos de Matlab basados en estructuras de programaci贸n ampliamente utilizadas, estos c贸digos pueden ser reproducidos en lenguajes como C o C + +Doctorad
Dise帽o e implementaci贸n de un inversor trif谩sico multinivel con fijaci贸n por diodos
La calidad de la energ铆a el茅ctrica es un concepto de gran inter茅s en la actualidad ya que las perturbaciones en los sistemas el茅ctricos de distribuci贸n inciden directamente en todos los usuarios (residenciales, comerciales, industriales), adem谩s la regulaci贸n y supervisi贸n del estado a las empresas distribuidoras hacen que la necesidad de suministrar energ铆a con buen perfil de tensi贸n y baja cantidad de arm贸nicos (ruido y distorsi贸n) sea mayor. La calidad del suministro se basa fundamentalmente en garantizar una forma de onda de tensi贸n adecuada pero como el sistema est谩 expuesto a la conexi贸n de cargas y componentes no lineales este objetivo se hace dif铆cil de lograr, dado que estas alteran la amplitud de la onda e introducen componentes de frecuencia m煤ltiplos de la fundamental, y por consiguiente una deficiente operaci贸n y posibles da帽os en los equipos alimentados con tal suministro. La soluci贸n planteada para esta problem谩tica consiste en la utilizaci贸n de circuitos de compensaci贸n como el D-STATCOM (Distribution Static Compensator), el cual se basa en la topolog铆a VSC (Voltaje Sourced Converter) y utiliza electr贸nica de potencia avanzada para generar un conjunto de voltajes trif谩sicos sinusoidales balanceados con amplitud y faser谩pidamente controlables. Estos circuitos est谩n basados principalmente en convertidores (CC/CA) que utilizan componentes de estado s贸lido. Estos componentes han marcado gran importancia en la electr贸nica de potencia en los 煤ltimos a帽os sumado al desarrollo de los sistemas de control que permiten tener m谩s versatilidad a la hora de implementar los circuitos de compensaci贸n
Simulaci贸n de un inversor trif谩sico multinivel con fijaci贸n por diodos usando SIMULINK de MATLAB
En este trabajo se presenta la simulaci贸n de un inversor trif谩sico multinivel con fijaci贸n por diodos, utilizando como ambiente de simulaci贸n la plataforma Simulink de Matlab. Se analiza su desempe帽o conectado a diferentes tipos de carga, a trav茅s de la forma de onda de la tensi贸n y la corriente de la carga y tambi茅n del contenido arm贸nico y se compara con la respuesta de un inversor convencional de dos niveles simulado de igual forma en Simulink de Matlab
Simulaci贸n de un inversor trif谩sico multinivel con fijaci贸n por diodos usando SIMULINK de MATLAB
En este trabajo se presenta la simulaci贸n de un inversor trif谩sico multinivel con fijaci贸n por diodos, utilizando como ambiente de simulaci贸n la plataforma Simulink de Matlab. Se analiza su desempe帽o conectado a diferentes tipos de carga, a trav茅s de la forma de onda de la tensi贸n y la corriente de la carga y tambi茅n del contenido arm贸nico 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. 聽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
Descripci贸n general de sistemas de potencia e贸licos
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 visi贸n general de las principales caracter铆sticas de los sistemas de energ铆a e贸lica, tambi茅n se hacen consideraciones sobre los modelos de simulaci贸n y las t茅cnicas m谩s utilizadas de seguimiento del punto de m谩xima potencia (M
Overall Description of Wind Power
This paper presents a general overview of the main characteristics of the聽wind power systems, also considerations about the simulation models and
the most used Maximum Power Point Tracker (MPPT) techniques are聽made. Some simulation results are shown and conclusions about the work聽are given.
PACS 88.50.-k; 88.50.-G; 88.50.X