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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
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 m谩xima extracci贸n de potencia disponible. Estos controladores usualmente combinan la acci贸n de un algoritmo de seguimiento del punto de m谩xima potencia (MPPT) con un regulador de tensi贸n, el cual tiene la funci贸n de rechazar las perturbaciones en los terminales del panel. Estos controladores se basan com煤nmente en estructuras PI-PID que requieren modelos linealizados alrededor del punto de operaci贸n. Pero, debido a perturbaciones generadas por el ambiente y la carga, el punto de operaci贸n cambia dr谩sticamente, lo que dificulta obtener el desempe帽o deseado. Este art铆culo 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 caracter铆stica 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 m谩s largo), lo cual genera p茅rdidas de potencia adicionales al disminuir la velocidad del seguimiento del punto de operaci贸n 贸ptimo. La soluci贸n propuesta en este art铆culo mejora la eficiencia general del sistema. Finalmente, la soluci贸n se valida con simulaciones en Matlab庐.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庐
Modeling of PV Systems Based on Inflection Points Technique Considering Reverse Mode
Este art铆culo propone una metodolog铆a para el modelado de sistemas fotovoltaicos, considerando su comportamiento tanto en el modo de operaci贸n directo como en modo inverso bajo condiciones no uniformes de irradiaci贸n. La metodolog铆a propuesta se basa en la t茅cnica de puntos de inflexi贸n con una aproximaci贸n lineal del modelo del diodo de bypass y un modelo simplificado del m贸dulo fotovoltaico. El modelo matem谩tico planteado permite evaluar el rendimiento energ茅tico de un sistema fotovoltaico, con tiempos cortos de simulaci贸n para arreglos de gran tama帽o. Adicionalmente, esta metodolog铆a permite estimar el estado de los m贸dulos afectados por el sombreo parcial ya que es posible conocer la potencia disipada debido a la operaci贸n 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
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
T茅cnicas para modelar sistemas fotovoltaicos bajo sombreado parcial
Context: The energy produced by photovoltaic (PV) systems operating under partial shading conditions depends on the connections between the modules and the shading pattern. Several mathematical models have been proposed to address this topic exhibiting different compromises between accuracy, calculation speed and PV model complexity. However, it is not evident how to choose a model for a given application to ensure reliable results.Method: Several mathematical models of PV systems under shading conditions were analyzed to synthetize the characteristics, advantages and drawbacks of each one of them. Three main categories have been identified: analytical, simulation and experimental methods. Analytical and simulation methods require a basic PV model and mathematical analysis supported by computational tools; while experimental methods are based in data or measurements.Results: From the analysis of the published solutions, three representative modeling techniques with different characteristics were selected to perform a practical comparison. Those techniques were implemented and contrasted in realistic scenarios to identify the effects of the compromise between accuracy, calculation speed and PV model complexity.Conclusions: To select a mathematical model it must be taken into account the connection scheme, model of the PV unit, model of the bypass and blocking diodes, size of the system, programming complexity and simulation time. This paper provides some guidelines to choose the right model for a particular application depending on those characteristics.聽聽Contexto: La energ铆a producida por un sistema fotovoltaico (PV) operando en condiciones de sombreado parcial depende de las conexiones entre sus m贸dulos y del perfil de sombra. En la literatura existen reportados m煤ltiples modelos matem谩ticos en este t贸pico, los cuales presentan diferentes compromisos entre precisi贸n, velocidad de c谩lculo y complejidad. No obstante, no es evidente como seleccionar uno de esos modelos para obtener resultados confiables en una aplicaci贸n particular.M茅todo: Se analizaron m煤ltiples modelos matem谩ticos de sistemas PV operando en condiciones de sombreado para sintetizar sus caracter铆sticas, ventajas y desventajas. De ese an谩lisis se detectaron tres categor铆as principales: m茅todos anal铆ticos, de simulaci贸n y experimentales. Los m茅todos anal铆ticos y de simulaci贸n requieren un modelo b谩sico PV y an谩lisis matem谩ticos soportados por herramientas de c贸mputo; en contraste los m茅todos experimentales se basan en datos y mediciones.Resultados: A partir de los an谩lisis de los modelos reportados, se seleccionaron tres t茅cnicas de modelado representativas para realizar una comparaci贸n pr谩ctica. Esas t茅cnicas se implementaron y contrastaron en escenarios realistas para identificar los efectos del compromiso entre precision, velocidad de c谩lculo y complejidad del modelo PV.Conclusiones: Para seleccionar un modelo matem谩tico se deben tener en cuenta el esquema de conexi贸n, el modelo de la unidad PV, el modelo de los diodos de bloqueo y puente, el tama帽o del sistema, la complejidad de programaci贸n y el tiempo de simulaci贸n. Este art铆culo provee algunas gu铆as para seleccionar el modelo adecuado para una aplicaci贸n en particular dependiendo de esas caracter铆sticas.
Advances in Power and Energy Systems
Processing electrical energy is one of the most important research fields in our society. So far, tremendous efforts have been made to improve the efficiency of each step in electrical systems: generation systems have been enhanced by introducing renewable energy sources and new control systems for conventional generators, losses have been reduced, the power quality of distribution and transmission systems has been increased, the life-time and state-of-health of energy storage devices have been extended, and sections of the power grid have been isolated for intelligent energy management
Reconfiguration of photovoltaic panels for reducing the hydrogen consumption in fuel cells of hybrid systems
La generaci贸n el茅ctrica h铆brida combina las ventajas de las celdas de combustible con sistemas de generaci贸n dif铆ciles de predecir, como los fotovoltaicos y e贸licos. El principal objetivo en este tipo de sistemas h铆bridos es minimizar el consumo de hidr贸geno reduciendo costos e incrementando la autonom铆a del sistema. Este articulo propone un algoritmo de optimizaci贸n, conocido como algoritmo de aprendizaje incremental basado en poblaci贸n, el cual tienen como objetivo maximizar la potencia producida por un generador fotovoltaico. Esta maximizaci贸n reduce el consumo de hidr贸geno combustible del sistema basado en hidr贸geno. Adicionalmente, la velocidad de convergencia del algoritmo permite la computaci贸n en tiempo real de la mejor configuraci贸n para el sistema fotovoltaico, permitiendo una optimizaci贸n din谩mica del consumo de hidr贸geno de la celda de combustible. Finalmente, se presenta una validaci贸n experimental del sistema considerando 6 paneles fotovoltaicos y una celda de combustible NEXA de 1.2 KW. Esta validaci贸n, demuestra la efectividad del algoritmo propuesto para la reducci贸n del consumo de hidr贸geno en este tipo de sistemas h铆bridos.Hybrid generation combines advantages from fuel cell systems with non-predictable generation approaches, such as photovoltaic and wind generators. In such hybrid systems, it is desirable to minimize as much as possible the fuel consumption, for the sake of reducing costs and increasing the system autonomy. This paper proposes an optimization algorithm, referred to as population-based incremental learning, in order to maximize the produced power of a photovoltaic generator. This maximization reduces the fuel consumption in the hybrid aggregation. Moreover, the algorithm's speed enables the real-time computation of the best configuration for the photovoltaic system, which also optimizes the fuel consumption in the complementary fuel cell system. Finally, a system experimental validation is presented considering 6 photovoltaic modules and a NEXA 1.2KW fuel cell. Such a validation demonstrates the effectiveness of the proposed algorithm to reduce the hydrogen consumption in these hybrid systems