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

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®

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

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

Técnicas 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.  Contexto: La energía producida por un sistema fotovoltaico (PV) operando en condiciones de sombreado parcial depende de las conexiones entre sus módulos y del perfil de sombra. En la literatura existen reportados múltiples modelos matemáticos en este tópico, los cuales presentan diferentes compromisos entre precisión, velocidad de cálculo y complejidad. No obstante, no es evidente como seleccionar uno de esos modelos para obtener resultados confiables en una aplicación particular.Método: Se analizaron múltiples modelos matemáticos de sistemas PV operando en condiciones de sombreado para sintetizar sus características, ventajas y desventajas. De ese análisis se detectaron tres categorías principales: métodos analíticos, de simulación y experimentales. Los métodos analíticos y de simulación requieren un modelo básico PV y análisis matemáticos soportados por herramientas de cómputo; en contraste los métodos experimentales se basan en datos y mediciones.Resultados: A partir de los análisis de los modelos reportados, se seleccionaron tres técnicas de modelado representativas para realizar una comparación práctica. Esas técnicas se implementaron y contrastaron en escenarios realistas para identificar los efectos del compromiso entre precision, velocidad de cálculo y complejidad del modelo PV.Conclusiones: Para seleccionar un modelo matemático se deben tener en cuenta el esquema de conexión, el modelo de la unidad PV, el modelo de los diodos de bloqueo y puente, el tamaño del sistema, la complejidad de programación y el tiempo de simulación. Este artículo provee algunas guías para seleccionar el modelo adecuado para una aplicación en particular dependiendo de esas características.

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 generación eléctrica híbrida combina las ventajas de las celdas de combustible con sistemas de generación difíciles de predecir, como los fotovoltaicos y eólicos. El principal objetivo en este tipo de sistemas híbridos es minimizar el consumo de hidrógeno reduciendo costos e incrementando la autonomía del sistema. Este articulo propone un algoritmo de optimización, conocido como algoritmo de aprendizaje incremental basado en población, el cual tienen como objetivo maximizar la potencia producida por un generador fotovoltaico. Esta maximización reduce el consumo de hidrógeno combustible del sistema basado en hidrógeno. Adicionalmente, la velocidad de convergencia del algoritmo permite la computación en tiempo real de la mejor configuración para el sistema fotovoltaico, permitiendo una optimización dinámica del consumo de hidrógeno de la celda de combustible. Finalmente, se presenta una validación experimental del sistema considerando 6 paneles fotovoltaicos y una celda de combustible NEXA de 1.2 KW. Esta validación, demuestra la efectividad del algoritmo propuesto para la reducción del consumo de hidrógeno en este tipo de sistemas híbridos.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