Propuesta de diseño para la optimización de sistemas de energía solar.

- Nov 12, 2018-

Un nuevo enfoque para optimizar la eficiencia y confiabilidad de los sistemas solares es el uso de micro-inversores conectados a cada panel solar.
Equipado con un microinversor separado para cada panel solar, el sistema se puede adaptar a las condiciones cambiantes de carga y clima, proporcionando una eficiencia de conversión óptima para un solo panel y todo el sistema.
  
   
La arquitectura del microinversor también simplifica el cableado, lo que significa menores costos de instalación.
  
   
Al hacer que el sistema de generación de energía solar del consumidor sea más eficiente, se reducirá el tiempo que lleva el sistema para "retraer" la inversión inicial en tecnología solar.
  
Los inversores de potencia son componentes electrónicos clave de los sistemas de energía solar. En aplicaciones comerciales, estos componentes conectan paneles fotovoltaicos (PV), baterías que almacenan energía eléctrica y sistemas locales de distribución de energía o redes eléctricas.
La Figura 1 muestra un inversor solar típico que convierte los voltajes de CC muy bajos de la salida del generador fotovoltaico en varios voltajes, como el voltaje de CC de la batería, el voltaje de línea de CA y el voltaje de la red de distribución.
  
   
En un sistema típico de captación de energía solar, varios paneles solares están conectados en paralelo a un inversor que convierte la salida de CC variable de múltiples células fotovoltaicas en un inversor de onda sinusoidal de 50 Hz o 60 Hz.
  
   
  
  
Además, se debe tener en cuenta que el módulo del microcontrolador (MCU) TMS320C2000 o MSP430 en la Figura 1 generalmente contiene periféricos en el chip clave, como módulos de modulación de ancho de pulso (PWM) y convertidores A / D.
  
  
  
   
Figura 1: la arquitectura tradicional de conversión de energía consiste en un inversor solar que recibe un bajo voltaje de salida de CC desde el generador fotovoltaico y produce un voltaje de línea de CA.
  
El objetivo principal del diseño es maximizar la eficiencia de conversión.
Este es un proceso complejo e iterativo que involucra el algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y un controlador en tiempo real que ejecuta los algoritmos asociados.
  
   
1 Maximizar la eficiencia de conversión de energía
  
Los inversores que no utilizan el algoritmo MPPT simplemente conectan el módulo fotovoltaico directamente a la batería, lo que obliga a que el módulo fotovoltaico funcione a la tensión de la batería.
  
  
Casi sin excepción, el voltaje de la batería no es el valor ideal para recolectar la mayor cantidad de energía solar disponible.
  
  
  
La Figura 2 ilustra las características típicas de corriente / voltaje de un módulo fotovoltaico típico de 75W a una temperatura de batería de 25 ° C.
La línea de puntos muestra la relación entre la tensión (PV VOLTS) y la potencia (PV WATTS).
  
La línea continua indica la relación de voltaje a corriente (PV AMPS). Como se muestra en la Figura 2, a 12 V, la potencia de salida es de aproximadamente 53 vatios.
En otras palabras, al obligar al módulo fotovoltaico a funcionar a 12 V, la potencia de salida se limita a aproximadamente 53 vatios.
  
Pero con el algoritmo MPPT, la situación ha cambiado radicalmente. En este ejemplo, la tensión a la que el módulo puede alcanzar la potencia de salida máxima es de 17V.
Por lo tanto, el trabajo del algoritmo MPPT es operar el módulo a 17 V, de modo que se puedan obtener los 75 W de potencia del módulo independientemente de la tensión de la batería.
  
El convertidor de potencia CC / CC de alta eficiencia convierte la tensión de 17 V en la entrada del controlador a la tensión de la batería en la salida.
Dado que el convertidor de CC / CC reduce la tensión de 17 V a 12 V, en este caso, la corriente de carga de la batería en el sistema que admite la función MPPT es:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE, o (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
Suponiendo que la eficiencia de conversión del convertidor CC / CC sea del 100%, la corriente de carga aumentará en 1.85A (o 42%).
  
Aunque este ejemplo asume que el inversor procesa energía desde un solo panel solar, los sistemas convencionales normalmente tienen un inversor conectado a múltiples paneles.
Esta topología tiene ventajas y desventajas según la aplicación.
  
   
Algoritmo MPPT 2
  
Hay tres tipos principales de algoritmos MPPT: observación de perturbaciones, incremento de conductancia y voltaje constante.
Los dos primeros métodos a menudo se denominan "escalada" porque se basan en los siguientes hechos:
  
   
En el lado izquierdo del MPP, la curva está en el aumento (dP / dV) 0), mientras que en el lado derecho del MPP, la curva está abajo (dP / dV "0").
  
El método de observación de perturbaciones (P&O) es el más utilizado. El algoritmo perturba la tensión de funcionamiento en una dirección dada y muestra dP / dV. Si dP / dV es positivo, el algoritmo "entiende" que solo estaba ajustando el voltaje hacia el MPP.
Entonces siempre ajustará el voltaje en esta dirección hasta que dP / dV se vuelva negativo.
  
Los algoritmos P&O son fáciles de implementar, pero en una operación de estado estable a veces oscilan alrededor del MPP.
Y su velocidad de respuesta es lenta, e incluso en condiciones climáticas cambiantes, es posible invertir la dirección.
  
El método de Incremento de Conductancia (INC) utiliza el incremento de conductancia dI / dV de la matriz PV para calcular el positivo y negativo de dP / dV. INC puede realizar un seguimiento de las exposiciones a la luz que cambian rápidamente con más precisión que P&O. Pero al igual que P * O, también puede oscilar y ser "engañado" al cambiar rápidamente las condiciones atmosféricas.
Otra desventaja es que la complejidad agregada aumenta el tiempo de cálculo y reduce la frecuencia de muestreo.
  
El tercer método, “Método de voltaje constante”, se basa en los siguientes hechos: En general, VMPP / VOC0.76. El problema con este método es que requiere un ajuste instantáneo de la corriente de la matriz FV a cero para medir el voltaje de circuito abierto de la matriz. Luego, la tensión de funcionamiento de la matriz se establece en 76% del valor medido. Sin embargo, durante la desconexión de la matriz, se desperdicia la energía disponible.
También se ha encontrado que aunque el 76% de la tensión del circuito abierto es una buena aproximación, no siempre es consistente con MPP.
  
Como ningún algoritmo MPPT puede cumplir con éxito todos los requisitos de uso comunes, muchos ingenieros de diseño permitirán que el sistema evalúe primero las condiciones ambientales y luego seleccione el algoritmo que mejor se adapte a las condiciones ambientales actuales.
De hecho, hay muchos algoritmos MPPT disponibles, y no es raro que los fabricantes de paneles solares proporcionen sus propios algoritmos.
  
   
Para los controladores económicos, además de las funciones de control normales de la MCU, la ejecución del algoritmo MPPT no es una tarea fácil. El algoritmo requiere que estos controladores tengan una potencia de computación superior.
  
   
Los microcontroladores avanzados en tiempo real de 32 bits, como la familia de plataformas Texas Instruments C2000, son adecuados para una variedad de aplicaciones solares.
  
   
3 inversor de potencia
  
El uso de un solo inversor tiene muchos beneficios, el más destacado de los cuales es la simplicidad y el bajo costo. La eficiencia del sistema de inversor único se mejora con el algoritmo MPPT y otras técnicas, pero solo hasta cierto punto. Las desventajas de una sola topología de inversor pueden variar según la aplicación.
El problema más prominente es la confiabilidad: siempre que falle el inversor, la energía generada por todos los paneles se desperdicia antes de que el inversor sea reparado o reemplazado.
  
Incluso si el inversor funciona correctamente, una sola topología de inversor puede tener un impacto negativo en la eficiencia del sistema. En la mayoría de los casos, cada panel solar tiene diferentes requisitos de control para una máxima eficiencia.
Los factores que determinan la eficiencia de cada panel son: diferencias en la fabricación de módulos fotovoltaicos contenidos en el panel, diferentes temperaturas ambientales, sombras y acimuts de diferentes intensidades de luz (energía solar recibida).
  
En comparación con el uso de un inversor en todo el sistema, la provisión de un microinversor para cada panel solar en el sistema aumentará nuevamente la eficiencia de conversión de todo el sistema.
El principal beneficio de la topología del microinversor es que, incluso si uno de los inversores falla, la conversión de energía todavía puede tener lugar.
  
Otros beneficios de usar un microinversor incluyen la capacidad de ajustar los parámetros de conversión de cada panel solar mediante PWM de alta resolución. Dado que las nubes, las sombras y las sombras cambian la salida de cada panel, el hecho de proporcionar a cada panel un microinversor exclusivo permite que el sistema se adapte a las condiciones cambiantes de la carga.
Esto proporciona la mejor eficiencia de conversión para cada panel y todo el sistema.
  
La arquitectura del microinversor requiere que cada panel tenga una MCU dedicada para gestionar la conversión de energía.
Sin embargo, estas MCU adicionales también se pueden utilizar para mejorar la supervisión del sistema y del panel.
  
Por ejemplo, las grandes granjas solares se benefician de la comunicación entre paneles para ayudar a mantener el equilibrio de la carga y permitir a los administradores del sistema planificar por adelantado la cantidad de energía disponible y qué hacer con esa energía.
Sin embargo, para aprovechar al máximo los beneficios de la supervisión del sistema, la MCU debe integrar periféricos de comunicación en el chip (CAN, SPI, UART, etc.) para simplificar la interconexión con otros micro-inversores en el panel solar.
  
En muchas aplicaciones, el uso de una topología de microinversor puede aumentar significativamente la eficiencia general del sistema. A nivel de panel, se espera que la eficiencia aumente en un 30%.
Sin embargo, debido a la amplia variación en las aplicaciones, el porcentaje "promedio" de las mejoras a nivel del sistema no tiene mucho sentido.
  
   
Análisis de la aplicación Al estimar el valor de un convertidor de micro frecuencia en una aplicación específica, la topología debe considerarse de varias maneras.
  
En aplicaciones pequeñas, los paneles pueden enfrentar esencialmente las mismas condiciones de iluminación, temperatura y sombra.
Por lo tanto, los microinversores tienen un papel limitado en la mejora de la eficiencia.
  
Para operar los paneles a diferentes voltajes para una máxima eficiencia energética, se requiere un convertidor de CC / CC para unificar el voltaje de salida de cada panel al voltaje de funcionamiento de la batería de almacenamiento de energía. Para minimizar los costos de fabricación, el convertidor DC / DC y el inversor pueden diseñarse como un solo módulo.
También se puede integrar un convertidor de CC / CA para la línea eléctrica local o para la red de distribución en el módulo.
  
Los paneles solares deben comunicarse entre sí, lo que agrega cables y complejidad.
Este es otro problema para incluir inversores, convertidores CC / CC y paneles solares en el módulo.
  
   
La MCU de cada inversor aún debe tener capacidad suficiente para ejecutar múltiples algoritmos MPPT para adaptarse a diferentes entornos operativos.
  
   
El uso de múltiples MCU aumentará el costo de material del sistema en general.
  
Cada vez que considere cambiar la arquitectura, prestará atención a su costo.
Para cumplir con el precio objetivo del sistema, tener un controlador por panel significa que el costo del controlador debe ser competitivo y pequeño, pero aún así manejar todas las tareas de control, comunicación y computación simultáneamente.
  
La integración de los periféricos de control correctos en el chip y la alta integración analógica son dos elementos fundamentales para garantizar un bajo costo del sistema.
También se requiere un alto rendimiento para implementar algoritmos desarrollados para la eficiencia en la optimización de la conversión, el monitoreo del sistema y el almacenamiento de energía.
  
Además de cumplir con los requisitos del microinversor, también puede manejar MCU que requieren la mayor parte del sistema, incluida la conversión de CA / CC, la conversión de CC / CC y la comunicación entre paneles, lo que reduce el costo de usar múltiples MCU. .
incrementar.
  
   
4 características de MCU
  
El sopesar cuidadosamente estos requisitos de alto nivel es la mejor manera de determinar qué características necesita una MCU. Por ejemplo, se requiere control de equilibrio de carga cuando se montan paneles en paralelo. La MCU seleccionada debe poder detectar la corriente de carga y puede aumentar o disminuir la tensión de salida al activar / desactivar el MOSFET de salida.
Esto requiere un ADC en el chip de alta velocidad para muestrear el voltaje y la corriente.
  
El diseño del microinversor no tiene un modo 'sin cambios'. Esto significa que los diseñadores deben ser capaces e innovadores de adoptar nuevas técnicas y tecnologías, especialmente en la comunicación entre paneles y sistemas. La MCU más adecuada debe admitir una variedad de protocolos, incluidos algunos de los que normalmente no se piensa, como las comunicaciones de línea de alimentación (PLC) y la red de área del controlador (CAN). En particular, la comunicación por línea eléctrica puede reducir el costo del sistema porque no se necesitan líneas de comunicación especiales.
Pero esto requiere que la MCU tenga incorporado PWM de alto rendimiento, ADC de alta velocidad y CPU de alto rendimiento.
  
Una característica inesperada pero valiosa para las MCU diseñadas para aplicaciones de inversores solares es el oscilador dual en chip, que se puede usar para la detección de fallas de reloj para mejorar la confiabilidad.
La capacidad de ejecutar dos relojes del sistema simultáneamente también ayuda a reducir los problemas con la instalación del panel solar.
  
Debido a las muchas innovaciones en el diseño de micro-inversores solares, quizás la característica más importante para los MCU es la programación de software.
Esta característica le brinda la mayor flexibilidad en el diseño y control del circuito de potencia.
  
El microcontrolador C2000 está equipado con un núcleo de procesamiento digital avanzado que procesa de manera eficiente las operaciones algorítmicas y un conjunto de periféricos en el chip para el control de conversión de energía, y se usa ampliamente en las topologías de inversores de paneles solares tradicionales. La nueva familia Piccolo de microcontroladores de la serie C2000 es económica. El paquete más pequeño de esta familia tiene solo 38 pines, pero su arquitectura es más avanzada y los periféricos están mejorados, lo que hace que los beneficios del control en tiempo real de 32 bits sean poco exigentes.
Aplicaciones tales como micro-inversores para el costo total del sistema.
  
Además, la familia Piccolo MCU integra dos osciladores de 10MHz en el chip para la comparación del reloj, VREG en el chip con reinicio de encendido y protección de apagado, múltiples PWM de alta resolución de 150ps y una versión 4.6 de 12 bits.
  
  
Interfaces de protocolo de comunicación y ADC de mega muestra / segundo como I2C (PMBus), CAN, SPI y UART.
  
  
  
   
Figura 3: El sistema MCU para sistemas basados en microinversores fotovoltaicos consta de CPU, memoria, alimentación y reloj, periféricos.
  
El rendimiento es una característica clave de los micro-inversores. Aunque la familia de dispositivos Piccolo es más pequeña y menos costosa que otras MCU C2000, su funcionalidad ha mejorado, como su acelerador programable de ley de control de punto flotante (CLA), que maneja complejos algoritmos de control de alta velocidad para la CPU.
Esto elimina la necesidad de que la CPU maneje la E / S y los bucles de retroalimentación, y puede mejorar el rendimiento en un factor de 5 en las aplicaciones de bucle cerrado.
  
   
5 retos fotovoltaicos de la batería.
  
Una de las desventajas de los sistemas de generación de energía solar es la eficiencia de conversión. Los paneles solares pueden generar un promedio de aproximadamente 1 mW de cada 100 mm2 de células fotovoltaicas. La eficiencia típica es de alrededor del 10%.
El factor de potencia de la fuente de energía fotovoltaica (es decir, la relación entre la energía eléctrica promedio realmente producida por la célula solar y la energía eléctrica generada teóricamente bajo la condición de que la luz solar esté siempre iluminada) es aproximadamente del 15% al 20%.
  
   
Hay varias razones para esto, incluidos los cambios en el sol, como la desaparición completa durante la noche, e incluso durante el día, las sombras y las condiciones climáticas a menudo producen una reducción de la luz.
  
La conversión fotoeléctrica introduce más variables en el cálculo de la eficiencia, incluida la temperatura del panel solar y su eficiencia máxima teórica. Otro problema para los ingenieros de diseño es que el voltaje generado por la célula fotovoltaica varía aproximadamente 0.5V de manera irregular. Este cambio puede tener un gran impacto al elegir una topología de conversión de energía.
Por ejemplo, para una tecnología de conversión de energía ineficiente, es posible consumir una gran parte de la energía fotovoltaica recolectada.
  
Para adaptarse al hecho de que el sol no está iluminado las 24 horas del día, los sistemas que funcionan con energía solar deben contener baterías y los complejos componentes electrónicos necesarios para cargar baterías de manera eficiente.
Cuando la batería está integrada en el sistema, la carga de la batería requiere un circuito de conversión de CC / CC adicional, mientras que también requiere la administración y el monitoreo de la batería.
  
Muchos sistemas que funcionan con energía solar también interactúan con la red, lo que requiere sincronización de fase y corrección del factor de potencia. También hay muchos entornos que requieren controles complejos. Por ejemplo, debe incorporarse un mecanismo de advertencia de fallas para evitar eventos como cortes de energía en la red pública. Estas son solo las cosas principales que los ingenieros de diseño deben considerar.