Maximo poder punto

El seguimiento máximo del punto de potencia (MPPT) o, a veces, el seguimiento del punto de poder (PPT) es una técnica utilizada comúnmente con turbinas eólicas y sistemas solares fotovoltaicos (PV) para maximizar la extracción de energía en todas las condiciones.

Aunque la energía solar está cubierta principalmente, el principio se aplica generalmente a fuentes con potencia variable: por ejemplo, transmisión de potencia óptica y termo fotovoltaica.

Los sistemas solares fotovoltaicos existen en muchas configuraciones diferentes con respecto a su relación con sistemas de inversores, redes externas, bancos de baterías u otras cargas eléctricas.Sin embargo, independientemente del destino final de la energía solar, el problema central abordado por MPPT es que la eficiencia de la transferencia de energía de la célula solar depende tanto de la cantidad de luz solar que cae sobre los paneles solares como de las características eléctricas de la carga. A medida que varía la cantidad de luz solar, cambia la característica de carga que proporciona la mayor eficiencia de transferencia de energía, de modo que la eficiencia del sistema se optimiza cuando la característica de carga cambia para mantener la transferencia de energía con la mayor eficiencia. Esta característica de carga se denomina punto de máxima potencia (MPP) y MPPT es el proceso de encontrar este punto y mantener la característica de carga allí. Los circuitos eléctricos pueden diseñarse para presentar cargas arbitrarias a las células fotovoltaicas y luego convertir el voltaje, la corriente o la frecuencia para adaptarse a otros dispositivos o sistemas, y MPPT resuelve el problema de elegir la mejor carga que se presentará a las células para obtener el poder de salida más útil.

Las células solares tienen una relación compleja entre la temperatura y la resistencia total que produce una eficiencia de salida no lineal que se puede analizar en función de la curva IV. El propósito del sistema MPPT es muestrear la salida de las celdas PV y aplicar la resistencia adecuada (carga) para obtener la máxima potencia para cualquier condición ambiental dada. Los dispositivos MPPT se integran típicamente en un sistema convertidor de energía eléctrica que proporciona conversión de voltaje o corriente, filtrado y regulación para manejar varias cargas, incluidas redes eléctricas, baterías o motores.

Los inversores solares convierten la alimentación de CC en CA y pueden incorporar MPPT: estos inversores toman muestras de la potencia de salida (curva IV) de los módulos solares y aplican la resistencia adecuada (carga) para obtener la máxima potencia.
La potencia en el MPP (Pmpp) es el producto de la tensión MPP (Vmpp) y la corriente MPP (Impp).

Definiciones

Vista de un módulo solar uniformemente iluminado
El diagrama de corriente-voltaje, como se muestra opuesto, se aplica típicamente de tal manera que se muestra la dirección de la corriente técnica de la corriente inversa medida de la celda solar. Por lo tanto, la corriente se aplica positivamente en la iluminación, en contraste con la característica de diodo clásica.

La relación entre la potencia máxima P MPP de la célula solar en el punto de máxima potencia y el producto de la tensión de circuito abierto UL y la corriente de cortocircuito IK se denomina factor de llenado FF:

con la función de la tensión de circuito abierto del módulo solar:


 = Factor de diodo
 = Voltaje de circuito abierto
 = Corriente de saturación
 = Tensión de temperatura
 = Fotocorriente

La fotocorriente aumenta levemente al aumentar la temperatura y, por lo general, se descuida en la práctica. Con el aumento de la irradiación del módulo solar, la corriente aumenta aproximadamente proporcionalmente, la potencia aumenta. La tensión apenas cambia. Con el aumento de la temperatura, el voltaje cae ligeramente, porque la corriente de saturación, también llamada corriente oscura, aumenta.

La potencia resultante del producto de la tensión y la corriente disminuye de este modo con la irradiación constante y el aumento de la temperatura del módulo. Los valores típicos son -0.45% por Kelvin para las células solares de silicio cristalino.

Las siguientes propiedades se identifican en la característica de voltaje actual como características de reconocimiento para una adaptación de potencia exitosa:
Se aplica con el ajuste de rendimiento en el MPP: 

En el MPP, la característica de IU toca la hipérbola con P = Pmpp = const.
El MPP divide su tangente en dos secciones igualmente largas.

La diagonal en el rectángulo de las coordenadas del punto es paralela a la tangente.

Las características de reconocimiento se deben a la propiedad de rendimiento máximo local (dp / dU = 0). Son adecuados para determinar o verificar la posición de los MPP en las curvas características incluso sin un eje de rendimiento. También son aplicables si falta la escala del eje.

Consideración de varios módulos solares conectados en serie con sombreado parcial
Las figuras adyacentes muestran una serie de diez módulos solares conectados en serie: la curva discontinua azul representa el caso en el que todos los módulos se irradian uniformemente. La curva negra representa el caso en que dos de los diez módulos están a la sombra, y reciben solo el 20% de la radiación en comparación con los otros módulos (por radiación difusa).

Se puede ver que en el caso sombreado, ya no hay un máximo de rendimiento, sino varios.Destacado en verde es el «MPP global», es decir, el punto real de máxima potencia. Marcado en rojo es el «MPP local», es decir, un punto alto local en la curva de rendimiento.

La causa de este proceso radica en los diodos de derivación, que están integrados en los módulos solares para proteger las celdas individuales: en el MPP local, todos los módulos funcionan con la misma corriente baja que los módulos sombreados todavía pueden entregar (por irradiación difusa) .Solo cuando se reduce la tensión o aumenta la corriente, los diodos de derivación de los módulos sombreados responden y cierran las partes de este módulo, así que colóquelos. Como resultado, el voltaje de la cuerda es menor (los módulos sombreados en realidad «faltan» en la cuerda), pero la corriente es mucho más alta, lo que explica la mayor potencia en el máximo global.

Fondo
Las células fotovoltaicas tienen una relación compleja entre su entorno operativo y la potencia máxima que pueden producir. El factor de llenado, abreviado FF, es un parámetro que caracteriza el comportamiento eléctrico no lineal de la célula solar. El factor de llenado se define como la relación entre la potencia máxima de la célula solar y el producto de la tensión de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc. En los datos tabulados a menudo se usa para estimar la potencia máxima que una celda puede proporcionar con una carga óptima en las condiciones dadas, P = FF * Voc * Isc. Para la mayoría de los propósitos, FF, Voc e Isc son información suficiente para proporcionar un modelo aproximado útil del comportamiento eléctrico de una célula fotovoltaica en condiciones típicas.

Para cualquier conjunto dado de condiciones operacionales, las celdas tienen un solo punto de operación donde los valores de la corriente (I) y el voltaje (V) de la celda resultan en una salida de potencia máxima. Estos valores corresponden a una resistencia de carga particular, que es igual a V / I según lo especificado por la Ley de Ohm. La potencia P viene dada por P = V * I. Una célula fotovoltaica, para la mayoría de su curva útil, actúa como una fuente de corriente constante. Sin embargo, en la región MPP de una célula fotovoltaica, su curva tiene una relación exponencial aproximadamente inversa entre la corriente y la tensión. Desde la teoría de circuitos básicos, la potencia suministrada desde o hacia un dispositivo se optimiza cuando la derivada (gráficamente, la pendiente) dI / dV de la curva IV es igual y opuesta a la relación I / V (donde dP / dV = 0). Esto se conoce como el punto de máxima potencia (MPP) y corresponde a la «rodilla» de la curva.

Una carga con resistencia R = V / I igual al recíproco de este valor extrae la potencia máxima del dispositivo. Esto a veces se llama la ‘resistencia característica’ de la célula. Esta es una cantidad dinámica que cambia dependiendo del nivel de iluminación, así como de otros factores como la temperatura y la edad de la celda. Si la resistencia es menor o mayor que este valor, la potencia extraída será menor que el máximo disponible y, por lo tanto, la celda no se utilizará de la forma más eficiente posible. Los rastreadores de punto de máxima potencia utilizan diferentes tipos de circuitos de control o lógica para buscar este punto y así permitir que el circuito del convertidor extraiga la potencia máxima disponible de una celda.

Implementación
Cuando una carga se conecta directamente al panel solar, el punto de operación del panel raramente estará a la potencia máxima. La impedancia vista por el panel deriva el punto de operación del panel solar. Por lo tanto, variando la impedancia vista por el panel, el punto de operación se puede mover hacia el punto de máxima potencia. Dado que los paneles son dispositivos de CC, los convertidores de CC-CC deben utilizarse para transformar la impedancia de un circuito (fuente) en el otro circuito (carga). Al cambiar la relación de trabajo del convertidor CC-CC, se produce un cambio de impedancia como lo ve el panel. A una impedancia (o relación de trabajo) particular, el punto de operación estará en el punto de transferencia de potencia máxima. La curva IV del panel puede variar considerablemente con la variación de las condiciones atmosféricas, como la luminosidad y la temperatura. Por lo tanto, no es factible fijar la relación de trabajo con tales condiciones de operación dinámicamente cambiantes.

Las implementaciones MPPT utilizan algoritmos que frecuentemente muestran voltajes y corrientes de panel, luego ajusta la relación de trabajo según sea necesario. Los microcontroladores se emplean para implementar los algoritmos. Las implementaciones modernas a menudo utilizan computadoras más grandes para el análisis y la previsión de carga.

Clasificación
Los controladores pueden seguir varias estrategias para optimizar la salida de potencia de una matriz. Los rastreadores de punto de máxima potencia pueden implementar diferentes algoritmos y cambiar entre ellos en función de las condiciones de funcionamiento de la matriz.

Perturb y observar
En este método, el controlador ajusta el voltaje en una pequeña cantidad del conjunto y mide la potencia; si la potencia aumenta, se intentan ajustes adicionales en esa dirección hasta que la potencia ya no aumente. Esto se conoce como el método de perturbar y observar y es el más común, aunque este método puede dar como resultado oscilaciones de la producción de potencia.Se lo conoce como un método de alpinismo, ya que depende del aumento de la curva de potencia contra el voltaje por debajo del punto de máxima potencia, y de la caída por encima de ese punto.Perturb y observe es el método MPPT más comúnmente utilizado debido a su facilidad de implementación. Perturb y el método de observación pueden dar como resultado una eficiencia de alto nivel, siempre que se adopte una estrategia apropiada de escalada predictiva y adaptativa.

Conductancia incremental
En el método de conductancia incremental, el controlador mide los cambios incrementales en la corriente y el voltaje de la instalación fotovoltaica para predecir el efecto de un cambio de voltaje.Este método requiere más cálculos en el controlador, pero puede rastrear las condiciones cambiantes más rápidamente que el método de perturbar y observar (P & amp; O). Al igual que el algoritmo P & amp; O, puede producir oscilaciones en la potencia de salida. Este método utiliza la conductancia incremental (dI / dV) del conjunto fotovoltaico para calcular el signo del cambio de potencia con respecto al voltaje (dP / dV).

El método de conductancia incremental calcula el punto de máxima potencia por comparación de la conductancia incremental (IΔ / VΔ) con la conductancia de la matriz (I / V). Cuando estos dos son iguales (I / V = ​​IΔ / VΔ), el voltaje de salida es el voltaje MPP. El controlador mantiene este voltaje hasta que la irradiación cambia y el proceso se repite.

El método de conductancia incremental se basa en la observación de que en el punto de máxima potencia dP / dV = 0, y que P = IV. La corriente de la matriz se puede expresar como una función de la tensión: P = I (V) V. Por lo tanto, dP / dV = VdI / dV + I (V). Estableciendo esto igual a rendimientos nulos: dI / dV = -I (V) / V. Por lo tanto, el punto de potencia máxima se alcanza cuando la conductancia incremental es igual al negativo de la conductancia instantánea.

Procedimientos técnicos

«Shadow Management»
Todos los métodos descritos a continuación están buscando el MPP en incrementos relativamente pequeños alrededor del máximo de rendimiento actual. Esto tiene la ventaja de que el generador solar funciona muy cerca del MPP la mayor parte del tiempo (alta «eficiencia de adaptación del MPP»). La desventaja es que el seguidor en un generador solar parcialmente sombreado a menudo permanece en el MPP local (ver arriba), sin encontrar el camino hacia el MPP global.

Es por eso que la mayoría de los fabricantes de inversores ahora han integrado una función adicional, que ejecuta a intervalos regulares (generalmente cada 5-10 minutos) muy rápidamente toda la característica del generador solar para buscar el MPP global. Esta característica se conoce como «administración de sombras» o «administración de sombras», a veces como una «función de barrido», y no reemplaza el seguimiento continuo de MPP.

Para la mayoría de los fabricantes, la función se activa de fábrica, para otros se puede activar en el menú. La pérdida de rendimiento debido al recorrido regular de la curva característica (durante la cual el generador no funciona naturalmente en el MPP) se da, por ejemplo, como «& lt; 0,2%», por ejemplo, la duración de atravesar la curva característica se llama 2 segundos .

Cabe señalar que el rango de tensión de entrada del inversor es un factor limitante: solo si la cantidad de módulos no sombreados es suficiente para alcanzar la tensión de entrada mínima del inversor con estos módulos solo, puede controlar el MPP global. Por lo tanto, es importante formar cadenas suficientemente largas para sombrear. (Antes, el uso de sombras para formar muchas cadenas cortas se ha vuelto obsoleto desde la introducción de la administración de sombras).

Método de aumento de voltaje
De la manera más simple para encontrar la potencia máxima, el rastreador MPP aumenta continuamente la carga de la celda solar desde cero, aumentando la potencia de salida. Si se alcanza el máximo de potencia, la potencia comienza a disminuir nuevamente, lo que sirve como un criterio de terminación para la búsqueda. Este es un proceso iterativo que ejecuta constantemente un microprocesador en el rastreador MPP, de modo que incluso con condiciones cambiantes de irradiación, siempre hay una operación en el punto de máxima potencia. En el caso de un generador solar parcialmente sombreado, el controlador permanece en el máximo local si está (por casualidad) en él.

Método de saltos de carga
En el método de saltos de carga (inglés Perturb y observe), el controlador cambia periódicamente la carga de la célula solar en pequeños pasos (paso de carga) en una cierta dirección y luego mide la potencia entregada por la célula solar. Si la potencia ahora medida es más alta que la potencia medida del período anterior, el controlador mantiene esta dirección de búsqueda y hace saltar la siguiente potencia. Si la potencia medida es menor que la del último período de medición, el controlador cambia la dirección de búsqueda y ahora ejecuta saltos de carga en la dirección opuesta. De esta forma, se busca constantemente la potencia máxima, con el resultado de que nunca se encuentra el punto exacto de máxima potencia, pero se aproxima a 1 salto de carga, que no es un problema si es lo suficientemente pequeño. Crea un tipo de oscilación en el máximo rendimiento. Si el generador solar está parcialmente sombreado, el controlador permanece en el máximo local si es (por casualidad) en él.

Aumento de la conductancia
La idea del método de conductancia incremental se basa en encontrar la potencia máxima basada en la conductancia diferencial y específica de la célula solar. El punto de máxima potencia se caracteriza por el hecho de que el cambio en la potencia de salida en relación con el cambio en la tensión se vuelve cero. Dependiendo de qué lado de la curva de potencia sea el punto de carga actual, la relación potencia-voltaje aumenta o disminuye con el cambio de carga, lo que da como resultado las siguientes ecuaciones:

A la izquierda del máximo:


Justo al lado del máximo:

Al transformar las ecuaciones, se obtienen las siguientes condiciones para el controlador, donde I y U son los valores medidos actuales del período de control y dI, dU son los cambios en el período de control anterior.

A la izquierda del máximo:


Justo al lado del máximo:

En el rendimiento máximo:

Usando esta condición, el controlador cambia la carga por ciclo de control paso a paso en la dirección en que se aproxima a la condición de la potencia máxima deseada. Si el sistema cumple esta condición, se encontró el máximo de rendimiento y la búsqueda puede finalizar. Si la potencia de salida cambia debido a la intensidad de iluminación de la célula solar, el controlador reanuda la búsqueda.

En el caso de un generador solar parcialmente sombreado, el controlador permanece en el máximo local si está (por casualidad) en él.

Método de tensión constante
El método de voltaje constante se basa en una relación entre el voltaje de circuito abierto de la celda solar y el voltaje al que la celda solar da la potencia máxima. Por lo tanto, se puede concluir sobre la base del conocimiento de la tensión de circuito abierto a la necesaria para la eliminación de la tensión de carga de potencia máxima posible y, por tanto, la carga. Como la tensión sin carga cambia en función de diferentes parámetros, el controlador debe medirlos periódicamente durante el funcionamiento. Para este propósito, la carga se separa de la célula solar durante la medición de la tensión. Sobre la base de la tensión sin carga ahora medida, el controlador puede calcular la carga óptima y configurarla al volver a conectar la carga y la célula solar. Debido a que la relación entre la tensión de circuito abierto y la tensión de carga óptima se determina empíricamente de antemano y depende de muchos parámetros, no se alcanza la potencia máxima exacta. El algoritmo es, por lo tanto, en el sentido estricto, nadie que esté buscando la potencia máxima real, y no funciona en el generador solar teilverschattetem.

Implementación técnica

Software
En las implementaciones técnicas de este método, un microcontrolador o un procesador de señal digital normalmente realiza uno de los métodos posibles. En este caso, el procesador, los datos de medición requeridos proporcionados por un convertidor analógico a digital, con los que esto puede realizar los cálculos necesarios y pasa el resultado por medio de la modulación de ancho de pulso a un convertidor CC-CC.

Hardware
Dado que la carga de la célula solar se ajusta en función de la tensión de carga, pero la tensión de salida del regulador debe ser casi constante, requiere un convertidor CC-CC para ajustar las diferencias de tensión y así la carga sobre la célula solar puede. En el caso de un sistema fotovoltaico, es muy posible que el rango de voltaje de la tensión de carga óptima de la célula solar se mueva alrededor de la tensión del acumulador que se va a cargar. Por lo tanto, el voltaje de entrada del convertidor CC-CC puede ser mayor y menor que su voltaje de salida. Para cumplir este requisito, requiere una topología de convertidor que satisfaga esta característica, como el convertidor inverso, el convertidor split-pi o un convertidor de orden superior (convertidor UC, convertidor SEPIC, inversor doble).

Barrido actual
El método de barrido actual utiliza una forma de onda de barrido para la corriente de la matriz PV de manera que la característica IV de la matriz PV se obtiene y se actualiza a intervalos de tiempo fijos.El voltaje máximo del punto de potencia puede calcularse a partir de la curva característica en los mismos intervalos.

Voltaje constante
El término «voltaje constante» en el seguimiento de MPP se utiliza para describir diferentes técnicas por diferentes autores, uno en el que el voltaje de salida se regula a un valor constante en todas las condiciones y otro en el que el voltaje de salida se regula en una relación constante al voltaje de circuito abierto medido (VOC). Esta última técnica se conoce, en contraste, como el método de «voltaje abierto» por parte de algunos autores. Si el voltaje de salida se mantiene constante, no hay ningún intento de rastrear el punto de máxima potencia, por lo que no es una técnica de seguimiento del punto de máxima potencia en un sentido estricto, aunque tiene algunas ventajas en los casos en que el seguimiento del MPP tiende a fallar. y, por lo tanto, a veces se usa para complementar un método MPPT en esos casos.

En el método MPPT de «voltaje constante» (también conocido como el «método de voltaje abierto»), la potencia suministrada a la carga se interrumpe momentáneamente y se mide la tensión de circuito abierto con corriente cero. Luego, el controlador reanuda la operación con la tensión controlada a una relación fija, como 0.76, del voltaje de circuito abierto VOC. Este suele ser un valor que se ha determinado que es el punto de máxima potencia, ya sea empíricamente o basado en el modelado, para las condiciones operativas esperadas. El punto de funcionamiento de la matriz FV se mantiene así cerca del MPP regulando la tensión de la matriz y emparejándola con la tensión de referencia fija Vref = kVOC. El valor de Vref también se puede elegir para proporcionar un rendimiento óptimo en relación con otros factores, así como con el MPP, pero la idea central de esta técnica es que Vref se determina como una relación con VOC.

Una de las aproximaciones inherentes al método de relación de «voltaje constante» es que la relación de la tensión de MPP a VOC es solo aproximadamente constante, por lo que deja espacio para una posible optimización adicional.

Comparación de métodos
Tanto la perturbación como la observación y la conductancia incremental son ejemplos de métodos de «alzado» que pueden encontrar el máximo local de la curva de potencia para la condición operativa de la matriz FV, y así proporcionar un verdadero punto de máxima potencia.

El método de perturbar y observar requiere una potencia de salida oscilante alrededor del punto de máxima potencia incluso bajo irradiancia de estado estacionario.

El método de conductancia incremental tiene la ventaja sobre el método de perturbar y observar (P & amp; O) que puede determinar el punto de máxima potencia sin oscilar alrededor de este valor.Puede realizar el seguimiento del punto de máxima potencia en condiciones de irradiación que varían rápidamente con mayor precisión que el método de perturbar y observar. Sin embargo, el método de conductancia incremental puede producir oscilaciones (involuntariamente) y puede funcionar erráticamente bajo condiciones atmosféricas rápidamente cambiantes. La frecuencia de muestreo disminuye debido a la mayor complejidad del algoritmo en comparación con el método P & amp; O.

En el método de relación de voltaje constante (o «voltaje abierto»), la corriente de la matriz fotovoltaica debe establecerse en cero momentáneamente para medir la tensión del circuito abierto y luego establecerse en un porcentaje predeterminado de la tensión medida, generalmente alrededor del 76%. La energía puede desperdiciarse durante el tiempo en que la corriente se establece en cero. La aproximación del 76% ya que la relación MPP / VOC no es necesariamente precisa. A pesar de ser simple y de bajo costo para implementar, las interrupciones reducen la eficiencia de la matriz y no garantizan la búsqueda del punto de máxima potencia real. Sin embargo, las eficiencias de algunos sistemas pueden alcanzar más del 95%.

Colocación de MPPT
Los inversores solares tradicionales realizan MPPT para toda la matriz PV (asociación de módulos) en su conjunto. En tales sistemas, la misma corriente, dictada por el inversor, fluye a través de todos los módulos en la cadena (serie). Debido a que diferentes módulos tienen diferentes curvas IV y diferentes MPP (debido a la tolerancia de fabricación, sombreado parcial, etc.) esta arquitectura significa que algunos módulos tendrán un rendimiento por debajo de su MPP, lo que resulta en una menor eficiencia.

Algunas compañías (consulte el Optimizador de energía) ahora están ubicando el seguidor de punto de máxima potencia en los módulos individuales, lo que permite que cada uno opere con la máxima eficiencia a pesar de la desigualdad de sombreado, suciedad o falta de coincidencia eléctrica.

Los datos sugieren que tener un inversor con un MPPT para un proyecto que tiene módulos orientados al este y al oeste no presenta inconvenientes en comparación con tener dos inversores o un inversor con más de un MPPT.

Operación con baterías
Por la noche, un sistema PV fuera de la red puede usar baterías para suministrar cargas. Aunque el voltaje de la batería completamente cargado puede estar cerca del voltaje máximo del punto de energía del panel fotovoltaico, es poco probable que esto sea cierto al amanecer cuando la batería se ha descargado parcialmente. La carga puede comenzar a una tensión considerablemente inferior al voltaje máximo del punto de potencia del panel fotovoltaico, y un MPPT puede resolver esta falta de coincidencia.

Cuando las baterías en un sistema sin red están completamente cargadas y la producción fotovoltaica excede las cargas locales, un MPPT ya no puede operar el panel en su punto de máxima potencia ya que el exceso de energía no tiene carga para absorberlo. El MPPT debe desplazar el punto de funcionamiento del panel fotovoltaico lejos del punto de máxima potencia hasta que la producción coincida exactamente con la demanda. (Un enfoque alternativo comúnmente utilizado en las naves espaciales es desviar el excedente de energía fotovoltaica en una carga resistiva, lo que permite que el panel funcione continuamente en su punto de máxima potencia).

En un sistema fotovoltaico conectado a la red, toda la energía entregada de los módulos solares se enviará a la red. Por lo tanto, el MPPT en un sistema fotovoltaico conectado a la red siempre intentará operar los módulos fotovoltaicos en su punto de máxima potencia.