Seguimiento del punto de máxima potencia de conversión de un arreglo fotovoltaico basado en observador

Abstract

El avance del cambio climático combinado con la inexorable extinción de los combustibles fósiles y el crecimiento de la población, han determinado un escenario en donde el interés por diferentes tipos de fuentes de energía renovable ha aumentado década tras década [1]. Dentro de la enorme variedad de fuentes renovables, la energía solar es considerada como una de las más prometedoras debido a su vasta presencia e inextinguibilidad (en la escala temporal humana) [2]. Adicionalmente, su libre disponibilidad y especial intensidad en los países menos desarrollados, favorecen las perspectivas de crecimiento de estas regiones que usualmente no poseen fuentes convencionales de energía. Hoy en día, las plantas de energía basadas en la conversión PV, junto a las granjas eólicas, constituyen una de las principales opciones para nuevos proyectos de generación basados en fuentes renovables. A pesar de todas las ventajas de este tipo de explotación (simplicidad de instalación, bajo mantenimiento, insonoridad, etc.), las plantas de generación PV presentan un costo inicial relativamente alto y sufren de una eficiencia de conversión baja (15%-18%) [2]. Para reducir el costo de producción de la energía es esencial optimizar el proceso de conversión, es decir, operar al sistema en su punto de máxima potencia (PMP) siguiendo las fluctuaciones producidas por cambios en la radiación y temperatura de trabajo a lo largo del día/año [2-4]. En la bibliografía se reportan aproximadamente 40 métodos diferentes para el seguimiento del MPP[3]. Estos métodos pueden ser clasificados y comparados usando diferentes criterios como: velocidad de convergencia, eficiencia, complejidad de implementación, costo de cómputo, número de medidas necesarias, costo, etc. [3]. Debido a su facilidad de implementación y costo moderado, los métodos más usuales están basados en la metodología de perturbar y observar (PyO) [4]. Sin embargo las versiones más sencillas presentan oscilaciones en torno al PMP y divergen ante cambios atmosféricos rápidos. Este trabajo presenta un nuevo método de búsqueda y seguimiento del PMP basado en un observador del gradiente de potencia combinado con un controlador PI en un esquema de lazo cerrado. El diseño del observador de gradiente de potencia está inmerso en el marco teórico de los modos deslizantes de segundo orden (MDSO), en particular, en el algoritmo super-twisting (STw), presentando tiempo de convergencia finito y robustez ante perturbaciones externas y dinámicas no modeladas [5-7]. La estructura del observador usado en este trabajo corresponde a la adaptación de un observador por MDSO genérico propuesto recientemente por Guzmán et al. 2015 [8], que puede ser utilizado para estimar variables afectadas por coeficientes bipolares variantes en el tiempo [8]. La topología de lazo cerrado propuesta presenta gran exactitud, velocidad de convergencia y seguimiento alta y requiere un bajo costo de cómputo. Su implementación no es compleja, empleando como máximo tres mediciones de tensión/corriente y presenta un costo relativo bajo, similar al involucrado en otras opciones discretas de algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia (SPMP). El comportamiento de esta propuesta se evalúa a través de simulaciones y resultados experimentales.