Modelado De Módulos Fotovoltaicos En Psim 3s1c17

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones

Tópicos Especiales SIMULACIÓN DE ARREGLOS FOTOVOLTAICOS UTILIZANDO PSIM Daniel Felipe Almeida Argüello I.

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INTRODUCCIÓN

El presente trabajo tiene como propósito la simulación de arreglos fotovoltaicos con el fin de describir y analizar las condiciones ‘mismatching’ o sombras a través de la obtención de las curvas I-V y P-V del arreglo final. Con esta finalidad, se selecciono al software PSIM para realizar el análisis, debido a que permite obtener los parámetros de los módulos con solo tener conocimiento de los datos del , además de permitir la interconexión de estos mismos en serie y paralelo para finalmente obtener las curvas principales a través de escenarios de sombra sobre estos y adquirir datos importantes acerca de estas formas de onda. II.

MODELADO DE LOS ES FOTOVOLTAICOS

Se considero el modelo de diodo único para este trabajo (single-diode model) de celda fotovoltaica, el cual se observa en la Figura 1.

Figura 1 Modelo de diodo único para la celda fotovoltaica

La ecuación característica es la mostrada en (1): 𝐼𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠𝑎𝑡 ∗ (𝑒

𝑉 −𝑅 ∗𝐼 ( 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 𝑠 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 ) 𝑛∗𝑉𝑡

− 1) −

𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 +𝑅𝑠 ∗𝐼𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 𝑅ℎ

(1)

Donde 𝐼𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 y 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 representan las corriente y tensión de la celda a la salida, 𝐼𝑝ℎ la corriente producida por la celda debido al efecto fotovoltaico, 𝐼𝑠𝑎𝑡 es la corriente de saturación del diodo, 𝑛 es el factor de idealidad de la unión P-N y las resistencias 𝑅𝑠 y 𝑅ℎ que representan las resistencias serie y paralelo del modelo de la celda. Con el fin de encontrar los parámetros antes presentados, se empleará el módulo de energías renovables que se encuentra en el software PSIM, concretamente la herramienta de módulo solar (Solar Module) el cual permite extraer estos parámetros a partir de la hoja de datos del módulo y algunos variables supuestas, simplificando la etapa de modelado y análisis. En la figura Figura 2 se muestra la interfaz gráfica de esta herramienta. Con el fin de ejemplificar el procedimiento de modelado de módulos fotovoltaicos, se selecciona una hoja de datos de un módulo fotovoltaico, la cual es proporcionada por el fabricante Yingli Solar seleccionándose el modelo YL260P-29b, este módulo cuenta con las siguientes características a condiciones estándar (Irradiancia de 1000 [W/m2] y temperatura de 25 [ºc]) que se muestran en la Tabla 1.

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Figura 2 Interfaz de la herramienta Solar Module de PSIM.

Tabla 1 Características del módulo fotovoltaico YL260-29b

CARACTERÍSTICA MODELO POTENCIA MÁXIMA EFICIENCIA DEL MÓDULO TENSIÓN EN PMAX CORRIENTE EN PMAX TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (VOC) CORRIENTE DE CORTO-CIRCUITO (ISC) COEFICIENTE DE TEMPERATURA DE VOC COEFICIENTE DE TEMPERATURA DE ISC

VALOR 260 [W] 15.9 % 30.9 [V] 8.41 [A] 38.9 [V] 8.98 [A] -0.33 [%/ºC] 0.06 [%/ºC]

De acuerdo a estos datos, es posible obtener los parámetros y las curvas características aproximadas del módulo a partir de la herramienta Solar Module de PSIM, a partir de la suposición aproximada de la resistencia en paralelo (𝑅ℎ ) y el factor de idealidad (𝑛), a los cualés se les asignan los valores de (2): 𝑅𝑠 = 1000[𝛺] & 𝑛 = 1.2 (2) Una vez se asignan estos valores, se calculan los parámetros y la curva I-V del módulo fotovoltaico, el cual arroja las siguientes curvas características para el modelo en cuestión.

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Figura 3 Curvas I-V y P-V para el modelo YL260-29b

Los parámetros obtenidos a través de Solar Module son los siguientes (3) y (4): 𝑅𝑠 = 0.0079 [𝛺] (3) 𝐼𝑠𝑎𝑡 = 6.81𝑒 − 9[𝐴] (4) Debido a la alta complejidad de la ecuación que describe el comportamiento de los módulos fotovoltaicos, Solar Module no reproduce exactamente la curva del módulo, esto se puede notar a partir del cambio en los parámetros de tensión en potencia máxima (𝑉𝑚𝑝𝑝 ), corriente en potencia máxima (𝐼𝑚𝑝𝑝 ) y potencia máxima (𝑃𝑚á𝑥 ) entregada por el módulo, los cuáles arrojan el siguiente resultado (5)-(7): 𝑃𝑚á𝑥 = 250.68 [𝑊] 𝑉𝑚𝑝𝑝 = 29.91 [𝑉] 𝐼𝑚𝑝𝑝 = 8.38 [𝐴]

(5) (6) (7)

Aunque estos parámetros no corresponden a los entregados en la hoja de datos, se trabajará con este modelo aproximado y se espera que el error introducido no sea crítico en cuanto a la validez del modelado en el mismo.

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III.

ANÁLISIS DE MISMATCHING EN UN STRING DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

De acuerdo al modelo obtenido, se propone examinar el comportamiento del módulo fotovoltaico ante la presencia de sombras, sabiéndose que estas reducen la irradiancia que llega a los módulos produciendo una disminución en la corriente que proporciona el arreglo fotovoltaico. Partiendo de lo anterior, se realiza el montaje de los es fotovoltaicos en PSIM junto con una carga capacitiva, esta misma debido a que se puede examinar las curvas características de los es debido a que solo habrá corriente cuando el capacitor no esté cargado, una vez este llegué a su carga completa tomará la tensión de circuito abierto del arreglo fotovoltaico.

Figura 4 Esquema implementado en PSIM de tres módulos en serie.

Los módulos fotovoltaicos tienen los mismos parámetros calculados en la sección anterior. Además, se ubicó el diodo de by- el cual se activa cuando la corriente de la columna o string es mayor a la de cortocircuito del módulo debido a una menor entrada de irradiancia con respecto a otro módulo en el string, el diodo de bloqueo y un condensador de pequeña capacidad que ayuda a la ejecución del esquema, puesto que si no se ubica el software es incapaz de arrojar las curvas características. Para una irradiancia uniforme sobre los tres módulos fotovoltaicos (S=1000 [W/m2]), es decir, definiéndose K1=K2=1, se obtienen las siguientes curvas I-V y P-V para el arreglo:

Figura 5 Curva I-V para el string de tres módulos con igual irradiancia

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Figura 6 Curva P-V para el string de tres módulos con igual irradiancia

En la Figura 5 y Figura 6 se observa que la corriente del string corresponde a la corriente de cortocircuito (Isc) de los módulos, la cual es la misma para los tres, también se observa que la tensión de circuito abierto (Voc) es la esperada correspondiente a 𝑉𝑜𝑐,𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔 = 3 ∗ 𝑉𝑜𝑐 = 117 [𝑉] (8) También es posible observar un único valor máximo en la curva P-V, lo que indica que los tres módulos entregaron potencia en la simulación efectuada. Para simular la condición de irradiancia, se asignan los valores de K1=0.8 y K2=0.5, que arrojan las siguientes curvas características:

Figura 7 Curva I-V para el string de tres módulos con distinta irradiancia

Figura 8 Curva P-V para el string de tres módulos con distinta irradiancia

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Tópicos Especiales De acuerdo a lo mostrado en la Figura 7 y Figura 8, se observa una operación desigual de los módulos fotovoltaicos en el string, donde se puede observar una mayor potencia entregada cuando operan los tres módulos a una corriente de cortocircuito menor a la asignada. En ambas curvas se pueden observar tres tramos específicos en donde se observan las siguientes magnitudes mostradas en la Tabla 2, en donde a través de PSIM es posible adquirir las tensiones de inflexión y las corrientes de cortocircuito correspondientes a cada tramo . Tabla 2 Tensiones y corrientes obtenidas en los tramos de las curvas I-V y P-V con mismatching

𝑰𝒔𝒄 [A] 𝑰𝒎𝒑𝒑 [A] 𝑽𝒎𝒑𝒑 [V] 𝑷𝒎𝒂𝒙 [W]

PRIMER TRAMO 8.98 8.41 29.76 250.57

SEGUNDO TRAMO 7.18 6.91 62 428.8

TERCER TRAMO 4.48 4.4 98.47 433.27

De acuerdo a lo anterior, la potencia obtenida del módulo se reduce considerablemente con respecto al escenario sin mismatching, en donde se obtenía una potencia máxima de casi 800 [W] a una de 433 [W] a lo sumo, esto también sumado a la escasa corriente que está en capacidad el string de suministrar a pesar de que tenga todos los módulos funcionando, produciéndose este escenario en el tercer tramo. IV.

ANÁLISIS DE MISMATCHING EN UN ARREGLO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Tomando como módulo ejemplo el establecido en la sección 1, se establece un arreglo de estos de 6 filas conectadas en serie y 4 columnas en paralelo, el cual se puede ver su montaje en PSIM en la Figura 9. En el lado de la demanda se ubicó la misma carga capacitiva del caso anterior y nuevamente se ubicaron los diodos de by- y el capacitor en paralelo.

Figura 9 Montaje del arreglo fotovoltaico en PSIM

Las curvas I-V y P-V del arreglo sin mismatching se pueden ver en la Figura 10 y Figura 11. Para este arreglo, se tiene una corriente de cortocircuito igual a 𝐼𝑠𝑐 = 4 ∗ 9 = 36 [𝐴] y una tensión de circuito abiert 𝑉𝑜𝑐 = 39 ∗ 6 = 234 [𝑉]. Estos resultados se reproducen satisfactoriamente en las figuras mostradas a continuación.

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Figura 10 Curva I-V para el arreglo de 6*4 módulos fotovoltaicos sin mismatching.

Figura 11 Curva P-V para el arreglo de 6*4 módulos fotovoltaicos sin mismatching.

Para el arreglo anterior, se establecieron 5 escenarios de sombras, las cuáles se realizaron a través de la localización de bloques proporcionales en PSIM, proponiéndose una disminución del 70% en la irradiancia para los módulos sombreados. Se proponen los siguientes escenarios de sombras mostrados en la Tabla 3. Los resultados obtenidos en cuanto a las curvas I-V y P-V son mostrados en la Tabla 4 en el orden establecido para los escenarios de mismatching. De acuerdo a lo que se muestra en las curvas, en todos los casos se obtiene una potencia máxima menor a la ofrecida cuando existe una irradiancia uniforme sobre todos los módulos, en donde para el escenario 2 se obtiene solo un pico de potencia que es mayor con respecto a los obtenidos en las otras condiciones de mismatching, lo que supone una operación cercana a la ideal. Para los otros escenarios se tienen picos de potencia en donde es necesario un control apropiado de estos a partir de los módulos que estén en funcionamiento para extraer la máxima potencia posible.

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Tabla 3 Escenarios de sombra a implementar en el arreglo fotovoltaico

Escenarios de sombra propuestos 2

1

4

3

5

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Tabla 4 Curvas obtenidas de los escenarios de mismatching

Curvas I-V

Curvas P-V

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Tópicos Especiales V. CONCLUSIONES  La representación de diodo único de la celda y módulo solar se rige por una ecuación implícita que requiere de cierta complejidad para poder obtener los parámetros que describen su comportamiento, para esto se han utilizado distintas formas de simplificaciones y métodos numéricos. En este trabajo se utilizo la herramienta Solar Module de PSIM la cual reprodujo de forma satisfactoria la curva esperada mostrada por el fabricante con un error aceptable. 

A través del análisis de las curvas I-V y P-V obtenidas en los escenarios de mismatching establecidos sobre un string de módulos fotovoltaicos o un arreglo de estos, es posible conocer los distintos módulos que están en funcionamiento, las tensiones de inflexión y la corriente que fluye por el string. De esta forma es posible el seguimiento del punto de máximo de potencia (MPPT, Maximum Power Point Tracking) en cada régimen de operación de forma exacta así como la potencia máxima que puede entregar el arreglo.