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UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD EVALUACIÓN DE CONVERSORES DC/DC Y SISTEMAS DE CONTROL P HUGO MIGUEL VILLEGAS BARRÍA

Villegas Barria 2006

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Page 1: Villegas Barria 2006

UNIVERSIDAD DE MAGALLANES

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE

EVALUACIÓN DE CONVERSORES DC/DC Y SISTEMAS DE CONTROL PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

HUGO MIGUEL VILLEGAS BARRÍA

-2006-

Page 2: Villegas Barria 2006

EVALUACIÓN DE CONVERSORES DC/DC Y SISTEMAS DE CONTROL PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

UNIVERSIDAD DE MAGALLANES

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE

Trabajo de Titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Título de: Ingeniero de Ejecución en Electricidad mención Electrónica.Profesor Guía: Dr. Roberto Cárdenas D.

HUGO MIGUEL VILLEGAS BARRÍA

-2006-

Page 3: Villegas Barria 2006

i

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer sinceramente a todas aquellas personas que me

ayudaron directa o indirectamente en el desarrollo de la presente tesis. De

manera especial, agradezco al profesor Dr. Roberto Cárdenas Dobson por su

disposición y guía, igualmente al grupo de alumnos del laboratorio de

Investigación del Dpto. de Electricidad generación 2005 – 2006, conformado

por: Marcelo Pérez Uribe, Fernando Vargas Alvarado, José Proboste

Bórquez, Enrique Escobar Pérez e Iván Andrade Agüero por su amistad,

cooperación, tesón y profesionalismo con que enfrentan el día a día.

También, agradecer a mi familia por el apoyo incondicional y la

comprensión que me han entregado en todos estos años.

De Hugo.

Page 4: Villegas Barria 2006

i

RESUMEN

El seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT de las siglas en inglés

Maximum Power Point Tracking) se utiliza en sistemas fotovoltaicos (FV) para

maximizar la potencia proporcionada por un panel solar, independiente de las

condiciones de radiación solar incidente, temperatura o características de la carga. El

mencionado sistema fotovoltaico, está compuesto de un conversor DC/DC, el cual se

conecta como interfase entre el panel solar y la carga. A su vez, el conversor cuenta

con una unidad de control, que controla el flujo de potencia proporcionado por el panel

solar, de forma tal de entregar la máxima potencia foto generada por el panel a la carga.

El presente trabajo de titulación tiene como objetivo estudiar tres técnicas de

control para el MPPT dos de ellas clásicas y una difusa, estas son: (a) perturbación y

observación, (b) conductancia incremental y (c) controlador basado en lógica difusa.

Las técnicas serán implementadas en la unidad de control de cada conversor DC/DC

diseñado y construido en el transcurso de esta Tesis, los conversores son: Boost y Buck

- Boost. La unidad de control mencionada esta controlada por un microcontrolador

PIC18F452 de Microchip Corporation.

Estrategias de control clásica serán desarrolladas tanto para ser aplicadas en el

conversor Boost y en el conversor Buck- Boost, además del controlador difuso

implementado sólo en el conversor Boost. Estas estrategias han de permitir la

localización del punto o zona de máxima potencia proporcionada por el panel solar,

ante diversas situaciones tales como: nivel de radiación solar incidente constante,

variación en el nivel de radiación solar y efectos de la temperatura en un panel solar.

Page 5: Villegas Barria 2006

3

ÍNDICE GENERAL

1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................2

1.1 INTRODUCCIÓN GENERAL.............................................................................2

1.2 OBJETIVOS DE LA TESIS.................................................................................3

1.3 ESTRUCTURA DE LA TESIS............................................................................4

2. CELDAS SOLARES.....................................................................................................7

2.1 INTRODUCCIÓN................................................................................................7

2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO..................................................................8

2.3 CARACTERÍSTICAS ANALÍTICAS..................................................................11

2.4 SEGUIMIENTO DEL MPP................................................................................14

2.5 APLICACIONES...............................................................................................17

2.5.1 ELECTRIFICACIÓN RURAL.........................................................................18

2.5.2 APLICACIONES AGROGANADERAS.........................................................18

2.5.3 ILUMINACIÓN..............................................................................................18

2.5.4 TELECOMUNICACIONES............................................................................18

2.5.5 SEÑALIZACIÓN Y ALARMA.........................................................................18

2.5.6 OTRAS APLICACIONES..............................................................................19

3. SISTEMA EXPERIMENTAL.......................................................................................21

3.1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................21

3.2 MICROCONTROLADOR PIC18F452...............................................................23

3.3 TARJETA DE PROGRAMACIÓN DE MICROCONTROLADRES PIC.............24

3.4 CONVERSORES DC/DC.................................................................................25

3.4.1 CONVERSOR BOOST.................................................................................25

3.4.2 CONVERSOR BUCK – BOOST...................................................................27

3.4.3 DISEÑO DEL CONVERSOR DC/DC............................................................30

3.4.4 UNIDAD DE CONTROL................................................................................32

Page 6: Villegas Barria 2006

4

3.4.5 DISPARO DEL TRANSISTOR MOSFET....................................................35

3.4.6 TARJETA CONVERSOR BOOST................................................................37

3.4.7 TARJETA CONVERSOR BUCK – BOOST..................................................38

3.5 TARJETA LCD.................................................................................................40

3.6 COMUNICACIÓN SERIAL...............................................................................43

3.7 MEMORIA EXTERNA EEPROM 24LC16B......................................................45

4. ALGORITMOS DE CONTROL...................................................................................48

4.1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................48

4.2 PERTURBACIÓN Y OBSERVACIÓN..............................................................49

4.3 CONDUCTANCIA INCREMENTAL..................................................................52

4.4 CONTROLADOR BASADO EN LÓGICA DIFUSA...........................................56

4.4.1 FUZZIFICACIÓN...........................................................................................57

4.4.2 METODO DE INFERENCIA..........................................................................58

4.4.3 DESFUZZIFICACIÓN...................................................................................59

5. RESULTADOS EXPERIMENTALES.........................................................................63

5.1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................63

5.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES................................................................63

5.2.1 RESULTADOS PARA LA GENERACIÓN DE CURVAS I –V y P – V...........64

5.2.2 RESULTADOS DE MPPT CON RSI CONSTANTE......................................67

5.2.3 RESULTADOS DE MPPT CON VARIACIÓN EN LA RSI............................75

6. CONCLUSIONES.......................................................................................................84

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................................86

APÉNDICE A. MENSAJES GENERADOS EN EL LCD...............................................90

APÉNDICE B. CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y LIBRERÍAS.......................................94

APÉNDICE C. ESQUEMÁTICOS DE LAS TARJETAS IMPLEMENTADAS..............129

APÉNDICE D. HOJAS DE DATOS INTEGRADOS.....................................................134

Page 7: Villegas Barria 2006

5

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1 Diagrama de bloques de un sistema fotovoltaico.........................................3

Figura 2-1 Juntura N-P en equilibrio...............................................................................9

Figura 2-2 Efecto Fotovoltaico de una Celda Solar.......................................................10

Figura 2-3 Celda Fotovoltaica con Carga Eléctrica.......................................................10

Figura 2-4 Circuito equivalente de una celda solar.......................................................12

Figura 2-5 Característica de un panel fotovoltaico ante variaciones climáticas............13

Figura 2-6 Interacción de un panel fotovoltaico con carga............................................15

Figura 2-7 Esquema general de un sistema fotovoltaico con carga DC.......................16

Figura 2-8 Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica...............................................17

Figura 3-1 Sistema Fotovoltaico Propuesto..................................................................22

Figura 3-2 Tarjeta de Programación de Microcontroladores PIC..................................24

Figura 3-3 Conversor DC/DC Boost..............................................................................25

Figura 3-4 Modo de conducción continua para un conversor DC/DC Boost.................26

Figura 3-5 Conversor Buck – Boost.............................................................................28

Figura 3-6 Modo de conducción continua para un conversor DC/DC Buck - Boost......29

Figura 3-7 Configuración del sensor de corriente LEM LA 55-P...................................33

Figura 3-8 Sensor de corriente de efecto Hall LEM LA 55-P utilizado..........................33

Figura 3-9 Esquema de filtro antialiasing Tschebyscheff de segundo orden................34

Figura 3-10 Circuito de disparo opto acoplado del transistor MOSFET........................36

Figura 3-11 Diagrama de bloque de la Tarjeta Conversor Boost..................................37

Figura 3-12 Tarjeta conversor Boost implementada.....................................................38

Figura 3-13 Diagrama de bloques de la Tarjeta Conversor Buck - Boost.....................39

Figura 3-14 Tarjeta Conversor Buck – Boost implementada.......................................39

Figura 3-15 Diagrama de bloques de la tarjeta LCD.....................................................41

Page 8: Villegas Barria 2006

6

Figura 3-16 Diagrama de flujo de la rutina de inicialización del módulo LCD.................41

Figura 3-17 Tarjeta LCD implementada..........................................................................43

Figura 3-18 Diagrama de instrucciones predefinidas en el PIC......................................43

Figura 3-19 Comunicación serial PC / Unidad de control...............................................44

Figura 4-1 Curva P – V bajo seguimiento del MPP con algoritmo P&O.........................50

Figura 4-2 Lazo de control para la tensión del panel solar.............................................50

Figura 4-3 Diagrama de flujo del método perturbación y observación............................51

Figura 4-4 Curva P – V bajo seguimiento del MPP con algoritmo Cond. Inc..................53

Figura 4-5 Diagrama de flujo del algoritmo conductancia incremental...........................55

Figura 4-6 Esquema control difuso para el conversor DC/DC........................................56

Figura 4-7 Funciones de membresía de el controlador difuso........................................58

Figura 4-8 Configuración del controlador difuso.............................................................60

Figura 4-9 Superficie característica del controlador difuso.............................................61

Figura 5-1 Resultado generación de curvas I – V y P –V, a igual temperatura y diferente

nivel de radiación solar ................................................................................. 65

Figura 5-2 Resultado generación de curvas I –V y P – V, a igual nivel de radiación solar

y diferentes temperatura ............................................................................... 66

Figura 5-3 Resultado de MPPT utilizando Cond Inc y conversor DC/DC Boost.............68

Figura 5-4 Resultado de MPPT utilizando P&O y conversor DC/DC Boost....................69

Figura 5-5 Resultado de MPPT utilizando lógica difusa y conversor DC/DC Boost......70

Figura 5-6 Resultado de MPPT utilizando Cond Inc y conversor DC/DC Buck – Boost

actuando como conversor reductor de tensión ............................................ 71

Figura 5-7 Resultado de MPPT utilizando P&O y conversor DC/DC Buck – Boost

actuando como reductor de tensión. ............................................................ 72

Figura 5-8 Resultado de MPPT utilizando Cond Inc y conversor DC/DC Buck – Boost

actuando como conversor elevador de tensión ............................................ 73

Page 9: Villegas Barria 2006

v

Figura 5-9 Resultado de MPPT utilizando P&O y conversor DC/DC Buck – Boost

actuando como conversor elevador de tensión............................................74

Figura 5-10 Resultado de MPPT utilizando Cond Inc y conversor DC/DC Boost con

variación en la RSI. ...................................................................................... 76

Figura 5-11 Resultado de MPPT utilizando P&O y conversor DC/DC Boost con variación

en la RSI. ...................................................................................................... 77

Figura 5-12 Resultado de MPPT utilizando lógica difusa y conversor DC/DC Boost con

variación en la RSI. ...................................................................................... 78

Figura 5-13 Resultado de MPPT utilizando Cond Inc y conversor DC/DC Buck – Boost,

actuando como conversor reductor de tensión y con variación en la RSI. ... 79

Figura 5-14 Resultado de MPPT utilizando P&O y conversor DC/DC Buck – Boost,

actuando como conversor reductor de tensión y con variación en la RSI. ... 80

Figura 5-15 Resultado de MPPT utilizando Cond Inc y conversor DC/DC Buck – Boost,

actuando como conversor elevador de tensión y con variación en la RSI. . . 81

Figura 5-16 Resultado de MPPT utilizando P&O y conversor DC/DC Buck – Boost,

actuando como conversor reductor de tensión y con variación en la RSI. ... 82

Page 10: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO PRIMERO

INTRODUCCIÓN

Page 11: Villegas Barria 2006

CAPITULO PRIMERO: 2

1. INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN GENERAL

En la actualidad, ante la necesidad de contar con nuevas fuentes de energía, se

ha invertido esfuerzo en el ámbito de la investigación para el aprovechamiento de

recursos renovables, los cuales puedan ser una alternativa viable al momento de

enfrentar los nuevos escenarios que se avecinan debido a la escasez de los recursos

fósiles. Es por ello, que dichos esfuerzos están dirigidos a la utilización del recurso

eólico y en estos últimos años, al uso de la energía solar como fuentes energéticas

factibles. Sin embargo, los sistemas eólicos y solares poseen ciertos inconvenientes

como el costo y la dependencia de los factores climáticos. Esto ha llevado que en la

actualidad se utilicen sistemas que combinen diversas formas de energía (denominados

sistemas híbridos) a modo de obtener un mejor desempeño, tales como los sistemas

eólico-solar-diesel. Por otra parte, se hace necesario en estos sistemas almacenar la

energía (por ejemplo, en banco de baterías) y de esta forma disminuir los ciclos partida /

parada de los equipos moto generadores.

En el presente trabajo de tesis se presentan estrategias de control para ser

aplicado a dos sistemas basados en energía solar que suministran energía a una carga

aislada. Dichos sistemas están compuesto de un panel solar que se conectará a la

carga (banco de baterías) por medio de un conversor DC/DC Boost y luego un Buck -

Boost. Siendo estos últimos los que se discutirán con mayor nivel de detalle.

En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques de los elementos más

representativos de una aplicación basada en energía solar.

Page 12: Villegas Barria 2006

CAPITULO PRIMERO: 3

Figura 1-1 Diagrama de bloques de un sistema fotovoltaico

El panel solar realiza la conversión directa de energía solar a energía eléctrica.

Mientras que el conversor DC/DC, es utilizado para regular la energía suministrada por

el panel a la carga. Dicha regulación es posible, debido a la señal PWM (Pulse Widht

Modulator) que proporciona el microcontrolador.

La implementación de los sistemas se centra en el Microcontrolador PIC18F452,

perteneciente a la empresa Microchip.

Este trabajo de tesis fue dirigido por el Dr. Roberto Cárdenas Dobson, académico

del departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Magallanes.

1.2 OBJETIVOS DE LA TESIS

Los objetivos considerados en esta Tesis son los siguientes:

Discutir el diseño e implementación del hardware utilizado para la construcción

de los conversores elevador (Boost) y reductor-elevador (Buck-Boost), los cuales

serán controlados de manera digital mediante el uso de un Microcontrolador

(PIC18F452).

Page 13: Villegas Barria 2006

CAPITULO PRIMERO: 4

Utilizar técnicas de Control Digital y Control Difuso, para controlar los

conversores DC / DC y realizar un seguimiento del punto de máxima potencia en

un panel solar.

Estudiar el desempeño de los sistemas de control ante diversas situaciones,

tales como: nivel de radiación solar incidente constante, variación en el nivel de

radiación solar y efectos de la temperatura en un panel solar.

Describir el software de control implementado en lenguaje C, del

microcontrolador PIC18F452.

Describir el software de interfaz con el usuario desarrollado para la

comunicación con la unidad de control de cada conversor DC/DC implementado,

en lenguaje Visual Basic.

1.3 ESTRUCTURA DE LA TESIS

La presente tesis cuenta con seis capítulos, que están organizados de la

siguiente forma:

En el capítulo segundo se hace un estudio de las celdas solares. Dicho estudio

se centrará en temas como: principio de funcionamiento, materiales utilizados en su

construcción, aplicaciones típicas, zona de operación más óptima de un panel solar.

En el capítulo tercero describe el hardware diseñado y utilizado para efectos de

validación de resultados. Las siguientes tarjetas fueron construidas durante el desarrollo

de esta tesis:

Page 14: Villegas Barria 2006

CAPITULO PRIMERO: 5

Tarjeta LCD: Diseñada para interactuar con el usuario, proporcionando la

información de los niveles de tensiones, corrientes y potencias, a las cuales se

encuentra operando el conversor (Boost o Buck-Boost), además de visualizar el

estado de carga del banco de baterías mediante LED’s (Entre otros).

Tarjeta de programación de microcontroladores de 8, 18, 28 y 40 pines:

Diseñada para el borrado, lectura y escritura de microcontroladores PIC.

El capítulo cuarto describe los algoritmos de control empleados, para efectos de

búsqueda del punto de máxima potencia de un sistema fotovoltaico. En esta tesis, los

algoritmos utilizados son: (a) perturbación y observación, (b) conductancia incremental y

(c) controlador basado en lógica difusa.

El capítulo quinto presenta los resultados experimentales obtenidos mediante los

sistemas fotovoltaicos propuestos, ante diversas situaciones tales como: nivel de

radiación solar incidente constante, variación en el nivel de radiación solar y efectos de

la temperatura en un panel solar.

El capítulo sexto entrega las conclusiones generales de este trabajo.

Page 15: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO

CELDAS SOLARES

Page 16: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 7

2. CELDAS SOLARES

2.1 INTRODUCCIÓN

Una celda solar es un dispositivo que absorbe luz (energía solar) y la convierte en

energía eléctrica. Para convertir la energía del Sol en energía eléctrica y poder utilizarla

de la forma más eficiente y racional posible se diseñan los sistemas fotovoltaicos. La

celda solar es el elemento que convierte los fotones que proceden del Sol en una

corriente eléctrica que circula por un elemento denominado carga. Hoy en día la celda

solar más común es un dispositivo de estado sólido fabricado con materiales

semiconductores.

El efecto fotovoltaico fue identificado por primera vez en 1839 por Becquerel [1],

quien observó que la tensión que aparecía entre dos electrodos inmersos en electrolito

dependía de la intensidad de luz que incidiese sobre ellos. El mismo efecto fue

observado por Adams y Day, en 1879, pero esta vez utilizando un elemento sólido: el

Selenio. Sin embargo, la primera celda solar moderna tuvo que esperar a Chapin en

1954. Fue una celda de Silicio y no se dieron muchos detalles de su estructura debido,

probablemente, al temor a que fuese copiada. La motivación para el estudio y desarrollo

de las celdas solares durante los primeros años de investigación fue su aplicación como

fuente suministradora de energía a los satélites espaciales. Hoy se espera que las

celdas solares y la energía solar fotovoltaica contribuyan de forma importante al

suministro de energía limpia a la sociedad.

En el presente capítulo, se discuten principalmente: principio de funcionamiento,

características y aplicaciones de las celdas solares.

Page 17: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 8

2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Una celda solar es un dispositivo capaz de convertir la energía proveniente de la

radiación solar en energía eléctrica.

El silicio es el material más ampliamente utilizado en la fabricación de celdas

solares. En su forma cristalina pura, es un semiconductor, con muy pocas cargas libres

dentro de él. Por este motivo el silicio tiene una resistencia muy elevada. Utilizando un

proceso llamado difusión [2], se pueden introducir pequeñas cantidades de otros

elementos químicos (dopaje), lo que permite disminuir el valor inicial de la resistividad,

creando al mismo tiempo, zonas con diferentes tipos de carga. La celda fotovoltaica

utiliza dos tipos de materiales semiconductores, el tipo N y el tipo P.

Cuando la sustancia difusa cede fácilmente electrones, se crea dentro del

semiconductor una zona que cuenta con exceso de cargas negativas (electrones). Esto

es lo que se conoce como un semiconductor del tipo N.

Por otra parte, cuando la sustancia difusa capta electrones, los átomos que los

pierden quedan cargados positivamente. En estas zonas predominan las cargas

positivas (huecos) obteniéndose un semiconductor del tipo P.

El proceso de difusión es continuo, permitiendo la fabricación en el mismo material

de dos zonas semiconductoras adyacentes, una del tipo N; la otra del tipo P. El espacio

que separa ambas zonas se denomina juntura de transición.

Page 18: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 9

Según lo expuesto en [2], las cargas mayoritarias en una zona se desplazan hacia

la de baja densidad en la zona opuesta. El desplazamiento de las cargas negativas y

positivas deja a la zona de juntura totalmente libre de cargas. Las zonas adyacentes a

la misma tienen concentraciones de carga minoritarias (cargas negativas en el lado P y

cargas positivas en el lado N). La acumulación de estas cargas a ambos lados de la

juntura crea una diferencia de potencial que impide la continuación del desplazamiento

inicial. Por este motivo, la corriente de desplazamiento se anula. Se dice entonces que

la juntura N-P ha alcanzado el estado de equilibrio. Ver figura 2.1.

Figura 2-1 Juntura N-P en equilibrio

Cuando la luz incide sobre un semiconductor de este tipo, el bombardeo de los

fotones libera electrones de los átomos de silicio creando dos cargas libres, una positiva

y otra negativa. El equilibrio eléctrico de la juntura N – P se ve alterado por la presencia

de estas nuevas carga libres. El resultado de estas cargas libres es lo que se conoce

como efecto fotovoltaico (ver figura 2.2).

Page 19: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

Figura 2-2 Efecto Fotovoltaico de una Celda Solar

Si el semiconductor bajo incidencia de luz se le conecta dos cables, uno en la

zona N y en la zona P, se verifica la existencia de un voltaje entre los mismos. Ahora si

los terminales de la celda fotovoltaica son conectados a una carga eléctrica, circulará

una corriente eléctrica guiada por la acción de un campo eléctrico, la cual se origina por

la unión de los materiales N – P. Dicha corriente ha de circular por el circuito formado

por la celda , los cables de conexión y la carga externa. La figura 2.3 muestra este tipo

de circuito.

Figura 2-3 Celda Fotovoltaica con Carga Eléctrica

Page 20: Villegas Barria 2006

T ⎠

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

El efecto fotovoltaico, mencionado en el párrafo anterior solo es posible en una

parte del espectro luminoso. Dicho segmento lo componen básicamente las longitudes

de onda más pequeñas, las cuales están comprendidas entre la luz ultravioleta y en el

espectro visible al color violeta [2]. Además de esto, el material semiconductor utilizado

en la fabricación de la celda, es quien determina que parte del espectro es el óptimo

para provocar el desequilibrio que genera las cargas libres (efecto fotovoltaico).

El voltaje de una celda fotovoltaica es de corriente continua. De acuerdo a lo

mencionado en [3], para celdas de silicio este voltaje es de alrededor de 0.5 [V].

En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada por una celda

Fotovoltaica, está dada por el producto de los valores instantáneos del voltaje y la

corriente de salida. Este valor es afectado por la temperatura y el nivel de radiación

solar incidente, tal como se verá a continuación.

2.3 CARACTERÍSTICAS ANALÍTICAS

Una celda solar es un dispositivo no lineal [4] al [6], cuya relación I – V esta dada

por la ecuación (2.1). En ella se puede apreciar la dependencia de una celda solar con

respecto a la temperatura, mientras que en 2.3 la dependencia es del nivel de radiación

solar. El circuito equivalente de una celda solar, se ilustra en la figura 2.4.

I I I ⎧ ⎡ q(V

IR)⎤ ⎫

V IRS (2-1)

LG sat ⎨exp⎢⎣ AKTS ⎥ 1⎬

⎭ RSH

3⎡ T ⎤ ⎡ qEgo ⎛ 1 1 ⎞⎤I sat

I or ⎢ ⎥ exp⎢ ⎜ ⎟⎥ (2-2)

⎣Tr ⎦ ⎣⎢ KT ⎜ r T ⎟⎥⎦

Page 21: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

I LG

I sc K I (T 25)

100

(2-3)

Donde

I : Corriente de salida de la celda solar.

V : Voltaje de salida de la celda solar.

I LG

Isat

: Es la corriente de la celda solar bajo un determinado nivel de radiación.

: Es la corriente inversa de saturación de la celda solar.

q : Es la carga de un electrón.

K : Es la constante de Boltzmann’s.

A : Es un factor ideal para las junturas N – P.

RS

RSH

Ior

Isc

Tr

: Es la resistencia serie intrínseca de la celda solar

: Es la resistencia paralela intrínseca de la celda solar

: Es la corriente de saturación a Tr

: Es la corriente de corto circuito (Vo 0 )

: Es la temperatura de referencia ºC.T : Es la temperatura de la celda solar ºC.

Ego : Es la banda de energía del semiconductor usado en la celda solar

K I : Es el coeficiente de temperatura de la corriente de cortocircuito

: Es la radiación en mW cm2

Figura 2-4 Circuito equivalente de una celda solar

Page 22: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

Se menciona en [4] y [6], que en lugar de la característica I –V dada en (2.1), se

usa en muchos casos la ecuación (2.4), la cual desprecia la resistencia intrínseca en

paralelo de la celda.

V I R AKT ln

⎡ I I I ⎤ (2-4) S

LG sat

q ⎢ I ⎥⎣ sat ⎦

Por medio de las ecuaciones 2.1 al 2.3, se pueden obtener las curvas I – V

teóricas de una celda fotovoltaica. Y por medio del producto de ambas magnitudes, se

obtiene la curva de potencia versus voltaje (P – V) de una celda solar. Como la

potencia proporcionada por una única celda solar es muy baja (del orden de 1 a 2W) las

celdas solares se interconectan formando lo que se conoce como módulo o panel

fotovoltaico. La figura 2.5a y b muestran la variación de la característica de salida

I - V y P – V de un panel fotovoltaico comercial para diferentes niveles de temperatura y

radiación solar, respectivamente.

Figura 2-5 Característica de un panel fotovoltaico I –V y P – V (a) con radiación constante y variación en la temperatura y (b) con temperatura constante y variación

en el nivel de radiación.

Page 23: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

Cada curva I – V tiene un punto de máxima potencia (denominado MPP), el cual

es el punto de operación óptimo (Iop,Vop) para el uso eficiente de un panel fotovoltaico.

Según lo mencionado en [6], el punto de máxima potencia se localiza en el codo de la

curva característica corriente versus voltaje I – V. Ver figura 2.5(a) y (b).

2.4 SEGUIMIENTO DEL MPP

Al momento de conectar una carga del tipo resistiva R a un panel solar. Según la

ecuación (2.5), se producirá una recta que intercepta la característica I – V del panel

solar en un punto, en el cual se define las condiciones de corriente – voltaje de

operación del panel. Ver figura 2.6(a).

⎛ 1 ⎞I ⎜ ⎟ V (2-5)

⎝ R ⎠

Por otro lado, la carga más frecuente de un panel solar es una batería, debido a

que las celdas solares encuentran su principal aplicación en el suministro de energía a

localidades aisladas, llámese un pequeño pueblo (de unas decenas de familia), en la

cual la mayor demanda de energía se da entre las 6 p.m. y las 10 p.m. Lapso que no

coincide con las horas de mayor nivel de radiación solar incidente, requiriéndose

almacenar energía.

La tensión de una batería depende de su estado de carga pero además es

afectada por la temperatura del electrolito y su vejez, entre otros factores. Es esta

tensión la que define el voltaje de operación del panel y con ello la corriente. A medida

que la corriente va cargando la batería, su tensión aumenta y con ello el punto de

operación del panel se va desplazando a lo largo de la característica I – V. Ver figura

2.6 (b).

Page 24: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

(a) (b)

Figura 2-6 Interacción de un panel fotovoltaico con carga (a) resistiva y (b) galvánica de 12 V.

Tanto la carga resistiva como la galvánica (batería), generalmente no recibirán la

máxima potencia generada por él o los paneles fotovoltaicos. Esto se debe a que será

la carga quien impondrá el punto de operación (V , I ) , que no necesariamente es

coincidente con el punto de operación óptimo (Vop, Iop) . Además, suelen haber

variaciones climáticas que harán del punto (Vop, Iop) un punto en movimiento.

Debido a ello se debe utilizar una estrategia de control para seguir el punto de

máxima potencia y con ello transferir la máxima energía capturada por el panel solar a

la carga. Esto es posible de conseguir mediante la inserción de un conversor DC/DC

como interfaz entre el o los paneles solares y la carga (ver figura 2.7). El mencionado

conversor posee una característica intrínseca asociada a él relacionada con la

capacidad que presentan estos sistemas para reflejar o adaptar la impedancia vista

desde su entrada y la conectada a su salida.

En este sentido, los conversores son similares a los transformadores, cuando son

empleados como adaptadores de impedancia, excepto que en los conversores el

parámetro de adaptación no es la relación de espiras entre el primario y el secundario,

sino el ciclo de trabajo, el cual puede ser controlado de manera electrónica [7].

Page 25: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

Figura 2-7 Esquema general de un sistema fotovoltaico con carga DC

En resumen, la principal función de la variación de la impedancia del conversores

ajustar el voltaje de salida del panel fotovoltaico al valor en el cual se entrega la máxima

energía a la carga. Este proceso se denomina: seguimiento del punto de máxima

potencia MPPT (Maximum Power Point Tracking) en sistemas fotovoltaicos.

Page 26: Villegas Barria 2006

ENERGÍA SOLARFOTOVOLTAICA

TELECOMUNICA-CIONES

ELECTRIFICACIÓNRURAL

ALUMBRADOAUTÓNOMO

APLICACIONESASILADAS DE LA RED

BOMBEOS

APLICACIONESAGROGANADERAS

SEÑALIZACIÓN YALARMA

APLICACIONESCONECTADAS A LA RED

CENTRALESFOTOELÉCTRICAS

INTEGRACIÓNEN EDIFICIOS

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

2.5 APLICACIONES

Realizar una descripción exhaustiva de las aplicaciones de la energía solar

fotovoltaica es una tarea incómoda, debido a que como fuente energética es posible su

utilización en principio para cualquier fin.

La introducción al mercado, y por tanto en la sociedad, de una u otra aplicación

viene condicionada por su rentabilidad frente a otras fuentes de energía

convencionales.

Una primera clasificación puede realizarse en función de los campos de

aplicación. Este hecho se ilustra en la figura 2.8.

Figura 2-8 Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Las aplicaciones aludidas en la figura 2.8, se detallan a continuación.

Page 27: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

2.5.1 ELECTRIFICACIÓN RURAL

▪ Viviendas aisladas

▪ Viviendas de fin de semana o de ocupación temporal

▪ Refugios de montañas

2.5.2 APLICACIONES AGROGANADERAS

▪ Bombeo de agua

▪ Riego por goteo

▪ Sistemas de ordeño

▪ Sistemas de refrigeración de leche

2.5.3 ILUMINACIÓN

▪ Iluminación de vallas publicitarias

▪ Iluminación de alumbrado público

2.5.4 TELECOMUNICACIONES

▪ Repetidores y reemisores de radio y televisión

▪ Telemetría

▪ Redes telefónicas rurales

2.5.5 SEÑALIZACIÓN Y ALARMA

▪ Radiofaros y radiobalizas

▪ Señalización de autopistas

Page 28: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEGUNDO: CELDAS 1

▪ Faros y boyas para la navegación marítima

2.5.6 OTRAS APLICACIONES

▪ Relojes electrónicos

▪ Calculadoras

▪ Satélites y misiones espaciales

▪ Etc.

Todas estas aplicaciones caben definirlas como aplicaciones de la energía solar

fotovoltaica para sistemas autónomos, es decir, aquellos en lo que el total de la

necesidad energética es cubierta por el sistema. Mención aparte merecen las centrales

fotovoltaicas conectadas a la red e integración de paneles en edificios. En estos casos,

los sistemas funcionan proporcionando la energía capturada por las celdas solares a la

red eléctrica, sin más limitaciones que la propia producción diaria de energía. Sin

embargo, en los dos tipos es importante realizar la máxima transferencia de potencia.

Page 29: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO

SISTEMA EXPERIMENTAL

Page 30: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

3. SISTEMA EXPERIMENTAL

3.1 INTRODUCCIÓN

En el presente capítulo se describe el hardware diseñado e implementado para el

sistema fotovoltaico.

El sistema fotovoltaico planteado, está compuesto por un panel solar fabricado por

ISOFOTÓN, y cuya máxima potencia extraíble es de 106 W. Se utilizan también cuatro

baterías de 6V cada una. Las baterías son marca Trojan de ciclo profundo, las cuales

se interconectan entre sí para formar un banco de baterías, y este a su vez es la carga

del sistema fotovoltaico. Como interfaz entre el panel solar y la carga se conectará un

conversor DC/DC, primero un conversor Boost y luego un Buck – Boost, ambos

diseñados e implementados en el desarrollo de esta tesis. Cada conversor cuenta con

una unidad de control, cuyo funcionamiento se basa en un microcontrolador

PIC18F452. El microcontrolador, realiza la tarea de control sobre cada conversor y

maneja una serie de periféricos entre los que destaca:

▪ Comunicación serial con un computador PC.

▪ Lectura / Escritura de una memoria EEPROM externa

Además del diseño y la construcción de los conversores, se cuenta con las

siguientes tarjetas diseñadas e implementadas:

Page 31: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

Tarjeta LCD: Diseñada para interactuar con el usuario, proporcionando la

información de los niveles de tensiones, corrientes y potencias, a las cuales se

encuentra operando el conversor (Boost o Buck-Boost), además de visualizar el

estado de carga del banco de baterías mediante LED’s ( Entre otros).

Tarjeta de programación de microcontroladores de 8, 18, 28 y 40 pines:

Diseñada principalmente para el borrado, lectura y escritura de

microcontroladores PIC.

El sistema fotovoltaico descrito, se muestra de manera general en la figura 3.1.

Figura 3-1 Sistema Fotovoltaico Propuesto

Page 32: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

3.2 MICROCONTROLADOR PIC18F452

El microcontrolador PIC18F452 pertenece a la familia de microcontroladores de 8

bits (bus de datos), aún cuando tiene compatibilidad de hardware con las familias

PIC17FXXX, PIC16FXXX, PIC16F5X y PIC12FXXX. Su rendimiento alcanza los 10

MIPS (Mega Instrucciones por Segundo), disponer de tecnología RISC con 77

instrucciones de 16 bit, lograr un rango de direccionamiento de 2Mbytes de memoria de

programa, funcionar a una frecuencia desde 0 a 40 MHz y puede ser programado en el

circuito de aplicación vía comunicación serial. Además, el PIC18F452 posee una

memoria de programa del tipo FLASH de 32Kbytes, una memoria de datos (RAM) de

1536 bytes, 256 bytes de EEPROM. En las características de los periféricos destaca: 5

puertos (A, B, C, D y E), 4 temporizadores, 2 módulos de captura/comparación/pwm,

módulo AUSART, módulo de puerto paralelo, SSP (Puerto Serie Sincrónico) el cual

puede configurarse como SPI (Interfase serial de periféricos) de 3 hilos o como bus

I 2 C de dos hilos y 8 canales con conversión A/D de 10 bits. Para mayores detalles ver

el Apéndice C.

Para realizar la tarea de programación del microcontrolador se utilizó el compilador

PCWH (versión 3.187) de la casa CCS Inc. A su vez, el compilador se ha de integrar en

un entorno de desarrollo integrado (IDE) que ha de permitir todas y cada una de las

fases que compone un proyecto, desde la edición, depuración y finalmente compilación.

El compilador “traduce” el código C del archivo fuente (.C) a lenguaje máquina (.HEX)

del PIC.

Page 33: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

3.3 TARJETA DE PROGRAMACIÓN DE MICROCONTROLADRES PIC

La tarjeta de programación de microcontroladores PIC permite el borrado, lectura

y escritura de microcontroladores de 8, 18, 28 y 40 pines y memorias seriales EEPROM

de 8 pin. La alimentación de la tarjeta, se realiza mediante fuente externa, a una tensión

de aproximadamente 14 V. Por otra parte, para el traspaso del código máquina (archivo

.HEX) generado por el compilador PCWH de CCS al PIC, se utiliza el software gratuito

ICPROG en su versión 1.05D. Dicho traspaso de la información, se realiza vía

conexión paralela entre la tarjeta de programación y el PC.

La figura 3.2 muestra la tarjeta implementada, mientras que el esquemático de

ésta, se encuentra disponible en el Apéndice B.

Figura 3-2 Tarjeta de Programación de Microcontroladores PIC

Page 34: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

3.4 CONVERSORES DC/DC

3.4.1 CONVERSOR BOOST

La figura 3.3 muestra a un conversor boost (elevador). Como su nombre lo indica,

el voltaje de salida es siempre mayor que el voltaje de entrada. Cuando el switch S esta

cerrado (figura 3.4 (a)), toda la tensión de la fuente primaria se aplica sobre la bobina, lo

que provoca que la corriente circulante por la misma aumente, y de esta forma la

inductancia almacene energía. Si ahora el interruptor se abre (figura 3.4 (b)), la tensión

existente en la bobina se suma a la tensión de la fuente, obteniéndose de este modo

una tensión de salida siempre mayor a la de la fuente y de idéntica polaridad.

Figura 3-3 Conversor DC/DC Boost

A la suma del tiempo de encendido ( tON ) y el tiempo de apagado ( tOFF ), se conoce

como periodo de switching ( TS ), mientras que al inverso del periodo de switching se le

conoce como frecuencia de switching ( f S ). Al cuociente entre tON

de trabajo D (Ecuación 3.1).

y TS , se le llama ciclo

D tON

TS

; 0 D 1

(3-1)

Page 35: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

3.4.1.1 MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUA

En la figura 3.4 muestra las formas de onda para este modo de conducción,

donde la corriente del inductor fluye continuamente iL t 0.

Figura 3-4 Modo de conducción continua (a) switch encendido; (b) switch apagado

Según lo expuesto en [8], en estado estacionario la integral del voltaje del

inductor sobre un periodo de switching debe ser cero (ver ecuación 3.2 y 3.3).

Page 36: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

TS

vL dt

00

(3-2)

O bien:

Vd tON Vd VO tOFF

0 (3-3)

Dividiendo la ecuación 3.3 por TS , y arreglando los términos se obtiene la

relación existente entre la tensión de salida y la de entrada. En modo de conducción

continua, esta relación esta dada por la ecuación 3.4.

VO

Vd

TS

tOFF

1

(3-4)1 D

Asumiendo que no existen perdidas en el circuito,

Pd PO .

Vd Id VO IO

Y de esta forma, basándose en la ecuación 3.4, se obtiene la ecuación 3.5

IO 1 D (3-5)I d

3.4.2 CONVERSOR BUCK – BOOST

Un conversor Buck – Boost (reductor – elevador) se puede obtener por la

conexión en cascada de dos conversores básicos: un conversor reductor (Buck) y un

conversor elevador (Boost). El conversor Buck – Boost tiene un voltaje de salida que

puede ser mayor o menor al voltaje de entrada, y una polaridad en el voltaje de salida

invertido con respecto al terminal común de la tensión de entrada.

Page 37: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

La conexión en cascada de un conversor Buck y un conversor Boost, puede ser

fusionado dentro de un solo conversor denominado Buck – Boost, este hecho se ilustra

en la figura 3.5. Cuando se cierra el switch S, la fuente de entrada (Vd) provee energía

a la bobina y el diodo queda inversamente polarizado (figura 3.6(a)). Al abrir el switch

S, la energía almacenada en el inductor es transferida a la carga (figura 3.6 (b)). No hay

energía suministrada por la fuente de entrada en este intervalo. En el análisis de estado

estacionario presentado aquí, el capacitor de salida se asume muy grande, lo que trae

como consecuencia que el voltaje de salida se suponga constante vo (t) Vo .

Figura 3-5 Conversor Buck – Boost

3.4.2.1 MODO DE CONDUCCIÓN CONTINUA

La figura 3.6 ilustra el comportamiento de un conversor Buck – Boost operando

en modo de conducción continua, donde la corriente de la inductancia fluye

continuamente iL t 0.

Page 38: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 2

Figura 3-6 Modo de conducción continua (a) switch encendido (b) switch apagado

De acuerdo a lo mencionado por [8], en estado estacionario la integral del voltaje

del inductor sobre un periodo de switching debe ser cero (ecuación 3.6).

Vd DTS VO 1 DTS 0

(3-6)

Dividiendo la ecuación 3.6 por TS , y arreglando los términos se obtiene la

relación existente entre la tensión de salida y la de entrada. En modo de conducción

continua, esta relación está dada por la ecuación 3.7.

VO

Vd

D1 D

(3-7)

Page 39: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

Asumiendo que no existen perdidas en el circuito, Pd PO .

Vd Id VO IO

Y de esta forma, basándose en la ecuación 3.7, se obtiene la ecuación 3.8

IO 1 D

I d D (3-8)

3.4.3 DISEÑO DEL CONVERSOR DC/DC

De las secciones 3.4.1 y 3.4.2, se logró apreciar que las diferencias en las

respuestas entre el conversor DC/DC Boost y el Buck – Boost, radican en la variación

en el ordenamiento de los componentes principales que conforman dichos conversores

(inductancia, condensadores, diodo y transistor). Es por ello que de esta sección en

adelante, al momento de mencionar un conversor DC/DC, se hará referencia tanto a la

topología elevadora de tensión (Boost), como a la reductora – elevadora (Buck - Boost).

Según lo anterior y de acuerdo a la referencia [9], el conversor DC/DC se ha

diseñado según las características descritas a continuación:

▪ Entrada de voltaje al conversor DC/DC Vd : 13 a 17.4 V.

▪ Salida de voltaje del conversor DC/DC VO : 26 V

▪ Frecuencia de switching fs: 33kHz

▪ Potencia máxima (peak) del panel solar: 106 Wp (100 mW / cm 2 , 25º C, A.M 1.5 )

▪ Máximo ripple del voltaje de salida Vc : 5%

▪ Máximo ripple de la corriente de entrada I : 35%

▪ Conversor operando en modo de conducción continua hasta ≈0.45A.

Page 40: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

De acuerdo a lo expuesto por [8] al [11], además de las ecuaciones (3.4) y (3.5), es

necesario para el diseño de un conversor DC/DC las siguientes ecuaciones.

IL

Vd

Df S L

(3-9)

VO

IO

Df S C

(3-10)

Para las especificaciones dadas y utilizando la ecuación (3.4), resulta:

0 D 0.5

Utilizando la ecuación (3.9) con D 0.44 , la inductancia obtenida es:

L 100H

Por otro lado, utilizando la ecuación (3.10) con

IO 2.77 A , el capacitor calculado es:

C 28.41F

En esta tesis, la inductancia utilizada en la construcción del conversor DC/DC es

de 100H y la cual soporta una corriente de 7.8A que se encuentra por encima de los

6.1A capaz de entregar el panel solar. Por otro lado, el condensador de salida utilizado

es de 4700F y soporta una corriente de ripple cercana a los 16 A.

El switch de potencia incorporado en el conversor DC/DC, es un MOSFET de

canal N, específicamente el transistor IRFZ40, el cual tiene como característica una

muy baja resistencia de conducción 30m, soporta además una tensión Vds 50V y

una corriente Id 50A . Por otro lado, el diodo de potencia utilizado es el STTA2512P,

el cual es un diodo ultra rápido, con un tiempo de recuperación de 60ns , capaz de

Page 41: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

transportar una corriente de 25 A y tener una tensión en conducción menor a 1.9 V.

Page 42: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

3.4.4 UNIDAD DE CONTROL

La unidad de control (figura 3.1) esta basada en un microcontrolador PIC18F452

y es la encargada de realizar:

▪ Procesamiento de las señales de medición de tensiones y corrientes del sistema

fotovoltaico.

▪ Acondicionar las señales provenientes de los sensores de tensión y corriente

▪ Generar la señal de PWM necesaria para controlar el flujo de potencia del

conversor.

▪ Tener acceso a periféricos (LCD, EEPROM externo, comunicación serial con un

PC).

Lo referente al acceso de periféricos que realiza la unidad de control, será tratado

con mayor nivel de detalle en secciones posteriores de este capítulo.

La medición de corrientes en el sistema fotovoltaico utiliza dos sensores LEM

LA55 – P. La corriente máxima que es capaz de medir estos sensores es 50 A y el

sensado se realiza pasando corriente mediante un conductor por el orificio rectangular

que este posee. Estos sensores tienen tres pines, de los cuales dos de ellos son para

su alimentación de +15V y -15V. El tercer pin denominado M, es quien entrega en

definitiva la medición representado en un valor de tensión. La figura 3.7 ilustra la

configuración de pines de este sensor, junto con las resistencias asociadas que se

deben conectar para su adecuado funcionamiento, mientras que la figura 3.8 muestra el

sensor LEM utilizado.

Page 43: Villegas Barria 2006

M

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

Figura 3-7 Configuración del sensor de corriente LEM LA 55-P

Figura 3-8 Sensor de corriente de efecto Hall LEM LA 55-P utilizado

La resistencia RM se obtiene de manera que la tensión máxima de salida se

logre con una corriente de 21mA. Considerando que la tensión máxima de salida

deseada es de 5V, se obtiene el siguiente valor de

RM :

R VM

I S

521e 3

220

(3-11)

Por otro lado, la medición de las tensiones se realizó por medio de divisores de

tensión conformado por resistencias, para efecto de disminución de costos del sistema

fotovoltaico.

El acondicionamiento de señal o interfaz cumple la función de ajustar los niveles

de tensión (0 a 5V) además de filtrar las señales de tensiones y corrientes del sistema

fotovoltaico, disminuyendo el ruido al que se encuentran expuestas, producto de

Page 44: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

dispositivos de potencia del conversor. Las señales acondicionadas son las siguientes:

tensión y corriente de entrada proveniente del panel solar Vd

y Id y, tensión y

corriente del banco de batería Vo y Io. Además, evitan problemas de distorsión de las

señales causadas por el muestreo, lo cual es conocido como aliasing.

Para solucionar lo anteriormente expuesto se implementó un filtro pasa bajos de

segundo orden Chebyshev [12], con una frecuencia de corte de 10Hz y ganancia

unitaria. La figura 3.9 ilustra el esquema de este tipo de filtro.

Figura 3-9 Esquema de filtro antialiasing Chebyshev de segundo orden

La función de transferencia para el filtro ilustrado en la figura 3.10, se entrega en

la ecuación 3.12.

As

1 2 2 (3-12)

1 C

C1

R1 R2

s C

R1 R2 C1C2 s

Page 45: Villegas Barria 2006

2

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

Donde:

a1 C C1 R1 R2 b1 C R1 R2C1C2

Según lo expuesto en [11], los coeficientes a1 y b1

para un filtro Chebyshev de

segundo orden están dados acorde a la siguiente tabla.

Filtro Chebyshev de Segundo Orden

a1 b1

1.0650 1.9365

Tabla 3-1 Filtro 2º orden Tschebyscheff

De la tabla 3.1 y con una fC 10Hz

los valores de condensadores y resistencias

son los siguientes: C1 0.01F , C2 0.1F ,

R1 1M

y R2 1M .

La generación del PWM se discute en la siguiente sección “DISPARO DEL

TRANSISTOR MOSFET”.

3.4.5 DISPARO DEL TRANSISTOR MOSFET

Para efecto de controlar el transistor MOSFET IRFZ40 se hizo uso de un opto

acoplador HCPL 3120, tanto en la tarjeta conversor Boost como en el Buck - Boost.

El opto acoplador actúa como interfaz entre la unidad de control, la cual como ya

se mencionó genera la señal PWM. Esta señal proviene del PIC18F452 con valores de

tensión de 5V o 0V, que no son suficientes para la correcta activación o desactivación

del transistor. Para asegurar dicha activación / desactivación se hace necesario

tensiones del orden de + 15V / - 15 V, respectivamente. Además, el HCPL 3120 realiza

Page 46: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

una unión de tipo óptica, lo cual hace que se encuentre aislado eléctricamente la

unidad de control con respecto al circuito de potencia. En la figura 3.10 ilustra la forma

de conexión del opto acoplador HCPL – 3120.

Figura 3-10 Circuito de disparo opto acoplado del transistor MOSFET

La resistencia Rg que aparece en la figura 3.10, se obtiene según la hoja de

característica del propio opto acoplador como:

V V V R CC EE OLg I (3-13)

OLPEAK

Donde: VCC es +15V, VEE es -15V, VOL y IOLPEAK están dado en la hoja de

característica (HCPL – 3120) y tienen el valor de 0.5V y 2.5A, respectivamente.

Reemplazando los valores recién dados, se obtiene la resistencia mínima necesaria

para disminuir las perdidas por efecto de conmutación del driver. Según esto, la

resistencia debe ser superior a 12 Ohm.

Page 47: Villegas Barria 2006

CO NV E R S O R B OO S T

PW M

UN IDA D DE CO NT RO L BA SA D O E N U NP IC 18F 452

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

3.4.6 TARJETA CONVERSOR BOOST

La tarjeta conversor Boost fue diseñada e implementada como parte de esta tesis

para poder alimentar cargas que necesiten de una mayor tensión, de la proporcionada

por el panel solar.

Esta tarjeta cuenta con una unidad de control, basada en un microcontrolador

PIC18F452, el cual genera una señal modulada por ancho de pulso (PWM), debido a la

acción de un algoritmo de control programado en el mencionado microcontrolador.

Dicho algoritmo determina el ciclo de trabajo óptimo, en el cual se le proporciona la

máxima cantidad de energía a la carga, procedente del módulo o panel solar. La

frecuencia de switching utilizada es de 19.6kHz y el cristal que controla al PIC18F452

es de 20MHz. Además, la tarjeta cuenta con un pulsador que origina un RESET al

microcontrolador al momento de ser presionado.

La figura 3.11 y 3.12 muestran el diagrama de bloques y la tarjeta conversor

Boost implementada, respectivamente.

Figura 3-11 Diagrama de bloque de la Tarjeta Conversor Boost

CO

NE

CTO

R P

AN

EL

SO

LA

ME

DIC

IÓN

DE

TE

NS

IÓN

Y

ME

DIC

IÓN

DE

TE

NS

IÓN

Y

CO

NE

CTO

R B

AN

CO

DE

Page 48: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 3

Figura 3-12 Tarjeta conversor Boost implementada

Cabe señalar que esta tarjeta alimenta su unidad de control, por medio del banco

de batería el cual es la carga del sistema fotovoltaico. Para ello, el banco de batería

esta dividido en dos arreglos de dos baterías, cada arreglo esta conectado en serie y

como la tensión nominal de cada batería es de 6V, dicho arreglo es de 12V. Por ende,

el banco completo es de 24V, con una toma central (GND). Lo anterior permite que la

unidad de control cuente con las siguientes tensiones: +12V, -12V y GND, las cuales

son reducidas luego a +9V, -9V,+5V y GND, por medio de reguladores de tensión.

3.4.7 TARJETA CONVERSOR BUCK – BOOST

La tarjeta conversor Buck - Boost fue diseñada e implementada como parte de

esta tesis para poder alimentar cargas que necesiten de una mayor o menor tensión,

de la proporcionada por el panel solar.

Esta tarjeta al igual que la mencionada en la sección 3.4.6, cuenta con una

unidad de control, basada en un microcontrolador PIC18F452, el cual genera una señal

modulada por ancho de pulso (PWM), debido a la acción de un algoritmo de control

Page 49: Villegas Barria 2006

C O N V E R S O R B U C K - B O O S T

P W M

U N I D A D D E C O N T R O L B A S A D O E N U NP I C 1 8 F 4 5 2

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

programado en el mencionado microcontrolador. Dicho algoritmo determina el ciclo de

trabajo óptimo, en el cual se le proporciona la máxima cantidad de energía a la carga,

procedente del módulo o panel solar. La frecuencia de switching utilizada es de 19.6kHz

y el cristal que controla el PIC18F452 es de 20MHz. Además, la tarjeta cuenta con un

pulsador que origina un RESET al microcontrolador.

La figura 3.13 y 3.14 muestran el diagrama de bloques y la tarjeta conversor

Buck – Boost implementada, respectivamente.

Figura 3-13 Diagrama de bloques de la Tarjeta Conversor Buck - Boost

Figura 3-14 Tarjeta Conversor Buck – Boost implementada

CO

NE

CTO

R P

AN

EL

SO

LA

ME

DIC

IÓN

DE

TE

NS

IÓN

Y

ME

DIC

IÓN

DE

TE

NS

IÓN

Y

CO

NE

CT

OR

BA

NC

O

DE

Page 50: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

La unidad de control en esta tarjeta a diferencia de la tarjeta Boost, se alimenta

por fuente externa con las siguientes tensiones: +15V, -15V, +5V y GND.

3.5 TARJETA LCD

La tarjeta LCD permite realizar una interfaz visual con el usuario. Para ello cuenta

con un módulo LCD de 2 x 20 (dos filas de veinte caracteres cada una), la cual se

utiliza principalmente para conocer en tiempo real el estado del conversor DC/DC, como

también la energía proporcionada a la batería desde el momento en que se energizó la

unidad de control. Además de lo anterior, el módulo LCD proporciona al usuario

información cada vez que se envía una señal vía comunicación serial, o la finalización

de algún proceso como por ejemplo “fin de escritura en la eeprom externa”. Los

mensajes generados en el módulo LCD se detallan en el APÉNDICE A, denominado:

MENSAJES DEL MÓDULO LCD.

Por otro lado, además del módulo LCD, la tarjeta cuenta con tres LED’s que

indican el estado de carga del banco de batería, y con dos switch de los cuales el

primero permite realizar un cambio de pantalla (ver APÉNDICE A) y el segundo permite

el borrado de la contabilización de la energía almacenada en la carga, desde el

momento en que se encendió la unidad.

Para lograr lo mencionado en el párrafo anterior, la tarjeta se ha de conectar con

el conversor DC/DC, por medio de un bus conformado por un cable plano de 15 líneas,

el cual se divide en: 4 líneas de datos (DB4 al DB7), 3 líneas de control (RS, R/W y E),

3 LED’s, 2 switch, 1 línea de alimentación +5V y 2 líneas de tierra (GND). Estas señales

son posibles de apreciar en el diagrama de bloque de la figura 3.15.

Page 51: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

MÓDULO LCD 2 X 20

PORT D PORT B

TARJETA LCD

BUS

Esperar m ás de 15m s

RS R/W D B 7 DB 6 D B 5 DB 4 000011

Esperar m ás de 4.1m s

RS R/W D B 7 DB 6 D B 5 DB 4 000011

Esperar m ás de 100us

RS R/W D B 7 DB 6 D B 5 DB 4 000011

Encendido

C onfiguración

Apagar displayEncender display M odo de D esplazam iento

F in de la In icia lización

Figura 3-15 Diagrama de bloques de la tarjeta LCD

Antes de poder enviar un mensaje al módulo de cristal liquido a través de las

líneas de datos, el módulo se ha de inicializar. Para ello, es necesario crear una rutina

en C que permita configurar los bits involucrados en este proceso. La figura 3.16

proporciona el diagrama de flujo de la rutina creada en C.

RS 0

R/W 0

D B 70

DB 6 0

D B 51

DB 4 0

00

00

0N

0F

1X

0X

00

00

01

00

00

00

00

00

00

00

00

01

00

00

00

01

01/D

0S

Figura 3-16 Diagrama de flujo de la rutina de inicialización del módulo LCD

G ND

SWIT

CH

1

LED

LED

2 D B 4 D R S E

Page 52: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

Para inicializar el módulo LCD, lo primero que se debe realizar es alimentar el

módulo con una tensión de 5V y esperar un tiempo superior a 15ms para estabilizar la

tensión. Enseguida se habilitan los bits de datos (DB4 al DB7) y los de control RS y R/W

(Register Selection y Read / Write), de acuerdo a la secuencia ilustrado en la figura

3.16. Para finalizar la inicialización, se debe realizar una etapa de configuración en la

cual se elige la línea del módulo en la que se va a enviar el primer mensaje y el tipo de

letra. Posterior a ello, se apaga el módulo LCD y luego se enciende, para finalmente

posicionar el cursor y de esta forma encontrarse listo para recibir datos. La tabla 3-2

muestra el significado de las abreviaturas utilizadas en la figura 3.16.

0 Primera línea del displayN

1 Segunda línea del display

0 5 x 7 píxel por cada carácterF

1 5 x 10 píxel por cada carácter

0 Mensaje fijo en el displayS

1 Desplaza el mensaje en el display

0 Decrementa la posición del cursor1/D

1 Incrementa la posición del cursor

Tabla 3-2 Significado de las abreviaturas

Como ya fue mencionado, el estado de la carga (EDC) del banco de batería

puede ser visualizado mediante LED’s. Para ello, la tarjeta LCD cuenta con tres led’s

(Verde, Amarillo y Rojo), los cuales indican un estado alto, medio y bajo del estado de

carga del banco de baterías de 12V, respectivamente. Un parpadeo sucesivo del LED

verde indica un estado de carga óptimo, superior a 14.8V (x 2 para 24V). Por otro lado,

un parpadeo sucesivo del led amarillo indica un estado de carga medio, o sea, su carga

se encuentra entre los 12.4V y 14.8V. Y por último, el parpadeo del led de color rojo

Page 53: Villegas Barria 2006

U

L

MICROCONTROLADOR PIC18F452

P

C

S W

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

indica un estado de carga deficiente, lo cual indica que la tensión esta por debajo de los

12.4V. La figura 3.17 muestra la tarjeta LCD implementada.

Figura 3-17 Tarjeta LCD implementada

3.6 COMUNICACIÓN SERIAL

La comunicación dual existente entre el PC y la unidad de control del sistema

fotovoltaico es implementado vía serial hacia la unidad de control del sistema

fotovoltaico y viceversa. En la unidad de control el encargado de interpretar y generar la

cadena serial de bits es el microcontrolador PIC18F452. Para ello, el programa cuenta

con comandos predefinidos. Este hecho se ilustra en la figura 3.18 y en la tabla 3-3 se

entrega el significado de cada carácter.

Figura 3-18 Diagrama de instrucciones predefinidas en el PIC

Page 54: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

Carácter FunciónP Habilita el algoritmo perturbación y observaciónC Habilita el algoritmo conductancia incrementalS Realiza un reset al contador de energíaL Permite la lectura de la EEPROM externaW Permite la escritura de la EEPROM externaU Realiza un reset al microcontrolador

Tabla 3-3 Carácter y funciones interpretadas por el PIC18F452

Al momento en que el computador PC envía alguna de los seis caracteres

introducidos en la figura 3.18, el microcontrolador ejecuta una interrupción y da a lugar a

la petición realizada por el PC (ver tabla 3-3).

La comunicación entre el computador PC y la unidad de control, se realiza

mediante comunicación serial asincrónica, utilizando para ello protocolo RS – 232 [13].

Dicha comunicación es posible mediante la conexión de tres hilos: uno de ellos para

transmisión (TX), otro para recepción (RX) y el último como tierra común entre ambas

unidades. Este hecho se ilustra el diagrama de bloques de la figura 3.20.

TX RX

RX TXUNIDAD DE

COMPUTADOR PERSONAL

CONTROL DEL

CONVERSORGNDDC/DC

Figura 3-19 Comunicación serial PC / Unidad de control

El microcontrolador PIC18F452 posee un módulo AUSART [14], esto hace que

sea capaz de generar e interpretar cadenas de bits en formato serial. La cadena de bits

generada en el PIC varía entre 0 y 5V. Tensiones que no son suficientes para

adaptarse a la norma RS – 232 (tensiones entre +15 y -15V), es por ello que se hace

necesario el uso de un conversor MAX232 (ver Apéndice D) como interfase entre el

microcontrolador PIC18F452 y el PC.

Page 55: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

3.7 MEMORIA EXTERNA EEPROM 24LC16B

La memoria externa EEPROM es la encargada de almacenar en forma de datos,

las corrientes y tensiones a la que se encuentra operando el sistema fotovoltaico. Tanto

la instrucción de lectura como la escritura de esta memoria, se realiza por medio de la

comunicación serial existente entre el PC y la unidad de control del sistema fotovoltaico,

tal como se mencionó en la sección 3.6.

La memoria EEPROM utilizada en esta tesis es el chip 24LC16B fabricado por la

empresa Microchip (Ver Apéndice D) , el cual tiene una capacidad de almacenamiento

de 16Kbyte, y para comunicarse con otros dispositivos hace uso de dos hilos (Ver

apéndice B). Dado que cumple con el protocolo I 2

Ctiene un pin llamado SCL (Serial

Clock) que recibe los pulsos generados por el dispositivo maestro (o sea el PIC18F452)

y el otro llamado SDA (Serial Data) que maneja el flujo de datos de forma bidireccional

(entrada / salida).

Este dispositivo (24LC16B) no requiere de un pin habilitador o chip select ya que

en este esquema, la transferencia de información sólo se puede iniciar cuando el bus

(SDA) esté libre. Cuando el microcontrolador PIC18F452 desea entablar comunicación

con la memoria, debe enviarle una serie de bits que llevan la siguiente información:

1. Se envía el bit de arranque

2. El código 1010

3. La dirección del dispositivo (Ver Apéndice D).

4. Un bit que indica que se desea escribir en la memoria (“0”).

Page 56: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO TERCERO: SISTEMA 4

Luego de esto la memoria debe enviar un reconocimiento para informarle al

microcontrolador que recibió la información. Dicho asentamiento, llamado ACK

(Acknowledge), consiste en colocar el pin SDA en un nivel bajo (lo hace la memoria).

Después el microcontrolador debe enviar los bits que corresponden a la posición de

memoria que se quiere leer o escribir; nuevamente la memoria envía un

reconocimiento. El paso siguiente depende de la operación que se vaya a realizar. Si se

trata de un proceso de escritura, el microcontrolador PIC18F452 sólo debe enviar el

dato a ser almacenado y esperar el asentamiento por parte de la memoria. Si se trata

de una lectura, nuevamente se deben repetir los primeros cuatro pasos, solo que en

lugar de un ”0” que indica escritura, se debe enviar un ”1” que indica lectura. Después

se espera el asentamiento y luego se puede leer el byte con el dato que estaba en la

posición de memoria que se indicó anteriormente. Cuando se termina la operación, el

microcontrolador debe enviar una señal de parada o stop bit.

Todos los pasos anteriormente descritos están insertos en una librería

proporcionada por el programa PCWH de CCS denominada 2416.C, la cual fue

utilizada en esta tesis y se encuentra disponible en el Apéndice B.

Page 57: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO

ALGORITMOS DE CONTROL

Page 58: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 4

4. ALGORITMOS DE CONTROL

4.1 INTRODUCCIÓN

Como ya se mencionó en el capítulo anterior, la potencia proporcionada por los

paneles solares es dependiente de la temperatura y del nivel de radiación solar

incidente. Es por ello que una consideración importante en el diseño de un sistema

fotovoltaico eficiente es rastrear el punto donde se encuentra la máxima potencia de

manera correcta. El propósito del seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)

es forzar a la tensión del panel solar a las cercanías del punto de máxima potencia

(MPP) bajo condiciones atmosféricas cambiantes. De acuerdo a lo anterior, se han

propuesto numerosos métodos para alcanzar el MPP. Entre estos, la referencia [15]

menciona que la tensión del panel solar donde se encuentra la máxima potencia foto

generada VMP , es proporcional a la tensión de circuito abierto del panel solar VOC .

Este hecho se ilustra en la ecuación 4.1.

VMP K VOC

0.73 K 0.80 (4-1)

Por otro lado, la referencia [16] indica que la corriente del panel solar en donde

se ubica la máxima potencia foto generada IMP , es proporcional a la corriente de corto

circuito del panel solar Isc. Este hecho se ilustra en la ecuación 4.2.

IMP K I SC

0.92 K 0.96

(4-2)

Page 59: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 4

Ambos métodos son de simple implementación [15] y [16], pero necesitan forzar

la potencia a cero durante un pequeño lapso de tiempo para obtener VOC o I SC ,

disminuyendo de esta forma la energía proporcionada a la carga. De acuerdo a esto, los

algoritmos que proporcionan mejor desempeño (según lo expuesto en [17] y [18]) y los

cuales han sido implementados en el desarrollo de esta tesis son:

▪ Perturbación y observación

▪ Conductancia incremental

▪ Controlador basado en lógica difusa

Estos algoritmos se detallan a continuación en las secciones 4.2, 4.3 y 4.4,

respectivamente.

4.2 PERTURBACIÓN Y OBSERVACIÓN

El algoritmo perturbación y observación (P&O), se basa en la comparación entre

un valor actual de potencia P(k) , y un valor obtenido de la muestra anterior

P(k 1) .

Basándose en la figura 4.1, el panel solar se encontraba originalmente operando en el

punto A de la curva P – V, luego se desplaza hacía el B. Ahora en el punto B, se

averigua si la potencia actual P(k) , es mayor o igual a la potencia de la muestra

anterior P(k 1) . Si se cumple la premisa P(k ) P(k 1) , se desplaza el punto de

trabajo de B hacía C. Esto es posible de lograr realizando un aumento a una tensión de

referencia denominada Vref , la cual entra a un lazo de control (Ver figura 4.2) y de esta

forma obliga al panel solar a trabajar en dicha tensión. El aumento de Vref , sólo se

hará efectivo si V (k ) V (k 1) , en caso contrario se realizará una disminución de Vref .

Page 60: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

(V(k),P(k))B

(V(k+1),P(k+1)) C

(V(k-1),P(k-1))

A

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 24 6 8 10121416182022

Tensión (V)

VpVp* Vref+ P+I

-

Circuito dedisparo

ConversorDC/DC

PanelSolar

Figura 4-1 Curva P – V bajo seguimiento del MPP con algoritmo P&O

Ahora en el punto C, se examina nuevamente si la potencia actual (ahora llamada

P(k 1) )) es mayor a la potencia de la muestra anterior

P(k) . Al contrario del caso

anterior, la condición P(k 1) P(k )

es falsa, por ende Vref debe disminuir, esto sólo si

V (k 1) V (k ) . En caso contrario, Vref debe aumentar.

Figura 4-2 Lazo de control para la tensión del panel solar

Para obtener el valor de la potencia proporcionada por el panel solar, se debe

sensar continuamente el valor de la tensión V k y corriente I k

instantánea foto

generada (sección 3.3.4), para luego acondicionar las señales a valores entre 0 y 5V,

los cuales llegan finalmente al conversor A/D del microcontrolador PIC18F452. El PIC

Pot

enci

a (W

Page 61: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

Sensar V(k), I(k)

Calcular potenciaP(k)= V(k) x I(k)

NO P(k) > P(k-1) SI

V(k) > V(k-1) V(k) > V(k-1)

SINONOSI

Vref = Vref - C Vref = Vref + C Vref = Vref - C Vref = Vref + C

Retornar

efectuará el cálculo de la potencia (ver ecuación 4.3) y se encargará de almacenar este

dato, para ser comparado con la potencia generada en la muestra siguiente. La figura

4.3 resume el método, mediante un diagrama de flujo del algoritmo de búsqueda

denominado: perturbación y observación (P&O).

Pk V k I k (4-3)

Figura 4-3 Diagrama de flujo del método perturbación y observación

La constante C mencionada en el diagrama de flujo de la figura 4.3, representa

una pequeña variación en la tensión de referencia.

Page 62: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

4.3 CONDUCTANCIA INCREMENTAL

El algoritmo de conductancia incremental se basa en la diferenciación de la

potencia proporcionada por el panel solar con respecto al voltaje. Dicha derivada debe

ser cero para situarse en el MPP [17]. Este hecho se muestra en la ecuación 4.4.

dP d (V I ) I V

dI

0dV dV dV

(4-4)

Arreglando los términos de la ecuación 4.4, se obtiene la ecuación 4.5.

I dI

V dV (4-5)

Cabe señalar que el lado izquierdo de la ecuación 4.5 representa la conductancia

instantánea del panel solar, mientras que el lado derecho representa la conductancia

incremental. Así, para situarse en el punto de máxima potencia, estas dos cantidades

deben ser iguales en magnitud, pero opuestos en signo. Si el punto al que se encuentra

operando el panel solar, se encuentra lejos del punto de máxima potencia, se puede

obtener un conjunto de ecuaciones provenientes de la ecuación 4.5 que indican si el

voltaje de operación del panel esta cerca o lejos del MPP (Ver Figura 4.4). Estas

ecuaciones son resumidas en las ecuaciones 4.6 al 4.8.

Page 63: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

dP/dV = 0

dP/dV > 0dP/dV < 0

120

100

80

60

40

20

00 5 10 15 20 25

Tensión (V)

dI I

;⎜ dP ⎟ ⎛ 0 ⎞ (4-6)

dV V

dI I

;

⎝ dV ⎠dP⎜ ⎟

⎛ 0 ⎞ (4-7)dV V

dI I

;

⎝ dV ⎠dP⎜ ⎟

⎛ 0 ⎞ (4-8)dV V ⎝ dV ⎠

Figura 4-4 Curva P – V bajo seguimiento del MPP con algoritmo Conductancia Incremental.

La ecuación 4.6 se ha repetido de la ecuación 4.5 por comodidad. Las

ecuaciones 4.6 al 4.8 son utilizadas para determinar la dirección en la cual debe ocurrir

una perturbación para mover el punto de operación a las cercanías del punto de

máxima potencia, y la perturbación se ha de repetir hasta lograr que sea satisfecha la

ecuación 4.6. Una vez localizado el punto de máxima potencia (MPP), el MPPT

continúa operando en este punto hasta existir algún cambio en la corriente medida.

Este cambio en la medición de corriente indica que ha variado el nivel de radiación solar

incidente a carga constante [17]. En la figura 2.5.b se muestra, cuando el nivel de

Pot

enci

a (W

)

Page 64: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

radiación solar incidente aumenta, el punto donde se sitúa la máxima potencia se

desplaza hacia la derecha con respecto al voltaje del panel solar. Para compensar el

movimiento del MPP, el MPPT debe incrementar el voltaje de operación del panel solar.

Lo contrario es verdadero cuando existe una disminución del nivel de radiación solar

incidente (por medio de la disminución de la corriente medida).

La figura 4.5 muestra el diagrama de flujo del algoritmo conductancia

incremental. El valor presente y el valor previo de la corriente y voltaje del panel solar

son medidos continuamente por el conversor A/D del microcontrolador PIC18F452. Una

vez en el microcontrolador, los valores de corriente y voltaje son utilizados para calcular

dI y dV . Si dV 0 y

dI 0

las condiciones atmosféricas no han cambiado y el MPPT

seguirá operado en el MPP. Si dV 0 y

dI 0 , entonces la cantidad de radiación ha

aumentado, aumentando el voltaje donde se halla el MPP. Esto requiere que el MPPT

debe incrementar el voltaje de referencia Vref para de esta forma seguir el MPP.

Recíprocamente, si dI 0 , la cantidad de radiación ha disminuido, con lo cual se

reduce el voltaje donde se encuentra el MPP, por ende el MPPT para poder seguir el

nuevo MPP, debe disminuir el voltaje Vref . Si los cambios en el voltaje y la corriente no

son cero, las relaciones dadas en las ecuaciones 4.7 y 4.8 pueden ser utilizadas para

determinar la dirección en la cual el voltaje se debe variar, para alcanzar el nuevo MPP.

Si dI dV I V , entonces dP dV 0 , lo que indica que el panel solar se encuentra

operando a la izquierda del MPP en la curva P – V (Figura 4.4). Así, el voltaje Vref

debe ser incrementado para alcanzar al MPP. De manera similar, si dI dV I V ,

entonces dP dV 0 , lo cual indica que el panel solar se encuentra operando a la

derecha del MPP en la curva P – V, y por ende el voltaje Vref debe ser reducido para

alcanzar el MPP.

Page 65: Villegas Barria 2006

Sensar V(k), I(k)

dV = V(k) - V(k-1)dI = I(k) - I(k-1)

NO dV = 0 SI

dI / dV = - I / V dI = 0

NO NO

SI SI

dI / dV > - I / V dI > 0

SINO NO SI

Vref = Vref + C Vref = Vref - C Vref = Vref - C Vref = Vref + C

Retornar

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

Al igual que en el método perturbación y observación, el voltaje de referencia

obtenido en cada iteración es ingresado al lazo de control ilustrado en la figura 4.2, a

efecto de asegurar que el panel fotovoltaico seguirá la tensión de referencia,

proporcionado por el algoritmo de MPPT.

Figura 4-5 Diagrama de flujo del algoritmo conductancia incremental

La constante C mencionada en el diagrama de flujo de la figura 4.5, representa

una pequeña variación en la tensión de referencia.

Page 66: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

Circuito de disparo

Computador Principal

Corriente ytensión Panel Solar

A / D PWM

Base deConocimiento

CalcularE . CE

E

CE

ControladorDifuso

RAM

PIC18F452Microchip

Puerto Serial

4.4 CONTROLADOR BASADO EN LÓGICA DIFUSA

Esquemáticamente la configuración del controlador difuso para un conversor

DC/DC esta dado por la figura 4.6. En dicha figura se observa que tanto la corriente

como la tensión son sensados, y luego llevados a los canales A/D del microcontrolador

PIC18F452, esto para luego obtener el error E(k )

el cual es una de las entradas del

controlador difuso, dicho error se obtiene según la ecuación 4.9.

E(k ) dP

dV P(k ) P(k

1)V (k ) V (k

1)

(4-9)

Donde P(k ) y

V (k )

son la potencia y la tensión del panel fotovoltaico,

respectivamente. Por lo tanto, para obtener la máxima potencia foto generada

debe ser cero [18].

E(k )

Figura 4-6 Esquema control difuso para el conversor DC/DC

La entrada restante al controlador difuso, corresponde al denominado cambio de

error, el cual se determina haciendo la diferencia entre el valor actual del error y su valor

anterior (Ver ecuación 4.10).

Page 67: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

CE (k ) E(k ) E(k 1) (4-10)

El algoritmo de control difuso, se divide en tres etapas [18] al [20]. La primera

etapa consiste en la fuzzificación, en ella los datos son transformados para ser

trabajados en un ambiente difuso. Posteriormente, en la etapa de inferencia y toma de

decisión, se definen las reglas del sistema y se evalúan para obtener una salida del tipo

difusa. Finalmente, la salida difusa ingresa a la etapa de desfuzzificación, en donde la

salida obtenida es nuevamente transformada en un variable concreta entendible por el

resto del sistema.

4.4.1 FUZZIFICACIÓN

Las variables de entradaE(k )

y CE(k ) , son expresados en términos lingüísticos

o etiquetas como: PB (Positivo Grande), PM (Positivo Medio), PS (Positivo Pequeño),

ZO (Cero), NS (Negativo Pequeño), NM (Negativo Medio) y NB (Negativo Grande)

utilizando para ello subconjuntos difusos. La figura 4.7 muestra los grados de

pertenencia de los siete subconjuntos difusos para las variables de entrada y de salida.

Page 68: Villegas Barria 2006

NB NM NS ZO PS PM PB

(a)

NB NM NS ZO PS PM PB

(b)

u(E)

1

GradoDe Pertenencia

0

u(CE)-6 -4 -2 0 2 4 6

1

GradoDe Pertenencia

0

6u(dD) -6 -4 -2 0 2 4

1

GradoDe Pertenencia

0-6 -4 -2 0 2 4 6

NB NM NS ZO PS PM PB

(c)

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

Figura 4-7 Funciones de membresía para (a) entrada E, (b) entrada CE y (c) salida dD (variación del ciclo de trabajo).

4.4.2 METODO DE INFERENCIA

La tabla 4-1 muestra las reglas del controlador difuso, la cual se obtiene de todas

las combinaciones posibles entre las entradas E y CE, y a su vez esta combinación

proporciona cuarenta y nueve reglas correspondientes a las posibles salidas del

controlador. La base de conocimiento se conoce como: base de conocimiento de

diagonal cero, y es utilizado en el control de conversores DC/DC [19].

CEE

NB NM NS ZO PS PM PB

NB NB NB NB NB NM NS ZO

NM NB NB NB NM NS ZO PS

NS NB NB NM NS ZO PS PM

ZO NB NM NS ZO PS PM PB

PS NM NS ZO PS PM PB PB

PM NS ZO PS PM PB PB PB

PB ZO PS PM PB PB PB PB

Tabla 4-1 Base de conocimiento del controlador fuzzy

Page 69: Villegas Barria 2006

Si (E es NB) y (CE es NS) entonces (dD es NB) Si (E es ZO) y (CE es ZO) entonces (dD es ZO) Si (E es ZO) y (CE es PB ) entonces (dD es PB)

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 5

El proceso de toma de decisión se realiza por medio de la evaluación de

conjuntos de reglas como las siguientes (Tabla 4-2):

Tabla 4-2 Formas de regla

Luego de evaluar los antecedentes de cada regla, se obtienen los consecuentes

y con ellos se construye el conjunto difuso correspondiente a la salida (dD).

Sin embargo, la tabla 4-2 proporciona una salida de tipo lingüística y esta debe

ser convertida a un valor concreto con el cual se puede operar y realizar la acción de

control correspondiente, la cual corresponde a una variación del ciclo de trabajo. A este

proceso de conversión se le conoce como desfuzzificación.

El método de inferencia utilizado en la obtención del consecuente a partir de los

antecedentes, corresponde al de Mamdami [20].

4.4.3 DESFUZZIFICACIÓN

La salida del controlador difuso es un subconjunto difuso de control. Un sistema

para operar requiere usualmente un valor de control no difuso (concreto), es por ello

que se hace necesaria una desfuzzificación. La desfuzzificación se puede realizar

normalmente mediante dos algoritmos: método del máximo y método del centro de

Page 70: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 6

n

n

j

j

dDce CE

eSE

ESdD

SCE

gravedad (COA) [20]. El método del centro de gravedad es el más utilizado para casos

discretos y esta dado por la ecuación 4-11.

dD

udD j dD jj 1 (4-11)udDj j 1

DondedDj es la j - ésima regla activa y udD es el grado de cumplimiento de

dicha regla 0 dD 1. Por otro lado, dD

es la salida del controlador difuso y

corresponde a una variación del ciclo de trabajo.

Finalmente, en la figura 4-8 se muestra la configuración del controlador difuso, el

cual esta compuesto de un escalamiento en la entrada y la salida, fuzzificación, toma de

decisiones (inferencia), desfuzzificación. Los factores de escala SE, SCE y SdD cambia

las entradas y salida proporcionalmente. La salida dD se obtiene a partir del estado de

las variables E y CE donde cada uno se deriva de la señal actual dividiendo por el factor

de escala respectivo. La variable de salida es desfuzzificada y multiplicada por el factor

de escala SdD para construir la señal de control PWM. Su papel es afinar el controlador

difuso para obtener el seguimiento del punto de máxima potencia de un sistema

fotovoltaico.

FUZZIFICACIÓN TOMA DE DECISIÓN

DESFUZZIFICACIÓNdd

Figura 4-8 Configuración del controlador difuso

Page 71: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO CUARTO: ALGORITMOS DE 6

Por otro lado, la figura 4-9 muestra la superficie que representa la respuesta del

controlador difuso, en la cual se aprecia la no linealidad de este, con respecto a sus

entradas E y CE. La figura 4-9 se ha obtenido utilizando la herramienta Fuzzy Logic

Toolbox, el cual viene incorporado en el software MATLAB 7.0.

Figura 4-9 Superficie característica del controlador difuso

Page 72: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Page 73: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

5. RESULTADOS EXPERIMENTALES

5.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentan los resultados experimentales con la finalidad de

estudiar y observar el comportamiento de los algoritmos de control propuestos, e

implementados tanto en el conversor DC/DC Boost como para el Buck – Boost. El

sistema fotovoltaico utilizado corresponde al descrito en la sección 3.1.

Los resultados que se presentan corresponden al comportamiento del sistema

para las siguientes condiciones:

▪ Generación de curvas I –V y P – V, para diversas condiciones climáticas

▪ MPPT con Radiación Solar Incidente (RSI) constante

▪ MPPT con variación en la RSI

Las principales variables a monitorear son: tensión, corriente, temperatura de

operación del panel solar y ciclo de trabajo del conversor DC / DC. Sin embargo, para

algunas pruebas específicas es posible que se presenten adicionalmente otras

variables que sean consideradas importantes de mostrar.

5.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES

Los resultados experimentales se obtuvieron utilizando el sistema detallado en la

sección 3.1 y utilizando como fuente energética el sol. Los conversores DC/DC Boost y

Buck – Boost son controlados mediante un microcontrolador PIC18F452. Dicho control

Page 74: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

se centra en la generación de una señal PWM de 19.6kHz, al cual se le varía el ciclo de

trabajo de tal forma de alcanzar el punto óptimo de operación del panel solar.

Las principales características del panel solar utilizado (Ver apéndice D) se

proporcionan a continuación:

o Voltaje de circuito abierto : 21.6 V

o Corriente de corto circuito : 6.54 A

o Voltaje de máxima potencia : 17.4 V

o Corriente de máxima potencia : 6.10 A

o Potencia máxima : 106 W

Cabe señalar que para efecto de ensayos, el panel solar se ha orientado en

dirección norte y con un ángulo de 60º con respecto a la horizontal. Por otro lado, la

carga del sistema lo compone un banco de batería, el cual es de 12V o 24V, según se

este operando con el conversor en la modalidad reductora (Buck) o elevadora de

tensión (Boost), respectivamente.

5.2.1 RESULTADOS PARA LA GENERACIÓN DE CURVAS I –V y P – V.

La primera prueba considerada de importancia corresponde a la generación de

curvas de corriente contra tensión I V y potencia contra tensión P V . La

generación de dichas curvas entrega información importante concerniente al estado de

operación del panel o panel fotovoltaico (FV). En particular, se puede conocer de

manera gráfica la máxima potencia extraíble, esto según lo expuesto en la sección 2.4

(Seguimiento del MPP). Para la obtención de dichas curvas se utilizó los conversores

Page 75: Villegas Barria 2006

⎣ ⎦

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

948 W / m2

810 W / m2

76 W @ 948 W / m2

66 W @ 810 W / m2

7

6

5

4 (a)

3

2

1

00123456789 10 11 12 13 14 15 16Tensión Panel Solar (V)

17 18 19 20 21 22 23 24 25

80

7060

50

40

(b)

30

20

10

0

0123456789 10 11 12 13 14 15 16Tensión Panel Solar (V)

17 18 19 20 21 22 23 24 25

DC/DC como resistencias variables, siendo para ello necesario realizar sucesivos

incrementos en los tiempos de encendido del transistor de cada conversor.

La figura 5.1, entrega una comparación de curvas I – V y P –V, obtenidas ambas

a una temperatura de 32 ºC, y con diferentes niveles de radiación solar incidente

( 810 W / m 2 y 948 W / m 2 ). Los niveles de RSI, fueron obtenidos mediante la medición de

la corriente de cortocircuito del panel solar Isc, y utilizando la ecuación 5.1.

Isc ⎡ mA ⎤R.S.I

K ; K 6.54⎢

W

m2 ⎥ (5-1)

Donde la constante K se obtiene de los datos proporcionados por el fabricante

del panel solar.

Figura 5-1 a) Curvas I – V, b) Curvas P –V

Pot

enci

a P

anel

Sol

ar (W

Cor

rient

e P

anel

Sol

ar (A

Page 76: Villegas Barria 2006

7

6

5

4

(a)

3

2

1

0 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25Tensión Panel Solar (V)

80

70

6050

40 (b)

30

20

10

0

0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25Tensión Panel Solar (V)

31ºC

41ºC

76 W @ 31ºC

72 W @ 41ºC

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

De la figura 5.1b, se confirma que la curva P – V con mayor potencia foto

generada, es aquella en la cual se ha incidido mayor nivel de radiación solar

( 948 W / m 2 ), alcanzando un valor de 76 W. Por otro lado, la figura 5.1a ilustra el hecho

de que el aumento en el nivel de radiación solar incidente, influye esencialmente en el

acrecentamiento de la corriente de cortocircuito (de 5.3 A € 6.2 A). Además de la

figura

5.1 se aprecia que la curva de menor radiación solar incidente ( 810 W / m 2 ), logra llegar

a un voltaje de 1V cuando hay ≈5.5A en el panel solar, a diferencia de la curva de

mayor nivel radiación, en que la mínima tensión es de 2V a los ≈6.3A. Lo anterior no

tiene como causa el nivel de radiación solar incidente, sino que la curva de 948 W / m 2

fue generada con el conversor DC/DC Boost, mientras que la otra curva (la de

810 W / m 2 ) fue obtenida mediante el conversor Buck – Boost.

La figura 5.2 ilustra la comparación de curvas I – V y P – V, para un mismo nivel

de radiación solar incidente ( 948 W / m 2 ), y cambia la temperatura de 31ºC € 41ºC.

Figura 5-2 a) Curva I – V. b) Curva P – V.

Pot

enci

a P

anel

Sol

ar (W

Cor

rient

e P

anel

Sol

ar (

Page 77: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

De la figura 5.2 se ratifica el hecho de que el aumento en la temperatura del

panel solar, va en directo desmedro de la potencia generada, disminuyendo de 76W a

72W. Además, la figura 5.2.a muestra la disminución de la tensión de circuito abierto

(de 20.5 V € 19.4 V), la cual tiene directa relación con el incremento de la temperatura

en el panel solar.

En definitiva, las figuras 5.1 y 5.2 confirman de manera práctica, lo ya

mencionado en la sección 2.3 denominada: Características Analíticas de los Paneles

Solares, la cual aludía la influencia de la potencia generada por un panel solar, por

efecto de la temperatura y el nivel de radiación solar incidente.

5.2.2 RESULTADOS DE MPPT CON RSI CONSTANTE

En esta sección se detallan algunos ensayos realizados concernientes al

seguimiento del punto óptimo del panel FV, para un mismo nivel de radiación solar

incidente (RSI) constante. Los resultados obtenidos en esta sección corresponde a los

logrados mediante los algoritmos: perturbación y observación (P&O), conductancia

incremental (Cond. Inc.) y controlador basado en lógica difusa. Dichos algoritmos se

han implementados en el conversor DC/DC Boost. Para el caso del conversor Buck –

Boost, se utilizaron solo los algoritmos P&O y Cond. Inc.

La figura 5.3 entrega la respuesta del seguimiento del punto de máxima potencia

(MPPT) para un sistema basado en un panel solar y utilizando como algoritmo de

control el método conductancia incremental, con una radiación solar incidente de

658 W m2 y una temperatura de 29ºC. Mientras que la figura 5.4 entrega la respuesta

del MPPT utilizando el algoritmo Perturbación y Observación, para un nivel de radiación

Page 78: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

MPPT

1514.75Vref

Vpanel

14.5

14.25

14 0 1 2 3 4 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9 10

5410053.590

5352.552

51.551

Eficiencia del ConversorCiclo de Trabajo

34 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9

8070(c)60504010

0 1 2

6050403020100

(a)

0510152025Tensión Panel Solar (V)

(b)

solar incidente de 617 W m2y una temperatura de 26ºC. Ambos resultados obtenidos

mediante el conversor Boost.

Figura 5-3 a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

De la figura 5.3a se puede apreciar que el algoritmo Cond. Inc. cumple el

objetivo. O sea, se sitúa la potencia foto generada en el punto más óptimo de la curva

P–V (55 W), la cual a su vez, se alcanza con una tensión de 14.4 V. Este hecho se

reafirma en la figura 5.3b, donde la respuesta del controlador oscila en torno a la

tensión de referencia. Por otro lado, la salida del controlador es apreciable en la figura

5.3c, donde el ciclo de trabajo fluctúa entre los 51.86 % y 52.15 %. Lo que respecta a la

eficiencia, está se encuentra en torno a los 87%, llegando a un peak de 92 %.

Ten

sión

(VC

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de

Trab

ajo

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cia

Pan

el S

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(%

Page 79: Villegas Barria 2006

MPPT

5251.551

50.5Eficiencia del Conversor50

49.549

9590858075706510Ciclo de Trabajo

0 1 2 3 4 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9

60504030

(a)20100

(c)

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 6

0510152025Tensión Panel Solar (V)

15

14.8VpanelVref14.6

(b)14.4

14.2

14

01234 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9 10

De la figura 5.4 se puede evaluar la efectividad del algoritmo P&O en el

seguimiento del MPP, la cual alcanza un valor de 50W a los ≈14.5V. Situación que se

confirma en la 5.4.b, donde la tensión del panel solar oscila en torno a la tensión de

referencia, proporcionada por el algoritmo de control. En lo que respecta a la variación

del ciclo de trabajo, esta se encuentra entre 49.2% y 50.1%, lo cual deja claro que el

algoritmo P&O es de naturaleza más oscilatorio que el algoritmo Cond. Inc. (ver sección

4). Con lo que respecta a eficiencia, esta se mantiene al igual que en el caso anterior en

≈87%, alcanzando un peak de 91%.

Figura 5-4 a) Curva P-V con MPPT P&O.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

Por último, para el caso del conversor DC/DC Boost, se ha implementado un

controlador basado en lógica difusa. La respuesta de dicho controlador se ilustra en la

figura 5.5, la cual se ha obtenido con una temperatura de 38ºC y una RSI de 910 W m2 .

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lo d

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raba

jo (

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ón

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Po

ten

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Pan

el S

ola

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Con

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or

(%

Page 80: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

1500Cambio de Error200010000Error(b)500-2000

0-4000

-50001234 5

Tiempo (Seg)6 7 8 9

-600010

MPPT

800.865

70 0.86

Eficiencia del ConversorCiclo de Trabajo

60 0.855

500 1 2 3 4 5

Tiempo (Seg)6 7 8 9

0.8510

80

60

40 (a)

20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Tensión Panel Solar (V)

2000 4000

(c)

Figura 5-5 a) Curva P-V con MPPT Difuso.b) Entradas del controlador difuso

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

De la figura 5.5 se puede ver que la máxima potencia foto generada es de

70W, la cual se consigue a una tensión de 14 V (figura 5.5.a). Las entradas del

controlador (figura 5.5.b) difuso oscilan en torno a cero, tal como se mencionó en la

sección 4.4. Por otra parte, la salida del controlador (ciclo de trabajo) fluctúa entre los

≈50% y 60 %. Finalmente, al igual que con los métodos P&O y Cond. Inc., el conversor

DC/DC Boost se encuentra operando con una eficiencia de 86%.

Ahora, para el caso del conversor Buck – Boost, los algoritmos Cond. Inc. y P&O,

fueron puesto a prueba tanto la propiedad elevadora y reductora de tensión que posee

el conversor Buck – Boost.

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iclo

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Tra

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Pan

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ola

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Page 81: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

Efic

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MPPT

Vref

Vpanel

80

60

40

(a)

20

0 0 5 10 15 20 25Tensión Panel Solar (V)

1514.7514.5

14.2514

13.7513.5

(b)

01234 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9 10

53.553

0 1 2 3 4 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9

706510

Según lo anterior, la figura 5.6 y 5.7 muestran el caso del conversor Buck – Boost

actuando como conversor DC/DC reductor (Buck), y bajo seguimiento del MPP,

utilizando para ello los algoritmos Cond. Inc. y P&O, respectivamente.

La figura 5.6 entrega la respuesta del seguimiento del punto de máxima potencia

(MPPT) para un sistema basado en un panel solar utilizando el algoritmo Cond. Inc.,

con una radiación solar incidente de 899 W m 2 y una temperatura de 33 ºC. Mientras

que la figura 5.7 entrega la respuesta del MPPT utilizando el algoritmo P&O, para un

nivel de radiación solar incidente de 899 W m 2 y una temperatura de 32 ºC.

56 95

55.5 90

55 85

54.5

54 Eficiencia deCiclo de Trabajo

l Conversor80

75

(c)

Figura 5-6 a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck– Boost con MPPT

Te

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ón

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Cic

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ajo

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nci

a P

ane

l So

lar

(

Page 82: Villegas Barria 2006

MPPT

VrefVpanel

14.5

14.25

14 0 1 2 3 4 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9 10

Eficiencia del Conversor Ciclo de Trabajo

95908580(c)75706510

80

60

40(a)

20

00 2 4 6 8 10

Tensión Panel Solar (V)12 14 16 18 20

15

14.75

(b)

54.554.25

5453.7553.5

53.2553

01234 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

Figura 5-7 a) Curva P-V con MPPT P&O.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck– Boost con MPPT

Las figuras 5.6 y 5.7 son muy similares. En ambas, la máxima potencia se

encuentra alrededor de los 65 W. La similitud mencionada, tiene como causa principal

el hecho que el nivel de RSI y la temperatura fueron similares. La leve diferencia entre

la figura 5.6 y la 5.7, lo indica el aumento de la tensión de referencia de ≈14.25 V

≈14.3 V. respectivamente. Lo anterior, tiene relación directa con la disminución de la

temperatura de 33º C € 32º C. La eficiencia del conversor DC/DC Buck – Boost,

actuando como reductor se puede apreciar tanto en la figura 5.6.c y 5.7.c, en ambas

esta se encuentra en ≈86 %. Mientras que el ciclo de trabajo es de ≈54 %.

Por otro lado, se realizan las mismas pruebas con los algoritmos Cond. Inc. y

P&O para el conversor Buck – Boost, pero ahora en la modalidad de conversor elevador

Cic

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Tens

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cia

Pan

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Efic

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Page 83: Villegas Barria 2006

Efic

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(%

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

MPPT

VpanelVref

r

80

60

(a)40

20

0 0 5 10 15 20 25Tensión Panel Solar (V)

1615.515

14.514

13.513

(b)

01234 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9 10

68.7595

0 6 9

(Boost). Los resultados del MPPT utilizando el algoritmo Cond. Inc. y P&O, se ilustran

en la figura 5.8 y 5.9, respectivamente.

La figura 5.8 entrega la respuesta del seguimiento del punto de máxima potencia

(MPPT) utilizando el algoritmo Cond. Inc., con una RSI de 764 W m2 y una temperatura

de 31 ºC. Por otra parte, la figura 5.9 ilustra la respuesta del MPPT utilizando el

algoritmo P&O, para un nivel de RSI de 795 W m2y una temperatura de 31 ºC.

68.5 Eficiencia del Conve sor 90

68.25 85

68 Ciclo de Trabajo 80 (c)67.75 75

67.5 70

67.25 651 2 3 4 5

Tiempo (Seg)7 8 10

Figura 5-8 a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc .b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck– Boost con MPPT

De la figura 5.8.a se observa que el algoritmo Cond. Inc., logra el objetivo de

forzar al panel solar a situarse en la zona donde se encuentra la máxima potencia foto

generada. Dicha potencia es cercana a los 62 W, la cual se obtiene a una tensión de

≈14.25 V. La tensión donde de encuentra la máxima potencia generada por el panel FV,

Cic

lo d

e Tr

abaj

o (%

Tens

ión

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cia

Pan

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olar

(W

Page 84: Villegas Barria 2006

MPPT

VpanelVref

Eficiencia del Conversor

Ciclo de Trabajo 80(c)75706510

80

60

40 (a)

20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

15

14.75

14.5(b)

14.25

14

13.750 1 2 3 4 5

Tiempo (Seg)6 7 8 9 10

69.2569

68.7568.5

68.2568

67.75

959085

01234 5Tiempo (Seg)

6 7 8 9

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

se confirma en la figura 5.8.b, donde se ilustra que la tensión del panel solar oscila en

torno a la tensión de referencia (≈14.25V). Por otro lado, el ciclo de trabajo (ver figura

5.8.c) al cual se encuentra operando el conversor Buck – Boost, aumento de los 54% a

68%, al cambiar la modalidad de trabajo de reductor a elevador de tensión,

respectivamente. Lo que concierne a la eficiencia del conversor, esta fluctúa en torno al

85% llegando a un peak de ≈ 91 %.

Figura 5-9 a) Curva P-V con MPPT P&O.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck– Boost con MPPT

Por otra parte, de la figura 5.9 se observa que al igual que con el método Cond.

Inc., el algoritmo P&O logra situarse en la zona donde se encuentra la máxima

proporcionada por el panel solar (≈65 W). El MPP se obtiene a una tensión de ≈ 14.25

V, lo cual se confirma en la figura 5.9.b, donde la tensión del panel solar oscila entorno

Cic

lo d

e Tr

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Tens

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cia

Pan

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(W

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ienc

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rsor

(%

Page 85: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

a la tensión de referencia obtenida mediante el algoritmo P&O, dicha tensión de

referencia asciende a los 14.25 V. Por otra parte, la eficiencia del conversor Buck –

Boost operando en la modalidad elevadora, se encuentra cercana a los 85 %, teniendo

un peak de 91 %. Mientras que el ciclo de trabajo, se mantiene constante en 68%.

5.2.3 RESULTADOS DE MPPT CON VARIACIÓN EN LA RSI

En esta sección se detallan algunas pruebas concernientes a aplicar sombras

parciales (variación en el nivel RSI) al panel solar, para lo cual se hace necesario cubrir

una zona del panel solar, durante un pequeño lapso de tiempo (≈1.5 seg. Para la

mayoría de los casos). Los resultados obtenidos corresponde a los logrados mediante

los algoritmos: P&O, Cond. Inc. y Lógica Difusa, los cuales han sido implementados en

el conversor DC / DC Boost. Para el caso del conversor DC / DC Buck – Boost, los

algoritmos empleados para la búsqueda del punto de máxima potencia, ante

variaciones del nivel de RSI corresponden a: P&O y Cond. Inc.

La figura 5.10 entrega la respuesta del sistema en MPPT, utilizando el algoritmo

conductancia incremental a una temperatura de 49º C. Mientras que la figura 5.11,

muestra la respuesta del algoritmo P&O a una temperatura de 25 ºC. Ambos resultados

obtenidos con el conversor DC/DC Boost.

El nivel de radiación solar incidente antes de producirse la perturbación para la

respuesta de la figura 5.10 y 5.11, es de 1040 W m2y 842 W m2 , respectivamente.

Page 86: Villegas Barria 2006

MPPT

Vpanel

12Vref

10012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

60

50

40(c)

30

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012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

80

60

40 (a)

20

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tensión Panel Solar (V)

18

16

14 (b)

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

De la figura 5.10 se observa como el algoritmo conductancia incremental, actúa

frente a la variación en el nivel de RSI. Antes de producirse la perturbación (en 1.5

seg.), el panel solar se encontraba operando en la zona de mayor potencia foto

generada en ≈70W. Al producirse la perturbación, la tensión del panel decae de manera

abrupta y con ello la potencia foto generada (70W € 10W), por lo cual el sistema de

control actúa disminuyendo el ciclo de trabajo de 55% a 30%. Dicha disminución causa

un aumento en la tensión del panel de los ≈10V a ≈18 V (figura 5.10.b). Por lo cual,

en esta circunstancia el controlador procede ahora aumentando el ciclo de trabajo y con

ello retornando la tensión del panel solar a la de referencia (≈14.5V).

Figura 5-10 a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc. y variación en la RSI.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

De la figura 5.11, se observa el comportamiento transiente para el algoritmo

Cond. Inc. La tensión donde se encuentra la máxima potencia foto generada (la cual

Cic

lo d

e Tr

abaj

o (%

Tens

ión

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Pan

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Page 87: Villegas Barria 2006

MPPT

Vpanel

12Vref

108

012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

60

50

40(c)

30

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012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

80

60

40(a)

20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

20181614

(b)

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

asciende a 65W) es de 15.5V. Por otro lado, el ciclo de trabajo se encuentra entre 25%

y 50% durante la perturbación, y en este lapso la potencia cae de 65W € 8W.

Figura 5-11 Curva P-V con MPPT P&O y variación en la RSI.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

Para finalizar las pruebas con el conversor DC/DC Boost, se observó el

comportamiento del controlador basado en lógica difusa, ante una sombra parcial

aplicada al panel solar a una temperatura de 26º C. La respuesta de la prueba recién

mencionada, se muestra en la figura 5.12.

Cic

lo d

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abaj

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Tens

ión

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cia

Pan

el S

olar

(W

Page 88: Villegas Barria 2006

MPPT

Cambio de Error Error

-15006

60

50

40(c)

30

20

012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

80

60

40 (a)

20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

300 500

200 0

100 -500(b)

0 -1000

-1000 1 2 3

Tiempo (Seg)4 5

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

Figura 5-12 a) Curva P-V con MPPT Difuso y variación en la RSI.b) Entradas del controlador difuso

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

De la figura 5.12 se observa una respuesta muy similar a las obtenidas en las

figuras 5.10 y 5.11, y es que el ciclo de trabajo disminuye ante la perturbación, para

luego nuevamente aumentar y oscilar en torno al ciclo de trabajo óptimo para

suministrar la máxima potencia disponible en ese momento del panel solar. De la figura

5.12 se aprecia también, como la señal de error y la del cambio de error fluctúan en

torno a cero. Durante la perturbación el error crece cuantitativamente, forzando al

controlador a aumentar el ciclo de trabajo.

La máxima potencia proporcionada por el panel FV es de ≈76W

a 26º C y 927W m2 , la cual cae a 10W por efecto de la sombra aplicada al panel solar.

EC

iclo

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ajo

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Pan

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ola

Cam

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de E

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Page 89: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 7

MPPT

Vpanel

Vref

55

50

45(c)

40

35

012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

80

60

40(a)

20

00 2 4 6 8 10

Tensión Panel Solar (V)12 14 16 18 20

18

16

14 (b)

12

100 1 2 3

Tiempo (Seg)4 5 6

Ahora, para el caso del conversor Buck – Boost, se probaron los algoritmos: P&O

y Cond. Inc., tanto en la modalidad reductora como elevadora de dicho conversor.

La figura 5.13 entrega la respuesta del sistema en MPPT, utilizando el algoritmo

conductancia incremental a una temperatura de 45º C. Mientras que la figura 5.14,

muestra la respuesta del algoritmo P&O a una temperatura de 30 ºC. Ambos resultados

obtenidos con el conversor DC/DC Buck – Boost, operando en la modalidad reductora.

El nivel de radiación solar incidente antes de producirse la perturbación para la

respuesta de la figura 5.13 y 5.14, es de 890 W m 2 y 683 W m2 , respectivamente.

Figura 5-13 a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc. y variación en la RSI.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck – Boost con MPPT

De la figura 5.13 se aprecia como la potencia cae de los cerca de 65W € 8W, al

momento de producirse la perturbación. La máxima potencia se encuentra a una

Cic

lo d

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raba

jo (

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VP

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Pan

el S

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Page 90: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 8

MPPT

Vpanel

Vref

80

60

40 (a)

20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

20

17.5

15 (b)

12.5

100 1 2 3

Tiempo (Seg)4 5 6

55

50

45 (c)40

35

300 1 2 3

Tiempo (Seg)4 5 6

tensión de ≈14.5V. Por otra parte, el ciclo de trabajo desciende durante la perturbación

de 54% a 40%. El tiempo que dura la perturbación, es de aproximadamente 1.5 seg.

Figura 5-14 a) Curva P-V con MPPT P&O. y variación en la RSI.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck – Boost con MPPT

De la figura 5.14 se observa que la RSI sufre una perturbación de duración

≈1seg. En dicha perturbación actúa el algoritmo de control, de igual forma que en el

caso del conversor DC/DC elevador (Boost). Por otra parte, la perturbación causa un

descenso en el ciclo de trabajo de 54 a ≈33%.

Para finalizar, se verificó el seguimiento del punto de máxima potencia del

sistema fotovoltaico, utilizando ahora el conversor DC/DC Buck – Boost, en su

Tens

ión

(VC

iclo

de

Trab

ajo

(%P

oten

cia

Pan

el S

olar

(W

Page 91: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 8

MPPT

Vpanel

Vref

80

60

40 (a)

20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

2017.515

12.5107.5

5 (b)

012 3Tiempo (Seg)

4 5 6

70

65

60 (c)55

50

450 1 2 3

Tiempo (Seg)4 5 6

modalidad elevadora de tensión. Los resultados de esta modalidad se ilustran en la

figura 5.15 y 5.16, para el caso del algoritmo Cond. Inc. y P&O, respectivamente.

El nivel de radiación solar incidente antes de producirse la perturbación para la

respuesta de la figura 5.15 y 5.16, es de 846 W m 2 (a 36ºC) y

954 W m2 (a 36ºC),

respectivamente.

Figura 5-15 a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc. y variación en la RSI.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck – Boost con MPPT.

De la figura 5.15 se observa la caída de la potencia de ≈60W a 10W durante la

perturbación. En dicha perturbación, el ciclo de trabajo cae de 68% a 47%.

Tens

ión

(VC

iclo

de

Trab

ajo

(%P

oten

cia

Pan

el S

olar

(W

Page 92: Villegas Barria 2006

MPPT

Vpanel

Vref

80

60

40 (a)

20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

20

17.5

15 (b)

12.5

100 1 2 3

Tiempo (Seg)4 5 6

70

65(c)

60

550 1 2 3Tiempo (Seg)

4 5 6

CAPÍTULO QUINTO: RESULTADOS 8

Figura 5-16 a) Curva P-V con MPPT P&O. y variación en la RSI.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck – Boost con MPPT.

Para finalizar, de la figura 5.16 se observa la caída de la potencia de 78W a 20W,

al momento de producirse la baja en el nivel de RSI, la cual tiene una duración de ≈1

seg. En dicha perturbación, el ciclo de trabajo desciende de 68% a 58%.

Tens

ión

(VC

iclo

de

Trab

ajo

(%P

oten

cia

Pan

el S

olar

(W

Page 93: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO QUINTO

CONCLUSIONES

Page 94: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEXTO: 8

6. CONCLUSIONES

La potencia proporcionada por un panel solar puede ser maximizada utilizando

para ello un sistema de control con seguimiento del punto de máxima potencia, el cual

consiste de un conversor DC/DC como interfase entre el panel solar y la carga, y una

unidad de control, que controla al conversor DC/DC de forma tal de obtener la máxima

energía proporcionada por el panel FV. En el presente trabajo de tesis se han

implementado dos conversores DC/DC: Boost y Buck – Boost. Cada conversor cuenta

con una unidad de control, basada en un microcontrolador PIC18F452. A su vez, en el

microcontrolador se han implementado tres algoritmos de MPPT, estos son:

perturbación y observación, conductancia incremental y controlador basado en lógica

difusa.

Los resultados experimentales presentados se obtuvieron para diferentes

condiciones, tales como: nivel de radiación solar incidente constante, aplicación de

sombra parcial al panel solar (equivalente a una baja en el nivel de radiación solar) y

efectos de la temperatura en un panel solar. En todas ellas, los resultados obtenidos

muestran un buen desempeño en el funcionamiento. En particular, para la generación

de curvas I –V y P – V, se muestra la buena eficacia de los conversores DC/DC, al

momento de utilizarse como adaptadores de impedancia, siendo el parámetro de

adaptación el ciclo de trabajo. Por otra parte, la respuesta del controlador de tensión

utilizado en los algoritmos P&O y Conductancia Incremental es aceptable (menos de un

5% de la tensión de referencia para la mayoría de los casos). Para el caso del

controlador difuso, aun cuando es más oscilatorio que los algoritmos recién

mencionados, logra mantener el error en torno a cero. La robustez del sistema también

se hizo cierta al momento de aplicársele una sombra parcial al panel solar.

Page 95: Villegas Barria 2006

CAPÍTULO SEXTO: 8

Los resultados experimentales obtenidos en esta tesis muestran las ventajas que

presentan las técnicas de control clásica y difuso en los sistemas fotovoltaicos. Además,

se aprecia los beneficios de utilizar un microcontrolador de bajo costo, para

aplicaciones en la cual el tiempo de muestreo no es critico (procesos lentos),

permitiendo también realizar de manera simple modificaciones al sistema. Si bien es

cierto, este trabajo se centró en sistemas de carga aislada, estás técnicas son

aplicables a sistemas híbridos (solar – diesel o eólico – solar – diesel), como también a

sistemas conectados a la red eléctrica, siendo para esto último necesario el uso de un

inversor.

Page 96: Villegas Barria 2006

REFERENCIAS 8

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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http://es.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel

[2] Jacob Millmans and Christos C Halkias, "ELECTRONICA INTEGRADA".

[3] “Preguntas y respuestas sobre la energía solar”.

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[4] Chihchiang Hua, Jongrong Lin and Chihming Shen., “IMPLEMENTATION OF A

DSP-CONTROLLED PHOTOVOLTAIC SYSTEM WITH PEAK POWER

TRACKING”. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.

45, NO.1, FEBRUARY 1998.

[5] E. Koutroulis, K. Kalatzakis and Nicholas C. Voulgaris. “DEVELOPMENT OF A

MICROCONTROLLER – BASED, PHOTOVOLTAIC MAXIMUM POWER POINT

TRACKING CONTROL SYSTEM”. IEEE TRANSACTIONS ON POWER

ELECTRONICS, VOL. 16, NO.1, JANUARY 2001.

[6] Chihchiang Hua and Chihming Shen., “STUDY FOR MAXIMUM POWER POINT

TRACKING TECHNIQUES AND CONTROL OF DC/DC CONVERTERS

PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEM ”.ANNUAL IEEE PESC, IEEE COMPUTER

SOC. PRESS, pp. 86 – 93. NEW YORK 1998.

[7] Andujar M. José, Enrique G. Juan, Durán A. Eladio, Martínez B. Miguel .,

“SISTEMA PARA LA GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE CURVAS I – V, P – V Y

MONITORIZACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ”.

[8] Moham. M. “POWER ELECTRONIC: CONVERTER, APLICATIONS AND

DESIGN”, 1989.

Page 97: Villegas Barria 2006

REFERENCIAS 8

[9] Jancarle L. Santos y Fernando L. M. Antunes., “MAXIMUM POWER POINT

TRACKER FOR PV SYSTEM”. RIO 3 – WORLD CLIMATE & ENERGY EVENT,

1 – 5 DECEMBER 2003, RIO DE JANEIRO, BRAZIL.

[10] APPLICATION NOTES. “UNDERSTANDING BOOST POWER STAGES IN

SWITCHMODE POWER SUPPLIES”. TEXAS INSTRUMENTS, 1999.

[11] APPLICATION NOTES. “UNDERSTANDING BUCK – BOOST POWER STAGES

IN SWITCHMODE POWER SUPPLIES”. TEXAS INSTRUMENTS, 2002.

[12] TEXAS INSTRUMENTS, CHAPTER 16. “ACTIVE FILTER DESIGN

TECHNIQUES”.

[13] Tehuana C. Jorge, “INTERFASE GRÁFICA PARA MEDIDOR DE NIVEL”.

[14] DATASHEET PIC18FXX2 HIGH PERFORMANCE MICROCONTROLLERS

WITH 10 BITS A/D. Disponible en www.microchip.com.

[15] Johan H. R. Enslin, Mario S. Wolf, Daniel B. Snyman , and Wernher Swiegers.,

“INTEGRATED PHOTOVOLTAIC MAXIMUM POWER POINT TRACKING

CONVERTER ”. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.

44, NO.6, DECEMBER 1997.

[16] Toshihiko Noguchi, Shigenori Togashi, and Ryo NakIamoto., “SHORT –

CURRENT PULSE – BASED MAXIMUM – POWER – POINT TRACKING

METHOD FOR MULTIPLE PHOTOVOLTAIC – AND – CONVERTER MODULE”.

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO.1,

FEBRUARY 2001.

[17] D. P. Hohm and M. E. Ropp., “COMPARIVE STUDY OF MAXIMUM POWER

POINT TRACKING ALGORITHMS”, June 2002.

[18] Chung – Yuen Won, Duk – Weon Kim, Sei – Chan Kim, Won – Sam Kim, and

Hack – Sung Kim., “A NEW MAXIMUM POWER POINT TRACKER OF

PHOTOVOLTAIC ARRAYS USING FUZZY CONTROLLER”. IEEE 1994.

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REFERENCIAS 8

[19] Tarun Gupta, R. R. Boudreaux, R. M. Nelms and John Y. Hung.,

“IMPLEMENTATION OF A FUZZY CONTROLLER FOR DC – DC

CONVERTERS USING AN INEXPENSIVE 8 – b MICROCONTROLLER”. IEEE

TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 44, NO.5, OCTOBER

1997.

[20] Reyero R y Nicolás C., “SISTEMAS DE CONTROL BASADO EN LÓGICA

BORROSA: FUZZY CONTROL”, CAPÍTULO 1, 2, 3 y 4 AÑO 1995.

Page 99: Villegas Barria 2006

APÉNDICES

Page 100: Villegas Barria 2006

APÉNDICE A

MENSAJES GENERADOS EN EL LCD

Page 101: Villegas Barria 2006

APÉNDICE A: MENSAJES GENERADOS EN EL 9

La figura A1.a y b, ilustra la pantalla principal y secundaria, respectivamente. La

pantalla principal proporciona los niveles de tensiones y corrientes a los cuales se

encuentra operando el conversor DC/DC. Dichos niveles tienen un tiempo de refresco

de 1.5 seg. Por otro lado, para acceder a la pantalla secundaria, se debe presionar

uno de los botones existentes en la tarjeta LCD. Realizando dicha operación, se informa

al usuario del ciclo de trabajo y la potencias a las cuales se encuentra operando el

conversor DC/DC (salida y entrada), además de conocer la energía entregada por el

panel solar a la carga. La pantalla secundaria se encontrará activa hasta que se deje de

presionar el pulsador.

(a)

(b)

Figura A.1 a) Pantalla principal. b) Pantalla secundaria

La figura A.2 muestra el algoritmo de MPPT que esta utilizando el

microcontrolador. Salvo el mensaje de la figura A.2.c, el cual surge al momento de

energizar el sistema, los mensajes restantes aparecerán cada vez que por medio de la

comunicación serial existente entre el PC y la unidad de control de cada conversor

DC/DC, se elija el algoritmo P&O ó Cond. Inc.

Page 102: Villegas Barria 2006

APÉNDICE A: MENSAJES GENERADOS EN EL 9

(a)

(b)

(c)

Figura A.2 a) Mensaje algoritmo Perturbación y Observaciónb) Mensaje algoritmo Conductancia Incremental

c) Mensaje algoritmo basado en un controlador difuso

De la figura A.3 se observa los mensajes generados en el LCD, al momento de

realizar u solicitar una operación relacionada con la memoria EEPROM externa.

(a)

(b)

(c)

Figura A.3 a) Indicación de escritura de la memoria externab) Indicación de lectura de la memoria externa

c) Indicación de término de la lectura de la memoria externa

Page 103: Villegas Barria 2006

APÉNDICE A: MENSAJES GENERADOS EN EL 9

Por último, la figura A.4a y b muestra el caso de una solicitud de generación de

tabla (I –V) y de la ejecución de un borrado de la energía contabilizada por el

microcontrolador, respectivamente.

(a)

(b)

Figura A.1 a) Mensaje de generación de tabla I –Vb) Mensaje de borrado de energía

Page 104: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B

CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y LIBRERÍAS

Page 105: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 9

Programa: Cond_inc.c

Este programa es el encargado de realizar el seguimiento del MPP de un panel solar utilizando el conversor Boost. Para ello realiza los siguientes procesos: adquirir datos, crear las interrupciones del timer (cada 10ms) y de la comunicación serial, generar la señal de PWM proveniente de un PI para el conversor DC/DC.

Según lo solicitado por el usuario, mediante el software de interfaz y la comunicación serial, el seguimiento del MPP se puede efectuar con el algoritmo P&O o Cond Inc. Siendo este último el programado por defecto.

#include <18F452.H>#device adc=10;#include <math.h>#fuses HS,NOWDT,NOPUT,NOPROTECT,NOLVP#use delay (clock=20000000)#use rs232 (baud=9600, xmit=PIN_C6 , rcv=PIN_C7)#include "lcd420b452.c"#include "2416.c"

float di; float dv; float vp; float vp_old; float ip; float ip_old; float m1; float m; float x1; float x; float n; float n1; float y1; float y; float p_new; float p_old; float vref; float ibat; float vbat; float o0; float o1; float e; float en; float energy; float fduty;float suma_pot; int16 dato; int16 dato1; int16 dato2; int16 dato3; int16 dato4; int16 dato5; int16 duty; int16 i;int16 ii; int32 j; int32 jj; int16 jjj; int32 cnta;int32 cnt_read; int16 cnta1; int16 medicion; int16 duty_per;

Page 106: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 9

int16 p_i; int16 p_i_i; int16 p_o; int16 p_o_o; int8 cnt_e;char c; // caracter que selecciona el método cond incchar p; // caracter que selecciona el método perturbación y obs. char r; // reset energychar w; // escribir datos en la e2prom externa char l; // leer datos de la e2prom externa

boolean ENABLE; boolean clear_energy; boolean clear_cpu; boolean w_eeprom; boolean eeprom; boolean leer_eeprom; boolean pp;boolean cc;

byte vp_i;byte vp_o;byte ip_i;byte vref_i;byte ddd;

float const ki = 0.922799538; // Constante del PIfloat const kpr = 2.884600482; // Constante del PIfloat const aa1 = 0.5335; // Constante del Filtro (10Hz y 10ms)float const aa2 = 0.4665; // Constante del Filtro (10HZ Y 10ms)

#INT_RDAvoid recepcion(){

char value; value = getc();if(value=='p') // Habilita algoritmo P&O{

ENABLE = FALSE; pp = TRUE;

}if(value=='c') // Habilita algoritmo cond. inc.{

ENABLE = TRUE; cc = TRUE;

}if(value=='s') // Limpia el contador de Energía{

clear_energy = TRUE;}if(value=='u') // Resetea el PIC y genera nuevamente una tabla{

reset_cpu();}if(value=='w'){

w_eeprom = TRUE; // Escribir la EEPROM EXT. eeprom = TRUE;

}if(value=='l'){

leer_eeprom = TRUE;

Page 107: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 9

}

}

#INT_RTCCvoid interrupcion(){

set_timer0(53036); // Interrupción c/10mseg. output_high(pin_C0);ip_old = ip; vp_old = vp; p_old = p_new;set_pwm1_duty(duty);

// SENSAR CORRIENTE DEL PANELset_adc_channel(0); delay_us(10);medicion = read_adc();m = medicion * (22.73/(3*1023));ip = aa1*m1 + aa2*m; // Filtro Digital m1=m;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DEL PANEL

// set_adc_channel(2); delay_us(10);medicion = read_adc();x = medicion *(30.7/859.32); //vp = aa1*x1 + aa2*x; // Filtro Digital x1=x;// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

di=ip-ip_old; dv=vp-vp_old; p_new = vp * ip; if(enable==TRUE){if(dv!=0){

if((di/dv)!=(ip/vp)){

if((di/dv)>(-ip/vp)){

vref = vref + 0.002;}else{

vref = vref - 0.006; //0.005}

}}else{

if(di!=0){

if(di>0){

vref = vref + 0.002;}else{

vref = vref - 0.006;}

}

Page 108: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 9

}}else // Si no se elige Cond Inc, entonces se utiliza P&O{if(p_new>p_old){

if(vp>vp_old){

vref = vref + 0.002;}else{

vref = vref - 0.006; //0.1}

}else{

if(vp>vp_old){

vref = vref - 0.006;}else{

vref = vref + 0.002;}

}}

if (vref>20.0) vref=20.0;else if (vref<10.0) vref=10.0;

// Controlador PI e=vp-vref; o1=o0+ki*e;fduty=(o1+kpr*e); // salida del controlador// Se aplica Antiwinding Up if(fduty>1023){

fduty = 1023;}else if(fduty<0){

fduty = 0;}else{

o0 = o1;}duty=(int16)(fduty);

// Almacenar datos en la EEPROM EXT. if(w_eeprom && j<=250){ddd = (byte)(0.33*duty); vp_i = (byte)(vp*8); vref_i = (byte)(vref*8); p_i_i = (byte)(p_i*2); vp_o = (byte)(vbat*8); p_o_o = (byte)(p_o*2);

if(jjj==0) // Cada 100ms escribir en la eeprom{j+=1; // Se incrementa la variable j

Page 109: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 9

jjj+=1; // Se incrementa la variable jjj write_ext_eeprom(j,ddd); // Almacenamos duty 0 - 250 write_ext_eeprom(j+251,vp_i); // Almacenamos Vpanel 251 - 501write_ext_eeprom(j+502,vref_i); // Almacenamos VRef panel 502 - 752 write_ext_eeprom(j+753,p_i_i); // Potencia de In 753 - 1003 write_ext_eeprom(j+1004,vp_o); // tensión batería 1004 - 1254 write_ext_eeprom(j+1255,p_o_o); // potencia batería 1255 - 1505}else{

if(jjj==3){jjj=0;} else {jjj+=1;}

}}// FIN de Almacenar datos en la EEPROM

// SENSAR CORRIENTE DE LA BATERIAset_adc_channel(1); delay_us(10);medicion = read_adc();n = medicion * (22.73/(3*1023)); // Filtro Digital ibat = aa1*n1 + aa2*n;n1=n;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DE LA BATERIA

// SENSAR VOLTAJE DE LA BATERIAset_adc_channel( 3 ); delay_us(10);medicion = read_adc();y = medicion * (30.7/859.32); //vbat = aa1*y1 + aa2*y; // Filtro Digital y1 = y;// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

// VISUALIZACION ESTADO DE LA BATERIAif(cnta1==1){

if(vbat>29.4){

output_high(pin_D0);}if(25.4<=vbat && vbat<=29.2){

output_high(pin_D1);}if(vbat<25.2){

output_high(pin_D2);}cnta1=cnta1+1;

}else{

if(cnta1==50){

output_low(pin_D2); output_low(pin_D1); output_low(pin_D0);

}if(cnta1==100){ cnta1=0; } cnta1=cnta1+1;

}

Page 110: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 1

// Fin de Visualización del estado de la Batería

duty_per=ceil(100*(fduty)/1024); // Traspaso del ciclo de trabajo, de binario a %

p_i=ceil(p_new); p_o=ceil(ibat*vbat); if(cnt_e<20){

cnt_e+=1; suma_pot+=p_new;

}else{

cnt_e=0;en=(suma_pot/20)*0.2; //energia dada en Watts*seg energy+=(en*0.00028); // energía dada en Watts*hora suma_pot=0;

}

output_low(pin_c0);}

main(){

p_i_i = 0;dato = 0;dato1 = 0;dato2 = 0;dato3 = 0;dato4 = 0;dato5 = 0;cnta = 0;cnta1 = 0;duty_per = 0;medicion = 0;vbat = 0;ibat = 0;vp = 0;vp_old = 0;ip = 0;ip_old = 0;dv = 0;di = 0;m = 0;m1 = 0;x = 0;x1 = 0;p_new = 0;p_old = 0;o0 = 0;o1 = 0;vref = 14;e = 0;fduty = 0;duty = 0;i = 0;j = 0;p_i = 0;p_o = 0;duty_per = 0;ii = 0;jj = 0;jjj = 0;en = 0;

Page 111: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

energy = 0;suma_pot = 0;cnt_e = 0;cnt_read = 0;vp_i = 0;vp_o = 0;vref_i = 0;ddd = 0;ip_i = 0;p_o_o = 0; enable = TRUE; clear_energy= FALSE; pp = FALSE;cc = FALSE;w_eeprom = FALSE; leer_eeprom = FALSE; eeprom = FALSE;output_low(PIN_C5); // Apagado del mosfet de SHORT CIRCUIT

lcd_init(); init_ext_eeprom(); setup_adc_ports(ALL_ANALOG);setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

setup_ccp1(CCP_PWM); // Configura CCP1 como PWM setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,255, 1); // fs = 19.53kHz

lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("* Incremental Cond *"); delay_ms(1500);lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Table Generating "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" Wait "); do{set_pwm1_duty(duty); delay_ms(5);// SENSAR CORRIENTE DEL PANELset_adc_channel(0); delay_us(10);medicion = read_adc();m = medicion * (22.73/(3*1023)); // Filtro Digital ip = aa1*m1 + aa2*m;m1 = m;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DEL PANEL

// SENSAR VOLTAJE DEL PANELset_adc_channel( 2 ); delay_us(10);medicion = read_adc();x= medicion * (30.7/859.32); //vp = aa1*x1 + aa2*x; // Filtro Digital x1 = x;// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

// SENSAR CORRIENTE DE LA BATERIAset_adc_channel(1); delay_us(10);medicion = read_adc();n = medicion * (22.73/(3*1023)); // Filtro Digital ibat = aa1*n1 + aa2*n;

Page 112: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

n1=n;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DE LA BATERIA

// SENSAR VOLTAJE DE LA BATERIAset_adc_channel( 3 ); delay_us(10);medicion = read_adc();y = medicion * (30.7/859.32); //vbat = aa1*y1 + aa2*y; // Filtro Digital y1 = y;

// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJEprintf("%lu %02.3f %02.3f %02.3f

%02.3f\r\n",duty,vp,ip,vbat,ibat);

duty+=4; delay_ms(5);

}while(duty<=1024);

duty = 200;medicion = 0;vp = 0;ip = 0;vbat = 0;ibat = 0;x1 = 0;x = 0;m1 = 0;m = 0;n1 = 0;n = 0;y1 = 0;y = 0;

enable_interrupts(INT_TIMER0); enable_interrupts(INT_RDA); enable_interrupts(GLOBAL); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_4);

for(;;){if(cnta==1){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("IN"); lcd_gotoxy(9,1); lcd_putc("V"); lcd_gotoxy(20,1); lcd_putc("V"); lcd_gotoxy(9,2); lcd_putc("A"); lcd_gotoxy(20,2); lcd_putc("A"); lcd_gotoxy(11,1 ); lcd_putc("OUT");

lcd_gotoxy(4,1); printf(lcd_putc,"%02.1f",vp); lcd_gotoxy(15,1); printf(lcd_putc,"%02.1f",vbat); lcd_gotoxy(4,2); printf(lcd_putc,"%02.1f",ip); lcd_gotoxy(15,2);

Page 113: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

printf(lcd_putc,"%02.1f",ibat);

}if(!input(pin_D3)){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("IN"); lcd_gotoxy(11,1); lcd_putc("OUT"); lcd_gotoxy(9,1); lcd_putc("W"); lcd_gotoxy(20,1); lcd_putc("W"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("Duty"); lcd_gotoxy(9,2); lcd_putc("%"); lcd_gotoxy(11,2); lcd_putc("E"); lcd_gotoxy(19,2); lcd_putc("Wh");

lcd_gotoxy(5,1);printf(lcd_putc,"%Lu",p_i); // Potencia de Entrada lcd_gotoxy(15,1);printf(lcd_putc,"%Lu",p_o); // Potencia de Salida lcd_gotoxy(6,2);printf(lcd_putc,"%Lu",duty_per); // Ciclo de trabajo en % lcd_gotoxy(13,2);printf(lcd_putc,"%02.2f",energy); // Energía en Watts-Hora do{}while(!input(pin_D3)); // Detectar que se solto tecla

}if(!input(pin_D4) || clear_energy ){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Reset Energy "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("--------------------");do{}while(!input(pin_D4)); // Detectar que se solto tecla clear_energy = FALSE;delay_ms(500); energy = 0;

}if(pp){

pp = FALSE;lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("* P&O Algorithm *"); delay_ms(1500);

}if(cc){

cc = FALSE;lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("* Incremental Cond *");

Page 114: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

delay_ms(1500);}if(eeprom){

eeprom = FALSE; lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Write Ext EEPROM "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500);

}if(leer_eeprom) // Para mostrar datos{

leer_eeprom = FALSE; lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Read Ext EEPROM "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500); for(jj=0;jj<=250;jj++){

dato = (read_ext_eeprom(jj)); // Se recupera duty dato1 = (read_ext_eeprom(jj+251)); // Se recupera Vpanel dato2 = (read_ext_eeprom(jj+502)); // Se recupera Vref dato3 = (read_ext_eeprom(jj+753)); // Se recupera Pot panel dato4 = (read_ext_eeprom(jj+1004)); // Se recupera la Vout dato5 = (read_ext_eeprom(jj+1255)); // Se recupera la pot

printf("%lu %lu %lu %lu %lu %lu\r\n",dato,dato1,dato2,dato3,dato4,dato5);}if(jj==251){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Read Ready "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(5000);

}}if(cnta == 150000){ cnta = 0; } cnta+=1;}

}

Page 115: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

Programa: Cond_inc_bb.c

Este programa es el encargado de realizar el seguimiento del MPP de un panel solar utilizando el conversor Buck - Boost. Para ello realiza los siguientes procesos: adquirir datos, crear las interrupciones del timer (cada 10ms) y de la comunicación serial, generar la señal de PWM proveniente de un PI para el conversor DC/DC.

Según lo solicitado por el usuario, mediante el software de interfaz y la comunicación serial, el seguimiento del MPP se puede efectuar con el algoritmo P&O o Cond Inc. Siendo este último el programado por defecto.

#include <18F452.H>#device adc=10;#include <math.h>#fuses HS,NOWDT,NOPUT,NOPROTECT,NOLVP#use delay (clock=20000000)#use rs232 (baud=9600, xmit=PIN_C6 , rcv=PIN_C7)#include "lcd420b452.c"#include "2416.c"

float di; float dv; float vp; float vp_old; float ip; float ip_old; float p_new; float p_old; float vref; float ibat; float vbat; float o0; float o1; float e; float en; float energy; float fduty;float suma_pot; int16 dato; int16 dato1; int16 dato2; int16 dato3; int16 dato4; int16 dato5; int16 duty;int16 duty_aux=0; int16 i;int16 ii; int32 j; int32 jj; int16 jjj; int32 cnta;int32 cnt_read; int16 cnta1; int16 medicion; int16 duty_per; int16 p_i; int16 p_i_i; int16 p_o; int16 p_o_o; int8 cnt_e;char c; // carácter que selecciona el método cond inc

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APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

char p; // carácter que selecciona el método perturbación y obs. char r; // reset energychar w; // escribir datos en la e2prom externa char l; // leer datos de la e2prom externa

boolean ENABLE; boolean clear_energy; boolean clear_cpu; boolean w_eeprom; boolean eeprom; boolean leer_eeprom; boolean pp;boolean cc;

byte vp_i;byte vp_o;byte ip_i;byte vref_i;byte ddd;

float const ki = 0.922799538; // Constante del PIfloat const kpr = 2.884600482; // Constante del PIfloat const aa1 = 0.7304; // Constante del Filtro (5Hz y 10ms)float const aa2 = 0.2696; // Constante del Filtro (5HZ y 10ms)float const aa3 = 0.9391; // Constante del Filtro (1Hz y 10ms)float const aa4 = 0.0609; // Constante del Filtro (1Hz y 10ms)float const aa5 = 0.9691; // Constante del Filtro (0.5Hz y 10ms)float const aa6 = 1-aa5; // Constante del Filtro (0.5Hz y 10ms)float const aa7 = 0.9937 ; // Constante del Filtro (0.1Hz y 10ms)float const aa8 = 1-aa7; // Constante del Filtro (0.1Hz y 10ms)float const aa9 = 0.9994; // Constante del Filtro (0.01Hz y 10ms) float const aa10= 1- aa9;

Float m=0,m1=0,n=0,n1=0,y=0,y1=0,x=0,x1=0;

#INT_RDAvoid recepcion(){

char value; value = getc();if(value=='p') // Habilita algoritmo P&O{

ENABLE = FALSE; pp = TRUE;

}if(value=='c') // Habilita algoritmo cond. inc.{

ENABLE = TRUE; cc = TRUE;

}if(value=='s') // Limpia el contador de Energía{

clear_energy = TRUE;}if(value=='u') // Resetea el PIC y genera nuevamente una tabla{

reset_cpu();}if(value=='w'){

w_eeprom = TRUE; // Escribir la EEPROM EXT. eeprom = TRUE;

}if(value=='l')

Page 117: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

{leer_eeprom = TRUE;

}

}

#INT_RTCCvoid interrupcion(){

set_timer0(53036); // Interrupción c/10mseg. output_high(pin_C0);ip_old = ip; vp_old = vp; p_old = p_new;set_pwm1_duty(duty);

// SENSAR CORRIENTE DEL PANELset_adc_channel(0); delay_us(10);medicion = read_adc();m = medicion * 6.45e-3; // Filtro Digital ip = aa1*m1 + aa2*m;m1 = m;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DEL PANEL

// SENSAR VOLTAJE DEL PANELset_adc_channel(2); delay_us(10);medicion = read_adc(); x = medicion* 0.02975;vp = aa1*x1 + aa2*x; // Filtro Digital x1=x; //// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

di=ip-ip_old; dv=vp-vp_old; p_new = vp * ip; if(enable==TRUE){if(dv!=0){

if((di/dv)!=(ip/vp)){

if((di/dv)>(-ip/vp)){

vref = vref + 0.01;}else{

vref = vref - 0.03; //0.005}

}}else{

if(di!=0){

if(di>0){

vref = vref + 0.01;}else{

vref = vref - 0.03;

Page 118: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

}}

}}else // Si no se elige Cond Inc, entonces se utiliza P&O{if(p_new>p_old){

if(vp>vp_old){

vref = vref + 0.01;}else{

vref = vref - 0.03; //0.1}

}else{

if(vp>vp_old){

vref = vref - 0.03;}else{

vref = vref + 0.01;}

}}

if (vref>20.0) vref=20.0;else if (vref<11.5) vref=11.5;

// Controlador PI e=vp-vref; o1=o0+ki*e;fduty=(o1+kpr*e); // salida del controlador// Se aplica Antiwinding Up if(fduty>1023){

fduty = 1023;}else if(fduty<0){

fduty = 0;}else{

o0 = o1;}duty=(int16)(fduty);

// Almacenar datos en la EEPROM EXT. if(w_eeprom && j<=250){ddd = (byte)(0.33*duty); vp_i = (byte)(vp*8); vref_i = (byte)(vref*8); p_i_i = (byte)(p_i*2); vp_o = (byte)(vbat*8); p_o_o = (byte)(p_o*2);

if(jjj==0) // Cada 100ms escribir en la eeprom

Page 119: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 10

{j+=1; // Se incrementa la variable j jjj+=1; // Se incrementa la variable jjjwrite_ext_eeprom(j,ddd); // Almacenamos duty 0 - 250 write_ext_eeprom(j+251,vp_i); // Almacenamos Vpanel 251 - 501 write_ext_eeprom(j+502,vref_i); // Voltaje Ref panel 502 - 752 write_ext_eeprom(j+753,p_i_i); // Potencia de In 753 - 1003 write_ext_eeprom(j+1004,vp_o); // tensión batería 1004 - 1254 write_ext_eeprom(j+1255,p_o_o); // potencia batería 1255 - 1505}else{

if(jjj==3){jjj=0;} else {jjj+=1;}

}}// FIN de Almacenar datos en la EEPROM

// SENSAR CORRIENTE DE LA BATERIAset_adc_channel(1); delay_us(10);medicion = read_adc(); n = medicion*6.45e-3; ibat = aa1*n1 + aa2*n; n1=n;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DE LA BATERIA

// SENSAR VOLTAJE DE LA BATERIAset_adc_channel( 3 ); delay_us(10);medicion = read_adc(); y = medicion* 0.02975; vbat = aa1*y1 + aa2*y; y1=y;// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

// VISUALIZACION ESTADO DE LA BATERIAif(cnta1==1){

if(vbat>29.4){

output_high(pin_D0);}if(25.4<=vbat && vbat<=29.2){

output_high(pin_D1);}if(vbat<25.2){

output_high(pin_D2);}cnta1=cnta1+1;

}else{

if(cnta1==50){

output_low(pin_D2); output_low(pin_D1); output_low(pin_D0);

}if(cnta1==100){ cnta1=0; }

Page 120: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 1

cnta1=cnta1+1;}// Fin de Visualización del estado de la Batería

duty_per=ceil(100*(fduty)/1024); // Traspaso del ciclo de trabajo, de binario a %

p_i=ceil(p_new); p_o=ceil(ibat*vbat); if(cnt_e<20){

cnt_e+=1; suma_pot+=p_new;

}else{

cnt_e=0;en=(suma_pot/20)*0.2; //energia dada en Watts*seg energy+=(en*0.00028); // energía dada en Watts*hora suma_pot=0;

}

output_low(pin_c0);}

main(){

p_i_i = 0;dato = 0;dato1 = 0;dato2 = 0;dato3 = 0;dato4 = 0;dato5 = 0;cnta = 0;cnta1 = 0;duty_per = 0;medicion = 0;vbat = 0;ibat = 0;vp = 0;vp_old = 0;ip = 0;ip_old = 0;dv = 0;di = 0;p_new = 0;p_old = 0;o0 = 0;o1 = 0;vref = 14.5;e = 0;fduty = 0;duty = 0;i = 0;j = 0;p_i = 0;p_o = 0;duty_per = 0;ii = 0;jj = 0;jjj = 0;en = 0;energy = 0;suma_pot = 0;

Page 121: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

cnt_e = 0;cnt_read = 0;vp_i = 0;vp_o = 0;vref_i = 0;ddd = 0;ip_i = 0;p_o_o = 0; enable = TRUE; clear_energy= FALSE; pp = FALSE;cc = FALSE;w_eeprom = FALSE; leer_eeprom = FALSE; eeprom = FALSE;

output_low(PIN_C5); // Apagado del mosfet de SHORT CIRCUIT

lcd_init();init_ext_eeprom(); setup_adc_ports(ALL_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

setup_ccp1(CCP_PWM); // Configura CCP1 como PWM setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,255, 1); // fs = 19.53kHz

lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("* Incremental Cond *"); delay_ms(1500);lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Table Generating "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" Wait "); do{set_pwm1_duty(duty); delay_ms(5);

// SENSAR CORRIENTE DEL PANELset_adc_channel(0); delay_us(10);medicion = read_adc(); m = medicion * 6.45e-3; ip = aa1*m1 + aa2*m;m1 = m;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DEL PANEL

// SENSAR VOLTAJE DEL PANELset_adc_channel(2); delay_us(10);medicion = read_adc(); x = medicion* 0.02975;vp = aa1*x1 + aa2*x; // Filtro Digital x1=x;// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

// SENSAR CORRIENTE DE LA BATERIAset_adc_channel(1); delay_us(10);medicion = read_adc(); n = medicion*6.45e-3;

Page 122: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

ibat = aa1*n1 + aa2*n; n1=n;// FIN DE LA MEDICION DE CORRIENTE DE LA BATERIA

// SENSAR VOLTAJE DE LA BATERIAset_adc_channel( 3 ); delay_us(10);medicion = read_adc(); y = medicion* 0.02975; vbat = aa1*y1 + aa2*y; y1=y;// FIN DE LA MEDICION DEL VOLTAJE

printf("%lu %02.3f %02.3f %02.3f %02.3f\r\n",duty,vp,ip,vbat,ibat);

duty+=4; delay_ms(5);

}while(duty<=1024);

duty = 200;medicion = 0;vp = 0;ip = 0;vbat = 0;ibat = 0;

enable_interrupts(INT_TIMER0); enable_interrupts(INT_RDA); enable_interrupts(GLOBAL); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_4);

for(;;){if(cnta==1){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("IN"); lcd_gotoxy(9,1); lcd_putc("V"); lcd_gotoxy(20,1); lcd_putc("V"); lcd_gotoxy(9,2); lcd_putc("A"); lcd_gotoxy(20,2); lcd_putc("A"); lcd_gotoxy(11,1 ); lcd_putc("OUT");

lcd_gotoxy(4,1); printf(lcd_putc,"%02.1f",vp); lcd_gotoxy(15,1); printf(lcd_putc,"%02.1f",vbat); lcd_gotoxy(4,2); printf(lcd_putc,"%02.1f",ip); lcd_gotoxy(15,2); printf(lcd_putc,"%02.1f",ibat);

}

if(!input(pin_D3)){

Page 123: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("IN"); lcd_gotoxy(11,1); lcd_putc("OUT"); lcd_gotoxy(9,1); lcd_putc("W"); lcd_gotoxy(20,1); lcd_putc("W"); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("Duty"); lcd_gotoxy(9,2); lcd_putc("%"); lcd_gotoxy(11,2); lcd_putc("E"); lcd_gotoxy(19,2); lcd_putc("Wh");

lcd_gotoxy(5,1);printf(lcd_putc,"%Lu",p_i); // Potencia de Entrada lcd_gotoxy(15,1);printf(lcd_putc,"%Lu",p_o); // Potencia de Salida lcd_gotoxy(6,2);printf(lcd_putc,"%Lu",duty_per); // Ciclo de trabajo en % lcd_gotoxy(13,2);printf(lcd_putc,"%02.2f",energy); // Energía en Watts-Hora do{}while(!input(pin_D3)); // Detectar que se solto tecla

}if(!input(pin_D4) || clear_energy ){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Reset Energy "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("--------------------");do{}while(!input(pin_D4)); // Detectar que se solto tecla clear_energy = FALSE;delay_ms(500); energy = 0;

}

if(pp){

pp = FALSE;lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);

lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("* P&O Algorithm *"); delay_ms(1500);

}if(cc){

cc = FALSE;lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("* Incremental Cond *"); delay_ms(1500);

}if(eeprom)

Page 124: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

{eeprom = FALSE; lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Write Ext EEPROM "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500);

}if(leer_eeprom) // Para mostrar datos{

leer_eeprom = FALSE; lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Read Ext EEPROM "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500); for(jj=0;jj<=250;jj++){

dato = (read_ext_eeprom(jj)); // Se recupera duty dato1 = (read_ext_eeprom(jj+251)); // Se recupera Vpanel dato2 = (read_ext_eeprom(jj+502)); // Se recupera Vrefdato3 = (read_ext_eeprom(jj+753)); // Se recupera Potencia panel dato4 = (read_ext_eeprom(jj+1004)); // Se recupera la tensión out dato5 = (read_ext_eeprom(jj+1255)); // Se recupera la potencia salida

printf("%lu %lu %lu %lu %lu %lu\r\n",dato,dato1,dato2,dato3,dato4,dato5);}if(jj==251){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Read Ready "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(5000);

}}if(cnta == 150000){ cnta = 0; } cnta+=1;}

}

Page 125: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

Programa: fuzzy.c

Este programa es el encargado de realizar el seguimiento del MPP de un panel solar utilizando el conversor Boost. Para ello realiza los siguientes procesos: adquirir datos, crear las interrupciones del timer (cada 20ms) y de la comunicación serial, generar la señal de PWM proveniente de un controlador basado en lógica difusa.

// ***************************************************************|// MPPT EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS |// UTILIZANDO FUZZY LOGIC CONTROL |// |// Todas las funciones de pertenencia: tanto entradas e y de |// como salida (dd) son del tipo TRIANGULAR con un solapamiento |// de un 50%. |// |// nb nm ns zo ps pm pb |// |// \ /\ /\ /\ /\ /\ / |// \ \ \ \ \ \ |// / \/ \/ \/ \/ \/ \ |// -6 -4 -2 0 2 4 6 |// |// |// PROGRAMA FUNCIONANDO EN PERFECTO ESTADO |// ***************************************************************|

#include <18F452.H>#device adc=10;#include <math.h>#fuses HS,NOWDT,NOPUT,NOPROTECT,NOLVP#use delay (clock=20000000)#use rs232 (baud=9600, xmit=PIN_C6 , rcv=PIN_C7)#include "lcd420b452.c"#include "2416.c"

float vp=0.0,ip=0.0,vb=0.0,ib=0.0,ip_old=0.0,pk=0.0,pk_old=0.0,ek=0.0; float vb_old=0.0,ib_old=0.0,vp_old=0.0,vpf=0.0,ipf=0.0,vbf=0.0,ibf=0.0; float ek_old=0.0,cek=0.0,xx=0.0,xxx=0.0,yyy=0.0,pout_aux=0.0;float perror[2],pderror[2],c[7],regla[7][7],fdu[3],pdu[3],min=0.0,max=0.0; float fin[90],pout=0;float num=0.0, den=1.0,dd=0.0,fduty=0.0,ffduty=0.0; int ferror[2],fderror[2],kkk=0,uuu=0,ja=0;int16 indice,z=0,zzz=0,dato=0,dato1=0,dato2=0,dato3=0,dato4=0,dato5=0,kkkk=0; int32 medicion=0,duty=0,cnta=0;

float const aa1 = 0.9875; // Constante del Filtro (0.1Hz y 20ms) float const aa2 = 1-aa1; // Constante del Filtro (0.1HZ Y 20ms) float const dutymax = 1023;float const dutymin = 0;

float m=0,m1=0,n1=0,n=0,x1=0,x=0,y1=0,y=0; boolean eeprom = FALSE;boolean leer_eeprom = FALSE; boolean w_eeprom = FALSE; boolean chip = FALSE;

byte vp_i =0, ip_i=0, ek_m=0, cek_m=0,dduty=0,p_o=0;

//=====================================================|// Funciones de Pertenencia |//=====================================================|int const NB=0; /* NEGATIVE BIG */

Page 126: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

int const NM=1; /* NEGATIVE MEDIUM */int const NS=2; /* NEGATIVE SMALL */int const ZO=3; /* ZERO */int const PS=4; /* POSITIVE SMALL */int const PM=5; /* POSITIVE MEDIUM */int const PB=6; /* POSITIVE BIG *///=====================================================|// Fin Funciones de Pertenencia |//=====================================================|

float minimo(xxx,yyy){

if(yyy<=xxx) min=yyy; else min=xxx; return min;

}float maximo(xxx,yyy){

if(yyy>=xxx) max=yyy; else max=xxx; return max;

}

#INT_RDAvoid recepcion(){

char value; value = getc(); if(value=='w'){

eeprom = TRUE; // orden de escribir eeprom w_eeprom = TRUE;

}if(value=='l'){

leer_eeprom = TRUE; // orden de leer eeprom}if(value=='u') // Resetea el PIC{

reset_cpu();}if(value=='q'){

chip = TRUE;}

}

#INT_RTCCvoid interrupcion(){

set_timer0(53036); // Interrupción Timer c/20ms output_high(pin_C0); // medición time ejec. programa/* SENSAR CORRIENTE DEL PANEL */set_adc_channel(0); delay_us(10);medicion = read_adc();ip = medicion*(22.73/(3069)); // 3*1023=3069//ip = aa1*m1 + aa2*m;//m1=m;/* FIN DE SENSAR CORRIENTE DEL PANEL */

/* SENSAR TENSION DEL PANEL*/set_adc_channel(2); delay_us(10);

Page 127: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

medicion = read_adc();vp = medicion*(30.7/859.32); ////vp = aa1*x1 + aa2*x; // Filtro Digital//x1=x;/* FIN DE SENSAR TENSION DEL PANEL */pk=vp*ip;ek=(pk-pk_old)/(vp_old-vp); ek = 3.4*ek;//0.04 / 3.25 cek=ek-ek_old;cek= 3.4*cek; ek_old=ek; pk_old= pk; ip_old = ip; vp_old = vp; vb_old = vb; ib_old = ib;

//==================================================================// Fuzzificación E(K)//==================================================================

if((ek>-6.0)&&(ek<6.0)){

indice=(int16)((ek+6.0)*7.5); perror[0]=fin[indice]; perror[1]=1-perror[0]; ferror[0]=(int16)(indice/15.0); ferror[1]=ferror[0]+1;

}if(ek<=-6.0){

perror[0]=1.0; perror[1]=0.0; ferror[0]=NB; ferror[1]=NM;

}if(ek>=6.0){

perror[0]=1.0; perror[1]=0.0; ferror[0]=PB; ferror[1]=PM;

}//==================================================================// Fuzzificación CE(K)//==================================================================if((cek>-6.0)&&(cek<6.0)){

indice=(int16)((cek+6.0)*7.5); pderror[0]=fin[indice]; pderror[1]=1-pderror[0]; fderror[0]=(int16)(indice/15.0); fderror[1]=fderror[0]+1;

}if(cek<=-6.0){

pderror[0]=1.0; pderror[1]=0.0; fderror[0]=NB; fderror[1]=NM;

}if(cek>=6.0){

pderror[0]=1.0;

Page 128: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

pderror[1]=0.0; fderror[0]=PB; fderror[1]=PM;

}//===========================================================// Toma de Decisión//===========================================================fdu[0]=regla[ferror[0]][fderror[0]];fdu[1]=regla[ferror[0]][fderror[1]];fdu[2]=regla[ferror[1]][fderror[1]]; pdu[0]=minimo(perror[0],pderror[0]);pdu[1]=maximo(minimo(perror[0],pderror[1]),minimo(perror[1],pderror[0])); pdu[2]=minimo(perror[1],pderror[1]);//===========================================================// FIN Toma de Decisión//===========================================================

//===========================================================// Desfuzzificación//===========================================================den=(pdu[0]+pdu[1]+pdu[2]); num=((c[fdu[0]]*pdu[0])+(c[fdu[1]]*pdu[1])+(c[fdu[2]]*pdu[2])); dd=1.4*(num/den); // dd: delta duty cycle / 2.25//===========================================================// FIN Desfuzzificación//===========================================================

//===========================================================// Se aplica Antiwinding Up//===========================================================fduty=ffduty+dd;if(fduty>dutymax) {fduty=dutymax;}else if(fduty<dutymin) {fduty=dutymin;} else {ffduty=fduty;} // Se integraduty=(int16)(fduty); // Se hace el traspaso de flot a int

set_pwm1_duty(duty);//===========================================================// FIN Antiwinding Up//===========================================================//===========================================================// Sensar Tensión y Corriente de Salida//===========================================================set_adc_channel(1); delay_us(10);medicion = read_adc();ib = medicion * (22.73/3069);

set_adc_channel( 3 ); delay_us(10);medicion = read_adc();vb = medicion*(30.7/859.32);//===========================================================// Fin de Sensado de Tensión y Corriente de Salida//===========================================================

//===========================================================// Filtrado de las Variables//===========================================================pout_aux=vb*ib; vpf=aa1*vp_old+aa2*vp; ipf=aa1*ip_old+aa2*ip; vbf=aa1*vb_old+aa2*vb;

Page 129: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 11

ibf=aa1*ib_old+aa2*ib; pout=vpf*ipf;//===========================================================// Fin Filtrado de las Variables//===========================================================

//===========================================================// ALMACENAR DATOS EN LA EEPROM EXTERNA//===========================================================if(eeprom && z<251){

vp_i = (byte)(vpf*8); // guardar tensión del panel ip_i = (byte)(ipf*30); // guardar corriente del panel ek_m = (byte)(ek); // guardar el errorcek_m = (byte)(cek); // guardar cambio de el error dduty = (byte)(duty*0.33); // guardar ciclo de trabajo p_o = (byte)(pout_aux*2); // guardar potencia salida

if(zzz==0) // Cada 100ms escribir en la eeprom{

z+=1; // Se incrementa la variable z zzz+=1; // Se incrementa la variable zzzwrite_ext_eeprom(z,vp_i); // Almacenamos Voltaje Panel 0 - 250 write_ext_eeprom(z+251,ip_i); // Almacenamos corriente pv 251 - 501 write_ext_eeprom(z+502,ek_m); // Almacenamos error 502-752 write_ext_eeprom(z+753,cek_m); // Almacenamos cerror 753 - 1003 write_ext_eeprom(z+1004,dduty); // Almacenamos duty 1004 - 1254 write_ext_eeprom(z+1255,p_o);

}

else{

if(zzz>1){zzz=0;} else {zzz+=1;}

}}//============================================================// FIN DE ALMACENAMIENTO EN LA E2PROM//============================================================

if(kkk==0 && chip){

kkk+=1; kkkk+=1;if(kkkk>249) { chip = FALSE; }else printf("\n\r %02.2f %02.2f %02.2f %02.2f %lu %02.2f

\n\r",vp,ip,ek,cek,duty,pout_aux);}else{ if(kkk>1) kkk=0; else kkk=kkk+1; }output_low(pin_C0); // fin medicion del time de ejecución programa

}

main(){

int iii=0,jjj=0; for(iii=0;iii<90;iii++){

fin[iii]=0.0; // Inicialización del vector fin[iii]}for(iii=0;iii<2;iii++){

perror[iii]=0.0; pderror[iii]=0.0;

Page 130: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 1

ferror[iii]=0; fderror[iii]=0;

}for(iii=0;iii<3;iii++){

pdu[iii]=0.0; fdu[iii]=0;

}output_low(PIN_C5); // Apagado del mosfet de SHORT CIRCUIT lcd_init();init_ext_eeprom();//|===========================================================|//| Centro de las Funciones de Pertenencia |//|===========================================================| c[NB]=-6.0;c[NM]=-4.0;c[NS]=-2.0;c[ZO]= 0.0; c[PS]=-c[NS];c[PM]=-c[NM];c[PB]=-c[NB];//|===========================================================|//| Creación de las Funciones de Pertenencia de entrada |//|===========================================================|for(iii=0;iii<16;iii++){

xx=(1.0-(iii/15.0)); fin[iii] =xx; fin[15+iii]=xx; fin[30+iii]=xx; fin[45+iii]=xx; fin[60+iii]=xx; fin[75+iii]=xx; fin[15]=1.0;fin[30]=1.0;fin[45]=1.0;fin[60]=1.0;fin[75]=1.0;

}//============================================================|// REGLAS DEL CONTROLADOR DE FUZZY LOGIC |//============================================================|for(iii=0;iii<4;iii++){

for(jjj=0;jjj<(4-iii);jjj++){

regla[iii][jjj]=NB; regla[6-iii][6-jjj]=PB;

}}for(iii=0;iii<5;iii++){

regla[iii][4-iii]=NM; regla[iii+2][6-iii]=PM;

}for(iii=0;iii<6;iii++){

regla[iii][5-iii]=NS; regla[iii+1][6-iii]=PS;

}for(iii=0;iii<7;iii++){

regla[iii][6-iii]=ZO;}

Page 131: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

//===============================================================|// LAS REGLAS CREAN LA MATRIZ SIGUIENTE |// |// CE(K) |// |// NB NM NS ZO PS PM PB |// \---------------------------------- |// NB | NB | NB | NB | NB | NM | NS | ZO |// ----------------------------------- |// NM | NB | NB | NB | NM | NS | ZO | PS |// ----------------------------------- |// NS | NB | NB | NM | NS | ZO | PS | PM |// ----------------------------------- |// E(K) ZO | NB | NM | NS | ZO | PS | PM | PB |// ----------------------------------- |// PS | NM | NS | ZO | PS | PM | PB | PB |// ----------------------------------- |// PM | NS | ZO | PS | PM | PB | PB | PB |// ----------------------------------- |// PB | ZO | PS | PM | PB | PB | PB | PB |// ----------------------------------- |// |//================================================================

setup_adc_ports(ALL_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_ccp1(CCP_PWM); // Configura CCP1 como PWMsetup_timer_2(T2_DIV_BY_1,255, 1); // fs = 19.53kHz

enable_interrupts(INT_TIMER0);enable_interrupts(INT_RDA); // Interrupción al existir un evento en com1 enable_interrupts(GLOBAL);setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_8); lcd_putc("******* MPPT *******"); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc("Fuzzy Logic Control"); delay_ms(1500);for(;;){cnta+=1; if(cnta==1){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("IN"); lcd_gotoxy(9,1); lcd_putc("V"); lcd_gotoxy(20,1); lcd_putc("V"); lcd_gotoxy(9,2); lcd_putc("A"); lcd_gotoxy(20,2); lcd_putc("A"); lcd_gotoxy(11,1 ); lcd_putc("OUT");

lcd_gotoxy(4,1); printf(lcd_putc,"%02.1f",vpf); lcd_gotoxy(15,1); printf(lcd_putc,"%02.1f",vbf); lcd_gotoxy(4,2); printf(lcd_putc,"%02.1f",ipf); lcd_gotoxy(15,2);

Page 132: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

printf(lcd_putc,"%02.1f",ibf);}if(w_eeprom){

w_eeprom = FALSE; lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Write Ext EEPROM "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500);

}if(leer_eeprom) // Para mostrar datos{

leer_eeprom = FALSE; lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Read Ext EEPROM "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500); for(z=0;z<251;z++){

dato = (read_ext_eeprom(z)); // Se recupera Vp dato1 = (read_ext_eeprom(z+251)); // Se recupera Ip dato2 = (read_ext_eeprom(z+502)); // Se recupera errordato3 = (read_ext_eeprom(z+753)); // Se recupera cambio de error dato4 = (read_ext_eeprom(z+1004)); // se recupera el ciclo de trabajo dato5 = (read_ext_eeprom(z+1255)); // Se recupera la potencia de out

printf("%lu %lu %lu %lu %lu %lu\r\n",dato,dato1,dato2,dato3,dato4,dato5);} if(z==251){

lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1);lcd_putc(" Read Ready "); lcd_gotoxy(1,2);lcd_putc(" 24C16B "); delay_ms(1500);

}}delay_ms(1500);{ cnta = 0; }

}}

Page 133: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

Programa: lcd420b.c

Esta librería es la encargada del manejo del módulo LCD.

// As defined in the following structure the pin connection is as follows:// B0 enable// B1 rs// B2 rw// B4 D4// B5 D5// B6 D6// B7 D7//// LCD pins D0-D3 are not used and PIC B3 is not used.

struct lcd_pin_map { // This structure is overlayed BOOLEAN enable; // on to an I/O port to gainBOOLEAN rs; // access to the LCD pins.BOOLEAN rw; // The bits are allocated from BOOLEAN unused; // low order up. ENABLE will int data : 4; // be pin B0.

} lcd;

#byte lcd = 0x6 // This puts the entire structure// on to port D (at address 8)

#define lcd_type 2 // 0=5x7, 1=5x10, 2=2 lines

BYTE const LCD_INIT_STRING[4] = {0x20 | (lcd_type << 2), 0xc, 1, 6};// These bytes need to be sent to the LCD// to start it up.

// The following are used for setting// the I/O port direction register.

struct lcd_pin_map const LCD_WRITE = {0,0,0,0,0}; // For write mode all pins are outstruct lcd_pin_map const LCD_READ = {0,0,0,0,15}; // For read mode data pins are in

BYTE lcdline;

BYTE lcd_read_byte() { BYTE low,high;

set_tris_b(LCD_READ); lcd.rw = 1; delay_cycles(1); lcd.enable = 1; delay_cycles(1);high = lcd.data; lcd.enable = 0; delay_cycles(1); lcd.enable = 1; delay_us(1);low = lcd.data; lcd.enable = 0; set_tris_b(LCD_WRITE); return( (high<<4) | low);

}

Page 134: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

void lcd_send_nibble( BYTE n ) { lcd.data = n; delay_cycles(1); lcd.enable = 1; delay_us(2);lcd.enable = 0;

}

void lcd_send_byte( BYTE address, BYTE n ) {

lcd.rs = 0;while ( bit_test(lcd_read_byte(),7) ) ; lcd.rs = address;delay_cycles(1); lcd.rw = 0; delay_cycles(1); lcd.enable = 0;lcd_send_nibble(n >> 4); lcd_send_nibble(n & 0xf);

}

void lcd_init() { BYTE i;

set_tris_b(LCD_WRITE); lcd.rs = 0;lcd.rw = 0;lcd.enable = 0; delay_ms(15); for(i=1;i<=3;++i) {

lcd_send_nibble(3); delay_ms(5);

}lcd_send_nibble(2); for(i=0;i<=3;++i)

lcd_send_byte(0, LCD_INIT_STRING[i]);}

void lcd_gotoxy( BYTE x, BYTE y) { BYTE address;

switch(y) {case 1 : address=0x80;break; case 2 : address=0xc0;break; case 3 : address=0x94;break; case 4 : address=0xd4;break;

}address+=x-1; lcd_send_byte(0,address);

}

void lcd_putc( char c) { switch (c) {case '\f' : lcd_send_byte(0,1);

lcdline=1; delay_ms(2);

break;case '\n' : lcd_gotoxy(1,++lcdline);

break; case '\b' : lcd_send_byte(0,0x10); break;default : lcd_send_byte(1,c); break;

}}

Page 135: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

char lcd_getc( BYTE x, BYTE y) { char value;

lcd_gotoxy(x,y); lcd.rs=1;value = lcd_read_byte(); lcd.rs=0;return(value);

}

Programa: test.vbp

Este programa es el encargado de ser interfaz para el usuario. En su pantalla presenta: el algoritmo que esta siendo utilizado para el MPPT, la tabla I –V generada, acceso a MATLAB, etc. Además, posee varios botones entre los que destaca: Lectura EEPROM externa, escritura EEPROM externa, reset al microcontrolador, guardar datos adquiridos, borrado de la contabilización de energía, etc.

Private Sub chkestablecer_Click() If chkestablecer.Value = 0 Then

ChkOnline.Value = 1 MSComm1.PortOpen = False CmdPer.Enabled = False CmdCond.Enabled = False CmdClearEnergy.Enabled = False cmdreset.Enabled = False cmdLeerEeprom.Enabled = False mnuGuardarEeprom.Enabled = False mnuLeerEeprom.Enabled = False Timer2.Enabled = True ChkOnline.Enabled = True

End IfIf chkestablecer.Value = 1 Then

ChkOnline.Value = 0If MSComm1.PortOpen = False Then

MSComm1.PortOpen = TrueEnd IfCmdPer.Enabled = True CmdClearEnergy.Enabled = True cmdreset.Enabled = True cmdLeerEeprom.Enabled = True mnuGuardarEeprom.Enabled = True mnuLeerEeprom.Enabled = True Timer2.Enabled = False

End If End Sub

Private Sub ChkOnline_Click()If ChkOnline.Value = 0 Then

chkestablecer.Value = 1Else

chkestablecer.Value = 0 End IfEnd Sub

Page 136: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

Private Sub CmdClearEnergy_Click() MSComm1.Output = "s" 'En el PIC hacer energy = 0 End Sub

Private Sub CmdCond_Click()If CmdPer.Enabled = False Then CmdPer.Enabled = TrueEnd IfMSComm1.Output = "c" 'Cond Inc. Timer1.Enabled = True CmdCond.Enabled = FalseLblEstado.Caption = "Conductancia Incremental" End Sub

Private Sub cmdLeerEeprom_Click()MSComm1.Output = "l" ' Envia señal de lectura de la e2prom al 'PICEnd Sub

Private Sub CmdLimpiar_Click() txtrx.Text = ""End Sub

Private Sub cmdreset_Click() CmdPer.Enabled = False CmdCond.Enabled = TrueMSComm1.Output = "u" ' Establece un reset en el PICEnd Sub

Private Sub CmdSalir_Click()If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = FalseEnd If Unload MeEnd Sub

Private Sub CmdPer_Click()If CmdCond.Enabled = False Then CmdCond.Enabled = TrueEnd IfMSComm1.Output = "p" ' P&O Timer1.Enabled = True CmdPer.Enabled = FalseLblEstado.Caption = "Perturbación y Observación" End Sub

Private Sub Form_Load()MSComm1.Settings = "9600,n,8,1" ' velocidad, paridad MSComm1.CommPort = 1'MSComm1.PortOpen = True CmdPer.Enabled = False CmdCond.Enabled = False CmdClearEnergy.Enabled = False cmdreset.Enabled = False chkestablecer.Value = 1 Timer1.Enabled = True Timer2.Enabled = False ChkOnline.Enabled = FalseLblEstado.Caption = "Conductancia Incremental"

End Sub

Page 137: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

Private Sub Image2_Click()Call Shell("C:\MATLABR11\BIN\MATLAB.EXE")End Sub

Private Sub mnuColorTextBox_Click()CommonDialog1.Flags = &H1& ' Cambio de color de la caja de texto CommonDialog1.ShowColortxtrx.BackColor = CommonDialog1.Color

End Sub

Private Sub mnuGuardar_Click()'nota: todo el archivo se almacenará como una única cadena

CommonDialog1.Filter = "Archivos de texto (*.DAT)|*.DAT" CommonDialog1.ShowSave 'muestra el cuadro de diálogo Guardar If CommonDialog1.FileName <> "" Then

Open CommonDialog1.FileName For Output As #1 Print #1, txtrx.Text 'guarda el texto en un archivo Close #1 'cerrar archivo

End If End Sub

Private Sub mnuGuardarEeprom_Click() MSComm1.Output = "w" ' write ext eeprom (PIC 18F452)

End Sub

Private Sub mnuLeerEeprom_Click()MSComm1.Output = "l" ' Envia señal de lectura de la e2prom al 'PICEnd Sub

Private Sub mnuMatlab_Click()Call Shell("C:\MATLABR11\BIN\MATLAB.EXE")End Sub

Private Sub mnuPropiedad_Click() CommonDialog1.Flags = &H1& CommonDialog1.ShowColor txtrx.ForeColor = CommonDialog1.Color

End Sub

Page 138: Villegas Barria 2006

APÉNDICE B: CÓDIGOS DE PROGRAMAS Y 12

Private Sub mnuSalir_Click()If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = FalseEnd If Unload Me End Sub

Private Sub Timer1_Timer()If chkestablecer.Value = 1 Then txtrx.Text = txtrx.Text & MSComm1.Input End IfEnd SubPrivate Sub Timer2_Timer() If ChkOnline.Value = 1 ThenIf MSComm1.PortOpen = False Then

MSComm1.PortOpen = TrueEnd If End IfText1.Text = "Hola"

End Sub

Page 139: Villegas Barria 2006

APÉNDICE C

DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DE LAS TARJETAS IMPLEMENTADA

Page 140: Villegas Barria 2006

APÉNDICE C: DIAGRAMAS DE ESQUEMÁTICOS DE LAS TARJETAS 13

Figura C.1 Diagrama Esquemático de la Tarjeta Conversor DC/DC Boost

Page 141: Villegas Barria 2006

APÉNDICE C: DIAGRAMAS DE ESQUEMÁTICOS DE LAS TARJETAS 13

Figura C.2 Diagrama Esquemático de la Tarjeta Conversor DC/DC Buck - Boost

Page 142: Villegas Barria 2006

APÉNDICE C: DIAGRAMAS DE ESQUEMÁTICOS DE LAS TARJETAS 13

Figura C.3 Diagrama Esquemático de la Tarjeta de Programación de Microcontroladores PIC.

Page 143: Villegas Barria 2006

APÉNDICE C: DIAGRAMAS DE ESQUEMÁTICOS DE LAS TARJETAS 13

Figura C.4 Diagrama Esquemático de la Tarjeta LCD.

Page 144: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D

HOJAS DE DATOS INTEGRADOS

Page 145: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 13

Page 146: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 13

Page 147: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 13

Page 148: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 13

Page 149: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 13

Page 150: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 1

Page 151: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 152: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 153: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 154: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 155: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 156: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 157: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 158: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 159: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 14

Page 160: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 1

Page 161: Villegas Barria 2006

APÉNDICE D: HOJAS DE DATOS 1

Page 162: Villegas Barria 2006

Universidad de Magallanes Facultad de IngenieríaIngeniería de Ejec. en Electricidad

“EVALUACIÓN DE CONVERSORES DC / DC Y SIST. DE CONTROL PARA APLICACIONES

FOTOVOLTAICAS”

Hugo Miguel Villegas Barría2006

Page 163: Villegas Barria 2006

Contenidos

QIntroducciónQ Celdas SolaresQ Sistema ExperimentalQ Algoritmos de ControlQ Resultados ExperimentalesQ Conclusiones

Page 164: Villegas Barria 2006

Introducció■ Ante la necesidad de contar con nuevas fuentes de energía se

ha efectuado una fuerte actividad de investigación en el área de energía solar.

■ Ventajas:□ Energía no contaminante.□ Costos a largo plazo bajos.□ Libre o escaso de mantenimiento.

■ Desventajas:□ Dependencia de los factores climáticos.□ Alta inversión inicial.

■ Aparecen los denominados sistemas híbridos, tal como solar – diesel o eólico – solar – diesel.

Page 165: Villegas Barria 2006

Introducció■ En el presente trabajo se presentan estrategias de

control, para ser aplicados a sistemas fotovoltaicos que suministran energía a una carga aislada.

■ El sistema experimental esta compuesto de un panel solar que se conectará a la carga (banco de batería) por medio de un conversor DC/DC Boost y luego un Buck – Boost. Siendo ambos sistemas discutidos en este trabajo.

Page 166: Villegas Barria 2006

Celdas Solares

Page 167: Villegas Barria 2006

Celdas■ Una celda solar es un dispositivo capaz de convertir

la energía proveniente de la radiación solar en energía eléctrica.

■ El efecto fotovoltaico mencionado en el párrafo anterior, solo es posible en una parte del espectro luminoso. Dicho segmento lo componen básicamente las longitudes de onda más pequeñas, las cuales están comprendidas entre la luz ultravioleta y en el espectro visible al color violeta.

Page 168: Villegas Barria 2006

CeldasMPP: Punto de Máxima Potencia MPP

Figura 1. Característica I – V de un panel solar

Page 169: Villegas Barria 2006

Celdas

Figura 2. Efectos de la temperatura y la radiación en un panel solar

Page 170: Villegas Barria 2006

Celdas

(a) (b)

Figura 3. Interacción de un panel fotovoltaico con carga (a) resistiva y(b) galvánica de 12 V.

Page 171: Villegas Barria 2006

Sistema Experimental

Page 172: Villegas Barria 2006

Sistema

Figura 4. Sistema fotovoltaico propuesto

Page 173: Villegas Barria 2006

Sistema

Figura 5. Sistema fotovoltaico implementado con conversor DC/DC Boost.

Page 174: Villegas Barria 2006

Sistema

Seguimiento del Punto de Máxima Potencia MPPT

■ El conversor DC/DC es empleado como adaptador de impedancia.

■ Esta propiedad intrínseca del conversor DC/DC se utiliza para ajustar la tensión del panel solar, al valor en el cual se entrega la máxima potencia a la carga.

■ Este proceso se denomina:

Page 175: Villegas Barria 2006

Algoritmos de Control

Page 176: Villegas Barria 2006

Algoritmos de Control

■ Los algoritmos utilizados en estaTesis para realizar MPPT, son los siguientes:

□ Perturbación y Observación (P&O)□ Conductancia Incremental (Cond. Inc.)□ Controlador basado en lógica difusa (Fuzzy Logic)

Page 177: Villegas Barria 2006

Algoritmos de Control

(V(k),P(k))B(V(k+1),P(k+1))

C

(V(k-1),P(k-1))

A

(P&O)110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Tensión (V)

Figura 6. Curva P – V bajo seguimiento del MPP con algoritmo P&O

Pot

enci

a (W

)

Page 178: Villegas Barria 2006

P+I Circuito de disparo Conversor DC/DC Panel SolarVp* Vref

+-

Algoritmos de Control

Vp

Figura 7. Lazo de control para la tensión del panel solar

■ En la figura 7 se muestra el controlador PI, el cual es el encargado de controlar la tensión del panel solar, mediante el aumento o disminución (según sea el caso) del ciclo de trabajo de la señal PWM aplicada al conversor DC/DC.

Page 179: Villegas Barria 2006

Sensar V(k), I(k)

Calcular potencia P(k)= V(k) x I(k)

Vref = Vref - C Vref = Vref + C Vref = Vref - C Vref = Vref + C

NO P(k) > P(k-1) SI

V(k) > V(k-1) V(k) > V(k-1)

SI NO NO SI

Retornar

Algoritmos de Control (P&O)

Figura 8. Diagrama de flujo del método de MPPT P&O

Page 180: Villegas Barria 2006

dP/dV = 0

dP/dV > 0 dP/dV < 0

dVdP d (V I ) I V dI

dV dV 0

dI dV IV

Algoritmos de Control (Cond. Inc.)

120

100

80

60

40

20

00 5 10 15 20 25

Tensión (V)

Figura 9. Curva P – V bajo seguimiento del MPP con algoritmo Cond. Inc.

Pot

enci

a (W

Page 181: Villegas Barria 2006

Sensar V(k), I(k)

dV = V(k) - V(k-1)dI = I(k) - I(k-1)

Vref = Vref + C Vref = Vref - C Vref = Vref - C Vref = Vref + C

NO dV = 0 SI

dI / dV = - I / V dI = 0

NO NO

SI SI

dI / dV > - I / V dI > 0

SINO NO SI

Algoritmos de Control (Cond. Inc.)

Figura 10. Diagrama de flujo del método de MPPT Cond. Inc.

Retornar

Page 182: Villegas Barria 2006

ce CEdD

E(k ) dP P(k ) P(k 1)dV V (k ) V (k 1)

CE (k ) E (k ) E (k 1)

Algoritmos de Control (Fuzzy Logic)

e SE

E

SCESdD

Figura 11. Configuración del controlador difuso

FUZZIFICACIÓN TOMA DE DECISIÓN DESFUZZIFICACIÓN

dd

Page 183: Villegas Barria 2006

NB NM NS ZO PS PM PB

(a)

NB NM NS ZO PS PM PB

(b)

Algoritmos de Control (Fuzzy Logic)

NB NM NS ZO PS PM PB

(c)

u(E)

1

Grado De

Pertenencia

0

u(CE) -6 -4 -2 0 2 4 6

1

Grado De

Pertenencia

0

u(dD) -6 -4 -2 0 2 4 6

1

Grado De

Pertenencia

0-6 -4 -2 0 2 4 6

Figura 12. Funciones de membresía para (a) entrada E, (b) entrada CE y (c) salida dD (variación del ciclo de trabajo).

Page 184: Villegas Barria 2006

Algoritmos de Control (Fuzzy

Figura 13. Base de conocimiento y formas de regla del controlador difuso

CEE

NB NM NS ZO PS PM PB

NB NB NB NB NB NM NS ZO

NM NB NB NB NM NS ZO PS

NS NB NB NM NS ZO PS PM

ZO NB NM NS ZO PS PM PB

PS NM NS ZO PS PM PB PB

PM NS ZO PS PM PB PB PB

PB ZO PS PM PB PB PB PB

Si (E es N B ) y (C E es N S ) entonces (d D es

NB) Si (E es ZO ) y (C E es ZO ) entonces (d D

es ZO ) Si (E es ZO ) y (C E es PB ) entonces (d

D es P B )

Page 185: Villegas Barria 2006

dD u dD j dD jj 1n

n

u dD j j 1

Algoritmos de Control (Fuzzy ■ La salida del controlador difuso es un subconjunto difuso

de control. Un sistema para operar requiere usualmente un valor de control no difuso (concreto), es por ello que se hace necesaria una desfuzzificación.

■ El método del centro de gravedad es el más utilizado para casos discretos y esta dado por la siguiente ecuación.

Page 186: Villegas Barria 2006

Resultados Experimentales

Page 187: Villegas Barria 2006

Resultados ■ En este capítulo se presentan los resultados experimentales con

la finalidad de estudiar y observar el comportamiento de los algoritmos de control propuestos, e implementados tanto en el conversor DC/DC Boost como para el Buck – Boost. Los resultados que se presentan corresponden al comportamiento del sistema para las siguientes condiciones:

□ Generación de curvas I – V y P – V para diversas condiciones climáticas.

□ MPPT con Radiación Solar Incidente (RSI) constante□ MPPT con variación en la RSI

Page 188: Villegas Barria 2006

Resultados ■ Las principales variables a monitorear son: tensión,

corriente, temperatura de operación del panel solar y ciclo de trabajo del conversor DC/DC.

■ Las características principales del panel solar utilizado son:

TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (Voc) 21.6 V

CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO ( Isc) 6.54 A

TENSIÓN DE MÁXIMA POTENCIA (Vp) 17.4 V

CORRIENTE DE MÁXIMA POTENCIA ( Ip) 6.1 A

POTENCIA MÁXIMA 106 W

Page 189: Villegas Barria 2006

Resultados ■ El panel se ha orientado en dirección norte y con un ángulo de

inclinación de 60º con respecto a la horizontal.

■ La carga del sistema lo compone un banco de batería, el cual es de 12V o 24V, según se este operando en la modalidad reductora (Buck) o elevadora de tensión (Boost), respectivamente.

RESULTADOS GENERACIÓN DE CURVAS I – V Y P –V .

■ La figura 14 entrega una comparación de curvas I – V y P – V, obtenidas ambas a una temperatura de 32ºC y con diferentes niveles de radiación solar incidente (810 W/m2 y 948 W/m2).

Page 190: Villegas Barria 2006

Resultados

Figura 14. a) Curvas I – V, b) Curvas P – V.

Tensión Panel Solar

80

76 W @ 948 W

Tensión Panel Solar

4 (3 810 W /

2

1

0 5 1 1 2 2

60

566 W @ 810 W (

30

20

10 5 1 1 2 2

Pot

enci

a P

anel

Sol

ar (W

Cor

rient

e P

anel

Sol

ar (A

7

6

5

948 W /

Page 191: Villegas Barria 2006

Resultados Experimentales

■ De la figura 14, se confirma que la curva P – V con mayor potencia foto generada, es aquella en la cual se ha incidido mayor nivel de radiación solar (948 W/m2), alcanzando un valor de 76 W.

■ La figura 15 ilustra la comparación de curvas I – V y P – V, para un mismo nivel de radiación solar incidente (948 W/m2), y cambia la temperatura de 31º C € 41º C.

Page 192: Villegas Barria 2006

Resultados Experimentales

Figura 15. a) Curvas I – V, b) Curvas P – V.

7

6

5

31 (

Tensión Panel Solar 3

412

1

0 5 1 1 2 2

80

7 76 W @

5 72 W @ 40

(b)30

20

10

Pot

enci

a P

anel

Sol

ar (W

Cor

rient

e P

anel

Sol

ar (A

Page 193: Villegas Barria 2006

Resultados Experimentales■ La figura 15 ratifica el hecho de que el aumento en la

temperatura del panel solar, va en directo desmedro de la potencia generada, disminuyendo de 76W a 72W.

RESULTADOS DE MPPT CON RSI CONSTANTE

■ La figura 16 entrega la respuesta del seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para un sistema basado en un panel solar y utilizando como algoritmo de control el método conductancia incremental. Las condiciones para la prueba son las siguientes: utilización conversor DC/DC Boost, temperatura del panel solar de 29ºC y una RSI de 658 W/m2.

Page 194: Villegas Barria 2006

0 5 10 15 20 25Tensión Panel Solar

Resultados Experimentales

Figura 16. a) Curva P-V con MPPT Cond. Inc.b) Tensión del panel y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

15

V

54

10

Vpa

1 (

14.25

0 1 2 3 4 5Tiempo

6 7 8 9 153

52.5

Eficiencia del Ciclo de

3 4 5Tiempo

6 7 8 9

80

70

60

(

0 1 2

Tens

ión

(VC

iclo

de

Trab

ajo

(%P

oten

cia

Pan

el S

olar

(W

Efic

ienc

ia C

onve

rsor

(%

60

50

40

30

MP(

Page 195: Villegas Barria 2006

Resultados ■ De la figura 16 se puede apreciar que se logra situar la potencia

generada por el panel solar en el punto más óptimo de la curva P–V (55 W), la cual a su vez se alcanza con una tensión de

14.4 V. Por otro lado, el ciclo de trabajo fluctúa entre los

51.86 % y 52.15 %. En lo que respecta a eficiencia esta oscila en torno a los 87%, teniendo un peak de 92%.

■ La figura 17 ilustra el comportamiento del controlador basado en lógica difusa. Las condiciones utilizadas para la prueba son: utilización del conversor DC/DC Boost, temperatura del panel solar de 38ºC y una RSI de 910 W/m2.

Page 196: Villegas Barria 2006

Resultados

500 -

Cam

bio

de E

rror

Figura 17. a) Curva P-V con MPPT Difuso.b) Entradas del controlador difuso

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

Tensión Panel Solar

20 4

1500 Cambio de Error

10 0Error

0 -

-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-

80

20

2 4 6 8 1 1 1 1 1 2

7 0.

Eficiencia del Ciclo de (6 0.8

50 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.

Erro

Cic

lo d

e Tr

abaj

o (%

Pot

enci

a P

anel

Sol

a

Efic

ienc

ia C

onve

rsor

(%

80

60

MP (

Page 197: Villegas Barria 2006

Resultados ■ De la figura 17 se aprecia que se hace trabajar al panel solar en

el punto más óptimo (70 W a 14 V). Por otro lado, las entradas del controlador (E y CE) se encuentran en torno a cero. Mientras que el ciclo de trabajo fluctúa entre los 50 % y 60%. Por otro lado, el conversor DC/DC Boost se encuentra operando con una eficiencia de 86%.

RESULTADOS DE MPPT CON VARIACIÓN EN LA RSI■ La figura 18 ilustra el comportamiento algoritmo de control

P&O. Las condiciones utilizadas para la prueba son: utilización del conversor DC/DC Buck – Boost operando como reductor de tensión, cubrimiento del panel solar durante un pequeño lapso de tiempo, temperatura del panel solar de 30ºC y una RSI antes de producirse la perturbación de 683 W/m2.

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Resultados 80

60

40 MPPT (a)20

00 5 10 15 20 25

Tensión Panel Solar (V)

20

17.5Vpanel

15 (b)

12.5

101

Vref

4 6

55

50

45(c)

40

35

301 4 6

Figura 18. a) Curva P-V con MPPT P&O y variación en la RSI.b) Tensión del panel solar y tensión de referencia proveniente del algoritmo MPPT

c) Ciclo de trabajo y eficiencia al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Buck - Boost con MPPT

Tens

ión

(VC

iclo

de

Trab

ajo

(%P

oten

cia

Pan

el S

olar

(W

0 2 3Tiempo (Seg)

5

0 2 3Tiempo (Seg)

5

Page 199: Villegas Barria 2006

Resultados ■ De la figura 18 se aprecia que la potencia cae de 60 W €

10 W durante la perturbación, por lo cual el sistema de control actúa disminuyendo el ciclo de trabajo de 54% € 33%. Dicha disminución causa un aumento en la tensión del panel solar de11V € 20 V. Por lo cual, el controlador procede ahora aumentado el ciclo de trabajo para retornar la tensión del panelsolar a la tensión de referencia.

■ La figura 19 ilustra el comportamiento del controlador basado en lógica difusa. Las condiciones utilizadas para la prueba son: utilización del conversor DC/DC Boost, cubrimiento del panel solar durante un pequeño lapso de tiempo, temperatura del panel solar de 26º C y una RSI antes de producirse la

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Resultados perturbación de 927 W/m2.

Page 201: Villegas Barria 2006

Resultados

Cam

bio

de E

rro

Figura 19. a) Curva P – V con MPPT Difuso y variación en la RSI.b) Entradas del controlador difuso.

c) Ciclo de trabajo al cual se encuentra operando el conversor DC/DC Boost con MPPT

Tensión Panel Solar

3 5

2 0

1 Cambio de Er -500

0 -

-0 1 2 3 4 5

-

60

50 (

20

0 5 1 1 2 2

30

0 1 2 3 4 5 6

Err

oC

iclo

de

Tra

bajo

(%

Pot

enci

a P

anel

Sol

a

80

60

MP (

Page 202: Villegas Barria 2006

Conclusiones

Page 203: Villegas Barria 2006

Conclusione■ Los resultados experimentales presentados se obtuvieron para

diferentes condiciones, tales como: nivel de radiación solar incidente constante, aplicación de sombra parcial al panel solar y efectos de la temperatura en un panel solar. En todas ellas, los resultados obtenidos muestran un buen desempeño en el funcionamiento. En particular, para la generación de curvas I –V y P – V, se muestra la buena eficacia de los conversores DC/DC, al momento de utilizarse como adaptadores de impedancia.

■ Por otra parte, la respuesta del controlador de tensión utilizado en los algoritmos P&O y Conductancia Incremental es aceptable (menos de un 5% de la tensión de referencia para la mayoría de los casos).

Page 204: Villegas Barria 2006

Conclusione■ Para el caso del controlador difuso, aun cuando es más

oscilatorio que los algoritmos recién mencionados, logra mantener el error en torno a cero. La robustez del sistema también se hizo cierta al momento de aplicársele una sombra parcial al panel solar

■ Se observó los beneficios de utilizar un microcontrolador de bajo costo para aplicaciones en la cual el tiempo de muestreo no es crítico (procesos lentos).

■ Algunas aplicaciones:□ Sistemas aislados□ Sistemas híbridos (Solar – Diesel o Eólico – Solar - Diesel)□ Sistemas conectados a la red eléctrica

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¿ Preguntas ?

Page 206: Villegas Barria 2006

Universidad de Magallanes Facultad de IngenieríaIngeniería de Ejec. en Electricidad

“EVALUACIÓN DE CONVERSORES DC / DC Y SIST. DE CONTROL PARA APLICACIONES

FOTOVOLTAICAS”

Hugo Miguel Villegas Barría2006