modelado de módulos fotovoltaicos en psim

7/26/2019 Modelado de módulos fotovoltaicos en PSIM

http://slidepdf.com/reader/full/modelado-de-modulos-fotovoltaicos-en-psim 1/10

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones

Tópicos Especiales

SIMULACIÓN DE ARREGLOS FOTOVOLTAICOS UTILIZANDO PSIM

Daniel Felipe Almeida Argüello 2158733

I. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo tiene como propósito la simulación de arreglos fotovoltaicos con el fin de

describir y analizar las condiciones ‘mismatching’ o sombras a través de la obtención de las

curvas I-V y P-V del arreglo final. Con esta finalidad, se selecciono al software PSIM para realizar

el análisis, debido a que permite obtener los parámetros de los módulos con solo tener

conocimiento de los datos del panel, además de permitir la interconexión de estos mismos en

serie y paralelo para finalmente obtener las curvas principales a través de escenarios de sombra

sobre estos y adquirir datos importantes acerca de estas formas de onda.

II. MODELADO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS

Se considero el modelo de diodo único para este trabajo (single-diode model ) de celda

fotovoltaica, el cual se observa en la Figura 1.

Figura 1 Modelo de diodo único para la celda fotovoltaica

La ecuación característica es la mostrada en (1):

= ℎ ∗ (−∗∗ ) 1 +∗ (1)

Donde y representan las corriente y tensión de la celda a la salida, ℎ la corriente

producida por la celda debido al efecto fotovoltaico, es la corriente de saturación del diodo,

es el factor de idealidad de la unión P-N y las resistencias y ℎ que representan las

resistencias serie y paralelo del modelo de la celda.

Con el fin de encontrar los parámetros antes presentados, se empleará el módulo de energías

renovables que se encuentra en el software PSIM, concretamente la herramienta de módulo

solar (Solar Module) el cual permite extraer estos parámetros a partir de la hoja de datos del

módulo y algunos variables supuestas, simplificando la etapa de modelado y análisis. En la figura

Figura 2 se muestra la interfaz gráfica de esta herramienta.

Con el fin de ejemplificar el procedimiento de modelado de módulos fotovoltaicos, se selecciona

una hoja de datos de un módulo fotovoltaico, la cual es proporcionada por el fabricante Yingli

Solar seleccionándose el modelo YL260P-29b, este módulo cuenta con las siguientes

características a condiciones estándar (Irradiancia de 1000 [W/m

2

] y temperatura de 25 [ºc])que se muestran en la Tabla 1.





Tópicos Especiales

Figura 2 Interfaz de la herramienta Solar Module de PSIM.

Tabla 1 Características del módulo fotovoltaico YL260-29b

CARACTERÍSTICA MODELO VALOR

POTENCIA MÁXIMA 260 [W]

EFICIENCIA DEL MÓDULO 15.9 %

TENSIÓN EN PMAX 30.9 [V]

CORRIENTE EN PMAX 8.41 [A]

TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (VOC) 38.9 [V]

CORRIENTE DE CORTO-CIRCUITO (ISC) 8.98 [A]COEFICIENTE DE TEMPERATURA DE VOC -0.33 [%/ºC]

COEFICIENTE DE TEMPERATURA DE ISC 0.06 [%/ºC]

De acuerdo a estos datos, es posible obtener los parámetros y las curvas características

aproximadas del módulo a partir de la herramienta Solar Module de PSIM, a partir de la

suposición aproximada de la resistencia en paralelo (ℎ) y el factor de idealidad (), a los cualés

se les asignan los valores de (2):

= 1000[] & = 1.2 (2)

Una vez se asignan estos valores, se calculan los parámetros y la curva I-V del módulofotovoltaico, el cual arroja las siguientes curvas características para el modelo en cuestión.





Tópicos Especiales

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

Los parámetros obtenidos a través de Solar Module son los siguientes (3) y (4):

= 0.0079 [] (3)

= 6.81 9[] (4)

Debido a la alta complejidad de la ecuación que describe el comportamiento de los módulos

fotovoltaicos, Solar Module no reproduce exactamente la curva del módulo, esto se puede notar

a partir del cambio en los parámetros de tensión en potencia máxima ( ), corriente en

potencia máxima (

) y potencia máxima (

á entregada por el módulo, los cuáles arrojan

el siguiente resultado (5)-(7):

á = 250.68 [] (5) = 29.91 [] (6)

= 8.38 [] (7)

Aunque estos parámetros no corresponden a los entregados en la hoja de datos, se trabajará

con este modelo aproximado y se espera que el error introducido no sea crítico en cuanto a la

validez del modelado en el mismo.





Tópicos Especiales

III. ANÁLISIS DE MISMATCHING EN UN STRING DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

De acuerdo al modelo obtenido, se propone examinar el comportamiento del módulo

fotovoltaico ante la presencia de sombras, sabiéndose que estas reducen la irradiancia que llega

a los módulos produciendo una disminución en la corriente que proporciona el arreglo

fotovoltaico.

Partiendo de lo anterior, se realiza el montaje de los paneles fotovoltaicos en PSIM junto con

una carga capacitiva, esta misma debido a que se puede examinar las curvas características de

los paneles debido a que solo habrá corriente cuando el capacitor no esté cargado, una vez este

llegué a su carga completa tomará la tensión de circuito abierto del arreglo fotovoltaico.

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

Los módulos fotovoltaicos tienen los mismos parámetros calculados en la sección anterior.

Además, se ubicó el diodo de by-pass el cual se activa cuando la corriente de la columna o string

es mayor a la de cortocircuito del módulo debido a una menor entrada de irradiancia con

respecto a otro módulo en el string, el diodo de bloqueo y un condensador de pequeña

capacidad que ayuda a la ejecución del esquema, puesto que si no se ubica el software es incapaz

de arrojar las curvas características.

Para una irradiancia uniforme sobre los tres módulos fotovoltaicos (S=1000 [W/m2]), es decir,

definiéndose K1=K2=1, se obtienen las siguientes curvas I-V y P-V para el arreglo:

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





Tópicos Especiales

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

En la Figura 5 y Figura 6 se observa que la corriente del string corresponde a la corriente de

cortocircuito (Isc) de los módulos, la cual es la misma para los tres, también se observa que la

tensión de circuito abierto (Voc) es la esperada correspondiente a

, = 3 ∗ = 117 [] (8)

También es posible observar un único valor máximo en la curva P-V, lo que indica que los tres

módulos entregaron potencia en la simulación efectuada.

Para simular la condición de irradiancia, se asignan los valores de K1=0.8 y K2=0.5, que arrojan

las siguientes curvas características:

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

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





Tópicos Especiales

De acuerdo a lo mostrado en la Figura 7 y Figura 8, se observa una operación desigual de los

módulos fotovoltaicos en el string, donde se puede observar una mayor potencia entregada

cuando operan los tres módulos a una corriente de cortocircuito menor a la asignada. En ambas

curvas se pueden observar tres tramos específicos en donde se observan las siguientes

magnitudes mostradas en la Tabla 2, en donde a través de PSIM es posible adquirir las tensionesde inflexión y las corrientes de cortocircuito correspondientes a cada tramo .

Tabla 2 Tensiones y corrientes obtenidas en los tramos de las curvas I-V y P-V con mismatching

PRIMER TRAMO SEGUNDO TRAMO TERCER TRAMO [A] 8.98 7.18 4.48 [A] 8.41 6.91 4.4

[V] 29.76 62 98.47

[W] 250.57 428.8 433.27

De acuerdo a lo anterior, la potencia obtenida del módulo se reduce considerablemente conrespecto al escenario sin mismatching, en donde se obtenía una potencia máxima de casi 800

[W] a una de 433 [W] a lo sumo, esto también sumado a la escasa corriente que está en

capacidad el string de suministrar a pesar de que tenga todos los módulos funcionando,

produciéndose este escenario en el tercer tramo.

IV. ANÁLISIS DE MISMATCHING EN UN ARREGLO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Tomando como módulo ejemplo el establecido en la sección 1, se establece un arreglo de estos

de 6 filas conectadas en serie y 4 columnas en paralelo, el cual se puede ver su montaje en PSIM

en la Figura 9. En el lado de la demanda se ubicó la misma carga capacitiva del caso anterior y

nuevamente se ubicaron los diodos de by-pass y el capacitor en paralelo.

Figura 9 Montaje del arreglo fotovoltaico en PSIM

Las curvas I-V y P-V del arreglo sin mismatching se pueden ver en la Figura 10 y Figura 11. Para

este arreglo, se tiene una corriente de cortocircuito igual a = 4 ∗ 9 = 36 [] y una tensión

de circuito abiert = 39 ∗ 6 = 234 []. Estos resultados se reproducen satisfactoriamenteen las figuras mostradas a continuación.





Tópicos Especiales

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

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

Para el arreglo anterior, se establecieron 5 escenarios de sombras, las cuáles se realizaron a

través de la localización de bloques proporcionales en PSIM, proponiéndose una disminución

del 70% en la irradiancia para los módulos sombreados.

Se proponen los siguientes escenarios de sombras mostrados en la Tabla 3. Los resultados

obtenidos en cuanto a las curvas I-V y P-V son mostrados en la Tabla 4 en el orden establecido

para los escenarios de mismatching.

De acuerdo a lo que se muestra en las curvas, en todos los casos se obtiene una potencia máxima

menor a la ofrecida cuando existe una irradiancia uniforme sobre todos los módulos, en donde

para el escenario 2 se obtiene solo un pico de potencia que es mayor con respecto a los

obtenidos en las otras condiciones de mismatching, lo que supone una operación cercana a la

ideal. Para los otros escenarios se tienen picos de potencia en donde es necesario un control

apropiado de estos a partir de los módulos que estén en funcionamiento para extraer la máxima

potencia posible.





Tópicos Especiales

Tabla 3 Escenarios de sombra a implementar en el arreglo fotovoltaico

Escenarios de sombra propuestos

1 2

3 4

5





Tópicos Especiales

Tabla 4 Curvas obtenidas de los escenarios de mismatching

Curvas I-V Curvas P-V





Tópicos Especiales

V. CONCLUSIONES

La representación de diodo único de la celda y módulo solar se rige por una ecuación

implícita que requiere de cierta complejidad para poder obtener los parámetros que

describen su comportamiento, para esto se han utilizado distintas formas de

simplificaciones y métodos numéricos. En este trabajo se utilizo la herramienta SolarModule de PSIM la cual reprodujo de forma satisfactoria la curva esperada mostrada

por el fabricante con un error aceptable.

A través del análisis de las curvas I-V y P-V obtenidas en los escenarios de mismatching

establecidos sobre un string de módulos fotovoltaicos o un arreglo de estos, es posible

conocer los distintos módulos que están en funcionamiento, las tensiones de inflexión

y la corriente que fluye por el string. De esta forma es posible el seguimiento del punto

de máximo de potencia (MPPT, Maximum Power Point Tracking) en cada régimen de

operación de forma exacta así como la potencia máxima que puede entregar el arreglo.

modelado de módulos fotovoltaicos en psim

Documents