Propuesta y validación de nuevos modelos de módulo e inversor para la simulación eléctrica de instalaciones FV acopladas a red

摘要

[ESP] Con el objetivo de modelar el comportamiento eléctrico de las plantas Fotovoltaicas (FV) conectadas a red, llevamos a cabo un repaso de las propuestas para el modelado eléctrico tanto de módulos como de inversores FV presentadas hasta la fecha. En el primer caso, ésta revela que los Modelos de Doble Diodo y de Único Diodo tradicionalmente utilizados con módulos de Silicio Cristalino presentan ciertas dificultades en su aplicación a módulos comerciales de otras tecnologías FV. Cabe mencionar además, que dichos modelos utilizan expresiones implícitas para caracterizar la curva I-V del módulo FV, motivo por el cual, la simulación de plantas FV formadas por una gran cantidad de módulos acarrea un consumo de recursos computacionales considerable, que puede resultar excesivo para los equipos informáticos actuales. En este trabajo procedemos inicialmente a aplicar las propuestas más representativas al modelado de un módulo comercial de Telururo de Cadmio (CdTe), comparando los resultados con datos medidos en una planta FV conectada a red. Las dificultades encontradas en dicha tarea ponen de manifiesto la conveniencia de desarrollar nuevos modelos de módulos FV que superen, entre otros, los problemas de convergencia, exactitud y alto coste computacional, asociados a la simulación de las soluciones existentes. Como respuesta a tal necesidad, proponemos un Modelo eléctrico de módulo FV basado en una función Simétrica Desplazada de la curva de Gompertz (SSGM), el cual permite simular la curva I-V de un módulo FV comercial mediante una expresión explícita. El modelo desarrollado es aplicado y validado para módulos comerciales de Silicio Policristalino (Solon Blue P220/6+) y CdTe (First Solar Series 2 270), comprobando su bondad con la medida de las condiciones de explotación de dos plantas FV conectadas a red durante un año. Asimismo, establecemos un procedimiento de estimación de los tres parámetros del modelo a partir de la información de sus hojas de características, facilitando su aplicación a módulos comerciales. Los resultados obtenidos muestran una estimación satisfactoria del punto de máxima potencia, reduciendo sustancialmente el consumo de recursos en comparación con contribuciones anteriores. Por otra parte, la simulación eléctrica de inversores FV comerciales de conexión a red presenta mayores inconvenientes. En este caso, no encontramos propuestas que permitan la simulación del funcionamiento autónomo del inversor FV en función de la información obtenida en sus bornes de conexión. Si bien existe la posibilidad de caracterizar individualmente el comportamiento de sus diferentes etapas mediante la combinación de diferentes propuestas, la simulación de este tipo de modelado plantea una serie de dificultades, como el excesivo consumo de recursos computacionales y la necesidad de información específica sobre el diseño de la máquina. Con objeto de superar estos inconvenientes, proponemos un modelo eléctrico de inversor desarrollado mediante la aplicación de técnicas comportamentales. El Modelo Comportamental (BM) presentado en esta tesis permite simular el comportamiento de inversores FV ante distintas condiciones de tensión de red, teniendo en cuenta a su vez, la curva I-V de los módulos FV caracterizada con el SSGM. Establecemos asimismo un método de estimación de los parámetros del modelo, que facilita la aplicación del modelo a partir de la información de la hoja de características y una serie de sencillas medidas en los bornes del inversor, las cuales pueden ser tomadas en una planta FV en operación sin realizar ninguna modificación de la instalación. En comparación con contribuciones anteriores, este aspecto representa un importante valor añadido a nuestra propuesta, ya que de esta manera, evitamos la necesidad de información específica sobre el diseño interno del equipo, facilitando por tanto su aplicación a inversores comerciales. Utilizando datos medidos en plantas FV conectadas a red, el modelo propuesto es aplicado y validado bajo las condiciones reales de explotación de dos inversores comerciales monofásicos (SMA SunnyBoy 3800 y Sunny Mini-Central 7000 HV), así como un inversor trifásico cuyas fases pueden ser caracterizadas de manera independiente (Sunways NT10000). En comparación con datos medidos, los resultados de simulación muestran una estimación satisfactoria de la corriente inyectada ante cambios de potencia del inversor, así como una primera aproximación de su contenido armónico en régimen permanente. De esta manera, la consideración de aspectos como con la variación dinámica del rendimiento, el rizado en la tensión DC, así como la respuesta del inversor ante eventos y perturbaciones de la red, permiten caracterizar el comportamiento del equipo con el BM, alcanzando mayor exactitud que contribuciones anteriores con necesidades de recursos similares. En conclusión, la combinación del BM con el SSGM permite simular la operación de un sistema FV con un nivel de precisión satisfactorio, manteniendo a su vez un consumo de recursos computacionales reducido. Teniendo en cuenta además, su carácter polivalente y la accesibilidad de la información necesaria para su aplicación, ambas contribuciones suponen unas herramientas muy versátiles para caracterizar el funcionamiento de plantas FV compuestas por un número considerable de módulos e inversores FV comerciales. [ENG] With the aim of modeling the electrical behavior of grid-connected PV plants, a bibliography research considering both PV module and inverters modeling proposals is carried out. Regarding the former, Double Diode Models (DDM) and Single Diode Models (SDM) have been traditionally considered as the common solution to model Crystalline Silicon PV modules. However, modeling commercial PV modules based on other technologies with these approaches presents some drawbacks. In addition, these modeling adjustments of I-V curve is carried out by employing an implicit expression. This aspect should be considered in the simulation of those PV plants which involve a huge amount of modules. In these cases, computational resources needed cannot be assumed by current computer equipment Within the labor of our research, a commercial CdTe PV module is modeled by using several DDM and SDM approaches, comparing simulation results with real grid-connected PV plants measured data. High computational time costs, convergence problems in parameter estimation process, and other drawbacks have been found in order to carry out this task, bringing out the convenience of developing new approaches. With the aim of overcoming current contribution disadvantages, a new solar module modeling for PV applications based on a Symmetrized Shifted Gompertz curve (SSGM) is presented in this Phd. thesis. This model allows to simulate the I-V curve of PV modules by an explicit expression as a function of three parameters. The proposed model is assessed for two commercial modules based on Polycrystalline Silicon (Solon Blue P220/6+) and CdTe (First Solar Series 2 270) technologies respectively, by using real conditions working data measured during a year in two grid-connected PV plants. Moreover, an estimation parameter protocol based on datasheet information is suggested, providing a useful application method for commercial PV modules. From the comparison of the results with measured data, it is deduced that SSGM shows a suitable accuracy and a signi cant reduction of the simulation computational time cost compared with previews contributions are then avoided. Proposed inverter BM is assessed for two single-phase PV inverters (SMA SunnyBoy 3800 and Sunny MiniCentral 7000 HV), as well as a three-phase PV inverter (Sunways NT10000), taking into account that the latest behavior can be assumed as a single-phase one. This assessment is carried outby using data measurements from grid-connected PV plants, and therefore, real PV plant operation conditions. In comparison with measurements, the results o er an accurate injected current estimation, as well as a rst approach of its harmonic content. Finally, computational time cost of simulationprocess is compared with previous contributions. Taking into consideration the dynamic modeling of e ciency, DC voltage ripple and inverter behavior under grid disturbances, it is concluded that this contribution models the behavior of commercial PV inverters in a more complete way, as wellas reaching higher accuracy than previous contributions with comparable simulation computering resources requirements. In conclusion, the combination of both SSGM and BM allows to simulatethe PV system operation with suitable results, maintaining low computational resources requirements. Consequently, and considering their advantages for modeling commercial devices, they represent useful tools for the simulation of PV plants that involve a considerable amount of PV modules andinverters.