Design of a non-linear controller to track de maximum power point of photovoltaic systems in electrical power systems with distributed generation

Resumen

Esta tesis doctoral se centra en el diseño de un control no lineal backstepping para controlar un convertidor buck-boost y un inversor para realizar el seguimiento del punto de máxima potencia (MPP) en sistemas FV y transferir potencia a la red. Se ha implementado un controlador backstepping para regular la tensión de salida de un array FV en simulación para conseguir el MPP. Se ha simulado en Matlab-Simulink un sistema FV conectado a red que está formado por un array FV, un convertidor buck-boost, un inversor y una carga. El controlador diseñado ha sido implementado también. Este control está basado en el uso de funciones de Lyapunov para garantizar la estabilidad local del sistema. El control backstepping es robusto y los experimentos llevados a cabo validan su funcionamiento. Una vez verificado el control en simulación, el método ha sido validado en una plataforma experimental. La plataforma experimental desarrollada está compuesta por un módulo FV comercial, un convertidor buck-boost construido y una carga para comprobar el funcionamiento del backstepping en el convertidor DC/DC. Los experimentos llevados a cabo validan la eficiencia del control propuesto. La tensión que suministra el punto de máxima potencia se alcanza siempre incluso con condiciones ambientales cambiantes, comprobando así la robustez del control. Finalmente, se ha propuesto el diseño de un controlador backstepping para controlar el convertidor DC/AC en una plataforma experimental incluyendo la conexión a red. Los controladores backstepping suministran potencia FV en distribuciones híbridas para equipos de telecomunicación. El sistema FV conectado a red contiene un array FV, el buck-boost construido, inversores monofásicos y equipos de telecomunicaciones como cargas. El método backstepping es robusto y capaz de enfrentarse a las no linealidades e incertidumbres de la red eléctrica, suministrando los controladores la tensión e intensidad DC requerida para que el buck-boost siga el MPP del array FV, regulando la tensión de salida de los módulos para extraer la máxima potencia. Además, los controladores consiguen que las intensidades AC del inversor sean sinusoidales con factor de potencia unitario y una tensión de entrada al inversor constante apropiada para el suministro de equipos de telecomunicaciones. Este control logra que la transferencia de potencia por el convertidor DC/AC sea bidireccional, puestrabaja como inversor o como rectificador. Los resultados experimentales se han logrado implementando los controladores en un microcontroladorlow-cost. Los resultados muestran que el control garantiza la máxima transferencia de potencia al equipo de telecomunicación o a la red eléctrica, asegurando una tensión constante a la entrada del inversor mientras que absorbe o inyecta una intensidad con baja distorsión armónica a la smart-grid. Como trabajo adicional, se ha propuesto un control backstepping adaptativo. El control también sigue el MPP, regulando la tensión de entrada del convertidor buck-boost sin importar los valores de los parámetros del convertidor. Otros algoritmos MPPT se han usado. Un sistema neuro-fuzzy con un control difuso se ha diseñado para compararlo con el P&O, con el control PI y con el control backsteppingpropuesto. Se ha propuesto un control basado en visión artificial con backstepping para detectar sombras para los sistemas FV con sombreado parcial. Se han propuesto otras prestaciones relacionadas con la calidad de potencia. Se ha diseñado un acondicionador activo FV para transferir la máxima potencia a la red, compensar potencia reactiva y cargas no lineales. Además, se propone usar una reactancia conmutable para mejorar el seguimiento de los filtros activos. Se han probado dos índices de calidad en una red distribuida, el Load Characterizationlndex que identifica las cargas lineales y no lineales en sistemas de potencia y ei UnbalanceCurrent Ratio que asigna la responsabilidad del desequilibrio del sistema a la fuente o a la carga.