Diseño e implementación de un emulador fotovoltaico para el testeo de inversores en un entorno de programación Simulink y desarrollo de una interfaz HMI

Abstract

La creciente demanda del consumo energético, unida a la rápida disminución de las reservas de fuentes de energías no renovables y el objetivo de aumentar el uso de fuentes de energía más sostenibles, enmarca un futuro donde las energías renovables deben tener un papel mucho más importante. Una de las energías con mayor capacidad de crecimiento es la energía solar, y aunque en los últimos años el uso de ésta haya crecido de forma exponencial, se espera que esta evolución siga en un futuro próximo. Como consecuencia, un número cada vez mayor de nuevos componentes y sistemas fotovoltaicos, principalmente módulos e inversores, están emergiendo en el mercado FV. Así que la necesidad de caracterizar dichos sistemas se ha convertido en un aspecto cada vez más importante. Es por esta razón que nace la idea de realizar una plataforma experimental que permita testear inversores fotovoltaicos, sin tener que utilizar placas fotovoltaicas reales o recurrir a emuladores fotovoltaicos que utilicen luz solar. El prototipo diseñado tiene su eje principal en una fuente de alimentación continua controlada, cuyo control permite actuar al conjunto como un emulador fotovoltaico. El sistema está formado por un convertidor de potencia CA/CC de hasta 10 kVA, basado en un rectificador de diodos monofásico, seguido de un convertidor CC/CC en semipuente y un filtro LCL. Se pretende que el emulador pueda trabajar en cualquier punto de la curva V‐I de un generador fotovoltaico, pero principalmente en el rango de funcionamiento cercano al MPPT, que es donde debe trabajar cuando se dispone a continuación de un inversor. Un aspecto innovador es la posibilidad de programar un microcontrolador con un nivel de abstracción mayor que en lenguaje C. La programación se lleva a cabo mediante MATLAB/Simulink, permitiendo realizar un programa software ejecutable en el DSP a partir de bloques, sin la necesidad de un conocimiento exhaustivo de los registros de memoria del microcontrolador. Además, se realiza una interfaz gráfica, también en MATLAB, que permite al emulador realizar los test requeridos para determinar el rendimiento de un inversor y su algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT), tal y como se indica en el Estándar Europeo EN‐50530. Asimismo, se puede emular el comportamiento de un panel fotovoltaico cuando se encuentra en situación de sombreado parcial, situación en la que los algoritmos MPPT pierden eficacia. En una primera parte del proyecto, se lleva a cabo un análisis de las especificaciones del convertidor para funcionar como emulador fotovoltaico. Seguidamente, se precisa un estudio de mercado para evaluar el estado actual de este tipo de dispositivos. A continuación, se presentan un conjunto de alternativas, la definición de las características de la estructura del convertidor finalmente utilizado y la descripción del software necesario para el control y la gestión del emulador. Posteriormente, se llevan a cabo varias simulaciones del sistema real, seguidas de pruebas en la bancada real con diferentes cargas. Finalmente, se realiza un análisis económico y medioambiental para acabar de justificar la solución implementada.