Control Of The Generated Power In Photovoltaic Systems Through The Maximum Power Point Locus Characterization

The research for renewable energy sources, like the sun, the wind and biomass, has been recently boosted by two main factors: firstly, the increase of the world energy consumption, which can be hardly supplied by the current resources of fossil fuels; in addition, the combustion of these fuels causes serious consequences to the environment, like the greenhouse effect and the global warming. For this reason, the use of photovoltaic (PV) modules, which generate energy from the solar light, has increased considerably in the last years. Many European countries, e.g. Italy, Germany and Spain, offer incentives to the installation of new residential photovoltaic systems, where the modules are installed on the roofs of the houses and the produced energy is injected into the public grid. Taking advantage of these incentives, the expense required to acquire the photovoltaic system can be amortized in a time equivalent to the half of the module lifetime. This way, besides the “clean energy” concept, the photovoltaic market has become interesting also from the economic point of view, resulting in more investments, not only in the modules manufacturers, but also in the industry of electronics, which acts as an interface between the PV generator and the load. Application of Power Electronics to the photovoltaic systems refers to both the generation control and to the load feeding through switching power converters. From the load side, these converters are, for instance, able to control the charge of a battery in autonomous photovoltaic systems, or, if it is a grid-connected PV system, control the injection of the generated energy into the public grid. The present work is focused on the generation side, i.e. the control of the photovoltaic generator, more specifically on a fundamental task executed by the switching converter in a photovoltaic system: the maximum power point tracking (MPPT). Given the physical characteristics of the PV module, it presents an optimal operation point, at which the generated energy is maximum. Even though this maximum power point (MPP) is unique for given environmental conditions, it changes with the values of temperature and solar irradiation over the module. These changes must be compensated by the converter, making use of a convenient algorithm, called MPPT method. Indeed, one of the relevant results presented in this thesis is a novel MPPT method, based on the mathematical characterization of the PV module electrical model. From this characterization, it is possible to determine a line over the PV generator current-voltage plan, in whose vicinity are found the MPPs for a certain irradiation range. Moreover, the equation of this line, called Voltage Linear Reference (VLR), is compensated for temperature variations by periodically updating the module open circuit voltage. Validation of the proposed method has been demonstrated through simulation and also through experimental results in a battery charger circuit fed by a 55-W photovoltaic module. A second result regards the study about a very popular MPPT method, namely Perturb & Observe (P&O), where the generator values of current or voltage are iteratively altered – increased or decreased. The effect of this perturbation on the generator power determines the direction of the next perturbation. Since the perturbations are done by fixed steps, the P&O algorithm is in practice not able to reach the exact MPP, but oscillates around it instead, even in steady state. In the best case, the amplitude of this oscillation is twice the perturbation amplitude. If the method iteration frequency fMPPT is excessively high, however, an increase of the oscillation around the MPP is observed. This increase has been explained in this work from the describing function of the P&O method. With this function, the PV system designer is able to determine, from the dynamic behavior of the PV system, the value of fMPPT above which the steady state oscillations are increased, and then choose an adequate value for the method iteration frequency.

La ricerca sulle fonti rinnovabili di energia, come il sole, il vento e le biomasse, è stata incentivata recentemente da due importanti fattori: l’aumento continuo del consumo mondiale di energia, che difficilmente potrà essere sostentato soltanto grazie alle risorse di combustibili fossili, e l’inquinamento causato dalla combustione di questi stessi combustibili, che risulta in gravi conseguenze ambientali, come l’effetto serra e l’aumento della temperatura globale. Per questo motivo, l’utilizzo dei moduli fotovoltaici (PV), che generano energia a partire dalla luce solare, è cresciuto considerevolmente negli ultimi anni. Diversi paesi europei, tali Italia, Germania e Spagna, offrono attualmente degli incentivi statali alla installazione di nuovi impianti fotovoltaici residenziali, nei quali i moduli vengono installati sui tetti delle case e l’energia prodotta viene iniettata nella rete elettrica. Facendo uso di questi incentivi, l’ammontare richiesto per l’acquisito dell’intero sistema potrebbe essere recuperato in un tempo pari alla metà della vita utile dei moduli stessi. In questo modo, l’investimento nei sistemi fotovoltaici diventa interessante non soltanto sotto l’aspetto della “energia pulita”, ma anche sotto quello economico. Ne risulta che il mercato in questo settore cresce continuamente, sia per i moduli solari che per la elettronica che serve di interfaccia tra i moduli e il loro carico. L’applicazione dell’Elettronica di Potenza ai sistemi fotovoltaici permette, tramite i convertitori di potenza commutati, il controllo sia della energia generata dai moduli sia della consegna di questa energia al carico. Dal lato del carico, questi convertitori possono, ad esempio, controllare la carica di una (serie di) batteria (e), nel caso di un sistema autonomo, oppure, se si tratta di un sistema grid-connected, controllare l’iniezione dell’energia nella rete pubblica. Il presente lavoro si è concentrato sull’aspetto della generazione di energia nei moduli fotovoltaici, più specificamente a uno dei compiti a essa associati, ovvero il raggiungimento del punto di massima potenza (MPPT). Per le sue caratteristiche fisiche, un modulo solare presenta sempre un punto di lavoro ottimo dove la generazione di energia elettrica è massima. Anche se questo punto di massima potenza (MPP) è unico, esso varia con le condizioni di illuminazione e temperatura. Queste variazioni, quindi, devono essere compensate dal convertitore tramite un algoritmo di controllo adeguato, chiamato anche metodo di MPPT. Uno dei risultati significativi presentati in questo lavoro è appunto un algoritmo per il raggiungimento del punto di massima potenza basato sulla caratterizzazione matematica del punto di massimo, fatto a sua volta a partire dal modello elettrico equivalente di un modulo fotovoltaico. In questo modo è stato possibile definire una retta sul piano tensione-corrente del generatore, in prossimità della quale si trovano i punti di massimo per un certo intervallo di illuminazione. Inoltre, l’equazione di questa retta, denominata Voltage Linear Reference (VLR), viene compensata in temperatura tramite l’aggiornamento periodico del valore della tensione a vuoto del modulo. La validazione del metodo proposto è stata dimostrata tramite risultati di simulazione, ma anche sperimentalmente utilizzando un circuito caricabatterie costruito appositamente e alimentato da un modulo fotovoltaico da 55W. Un secondo ambito di ricerca ha riguardato uno degli algoritmi di MPPT più utilizzati attualmente, denominato Perturb & Observe (P&O), dove il valore di tensione o corrente del generatore viene continuamente alterato. La direzione della perturbazione – aumento o diminuzione della tensione/corrente – è determinata dall’effetto della perturbazione precedente sulla potenza generata. Una volta che l’incremento è realizzato a passi di ampiezza fissa, l’algoritmo P&O in pratica non riesce a raggiungere il punto di massimo esatto, ma oscilla nel suo intorno ad una frequenza multipla della frequenza di iterazione del metodo. Nel caso migliore, l’ampiezza di queste oscillazioni è pari al doppio dell’ampiezza del disturbo. Se la frequenza di iterazione fMPPT del metodo è eccessivamente alta, invece, viene osservato un aumento dell’ampiezza delle oscillazioni. In questo lavoro è stata proposta una funzione descrittiva del metodo P&O, che permette al progettista del sistema di controllo di determinare il valore della frequenza fMPPT sopra la quale le oscillazioni subiranno un aumento di ampiezza, potendo così scegliere un valore adeguato per la frequenza di iterazione del metodo.