Tesis:
Tuning of frequency drives for photovoltaic irrigation systems
- Autor: GUILLÉN ARENAS, Francisco Jesús
- Título: Tuning of frequency drives for photovoltaic irrigation systems
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
- Departamentos: INGENIERIA AUDIOVISUAL Y COMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80579/
- Director/a 1º: NARVARTE FERNÁNDEZ, Luis
- Resumen: La agricultura sostenible es un pilar clave para el desarrollo socioeconómico global. Los sistemas de riego fotovoltaico surgen como una tecnología innovadora para enfrentar los desafíos del cambio climático y el consumo energético. Sin embargo, estos sistemas enfrentan barreras técnicas y operativas debido a las variaciones climatológicas, como el paso de nubes, que producen fluctuaciones de potencia afectando a la eficiencia y la estabilidad del sistema y que hacen difícil su puesta en marcha. Esta tesis se centra en abordar esos desafíos críticos.
Uno de los mayores retos de los sistemas de riego fotovoltaico sin baterías ni apoyo externo de la red eléctrica es la sintonización del controlador proporcional-integral y la evaluación de su rendimiento una vez sintonizado el sistema. El método de sintonización debe aplicarse en días despejados (irradiancia constante), mientras que el rendimiento debe evaluarse en las circunstancias más desfavorables, que se producen cuando el paso de una nube provoca una caída repentina de la potencia fotovoltaica disponible. En resumen, la sintonización y el testeo deben realizarse en diferentes condiciones meteorológicas.
La primera parte de esta investigación ha consistido en el desarrollo de un método de sintonización manual que se complementa con un método para simular las fluctuaciones de tensión debidas al paso de nubes. Esto permite sintonizar y evaluar el rendimiento del sistema en el mismo momento. Además, este método de sintonización consigue un mejor ajuste de los parámetros del controlador proporcional-integral y resuelve los problemas de inestabilidad que surgen al aplicar los métodos tradicionales de sintonización en lazo cerrado. Ambos métodos utilizan la entrada feedforward del variador de frecuencia y llevan a mejores resultados del rendimiento del sistema que los métodos anteriores. Estos métodos permiten realizar la sintonización y el ensayo del buen funcionamiento de la sintonización en condiciones de irradiancia constante, lo que simplifica enormemente su aplicación y reduce en gran medida el tiempo necesario para la puesta en servicio del sistema.
Este primer desarrollo abrió la puerta al desarrollo de un nuevo método de sintonización automática, paliando los problemas derivados del método de sintonización manual. El nuevo método permite optimizar los parámetros del controlador proporcional-integral de forma automática, evitando la necesidad de personal cualificado en la fase de puesta en marcha del sistema de riego fotovoltaico. También se basa en la respuesta de la tensión del sistema cuando se introduce una señal perturbadora a través de la entrada feedforward del controlador proporcional-integral. Para evaluar automáticamente las propiedades de la respuesta, se proponen dos indicadores: la distorsión armónica total, utilizada para evaluar la respuesta ante una señal de entrada sinusoidal, y la distorsión cuadrática total, utilizada para evaluar la respuesta ante una señal de entrada cuadrada. Se ha comprobado experimentalmente la robustez de los resultados del nuevo método de sintonización automática frente a fluctuaciones bruscas de potencia fotovoltaica debidas al paso de nubes sobre el generador fotovoltaico y los resultados muestran que los valores de sintonización obtenidos hacen que el sistema de riego fotovoltaico sea estable incluso cuando se producen caídas bruscas de potencia fotovoltaica del 66%.
En conjunto, esta tesis aporta una contribución significativa al campo de la energía fotovoltaica y el riego sostenible al introducir un método de sintonización que no solo simplifica la implementación y acorta el tiempo requerido para la puesta en servicio de los sistemas de riego fotovoltaico, sino que también incrementa su robustez y rendimiento.
ABSTRACT
Sustainable agriculture is a key pillar for global socio-economic development. Photovoltaic irrigation systems emerge as an innovative technology to address the challenges of climate change and energy consumption. However, these systems face technical and operational barriers due to climatological variations, such as the passage of clouds, which produce power fluctuations affecting the efficiency and stability of the system and make it difficult to implement. This thesis focuses on addressing these critical challenges.
One of the greatest challenges of photovoltaic irrigation systems without batteries or external support of other power sources is the tuning of the proportional-integral controllers and the evaluation of their performance once the system is tuned. The tuning method must be applied on clear days (constant irradiance), while the performance must be evaluated under the most unfavourable circumstances, which occur when the passage of a cloud causes a sudden drop in the available photovoltaic power. In short, tuning and testing must be carried out under different weather conditions.
The first part of this research has consisted of the development of a manual tuning method which is complemented by a method to simulate voltage fluctuations due to passing clouds. This allows tuning and evaluation of the systems performance in the same session. In addition, this tuning method achieves better tuning of the proportional-integral control parameters and solves the instability problems that arise when applying traditional closed-loop tuning methods. Both methods use the feedforward input of the frequency inverter and lead to better system performance results than previous methods. These methods allow tuning and testing of tuning performance under constant irradiance conditions, which greatly simplifies their application and greatly reduces the time required for system commissioning.
This first development opened the door to the development of a new automatic tuning method, alleviating the problems derived from the manual tuning method. The new method allows the parameters of the proportional-integral controller to be optimised automatically, avoiding the need for qualified personnel in the commissioning phase of the photovoltaic irrigation systems. It is also based on the system voltage response when a disturbing signal is introduced through the feedforward input of the proportional-integral controller. To automatically evaluate the response properties, two indicators are proposed: the total harmonic distortion, used to evaluate the response to a sinusoidal input signal, and the total square distortion, used to evaluate the response to a square input signal. The robustness of the results of the new automatic tuning method to sudden fluctuations in photovoltaic power due to clouds passing over the photovoltaic generator has been experimentally tested and the results show that the tuning values obtained make the photovoltaic irrigation systems stable even when there are sudden drops in photovoltaic power of 66%.
Overall, this thesis makes a significant contribution to the field of photovoltaics and sustainable irrigation by introducing a tuning method that not only simplifies the implementation and shortens the time required for commissioning photovoltaic irrigation systems, but also increases their robustness and performance.