Tesis:
Performance evaluation of large power PV irrigation systems
- Autor: HERRAIZ SERRANO, Juan Ignacio
- Título: Performance evaluation of large power PV 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/80766/
- Director/a 1º: NARVARTE FERNÁNDEZ, Luis
- Director/a 2º: CASTILLO CAGIGAL, Manuel
- Resumen: Large power diesel-based or grid-connected irrigation systems are being replaced by battery-free large power stand-alone Photovoltaic Irrigation Systems (PVIS) for which no experimental performance data are available. However, these experimental data are crucial since knowing the expected performance values is key to establish quality thresholds in technical specifications and quality control procedures in the context of contractual frameworks for the sale and installation of PVIS.
The aim of this thesis is to provide experimental performance data of stand-alone battery-free large power Photovoltaic (PV) irrigation systems after several years of operation that open the door to the knowledge of the expected performance in this kind of systems.
The operation of PVIS is affected by various factors, some unrelated to the quality of the PV system itself, which generate losses that affect their performance: losses that vary with the crop and its irrigation period, losses intrinsic to the PVIS design, and those that happen as a consequence of the behaviour of the end user. To better understand the impact of each type of loss, the traditional performance ratio (PR) has been factorized, and new indices have been proposed to assess the robustness of the system to PV power fluctuations (the Number of abrupt stops and the Passing-cloud resistance ratio).
Experimental performance data have been provided for three different PVIS: two PVIS pumping to a water pool (at variable frequency and flow rate), with a 360 and a 213 kWp PV generator, respectively, and a 160 kWp PV-powered center-pivot irrigation system at constant pressure. These data show that it is reasonable to expect PR values very close to 65% in large power PVIS pumping to a water pool and around 60% in good quality constant pressure PVIS. The values of the index that evaluates the quality of the PV irrigation system without the impact of the external factors, PRPV, are over 80.0% for both types of PVIS. In addition, it is reasonable to expect passing-cloud resistance ratios above 95%.
Finally, this thesis has applied a systematic tuning method for the Proportional Integral Derivative (PID) control of the frequency converters based on the application of the AMIGO design rules to the method of frequency response tuning and optimized with the fine adjustment of the PID parameters. The analysis of results shows that the new systematic tuning method significantly improves the behaviour of PVIS against PV power quick intermittences by reducing the number of abrupt stops and increasing the passing-cloud resistance ratio, but not the PRPV.
ABSTRACT
Los sistemas de riego de gran potencia alimentados por generadores diésel o conectados a la red eléctrica están dando paso a sistemas de riego fotovoltaicos (PVIS) autónomos de gran potencia y sin baterías para los que no se dispone de datos experimentales de rendimiento. Sin embargo, estos datos son cruciales, ya que conocer los valores de rendimiento esperados es clave para establecer umbrales de calidad en las especificaciones técnicas y en los procedimientos de control de calidad en el contexto de los marcos contractuales para la venta e instalación de PVIS.
El objetivo de esta tesis es proporcionar datos experimentales de rendimiento de sistemas de riego fotovoltaicos (FV) autónomos de gran potencia, sin baterías, tras varios años de funcionamiento, que abran la puerta al conocimiento del rendimiento esperado en este tipo de sistemas.
El funcionamiento de los PVIS se ve afectado por diversos factores, algunos ajenos a la calidad del propio sistema fotovoltaico, que generan pérdidas que afectan a su rendimiento: pérdidas que dependen del cultivo y su periodo de riego, pérdidas intrínsecas al diseño del PVIS y las que se producen como consecuencia del comportamiento del usuario final. Para comprender mejor el impacto de cada tipo de pérdida, se ha factorizado el índice de rendimiento tradicional (PR) y se han propuesto nuevos índices para evaluar la robustez del sistema frente a las fluctuaciones de la potencia fotovoltaica (el Número de paradas abruptas y el Índice de resistencia a pasos de nube).
Se han proporcionado datos experimentales de rendimiento de tres PVIS diferentes: dos sistemas de riego fotovoltaico de bombeo a balsa (a frecuencia y caudal variables) de 360 y 213 kWp respectivamente, y un sistema de riego fotovoltaico de 160 kWp a presión constante (a un sistema de pivotes). Los datos proporcionados muestran que es razonable esperar valores de PR muy próximos al 65% en el caso de PVIS de gran potencia de bombeo a balsa y en torno al 60% para los sistemas a presión constante de buena calidad. Los valores del índice que evalúa la calidad del PVIS sin el impacto de los factores externos, el PRPV, son superiores al 80,0% para los dos tipos de PVIS. Además, es razonable esperar índices de resistencia a pasos de nube superiores al 95%.
Por último, en esta tesis se ha aplicado un método de sintonización sistemática para el control Proporcional Integral Derivativo (PID) de los variadores de frecuencia basado en la aplicación de las reglas de diseño AMIGO al método de sintonización por respuesta en frecuencia y optimizado con el ajuste fino de los parámetros PID. El análisis de los resultados muestra que el nuevo método de sintonización sistemático mejora significativamente el comportamiento de los PVIS frente a las variaciones bruscas de la potencia fotovoltaica, reduciendo el número de paradas abruptas y aumentando el índice de resistencia a pasos de nube, pero no el PRPV.