Design and control of a new single-switch Two-Input DC/DC Buck converter for dual MPPT in photovoltaic systems

Abstract

En los últimos años, la producción de electricidad con energía fotovoltaica ha aumentado muchísimo debido a la reducción exponencial de precios que ha experimentado dicha tecnología en el mercado. La tendencia global apunta a sistemas fotovoltaicos de media y gran potencia conectadas a la red eléctrica, donde se pueden alcanzar mayores rentabilidades económicas. Este estudio se centra en sistemas fotovoltaicos de media potencia conectados a red, que generalmente utilizan un inversor reductor trifásico para inyectar potencia a la misma. Como consecuencia, solo es posible realizar el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) de todo el campo de módulos fotovoltaicos, que discierne del punto de máxima potencia de cada uno de los módulos. Este hecho supone una limitación en sistemas donde maximizar la energía producida mediante dos o más MPPT es el objetivo. Es el caso típico de zonas residenciales e industriales, donde la morfología de los tejados hace que se tengan distintas inclinaciones o sombreados para distintas partes de la instalación. Actualmente, para esas situaciones, no existe otra solución que añadir una etapa DC/DC que disponga de tantos convertidores DC/DC elevadores como MPPTs se quieren realizar. Sin embargo, ello produce una pérdida de eficiencia importante, a la vez que aumenta el coste de la instalación. Este trabajo final de grado propone incorporar en dicha etapa DC/DC un nuevo convertidor capaz de realizar doble seguimiento del punto de máxima potencia utilizando un solo interruptor de potencia, reduciendo el coste del sistema. Además, en este convertidor, los semiconductores y la bobina soportan tensiones mucho menores, posibilitando alcanzar eficiencias muy altas. En concreto, este proyecto se centra en el diseño y control del nuevo convertidor denominado “Two-Input Buck” o “TIBuck” para las mencionadas aplicaciones, demostrando su capacidad de realizar doble MPPT de manera rápida, eficaz, y con una eficiencia muy alta. Para finalizar, se realizará una verificación de los resultados obtenidos teóricamente mediante sendas simulaciones

In the last few years, photovoltaic generation has developed very much due to an exponential reduction of market price for photovoltaic technology. The world tendency leads to medium and high-power grid-connected photovoltaic systems, as bigger systems permit to achieve better economical profitability. This study will focus on those medium-power grid-connected photovoltaic systems, which generally use a single-stage three-phase inverter to inject power into the grid. As a result, only one maximum power point tracking (MPPT) is performed for the whole photovoltaic field, which differ from the maximum power point of each module. However, in many situations, two or more MPPTs are required in order to maximize the amount of energy produced. This is very common in residential or industrial areas, where modules usually have different inclinations or shade conditions due to the morphology of the roofs. At the moment, in those cases, there is no other choice than adding a DC/DC stage with as many DC/DC Boost converters as MPPTs are wanted. As a consequence, the conversion efficiency is reduced significantly while costs increase. This final degree project proposes to include a new DC/DC Two-Input Buck converter in the DC/DC stage, so that the MPPT of two photovoltaic strings can be carried out at the same time using just one active switch, reducing the costs of the system. Furthermore, in this converter the semiconductors and the inductor support lower voltages, thus very high efficiency rates can be achieved. In this work, the design and control of the Two-Input Buck converter is developed for this application, making it possible to achieve dual MPPT, high control dynamics and high efficiency. Finally, the theoretical results previously studied will be validated by simulations