Tutorial sobre cómo implementar un algoritmo MPPT de Holtek para paneles solares

Tutorial sobre cómo implementar un algoritmo MPPT de Holtek para paneles solares

En este tutorial,  veremos cómo implementar un algoritmo MPPT de Holtek para paneles solares. El algoritmo MPPT es un método utilizado para maximizar la potencia generada por un panel solar. Holtek ofrece una librería basada en el algoritmo MPPT para poder implementarlo en sus microcontroladores, tanto los de 8 como los de 32 bits. Haciendo uso de esta librería podemos desarrollar aplicaciones que dependan de un panel solar y baterías como única fuente de alimentación, como en aplicaciones destinadas a monitorización ambiental, sistemas de iluminación, agricultura inteligente e incluso logística y transporte.

 

1. Introducción

La potencia de salida de los paneles solares se ve afectada principalmente por factores como la intensidad de la iluminación, la temperatura y la humedad. Por lo tanto, cualquier cambio ambiental siempre provocará cambios en la potencia de salida en las aplicaciones reales. El MPPT, es decir, Maximum Power Point Tracking (el seguimiento del punto de máxima potencia), es una forma de obtener la máxima potencia del panel solar para mejorar la eficiencia de la carga y maximizar la utilización de la energía solar.

En este tutorial veremos los principios e instrucciones de cómo utilizar la biblioteca de algoritmos MPPT para paneles solares de Holtek en detalle, lo que ayudará a los usuarios a desarrollar productos relacionados con la carga solar MPPT.

2. Principios de funcionamiento

La biblioteca de algoritmos MPPT para paneles solares de Holtek adopta un método de perturbación y observación en el algoritmo MPPT como principios básicos. Su precisión de seguimiento idealmente no tiene relación con la precisión de voltaje/corriente, y la eficiencia de seguimiento puede ser de hasta más del 99%. Este algoritmo puede utilizarse en aplicaciones que utilicen un panel solar y se requiera el uso del MPPT para maximizar la eficiencia.

Las características de tensión/corriente de salida del panel solar vienen determinadas por el proceso de fabricación y las curvas características I-V vienen determinadas por el fabricante. Las curvas características P-V correspondientes, que se muestran en la Figura 1b y la Figura 2b, se pueden trazar de acuerdo con las curvas características I-V, que se muestran en la Figura 1a y la Figura 2a. Con diferentes intensidades de iluminación y temperaturas, las curvas características I-V y P-V del panel solar cambiarán y, concretamente, se producirá un desplazamiento del punto de máxima potencia.

Figura 1a. Curvas características I-V bajo diferentes intensidades de iluminación

Figura 1b. Curvas características P-V bajo diferentes intensidades de iluminación

Figura 2a. Curvas características I-V a diferentes temperaturas

Figura 2b. Curvas características P-V a diferentes temperaturas

 

Las figuras 1 y 2 muestran la influencia de diferentes irradiancias en la tensión, la corriente y la potencia del panel.

De las curvas características se desprende que la temperatura modifica principalmente el punto de tensión a potencia máxima y la irradiancia modifica principalmente la corriente de funcionamiento del panel.

Podemos ver la ubicación del punto de máxima potencia en las curvas características P-V, que tienen sus correspondientes valores de tensión/corriente. El seguimiento de la potencia máxima consiste en hacer que el sistema funcione en su punto de máxima potencia. Esto significa encontrar la tensión de funcionamiento en el punto de máxima potencia.

3. Principios del método de Perturbación y Observación

El método P&O es un algoritmo MPPT muy utilizado. El algoritmo introduce una perturbación en la tensión de funcionamiento del panel y, a continuación, modifica la tensión del panel cambiando el ciclo de trabajo del convertidor. La forma de implementarlo es importante para algunas topologías de convertidores.

En la curva característica P-V se puede observar que en el lado derecho del punto de máxima potencia, la reducción de la tensión de salida puede aumentar la potencia. En el lado izquierdo del punto de máxima potencia, aumentar la tensión de salida puede aumentar la potencia. Esta es la idea principal del método P&O. Esto significa que cuando la tensión de funcionamiento del panel aumenta, el algoritmo comparará la lectura de potencia actual con la lectura de potencia anterior. Si la potencia aumenta, entonces mantiene la misma dirección para aumentar la tensión, de lo contrario cambia la dirección para reducir la tensión. Este proceso se repetirá en cada paso de seguimiento del MPP hasta que se alcance el MPP. Una vez alcanzado el MPP, el algoritmo oscilará en torno al valor correcto.

El algoritmo básico utiliza un tamaño de paso fijo para aumentar o reducir la tensión. El tamaño del paso determina el error entre el MPP y el valor de corriente que oscila cerca del MPP. Los pasos pequeños ayudan a reducir la oscilación pero reducen la velocidad de seguimiento. Los pasos grandes pueden acelerar la velocidad de seguimiento para alcanzar el MPP más rápidamente, pero aumentan el consumo de energía durante la oscilación. Es necesario medir la tensión y la corriente del panel para que las aplicaciones implementen la función P&O MPPT.

 

Figura 3

4. Descripción de la librería

La biblioteca desarrollada por Holtek se utiliza principalmente para procesar la parte MPPT del panel solar y proporciona versiones para los microcontroladores de 8 y 32 bits.

Tabla 1. Parámetros de la versión de 8 bits

Tabla 2. Parámetros de la versión de 32 bits

4.1 Descripción de las subrutinas

La librería MPPT contiene dos subrutinas que pueden ser llamadas durante la carga de la batería. A continuación se muestra la descripción de las subrutinas, incluyendo la descripción de la versiones de 8 y 32 bits.

 

5. Modo de Uso

 

1. Antes de utilizar la biblioteca MPPT, es necesario completar los ajustes básicos de inicialización, incluyendo la especificación de la batería, el rango de tensión/corriente de funcionamiento de la batería, el rango de tensión/corriente de funcionamiento del panel solar y otros ajustes relacionados con MPPT, que es el paso más importante.
2. Muestreo en tiempo real de los datos de tensión, corriente y temperatura. Los datos de tensión y corriente deben convertirse en datos decimales para tener una copia de seguridad.
3. La máquina de estado de carga de la batería llama periódicamente a la función de la biblioteca MPPT.
4. La librería MPPT ya contiene múltiples protecciones como OCP (potencial de circuito abierto) de la batería, OVP y UVP del panel solar. Las funciones de protección restantes deben implementarse mediante métodos distintos a la biblioteca MPPT.

 

6. Ejemplo de aplicación

En esta sección se presenta un ejemplo de aplicación práctica en combinación con una placa de demostración de iluminación LED solar.

 

Esta aplicación de ejemplo contiene un módulo DC-DC buck, un módulo de muestreo de tensión/corriente/temperatura, un módulo de detección del movimiento PIR, una pantalla digital, teclas y otros componentes.

 

6.1 Especificaciones principales de la aplicación de demostración:

• Panel solar: 20W @ 6V/3,3A, tensión de circuito abierto de 7,2V, corriente de cortocircuito de 4A.
• Batería: Batería de litio hierro fosfato de 3,2V@20Ah, tensión de funcionamiento de 2,5V a 3,6V.

Configuración de los parámetros de la biblioteca MPPT

Los parámetros de la librería MPPT deben ser configurados de acuerdo a las especificaciones del panel solar y de la batería. La aplicación de demostración mencionada anteriormente utiliza una MCU HT8 como controlador maestro, el BP45FH4NB, por lo que se tomará como ejemplo la librería de la versión HT8.

• El único parámetro relacionado con el panel solar es MPPT_PV_V_min. Debido a que la batería utilizada es una batería LFP y el voltaje es de 2,8V cuando la capacidad de la batería es baja, el MPPT_PV_V_min se puede ajustar a 300, ya que los pasos son de 10mV cada uno. Cuando la tensión del panel solar es inferior a 3V, el panel solar saldrá del proceso de carga MPPT. El rango de ajuste de referencia de este parámetro es 280~360.
• La tensión de terminación de carga de la batería es de unos 3,65V, por lo que el MPPT_CHG_BATV_Max puede ajustarse a 360 con pasos de 10mV y el MPPT_CHG_BATV_MaxAdjust puede ajustarse a 355 con pasos de 10mV.
• La capacidad de la batería es de 20Ah y la corriente máxima es de 6A a 0,3C. MPPT_CHG_BATI_Max puede ajustarse a 600 con pasos de 10mA y MPPT_CHG_BATI_MaxAdjust puede ajustarse a 580.
• El MPPT_CHG_DeltaBat_Imin con un valor de 10mA es la variación mínima de la corriente de la batería, que es una base clave para analizar la dirección de la tensión de funcionamiento del panel fotovoltaico. Este valor no debe ser inferior al valor de corriente correspondiente al valor A/D de 1 bit, pero no debe ser demasiado grande, de lo contrario se reducirá la eficiencia de seguimiento MPPT. Si la corriente del panel solar en el punto de máxima potencia de funcionamiento es de 3.3A, es de 33mA calculada en un 1%, y la corriente de la batería se estima en unos 50~100mA, por lo tanto el MPPT_CHG_DeltaBat_Imin puede estar en el rango de 5~10.
• La estructura de la batería es de cuatro baterías unicelulares conectadas en paralelo. Si la corriente mínima se calcula en 50mA por rama, el MPPT_CHG_BATI_Min se ajustará a 20, con pasos de 10mA.
• La frecuencia de conmutación de la topología viene determinada por MPPT_Duty_sum, cuyo ajuste está limitado por los bits de registro de la MCU. Por ejemplo, si la frecuencia de conmutación f está ajustada a 100K, entonces según las condiciones en las que MPPT_Duty_sum=fh/f, fh =30M y MPPT_Duty_sum=300, MPPT_Duty_min y MPPT_Duty_max son el límite inferior y el límite superior del deber. Obviamente, en las condiciones anteriores, el límite inferior no puede ser inferior a 0 y el límite superior no puede ser superior a 300.
• Dutysize es el tamaño de paso del ajuste de servicio. Un tamaño de paso demasiado pequeño causará una baja velocidad de seguimiento MPPT y un tamaño de paso demasiado grande causará una baja precisión de seguimiento y una pobre estabilidad del sistema. Dutysize puede seleccionarse como 1 o 2 en las aplicaciones.
• El MPPT_PNO_Time es el tiempo de perturbación MPPT. Cuando la duración durante la cual el sistema está en el punto de máxima potencia supera este tiempo, el sistema empezará a cambiar el valor de servicio debido a la perturbación. Un valor demasiado pequeño provocará una mala estabilidad del sistema. Si la temporización es demasiado grande, la velocidad de seguimiento será lenta y no podrá seguir el ritmo de los cambios ambientales. La temporización puede ajustarse entre 5s y 10s.

7. Datos de prueba

Punto de medición de tensión y corriente y descripción del elemento de prueba.

• Tensión de entrada: terminal positivo del panel fotovoltaico.
• Corriente de entrada: la resistencia de muestreo en el terminal negativo del panel fotovoltaico.
• Tensión de salida: borne positivo de la batería de litio.
• Corriente de salida: resistencia de muestreo en el borne negativo de la batería de litio.
• Los puntos 1~4 son pruebas de corta duración y los puntos 5~6 son pruebas de larga duración. El sistema utiliza una batería LFP tipo 3.2V@20000mAh y la corriente máxima de carga está ajustada a 4A.

1. Potencia de carga y eficiencia – simula un panel fotovoltaico de 20W@6V, 3.33A con una potencia máxima de salida de 10W.
2. Potencia de carga y eficiencia: simulación de un panel fotovoltaico de 20 W@6 V y 3,33 A con una potencia máxima de salida de 20 W.
   
3. Potencia de carga y eficiencia: simulación de un panel fotovoltaico de 10 W@6 V y 1,66 A con una potencia máxima de salida de 5 W.
   
4. Potencia de carga y eficiencia: simulación de un panel fotovoltaico de 10W@6V y 1,66A con una potencia máxima de salida de 10W.
   
5. Curva de carga: la batería se carga de 2,9 V a plena capacidad con una corriente máxima de 4 A.

6. Curva de carga: la batería se carga de 2,9 V a plena capacidad con una potencia de entrada máxima de 10 W.

Conclusión

En esta nota de aplicación, que puede consultar en los siguientes enlaces an0617en y WAS-20C1EN_ReferenceDesign, la biblioteca de algoritmos MPPT se basa en los principios del método de perturbación y observación. Aquí, el voltaje y la corriente de la batería se detectan durante la carga para determinar la dirección de cambio de la potencia de salida del panel solar y realizar un seguimiento de su valor de potencia máxima. Esto mejora la eficiencia de carga de la batería y hace un uso completo de la potencia de salida del panel solar para un mejor rendimiento. Los usuarios pueden modificar los parámetros de la biblioteca según los requisitos reales de su aplicación y pueden utilizarla en productos con una gran variedad de especificaciones para acortar el tiempo de desarrollo. Debido a los diferentes requisitos de los productos, los usuarios deben verificar y calibrar las funciones del producto en detalle para obtener los mejores efectos de la biblioteca.