Regulador MPPT

¿Qué significa MPPT?

MPPT son las siglas en inglés de Maximum Power Point Tracking, que se traduce al español como Seguimiento del Punto de Máxima Potencia. En el contexto de la energía solar fotovoltaica, el MPPT es una tecnología crucial utilizada en inversores fotovoltaicos para maximizar el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos.

La idea detrás del MPPT es optimizar la producción de energía de una instalación fotovoltaica por medio del control de la electrónica de potencia de los inversores solares. Gracias a estos algoritmos de control podemos conseguir trabajar en el punto de máxima potencia de los paneles solares.

¿Qué es el Punto de Máxima Potencia?

Los paneles solares, y en definitiva las instalaciones fotovoltaicas, tienen un punto de máxima potencia que es distinto en función de la temperatura, la irradiancia y la presión atmosférica, principalmente.

Cuando compramos un panel, éste tiene principalmente 3 magnitudes clave: la tensión de máxima potencia (Vmp), la corriente de máxima potencia (Imp) y la potencia pico (Pmp), producto de las dos anteriores. Estas magnitudes son en condiciones STC, que quiere decir bajo una irradiancia de 1000 W/m², temperatura de la célula de 25 °C y 1.5 atmósferas.

Pero es importante entender que estas magnitudes dependen de la carga que conectamos, es decir, lo que conectemos al panel solar va a marcar la potencia que este suministra a la carga.

Esto se entiende de mejor si vemos la Curva IV junto con la Curva de Potencia en la siguiente imagen. Para una tensión determinada hay una corriente asociada que el panel puede suministrar, y viceversa.

Como observamos en la Curva IV (la verde) la corriente máxima que el panel puede dar es su corriente de cortocircuito (Isc) y ésta se da para una tensión nula. Por lo tanto, la potencia al ser producto de estas dos magnitudes es también nula, como se observa en la Curva de Potencia (gráfica azul).

Y lo mismo sucede para la tensión máxima que el panel puede dar: la tensión en circuito abierto (Voc). Esta tensión es la que habría entre terminal positivo y negativo del panel si no conectamos nada, por lo que la corriente y la potencia es también nula como se observa en ambas gráficas.

Así, existe un punto óptimo donde ambas magnitudes, corriente y tensión, generan la máxima potencia. Y si buscamos modificar la tensión o la corriente por algún motivo nos saldremos del punto de máxima potencia y perderemos rendimiento.

En función de las condiciones climáticas la Curva IV de la instalación será distinta, por lo que deben implementarse algoritmos que trabajen en el punto de máxima potencia para cualquier situación.

¿Qué es un regulador MPPT?

Un regulador MPPT, también conocido como controlador de carga MPPT (Maximum Power Point Tracking), es un dispositivo electrónico diseñado específicamente para que la instalación fotovoltaica trabaje en el punto de máxima potencia. A diferencia de los reguladores de carga tradicionales, que utilizan un método de control de carga fija, los reguladores MPPT emplean algoritmos avanzados para rastrear constantemente el punto de máxima potencia de los módulos fotovoltaicos y ajustar la carga en consecuencia.

¿Cómo funciona un regulador MPPT?

Los inversores solares funcionan con electrónica de potencia y son una fuente de corriente, ya que la tensión de salida es la que tenga la red eléctrica a la que vierten la energía y es la corriente lo que se regula. Lo que un regulador MPPT permite, a grandes rasgos, es modificar la señal de control para que la corriente de salida del inversor sea siempre la óptima dentro de los límites eléctricos de la instalación.

Como veremos a continuación, hay distintos algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia. Pero principalmente lo que hacen es modular la señal de salida para que la tensión en alterna del inversor sea la tensión de red (lo que es indispensable) y la corriente se va ajustando para estar trabajando siempre en el punto de máxima potencia.

Vamos con un ejemplo a ver si soy capaz de explicarlo. Intentaré que se entienda para gente iniciada en nomenclatura eléctrica.

Imagina que tenemos una instalación fotovoltaica que para unas condiciones estándar tiene en el lado de continua (paneles) una tensión de máxima potencia de 1250 Vdc y una corriente de máxima potencia de 800 A. Esto supone una potencia en DC de 1 MWp. Podríamos tener un inversor de 1 MW de potencia y una salida en AC a 600 Vac trifásicos.

Ahora imagina que tenemos esas condiciones ideales en funcionamiento (casi imposible, pero bueno). El control del inversor o el regulador MPPT medirá la tensión de la red y se “sincroniza” para que la tensión de salida sea igual a la de la red en amplitud y en fase a 600 Vac.

Antes de empezar a generar la corriente será nula y la tensión en paneles será la tensión en circuito abierto (algo superior a los 1250 de que tenemos en el punto de máxima potencia). El control del inversor empezará a comandar que se inyecte corriente y ésta se irá aumentando junto con la potencia. Habrá un punto en el que el aumentar la corriente disminuya la potencia, ya que nos habremos salido del punto de máxima potencia hacia el otro lado de la curva. De esta forma el control irá ajustando constantemente.

Aunque lo normal es que el inversor trabaje en su punto de máxima potencia, el control es capaz de situar la producción en cualquier punto de la curva. Esto será interesante en momentos cuando, por condiciones extremas, la tensión o la corriente están por encima del límite eléctrico del inversor o cuando la tensión es insuficiente para conseguir la tensión de red en alterna.

¿Cómo elegir regulador MPPT?

Elegir el regulador MPPT adecuado para tu sistema fotovoltaico es crucial para maximizar su rendimiento y eficiencia. Aquí hay algunos aspectos importantes a considerar al tomar esta decisión:

1. Potencia del sistema: Elige un regulador MPPT que pueda manejar la potencia máxima de tu sistema fotovoltaico. Es importante asegurarse de que el regulador tenga una capacidad nominal suficiente para soportar la potencia máxima de los paneles solares que planeas instalar.
2. Voltaje de entrada: Verifica que el regulador MPPT sea compatible con el voltaje de entrada de tu sistema fotovoltaico. Algunos reguladores están diseñados para trabajar con sistemas de baja tensión, mientras que otros pueden manejar voltajes más altos. Asegúrate de seleccionar un regulador que se ajuste a tus necesidades específicas.
3. Corriente de carga: Considera la corriente de carga máxima que necesitas para tu sistema. Los reguladores MPPT vienen con diferentes capacidades de corriente de carga, por lo que es importante seleccionar uno que pueda manejar la corriente máxima requerida por tus dispositivos o baterías.
4. Eficiencia: Busca reguladores MPPT que ofrezcan alta eficiencia de seguimiento del punto de máxima potencia. Una mayor eficiencia significa que el regulador puede aprovechar mejor la energía solar disponible, lo que resulta en una mayor producción de energía.
5. Características adicionales: Considera las características adicionales que pueden ofrecer los reguladores MPPT, como monitoreo en tiempo real, protección contra sobrecargas y descargas profundas de la batería, y capacidades de comunicación remota. Estas características pueden ser útiles para mejorar el control y la supervisión de tu sistema fotovoltaico.
6. Fiabilidad y durabilidad: Opta por reguladores MPPT de marcas confiables y con una buena reputación en cuanto a fiabilidad y durabilidad. La calidad del producto es importante para garantizar un funcionamiento estable y de larga duración de tu sistema fotovoltaico.

Al considerar estos aspectos y realizar una investigación exhaustiva, podrás seleccionar el regulador MPPT adecuado que se adapte a tus necesidades y maximice el rendimiento de tu sistema solar fotovoltaico.

Ventajas de los reguladores MPPT

1. Mayor eficiencia energética: Los reguladores MPPT maximizan la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos al rastrear constantemente el punto de máxima potencia de los paneles solares y ajustar la carga en consecuencia. Esto resulta en una mayor producción de energía en comparación con los reguladores de carga tradicionales.
2. Optimización en condiciones variables: Los reguladores MPPT son capaces de adaptarse a las condiciones variables de iluminación, temperatura y sombreado, lo que garantiza un rendimiento óptimo del sistema fotovoltaico en todo momento. Esto los hace ideales para aplicaciones donde las condiciones climáticas pueden cambiar rápidamente.
3. Mayor flexibilidad de diseño: Debido a su capacidad para trabajar con una amplia gama de voltajes y corrientes de entrada, los reguladores MPPT ofrecen una mayor flexibilidad de diseño para sistemas fotovoltaicos de diferentes tamaños y configuraciones. Esto permite una mayor personalización y optimización del sistema según las necesidades específicas del usuario.

• Monitoreo y control avanzados: Algunos reguladores MPPT ofrecen funciones avanzadas de monitoreo en tiempo real y capacidades de comunicación remota que permiten a los usuarios supervisar y controlar su sistema fotovoltaico de forma más eficiente. Esto proporciona una mayor visibilidad y control sobre el rendimiento del sistema.

¿Cuántos MPPT tiene un inversor?

La cantidad de MPPT (Maximum Power Point Tracking) que tiene un inversor solar depende del diseño y las especificaciones del propio inversor. Los inversores pueden tener uno o varios MPPT, y esta característica suele variar según el modelo y la capacidad del inversor.

Los inversores con múltiples MPPT son capaces de gestionar de forma independiente varios conjuntos de paneles solares que pueden tener diferentes orientaciones, inclinaciones o sombreados. Esto permite una mayor flexibilidad en el diseño y la instalación de sistemas fotovoltaicos, ya que cada MPPT puede optimizar la producción de energía de manera individual.

Por otro lado, los inversores con un solo MPPT son más comunes en sistemas más pequeños o en situaciones donde todos los paneles solares están orientados de manera similar y no hay sombreado significativo que afecte a la producción de energía.

Lo habitual es trabajar con un MPPT para todos los paneles que se conectan al inversor, lo cual no es lo más óptimo porque se generan desbalances fácilmente entre los paneles. Pero en plantas con distintas orientaciones o muy grandes es interesante tener un MPPT para cada orientación o que cubran distintas zonas.

Algoritmos MPPT

Hill Climbing

El algoritmo MPPT de Hill Climbing, también conocido como algoritmo de búsqueda de pico, es uno de los métodos más comunes y simples utilizados en reguladores MPPT para rastrear el punto de máxima potencia de los paneles solares. Funciona ajustando continuamente la carga del panel solar en pequeños incrementos y monitoreando cómo estos cambios afectan la potencia generada. El algoritmo luego se mueve hacia arriba o hacia abajo en la curva de potencia para encontrar el punto donde la potencia es máxima.

Aquí hay una explicación más detallada del funcionamiento del algoritmo MPPT de Hill Climbing:

1. Inicialización: El algoritmo comienza en un punto arbitrario en la curva de potencia del panel solar. Por lo general, esto podría ser un punto cerca de la corriente de cortocircuito o la tensión en circuito abierto del panel.
2. Perturbación: Se realizan pequeños cambios en la carga del panel solar para aumentar o disminuir la corriente o la tensión de salida. Estos cambios se realizan en incrementos muy pequeños para evitar grandes saltos que podrían alejar al algoritmo del punto de máxima potencia.
3. Medición de la potencia: Después de cada cambio en la carga, el algoritmo mide la potencia generada por el panel solar. Esto se calcula multiplicando la tensión y la corriente de salida del panel.
4. Comparación: Se compara la potencia medida después de cada cambio con la potencia medida en el paso anterior. Si la potencia aumenta, el algoritmo continúa ajustando la carga en la misma dirección. Si la potencia disminuye, el algoritmo cambia la dirección de ajuste.
5. Convergencia al máximo: Este proceso de ajuste continuo se repite hasta que la potencia medida ya no aumente con los cambios en la carga. En este punto, se considera que el algoritmo ha convergido al punto de máxima potencia del panel solar.

Perturbar y observar (P&O)

Se trata de un algoritmo muy similar al de Hill Climbing comentado anteriormente, salvo que el de Perturbar y Observar tiene en cuenta también el incremento de la tensión y no solo el de la potencia.

De esta forma el algoritmo es capaz de saber en qué lado de la curva de potencia se encuentra, cosa que en principio no es capaz de hacer el de Hill Climbing. Si, por ejemplo, se está trabajando en el punto de máxima potencia y las condiciones cambian el algoritmo no será capaz de saber si la disminución de potencia es porque nos acercamos a la corriente de cortocircuito o a la tensión de circuito abierto, ya que solo calcula la potencia instantánea y la compara con la anterior.

En cambio, con el algoritmo de Perturbar y Observar controlamos también la variación de tensión. Por tanto, si se ha disminuido la potencia por un cambio en las condiciones pero la tensión ha aumentado sabemos que estamos moviéndonos hacia derecha de la curva de potencia. Y así con todas las posibles situaciones.

Conductancia incremental

El algoritmo de conductancia incremental (también conocido como IncCond o Incremental Conductance) es otro método comúnmente utilizado en los reguladores MPPT para rastrear el punto de máxima potencia de los paneles solares. Este algoritmo aprovecha la derivada de la curva de potencia en relación con la tensión o corriente del panel solar para determinar la dirección óptima de ajuste.

Aquí hay una explicación más detallada del funcionamiento del algoritmo de conductancia incremental:

1. Medición inicial: El algoritmo comienza midiendo la tensión y la corriente de salida del panel solar para determinar su punto de operación actual.
2. Cálculo de la conductancia instantánea: Utilizando las mediciones de tensión y corriente, se calcula la conductancia instantánea del panel solar. La conductancia instantánea se define como la derivada de la potencia en relación con la tensión o corriente del panel solar.
3. Comparación de conductancias: Se compara la conductancia instantánea actual con la conductancia instantánea medida en el paso anterior. Esto determina si el punto de operación del panel solar está a la izquierda o a la derecha del punto de máxima potencia en la curva de potencia.
4. Ajuste de la carga: Si las conductancias son iguales, el punto de operación del panel solar ya está en el punto de máxima potencia y no se realiza ningún ajuste. Si las conductancias son diferentes, el algoritmo ajusta la carga del panel solar en la dirección que maximice la conductancia instantánea.
5. Convergencia al máximo: Este proceso de ajuste se repite continuamente mientras se sigue observando una diferencia en las conductancias. Una vez que las conductancias son iguales y el punto de operación del panel solar está en el punto de máxima potencia, el algoritmo deja de ajustar la carga.

El algoritmo de conductancia incremental es efectivo para rastrear el punto de máxima potencia en una variedad de condiciones de iluminación y carga. Sin embargo, puede ser más complejo de implementar que otros algoritmos debido a la necesidad de calcular la derivada de la potencia en tiempo real. A pesar de esto, es ampliamente utilizado debido a su precisión y eficiencia en la optimización del rendimiento de los paneles solares.

Fuentes

• DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE GESTIÓN ENERGÉTICA PARA UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CON CONEXIÓN A RED Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA. Trabajo de Fin de Grado – Universidad Politécnica de Valencia. Víctor Baeschlin Sánchez
• ESTUDIO DE ALGORITMOS DE SEGUIMIENTO DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. Trabajo de Fin de Grado – Universitat Politècnica de Catalunya. Lucía Leticia González Sobrino.