Analysis and fpga implementation of dynamical maximum power point tracking methods for photovoltaic-fuel cell hybrid systems

Abstract

This work presents the analysis and implementation, on a Field Programmable Gate Array (FPGA) device, of three different Maximum Power Point Tracking(MPPT) methods for Photovoltaic(PV) systems. The system analyzed in this document is composed of a PV array connected to a power converter and a DC motor as the electric load. The MPPT methods performances under variations in the load torque conditions and under environmental changes are shown. A control structure is pro- posed in order to regulate the DC motor speed and the maximum power when a hybrid renewable energy system is used. The hybrid energy system is composed ofa PV array as primary power source and a Fuel Cell(FC) stack as an auxiliary or secondary power source. In cases where the PV array cannot provide the enough power, for instance low irradiance levels or a higher demand in the load torque, the FC stack power is controlled to guarantee the maximum power and the motor speed regulation. The digital control structure performance was simulated using real environmental data for irradiance and temperature. An FPGA implementation of this control structure is also described in this document.

Este trabajo presenta el análisis y la implementación, en un dispositivo “Field Programmable Gate Array” (FPGA) , de tres métodos diferentes para el seguimiento de la máxima potencia(MPPT) en sistemas fotovoltaicos (PV). El sistema analizado en este documento se compone de un arreglo fotovoltaica conectado a un convertidor de potencia y un motor DC como carga eléctrica. El desempeño de los métodos de MPPT, bajo variaciones en las condiciones de carga del par de torsión del motor y bajo efectos en cambios ambientales son mostrados. Una estructura de control es propuesta para regular la velocidad del motor DC y la potencia máxima cuando un sistema híbrido de energía renovable es utilizado. El sistema de energía híbrido se compone de un arreglo fotovoltaico como fuente de energía primaria y una celda de combustible (FC) como fuente de energía auxiliar o secundaria. En los casos en que el arreglo Fotovoltaíco no pueda proporcionar la energía suficiente, por ejemplo, bajos niveles de irradiación o una mayor demanda en el par de la carga, la potencia de la celda de combustible es controlada para garantizar la máxima potencia y la regulación de la velocidad del motor. El desempeño de la estructura de control digital fue simulado utilizando datos reales de irradiación y temperatura. Una implementación de esta estructura de control en un FPGA también es descrita en este documento.