Experimental performance evaliation of MPPT algorithms for photovoltaic systems

Amongst all renewable technologies, Photovoltaic (PV) energy is considered as the future of sustainable energy generation in many countries. PV systems in the generation section are increasing rapidly and this growth is expected to be continuous. On one hand, there is an increase on the number of new developmental PV components and devices. On the other hand, the real peak power of the installed PV plants is one of the important parameters for the energy-harvesting point of view. To find the maximum power point (MPP), many testing systems and maximum power point tracking (MPPT) algorithms have been developed. The testing system is used for system development as well as validating the quality of the PV products and MPPT algorithms in working conditions. In fact, many MPPT algorithms have been proposed. However, a rigorous method to compare their performances is still missing. The typical problem related to the evaluation of the number of PV system performances and MPPT algorithm comparison is the guarantee of the repeatability of the testing conditions (e.g. temperature and radiation). Just few works compare different algorithms or different PV panels at the same environmental conditions based on simulations only, without experimental evaluation. The challenges stem from the difficulties to duplicate the environmental conditions during the experimental evaluation. Very high costs and dimensions issues limit the use of artificial sun. It is very well known that the definition of current-voltage (I–V) and power-voltage (P–V) in different environmental conditions can characterize a solar cell, module or array; however, the knowledge of these curves is not sufficient to estimate the actual generated power of the panels in working condition. In fact, it is also necessary to recognize the employed MPPT algorithm. Therefore, an experimental testing system is necessary to have the capability of reproducibility in environmental conditions for comparing a number of algorithms and characterizing them by the ease of use. In this dissertation, a testing system for PV applications has been developed, characterized and designed according to some constraints. Flexibility and ease of use, low cost, capability to evaluate the characteristic curves of more than one PV panel simultaneously (same environmental conditions), capability of algorithms simulation, and capability of tracking MPP on the base of different MPPT algorithms are considered. Experimental test are carried out to validate the performance of the developed architecture of the PV testing systems. In addition, different MPPT algorithms have been compared in the same environmental conditions, testing steady state, dynamic and real-time behaviour.

Tra le risorse rinnovabili, l'energia da fonte fotovoltaica (FV) è considerata in molti stati il futuro dell'energia sostenibile. I sistemi FV stanno aumentando rapidamente nel settore della generazione e si prevede che questa crescita sia continua. Da una parte, si rileva un incremento dello sviluppo di nuovi componenti e dispositivi legati alla generazione fotovoltaica. Dall'altra, la reale potenza di picco dei campi FV installati è uno dei parametri importanti dal punto di vista dell'energia ottenibile. Molti sistemi di prova e algoritmi di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) sono stati sviluppati per individuare il punto di massima potenza (MPP). Un sistema di prova è usato per sviluppare il sistema, così come per la validazione della qualità della produzione fotovoltaica e degli algoritmi di MPPT nelle condizioni di lavoro. Infatti, sono stati proposti molti algoritmi di MPPT, ma un metodo rigoroso per confrontare le loro prestazioni è ancora mancante. Il problema tipico, legato alla valutazione del numero delle prestazioni di un sistema FV e alla comparazione degli algoritmi di MPPT, è la garanzia della ripetibilità delle condizioni di prova (ad esempio, temperatura e irraggiamento). Soltanto pochi lavori confrontano diversi algoritmi o pannelli fotovoltaici nelle stesse condizioni ambientali, basandosi solamente su simulazioni e senza verifiche di tipo sperimentale. La sfida ha origine dalle difficoltà di duplicare le condizioni ambientali in fase di valutazione sperimentale. Gli elevati costi e i problemi di dimensione limitano l'uso di un sole artificiale. È ben noto che la definizione delle caratteristiche corrente-tensione (I-V) e potenza-tensione (P-V) nelle diverse condizioni ambientali può caratterizzare una cella solare, un modulo o una stringa, ma, comunque, la conoscenza di queste curve non è sufficiente per stimare la reale potenza generata dai pannelli in condizioni di lavoro. Infatti, è necessario riconoscere anche l'algoritmo di MPPT impiegato. Pertanto, un sistema di prova sperimentale è necessario per avere la capacità della riproducibilità in condizioni ambientali, al fine di comparare e caratterizzare diversi algoritmi in termini di facilità di utilizzo. In questa tesi, è stato sviluppato, caratterizzato e progettato (in accordo con certi limiti) un sistema di prova per applicazioni fotovoltaiche. Sono stati considerati la versatilità, la facilità d'impiego, il basso costo e la capacità di valutare simultaneamente le curve caratteristiche di più pannelli FV (nelle stesse condizioni ambientali), di simulare gli algoritmi e di inseguire il MPP sulla base di diversi algoritmi di MPPT. Le prestazioni dell'architettura dei sistemi di prova sviluppata in questo lavoro sono state validate mediante prove sperimentali. In aggiunta, sono stati confrontati diversi algoritmi di MPPT nelle stesse condizioni ambientali, testandone il comportamento dinamico, a regime e in tempo reale.