Implementación de algoritmos de control para sistemas de riego fotovoltaico en autómatas programables

El empleo de generadores fotovoltaicos de alta potencia en sistemas de bombeo de agua para riego agrícola profesional es actualmente una realidad gracias a los avances e innovaciones que se han incorporado recientemente en los clásicos sistemas de bombeo fotovoltaico de baja potencia. Esto ha permitido disponer de sistemas de riego eficiente capaces de generar cero emisiones de gases de efecto invernadero y reducir los costes de la energía hasta en un 70% respecto a las fuentes convencionales, como la red eléctrica o los grupos diésel. El Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES - UPM) ha desarrollado las innovaciones tecnológicas necesarias para adaptar el bombeo fotovoltaico al riego de alta potencia. Parte de ellas han consistido en desarrollo de algoritmos de control necesarios para adaptar las peculiaridades de la energía fotovoltaica a los requerimientos de riego con motobombas, tales como los arranques y paradas controladas, el control del seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico, las protecciones contra depósito lleno y pozo vacío, y sobre todo la mitigación del efecto intermitente de la energía solar. Hasta la fecha, estos algoritmos se han implementado principalmente en el software interno que tienen algunos modelos de variador de frecuencia. Esto tiene la ventaja de que evita la necesidad de utilizar un controlador externo, abaratando y simplificando el sistema. Sin embargo, también presenta el inconveniente de que, en caso de avería del variador, la restitución del funcionamiento del sistema pasa por sustituir el variador averiado por uno del mismo modelo. Esto puede suponer un gran problema de fiabilidad si por falta de disponibilidad de equipos de la misma marca y modelo, el sistema debe estar parado durante un largo periodo de tiempo. Es el caso de instalaciones de riego fotovoltaico en países en desarrollo, donde este tipo de sistemas se encuentran normalmente en zonas remotas y descentralizadas, y donde la disponibilidad de repuestos es muy limitada. Como solución a esta problemática se plantea el uso de un controlador externo programable standard, de modo que, en caso de fallo del variador, este pueda sustituirse por otro de las mismas características, pero no necesariamente del mismo fabricante ni del mismo modelo, pudiendo así emplear un equipo de la marca disponible localmente, y con ello reducir drásticamente el tiempo medio de reparación del sistema, aumentando así la fiabilidad del sistema. En este contexto, este proyecto tiene como objetivo principal el diseño, implementación en laboratorio y validación de una serie de algoritmos básicos de control para riego fotovoltaico empleando un autómata programable externo, con la finalidad de sentar las bases para la implementación en sistemas reales en los que se necesite aumentar la fiabilidad del riego fotovoltaico dotando al sistema de la capacidad para trabajar con diferentes modelos de variadores de frecuencia. La implementación en laboratorio se realiza en el banco de pruebas de bombeo fotovoltaico que tiene el IES - UPM en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicaciones (ETSIST) del Campus-Sur de esta universidad, donde se realizan los ensayos de dichos algoritmos y su validación. Al final del documento se plantean varias líneas de futuro acordes con las líneas de trabajo de este proyecto, tales como el desarrollo de nuevos algoritmos de control o la implementación de dichos algoritmos en nuevos dispositivos. Abstract: The use of high-power photovoltaic generators in water pumping systems for professional agricultural irrigation is currently a reality thanks to the advances and innovations that have recently been incorporated into the classic low-power photovoltaic pumping systems. This has made it possible to have efficient irrigation systems capable of generating zero greenhouse gas emissions and reducing energy costs by up to 70% compared to conventional sources, such as the electricity grid or diesel groups. The Solar Energy Institute of the Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM) has developed the technological innovations necessary to adapt photovoltaic pumping to high-power irrigation. Part of them have consisted of developing the necessary control algorithms to adapt the peculiarities of photovoltaic energy to the irrigation requirements with motorized pumps, such as controlled starts and stops, the control of the monitoring of the maximum power point of the photovoltaic generator, the protections against full tank and empty well, and above all mitigation of the intermittent effect of solar energy. To date, these algorithms have been implemented primarily in the internal software of some AC drive models. This has the advantage that it avoids the need to use an external controller, making the system cheaper and simpler. However, it also has the drawback that, in the event of a drive failure, the restoration of system operation involves replacing the failed drive with one of the same model. This can be a major reliability problem if, due to the lack of availability of equipment of the same brand and model, the system must be stopped for a long period of time. This is the case of photovoltaic irrigation installations in developing countries, where this type of system is normally found in remote and decentralized areas, and where the availability of spare parts is very limited. As a solution to this problem, the use of a standard programmable external controller is proposed, so that, in the event of a drive failure, it can be replaced by another with the same characteristics, but not necessarily from the same manufacturer or the same model, thus being able to employ locally available brand equipment, thereby drastically reducing the mean time to repair the system, thus increasing the reliability of the system. In this context, this project's main objective is the design, laboratory implementation and validation of a series of basic control algorithms for photovoltaic irrigation using an external programmable controller, in order to lay the foundations for implementation in real systems in which that it is necessary to increase the reliability of photovoltaic irrigation by providing the system with the capacity to work with different models of frequency inverters. The implementation in the laboratory is carried out in the photovoltaic pumping test bench that the IES - UPM has in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicaciones (ETSIST) of Campus-Sur of this university, where the tests of said algorithms and its validation are carried out. At the end of the document, several lines of the future are proposed in accordance with the lines of work of this project, such as the development of new control algorithms or the implementation of said algorithms in new devices