1. Generalidades de la Energía Eólica 2 INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN AEROGENERADORES ESTADO DE LA...

Generalidades de la Energía Eólica

2

La presente tesina presenta la descripción de un sistema de generación eólica de menos de 1MW, compuesto por un generador síncrono de imanes permanentes, además del modelo dinámico de cada uno de los subsistemas que lo conforman para el estudio con la interconexión a la red.

La técnica de control empleada permite regular la velocidad mecánica del rotor respecto a la velocidad del viento incidente y de esta manera capturar la máxima potencia permitida.

INTRODUCCIÓN

TEORÍAAEROGENERADORES

MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

Evolución de los Aerogeneradores

3

AerogeneradorModerno

AerogeneradorDe Gedser

Primera Turbina Eólica TEORÍA

AEROGENERADORES

MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

Evolución de los Aerogeneradores

4


MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

FUENTE: EWEA European wind energy association, Wind Energy Factsheets, EWEA, 2010 .

Estado de la Tecnología Eólica

5

Potencia Eólica Acumulada por Región


MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

FUENTE: GWEC, Global Wind Energy Outlook, GWEC, 2010.

Desarrollo de la Tecnología Eólica

6

País Potencia eólica

(MW)

Porcentaje (%)

1. China 42287 21,8

2. USA 40180 20,7

3. Alemania 27214 14

4. España 20676 10,6

5. India 13065 6,7

6. Italia 5797 3

7. Francia 5660 2,9

8. Reino Unido 5204 2,7

9. Canadá 4009 2,1

10. Dinamarca 3752 1,9

Resto del mundo 26546 13,7

Total 194390 100,0

Top 10 Potencia Eólica Instalada


MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

FUENTE: GWEC, Global Wind Energy Outlook, GWEC, 2010.

Potencial Eólico en Ecuador

7

Fuente de Energía Tipo CentralPotencia

(MW)

Porcentaje

(%)

Renovable (39,5 %)

Hidráulica 2058,97 37,5

Biomasa 106,80 1,9

Eólica 2,40 0,04

Solar 0,02 0,0004

No Renovable (48,65 %) Térmica 2670,52 48,7

Interconexión (11,84 %) Interconexión 650,00 11,8

Total General 5488,71 100,00

Distribución Electricidad en Ecuador


MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

FUENTE: CONELEC, Estadística del sector eléctrico ecuatoriano año 2009, CONELEC, 2010, 42 p

Desarrollo de la Tecnología Eólica

8

OPORTUNIDADES EÓLICAS EN GALÁPAGOS

San Cristóbal 2,4 MW (en operación desde octubre del 2008)

Baltra 2,25 MW (proyectado hasta 12 MW)

OPORTUNIDADES EÓLICAS EN ECUADOR CONTINENTAL

Salinas (Imbabura) 15 MW (privado)

Huascachaca (Azuay) 30 MW (público)

Villonaco (Loja) 15 MW (privado)

Las Chinchas (Loja) 10 MW (privado)

Membrillo (Loja) 45 MW (privado)


MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

FUENTE: TECH4CDM, La energía eólica en Ecuador, TECH4CDM, 2008.

Fundamentos Teóricos Aerogeneradores

9

CLASIFICACIÓN1.EJE HORIZONTAL

2.EJE VERTICAL

SISTEMA DE VELOCIDAD

1.FIJA2.VARIABLE

1 2

1

MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

ECUADOR

GENERALIDADES

Fundamentos Teóricos Aerogeneradores

10

2

MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

GENERALIDADES

Componentes Aerogenerador

11

Representación puesta en paralelo de un Generador con la red

MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

ECUADOR

GENERALIDADES

Componentes Aerogenerador

12

Caja Multiplicadora

Palas

BujeEl generador sincrónico de imanes permanentes es una máquina AC magnetizada a través de imanes permanentes ubicados en el rotor, convirtiéndose el estator en el inducido. Siendo el campo creado por estos imanes, el flujo será constante y se trabajará en la zona lineal.

ROTOR GSIPMODELO

DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

GENERALIDADES

MODELAMIENTO DEL SISTEMA

MODELO DEL VIENTO

La velocidad del viento se calcula como la suma de dos componentes: la primera corresponde a un perfil de velocidad media que incide sobre el área del rotor y la segunda, denominada turbulencia, relacionada con las variaciones temporales que presenta la señal, siguiendo un comportamiento en frecuencia definido por el espectro de Kaimal.

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

CONTROL DEL SISTEMA

MODELO DEL VIENTO

REPRESENTACIÓN MATEMÁTICA TURBULENCIA

Espectro de TurbulenciaLa componente turbulenta de la velocidad del viento es caracterizada por la densidad del espectro de potencia

f Frecuencia (Hz)Lt Longitud de escala de la turbulencia (mt)z Altura de la torre (mt)σ Desviación estándar de la velocidad del vientoIt Intensidad de turbulenciavo Velocidad media del viento (mt/s)

CONCLUSIONES

CONTROL DEL SISTEMA

MODELO EQUIVALENTE DEL VIENTOModelo de Turbulencia en un referencial fijoPara simular una serie temporal de turbulencia con espectro Kaimal, se utiliza una función de transferencia en el domino de Laplace con la siguiente expresión que representa una densidad de espectral de potencia aproximada a la de Kaimal:

CONTROL DEL SISTEMA


MODELOAERODINÁMICO

La potencia mecánica obtenida del viento viene dada por la ecuación:

Donde ρ es la densidad del viento en kg/m3 para cálculos prácticos se considerará constante y con un valor de 1.2kg/m3; R es el radio, en metros, de la circunferencia que forman las palas al girar, siendo el área de barrido de la turbina; V es la velocidad del viento en m/s; Cp es el coeficiente de potencia cuyo máximo valor viene dado por el límite de Betz.

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

CONTROL DEL SISTEMA

MODELO AERODINÁMICO

COEFICIENTE DE POTENCIA

El coeficiente de potencia está en función de la relación de la velocidad de punta de pala λ y el ángulo de calaje β.

.

La relación de velocidad de punta de pala es un parámetro importante para determinar el punto de operación de la turbina eólica.


COEFICIENTE DE POTENCIA

La Figura muestra la familia de curvas de Cp versus λ para diferentes valores de β. El valor máximo de Cp se obtiene para β=0 y λ=8.2, el valor de en dicho punto se denomina λ óptimo . .

.

2

Tm

1

Pm

1/(1/(u(1)+0.08*u(2)) - 0.035/(u(2)^3 + 1))

lambdai

u(2)*R/u(1)

lambda

0.5*ro_aire*u(2)*(u(1)^3)*pi*(R^2)

Pm1

-1

Divide

c(1)*(c(2)/u(2)-c(3)*u(3)-c(4))*exp(-c(5)/u(2))+c(6)*u(1)

CP

3

beta

2

wm

1

Viento

MODELO EN SIMULINK

0 2 4 6 8 10

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5Cp() , const

Cp

0 10 20 30 40 50 60


ÁNGULO DE CALAJE

El ángulo de calaje β es el ángulo que forma la cuerda del perfil con la componente tangencial de la velocidad neta relativa al perfil.

.

1

Pitch (deg)0-pitch_max

1

Pitch_ref

El bloque con la rampa representa el límite de rapidez de cambio, el siguiente bloque representa el límite inferior y superior de valores de ángulo (0º-30º), y el siguiente bloque representa la función de transferencia de primer orden que tiene una constante de tiempo Tservo.

MODELO EN SIMULINK


MODELO MECÁNICO

En la Figura se ven las variables involucradas en el modelo a realizar. Los subíndices r y g representan valores del lado de la turbina y del generador respectivamente

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

CONTROL DEL SISTEMA

MODELO MECÁNICO

DESARROLLO MATEMÁTICO

El aerogenerador en estudio en esta tesina no incluye caja multiplicadora, por lo que h es 1, además se considerará un momento de inercia y coeficiente de fricción total J, y una velocidad mecánica wm equivalente resultando. .

.

MODELO MECÁNICO

MODELO EN SIMULINK

.


MODELO GSIP

El modelo del generador se realizará en el marco de referencia dq0, debido a que las ecuaciones resultantes en dicho marco son más fáciles al momento de realizar el control de la máquina ya que se puede regular por separado las potencias activas y reactivas y el punto de operación es continuo, no sinusoidal. En Figurase observan los ejes en el marco de referencia abc y dq.

TRANS. PARK

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

CONTROL DEL SISTEMA

MODELO GSIP


La siguiente ecuación representa las ecuaciones de fase del generador en forma vectorial. .

.

Donde Vabc es el vector de tensiones resultantes del generador, rs es una matriz que representa la resistencia equivalente del bobinado en cada fase, Iabc es el vector de corrientes en el estator y Ψabc es el vector flujo, el cual está compuesto por el flujo creado por los imanes permanentes ΨabcІM y por el flujo autoinducido ΨabcІL debido a las corrientes e inductancias en cada fase.

MODELO GSIP


Aplicando la matriz de transformación definida a continuación y su inversa a la ecuación de fase del generador se obtienen las ecuaciones referidas al eje dq, donde el tercer componente no se considera por ser nulo si el sistema se mantiene balanceado..

.

MODELO GSIP

MODELO EN SIMULINK

.

3

Te

2

m

1

i

s,c

iq,id

is

qd2abc

v q,v d

weiq,id

iq,id

Vab,Vbc

the

s,c

v q,v d

abc2qd

f(u)

Te

Selector

the Hall

Hall effect sensor

3

the 2

we

1

v

Hall

isabc

isabc

iqd

iqd

v qd

v qd

1

iq

-K-

lam/Lq

1/s

iq Sum1

-K-

R/Lq

Product1

-K-

Ld/Lq

-K-

1/Lq

3

id

2

we

1

vq

1

id

1/s

id Sum

-K-

R/Ld

Product

-K-

Lq/Ld

-K-

1/Ld

3

vd

2

we 1

iq

TRANSFORMADA DE PARK

MODELO EN SIMULINK

.

1

dq

cos

sin -1

2/3

-4*pi/3

-2*pi/3

2

abc

1

Theta

1

abc

cos

sin

cos

sin

cos

sin

-1

-1

-1

4*pi/3

2*pi/3

2

dq

1

Theta

abc a dq

dq a abc


MODELO CONVERTIDORES

Las ecuaciones que representan los convertidores varían ligeramente entre rectificador e inversor (de acuerdo al flujo de potencia). Los componentes principales de ambos convertidores son dispositivos de conmutación, específicamente los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBTs), los cuales serán accionados mediante la técnica de modulación PWM. Además la configuración de puente trifásico de conmutadores contiene diodos en antiparalelo, los cuales permiten la circulación de corriente en sentido inverso,

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

CONTROL DEL SISTEMA

MODELO CONVERTIDOR DE FRECUENCIA


La representación de un convertidor en el modelo de estados promedios está dada por las siguientes ecuaciones.

.

Donde msin(wt + θ) es la señal de control o moduladora de la fase a, las fases b y c tienen la misma amplitud pero se encuentran desfasadas 120º

INDICE MODUL.


ÍNDICE DE MODULACIÓN

El índice de modulación M (amplitud de las señales m de la Figura) representa la relación entre la amplitud de la señal de control , con la amplitud de la portadora . Al ser la amplitud de la señal portadora generalmente igual a 1, la amplitud de la señal moduladora es igual al índice de modulación.

.

1

G

>

>

>

NOT

NOT

NOT

1

m

1

m

2

2

V_ac

1

V_dc

PWM.


PWM

La generación de pulsos o disparos en las compuertas de los IGBT’s se la realiza mediante modulación PWM, como se ha mencionado anteriormente. Al tratarse de convertidores trifásicos de 6 pulsos (un pulso por cada IGBT), de tres ramas, con 2 IGBT’s por rama; y, considerando que los IGBT’s de la misma rama no pueden estar abiertos o cerrados al mismo tiempo, se necesitan pues, tres señales moduladoras, de igual amplitud pero desfasadas entre sí 120º y de frecuencia igual a la deseada que se compararán con una misma señal portadora, obteniendo tres pulsos, los cuales servirán para activar los IGBT’s superiores de cada rama. La negación de la comparación, generará pulsos que activarán a los IGBT’s inferiores..

.

1

G

>

>

>

NOT

NOT

NOT

1

m

MODELO RED.


MODELO RED

Para conectar el aerogenerador a la red se necesita de dos transformadores: uno para transformar de baja a media tensión y otro de media a alta tensión. El primero tiene una relación de transformación de 690V/13.8KV de 3MVA con una impedancia de cortocircuito equivalente a 10%, por ser transformador del lado de la generación. El segundo transformador será de 13.2KV a 67KV y una impedancia de cortocircuito de 7%. De 10MVA.

R_red+jX_red

R_red+jX_red

R_red+jX_red

3

vc_ inv

2

vb_ inv

1

va_ inv

ec_red

eb_red

ea_red

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

CONTROL DEL SISTEMA

MATEMÁTICO

Usando la transformada de park tenemos:

MODELO RED


La Figura anterior muestra el equivalente de la red vista desde los terminales de salida del inversor, donde Vx_inv representa el voltaje de la fase x a la salida del inversor, que será considerado en su valor promedio. De tal manera, la ecuación siguiente representa la red:.

.

SIMULINK

MODELO RED

MODELO EN SIMULINK

.

6

V_source

5

I_vsc

4

I_source

3

I_load

2

V_vsc

1

V_DClink

N

A

B

C

Vgrid

v+-

Vc1

v+-

Vc

v+-

Vb

v+-

Va

A

B

C

A

B

C

Transmition Line

3

Multimeter

A B C

Load

A

B

C

a

b

c

A

B

C

a

b

c

g

A

B

C

+

-

I GBTs

[pulses]

GotoI_vsc

V_source

I_source

[pulses]

From

A

B

C

A

B

C

Filter & Line

A

B

C

a

b

c

69kV:13.8kV

A

B

C

a

b

c

690:13.8kV

1

G

SubestaciónSubestación

CONTROL DEL SISTEMA

ESTRATEGIAS DE CONTROL

Como la entrada del sistema es la velocidad del viento, en función de esta variable se definen tres zonas de trabajo de tal modo que se aproveche de forma óptima la energía cinética del viento. Se definieron los siguientes rangos:

• Velocidades bajas (3 m/s < v > 8.71 m/s).• Velocidades intermedias (8.71 m/s < v > 9.94 m/s).• Velocidades altas (9.94 m/s < v > 25 m/s).

Para cada zona de trabajo se puntualiza una estrategia de control diferente tal como se detalla en la siguiente tabla:

Región del VientoVelocidad de giro

en el eje

Velocidades Bajas < < variable 0º

Velocidades Intermedias = < fija 0º

Velocidades Altas = = fija variableCONCLUSIONES

GENERALIDADES

MODELO DEL SISTEMA

Región Velocidades Bajas

Denominada como región de máxima extracción de potencia (MPPT) , el objetivo de control en esta zona de trabajo es extraer tanta energía del viento como sea posible ya que no se sobrepasan los valores nominales del sistema, por lo tanto se trabajará en el punto óptimo del aerogenerador.

Los valores óptimos del coeficiente de potencia y la velocidad lineal de punta de

pala para el caso de la aeroturbina estudiada, Cp(opt) =0.498, λ =8.2.

.

ESTRATEGIAS DE CONTROL

En esta zona la turbina eólica trabaja en un valor constante e igual a la velocidad mecánica nominal del generador sincrónico de imanes permanentes. En estas condiciones el objetivo de control del sistema es seguir aumentando el valor de potencia extraída, por medio del incremento del par desarrollado por la turbina, manteniendo la velocidad de rotación nominal, esto se debe a que en un sistema mecánico rotacional, la potencia es el producto del par mecánico y la velocidad angular .

.

Cuando el torque desarrollado por el generador alcanza su valor nominal, se ha cumplido con todas las limitaciones impuestas por el sistema, debido a que la velocidad del viento continúa incrementándose y esta es proporcional a la potencia mecánica, se debe restringir el crecimiento del valor de potencia por encima de su nominal, para ello se recurre al control del ángulo de calaje de las palas de tal forma que el par desarrollado de la turbina sea igual al torque nominal del generador, en estas condiciones el objetivo de control es mantener al sistema en su funcionamiento nominal.

VELOCIDADES INTERMEDIAS

VELOCIDADES ALTAS

SISTEMA DE CONTROL

.

SISTEMA DE CONTROL

.

LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE

2

iq

1

id

1

Lq.s+r

1

Ld.s+r

[w]

[id]

[iq]

[id]

[iq]

Ld

Lq

Ld

Lq

5

3w3

w

2

vq

1

vd

El controlador hallado tiene por constante kp=0.7835 y ki=786.2

SISTEMA DE CONTROL

.

Step Response

Time (sec)

Ampl

itude

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

System: Closed Loop r to yI/O: r to ySettling Time (sec): 0.00215

System: Closed Loop r to yI/O: r to yPeak amplitude >= 1Overshoot (%): 0At time (sec) > 0.004

102

103

104

105

106

-180

-90

0

90

180

270

P.M.: 74.9 degFreq: 1.28e+003 rad/sec

Frequency (rad/sec)

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

G.M.: 18.8 dBFreq: 8.42e+003 rad/secStable loop

Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1 (OL1)

-6 -4 -2 0 2

x 104

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

x 105 Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)

Real Axis

SINTONIZACIÓN LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE

SISTEMA DE CONTROL

.

LAZO DE CONTROL DE VELOCIDAD

El controlador hallado es un PI con los valores de kp=-1.71e4 y ki=-2803.

SISTEMA DE CONTROL

.

SINTONIZACIÓN LAZO DE CONTROL DE VELOCIDAD, BAJAS

10-3

10-2

10-1

100

101

-180

-135

-90

P.M.: 77.2 degFreq: 0.64 rad/sec

Frequency (rad/sec)

-40

-20

0

20

40

60

80

G.M.: InfFreq: NaNStable loop


-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)

Real Axis

Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

0 5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4


System: Closed Loop r to yI/O: r to yPeak amplitude: 1.12Overshoot (%): 12At time (sec): 6.49

El controlador hallado es un PI con los valores de kp=-1.294e4 y ki=1900.

SISTEMA DE CONTROL

.

SINTONIZACIÓN LAZO DE CONTROL DE VELOCIDAD, INTERMEDIAS

10-3

10-2

10-1

100

101

-180

-135

-90

P.M.: 75.6 degFreq: 0.489 rad/sec

Frequency (rad/sec)

-40

-20

0

20

40

60

80



-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)

Real Axis

Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

0 5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4


System: Closed Loop r to yI/O: r to yPeak amplitude: 1.13Overshoot (%): 12.8At time (sec): 8.16

El controlador hallado es un PI con los valores de kp=3.524 y ki=5.122e4.

SISTEMA DE CONTROL

.

SINTONIZACIÓN LAZO DE CONTROL DE VELOCIDAD, ALTAS

10-0.9

10-0.6

10-0.3

-90

-89.8

-89.6

-89.4

-89.2

-89

P.M.: 90 degFreq: 12.8 rad/sec

Frequency (rad/sec)

20

25

30

35

40

45



-25 -20 -15 -10 -5 0

-8

-6

-4

-2

0

2

x 10-7Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)

Real Axis

Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


System: Closed Loop r to yI/O: r to yPeak amplitude >= 0.998Overshoot (%): 0At time (sec) > 0.5

CONTROL DEL SISTEMA

CONTROL ÁNGULO DE CALAJE

El controlador hallado para el control de ángulo de calaje tiene las constantes kp=13.59 y ki=20.68. Tiene una respuesta rápida, puesto que es el lazo interno del control de velocidad angular en velocidades altas de viento. El sistema es estable y de primer orden.

Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


System: Closed Loop r to yI/O: r to yPeak amplitude >= 0.991Overshoot (%): 0At time (sec) > 0.5

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

MODELO DEL SISTEMA

CONTROL DEL SISTEMA

CONTROL VOLTAJE DC

La potencia del lado del generador se la va a considerar como una perturbación, además no es una variable de cambios significativos por tener relación con la potencia capturada del viento y el comportamiento dinámico lento del sistema mecánico. También se considera que el voltaje en los terminales del generador está ligeramente desfasado del voltaje en el lado de la red, el cual se usa como referencia y se considera constante.

Se realizará el control del voltaje en el enlace CC mediante la manipulación de las corrientes en el inversor. Para lograrlo hacemos un balance de potencias, despreciando las pérdidas en los convertidores, con lo cual obtenemos la ecuación

CONCLUSIONES

GENERALIDADES

MODELO DEL SISTEMA

El controlador hallado es un PI

con los valores de kp=-0.008632 y ki=-0.01977.

SISTEMA DE CONTROL

.

SINTONIZACIÓN LAZO DE CONTROL DE VOLTAJE DC

10-1

100

101

102

-180

-135

-90P.M.: 81.2 degFreq: 14.8 rad/sec

Frequency (rad/sec)

-20

0

20

40

60

80

G.M.: -Inf dBFreq: 0 rad/secStable loop


-15 -10 -5 0 5-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)

Real Axis

Step Response

Time (sec)

Am

plitu

de

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4System: Closed Loop r to yI/O: r to yPeak amplitude: 1.1Overshoot (%): 9.78At time (sec): 0.317


RESULTADOS

RESULTADOS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Tiempo [seg]

Ve

loci

da

d M

ecá

nic

a [r

ad

/se

g]

Control de Velocidad - Rango Velocidades Bajas (Viento = 5 m/seg)

WrWr(ref)

CONCLUSIONES

VELOCIDADES BAJAS

RESULTADOS

VELOCIDADES BAJAS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

4

6

8

10

12

14

16

18x 10

4

Tiempo [seg]

Pot

enci

a M

ecan

ica

[W]

Potencia Aerogenerador - Rango Velocidades Bajas (Viento = 5 m/seg)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

Tiempo [seg]

Cor

rient

e Iq

[A]

Corriente Iq - Rango Velocidades Bajas (Viento = 5 m/seg)

IQIQ(ref)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1x 10

6

Tiempo [seg]

Tor

que

[N.m

]

Torque Mecánico y Eléctrico - Rango de Velocidades Bajas (Viento = 5 m/seg)

Torque(Mec)Torque(Elec)

CONCLUSIONES

RESULTADOSVELOCIDADES INTERMEDIAS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 505

6

7

8

9

10

11

Tiempo [seg]

Velo

cid

ad [m

/seg]

Velocidad del Viento - Rango Velocidades Intermedias (Vpromedio = 9 m/seg)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

2.5

Tiempo [seg]

Velo

cidad M

ecá

nic

a [ra

d/s

eg]

Control de Velocidad - Rango de Velocidades Intermedias (Viento = 9 m/seg)

WrWr(ref)

CONCLUSIONES

RESULTADOSVELOCIDADES INTERMEDIAS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

Tiempo [seg]

Cor

rient

e Iq

[A]

Corriente Iq - Rango Velocidades Intermedias (Viento = 9 m/seg)

IQIQ(ref)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-10

-8

-6

-4

-2

0

2x 10

6

Tiempo [seg]

Torq

ue [N

.m]

Torque Mecánico y Eléctrico - Rango Velocidades Intermedias (Viento = 9 m/seg)

Torque(mec)Torque(elec)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

2

4

6

8

10

12x 10

5

Tiempo [seg]

Pote

ncia

Mecánic

a [W

]

Potencia Aerogenerador - Rango Velocidades Intermedias (Viento = 9 m/seg)

CONCLUSIONES

RESULTADOSVELOCIDADES ALTAS

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Tiempo (s)

Velo

cid

ad M

ecánic

a (

Rad/s

)

Control de Velocidad -Región Velocidades Altas

Wr

Wr(ref)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

5

10

15

20

25

30

35

Tiempo (s)

Beta

(gra

dos)

Control de Angulo de Calaje - Región Velocidades Altas

CONCLUSIONES

CONTROL DEL SISTEMA

CONTROL DEL LADO DE LA RED

La simulación de esta sección se realizó considerando como entrada la potencia “mecánica” del lado del generador, que fue representada como una fuente de corriente que tiene una variación de tipo escalón negativa en el segundo uno, por lo que se espera que en este tiempo ocurra variaciones en todas las variables

0 1 2 3 4 5 6 7-1500

-1000

-500

0

Tiempo [s]

Corr

iente

[A

]

Corriente Id

Id

Idref

CONCLUSIONES

RESULTADOSLADO DE LA RED

0 1 2 3 4 5 6 7-1000

-500

0

500

1000

1500Corriente Iq

Tiempo [s]

Corrie

nte [A

]

Iq

Iqref

0 1 2 3 4 5 6 71290

1295

1300

1305

1310

1315

1320

1325

1330

1335Control de Voltaje

Tiempo [s]

Voltaje

D

C (V

DC)

Vdc

Vdcref

CONCLUSIONES


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

4

Tiempo [s]

Voltaje

[V

]

Voltaje en PCC

0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

4

Tiempo [s]

Voltaje

[V

]

Voltaje en PCC

CONCLUSIONES


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Tiempo [s]

Corrie

nte [A

]

Corrientes en PCC

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

-60

-40

-20

0

20

40

60

Tiempo [s]

Corrie

nte [A

]

Corrientes en PCC

CONCLUSIONES


0 1 2 3 4 5 6 7-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5x 10

6

Tiempo [s]

Pote

ncia

[V

,VA

R]

Potencia Activa y Reactiva instantáneas

P

Q

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

Se podría simular una turbina eólica de 1MW, de 10MW de 100MW, etc, con el modelo planteado, siempre y cuando se trate de una que funcione a base de un generador síncrono de imanes permanentes, sin caja multiplicadora y realice un control del ángulo de calaje. Por la razón expuesta, a lo largo de la tesina, no nos enfocamos en los valores del aerogenador a simular, sino hasta el momento de diseñar los controladores y comprobar los resultados.

Los modelos desarrollados fueron implementados en Matlab-Simulink y se analizó la respuesta del lado del generador frente a las variaciones del viento, observando que los métodos de control para las diferentes zonas de funcionamiento fueron los adecuados. El lado de la red se estudió realizando variaciones en la potencia mecánica de entrada, representando de esta manera la variación que produciría el viento.


CONCLUSIONES

La simulación de una turbina eólica con el fin de analizarse la dinámica de los sistemas mecánicos y eléctricos es compleja. Por un lado, para obtener buenos resultados en la parte eléctrica se necesita un tiempo de muestreo pequeño (en el orden de la millonésima de segundo) y por otro lado la parte mecánica, por tratarse de transitorios muy lentos, almacenaría muchos datos, innecesarios datos, de continuar con el tiempo de muestreo pequeño y además el procesamiento de los datos por parte del Software simulador tomaría bastante tiempo. Por lo tanto, decidimos separar lo mecánico de lo eléctrico, y así poder simular con distintos tiempos de muestreo y observar la dinámica de los sistemas.


RECOMENDACIONES

Es muy importante para una simulación tener datos reales del sistema a representar, por lo que es recomendable, realizar nuevamente la simulación si se obtienen dichos datos y comprobar así los modelos de los componentes de la turbina.

Como se requiere que el software de simulación realice muchos cálculos, es conveniente realizar las simulaciones en una buena computadora con un buen procesador y escoger un adecuado tiempo de muestreo para obtener buenos resultados sin tener que esperar mucho tiempo y almacenar datos innecesarios en la memoria del software.

Para simular cualquier proceso o sistema es necesario entender muy bien las herramientas matemáticas empleadas, de lo contrario se obtendrán resultados no esperados.

1. Generalidades de la Energía Eólica 2 INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN AEROGENERADORES ESTADO DE LA...

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