“DESARROLLO DEL MODELO SIMPLIFICADO TGE-S1500 DE UN

TURBOGENERADOR EOLICO CON GENERADOR SINCRONO Y

CONVERTIDOR DE POTENCIA TOTAL DE 1.5 MW PARA EL

DISENO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL.”

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Proyecto Final Profesor: Bernardo Haro Martínez Alumna: Rubí García Hernández

21/08/14

Introducción

El desarrollo de un buen sistema de control para aerogeneradores puede lograrse gradualmente, siguiendo un proceso iterativo de mejora, hasta obtener el desempeño esperado. El proceso comienza con un sistema de control básico que se perfecciona poco a poco hasta obtener un sistema completo y de alto rendimiento. Para ello se necesitan buenas herramientas de diseño, programación y evaluación de las estrategias de control, las cuales deben formar un entorno de desarrollo adecuado para la depuración y maduración del sistema de control antes de su aplicación y puesta en servicio en el aerogenerador real. Por otra parte, un buen entorno de desarrollo de sistemas de control para aerogeneradores debe contar con un modelo dinámico del aerogenerador. Debido al ingreso reciente del IIE al área tecnológica de los aerogeneradores, no se cuenta aún con este modelo. Por lo tanto resulta indispensable desarrollar un modelo para la simulación de aerogeneradores con las características de la MEM, así como un esquema de control básico que sea el punto de partida para el desarrollo de los futuros sistemas de control de la MEM. El objetivo principal es el de Implementar un modelo simplificado de un turbogenerador eólico de 1.5 MW (TGES1500), de operación a velocidad variable, basado en un generador síncrono trifásico y un convertidor electrónico AC/DC/AC de potencia total. El modelo TGE-S1500 será programado utilizando el software Matlab/Simulink versión 7.8 en el sistema operativo Windows XP. Este modelo será utilizado en el diseño, desarrollo y evaluación de prototipos de los sistemas de control para la MEM. El presente escrito consta de 5 temas principales. La introducción que describe la justificación, la composición básica de la turbina eólica, el generador y su funcionamiento, el funcionamiento de un puente rectificador de diodos, el modelo y control del inversor de IGBT’S y unos diagramas con resultados en las pruebas mediante el programa virtual en bloques de MATLAB/Simulink..

TURBINA EOLICA.

La turbina eólica se conforma de un conjunto de elementos mecánicos que convierte la cantidad de movimiento del viento en un movimiento mecánico, regulando la velocidad y obteniendo el mayor punto de extracción del viento. Para que se realice esta conversión de energía debe incidir el viento sobre las aspas de la turbina, generando un movimiento rotatorio sobre el mecanismo, donde la salida llevara a una transmisión de engranes que multiplicará el movimiento.

Un generador eléctrico necesita alrededor de 1000 a 3000 revoluciones por minuto para entrar en funcionamiento dependiendo del diseño, para ello se incorpora una caja multiplicadora entre el generador y el conjunto de palas. La caja multiplicadora tiene la tarea de acoplar, las bajas velocidades de rotación del rotor y las altas velocidades del generador y soportar las amplias variaciones de la velocidad del viento. La caja multiplicadora no tiene como función cambiar la velocidad sino mantenerla constante aunque la turbina opere a distintas velocidades El modelo de la turbina eolica ha sido adquirido con el programa Matlab/Simulink R2009 (MathWorks 2009). El modelo de la turbina se encuentra en la libreria SimPowerSystems con subdirectorios “Application Libraries/Distributed Resources Library/Wind Generation”. El bloque que se utilizara para simular la turbina se denomina “Wind Turbine”

El modelo del bloque de transmisión se obtuvo de una turbina ya programada en Matlab/Simulink ubicado en la librería “SimPowerSystems/Distributed Resources Models/Wind Farm – Synchronous Generator and Full Scale Converter (Type 4) Detailed

Model”, dentro del bloque principal “Wind Turbine Type 4” se localiza el bloque de transmisión “Drive Train”.

GENERADOR

Los generadores síncronos son parte fundamental en las turbinas de viento ya que realizan las transformaciones de energía mecánica a energía eléctrica basándose en las leyes de la inducción electromagnética y se encuentran mayormente en los aerogeneradores autónomos y de gran tamaño. El generador es una máquina electromecánica que se utiliza para generar energía eléctrica en forma de corriente alterna. El generador síncrono está compuesto de un estator (inducido) y un rotor (inductor).El rotor es la parte que gira concéntricamente en la flecha del generador y se compone de un material ferro magnético que envuelve a una bobina llamada devanado del inductor. El inductor induce un voltaje en la parte fija. El estator es la parte montada alrededor del rotor y está compuesto también de un material ferro magnético envuelto de una serie de bobinas distribuidas a lo largo de su circunferencia.

La tasa de rotación de los campos magnéticos en un generador síncrono esta relacionada con la frecuencia eléctrica del estator por medio de la ecuación:

Dónde:

P: Número de Polos En una bobina con vueltas alrededor del campo magnético el voltaje inducido será:

Donde N es el número de espiras o vueltas en una bobina, es el flujo del generador, y es la velocidad angular del rotor. El voltaje interno generado depende de la tasa de rotación del eje y de la magnitud del flujo de campo. Siendo un sistema de 3 bobinas cada una con N vueltas alrededor del campo magnético del rotor, entonces los voltajes inducidos en cada una de ellas será igual en magnitud pero la diferencia de fase será de 120°.

La excitación en el rotor por corriente directa puede ser de dos tipos: • Sistema de excitación sin escobillas • Anillos rozantes y escobillas

El movimiento del rotor es producido por la turbina. La presencia del campo magnético se da por una corriente a través del enrollamiento de cobre, donde la corriente requerida para la excitación es de CD.

RECTIFICADOR El rectificador es un dispositivo que convierte un voltaje de entrada de corriente alterna (CA) a una corriente directa (CD) de salida, regulando el valor eficaz de la tensión y su desfase de acuerdo al diseño El rectificador trifásico controlado se compone de 6 interruptores de potencia denominados S1 a S6 con sus respectivos diodos. La diferencia entre el rectificador no controlado (puente de diodos) y el rectificador controlado es el control sobre el voltaje de salida. Donde la tensión de salida en el rectificador no controlado depende de la carga, mientras que en los controlados es posible regular esa tensión.

En este rectificador solo puede conducir un diodo a la vez en la mitad superior del puente (D1,D2 o D3) y otro diodo en la mitad inferior del puente (D4,D5 o D6). El diodo en estado de conducción de la parte superior tendrá su ánodo conectado a la tensión de fase de mayor valor en ese instante. El diodo en estado de conducción de la parte inferior tendrá su cátodo conectado a la tensión de fase de menor valor en ese instante. Los diodos en el mismo brazo no conducen para evitar un cortocircuito.

La obtención de los picos positivos o negativos (configuración Tipo P, usada en esta tesis) o negativos (Tipo N) únicamente a la salida del rectificador, se debe a que cada diodo conduce una tercera parte del tiempo, por lo que cada periodo es de pi/3.

MODELO Y CONTROL DEL INVERSOR CD-CA. El inversor u ondulador convierte un voltaje de entrada de corriente directa CD a una corriente alterna CA de salida, regulando la tensión y frecuencia de acuerdo al diseño. Para hacer posible esta conversión la entrada en dos fases se conecta con la sección del rectificador explicada anteriormente, mientras que la salida es descargada a un bus infinito, filtro o carga para recibir la corriente y voltaje transformados.

El inversor trifásico consta de 6 interruptores de potencia denominados S1 a S6 y de 6 diodos de libre circulación (D1 a D6). Está compuesto de 3 brazos el primero abarca (S1,S4) el segundo (S3,S6) y el ultimo (S5,S2).

El voltaje URS se obtiene de la conmutación de los interruptores S1, S2, S3 y S4 de la siguiente manera. Cuando S1 y S3 se encuentran cerrados, el voltaje URS

resultante es 0; esto también sucede cuando S2 y S4 se encuentran cerrados. Cuando S1 y S4 están cerrados URS es positivo (+Vs) y cuando S2 y S3 están cerrados URS es negativo (-Vs). El voltaje Ust se obtiene por la conmutación de los interruptores S3, S4, S5 y S6 de una manera análoga. El voltaje Utr también se obtiene de una manera análoga con los interruptores S1, S2, S5 y S6. Los voltajes obtenidos Urs, Ust y Utr forman un sistema de voltajes fase a fase trifásicos. Los diodos que se encuentran en paralelo a los interruptores limitan la tensión inversa.

Si se quiere mejorar el contenido de armónicos se usa la técnica de modulación por ancho de pulsos PWM (“Pulse Width Modulation”). En esta técnica el estado de las compuertas se establece mediante la interacción de dos señales, una señal senoidal de referencia (control o moduladora) y una señal triangular (portadora) que determina la frecuencia de conmutación de los interruptores. Para el caso con que se ilustra la operación del PWM la frecuencia de la señal triangular es de 540 Hz y de 60 Hz para el ciclo de las señales senoidales de referencia. Si en lugar de una señal triangular se emplea una señal en diente de sierra, que por lo general es más fácil de generar que la triangular, el resultado es prácticamente el mismo. Las comparaciones de la señal portadora y las señales de referencia determinan el estado abierto o cerrado de los interruptores. El estado de los interruptores S1, S4 se establece con la señal de referencia Va, los estados de S3, S4 se crean con Vb y los de S5, S2 con Vc. Para configurar el bloque en el SIMULINK se deben asignar los valores requeridos en la ventana de “Mask Parameters”, en la que se presenta una descripción de la operación del bloque y el conjunto de campos para configuración. Para que el modelo del inversor este formado por IGBT’s se debe seleccionar “IGBT / Diodes” en el campo “Power Electronic device”

En los aerogeneradores se requiere el control de las potencias activa (P) y reactiva (Q) para conectarlo al sistema eléctrico de potencia. Para lograr esto se requiere que el inversor CD-CA sea controlado mediante lazos internos de corriente y lazos externos de regulación de P y Q. Los lazos internos de corriente se establecen en términos de las componentes en cuadratura de las corrientes de salida del inversor. La determinación de las corrientes en cuadratura (Id, Iq) se realiza a partir de la medición de las corrientes trifásicas en la salida del inversor (Ia, Ib, Ic) y aplicando una transformación matemática que desacopla las variables (Transformación Park). La transformación de Park o transformación D-Q convierte las corrientes senoidales Ia, Ib, Ic variantes en el tiempo a las corrientes en cuadratura Id, Iq e I0 constantes en el tiempo. El vector de corrientes en cuadratura Idq0 se obtiene multiplicando el vector de corrientes trifásicas [Iabc] por la matriz de transformación de Park [T].

Regulador de Corrientes. El bloque regulador de corrientes (transformación de park) puede observarse, el vector de corrientes de entrada Iabc es introducido al bloque “abc_to_dq0

Transformation” obteniéndose un vector de corrientes Idq0 a la salida. El vector Idq0 (que contiene 3 señales) se introduce a un bloque selector que proporciona un vector con las señales Id e Iq únicamente, las cuales son separadas haciendo uso de un de multiplexor. Las señales Id e Iq son comparadas con las señales de referencia Id_ref e Iq_ref, respectivamente, para obtener los errores de regulación. Los errores son utilizados por los bloques controladores PI para producir las señales de control, las cuales son multiplexadas con una señal de valor 0 (V0). El vector obtenido será transformado de forma inversa con el bloque denotado “dq0_to_abc Transformation”, con lo cual se obtiene el vector de Voltajes Vabc a la salida del regulador de corrientes. Los bloques transformación abc to dq0 y dq0 to abc obtienen la entrada de seno y coseno del bloque “Virtual PLL”.

Para el control del diagrama anterior se usa el mecanismo de control por realimentación dónde los PID se integra de:

• - Acción proporcional (P) (estabiliza): es la acción que produce una señal proporcional a la desviación de la salida del proceso respecto al punto de consigna.

• - Acción integral (I): es la acción que produce una señal de control proporcional al tiempo que la salida del proceso ha sido diferente del punto de consigna.

• - Acción derivativa (D): es la acción que produce una señal de control proporcional a la velocidad con que la salida del proceso está cambiando respecto del punto de consigna.

A continuación se muestra el diagrama completo del aerogenerador con sistema de control.

A continuación se muestra el diagrama de bloques en SIMULINK.

Finalmente se muestran resultados al final del aerogenerador simulado.

Voltajes, corrientes, potencia activa y potencia reactiva después del filtro.

Potencias y referencias (P,Q) en los lazos externos.