UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERÍA INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

DESARROLLO DE UN EMULADOR DE TURBINAS PARA EL ACCIONAMIENTO DE GENERADORES ELÉCTRICOS

JAIME ARRIBAS BARBA MADRID, junio de 2006

Autorizada la entrega del proyecto al alumno:

Jaime Arribas Barba

LOS DIRECTORES DEL PROYECTO

Juan Luis Zamora Macho

Fdo:

Fecha:

Fidel Fernández Bernal

Fdo:

Fecha:

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

Tomás Gómez San Román

Fdo:

Fecha:

Resumen

iii

Resumen Introducción El presente proyecto nace con el objetivo de mejorar y simplificar los ensayos y estudios en el funcionamiento y control de generadores de energía eléctrica, en concreto, se ha trabajado en el modelo de un aerogenerador. Para ello se pretende diseñar y probar un simulador que permita someter a uno de estos generadores a cualquier situación de funcionamiento por medio de un control vectorial que accione un motor asíncrono. Asimismo, se han realizado diferentes ensayos en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI con el objetivo de obtener resultados importados de la realidad.

Solución planteada Se ha desarrollado una solución que utiliza la plataforma Simulink del programa Matlab como marco de trabajo. Se han diseñado distintos modelos tales como controles PI y se han integrado en un esquema que utiliza modelos previamente desarrollados como un control vectorial de modulación de ancho de pulso, un motor de inducción, una máquina de continua y un aerogenerador. El modelo del aerogenerador permite simular las condiciones externas reales tales como la velocidad del viento y su ángulo de ataque a los álabes. Este modelo proporciona una velocidad teórica de la turbina eólica que sirve de referencia para que un control vectorial actúe adecuadamente sobre un motor de inducción. El motor asíncrono está acoplado mecánicamente por medio de un eje a una máquina de continua que realiza la función de generador. Por último, este generador descarga la potencia sobre una resistencia de carga. Esquemáticamente, la solución se muestra en la Figura 1:

Resumen

iv

Figura 1. Esquema simplificado la solución adoptada

Ensayos realizados El presente proyecto continúa el PFC 2004/2005 de César Aguiar de título “Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos” en donde se planteaba una solución en la que un motor asíncrono es controlado en tensiónfrecuencia V/F. En este proyecto se ha reproducido el experimento final del año anterior utilizando el banco 4 del laboratorio de máquinas eléctricas. Durante el experimento se han capturado las variables más interesantes por medio de la tarjeta de adquisición de datos PCI 6024E y el sistema de tiempo real Real Time Windows Target de Matlab. Igualmente, se ha realizado el acoplamiento de un encoder incremental al eje del banco 4 del laboratorio de máquinas eléctricas, aunque finalmente no se ha utilizado. Por último se ha implantado y validado un algoritmo para la estimación de la velocidad de rotación de un motor de inducción. Utilizando los recursos anteriores de adquisición de datos en tiempo real, se capturaron dos tensiones y dos corrientes debidamente filtradas de un motor para conseguir unos resultados fiables.

Resultados En este proyecto se han obtenido resultados interesante al realizar las simulaciones en que se recrea un escenario real donde trabaja un aerogenerador. En ellas se partió de unas condiciones de viento determinadas y se observó el comportamiento que de los diferentes modelos desarrollados.

Resumen

v

A continuación se muestra cómo el motor de inducción se adapta a las condiciones de viento cuando se produce un escalón en su velocidad Figura 2: 0.49 0.48 0.47

w ref w sal

velocidad (pu)

0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.4

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 2. Evolución de la velocidad del motor asíncrono y la turbina eólica Una de las ventajas de utilizar un control electrónico mediante PWM es la disminución notable de armónicos en las corrientes del motor. En la Figura 3 se observa que el rizado de la intensidad del motor es mínima:

25 20

intensidad (A)

15 10 5 0 -5 -10 -15 17.67

17.675

17.68 tiempo (s)

17.685

17.69

Figura 3. Ampliación de la corriente de estator del motor de inducción También se obtuvieron resultados satisfactorios al ensayar el algoritmo de estimación de la velocidad. Se ensayó un motor de inducción obligándole a ajustar su velocidad a

Resumen

vi

una cadena de pulsos de periodo ocho segundos. En la Figura 4 se muestran la evolución de la velocidad estimada y medida con una dinamo:

velocidad (pu)

Velocidad capturada por la dinamo 0.4 0.3 0.2 0.1 2

4

6

8

10 12 14 tiempo (s) Velocidad estimada

16

18

20

2

4

6

8

16

18

20

velocidad (pu)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 12 tiempo (s)

14

Figura 4. Velocidad estimada del motor de inducción Se aprecia que ambas gráficas son muy parecidas aunque el estimador ofrece una señal con más ruido durante los transitorios de velocidad pero en cambio es muy fiable durante el régimen permanente.

Summary

vii

Summary

Introduction The objective of the present project is to improve and simplify the tests and studies in the operation and control of electrical generators. A wind turbine generator has been specifically tested. To achieve this purpose, a simulator has been designed and proved in order to test these generators under any situation of operation. In addition, some tests have been carried out in the laboratory of electrical machines of ICAI to obtain results from reality.

Solution raised The solution uses the Simulink platform of the program Matlab as work frame. Different models have been designed such as different PI controls and several models which had been previously developed were integrated into a diagram such as a space vector pulse width modulation (SVPWM), an induction motor, a DC machine and a wind turbine. The wind turbine model allows simulating real external conditions such as the wind speed and the blade pitch. This model calculates a theoretical speed which is used as a reference to control the asynchronous motor. This motor is connected to a DC machine that works as a generator. Finally, the power is discharged in an element. The solution is shown in this diagram Figura 5:

Summary

viii

Figura 5. Diagram of the solution

Tests The present project continues PFC 2004/2005 of César Aguiar which title was "Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos" where the solution used an asynchronous motor controlled keeping constant the relation voltagefrequency V/F and driving a DC machine. In the present project, its final experiment has been reproduced using bank 4 of the laboratory of electrical machines. During the experiment, several variables have been acquired using the data acquisition board PCI 6024E and the real time system based on Real Time Windows Target included in Matlab. It has also been made the connection of an incremental encoder to the axis of bank 4 of the laboratory of electrical machines. However, it has not been finally used in the project. Finally, an algorithm has been implanted and validated to estimate the rotor speed of an induction motor. Using the previous real time system, two filtered voltages and currents were acquired to obtain accurate results.

Results Some valuable results have been obtained with the simulations of the wind turbine under different situations of operation. In the next figure, it is shown how the induction motor adapts its speed to a step the wind conditions Figura 6:

Summary

ix

0.49 0.48 0.47

w ref w sal

velocidad (pu)

0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.4

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 6. Induction motor and wind turbine speed One of the advantages of using an electronic control with PWM is the decrease of the harmonics in the motor currents as it is shown in Figura 7:

25 20

intensidad (A)

15 10 5 0 -5 -10 -15 17.67

17.675

17.68 tiempo (s)

17.685

17.69

Figura 7. Enlargement of the estator current Some satisfactory results were obtained while testing the algorithm which estimates speed. The asynchronous motor was forced to adapt its speed to a chain of pulses with a

Summary

x

period of eight seconds. In Figura 8 it is shown the estimated rotor speed and the measured speed by a dynamo: Measured speed

speed (pu)

0.4 0.3 0.2 0.1 2

4

6

8

10 12 time (s) Estimated speed

2

4

6

8

14

16

18

20

14

16

18

20

speed (pu)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 12 time (s)

Figura 8. Speed estimation Both graphics are quite similar but the algorithm signal has some noise when estimating transitory conditions. However, it is reliable in permanent conditions.

Índice

xi

Índice 1 INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO .................................................... 2

1.1 Prólogo ................................................................................................................. 2 1.2 Motivación y estado del arte............................................................................. 4 1.3 Objetivos ............................................................................................................ 14 1.4 Metodología y recursos ................................................................................... 16 2 DESARROLLO DE LOS MODELOS ........................................................................................... 20

2.1 Emlulador de una turbina por medio de un control Tensión – Frecuencia (V/F) .............................................................................................. 20 2.1.1

Objetivos del PFC 2005

20

2.1.2

Descripción de la solución

20

2.1.3

Descripción de las tecnologías

23

2.1.3.1

Ordenador................................................................................................................................ 24

2.1.3.2

Actuador................................................................................................................................... 24

2.1.3.3

Generador ................................................................................................................................ 26

2.1.3.4

Otras herramientas:................................................................................................................. 28

2.1.4

Implantación

29

2.1.5

Protocolo de funcionamiento

30

2.1.5.1

Medidas de seguridad en Laboratorio. ................................................................................ 30

2.1.5.2

Listado del equipo necesario. ................................................................................................ 31

2.1.5.3

Montaje..................................................................................................................................... 32

2.2 Acoplamiento de un encoder incremental y conexión a la tarjeta. ........... 37 2.2.1

¿Qué es un encoder incremental?

37

2.2.2

Funcionamiento de un encoder

38

2.2.3

Elementos del acoplamiento al eje del encoder.

39

2.3 Control vectorial ............................................................................................... 41 2.3.1

Solución adoptada

41

2.3.2

Diseño del control vectorial

47

2.3.2.1

Diseño de los lazos de corriente ............................................................................................ 47

2.3.2.2

Diseño del lazo de velocidad................................................................................................. 52

2.3.3

Diseño de los lazos de corriente integrados en el lazo de velocidad

60

2.3.4

Diseño del PWM vectorial, inversor trifásico y motor de inducción.

63

2.3.5

Cálculo de la velocidad de deslizamiento y el correspondiente ángulo girado.

68

2.3.6

Control de la velocidad de un motor de inducción con un PWM vectorial.

69

2.3.7

Simulación completa de un aerogenerador

70

Índice

xii

2.4 Algoritmo de estimación de la velocidad ..................................................... 72 2.4.1

Concepto y descripción

72

2.4.2

Promedio de la velocidad del rotor

74

2.4.3

Bloque algoritmo de estimación de velocidad

76

2.4.4

Implantación en el laboratorio

76

3 RESULTADOS .................................................................................................................................. 80

3.1 Introducción ...................................................................................................... 80 3.2 Emlulador de una turbina por medio de un control Tensión – Frecuencia (V/F) .............................................................................................. 81 3.3 Acoplamiento de un encoder incremental y conexión a la tarjeta. ........... 85 3.4 Control vectorial ............................................................................................... 86 3.4.1

Resultados de los lazos de corriente

86

3.4.2

Resultados del lazo de velocidad

87

3.4.3

Resultados de los lazos de corriente dentro del lazo de velocidad.

89

3.4.4

Resultados del PWM vectorial (SVPWM).

93

3.4.5

Resultados del control de velocidad utilizando un control vectorial.

95

3.4.6

Resultados de la simulación completa de un aerogenerador.

100

3.4.6.1

Golpe de viento ..................................................................................................................... 101

3.4.6.2

Viento escalonado ................................................................................................................. 106

3.4.6.3

Viento racheado..................................................................................................................... 108

3.5 Algoritmo de estimación de velocidad. ...................................................... 110 3.5.1

Resultados controlando la velocidad con Simulink.

110

3.5.2

Resultados controlando la velocidad con un potenciómetro.

114

4 CONCLUSIONES........................................................................................................................... 117 5 BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................. 121 A ESQUEMAS DE SIMULACIÓN.................................................................................................. 125 B CÓDIGO .......................................................................................................................................... 135 C GLOSARIO...................................................................................................................................... 143

Introducción y planteamiento del proyecto

xiii

Índice de Figuras Figura 1. Esquema simplificado la solución adoptada........................................................................ iv Figura 2. Evolución de la velocidad del motor asíncrono y la turbina eólica ................................... v Figura 3. Ampliación de la corriente de estator del motor de inducción .......................................... v Figura 4. Velocidad estimada del motor de inducción ....................................................................... vi Figura 5. Diagram of the solution ........................................................................................................viii Figura 6. Induction motor and wind turbine speed ............................................................................ ix Figura 7. Enlargement of the estator current........................................................................................ ix Figura 8. Speed estimation ....................................................................................................................... x Figura 9. Esquema simplificado de la generación de energía eléctrica.............................................. 2 Figura 10. Evolución de la energía mundial consumida en función del desarrollo de los países y previsión hasta 2050........................................................................................................ 4 Figura 11. Esquema simplificado que muestra las sucesivas transformaciones de la energía hasta ser eléctrica ........................................................................................................................... 5 Figura 12. Relación entre la velocidad del viento en m/s y la potencia en W/m2 .......................... 7 Figura 13. Distribución weibull de la velocidad del viento................................................................. 7 Figura 14. Componentes principales de un aerogenerador................................................................. 8 Figura 15. Evolución de la potencia eólica instalada en España entre 1990 y 2004........................ 12 Figura 16. Esquema básico de una instalación de generación eléctrica ........................................... 16 Figura 17. Diagrama de bloques simplificado del objetivo a conseguir. ......................................... 18 Figura 18. Secuencia de sustitución de elementos reales por simulados......................................... 21 Figura 19. Diagrama descriptivo de la solución completa adoptada en el simulador del aerogenerador............................................................................................................................... 23 Figura 20. Fotografía del variador V/F Unidrive LV 3201 utilizado ............................................... 25 Figura 21. Fotografía del motor de inducción utilizado .................................................................... 26 Figura 22. Fotografía del motor de continua utilizado ...................................................................... 27 Figura 23. Fotografía de la dinamo acoplada al eje y las resistencias de cursor para tomar la medida del par ............................................................................................................................. 28 Figura 24. Esquema de simulación y adquisición utilizado .............................................................. 29 Figura 25. Conexionado de la máquina de inducción y conexionado del rotor ............................. 32 Figura 26. Variador y resistencia de carga ........................................................................................... 33 Figura 27. Conexionado de la máquina de continua .......................................................................... 33 Figura 28. Panel de control del variador .............................................................................................. 35 Figura 29. Esquema de conexión para realizar el experimento ........................................................ 36 Figura 30. Discos de un encoder............................................................................................................ 37 Figura 31. Disco de un encoder y forma de onda entregada............................................................. 38

Índice de Figuras

xiv

Figura 32. Placa de características del encoder ................................................................................... 39 Figura 33. Acoplamiento utilizado ....................................................................................................... 39 Figura 34. Conector utilizado que lleva las señales del encoder a la placa ..................................... 40 Figura 35. Casquillo para unir el acoplamiento y el eje ..................................................................... 40 Figura 36. Fotografía de la tarjeta.......................................................................................................... 40 Figura 37. Transformaciones de Clarke (abc→αβ o DQ) y Park (αβ o DQ→dq) utilizadas para el diseño del control vectorial............................................................................................ 41 Figura 38. Diagrama de bloques del lazo de control de corrientes .................................................. 42 Figura 39. Diagrama de bloques del lazo de control de velocidad................................................... 43 Figura 40. Sectores y posibles estados del vector tensión.................................................................. 44 Figura 41. Cálculo del vector tensión según el sector......................................................................... 45 Figura 42. Descomposición del vector intermedio situado en el sector I ........................................ 46 Figura 43. Inversor trifásico cuyos interruptores se controlan en el PWM vectorial ..................... 47 Figura 44. Circuito equivalente de una máquina de inducción en ejes dq...................................... 48 Figura 45. Lazo de corrientes del sistema estudiado.......................................................................... 51 Figura 46. Lazo de velocidad del sistema estudiado ......................................................................... 54 Figura 47. Evolución de un sistema general ........................................................................................ 57 Figura 48. Evolución de la velocidad del motor de inducción.......................................................... 57 Figura 49. Evolución de la velocidad filtrada del motor de inducción............................................ 58 Figura 50. Curva que muestra la relación entre el flujo del rotor y la velocidad mecánica de rotación.......................................................................................................................................... 61 Figura 51. Lazo de velocidad simplificado en el que están integrados los lazos de velocidad .... 62 Figura 52. Modelo de simulación completo en el que los lazos de corrientes están integrados en el lazo de velocidad ................................................................................................................ 63 Figura 53. Bloque usado en Simulink para la modulación de ancho de pulso vectorial............... 64 Figura 54. Bloque usado en Simulink para calcular las señales de disparo del inversor .............. 65 Figura 55. Bloque usado en Simulink que simula un inversor trifásico ideal................................. 65 Figura 56. Bloques usados en Simulink que simulan el funcionamiento de un motor de inducción en cuyo eje se ha acoplado una carga resistente.................................................... 66 Figura 57. Bloque utilizado para calcular el seno y coseno de ángulos ........................................... 66 Figura 58. Bloques utilizados en Simulink para realizar las transformaciones de Park y Clarke............................................................................................................................................. 67 Figura 59. Esquema utilizado en la simulación que representa el control vectorial, un motor de inducción y una carga ............................................................................................................ 68 Figura 60. Algoritmo para calcular el ángulo entre el flujo de rotor y la fase R ............................. 69 Figura 61. Esquema simplificado del control de velocidad............................................................... 70 Figura 62. Esquema simplificado del aerogenerador ......................................................................... 71 Figura 63. Esquema completo de simulación ...................................................................................... 71

Introducción y planteamiento del proyecto

xv

Figura 64. Circuito equivalente de una máquina de inducción en ejes dq...................................... 72 Figura 65. Bloque algoritmo de estimación de velocidad.................................................................. 76 Figura 66. Filtro RC utilizado para eliminar el ruido ......................................................................... 77 Figura 67. Filtro utilizado para eliminar el ruido ............................................................................... 78 Figura 68. Evolución de la velocidad del rotor en rpm a lo largo del tiempo................................. 81 Figura 69. Evolución de la velocidad del rotor en rad/s ................................................................... 82 Figura 70. Evolución de la corriente de la máquina de continua en amperios ............................... 83 Figura 71. Evolución de par de la máquina de continua en Nm ...................................................... 84 Figura 72. Detalle del acoplamiento del encoder al eje del motor.................................................... 85 Figura 73. Montaje completo del acoplamiento del encoder al eje del motor................................. 85 Figura 74. Lazo de corrientes del sistema estudiado.......................................................................... 86 Figura 75. Evolución de la intensidad en el lazo de corriente........................................................... 87 Figura 76. Lazo de velocidad del sistema estudiado ......................................................................... 88 Figura 77. Evolución de la velocidad de rotación ............................................................................... 88 Figura 78. Modelo de simulación completo en el que los lazos de corrientes están integrados en el lazo de velocidad ................................................................................................................ 89 Figura 79. Evolución de la velocidad y escalón de referencia........................................................... 90 Figura 80. Evolución de la intensidad de estator en eje d.................................................................. 91 Figura 81. Evolución de la intensidad de estator en eje q.................................................................. 91 Figura 82. Evolución de la tensión usd................................................................................................. 92 Figura 83. Evolución de la tensión usq................................................................................................. 92 Figura 84. Esquema utilizado en la simulación que representa el control vectorial, un motor de inducción y una carga ............................................................................................................ 93 Figura 85. Alimentación al motor de inducción.................................................................................. 94 Figura 86. Ampliación de la alimentación al motor de inducción.................................................... 94 Figura 87. Espectro en frecuencia de la alimentación del motor de inducción............................... 95 Figura 88. Esquema simplificado del control de velocidad............................................................... 95 Figura 89. Evolución de la velocidad del motor de inducción.......................................................... 96 Figura 90. Evolución de la intensidad isd ............................................................................................ 97 Figura 91. Ampliación de la intensidad isd ......................................................................................... 97 Figura 92. Evolución de la intensidad isq y ampliación de la misma .............................................. 98 Figura 93. Ampliación de la intensidad isq ......................................................................................... 98 Figura 94. Evolución de la intensidad de estator iSr .......................................................................... 99 Figura 95. Detalle de la evolución de la intensidad de estator iSr.................................................... 99 Figura 96. Esquema completo de simulación .................................................................................... 100 Figura 97. Escalón de viento ................................................................................................................ 101 Figura 98. Evolución de la velocidad de rotación de la turbina...................................................... 101 Figura 99. Evolución de la velocidad de rotación de la turbina y del motor de inducción ........ 102

Índice de Figuras

xvi

Figura 100. Evolución de la corriente isd a lo largo del tiempo...................................................... 103 Figura 101. Evolución de la corriente isq a lo largo del tiempo ...................................................... 103 Figura 102. Evolución de la corriente del estator del motor de inducción .................................... 104 Figura 103. Ampliación de la corriente de estator del motor .......................................................... 104 Figura 104. Tensión de alimentación al motor de inducción........................................................... 105 Figura 105. Ampliación de la tensión de alimentación del motor .................................................. 105 Figura 106. Potencia entregada por el generador ............................................................................. 106 Figura 107. Sucesión de escalones de viento ..................................................................................... 106 Figura 108. Evolución de la velocidad de la turbina eólica ante viento escalonado .................... 107 Figura 109. Evolución de la velocidad de la turbina eólica y del motor........................................ 107 Figura 110. Viento racheado ................................................................................................................ 108 Figura 111. Evolución de la velocidad de la turbina eólica ante viento racheado........................ 108 Figura 112. Evolución de la velocidad de la turbina eólica y del motor de inducción ................ 109 Figura 113. Tensiones filtradas VSrs y VSst....................................................................................... 110 Figura 114. Corrientes filtradas iSr e iSs............................................................................................. 111 Figura 115. Ampliación de las tensiones filtradas VSrs y VSst ....................................................... 111 Figura 116. Ampliación de las corrientes filtradas iSr e iSs............................................................. 112 Figura 117. Velocidad capturada por la dinamo y estimada........................................................... 112 Figura 118. Error de la velociad estimada......................................................................................... 113 Figura 119. Velocidad medida y estimada......................................................................................... 114 Figura 120. Error en la medida ............................................................................................................ 115

Índice de Tablas

xvii

Índice de Tablas Tabla 1. Componentes principales de un aerogenerador y funcionamiento. ................................... 9 Tabla 2. Ventajas de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías convencionales ............................................................................................................................. 10 Tabla 3. Inconvenientes de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías. . 11 Tabla 4. Clasificación de los aerogeneradores en función de la potencia e imágenes. .................. 13 Tabla 5. Características del variador V/F. ........................................................................................... 25 Tabla 6. Características de la máquina de inducción. ........................................................................ 26 Tabla 7. Características de la máquina de continua............................................................................ 27

1 Introducción y planteamiento del proyecto

1 Introducción y planteamiento del proyecto

1

2

Introducción y planteamiento del proyecto

1.1

Prólogo

El presente proyecto nace de la idea de mejorar y simplificar los estudios en el funcionamiento y control de generadores de energía eléctrica. Para ello se pretende completar el proyecto fin de carrera de César Aguiar del año 2005 y desarrollar nuevos conceptos. Normalmente, cuando se precisa realizar estudios o ensayos en plantas de generación, se suelen utilizar las propias instalaciones o se estudian y prueban por separado el funcionamiento de dichos generadores, lo cual puede obligar a detener la producción de energía eléctrica durante varios días con la consecuente penalización económica. El proyecto plantea el desarrollo de un simulador que permita someter al generador, en laboratorio, a las mismas condiciones que tendría en caso de estar en uno de sus escenarios de generación típicos. En el caso que concierne a este proyecto se propone la simulación de una turbina en un aerogenerador. Para ello se ha utilizado un modelo dinámico de la turbina, que programado y controlado por un ordenador permite recrear las condiciones a las que se enfrentaría de estar funcionando en un parque eólico real. El modelo típico de una instalación de energía eléctrica que usen generadores eléctricos (todos excepto la energía fotovoltaica) responde de manera simplificada al esquema mostrado en la Figura 9:

Figura 9. Esquema simplificado de la generación de energía eléctrica.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

3

En materia de generadores eólicos, la velocidad de rotación de las palas de un aerogenerador depende de dos variables fundamentales: la velocidad del viento y el ángulo de ataque de los álabes (en inglés Pitch angle). Se dispondrá de un control cuya función será calcular las referencias necesarias para que un actuador simule físicamente el funcionamiento de la turbina eólica. Finalmente, accionará mecánicamente un generador eléctrico por medio de un eje. Inicialmente se pensó en utilizar variador tensión-frecuencia (V/F) modificado para que trabajase con un control vectorial, pero esta opción tuvo que ser desechada ya que dicho variador se averió desafortunadamente. Originariamente, este variador excitaría un motor asíncrono controlado por medio de un sistema en lazo cerrado con varios controles proporcionales integrales (control PI). Tal y como ocurre en un parque real, si la carga varía con el tiempo, el sistema se debe regular automáticamente para adaptarse a los cambios que puedan darse en las condiciones externas. De este modo incrementará o disminuirá la potencia entregada al generador hasta conseguir en un tiempo razonablemente corto un régimen estable. Todo el desarrollo e implantación se ha realizado utilizando un banco de máquinas eléctricas en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI. También se ha requerido un ordenador con una tarjeta de adquisición de datos para gobernar el sistema en tiempo real y en un principio un actuador V/F modificado como ya se ha comentado. En los capítulos siguientes se irán comentando cada una de las partes que se han desarrollado en esta breve introducción con más detalle, así como la justificación de cada una de las soluciones adoptadas. Se incluye asimismo un glosario para facilitar la comprensión de cada uno de los capítulos y una recopilación de los esquemas de simulación utilizados.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

1.2

4

Motivación y estado del arte

Durante el transcurso de la historia, el hombre ha utilizado diversos tipos de energía para desarrollar sus actividades: hidráulica, mecánica, térmica, etc. Pronto se percató de las limitaciones de esto tipo de energías, su transporte era una tarea casi imposible y en el mejor de los casos ineficiente. Por esto, cuando se empezó a utilizar la energía eléctrica, su expansión hasta nuestros días ha sido vertiginosa. El consumo de energía eléctrica crece cada año en el mundo como se muestra en la Figura 10. Los países desarrollados demandan cada vez más energía para todo tipo de actividades por lo que la humanidad debe usarla con más eficiencia. Por otra parte, hay que ser consciente de que el mundo en vías de desarrollo necesita más energía para afrontar sus necesidades más acuciantes. El reto con que se enfrenta la humanidad es satisfacer la creciente demanda de energía y, al mismo tiempo, afrontar la amenaza igualmente urgente del cambio climático.

Figura 10. Evolución de la energía mundial consumida en función del desarrollo de los países y previsión hasta 2050. El éxito de esta energía se debe a una serie de ventajas que a continuación se citan: •

Facilidad de transporte: es relativamente sencillo conducir la electricidad por medio de líneas eléctricas desde los centros de generación a centros de consumo, pudiendo estar separados por miles de kilómetros.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

•

5

Reducción de pérdidas: las pérdidas en el transporte son pequeñas si las comparamos con otras formas de energía.

•

Limpia: en los centros de consumo, su huella es inapreciable, aunque no podemos decir lo mismo de las plantas de generación.

Hasta hace unas décadas, las únicas fuentes que utilizó el ser humano para producir energía eléctrica fueron el petróleo, el carbón y el gas. Estos combustibles primarios son limitados y generan una contaminación que a la larga puede provocar el cambio climático, o al menos acelerarlo. Las economías actuales tienen una gran dependencia de la electricidad de modo que es inconcebible la sociedad individual sin consumo de energía eléctrica. Es tal su importancia que el consumo de energía se ha convertido en un indicador indiscutible del nivel de desarrollo de un país. El modo en que se produce energía eléctrica es básicamente el mismo para todas las tecnologías excepto la fotovoltaica. Se convierte una energía natural como un salto de agua o un combustible en energía mecánica lineal, ésta en una energía mecánica rotativa por medio de una turbina, y finalmente se transforma en energía eléctrica en generadores síncronos o asíncronos. Un esquema simplificado se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Esquema simplificado que muestra las sucesivas transformaciones de la energía hasta ser eléctrica Así, en una central térmica ya sea nuclear o convencional se produce un intercambio de energía térmica en las calderas y posteriormente cinética en las turbinas. En una central hidroeléctrica es la energía cinética del agua la que al impactar sobre los álabes de la turbina genera el par necesario para generar electricidad. En el caso de los aerogeneradores utilizan la fuerza del viento para mover las palas del molino.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

6

El creciente consumo de energía en la sociedad obliga a desarrollar nuevas tecnologías para hacer frente a la demanda. En los últimos años, las tecnologías llamadas renovables han experimentado un gran impulso principalmente por la conciencia ecológica de las sociedades y las primas otorgadas por el gobierno. En el caso que nos ocupa, la instalación a estudiar será un generador eólico que intercambia energía cinética entre el viento y la turbina eólica. De este modo el generador dispondrá de una energía mecánica de rotación para producir electricidad. La tecnología usada en la práctica se detallará a continuación. La energía eólica es aprovechada básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que le atraviesa el viento. A continuación se expondrán a grandes rasgos una serie de parámetros acerca de la tecnología necesaria para entender la generación eólica. Un aerogenerador aprovecha la potencia del viento, que depende principalmente de tres factores: 1. Área barrida por el viento (A) [m] 2. Densidad del aire seco (ρ) = 1.225 [kg/m3] (kilogramos por metro cúbico, a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 15° C). 3. Velocidad del viento (V_viento) [m/s] La potencia teórica que puede utilizar un generador eólico es la que se muestra en la siguiente ecuación. P=

1 ρ AV 3 2

La velocidad del viento es un factor muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: el total de energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento. Así, si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será 23 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor. A continuación se muestra una gráfica donde se observa como varía la potencia entregada a la turbina con la velocidad media del viento Figura 12:

(1)

1 Introducción y planteamiento del proyecto

7

Figura 12. Relación entre la velocidad del viento en m/s y la potencia en W/m2 Resulta obvio que el viento no siempre se mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull como la que muestra la Figura 13.

Figura 13. Distribución weibull de la velocidad del viento Por esta razón será necesario un sistema que regule la potencia entregada por el viento, de modo que según las necesidades del momento se modifiquen variables como el ángulo de ataque o la orientación del molino para aumentar o disminuir la energía intercambiada. Desafortunadamente, no toda la potencia del viento puede ser capturada por un aerogenerador sino sólo una fracción que viene dada por el factor Cp, llamado coeficiente de potencia. Este coeficiente de potencia tiene un valor máximo teórico de

1 Introducción y planteamiento del proyecto

8

59,3% denominado límite de Betz. Por lo tanto este coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento. Los primeros aerogeneradores tenían rendimientos del 10%, pero los más modernos utilizan sistemas de control de manera que operan siempre con la máxima eficiencia aerodinámica alcanzando valores de rendimiento próximos al 50%. El número de palas utilizado normalmente suele ser de tres. Idealmente, se obtendría mayor rendimiento cuanto menor número de palas, por lo que un aerogenerador de una sola pala sería el más adecuado, sin embargo, su par de arranque sería muy pobre. Si se aumenta el número de álabes, la estela que deja una pala es recogida por la pala siguiente, lo que hace que ésta se frene. De esta manera, se adopta una solución óptima de rotor de 3 palas. En la siguiente tabla se describirán brevemente los componentes fundamentales de un aerogenerador real como el de la Figura 14 sin entrar en detalle:

Figura 14. Componentes principales de un aerogenerador.

Góndola

Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede acceder a la góndola desde la torre de la turbina

Palas

del Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. Cada pala

rotor

puede medir más de 20 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión

1 Introducción y planteamiento del proyecto

9

El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del

Buje

aerogenerador

Eje de baja Conecta el buje del rotor al multiplicador. El rotor gira normalmente velocidad

muy lento, de unas 15 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.)

Multiplicador

Permite que el eje de alta velocidad que está aguas abajo gire unas 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad

Eje

alta Gira

de

aproximadamente

a

1.500

r.p.m.

lo

que

permite

el

velocidad

funcionamiento de un generador eléctrico de dos pares de polos

Generador

Suele ser un generador asíncrono. En los aerogeneradores modernos la

eléctrico

potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 Kw

Controlador

Ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del

electrónico

aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación

de Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador

Unidad

refrigeración

eléctrico

Torre

Soporta la góndola y el rotor. Es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Suele alcanzar una altura de 40 a 60 metros

Mecanismo de Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del orientación

viento utilizando la veleta

Anemómetro y Las señales electrónicas del anemómetro son para conectar el veleta

aerogenerador cuando el viento alcanza 5 m/s. y desconectarlo si excede de 25 m/s Tabla 1. Componentes principales de un aerogenerador y funcionamiento.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

10

La tecnología eólica se ha desarrollado en los últimos años a pasos agigantados gracias a las primas que recibe de los gobiernos y a una serie de ventajas frente a otra serie de fuentes energéticas convencionales. A continuación se enumeraran esas ventajas y los inconvenientes de la utilización del viento como energía primaria.

Ventajas Procede indirectamente del sol, que calienta el aire y ocasiona el viento. Se renueva de forma continua. Es inagotable. Los recursos energéticos basados en fuentes renovables como la energía eólica son potencialmente ilimitados. Es limpia. No contamina. La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, no contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. Cada Kw.h de electricidad, generada por energía eólica en lugar de carbón, evita la emisión de un Kilogramo de dióxido de carbono, CO2, a la atmósfera. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. Es autóctona y universal. Existe en todo el mundo. Cada vez es más barata conforme avanza la tecnología. Permite el desarrollo sin expoliar la naturaleza. Las instalaciones son fácilmente reversibles. No deja huella. Tabla 2. Ventajas de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías convencionales

1 Introducción y planteamiento del proyecto

11

Inconvenientes La fuerza del viento es poco previsible e intermitente. Las fechas con mayor consumo energético (días de mucho calor o intenso frío) suele coincidir con la ausencia de viento por lo que se requieren energías alternativas que cubran la demanda. Sus limitaciones técnicas hacen de esta tecnología una fuente de generación eléctrica carente de fiabilidad para operar como base en un sistema de generación. Los sistemas de generación, requieren la utilización de grandes superficies de terreno, al que de uno u otro modo afectan tanto funcional como visualmente. Los vientos de mejor calidad energética (mayor potencia y menor variación) están por regla general alejados de la superficie, lo cual obliga a desarrollar torres de gran altura con palas de grandes diámetros. Tabla 3. Inconvenientes de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías. Debido al gran auge experimentado en las energías renovables cada vez es más frecuente el estudio y desarrollo de sus tecnologías. El estudio de las estrategias de control se hace cada vez más importante a la hora de mejorar el funcionamiento de las turbinas para hacer frente a problemas como el encendido o apagado, conexión o desacoplo, etc. Este proyecto pretende resolver el problema del estudio en laboratorio de los generadores, emulando en un entorno virtual la instalación que permite adquirir de una u otra manera energía transformándola en energía cinética que utilice el generador. La idea es conseguir montar el generador de energía eléctrica en un laboratorio sin necesidad de disponer del resto de la instalación. De esta forma será un generador el que simule el entorno restante para poder en un futuro realizar pruebas en dichos generadores en condiciones en las que de otra forma sería difícil de realizar.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

12

El proyecto se centra en generadores eólicos aunque es sencillo caer en la cuenta de que si se consigue simular dicho entorno, el resto de entornos de generación, ya sea turbinas utilizadas en generadores hidráulicos o térmicos, serían relativamente sencillos de conseguir. El desarrollo tecnológico sobre esta materia es continuo, y como dato de ello es el constante incremento de la potencia producida gracias a la energía del viento a lo largo de los últimos años en la Figura 15 se muestra la evolución de la potencia eólica instalada en España hasta el año 2004. Se prevé que la siga aumentando su importancia según pasan los años.

Figura 15. Evolución de la potencia eólica instalada en España entre 1990 y 2004 Por último, se va a presentar una clasificación de las diferentes tecnologías existentes en la actualidad en función de la potencia desarrollada. En ella se expondrán brevemente sus características más relevantes.

1 Introducción y planteamiento del proyecto

Pequeña

13

Superficie captación menor de 40m2

potencia Diámetro de rotor inferior a 7m P d',q' Vc Vcond

Gen. Pulsos

s1

s1

s2

s2 Inversor

s3

s3

Gen_conmutación

Vc

Un

Trifásico Vn (ideal)

vcond

Wn

inversor_Uf PWM_Vectorial_lh

sqrt(2)*U_base Vcond

0 rotor n_rpm

VSrs VSst VStr

a b Terminator4

cos

iRr Terminator2

iRs

teta

ángulo w

w

Gain

SIN cos COS d/2 sen_X*d

ids

q

iqs

a,b -> d,q1

Terminator3

iRt Terminator5

VRtr n_rpm

Tem

par_mot

Carga

th_mec Terminator1

sen

d

a,b -> d,q sen (a+b+c = 0)

iSt

Motor VRrs Inducción (mod. din.) VRst

iSr iSs

par_res

Motor_asíncrono_(a)

Carga Motora

Par_resis

Terminator6

cos_X*d Terminator7

Sen, Cos, Comp_teta

Figura 59. Esquema utilizado en la simulación que representa el control vectorial, un motor de inducción y una carga

2.3.5

Cálculo de la velocidad de deslizamiento y el correspondiente ángulo girado.

El control vectorial requiere conocer el ángulo que forman el flujo del rotor y la fase R de la alimentación en todo momento para realizar las transformaciones de Park y Clarke. Por ello en este apartado se expondrá cómo se ha procedido para calcular la velocidad de deslizamiento del motor de inducción para posteriormente calcular el ángulo girado por el eje. Se ha utilizado un algoritmo sencillo para el cálculo de la velocidad de deslizamiento, típicamente usado en control vectorial indirecto. Utilizando las variables flujo del rotor y corriente de estator en eje q y una ganancia se calcula ωdes como se muestra a continuación: ref ωdes =

* Rr ⋅ Lm isq ⋅ * Lr λR

A partir de aquí, se calcula el ángulo correspondiente a la velocidad de deslizamiento con una simple integración. El ángulo que se quiere calcular es la suma del ángulo girado por el eje y aquel ángulo que corresponde a la velocidad de deslizamiento del motor. Por lo tanto el ángulo del flujo del rotor se puede calcular como se muestra en la Figura 60:

(62)

w

2 Desarrollo de los modelos

69

w_desliz

2 isq* 1

Rr*Lm/Lr

w_red

1

theta_des 1

s

theta_ref

flujo_r* theta_mec 3

P

theta_mec

Figura 60. Algoritmo para calcular el ángulo entre el flujo de rotor y la fase R Hay que recordar que este ángulo calculado es eléctrico por lo que es necesario convertir las magnitudes mecánicas a eléctricas multiplicando por el número de polos, en este caso 2. En una futura implantación en el banco de máquinas eléctricas, el ángulo mecánico se importará por medio del encoder y la tarjeta de adquisición de datos.

2.3.6

Control de la velocidad de un motor de inducción con un PWM vectorial.

En todos los apartados anteriores se han explicado los pasos seguidos para desarrollar un control de velocidad con un PWM vectorial, los conceptos, los controles y el método seguido para calcular todos los parámetros necesarios. Una vez se ha comprobado que los esquemas anteriores funcionan correctamente de acuerdo con los diseños, se ha procedido a integrarlos todos en un esquema de simulación mayor. Con esto se pretende conseguir un sistema en el que proporcionando una velocidad de referencia del eje del motor, se calculan automáticamente las tensiones con las que se debe alimentar el propio motor. Físicamente, en este apartado se pretende simular el funcionamiento del actuador explicado en el apartado 1.4, siendo el par y la velocidad entregados los que recibirá el generador eléctrico, en este caso un motor de continua. Para evitar una posible confusión por el gran número de conexiones que aparecen en el esquema se ha procedido a concentrar todos los grupos funcionales del control y PWM vectorial en un subsistema, cuyo funcionamiento interno será el mismo al

2 Desarrollo de los modelos

70

detallado anteriormente Figura 61. En el Anexo A se detalla el esquema más detenidamente.

VSrs

VSrs

iSr

[isdr]

Control MI VSst

VSst

iSs

[isqr]

w_ref

escalón de velocidad wr [wr]

wr_real

VStr

iSt

VStr

Motor

VRrs Inducción

iRr Terminator2

(mod. din.) iRs

0

VRst VRtr

rotor n_rpm Gain1

Terminator3

iRt Terminator

n_rpm

Tem

Terminator1

th_mec

[th_mec] Goto2

Motor_asíncrono_(a) 0.1

wr

par_mot

Carga

w

par_res

[wr] Goto1

Carga Motora

M_base

rotor1

Gain11

Figura 61. Esquema simplificado del control de velocidad

2.3.7

Simulación completa de un aerogenerador

En este apartado se mostrará el esquema final de simulación que constituye el elemento principal del presente proyecto. Para ello se integrarán todos los esquemas desarrollados hasta ahora junto con otros grupos que simularán el funcionamiento del rotor de un aerogenerador y un generador. Se han utilizado bloques desarrollados previamente como la turbina del aerogenerador y una máquina de continua. Del primero de ellos se conocen parámetros el diámetro de la turbina, potencia mecánica nominal, velocidades máximas y mínimas, inercia, etc. estás magnitudes se detallarán en el Anexo B. De la máquina de continua, que funcionará a modo de generador se conocen también todos sus parámetros, desde la tensión, intensidad y velocidad nominales hasta los parámetros internos como la resistencia e inductancia. El modo de interrelacionar cada uno de los bloques en el esquema se muestra en la Figura 62.

2 Desarrollo de los modelos

71

par

par

Molino Aerogenerador

Generador electricidad

velocidad

electricidad Carga

velocidad

aerogenerador

Generador

Red o carga aislada

Figura 62. Esquema simplificado del aerogenerador Como ya se ha comentado en el capítulo 2.3.4, el bloque llamado molino aerogenerador representa en la realidad las palas del molino junto con todo el sistema de reguladores y cajas multiplicadoras. El bloque llamado generador es un modelo que simula el funcionamiento de un generador eléctrico real y la carga, puede representar la red o una carga aislada. El molino aerogenerador abarca en la simulación tanto el modelo de un aerogenerador como el motor de inducción controlado vectorialmente que funciona como actuador. Un modelo de un motor de continua simula un generador y por ultimo, un bloque que simula una masa rodante con inercia y rozamiento viscoso hace las veces de una carga pasiva. 0 Constant 5 Constant3

Sine Wave1Retardo1

pitch

velocidad (rpm)

viento (m/s) Tem

VSrs

VSrs

iSr

[isdr]

Control MI VSst

VSst

iSs

[isqr]

w_ref

Par_resis

wr

wr_real

VStr

Par_eol

iSt

VStr

Motor

(mod. din.) iRs

0

VRst

iRt

VRtr

Tem

rotor n_rpm Gain1

Ucc_exc

Ucc_exc Ucc Motor DC w

iRr

VRrs Inducción

Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador)

Iexc Icc Ecc Par

th_mec

n_rpm

Motor_asíncrono_(a)

[th_mec] Goto2

Iexc -1

Ecc

Motor de Continua

par_mot

Carga

w

par_res

R_carga Icc

Carga Motora

Figura 63. Esquema completo de simulación

[wr] Goto1

2 Desarrollo de los modelos

2.4 2.4.1

72

Algoritmo de estimación de la velocidad Concepto y descripción

En este capítulo se va a exponer el procedimiento seguido para obtener un algoritmo de estimación de velocidad. Para ello, lo primero es conocer el esquema simplificado equivalente de un motor de inducción para comprender el desarrollo, Figura 64.

Figura 64. Circuito equivalente de una máquina de inducción en ejes dq El vector tensión y las ecuaciones del flujo en un motor de inducción de jaula de ardilla son las siguientes (Leonhard, 1990): d λs dt

(63)

d λR − jωR λR dt

(64)

vs = Rs is +

0 = RR iR +

λs = Ls is + LM iR

(65)

λR = LM is + LR iR

(66)

Si se reescriben estas ecuaciones para relacionar la velocidad del rotor con los vectores tensión y corriente de estator, se obtiene:

2 Desarrollo de los modelos

73

 LM d λR RR  LM L + λR + (1 − σ ) Ls is  = jωR M λR  LR dt LR  LR LR 

(67)

Donde σ = 1 – LM / (LR * LS). Además, la derivada del flujo del rotor se puede obtener como una función de la tensión de estator y corriente de estator utilizando (63), (65) y (66):

d λR LR = dt LM

dis    vs − Rs is − σ Ls dt   

(68)

Usando (las dos anteriores) se puede concluir: v1 +

RR v2 dt = ωR j ∫ v1dt ⇒ y = ωR u LR ∫

(69)

di LM d λR = vs − Rs is − σ Ls s LR dt dt

(70)

Donde: v1 =

v2 = vs − Rs is − Ls

dis dt

(71)

El cálculo de la velocidad del rotor se calcula gracias a la ecuación (69), y como se ve en (70) y (71) la obtención de “y” y “u” no es función de ωR. Por ello se puede utilizar el cociente de estos números complejos para calcular ωR. Sin embargo el signo de ωR no está incluido así que el modo de solucionarlo es que el módulo de “u” tome el signo de la parte real del producto uy*, Re{uy*}. Para calcular las derivadas e integrales de (69) se ha utilizado un filtro Bessel de cuarto orden con frecuencias de corte a 5 Hz y 100 Hz. Este filtro tiene la siguiente ecuación de transferencia: F ( s) =

bs 2 s 4 + a3 s 3 + a2 s 2 + a1s + a0

Con b = 142.5, a3 = 20.68, a2 = 158.3, a1 = 163.3 y a0 = 62.34. Por lo tanto las ecuaciones estáticas de este filtro en forma de matriz son:

(72)

2 Desarrollo de los modelos

74

 ydt  ∫  0  y      0  dy  =   dt   0  d 2 y   −a0  2   dt 

1

0

0

1

0

0

− a1

− a2

 ydt   0 0  ∫ ∫  ydt     0 ∫  + 0 u  1   y  0     −a3   dy  b   dt 

(73)

La ecuación (69) no sólo sirve para calcular la velocidad de rotación de la máquina de inducción sino que también se puede utilizar para el cálculo de la velocidad de deslizamiento y la velocidad del flujo del rotor. En el caso del flujo del rotor sólo son necesarias unas modificaciones:

v1 =

 1 d λR  LM d λR LM L = + jω  ≅ jω M λR = jω ∫ v1dt λR  LR dt LR LR  λR dt 

(74)

Donde ω es la velocidad del flujo del rotor. Para obtener la velocidad de deslizamiento se usan las ecuaciones (74) y (75): −

RR v2 dt = jωS ∫ v1dt LR ∫

(75)

Donde ωS es la velocidad de deslizamiento. Por lo tanto, si se definen y1 y y2 del siguiente modo: y1 = v1 y2 = −

RR v2 dt LR ∫

el flujo del rotor y la velocidad de deslizamiento se pueden calcular como el cociente entre y1 y u o y2 y u, respectivamente.

2.4.2

Promedio de la velocidad del rotor

El método explicado en el capítulo anterior para estimar la velocidad de rotación de un motor tiene el inconveniente de que se ve afectado negativamente por el ruido.

(76) (77)

2 Desarrollo de los modelos

75

Sin embargo no supone un gran obstáculo ya que se puede remediar promediando las variables. Para aplicar el algoritmo se guardan los sucesivos valores de u y y se ordenan en dos vectores en columna: k 1 1 U k = (1 − λ ) 2 uk λ 2 uk −1...λ 2 u0    k 1 1 Yk = (1 − λ ) 2  yk λ 2 yk −1...λ 2 y0   

T

(78)

T

(79)

Hay que prestar atención a que cada valor debe llevar el signo correcto. Para conseguir que el promedio de los valores no quede desfasado en el tiempo, se otorga a las muestras un peso relativo con una constante de tiempo τ. De este modo la información más antigua va perdiendo peso con respecto al total.

τ =−

T ln λ

(80)

Siendo T el periodo de muestreo. λ recibe el nombre “factor de olvido” y es un número positivo entre 0 y 1. Un valor igual a 0 corresponde a una renovación completa de la muestra en cada periodo mientras que un valor de 1 significa que las muestras anteriores en el tiempo siguen teniendo peso en el futuro. Tomando los vectores columna antes mostrados se puede reescribir la velocidad del rotor del siguiente modo si se asume que la variación es muy pequeña dentro del promedio.

Yk + EYk = ωRk (U k + EUk )

(81)

Donde EYk y EUk son vectores que contienen errores de cada muestra. Utilizando el método de los mínimos cuadrados totales se obtiene el siguiente resultado:

ωRk =

Yk Uk

(82)

2 Desarrollo de los modelos

2.4.3

76

Bloque algoritmo de estimación de velocidad

En este apartado tan sólo hay que comentar que el algoritmo utilizado no se ha desarrollado en este proyecto y necesita cuatro señales en magnitudes reales, las dos tensiones VRrs y VSst y las dos intensidades iSr y iSs. El algoritmo proporciona la velocidad del rotor, la velocidad de deslizamiento, la frecuencia eléctrica de alimentación, la del flujo del rotor y un factor de r que indica la fiabilidad de los resultados. El bloque se muestra a continuación, Figura 65:

1 vrsm 2 vstm 3 irm 4 ism

Vrs

fr fs

Vst f Ir Frf Is

r

Estimador de velocidad

1 fr 2 fs 3 f 4 Frf 5 r

Figura 65. Bloque algoritmo de estimación de velocidad

2.4.4

Implantación en el laboratorio

La implantación requirió la captura de dos tensiones (VRrs, VSst) y de dos corrientes (iSr, iSs) reales de un motor de inducción. Por ello fue necesario el empleo de dos sondas de corriente y dos sondas de tensión. Las señales capturadas no son suficientemente limpias como para introducirlas en el estimador de velocidad por lo que se decidió diseñar un filtro sencillo RC para limitar el ruido que se introducía en las ondas. Se optó por tomar una frecuencia de corte del filtro de 100 Hz. Por lo que se utilizó una resistencia de 3 kΩ y un condensador de 564 nF, ambos comerciales. Se necesitaron cuatro filtros RC para la realización del experimento y el esquema utilizado es muy simple como se ve en la Figura 66:

2 Desarrollo de los modelos

77

Figura 66. Filtro RC utilizado para eliminar el ruido Con estos valores, la frecuencia de corte es: wc =

1 1 = = 591.0165rad / s RC 3000 ⋅ 564 ⋅10−9

(83)

591.0165 = 94.06 Hz 2 ⋅ pi

(84)

Y en Hz: wc =

A pesar de este filtro, la señal seguía teniendo un ruido excesivo por lo que se decidió que lo mejor era filtrar de nuevo la señal pero esta vez digitalmente, es decir, aquellos valores que son consecuencia del ruido se eliminaron y en su lugar se introdujo el último valor aceptable. El filtro utilizado se muestra en la Figura 67 :

2 Desarrollo de los modelos

78

1/z Unit Delay2

1 salida 1 entrada

Switch 1/z Unit Delay

max Constant

>= Relational Operator

min

d`,q`

cos

PWM ts i

t's+sec

(Lim. Hex.) d,q -> d',q'

s1

s1

s2

s2 Inversor

s3

s3

Gen_conmutación

Vc

Vc Vcond

Gen. Pulsos

Un

Trifásico Vn (ideal)

vcond

Wn

inversor_Uf PWM_Vectorial_lh

sqrt(2)*U_base Vcond

0 rotor n_rpm

VSrs VSst VStr

a b Terminator4

cos

iRr Terminator2

iRs

ángulo w

w

Gain

sen

SIN cos COS d/2 sen_X*d

Terminator6

q

iqs

a,b -> d,q1

Terminator3

Terminator5

VRtr n_rpm

Tem

par_mot

Carga

th_mec

Motor_asíncrono_(a)

par_res

Carga Motora

Par_resis

cos_X*d Terminator7

Sen, Cos, Comp_teta

Figura 84. Esquema utilizado en la simulación que representa el control vectorial, un motor de inducción y una carga En él se calculan las tensiones que alimentan al motor a partir de las tensiones de referencia vsd y vsq. Tomando los valores de régimen permanente de las simulaciones anteriores se han calculado los valores de vsd y vsq. Los valores tomados fueron: ωr = 0.5, ω = 0.54, λr = 1, isd =0.5525, isq = 0.1083, usd = 0.271 y usq = 0.0518, todos ellos en pu. Despejando el valor de vsd y vsq se obtiene: vsd = 0 0.0101 y vsq = 0.5420. A continuación se van a mostrar las tensiones de alimentación al motor que calcula el PWM vectorial, Figura 85:

ids

iRt

Terminator1

teta

d

a,b -> d,q sen (a+b+c = 0)

iSt

Motor VRrs Inducción (mod. din.) VRst

iSr iSs

w

3 Resultados

94

200 150 100

tensión (V)

50 0 -50 -100 -150 -200

0

0.01

0.02

0.03

0.04 tiempo (s)

0.05

0.06

0.07

0.08

Figura 85. Alimentación al motor de inducción En la Figura 86 se muestra un detalle de la Figura 85:

180 160 140

tensión (V)

120 100 80 60 40 20 0 0.04

0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 tiempo (s)

0.052 0.054

0.056 0.058

Figura 86. Ampliación de la alimentación al motor de inducción Como se ve se trata de una serie de pulsos de valor 179.62 V de diferente anchura. El primer armónico es el que entrega potencia al motor por eso se va a utilizar el comando “fft” de Matlab para obtener el espectro de frecuencias que compone la modulación de ancho de pulso. El resultado se muestra en la Figura 87:

3 Resultados

95

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Figura 87. Espectro en frecuencia de la alimentación del motor de inducción Se observa como hay un armónico principal a una frecuencia baja, que corresponde con unos 25Hz, que es la frecuencia de alimentación. La amplitud es de unos 170 V, así el primer armónico es una onda senoidal de 170 V de pico y frecuencia 25Hz.

3.4.5

Resultados del control de velocidad utilizando un control vectorial.

En este apartado se muestran los resultados obtenidos al simular un control de velocidad de un motor de inducción cuyo esquema se muestra en la Figura 88.

VSrs

VSrs

iSr

[isdr]

Control MI VSst

VSst

iSs

[isqr]

w_ref

escalón de velocidad wr [wr]

wr_real

VStr

iSt

VStr

Motor

VRrs Inducción

iRr Terminator2

Terminator3 (mod. din.) iRs VRst iRt Terminator

0

VRtr

rotor n_rpm Gain1

n_rpm

Tem

Terminator1

par_mot

th_mec

[th_mec]

par_res

Motor_asíncrono_(a) 0.1 rotor1

Goto2

Carga

wr w

Carga Motora

M_base Gain11

Figura 88. Esquema simplificado del control de velocidad

[wr] Goto1

3 Resultados

96

El objetivo consiste en someter al motor asíncrono a un escalón en la velocidad de referencia y observan como varían los diferentes parámetros durante el transitorio. Para ello se ha aplicado un escalón de velocidad que lleva al motor desde velocidad inicial nula a la mitad del régimen nominal como se observa en la Figura 89: 0.6

0.5 X: 2.533 Y: 0.5

velocidad (pu)

0.4 w ref w real 0.3

0.2

0.1

0

-0.1

0

1

2

3

4 5 tiempo (s)

6

7

8

9

Figura 89. Evolución de la velocidad del motor de inducción Como se puede observar, el tiempo de alcance coincide con el diseñado en apartados anteriores, es decir, la velocidad real alcanza la referencia en aproximadamente 2.5 segundos. Además, debido a la utilización de un control PI en régimen permanente el error entre referencia y salida es nulo. Otros parámetros de interés son las intensidades isd e isq. Como ya se ha comentado en el capítulo 2.3.2.1, el valor de isd viene fijado automáticamente al haber optado por una estrategia de flujo nominal por lo que tomará un valor constante de 0.55 pu por la ecuación (59). A continuación se muestra la evolución de isd en el tiempo, Figura 90:

3 Resultados

97

0.6

isd (pu)

0.58

0.56

0.54

0.52

0.5 1

2

3

4 5 teimpo (s)

6

7

8

Figura 90. Evolución de la intensidad isd Si se realiza una ampliación:

0.58

0.57

isd (pu)

0.56

0.55

0.54

0.53

5.942

5.944

5.946

5.948 teimpo (s)

5.95

5.952

5.954

Figura 91. Ampliación de la intensidad isd Como se observa, el valor de la intensidad varía en torno a 0.55 pu pero tiene una pequeña oscilación sobre el valor medio. Esto se debe a que el motor se alimenta con un PWM. La carga filtra un tanto la señal aunque sigue teniendo pequeños picos. La intensidad isq viene fijada también por la estrategia elegida, de modo que en valores unitarios coincide con el par aplicado a la carga en régimen permanente. Por esto, al haber aplicado un par de 0.1 pu, el valor de régimen permanente de la intensidad isq debe coincidir, Figura 92.

3 Resultados

98

1.6 1.4 1.2

isq (pu)

1 0.8 0.6 0.4 X: 8.222 Y: 0.1127

0.2 0 -0.2

0

1

2

3

4 5 tiempo (s)

6

7

8

9

Figura 92. Evolución de la intensidad isq y ampliación de la misma Si se realiza una ampliación en la zona de régimen permanente:

0.16

0.14

isq (pu)

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04 7.833

7.834

7.835

7.836 7.837 tiempo (s)

7.838

7.839

7.84

Figura 93. Ampliación de la intensidad isq Se observa en la Figura 92 cómo durante el transitorio isq crece rápidamente puesto que la máquina está arrancando y una vez alcanzado el régimen permanente, se estabiliza en torno a 0.1 pu. Isq es un poco superior que el par resistente en pu debido a la relación (60). Por último, es importante saber cómo evoluciona la intensidad real del estator del motor, puesto que al utilizar PWM para gobernar el motor, la intensidad de estator puede tener un rizado no admisible. A continuación se muestra la intensidad de estator capturada, Figura 94 y una ampliación de la misma para comprobar el rizado Figura 95:

3 Resultados

99

25 20 15 10

iSr (A)

5 0 -5 -10 -15 -20 -25 6.72

6.74

6.76

6.78 6.8 tiempo (s)

6.82

6.84

6.86

6.88

Figura 94. Evolución de la intensidad de estator iSr

20

15

iSr (A)

10

5

0

-5

7.204

7.206

7.208

7.21 7.212 7.214 tiempo (s)

7.216

7.218

7.22

Figura 95. Detalle de la evolución de la intensidad de estator iSr En la Figura 94 se observa cómo la intensidad de estator iSr es claramente senoidal y alcanza un valor de pico de aproximadamente 21 amperios, lo que supone una intensidad eficaz de 14.84 A que equivale a 0.57 pu. En la Figura 95 se observa nítidamente el pequeño rizado de la corriente, que varía entre 0.5 A en la parte central de la onda y 2 o 3 A en las crestas. Éste era uno de los objetivos principales del uso de un control vectorial para gobernar el motor de inducción. Este rizado depende en gran medida de la frecuencia de conmutación usada en el bloque “PWM vectorial”, y en este caso se fijo a 9 kHz, que es un valor comúnmente usado en la práctica. A medida que se aumenta este valor mejora el rizado y viceversa.

3 Resultados

3.4.6

100

Resultados de la simulación completa de un aerogenerador.

En este último apartado del capítulo 3.4, se van a exponer los resultados obtenidos al simular el emulador de una turbina eólica completa acoplada a red. Como ya se ha comentado en el capítulo 2.3.7, se han desarrollado los modelos que simulan el funcionamiento de aerogenerador que actúa sobre una máquina de continua que hace las veces de generador. Nótese cómo en este apartado la variable de entrada al sistema ya no es la velocidad de rotación que debe seguir el motor de inducción. En este apartado se introducen la velocidad del viento (Vviento) y el ángulo de ataque de los álabes (pitch angle). El modelo del aerogenerador utiliza estos dos valores, junto con el par resistente del sistema, para calcular la referencia de velocidad que se introduce en el control del motor de inducción. Finalmente el motor calcula el par motor que actúa sobre el generador y éste sobre la carga como se vio en la Figura 63. Se realizaron diferentes simulaciones, todas ellas con βpitch nulo y para diferentes condiciones de viento. El esquema simulado es el que se muestra en la

0 Constant 5 Constant3

Sine Wave1Retardo1

pitch

velocidad (rpm)

viento (m/s) Tem

VSrs

VSrs

iSr

[isdr]

Control MI VSst

VSst

iSs

[isqr]

w_ref

Par_resis

wr

wr_real

VStr

Par_eol

iSt

VStr

Motor

VRrs Inducción

Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador)

0

VRst

iRt

VRtr

Tem

rotor n_rpm Gain1

Ucc_exc

Ucc_exc Ucc Motor DC w

iRr

(mod. din.) iRs

Iexc Icc Ecc Par

th_mec

n_rpm

Motor_asíncrono_(a)

[th_mec] Goto2

Iexc -1

Ecc

Motor de Continua

par_mot

Carga

w

par_res

R_carga Icc

Carga Motora

Figura 96. Esquema completo de simulación

[wr] Goto1

3 Resultados

101

3.4.6.1 Golpe de viento En la primera de las simulaciones se sometió al modelo del aerogenerador a un escalón en la velocidad del viento de 0.3 m/s como se ve en la Figura 97:

0.3

velocidad del viento (m/s)

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0 0

5

10 tiempo (s)

15

20

Figura 97. Escalón de viento Los resultados obtenidos se muestran a continuación. 11.2 11

velocidad (rpm)

10.8 10.6 10.4 10.2 10 9.8

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 98. Evolución de la velocidad de rotación de la turbina

3 Resultados

102

Primeramente se ha mostrado la evolución de la velocidad de la turbina eólica como consecuencia del golpe de viento, Figura 98. Se observa cómo la velocidad pasa de tener un valor de 9.7 a 11.2 rpm en régimen permanente. 0.49 0.48 0.47

w ref w sal

velocidad (pu)

0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.4

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 99. Evolución de la velocidad de rotación de la turbina y del motor de inducción En la Figura 99 se muestra cómo ha variado la velocidad de rotación tanto de la turbina eólica (curva azul) como del motor de inducción (curva magenta). En ella se puede apreciar cómo la turbina adquiere rápidamente una velocidad mayor debido al golpe de viento mientras que el motor intenta seguir esa referencia y finalmente ambas velocidades se igualan. Se observa asimismo que el tiempo de alcance de la salida (motor), es aproximadamente 2 segundos, un poco menos que en el diseño del control debido a que influyen varias dinámicas, la de la turbina eólica y la del propio motor. Otras magnitudes interesantes son las intensidades del estator del motor. A continuación se muestran las corrientes isd Figura 100 e isq Figura 101. La primera de ellas, como ya se ha comentado adquiere un valor constante de 0.55 pu por la estrategia de flujo nominal elegida. La segunda de ellas varía con el tiempo ya que el motor entrega más potencia a la carga para adaptarse a las nuevas condiciones del viento.

3 Resultados

103

0.59

0.58

intensidad (A)

0.57

0.56

0.55

0.54

0.53

0.52

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 100. Evolución de la corriente isd a lo largo del tiempo 0.6

0.55

intensidad (pu)

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 101. Evolución de la corriente isq a lo largo del tiempo Uno de los objetivos de la utilización de un control electrónico mediante PWM era disminuir el rizado de la corriente del estator del motor evitando así un alto contenido de armónicos. Para ello se ha capturado esta corriente en amperios y se muestra a continuación Figura 102, así como una ampliación de la misma Figura 103.

3 Resultados

104

30

20

intensidad (A)

10

0

-10

-20

-30 17.62 17.64 17.66 17.68

17.7 17.72 17.74 17.76 17.78 tiempo (s)

17.8

Figura 102. Evolución de la corriente del estator del motor de inducción Se observa que la intensidad tiene un valor de pico de aproximadamente 24 amperios, lo que supone unos 17 A eficaces, que traducido a magnitudes unitarias es 0.65 pu en régimen permanente. 25 20

intensidad (A)

15 10 5 0 -5 -10 -15 17.67

17.675

17.68 tiempo (s)

17.685

17.69

Figura 103. Ampliación de la corriente de estator del motor En esta Figura 103, se ve claramente que el rizado de la corriente es mínimo, alcanzándose un valor máximo de unos 2 A en la cresta de la onda y tan sólo medio o un amperio en la parte central. El responsable de este rizado tan pequeño es la elevada frecuencia de conmutación del PWM, que genera una serie de pulsos en la tensión de alimentación al motor cuyo

3 Resultados

105

primer armónico es muy superior al resto de armónicos como ya se vio en el apartado 3.4.4. Seguidamente se muestra la tensión aplicada al motor Figura 104, así como un detalle de la misma Figura 105.

300

200

tensión (V)

100

0

-100

-200

-300 17.5

17.52 17.54 17.56 17.58 17.6 17.62 17.64 17.66 17.68 tiempo (s)

Figura 104. Tensión de alimentación al motor de inducción 400 350 300

tensión (V)

250 200 150 100 50 0 -50 17.32

17.321 17.322 17.323 17.324 17.325 17.326 17.327 17.328 tiempo (s)

Figura 105. Ampliación de la tensión de alimentación del motor La frecuencia de conmutación utilizada en el PWM ha sido elevada, de 9 kHz para que el rizado de la corriente sea mínimo.

3 Resultados

106

Por último se muestra la una gráfica con la potencia que entregaría el aerogenerador simulado a la red. Se aprecia cómo un cambio pequeño en la velocidad del viento (0.3 m/s) supone un incremento mayor en la potencia generada (70W). 480

460

potencia (W)

440

420

400

380

360

9

10

11

12

13

14 15 tiempo (s)

16

17

18

19

Figura 106. Potencia entregada por el generador 3.4.6.2 Viento escalonado En este apartado se ha sometido al aerogenerador a una serie de golpes de viento consecutivos intentando simular posibles escenarios en que se pueda encontrar en la realidad, Figura 107.

0.6

velocidad del viento (m/s)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 10

15

20

25 tiempo (s)

30

35

40

Figura 107. Sucesión de escalones de viento

3 Resultados

107

A continuación se muestra la velocidad de la turbina eólica a lo largo del tiempo Figura 108: 12

11.5

velocidad (rpm)

11

10.5

10

9.5

9

5

10

15

20

25 30 tiempo (s)

35

40

45

50

Figura 108. Evolución de la velocidad de la turbina eólica ante viento escalonado Sencillamente se han ido añadiendo escalones en la velocidad del viento durante los veinte primeros segundos para más adelante restárselos. Se aprecia que la velocidad de la turbina varía desde 9.2 a 10.8 rpm. Seguidamente se muestra la velocidad de la turbina junto con la de motor de inducción Figura 109: 0.52 w ref w sal

0.5

velocidad (pu)

0.48

0.46

0.44

0.42

0.4

0.38

5

10

15

20

25 30 tiempo (s)

35

40

45

50

Figura 109. Evolución de la velocidad de la turbina eólica y del motor

3 Resultados

108

Se observa cómo el motor de inducción (color magenta) intenta seguir la referencia dada por la turbia eólica (color azul). Este seguimiento no es todo lo perfecto que se desearía debido que los escalones en la velocidad del viento distan entre sí tan sólo 4 segundos. 3.4.6.3 Viento racheado En este apartado se someterá al modelo del aerogenerador a unas condiciones de viento racheado, es decir, un viento que cambia continuamente a lo largo del tiempo. Para simular estas condiciones de viento se ha introducido como velocidad del viento una onda senoidal de amplitud 0.3 m/s, .

0.3

velocidad del viento (m/s)

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

-0.3 8

10

12

14 16 tiempo (s)

18

20

22

Figura 110. Viento racheado El resultado se muestra a continuación Figura 111 y Figura 112: 11

velocidad (rpm)

10.5

10

9.5

9

8.5

8

10

12

14

16 tiempo (s)

18

20

22

24

Figura 111. Evolución de la velocidad de la turbina eólica ante viento racheado

3 Resultados

109

Se aprecia que una oscilación de tipo senoidal en la velocidad del viento se traduce en una salida también de forma senoidal en la turbina eólica. 0.48 w ref w sal 0.46

velocidad (pu)

0.44

0.42

0.4

0.38

0.36

8

10

12

14

16 tiempo (s)

18

20

22

24

Figura 112. Evolución de la velocidad de la turbina eólica y del motor de inducción En esta Figura 112 se observa cómo la velocidad del motor (color magenta) sige la referencia (color azul) con un cierto retraso. Esto se debe a la utilización del control PI utilizado y a su diseño, aunque es extraño encontrar un viento que varíe tan rápidamente a lo largo del tiempo y continuamente con esta forma. Es más frecuente encontrar vientos que cambian en su velocidad como el mostrado en el aparatado 3.4.6.1.

3 Resultados

3.5

110

Algoritmo de estimación de velocidad.

En este apartado se van a exponer los resultados obtenidos al realizar un ensayo en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI. Este ensayo consistió en capturar dos tensiones y dos corrientes del motor de inducción e introducirlas en un algoritmo diseñado para estimar la velocidad a la que gira el motor. Como ya se ha comentado en el apartado 2.4.4, se utilizaron varios filtros antes de proceder a introducir las diferentes señales en el estimador. Se realizaron dos pruebas, en la primera de ellas se utilizó el programa Simulink de Matlab para aplicar una referencia de velocidad al motor mientras que en la segunda de ellas se utilizó el propio potenciómetro del variador de tensión frecuencia para simular unas condiciones de velocidad.

3.5.1

Resultados controlando la velocidad con Simulink.

En el primer experimento que se realizó, se utilizó la plataforma Simulink para recrear unas posibles condiciones de velocidad. Se empleó un bloque “Repeating Sequence” y se generaron una serie de pulsos con un periodo de ocho segundos Las señales capturadas (VRrs, VSst, iSr, iSs) fueron filtradas como ya se ha comentado y el resultado fue el siguiente: 200

VSrs (V)

100 0 -100 -200

0

5

10

15

20

25

tiempo (s) 200

VSst (V)

100 0 -100 -200 0

5

10

15

20

tiempo (s)

Figura 113. Tensiones filtradas VSrs y VSst

3 Resultados

111

iSr (A)

10 0 -10 2

4

6

8

10 12 tiempo (s)

14

16

18

20

2

4

6

8

10 12 tiempo (s)

14

16

18

20

iSs (A)

10 0 -10

Figura 114. Corrientes filtradas iSr e iSs En estas figuras tan sólo se aprecian los módulos de las tensiones y corrientes, por lo que para decidir si son señales válidas para el algoritmo, se realizará una ampliación de modo que estén sincronizadas para observar la diferencia en el tiempo entre ellas. 100

VSrs (V)

50 0 -50

5

5.05

5.1

5.15

5.2 5.25 tiempo (s)

5.3

5.35

5.4

5

5.05

5.1

5.15

5.2 5.25 tiempo (s)

5.3

5.35

5.4

VSst (V)

50 0 -50 -100

Figura 115. Ampliación de las tensiones filtradas VSrs y VSst Como se puede apreciar en las figuras, a pesar de capturar una tensión que originariamente es un PWM, la señal queda muy limpia gracias principalmente a los filtros empleados.

3 Resultados

112

iSr (A)

2 0 -2

5

5.05

5.1

5.15

5.2 5.25 tiempo (s)

5.3

5.35

5.4

5

5.05

5.1

5.15

5.2 5.25 tiempo (s)

5.3

5.35

5.4

3

iSs (A)

2 1 0 -1 -2

Figura 116. Ampliación de las corrientes filtradas iSr e iSs En este caso, las corrientes no tienen un aspecto tan bueno como las tensiones pero en todo caso servirá para realizar las simulaciones. Una vez se han introducido las señales en el algoritmo, éste estima la velocidad siendo el resultado el que se muestra el la Figura 117:

velocidad (pu)

Velocidad capturada por la dinamo 0.4 0.3 0.2 0.1 2

4

6

8

10 12 14 tiempo (s) Velocidad estimada

16

18

20

2

4

6

8

16

18

20

velocidad (pu)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 12 tiempo (s)

14

Figura 117. Velocidad capturada por la dinamo y estimada

3 Resultados

113

Estas dos gráficas muestran la velocidad del motor de inducción, la primera de ellas corresponde al estimador y la segunda a la dinamo tacométrica. Se distingue una silueta muy parecida en ambas por lo que podemos concluir que el estimador ha funcionado correctamente aunque el ruido de la señal sea elevado. Se observa que el estimador de velocidad tiene problemas al calcular la velocidad mientras ésta varía, en los transitorios. Sin embargo, se observa que en los momentos iniciales en que la velocidad es constante, el estimador proporciona un valor perfectamente definido. Además se han calculado una serie de valores estadísticos para conocer el grado de certeza de los resultados. Por ello se ha calculado el error entre ambas señales, velocidad capturad y estimada, así como la media, varianza y desviación típica del mismo. El error se muestra en la Figura 118: 0.2 0.15

error de velocidad (pu)

0.1 0.05 0 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2

0

5

10

15

20

25

tiempo (s)

Figura 118. Error de la velociad estimada Se observa que el error oscila en torno a cero y en detalle no sobrepasa los 0.5 pu en los casos donde el ruido no distorsiona la señal. La media de este error calculado es 0.0016 pu, la varianza 0.0009545 y la desviación típica 0.0309 pu por lo que se puede concluir que la estimación es correcta. El estimador proporciona otros parámetros como la velocidad de deslizamiento, la de alimentación y el flujo de rotor pero su estudio no entra dentro de los objetivos.

3 Resultados

3.5.2

114

Resultados controlando la velocidad con un potenciómetro.

En este segundo experimento se controlo el motor de inducción desde el panel de control que utiliza el variador. La velocidad varía en función del valor que marque el potenciómetro que lleva integrado. El procedimiento seguido fue el mismo que el detallado en el apartado 3.5.1 y las señales introducidas al estimador en ese apartado son parecidas a las de éste por lo que se procederá directamente a comparar las velocidades capturadas Figura 119: Velocidad capturada por la dinamo

velocidad (pu)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 2

4

2

4

6

8 tiempo (s) Velocidad estimada

10

12

14

10

12

14

velocidad (pu)

0.6

0.4

0.2

6

8 tiempo (s)

Figura 119. Velocidad medida y estimada. En este caso también se ha calculado el error entre ambas señales resultando la siguiente Figura 120:

3 Resultados

115

0.15

error de velocidad (pu)

0.1

0.05

0

-0.05

-0.1

2

4

6

8 tiempo (s)

10

12

14

Figura 120. Error en la medida En este caso el error vuelve a oscilar alrededor del valor cero aunque con un ruido más acusado. También se han hallado la media (0.0054 pu), varianza (0.00015) y desviación típica (0.0391 pu) y analizando los valores es evidente que la estimación ha sido correcta.

4 Conclusiones

4 Conclusiones

4

117

Conclusiones Este capítulo se ha planteado no sólo con la idea de ser un listado de conclusiones

más o menos técnicas sino que se pretende recoger también las impresiones finales, ideas surgidas del desarrollo del mismo, aspectos a mejorar, etc. Lo primero que se plantea es la consecución de los objetivos planteados. Como se comentó en el capítulo 1.3, los objetivos iniciales del proyecto sufrieron una serie de modificaciones a causa de la avería, por causas externas al proyecto, de un variador V/F necesario para el último objetivo. Los principales objetivos fueron los que se muestran en la Ilustración 1, además se citan algunos de los recursos utilizados y diseños realizados.

Ilustración 1. Objetivos principales, recursos y diseños. Como se ha podido comprobar a lo largo de la lectura del proyecto, los nuevos objetivos se han alcanzado, obteniendo resultados relevantes mostrados en el capítulo 3. Bien es cierto sin embargo que el tiempo empleado para cada uno de ellos no se ha ajustado a lo previsto inicialmente. A continuación se va a realizar un repaso de los principales objetivos

4 Conclusiones

118

En cuanto al apartado de la recreación del experimento llevado a cabo por César Aguiar en su PFC 2004/2005, lo primero fue familiarizarse con las máquinas usadas en el proyecto así como su funcionamiento y protocolos de actuación. Se renovó el software del ordenador instalando la versión 7.0.1 de Matlab con todos sus componentes para realizar los ensayos. Se implantaron los diseños desarrollados previamente y el sistema funcionó de acuerdo con las expectativas, obteniendo los resultados ya mostrados en el capítulo 3.2. Hay que destacar la gran cantidad de ruido en la señal proporcionada por la dinamo debido principalmente a las vibraciones del banco número 4 del laboratorio. Sin embargo esto no conllevó al mal funcionamiento del modelo. Atendiendo al apartado de control vectorial, sin duda fue la sección más laboriosa debido a la complejidad de los conceptos usados. Fue imprescindible desarrollar los modelos paso a paso, asegurando que cada nuevo escalón alcanzado funciona correctamente. Asimismo, se obtuvieron excelentes resultados en cuanto a la emulación de un accionamiento de turbinas, mostrados en el capítulo 3.4. Se logró controlar la velocidad de rotación de un motor de inducción con una corriente de estator con un rizado mínimo. Esta es una de de las ventajas de la utilización de un control vectorial (SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation), regulando la frecuencia de conmutación del PWM se consiguen rizados de corriente considerablemente pequeños. Debido al gran número de operaciones que debe realizar el ordenador, es conveniente utilizar un procesador potente, ya que en caso contrario no se llega a visualizar los gráficos adecuadamente. Por último se acometió la implantación de un algoritmo de estimación de la velocidad en el laboratorio de máquinas eléctricas. Se utilizaron diferentes recursos prestados por la escuela como sondas de tensión y corriente y los componentes necesarios para confeccionar filtros. Hubo problemas a la hora de la conexión de la bornas de las sondas debido a que en las conexiones se filtraba una gran cantidad de ruido. Aun así, se obtuvieron unos buenos resultados como se puede apreciar en el capítulo 3.5.

4 Conclusiones

119

Sólo añadir que se utilizaron distintos modelos desarrollados previamente por los directores de proyecto y en el PFC 2004/2005, indispensables para la realización del presente proyecto. Se sugiere que en próximos proyectos se acometa la implantación del control vectorial desarrollado en este PFC en el laboratorio de máquinas eléctricas de la escuela utilizando un encoder incremental. Este proyecto se ha centrado en la energía eólica, más en concreto turbinas eólicas. Sin embargo es posible modificar las características del modelo del aerogenerador para emular el funcionamiento de cualquier otro tipo de turbinas, de gas, de vapor, etc. Por ello es aconsejable continuar el presente proyecto por esta vía.

5 Bibliografía

5

Bibliografía El presente proyecto se ha desarrollado y diseñado con las ideas y explicaciones de

los directores de proyecto junto con los conocimientos propios. Sin embargo se han utilizado diferentes libros para diseñar los controles PI y páginas web para la realizar la introducción y describir las distintas tecnologías empleadas. Los libros utilizados fueron: MÁQUINAS ELÉCTRICAS (Cuarta Edición) Jesús Fraile Mora REGULACIÓN AUTOMÁTICA F. Luís Pagola Septiembre de 2002 PFC 2004/2005 Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos. César Aguiar. Rotor speed estimation for induction motors using voltaje and current measurements. J.L. Zamora, A. García Cerrada, A. Zaro Algunas de las direcciones son las siguientes: www.ree.es www.ree.es/cap07/estadistico.htm

www.redeweb.com/microbit/articulos/660503.pdf www.redeweb.com/microbit/articulos/520703.pdf

iie.fing.edu.uy/~gcp/a6.pdf www2.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm www.windpower.org/en/core.htm

roble.pntic.mec.es/csoto/eolica.htm www.revistafuturos.info/futuros_6/eolica_1.htm www.infoeolica.com/grandes.html

5 Bibliografía

www.cea-ifac.es/actividades/ jornadas/XXI/documentos/ja00_100/ja00_100.pdf www.gte.us.es/ASIGN/SEFER_2IE/practicas/Practica3.pdf

thales.cica.es/rd/Recursos/ rd99/ed99-0226-01/capitulo1.html thales.cica.es/rd/Recursos/ rd99/ed99-0226-01/capitulo2.html www.mupe.org/elect/prod.html.

122

Anexos

A Esquemas de simulación

A Esquemas de simulación

A Esquemas de simulación A continuación se expondrán los esquemas de simulación utilizados en los diferentes apartados

125

A Esquemas de simulación

126

Emulación de una turbina con control V/F.

W_Nominal_T urbina 0

w_tur P

0

Reductora

Constant 5

ref pitch v iento (m/s)

Constant3

Tem

63

v elocidad (rpm)

1/n_rpm

Par_resis

ref man_sat

Paso a rad/seg sal

Par_eol

comparacion par Sine Wave1

Turbina eólica + T ransmisión mecánica (referida al ej e del generador)

Display3 Retardo1

Control PID analógico con antiwindup Analog Input

0

1500/5

Analog Output m ando National Instruments PCI-6024E [auto]

1/n_rpm mando

wr National Instruments PCI-6024E [auto]

vel

vel_rpm

T o Workspace2

1/wm_base

To Workspace3

0 1/wm_base Display1

Analog Input intensidad National Instruments PCI-6024E [auto]

0.336

1/(S_base_cc/wcc_base)

1.55e4 Par_aerogenerador

ganancia sonda V-A T esion_i To Workspace

int_A T o Workspace1

Fig. 1. Esquema de simulación empleado en el laboratorio

Figura 121. Esquema de simulación empleado en el laboratorio

w

A Esquemas de simulación

127

Control vectorial. Lazos de corriente integrados en el lazo de velocidad

usq isq_ref

w_ref 1

Km

1

Lr/Lm

T_base*Tm.s Step Transfer Fcn1

1/a

Ki

T_base*Ti.s

u(1)*u(2) Gain1

T_base/a.s+1 Gain2

Gain3

Transfer Fcn3

Tv1

isq

Transfer Fcn2

Lm/Ksigmar

f(u)

flujo rotor

Tv2

1 T_base*J.s w_real Transfer Fcn

0.1 usd 8

Par_resis

isd_ref 1/Lm

1

Ki

T_base*Ti.s V vs w

Gain5

1/a T_base/a.s+1

Gain4 Transfer Fcn5

isd Transfer Fcn4

flujo

Figura 122. Modelo de simulación con los lazos de corriente integrados en el de velocidad

A Esquemas de simulación

128

Control de velocidad con PWM vectorial

isdr_ref usd 1/Lm

vsd [w]

Control PI corriente Gain3

V vs w

usd_ref

isd_ref

[i sdr]

w

usd

Desacoplo vsd [i sqr]

isd_real

v sd

d

isq

[vsD]

d' q

[flujo_ref]

[fluj o_ref]

f lujo sen

Control PI corriente

isq_ref

[coseno]

cos

[isqr]

wr_real

[w]

usq

w

[i sdr]

isq_real

Goto10 d,q -> d',q'

Desacoplo vsq

isd

[flujo_ref]

[vsQ]

q'

usq_ref

isq_ref

Control PI velocidad

wr

[seno]

desacoplo vsd

w_ref

Step [wr]

Goto9

d,q -> d`,q`

Goto4

v sq

f lujo

[wr]

wr

desacoplo vsq isqr_ref vsq usq

[i sqr]

isq

[fl uj o_ref]

f lujo

[wr]

calculo w

[w]

w

Goto3

wr

[i sqr]

isq

[seno]

sen

[fl uj o_ref]

f lujo

[th_mec]

calculo theta

theta

teta

SIN COS d/2

th_mec

w [wr]

Goto5 [coseno]

cos

Goto6

sen_X*d

w

theta

T erminator4

cos_X*d

T erminator5

Sen, Cos, Comp_teta

iSr VSrs [vsD]

Control Vectorial [vsQ]

s1

s1

s2

s2

s3

s3

isdr Un

v sD

v sQ

Inversor T rifásico (ideal)

v cond

sqrt(2)*U_base

VSrs VSst

iSr

a

iSs

b

Vn iSt VStr

sen

[coseno]

cos

T erminator2 Motor

Wn

[seno]

iRr

VRrs Inducción

Termi nator3

inversor_Uf 0

VRst

1/(sqrt(2)*I_base)

q

Gain15 1/(sqrt(2)*I_base)

[isdr] Goto7 [isqr] Goto8

Gain16

a,b -> d,q

(mod. din.) iRs

Vcond

d

a,b -> d,q (a+b+c = 0)

Termi nator iRt

i sqr

Termi nator1 VRtr

rotor

par_mot

Tem

Carga n_rpm

n_rpm

th_mec

[th_mec]

wr w

1/wm_base

par_res

Gain18

Goto2 Gain1

Motor_asíncrono_(a) 0.1 par resis

M_base

par_motor

[wr] Goto1

Carga Motora

Gai n2

wr 0 Di spl ay2

Figura 123. Esquema para el control de la velocidad con un control vectorial

A Esquemas de simulación

129

Simulación completa del aerogenerador

isdr_ref

usd

Control PI corriente usd Gain3

V vs w

iSr

usd_ref

vsd

VSrs

isd_ref

1/Lm

w

[i sqr]

isq

[fl ujo_ref]

f lujo

Desacoplo vsd v sd

isd_real

[isdr]

[w]

d d'

s1

s1

s2

s2

s3

s3

isdr Un

v sD

VSrs

iSr

a

iSs

b

q

[fluj o_ref] Goto4

Control PI corriente usq

isq_ref

[isqr]

wr_real

isq_real

[w]

w

[i sdr]

isd

[flujo_ref]

f lujo

[coseno]

v sQ

VSst Vn

iSt

d,q -> d',q'

Motor

Wn

v cond

sqrt(2)*U_base

inversor_Uf VRst

0

calculo w

w

[isqr] Goto8

Gain16

par_mot

wr w

Carga [th_mec]

1/wm_base

[wr]

par_res

Gain18

Goto2 Gain1

f lujo

q

[isdr] Goto7

a,b -> d,q

Terminator1

th_mec

vsq

isq

cos

Gain15 1/(sqrt(2)*I_base)

Terminator

Tem

n_rpm

n_rpm

[isqr]

[coseno]

1/(sqrt(2)*I_base)

isqr

iRt

VRtr

rotor

desacopl o vsq

[flujo_ref]

sen

Terminator3

(mod. din.) iRs

isqr_ref

Motor_asíncrono_(a)

Goto1

Carga Motora

[w]

par_mi

Goto3

wr

[wr]

Terminator2

iRr

VRrs Inducción

Vcond

usq

[seno]

d

a,b -> d,q (a+b+c = 0)

VStr

cos

Desacoplo vsq v sq

wr

[wr]

Inversor Tri fásico (ideal)

sen q'

usq_ref

isq_ref

Control PI velocidad wr

[wr]

[seno]

desacoplo vsd

w_ref

[w_ref]

Control Vectorial

d,q -> d`,q`

0 W_Nominal_Turbina [isqr]

0 0

pitch v iento (m/s)

5 Constant3

Tem

v elocidad (rpm)

Display2

theta sen

[flujo_ref] Reductora

Constant

isq

w

w_tur

[th_mec]

63

1/n_rpm

Par_resis

1/wm_base

Paso a rad/seg

Paso a rad/seg1

f lujo

calculo theta

theta

teta

SIN COS d/2

th_mec

[w_ref] Goto9

[wr]

Goto5 [coseno]

cos

Goto6

sen_X*d

w cos_X*d

Sen, Cos, Comp_teta

Par_eol

[seno]

2.5019

Terminator4

Gain2 [w_ref]

Terminator5 w_vs

par_vs Turbina eólica + Transmisi ón mecánica (referida al eje del generador)

5 Constant1

Sine Wave1

Retardo1

1.55e4

0 Display3 Display1

0

Product v_vi ento

Ucc_exc

Ucc_exc Ucc

Iexc

Motor DC

w

Icc Ecc

Iexc

Par

-1

par_cc

Motor de Continua

0

Icc Display

-1

R_carga

Figura 124. Esquema completo de la simulación de un aerogenerador

pot

A Esquemas de simulación

130

Algoritmo de estimación de la velocidad.

Gain8 Analog Input Analog Input

fr entrada

salida

Analog Input1

fr

Gain7

Analog Input2

fs

VSrs entrada

salida

Gan_sonda

fs

Vst

filtro1 f

National Instruments PCI-6024E [auto]

Analog Input

Vrs

filtro

National Instruments PCI-6024E [auto]

Analog Input

Gan_sonda

Gain6 f

VSst entrada

salida

Gan_sonda

Ir Frf

filtro2

National Instruments PCI-6024E [auto]

Analog Input Analog Input3

Frf iSr entrada

salida

Gan_sonda

Is r

filtro3

Gain3

r

National Instruments PCI-6024E [auto]

Estimador de velocidad

iSs Analog Input Analog Input4

entrada

salida

filtro4

mando Analog Output

Gan_sonda Gain1

w_real

Repeating Sequence

National Instruments PCI-6024E [auto]

Figura 125. Esquema del algoritmo de estimación de velocidad

Analog Output National Instruments PCI-6024E [auto]

A Esquemas de simulación

131

Esquemas comunes.

Par_resis 2

Par_resis Tem

V_viento

TSR

2

3

wr

dwr/dt

TSR

1/J_tur

viento (m/s)

f(u)

30/pi

1 velocidad (rpm)

Inercia del generador

Tv Cp(TSR,pitch)

1 s

Par_eol 3 Par_eol

1

1

1/wn_pitch^2s2 +2*seta_pitch/wn_pitchs+1

pitch

Rate Limiter

Dinámica del actuador de pala

R_rotor velocidad lineal punta de pala

Fig. 2. Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador) Figura 126. Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador)

b

w2 0 antiwindup

w1 1

AND

K

1

Ti.s

[sat_man]

man_sat

1 ref

w4

>=

linmax

OR Td.s

~tipo_dif

[sat_man]

=

wr_real

OR

linmin

= OR

2

linmin1

[sat_man2] Memory1