Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos. AUTOR: César Aguiar García MADRID, Mayo de 2005 Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Dedicado a Mª Luz y Ana porque iluminan mis días, porque son razones para seguir y han aguantado con paciencia buena parte de mi humor realizando este proyecto. A Liti que vio el emulador en marcha y disfrutó más, si cabe, que yo, sin duda no sería tan… técnico sin él. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Índice general. Resumen. Summary. Memoria. Pliego de condiciones. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Resumen. Título Emulador de turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos. Autor César Aguiar García Directores Juan Luis Zamora Macho Fidel Fernández Bernal Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Introducción. El presente proyecto nace con el objetivo de mejorar y simplificar los ensayos y estudios, cada vez más frecuentes, en el funcionamiento y el control de generadores de energía eléctrica. Para ello se pretende diseñar, montar y probar un simulador que permita someter a uno de estos generadores a cualquier situación de funcionamiento. Solución planteada. Se ha desarrollado una solución que utiliza un sistema en tiempo real basado en el Real Time Windows Target de MatLab para adquirir las señales del sistema y calcular una referencia (velocidad angular) que se manda a un control para calcular el mando del actuador formado por una variador V/F y un motor asíncrono que actúa sobre el generador para accionarlo según se desee. Así por ejemplo el sistema de tiempo real, en este caso, lleva modelado un sistema dinámico con las ecuaciones de funcionamiento de un aerogenerador sin controlar. De esta forma se puede accionar el generador con condiciones de viento (VV) y ángulo de ataque de los álaves de las hélices (βPITCH) y el simulador actúa sobre el generador según actuaría ese tipo de instalación en esas mismas condiciones. Implantación. La solución ha sido desarrollada, instalada y probada haciendo uso de uno de los bancos del Laboratorio de Máquinas Eléctricas del ICAI Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 (Grupo 4). A continuación se muestra un esquema de lo desarrollado (CF. Fig. R1) y se explica la labor en cada uno de los tres grandes bloques. Ordenador Entrada Actuador Generador βPITCH Modelo de aerogenerador VVIENTO Ajuste de modelos - Control V/F Motor Asíncrono Generador wR TR Sensor Ajuste de modelos Ordenador, entradas, modelo de aerogenerador, control Carga Sensor Ajuste de modelos Máquina asíncrona (Actuador) Generador Variador V/F Unidrive (Actuador) Sensores Carga Figura R2 “Detalle de la implantación” Ordenador. Se ha utilizado como plataforma de desarrollo para comprobar la validez del emulador completo en simulación. Una vez comprobado esto se ha usado: -Interfaz de manejo del emulador. -Como plataforma para la adquisición de datos. -Estimador de velocidad del sistema en una turbina eólica (Emulador). Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 -Implantar un control PI con antiwindup para mantener al emulador en la velocidad que calculada. Actuador. Se ha utilizado un variador V/F Unidrive y una máquina asíncrona trifásica conectada en estrella a 220 V en modo motor. El variador se ha adecuado para recibir la señal de mando calculada por el modelo implantado en el ordenador y generar a su vez las señales de tensión-frecuencia para la máquina asíncrona. Generador. Se ha utilizado una máquina de continua en modo motor de 220 V y 3.5 kw que representa el generador eléctrico en el emulador. Se ha usado una resistencia variable a modo de carga pasiva. Además se utilizado una pequeña máquina de continua que genera una señal proporcional a la velocidad la cual ha sido ajustada para su uso como realimentación de velocidad angular del sistema. Para terminar se ha tomado una muestra de la tensión de salida del generador en una resistencia de valor fijo y conocido conectada en serie con la carga para calcular el par eléctrico resistente de la instalación y realimentarlo en el emulador. Resultados. Una vez el sistema se ha implantado y se comprueban que las dinámicas del simulador son correctas (más rápidas) para actuar sobre uno de estos generadores, se han comprobado la fiabilidad de cada una de las soluciones pensadas y desarrolladas, etc. Se ha podido someter al generador a situaciones propias del escenario industrial en el que funciona. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 A continuación se muestra algunos resultados registrados en simulación y en funcionamiento real del emulador: 1º Respuesta del actuador controlado a una sucesión de escalones para comprobar la linealidad del mismo. 2º Respuesta del emulador en funcionamiento real a un escalón en referencia de la velocidad del viento (VVIENTO) 3º Respuesta del emulador en simulación a una entrada de velocidad del viento sinusoidal de 0.2 Hz y 2 m/s de amplitud. 4º La misma señal de excitación que en el caso anterior pero esta vez en funcionamiento real. Salida medida y filtrada Velocidad de referencia calculada 0.9 1 0.8 Velocidad medida y filtrada Referencia 0.7 0.9 Velocidad (pu) Velocidad (pu) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.8 0.7 0.6 0.1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 5 t (s) 6 6.5 7 t (s) 7.5 8 8.5 Respuesta a un escalón en referencia de VVIENTO. Respuesta del actuador a una escalera de escalones 0.5 5.5 0.7 Referencia generada por el modelo de aero. Respuesta del sistema Velocidad medida y filtrada Velocidad de referencia calculada 0.65 0.495 0.49 0.6 Velocidad (pu) Velocidad angular Wr (pu) 0.485 0.48 0.475 0.47 0.465 0.55 0.5 0.45 0.4 0.46 0.35 0.455 0.3 0.45 11 12 13 14 t (s) 15 16 10 12 14 16 t (s) 18 20 22 Simulación de una sinusoide en referencia de VVIENTO. Respuesta a una sinusoide en referencia de VVIENTO. Figura R3. “Resultados del emulador en simulación y en funcionamiento real .” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Summary. Title Author Directors Drive Emulator for running Electric Generators César Aguiar García Juan Luis Zamora Macho Fidel Fernández Bernal Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Introduction. The present project is based on the objective to improve and simplifying studies and test, every time more frequent, in the performance and control of electricity energy generators. For this it’s designed, developed and arranged an emulator which has allowed subject to one of these generators to any working situation. Set up solution. It has been developed a solution which use a real time system based on Real Time Windows Target included in Mat lab 7.01 to take signals from the system and calc a reference (angular velocity) that send an error to the control developed to calculate the command signal. This signal is used for the U/F system to excite an electric gear that operates the electric generator in the desired situation. The real time system, in this project, has a dynamic model with the equation of working of a wind turbine. By this way is possible tu operate the generator with wind condition (VWIND) and any angle of scoop helix. Implant. Above it’s possible to see an image with the theory model and the real emulator. So now it’s explained each part of the project. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Ordenador Entrada Actuador Generador βPITCH VVIENTO Modelo de aerogenerador Ajuste de modelos - Control V/F Motor Asíncrono Generador wR TR Sensor Ajuste de modelos Ordenador, entradas, modelo de aerogenerador, control Carga Sensor Ajuste de modelos Máquina asíncrona (Actuador) Generador Variador V/F Unidrive (Actuador) Sensores Carga Figura R2 “Detalle de la implantación” Computer. It’s used like develop platform to try the model was ok. Unce this was proved, it has been used to. -Interface to operate the system.. -Platform to take signals from the system . -To estimate velocity in a wind turbine installation. -To arrange an antiwindup PI regulator. Actuator. It has been used a V/F system and an asynchronous machine in motor mode to run the generator to the specific velocity by the emulator. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Generator. It has been used a dc machine in motor mode as generator with a resistor in the charge. At last to acquire signals from the system it has been used two sensors. A small dc motor to take a signal of velocity. And another sensor to measure the torque of the installation. Results. Now it’s shown the performance of the system in several situations: 1º Chair signal response of actuator in its nominal range. 2º Step response of the emulator (Vwind) 3º Response of the virtual emulator exciting with a sinusoidal signal (0.2 Hz and 2 m/s amplitude). 4º Same signal above but in the real emulator. Salida medida y filtrada Velocidad de referencia calculada 0.9 1 0.8 Velocidad medida y filtrada Referencia 0.7 0.9 Velocidad (pu) Velocidad (pu) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.8 0.7 0.6 0.1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 5 t (s) 6 6.5 7 t (s) 7.5 8 8.5 Respuesta a un escalón en referencia de VVIENTO. Respuesta del actuador a una escalera de escalones 0.5 5.5 0.7 Referencia generada por el modelo de aero. Respuesta del sistema Velocidad medida y filtrada Velocidad de referencia calculada 0.65 0.495 0.49 0.6 Velocidad (pu) Velocidad angular Wr (pu) 0.485 0.48 0.475 0.47 0.465 0.55 0.5 0.45 0.4 0.46 0.35 0.455 0.3 0.45 11 12 13 14 t (s) 15 16 10 12 14 16 t (s) 18 20 22 Simulación de una sinusoide en referencia de VVIENTO. Respuesta a una sinusoide en referencia de VVIENTO. Figura R3. “Resultados del emulador en simulación y en funcionamiento real .” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 MEMORIA Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Agradecimientos. Se podría hacer interminable el recoger los agradecimientos que se desprenden de la consecución del presente proyecto. Hacerlo me obliga además a caer en la siempre triste fatalidad de olvidar a alguien al que desde ya le agradezco su apoyo y ayuda sin haberlo escrito. Pero hay que escribir algo y sin duda mi primer agradecimiento es para Juan Luis Zamora y Fidel Fernández que me han apoyado pese a mi, en ocasiones, complicada situación. Sin ellos hubiera sido imposible conseguir desarrollar el dichoso simulador y son ellos realmente los verdaderos autores del mismo. Quiero dar un agradecimiento muy especial a mis compañeros de promoción del ICAI que me han aguantado, ayudado y apoyado en todo momento. Para acabar agradecer a todos aquellos que han aguantado conmigo el desarrollo del proyecto. Gracias, sin vosotros este documento no existiría. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Índice. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Capítulo dea.icai.upco 2005 Página 1. INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO 7 1.1. Prólogo 8 1.2. Motivación y estado del arte 11 1.3. Objetivos 15 1.4. Metodología y recursos 16 2. DESCRIPCIÓN DEL MODELO DESARROLLADO 19 2.1. Especificación de la solución 20 2.2. Descripción de las tecnologías 26 2.3. Desarrollo de las soluciones 34 2.4. Implantación 43 2.5. Protocolo de funcionamiento 46 3. ANÁLISIS DE RESULTADOS 54 3.1. Análisis del banco sin lazos de control 56 3.2. Análisis del simulador en lazo cerrado 60 3.3. Análisis del emulador de turbina 66 4. CONCLUSIONES 73 5. CÁLCULOS Y JUSTIFICACIONES 78 5.1. GLOSARIO 80 5.2. ECUACIONES DE MODELOS 82 5.3. BLOQUES FUNCIONALES E INICIALIZACIÓN 85 6. BIBLIOGRAFÍA 54 7. ANEXOS 32 Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Capítulo I. Autor: César Aguiar García dea.icai.upco 2005 Introducción y planteamiento del proyecto. Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 1.1. Prólogo. El presente proyecto nace de la idea de mejorar y simplificar los ensayos y estudios, cada vez más frecuentes, en el funcionamiento y el control de generadores de energía eléctrica. Para realizar estos estudios y ensayos se suelen utilizar las propias instalaciones de generación ó se estudian y prueban por separado el funcionamiento de dichos generadores. 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. Para ello se ha elegido comenzar con la simulación de un aerogenerador. Esto es, se ha desarrollado un modelo dinámico que, programado en un ordenador y con un sistema de control permite hacer que el generador eléctrico esté funcionando en las condiciones en las que estaría de estar funcionando en un parque eólico. El modelo típico de una instalación de generación de energía eléctrica en instalaciones que usen generadores eléctricos (Es decir casi todos los tipos menos por ejemplo los de energía foto-voltaica) responden al siguiente modelo básico que se utiliza para ilustrar de una manera sencilla y simplificada lo que persigue el proyecto. (CF. Fig. 1.1.1.) El modelo pide la velocidad del viento y el ángulo de ataque de los álabes (Pitch), como entradas y el control entrega las referencias necesarias a un actuador que es el que simula físicamente el funcionamiento de la turbina eólica que acciona el generador eléctrico. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Energía utilizada dea.icai.upco 2005 Sistema de intercambio de energía w VGenerador eléctrico Consumo Par Figura 1.1.1. “Esquema básico de un sistema de generación de energ´ía eléctrivca en una instalación de rotación” Como actuador se ha utilizado un variador tensión-frecuencia (V/F) que excita un motor asíncrono, controlando el sistema en lazo cerrado con un control PI. Así, si tenemos referencias de velocidad del viento y velocidad angular del sistema, en el escenario real de parque eólico, el sistema se excita en tales condiciones. Tal y como ocurriría en un parque real, si la carga que se le pide a la red aumenta, el modelo responde adquiriendo del sistema el par creciente que se le demanda al generador y sigue el régimen que seguiría en la instalación. Todo el desarrollo, como se explicará más extensamente a lo largo del presente documento, se ha realizado utilizando un banco de máquinas eléctricas del laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI, así como un ordenador con un sistema de tiempo real integrado y un actuador V/F como ya se ha comentado. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 En los capítulos siguientes se irán detallando cada una de las partes comentadas en esta breve introducción, así como la justificación de cada una de las soluciones adoptadas. Se incluye también, en este documento, un glosario que facilita la comprensión de cada uno de los capítulos en especial el dedicado a los cálculos que justifican la consecución de los objetivos planteados. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 1.2. Motivación y estado del arte. El desarrollo y explotación de instalaciones de generación de energía eléctrica nació en los inicios del siglo XIX como alternativa al uso de otras energías: hidráulica clásica, térmica, etc. El crecimiento tanto del consumo energético per cápita, como el control de la energía, han sido una constante. En el desarrollo de Norte América, por ejemplo, (Cf. Fig. 1.2.1), el consumo a partir del año 1900 observa un crecimiento acelerado, hecho que concuerda con la aceptación y desarrollo de la Energía Eléctrica en Corriente Alterna. En lo que se refiere a uso del combustible primario de energía, se tiene que el Petróleo, el Carbón y el Gas han sido, a través del tiempo, nuestras principales fuentes energéticas. Figura 1.2.1 “Consumo Energético y fuentes primaria de Energía en USA desde 1850 (En mill de Tm)” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El éxito de dicha energía se debe a su facilidad de transporte desde los centros de generación a los núcleos de consumo; ciudades, factorías, etc. La demanda ha ido creciendo con el desarrollo de la sociedad de tal forma que ya hoy no se concibe la vida tal y como la conocemos sin el uso y consumo de dicha energía. La dependencia de las economías por el consumo de energía es cada vez mayor y casi se convierte en indicador indiscutible del nivel de desarrollo de un país. El esquema básico de una instalación de generación de energía eléctrica se muestra la figura 1.1.1 Cómo se aprecia en la figura anterior la base de cualquier instalación de generación de energía eléctrica, dejando a un lado las instalaciones fotovoltaicas, se basa en un dispositivo (Cf. Fig 1.1.1) que transforme su energía natural en energía cinética. De esta forma en una central térmica, ya sea nuclear ó de incineración de residuos, combustibles minerales etc. Hay un intercambio similar al mencionado. Existen turbinas de vapor ó de gas que intercambian en sus álabes energía térmica en energía cinética. Las centrales hidráulicas intercambian en sus turbinas la naturaleza de la energía potencial ó cinética del agua en energía cinética y las centrales eólicas hacen lo propio con la energía cinética del aire en lo grandes álabes de los molinos que cada vez más pueblan nuestro entorno. La energía cinética que se genera en estas instalaciones se convierte en energía eléctrica a partir de los generadores síncronos, asíncronos ó incluso con máquinas de continua. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El continuo crecimiento del consumo de energía eléctrica, la creciente demanda de energía para dispositivos electrónicos (inyección de armónicos de tensión y corriente en la red), y la necesidad de mejorar constantemente el rendimiento de estas instalaciones así como conseguir energías renovables de alto rendimiento, han hecho que el estudio de generación en estas instalaciones se intensifique en los últimos años. De esta forma mientras hace apenas unos años los generadores eléctricos eran máquinas eléctricas convencionales, ahora es muy común encontrarse con instalaciones controladas, señales eléctricas generadas rectificadas. El estudio de estas estrategias de control hace cada vez más importante la introducción de dichos dispositivos en laboratorios donde se pueda recrear el entorno industrial en el que funciona de forma que se planteen y diseñen soluciones para la mejora del rendimiento de los mismos. Así como el encendido ó apagado, la conexión o desconexión de la red, etc. El presente proyecto pretende resolver el problema del estudio en laboratorio de dichos generadores, emulando en un entorno virtual la instalación que permite adquirir de una u otra forma energía transformándola en energía cinética que vaya al generador. En este caso, la instalación a estudiar será un generador eólico que tal y como se ha comentado anteriormente intercambia energía cinética entre el aire y una turbina eólica de forma que es capaz de entregarla en forma de par/velocidad a un generador. La idea es poder montar el generador de energía eléctrica en laboratorio sin necesidad de disponer del resto de la instalación. De forma que sea un ordenador 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 poder realizar. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El proyecto se centra en generadores eólicos aunque se puede ver fácilmente que si se consigue simular dicho entorno, el resto de entornos de generación comentados al principio de este prólogo sería relativamente sencillo. Es evidente que el desarrollo tecnológico en el campo de la generación de energía eléctrica está en constante evolución. Las pruebas y mejoras sobre: -Dispositivos de intercambio de energía. -Generadores eléctricos. Son constantes. El presente proyecto es una idea más en ese esfuerzo de mejora en un campo en el ya hay iniciativas similares puestas en marcha. Véase: -Desarrollo de generadores. (C.F. www.ge.com) -Desarrollo y fabricación de aerogeneradores. (www.mtorres.es) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 1.3. Objetivos. -Introducción a las instalaciones de generación de energía eléctrica, centrándose en particular en los generadores eólicos. -Búsqueda de soluciones para el desarrollo de un entorno virtual que permita realizar pruebas sobre generadores eléctricos físicos en laboratorio utilizando modelos dinámicos de la instalación aguas arriba del generador eléctrico. -Estudio de las posibilidades que ofrece el laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI para conseguir un banco de pruebas, prototipo. -Desarrollo de los modelos necesarios para desarrollo ese entorno virtual. -Diseño del control para el actuador de simulación. -Adecuación del material disponible para su uso con el fin deseado (Sensores, motores, ordenador/es, etc.) -Implantación y pruebas sobre el prototipo. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 1.4. Metodología y recursos. El esquema básico de una instalación de generación eléctrica se muestra a continuación. (C.F. Fig. 1.4.1) Aire Energía Energía cinética eléctrica Figura 1.4.1. “Esquema básico de una instalación de generación de energía eléctrica” La solución contemplada sustituye toda la instalación, desde los álabes hasta el eje que se conecta al generador eléctrico, por un modelo dinámico y un actuador controlado en lazo cerrado que simule dicha parte de la instalación. Para ello se utilizará: -Un motor eléctrico asíncrono que se utiliza como accionamiento de la emulación de la turbina eólica. -Un motor eléctrico síncrono que se utilizará como generador dependiendo del escenario de emulación en el que se esté. -Un motor eléctrico de continua que se utilizará como generador dependiendo del escenario de emulación en el que se esté. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 -MatLab y Simulink como plataforma de desarrollo. -Variador tensión frecuencia, que se utilizará como accionamiento del motor asíncrono. -Modelo dinámico del aerogenerador para su uso como estimador de la referencia de velocidad a la entrada del simulador con la velocidad del viento y el ángulo de los álabes como datos de entrada. -Resto de modelos para su uso en la consecución de controles, pruebas anteriores a la implantación, etc. La emulación de la turbina se realizará siguiendo el siguiente esquema: 1º Controlando el motor asíncrono de manera que siga una referencia de velocidad. 2º Modelando el comportamiento de la turbina de manera que al ordenador se le introduzca la velocidad del viento y la posición de los álabes del generador eólico y el modelo entregue una referencia de velocidad al sistema anterior. 3º El motor asíncrono actúa como simulador del generador eólico y el entrega un par al generador eléctrico de forma que se puedan reproducir los funcionamientos reales de estas instalaciones en laboratorio. 4º El generador (Máquina de continua), a su vez alimenta una carga variable que modifica el par resistente de la instalación. Este par resistente se mide y se realimenta al sistema para que el modelo de generador emule el funcionamiento en situaciones reales, generando así la referencia de velocidad mencionada en el punto 1. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El sistema de simulación, se anota, debe ser más rápido que la respuesta del sistema real en sus situaciones habituales de trabajo. El esquema básico de implantación descrita en los cuatro puntos anteriores se muestra en la siguiente figura. (C.F. Fig. 1.4.2) Fig.1.4.2 “Diagrama de bloques simplificado del objetivo a conseguir” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Capítulo III. Autor: César Aguiar García dea.icai.upco 2005 Descripción del modelo desarrollado. Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.1. Especificación de la solución. En este capítulo se detallan cada una de las partes de una instalación de generación eólica que se pretenden simular, así como las soluciones adoptadas en cada caso. (C.F. Fig. 2.1.1) ZONA 1 ZONA 3 Figura 2.1.1. “Secuencia de sustitución de elementos reales por simulados.” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Atendiendo a la esquema que presenta la figura 2.1.1. se reconocen tres problemas que se abordan y componen el presente proyecto: ZONA 1: qué es lo que se quiere obtener. ZONA 2: cómo se ha pensado la solución. ZONA 3: elementos físicos de la implantación. En la Figura 2.1.1 se observan los detalles anteriores marcados como ZONAS 1, 2 y 3. 2.1.1. ¿Qué es lo que se desea hacer? Como ya se ha comentado en apartados anteriores (C.F. Capítulo 1.1), el presente proyecto busca una solución para simular el comportamiento de instalaciones de generación de energía eléctrica. En este caso, como ya se ha comentado también, la instalación a simular es un aerogenerador. La figura de la derecha muestra el esquema básico de una instalación de este tipo. El aerogenerador se aproa al viento para recibir las corrientes de aire lo más paralelo posible al eje de las Figura 2.1.2. “Detalle de la Zona 1. Fig. 2.1.1” hélices. El aire atraviesa con una velocidad (VVIENTO) el plano de las hélices e intercambia su energía cinética con el sistema transformándose en un par/velocidad en el eje de la instalación. Ese par/velocidad se transmite mediante una multiplicadora hasta llegar al eje del generador eléctrico. Éste último recibe esa Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 energía cinética de rotación y la convierte en energía eléctrica que a su vez se entrega a la red (En nuestro caso una carga pasiva) y como consecuencia de esa carga conectada al generador se genera un par eléctrico de oposición al generado en el origen por las palas de las hélices y en último término por el viento. Ese par resistente sumado a los pares resistentes mecánicos que cada parte de la instalación mecánica opone al movimiento hacen que se equilibre al par generador del viento estableciéndose el equilibrio. Lo que se ha perseguido en este proyecto es conseguir conectar un actuador a un generador eléctrico de tal forma que este se comporte como si funcionara integrado en la instalación explicada anteriormente. 2.1.2. ¿Cómo se ha pensado la solución? Figura 2.1.3 “Detalle de la ZONA 2 del desarrollo secuencial del proyecto” Estudiando el problema se llega a la conclusión de que para conseguir el objetivo anterior se necesita un actuador rotatorio (Un motor por ejemplo) que reciba una referencia de velocidad (wR) y la entregue a un generador eléctrico, con una serie de propiedades que han ido conformando los problemas y las sucesivas soluciones empleadas a lo largo del desarrollo del proyecto. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Primero, está claro que, desde que ese “hipotético” actuador recibe su consigna de velocidad hasta que la consigue, existe un transitorio y unas dinámicas que deben ser lo suficientemente rápidas para que el sistema simule lo que se pretende. En segundo lugar, la instalación completa del banco-simulador no tiene como entradas una consigna de velocidad wR. En realidad tiene como entradas, además de todas las especificaciones necesarias de la instalación simulada, la velocidad del viento (VVIENTO) y el ángulo de ataque de las hélices (βPITCH). Es decir el sistema además de controlar el actuador en lazo cerrado, debe estimar el valor de wR que tiene el modelo completo a partir de las entradas anteriores y del par eléctrico resistente que tiene la instalación en cada instante. Y esta ha sido la solución que se ha pensado: (C.F. Capítulo 2.2. “Descripción de las tecnologías” para ver lo detalles de cada una de las partes de la solución adoptada) Un modelo dinámico que estime la referencia de velocidad angular (wR) a partir de la descripción dinámica del aerogenerador y de la monitorización en tiempo real de las variables del sistema necesarias para hacerlo. Siendo estas variables: - wR: velocidad de rotación de la instalación. -TR: par eléctrico resistente. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.1.3. Elementos físicos de la implantación. Para conseguir el objetivo anterior se han usado las siguientes tecnologías. (C.F. Fig. 2.1.4.) 2 1 3 Figura 2.1.4 “Detalle de la ZONA 3 del desarrollo secuencial del proyecto”. Tecnologías utilizadas. 1º Un actuador controlado en lazo cerrado con una dinámica bastante más rápida que la instalación simulada. Se ha utilizado un motor asíncrono controlado en V/F para realizar esta labor. 2º Un controlador para el actuador anterior. 3º Además como generador eléctrico se ha utilizado un motor de continua con una carga pasiva de valor variable. 4º Por último, señalar como se verá en los capítulos 3 y 5, “Análisis de resultados” y “Cálculos y justificaciones” respectivamente, que antes de implantar la solución física del simulador se han realizado modelos físicos, dinámicos del banco de simulación completo para comprobar antes de dicha implantación que la solución adoptada era correcta y sobre todo factible. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Para cerrar este capítulo destacar a modo de aclaración que el aerogenerador que se ha simulado es una máquina de 1 Mw de generación y el banco utilizado es un banco del laboratorio de máquinas eléctricas de la Universidad Pontificia de Comillas (En este caso se ha utilizado el Grupo 4) de 3.9 Kw. (C.F. Capítulo 2.2. “Descripción de las tecnologías”). Para solucionar este problema se han utilizado magnitudes unitarias para adecuar el modelo físico del aerogenerador y el resto de la instalación. De esta forma se pueden realizar ensayos sobre el generador eléctrico y extrapolarlas a una instalación real y además los datos de entrada del sistema son reales de la instalación que se pretende simular y los datos de salida se pueden convertir a los datos reales fácilmente. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.2. Descripción de las tecnologías. Una vez se ha planteado y dejado claro el problema y los objetivos que se han perseguido así como las soluciones adoptadas en cada uno de los problemas planteados en el apartado anterior, a continuación se describen cada una de las tecnologías ó partes utilizadas en la solución del proyecto. (C.F. Figura 2.2.1.) Ordenador Actuador Generador βPITCH VVIENTO Modelo de aerogenerador Ajuste de modelos - Control V/F Motor Asíncrono wR Sensor Ajuste de modelos Generador Carga TR Sensor Figura 2.2.1. “Diagrama descriptivo de la solución completa adoptada en el simulador de aerogenerador” Las partes que se muestran en la figura componen el simulador completo montado y listo para usarse. A continuación se van a enumerar las distintas partes utilizadas, diseñadas ó modeladas. Además cabe añadir, como se detalla en este mismo capítulo más adelante, que el sistema ha sido completamente simulado por ordenador antes de implementar y que se han ido implementado las partes simuladas poco a poco en el banco real, de forma que se fuesen garantizando siempre: -Fiabilidad. -Seguridad. -Adecuación a la realidad. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Como se observa en la figura, el simulador se compone de tres grande bloques principales: - Ordenador. - Actuador. - Generador+carga. A continuación se detallan cada una de esas partes, por qué han sido necesarias, detalles de la tecnología correspondiente y demás detalles técnicos. 2.2.1 Ordenador. El ordenador se ha utilizado como plataforma de desarrollo tanto de los modelos dinámicos necesarios para el funcionamiento del simulador. (Modelo dinámico del aerogenerador) como para los modelos dinámicos necesarios para las pruebas realizadas en simulación de todo el sistema. Además se ha usado para el diseño e implantación de un regulador PI que controla en lazo cerrado la velocidad del sistema y recoge las entradas y salidas necesarias. Para todo ello se ha utilizado la plataforma de desarrollo MatLabSimuLink y el entorno de adquisición de datos en tiempo real Real Time Windows Target (A partir de ahora RTWT). Se pasa ahora a detallar cada uno de los modelos dinámicos que se han necesitado indicando en cada caso si se han usado para realizar y diseñar en simulación ó si se han usado para esto y para el simulador en sí. Se presentan cada uno de estos bloques indicados en la siguiente figura (C.F. figura 2.2.2) Nota. Para ampliar detalles sobre los modelos dinámicos, diagramas funcionales etc. C.F. Capítulos 5.2 y 5.3 “Ecuaciones de los modelos” y “Bloques funcionales”. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Actuador Control -K- -K- Dinámica mecánica P Step2 [tag_n] ref we From1 wm man_sat -K- sal U_base Motor Ind. par par_mot Is par_res Carga n_rpm w Rr'_ext s Carga Motora 1/I_base Motor_asíncrono_(d) w3 w 1 veloc_en_rpm Vs (mod. T din.) 0 V/F con boost1 Control PID analógico con antiwindup w1 w7 w2 w4 2 Is w5 1/M_base 3 m_T Gain Control2 -KAbs |u| Aerogenerador w10 0 W_Nominal_T urbina 0 Display2 w11 Ucc_exc Ucc_exc 0 Ucc Reductora Constant pitch 11 v iento (m/s) Constant3 5 Constant4 0 Slider Gain Display3 Tem 63 v elocidad (rpm) Par_resis Motor DC Iexc Icc Ecc Par w w6 [tag_n] 1/n_rpm Iexc Ecc -1 Motor de Continua Generador eléctrico Goto2 Paso a rad/seg Par_eol w8 Turbina eólica + T ransmisión mecánica (referida al eje del generador) -1 Icc R_carga 0 -K- -K0 0 Par_aerogenerador Display1 -C- 0.4 Constant5 Slider Gain1 Display Figura 2.2.2. “Diagrama descriptivo de la solución completa adoptada en el simulador de aerogenerador” -Aerogenerador: es un modelo dinámico que relaciona, en el entorno de la frecuencia, la velocidad del viento (VVIENTO), el ángulo de ataque de las palas de las hélices (βPITCH), y el par resistente (TR) que opone la instalación al movimiento (par eléctrico resistente) con la velocidad de rotación de la hélice del aerogenerador. Esta velocidad se entrega a un multiplicador que la pasa a velocidad mecánica de las máquinas eléctricas y ésta a su vez se usa como referencia para el simulador. (Este modelo se ha usado tanto en simulación como en funcionamiento normal). -Control PI con antiwindup: se ha desarrollado un regulador para el control en lazo cerrado de la máquina asíncrona. El bloque control + máquina asíncrona componen el simulador propiamente dicho. El diseño se ha realizado atendiendo exclusivamente a criterios de sobrepaso y error en régimen permanente. Para ello se ha empezado sin acción integral y se ha ido subiendo la ganancia proporcional al error hasta tener un sobrepaso del 20%. Una vez conseguido se ha empezado a introducir acción integral hasta conseguir acortar el tiempo de respuesta hasta el error cero en régimen Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 permanente pero sin que aparezcan oscilaciones en la respuesta al escalón en referencia. Evidentemente este bloque se ha usado tanto en simulación como en funcionamiento real. -Modelo de máquina asíncrona. Se ha utilizado un modelo estático que relaciona la ganancia entre la tensión y la frecuencia de excitación de la misma y el par motor que aplica a la carga. Tras este bloque se ha insertado un modelo dinámico que relaciona en el entorno de la frecuencia el par estático con el par dinámico. Cabe destacar que para modelar el variador V/F, como este es utilizado en la zona lineal de la máquina asíncrona, se ha usado simplemente la relación lineal que existen entre la tensión y la frecuencia de excitación de la máquina asíncrona. Este modelo se ha utilizado exclusivamente en simulación. -Modelo de motor de contínua en modo generador: se ha usado un modelo dinámico que relaciona en el entorno de la frecuencia la velocidad del generador con el par resistente eléctrico que opone la carga. -Modelo mecánico: para finalizar se ha añadido un bloque dinámico que relaciona en el entorno de la frecuencia la diferencia entre el par motor que entrega la máquina asíncrona y el par resistente electrico que devuelve la carga con la velocidad angular de banco que entra como variable controlada en el sistema. (Este bloque se ha usado exclusivamente en simulación) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.2.2. Actuador. El actuador físico del sistema está compuesto por un variador V/F y por una máquina asíncrona que se detallan a continuación. -Variador V/F: El variador universal Unidrive es un dispositivo que permite el control de motores de inducción y servomotores en lazo abierto y cerrado. El Unidrive de que se dispone en el laboratorio es el modelo Unidrive LV 3201 con las siguientes características: Tensión nominal: 220 V; Intensidad máxima: 34 A (52 A de pico); Potencia máxima: 7.5 kW; frecuencia de conmutación: 3, 4.5, 6, 9, 12 kHz; Protección por temperatura, sobrecorriente, sobretensión en el bus de continua, mínima tensión de entrada; Control: desde panel en variador o desde panel remoto; Programación: desde panel en variador y desde PC. (C.F. Fig. 2.2.3) Figura 2.2.3 “Variador V/F Unidrive LV 3201 utilizado” En el caso que nos ocupa se ha utilizado en lazo cerrado excitado en la entrada por el sistema RTWT que a su vez se ha controlado con simulink gracias al regulador desarrollado. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 -Máquina asíncrona: se ha utilizado un motor asíncrono trifásico montado en el banco cuatro del laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI. La placa de características se muestra en la tabla siguiente: Tipo de máquina Conexión Tensión Corriente Potencia Velocidad Trifásica Estrella/triángulo 380/220 V 15/26 A 9/9 C.V. 1450 rpm Tabla 2.2.1 “Tabla de características de la máquina asíncrona utilizada.” La máquina ha sido excita siempre en zona de flujo lineal y controlada con el variador V/F que a su vez se ha controlado con el regulador desarrollado para entregar al sistema la velocidad wR y el par motor necesarios para simular el comportamiento de la instalación. Como se podrá ver en capítulos posteriores (C.F. Capítulo 3 “Análisis de resultados”) la velocidad de respuesta de este bloque es mucho más rápida que la de la instalación de aerogeneración por lo que el objetivo de desarrollar un simulador de la misma se consigue en un 90% con el control de esta máquina y la máquina misma. (C.F. Fig. 2.2.4) Figura 2.2.4 “Máquina asíncrona trifásica utilizada” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.2.3 Generador. En este apartado detallamos todo lo asociado al banco que no sea el actuador físico. -Motor de continua: Se ha utilizado un motor de continúa montado en el banco cuatro del laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI. La placa de características se muestra en la tabla siguiente: Tipo de máquina Conexión Tensión Corriente Potencia Velocidad Continua Derivación 220 V 18 A 4 Kw 1500 rpm Tabla 2.2.1 “Tabla de características de la máquina asíncrona utilizada.” El motor excita una carga que se ha implementado como una resistencia variable, que permite elegir entre varios valores de potencia consumida por la carga y que genera un par resistente eléctrico. (C.F. Fig. 2.2.5) Figura 2.2.5 “Máquina de continua utilizada” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 -Sensor de medida de velocidad angular: se ha utilizado un sensor dinamométrico conectado al eje del banco cuatro que entrega una tensión proporcional a la velocidad del banco de tal forma que para la velocidad nominal de la máquina de continua que son 1500 rpm entrega una tensión de continua de 25 V. Para poder utilizar esta señal en el sistema de adquisición de datos utilizado RTWT se ha acomodado la señal con un divisor de tensión y un potenciómetro para ajustar la ganancia. -Sensor de medida de par: como el par en una máquina de continua es proporcional a la corriente que entrega a la carga se ha tomado una muestra de esa intensidad añadiendo una resistencia en serie con la carga y midiendo la tensión en bornes de la misma. De ahí y ajustando las ganancias correctamente se introduce dicho par al modelo de aerogenerador y se cierra el lazo exterior del simulador. (C.F. Fig. 2.2.6) Sensor de velocidad angular. Sensor de par Figura 2.2.6 “Detalle de los sensores utilizados” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.3. Desarrollo de las soluciones. 2.3.1. El actuador del simulador Una vez se ha planteado el problema, se han ido explicando las distintas soluciones adoptadas y se ha introducido en los detalles del desarrollo y la implantación de cada una de esas soluciones, ahora se van a ir mostrando los resultados de cada uno de esos desarrollos en simulación antes de implantarlo en el banco real. Lo primero, si se recuerda del apartado anterior, era controlar un actuador; en nuestro caso un motor asíncrono y un variador V/F; que recibiese una referencia de velocidad para seguirla. Además de seguirla con error cero en régimen permanente, debe hacerlo con una dinámica rápida; entendiéndose por rápida mucho más rápida que la respuesta del sistema que se pretende simular; y rechazando las perturbaciones que pudiera presentar el sistema de forma natural de manera que el generador conectado al simulador pudiera comportarse tal y como se comportaría en su escenario industrial habitual. Para ello se ha utilizado un modelo, como ya se ha mencionado, del motor asíncrono y del variador que se pretenden usar como actuador en el sistema. En la siguiente imagen (C.F. Fig. 2.3.1) se observa el detalle de ese montaje en simulación. (Para ver los detalles de dicho modelo C.F. Capítulo 5.3 “Análisis de resultados”). Una vez probado el modelo con las magnitudes del banco que se está utilizando se ha procedido a desarrollar el control PI con antiwindup que como se menciona en el apartado anterior solo se ha ceñido a criterios de sobrepaso y rapidez con y sin saturación del mando, por lo que se ha implantado el sistema antiwindup para conseguir una respuesta lo más rápido posible pero si obtener un sistema demasiado oscilante, a la vez de garantizar un uso máximo del mando disponible. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 -K- P w2 w4 -K- ref we Step2 Motor Ind. Vs (mod. T din.) -K- sal U_base 0 V/F con boost1 Control PID analógico con antiwindup par wm man_sat Rr'_ext Is s Motor_asíncrono_(d) w3 w5 Gain Control2 -K- Figura 2.2.1 “Detalle del montaje utilizado en simulación para el diseño del control del simulador” Se observa el comportamiento del modelo en lazo abierto lo que refleja el tipo de planta, tiempos de la misma, estabilidad en lazo abierto etc., además de pode comparar con el banco real. El sistema probado incluye el modelo de motor de continua en modo generador, la carga mecánica del sistema y la carga eléctrica. Sin completar el lazo abierto con estos modelos, evidentemente el sistema no sería estable además de no permitirnos estudiar la validez del modelo con el banco que se ha usado ya que tanto la carga mecánica como la carga eléctrica están presentes en los ensayos. velocidad angular (pu) 0.2 0.15 0.1 0.05 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 t (s) Figura 2.2.2 “Respuesta del sistema máquina asíncrona + cargas con un escalón de wE en referencia.” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El resultado de excitar el sistema con un escalón en la referencia se puede observar en la figura 2.2.2. El siguiente paso ha sido conseguir un sistema que responda, como ya se ha mencionado, de manera rápida y precisa. Para conseguir esto se han ido ajustando los parámetros de un regulador que controle en lazo cerrado la planta presentada y que consiga tiempos de respuestas por un lado suficientes para servir a su propósito de simular una planta con unas constantes de tiempo propias y que estén dentro del margen de mando de que dispone el actuador. Lo que se ha hecho para conseguir los parámetros de dicho regulador ha sido en primer lugar aumentar la ganancia de la parte proporcional del regulador (C.F. Fig. 2.2.3) 22 20 w(rad/seg) 18 16 14 12 10 8 6 2500 3000 3500 t(ms) 4000 4500 Figura 2.2.3 “Distintos controles probados con ganancia de la parte proporcional 5, 10, 15, 50, 100” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Con la ganancia proporcional del control elegida para un sobrepaso adecuado (se ha tomado del 20%). KP=15 (Unidades de error, velocidad angular) Ahora se pasa a ajustar la parte integral introduciendo poco a poco desde un valor muy alto de la constante de tiempo integral (1000) hasta obtener una respuesta adecuada, con error cero en régimen permanente, minimizando el tiempo de respuesta y sin oscilaciones en las respuestas debido a un retraso de fase excesivo. Al final se elige una valor del parámetro Ti: Ti= 1.33333 (s) Una vez ajustado los parámetros de ganancia proporcional e integral del regulador probamos el sistema con un escalón en la referencia de velocidad tal que el sistema trabaje en zona lineal y el mando no sature, permitiendo ver el comportamiento sin no linealidades como la que provocaría la saturación del mando por un lado y por otro la puesta en funcionamiento del sistema antiwindup que se ha dispuesto. Se comprueba que la respuesta es la deseada (C.F. Fig. 2.2.2). Y se comprueba, aunque hasta que no se tenga el modelo completo no se detallará, que la rapidez del sistema, a priori, es más o menos aceptable. Véase, por ejemplo, que el tiempo de alcance (TA) es de 20 ms. Cuando se espera que la respuesta de un aerogenerador a un escalón semejante sea de un orden de magnitud mucho mayor. (Varios segundos) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Referencia Respuesta del sistema 0.0612 w (pu) 0.061 0.0608 0.0606 0.0604 0.0602 0.06 5 5.5 6 6.5 t (seg) Figura 2.2.4 “Respuesta del sistema actuador en lazo cerrado ante un escalón en la referencia.” Una vez conseguido esto se ha pasado a acoplar el sistema completo con aerogenerador y generador eléctrico con carga. Se hace notar que para ir viendo los resultados obtenidos en funcionamiento real habrá que referirse al capítulo en el que se reflejan los resultados reales obtenidos. Esto es: Capítulo 3 “Análisis de Resultados”. Para ver detalles de los modelos se repite que se refiera el lector al capítulo 5 (“Cálculos y justificaciones”). Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.3.2. Sistema aerogenerador completo (Simulación). Para conectar el modelo del aerogenerador tanto en simulación como en funcionamiento normal del simulador completamente implementado ha habido que hacer una serie de adaptaciones ya mencionadas. La instalación de generación de energía eléctrica que se desea simular es, para poner un orden de magnitud de lo que se pretende simular y con qué, de 1Mw y el sistema de que se dispone para implementar el simulador de 3.4 Kw. Esto es unas 3000 veces menor. Estas adaptaciones son necesarias para poder utilizar un modelo dinámico del generador y acoplarlo en el lazo del simulador tanto en simulación como en funcionamiento normal. Sin perder la posibilidad de hacer funcionar el sistema en las condiciones reales en las que se encontraría en su escenario industrial habitual. Para conseguir esto lo que se ha pensado es trabajar en unidades reales propias de cada bloque y usar en unitarias en las zonas donde hay que conectar bloques funcionales con distinto rango de trabajo. El aerogenerador tiene los siguientes valores nominales: Potencia Velocidad del viento: Velocidad entregada al eje: Velocidad tras la multiplicadora Par nominal 1000 Kw 11 m/s 24.15 m/s 2035 rpm 4.012 x 105 Nm Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Sin embargo, los datos nominales del generador eléctrico son: Potencia Velocidad tras la multiplicadora Par nominal 3.4 Kw 1500 rpm 25.2 Nm Así entre el bloque generador eléctrico ó el generador eléctrico físico que devuelve el par resistente ó se le mide habrá que pasar a unitarias de la instalación ó el modelo del generador para más tarde pasar a reales de la turbina eólica esta vez tanto en simulación como en funcionamiento normal. Esto mismo ocurre entre la velocidad de rotación que calcula el bloque aerogenerador y la referencia de wR que usa el control del simulador para generar el mando del sistema. Esta última adaptación se hace tanto en simulación como en funcionamiento normal ya que todo lo relacionado con ella, entiéndase control y modelo del aerogenerador, se usa tanto en las pruebas de simulación como en la puesta en marcha del sistema. Una vez se consigue que el sistema sea coherente, si se le hace funcionar, en condiciones nominales el sistema todas las variables tendrán que ir a valores nominales. Para comprobar esto se hace correr la implantación completa con una velocidad de viento (VV) nominal de 11 m/s y se comprueba el valor de las variables más significativas en régimen permanente. En las siguientes gráficas y tablas se observa como: - El sistema ha llegado a régimen permanente. - Los pares de instalaciones de distinto rango se han equilibrado. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 - Se observa también que el sistema de simulación es muchísimo más rápido que el modelo de aerogenerador completo por lo que el simulador, valga la redundancia, en simulación funciona como se esperaba y cumple su labor. -Se observa que el resto de variables involucradas en esas extrapolaciones están en valores correctos, indicando en régimen permanente: Velocidad del viento: Velocidad entregada al eje: Velocidad tras la multiplicadora: Velocidad de referencia en el simulador: Velocidad del sistema: Par resistente a la entrada del aerogenerador: Par resistente a la salida del generador eléctrico: 11 m/s 23.83 m/s 1503 rpm 1503 rpm 1503 rpm 4.012 x 105 Nm 14.83 Nm Y la evolución del sistema hasta llegar a ese régimen: 1.4 Referencia de velocidad calculada por modelo de aerogenerador Velocidad del sistema Velocidad angular Wr(pu) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 t(seg) 40 50 60 Figura 2.2.5 “Evolución del sistema hasta régimen permanente en condiciones nominales del aerogenerador.” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Por último, para cerrar este capítulo de simulaciones, se va a proceder a excitar el sistema con una velocidad del viento variable, como entrada, y se comprueba la rapidez de respuesta del simulador y su precisión. Se opta por elegir una velocidad del viento de 5.5 m/s (El valor mitad de la velocidad nominal para el aerogenerador) con una sinusoidal de amplitud 2 m/s y frecuencia 0.2 Hz. (C.F. Fig 2.2.6) 0.5 Referencia generada por el modelo de aero. Respuesta del sistema 0.495 0.49 Velocidad angular Wr (pu) 0.485 0.48 0.475 0.47 0.465 0.46 0.455 0.45 11 12 13 14 15 16 t (s) Figura 2.2.6 “Evolución del sistema con entrada sinusoidal.” Como se observa el sistema responde correctamente y simula el comportamiento de la instalación con de viento de viento que pretende simular rachas del mismo. La rapidez de respuesta es tal que sigue el comportamiento de la instalación sin saturar el mando. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.4. Implantación. Antes de hacer un análisis de los resultados de la implantación en el sistema real. Se ha considerado necesario introducir brevemente como se ha pasado del sistema completamente simulado al sistema que funciona como un simulador. Esta sección y la siguiente (C.F. Capítulo 2.5 “Protocolo de funcionamiento”) pretenden explicar como se ha hecho la implantación y como utilizarla. Tal y como se vio en el capítulo anterior (C.F. C. 2.3) el sistema se completó entero en simulación para desarrollar controles y probar el correcto funcionamiento de las soluciones adoptadas a priori. -K- P w4 [tag_n] ref From1 Mando Calculado Analog Output man_sat sal Analog Output Control PID analógico con antiwindup Analog Input2 Velocidad Medido Analog Input W_Nominal_Turbina 0 w11 Ucc_exc 0 Reductora Constant pitch 5.5 v iento (m/s) Constant3 Sine Wave Retardo Tem v elocidad (rpm) 63 w6 [tag_n] 1/n_rpm Par_resis Paso a rad/seg Goto2 Par_eol w8 Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador) Par Medido Display3 Analog Input1 0 -K- -K- Analog Input Figura 2.4.1 “Detalle los modelos utilizados en el banco real” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 En la implantación se usa, como ya se ha explicado, parte de los modelos que se usaron en simulación, dejando al sistema básicamente con el modelo dinámico del aerogenerador, el control y los registros de datos así como las ganancias de conversión de un modelo a otro. (C.F. Fig. 2.4.1) Los sensores de velocidad angular y de par; éste último medido a partir de la intensidad de carga del generador eléctrico; se han montado ambos (C.F. Capítulo 2.2 “Descripción de las tecnologías”) con potenciómetros para poder ajustar la ganancia en el montaje. Como el sistema funciona en tiempo real, gracias al RTWT, se genera un fichero en C, automáticamente, que es el que se ejecuta en un entorno virtual de tiempo real dentro de un sistema operativo que no lo es. Por ello se ha tenido que comprobar que el modelo de aerogenerador pasado a lenguaje compilado no cargaba demasiado el sistema para el tiempo de muestreo utilizado (TS) de un 1 ms. Tanto los ficheros de simulación como los usados en implantación se incluyen en el Anexo II (C.F. Anexo III: “Cd”) Antes de discutir al protocolo de funcionamiento (C.F. 2.5) comentar que el sistema simulado se ha desarrollado y probado en la plataforma MatLab 7.01 y sin embargo en el banco utilizado de laboratorio se tenía instalado la versión 5.0. Todo el desarrollo ha se ha realizado en el primero y las conversiones siempre se han llevado a cabo desde la primera a la segunda, nunca se ha exportado al revés. Una vez se ha instalado y probado todo el sistema, se ha conseguido un simulador que acciona una máquina eléctrica. Más allá del objetivo central de este proyecto que no era sino simular un aerogenerador Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 para accionar un generador eléctrico en situaciones propias de su escenario industrial, ahora se puede concluir que el sistema desarrollado tiene múltiples aplicaciones tanto en el campo de la simulación de este tipo de instalaciones u otras de generación eléctricas como en otros campos de la industria donde se desee someter una máquina eléctrica a unas condiciones de trabajo determinadas, ajeno a las perturbaciones que la máquina que se desea probar pueda provocar si no se la controlase en este banco. Se va a recuperar un esquema ya conocido a lo largo de la lectura de esta memoria aprovechándola para mostrar la implantación de cada una de las soluciones. (CF. Fig. 2.4.2) Ordenador Entrada Actuador Generador βPITCH VVIENTO Modelo de aerogenerador Ajuste de modelos - Control V/F Motor Asíncrono Generador wR TR Sensor Ajuste de modelos Ordenador, entradas, modelo de aerogenerador, control Carga Sensor Ajuste de modelos Máquina asíncrona (Actuador) Generador Variador V/F Unidrive (Actuador) Sensores Carga Figura 2.4.2 “Detalle de la implantación” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.5. Protocolo de funcionamiento. Este apartado pretende ser un breve guía para la puesta en marcha del simulador, por un usuario que desee es realizar pruebas al generador eléctrico sin tener que invertir demasiado tiempo en la tecnología que está usando: el simulador. Para ello se van a explicar, primero medidas de seguridad en el laboratorio, y segundo la puesta en marcha del sistema. 2.5.1. Medidas de seguridad en Laboratorio. En el laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI hay muchas instalaciones para su uso en proyectos ó prácticas de la universidad que trabajan a distintas tensiones senoidales (220, 380, 1kV de tensiones senoidales ) y de tensiones continuas. Se hace esta distinción desde el principio porque hay que resaltar el aumento de peligrosidad que tienen este tipo de tensiones y corrientes para el ser humano debido a su capacidad de realizar electrólisis en la sangre. Una vez dicho esto y como norma general se toman siempre la siguientes precauciones: 1º. Siempre tener cuidado con lo que se hace, sin pensar que una protección puede socorrernos en caso de accidente. 2º Utilizar guantes aislantes para realizar cualquier labor en el laboratorio. 3º Nunca manipular ninguno de los aparatos eléctricos allí presentes sin protección y sin saber en cada momento en que estado se encuentran los circuitos (on/off) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 4º Y último, quizá el más importante: tener siempre sentido común. Una vez dicho esto pasamos a describir el equipo utilizado en el simulador y su posterior montaje. 2.5.1. Listado del equipo necesario. El banco 4 del laboratorio de máquinas eléctricas, compuesto por: - Una bancada de encendido y apagado. - Un motor asíncrono de 220/380 V - Un motor de continua de 220/380 V Un ordenador de control que consta de: - Un ordenador con la plataforma de control instalada. - Un sistema de adquisición de datos en tiempo real (RTWT) - Un variador de frecuencia V/F Además se usan - Una resistencia de excitación del estator de la máquina de continua. - Una resistencia de carga. - Los circuitos de ganancia de los sensores. - Polímetros y amperímetros adecuados. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.5.3 Montaje. Antes de nada indicar que antes del cableado y el montaje se debe comprobar que el banco de trabajo está sin alimentar para lo cual las palancas de control que hay para su manejo deben estar todas verticales. Máquina asíncrona y variador V/F. Una vez comprobado esto se pasa a conectar la excitación del variador de V/F trífásico de la que consigue la tensión para generar la referencia con rectificadores e inversores trifásicos. El cable de trifásico tetrafilar (tres fases y tierra) se conecta desde el variador (Posición única de las clemas) hasta los terminales RST+T de la máquina asíncrona. Y la salida controlada del variador trifásica trifilar se conecta a los terminales U-V-W de la misma máquina (C.F. Fig 2.5.1) Figura 2.5.1 “Detalle de conexión del V/F con la máquina asíncrona” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El variador necesita además conectarle una resistencia de carga ya que no es un sistema de intercambio de energía reversible. Esta resistencia es una de las refrigeradas monofásicas a 250 V del laboratorio al que se le conecta el cable monofásico del V/F en sus respectivos terminales. La resistencia hay que alimentarla y se ajusta a 4 kw. (C.F. Fig. 2.5.2) Figura 2.5.2 “Detalle de la resistencia de carga del variador V/F utilizado” Simplemente resaltar que la máquina asíncrona arranca con rotor cortocircuitado y que hay un dispositivo en el banco para disponerlo así. (CF. Fig. 2.5.3) Figura 2.5.3 “Detalle del dispositivo para cortocircuitar el rótor” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Una vez hecho esto se pasa al conexionado de la máquina de continua. Máquina de continua. La máquina tiene todas las terminales accesibles tal y como se indica en el detalle (CF. Fig. 2.5.3). Básicamente el montaje es para cerrar los circuitos de excitación y acoplar la carga y el sensor de par/intensidad. Figura 2.5.3 “Detalle de las terminales de la máquina de continua” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Conexionado de sensores y salidas. Salida de mando. El sistema tiene una salida analógica que es el mando calculado que saca el sistema de adquisición de datos (RTWT) la conexión de esta terminal (Channel Out0) y la entrada de referencia al V/F está hecha internamente por lo que no hay que preocuparse. Sensor de velocidad. La entrada al sistema de la medida de velocidad se hace de la siguiente manera. Se conectan las bornas del sensor dinamométrico a la placa con que contienen los potenciómetros para ajuste de ganancia. (CF. Fig. 2.5.5) y de ahí se conecta una sonda a la entrada anlógica del sistema de adquisición de datos. (Channel In0) Figura 2.5.5 “Detalle de conexionado del sensor de velocidad” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Sensor de par/corriente. El sensor de par/corriente toma una muestra de la tensión de salida en una resistencia conectada en serie con la carga de valor conocido y esta señal se lleva a la misma placa de ajuste de ganancias que se usaba en el sensor de velocidad de allí se lleva una sonda al RTWT (Channel In1). (Cf. Fig. 2.5.6) Figura 2.5.6 “Detalle del sensor de par/intensidad” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2.5.4. Puesta en marcha. Para poner el sistema en marcha una vez se ha comprobado el correcto conexionado de todos los equipos hay que seguir una serie de pasos: 1º Se enciende la corriente del laboratorio siguiendo las instrucciones específicas del mismo. 2º Se enciende el sistema de continua del laboratorio siguiendo las instrucciones del mismo. 3º Se pone en marcha el ordenador y el variador de tensión frecuencia. 4º Se ajusta el variador de tensión frecuencia siguiendo las instrucciones del mismo (CF. Anexo I, “Guía Rápida del Variador Unidrive”) 5º Se abre MatLab y se construye el modelo que se adjunta en tiempo real (CF. Anexo III “Cd”, archivo, simu_aerogen.mdl, aero_inicializa.m). 6º El sistema está listo para introducirle una velocidad de viento ó una función de referencia y encenderse ejecutando el modelo de SimuLink. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Capítulo III. Autor: César Aguiar García dea.icai.upco 2005 Análisis de resultados. Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Introducción. En este capítulo se presentan y comentan los resultados obtenidos en la realización del proyecto. Como se ha ido viendo a lo largo de los diferentes capítulos, el desarrollo del simulador de una turbina eólica para accionamiento de generadores eléctricos tiene una carga importante de desarrollo de modelo para simular las soluciones que más tarde se han ido implantando en el banco hasta la conclusión y el funcionamiento final del mismo. Por todo esto los resultados y con ellos las conclusiones del capítulo siguiente están íntimamente relacionados con resultados de simulación por un lado y con resultados de ensayos en el banco por otro. (C.F. Capítulo IV). Por otro lado el montaje necesario a realizar en el laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI, donde como se ha dicho se ha instalado el banco de pruebas, coincide casi perfectamente de forma cronológica con el desarrollo de cada una de las partes que han concluido en el simulador. A continuación se van a ir presentando resultados de simulación y ensayos de cada una de la esas partes, de forma cronológica, hasta llegar a mostrar el funcionamiento del banco completo. (CF. Fig. 3.1) Figura 3.1 “Detalle de los montajes completos realizados tanto en simulación como en funcionamiento” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 3.1. Análisis del banco sin lazos de control. El sistema sin lazos de control se refiere a las primeras pruebas que se hicieron sobre el simulador, primero simulado y más tarde en funcionamiento real, para comprobar la validez de la propuesta como solución al problema que se abordaba. Una vez se terminaron de acomodar los modelos con los que se suele describir el sistema dinámico de máquina asíncrona, a los parámetros característicos de la máquina utilizada (C.F. Capítulo 2.2.), se pasó a comprobar la validez del modelo en simulación en lazo abierto con los resultados en lazo abierto de la máquina utilizada. El resultado de la respuesta de la planta a un escalón en la referencia se muestra a continuación. Nótese que al estar en lazo abierto la referencia es en este caso la velocidad eléctrica de excitación wE. Referencia Simulación Ensayo 0.8 0.7 velocidades(pu) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 3 3.5 4 4.5 t(s) 5 5.5 6 6.5 Figura 3.2 “Respuesta a escalón en referencia del modelo y del sistema real” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Se observa, (CF. Fig 3.2), en la respuesta del sistema ciertas divergencias del modelo con el banco utilizado tanto en ganancias como en dinámica del sistema. Se considera aún así el modelo, lo suficientemente válido como para usarlo en el diseño de controles y pruebas necesarias para el desarrollo del simulador. Además se observa la cantidad de ruido de alta frecuencia que introduce en el sistema la medida de velocidad (wR). El sensor de velocidad, tal y como se describió en el capítulo 2.2, “Descripción de las tecnologías”, es una dinamo, una máquina de continua que introduce ese ruido en la medida y por lo tanto en el sistema. Se ha considerado que ese ruido de alta frecuencia no es decisivo en el desarrollo del simulador y que el uso posterior del simulador para la realización de otros proyectos pasa por el cambio de dicho sensor como solución al problema comentado. En cualquier caso, en algunas ocasiones se ha pasado la señal registrada en un ensayo determinado por un filtro digital con la única intención de visualizar mejor los resultados y en su defecto hacerse una idea de lo que supondría un cambio en el sensor de velocidad del sistema. Scope1 butter sal From Workspace Tipo: Orden: WC(rad/s) Analog Filter Design Butterworth 10 400 Scope Scope2 Figura 3.3 “Detalle del filtro utilizado para visualizar medidas en el banco sin el ruido introducido por el sensor” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Referencia Simulación Ensayo 0.5 0.4 Velocidad (pu) 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 3.5 4 4.5 5 5.5 t (s) Figura 3.4 “Respuesta a escalón en referencia del modelo y del sistema real con filtro del registro guardado” El siguiente ensayo que se ha realizado en estas condiciones de lazo abierto ha sido conectar la máquina de continua al simulador para que éste no sólo arrastre una carga mecánica sino también una carga eléctrica (par resistente eléctrico). Para ello se ha simulado el sistema con los bloques dinámicos necesarios (Máquina asíncrona, carga mecánica, máquina de continua) y se ha reproducido dicha situación en el banco de pruebas. La carga conectada a la máquina de continua, tanto en simulación como en el ensayo, ha sido una resistencia de 20Ω. Como se observa en la figura (CF. Fig. 3.5 y 3.6), el resultado es muy simular: el bloque-modelo de máquina asíncrona hace su papel perfectamente para su uso en diseño. Vuelven a reflejarse ciertas divergencias dinámicas en el modelo utilizado y vuelve a aparecer el ruido. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Pero las ganancias y las constantes de tiempo son lo suficientemente parecidas para utilizar los modelos como apoyo al diseño del simulador. 0.5 0.4 Referencia Simulación Ensayo Velocidad (pu) 0.3 0.2 0.1 0 3.5 4 4.5 5 5.5 6 t (s) Figura 3.5 “Respuesta a escalón en referencia del modelo y sistema con máquina de continua y carga” Se utiliza de nuevo el filtro mencionado en la introducción de este capítulo sobre el registro guardado del ensayo. 0.6 0.5 0.4 Referencia Simulación Registro del ensayo filtrado Valocidad (pu) 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 3.5 4 4.5 t (s) 5 5.5 6 Figura 3.6 “Respuesta a escalón en referencia del modelo y del sistema real con filtrado del registro guardado” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera 3.2. dea.icai.upco 2005 Análisis del simulador en lazo cerrado. A continuación se presentan las pruebas del sistema controlado en lazo cerrado con el regulador PI cuyo desarrollo se describió en la sección 2.3 “Desarrollo de las soluciones”. Se presentan al principio ensayos realizados tanto en simulación como en funcionamiento para luego presentar una serie de pruebas que se realizaron al banco en funcionamiento. Se empieza por comparar el sistema con un escalón en la referencia. Nótese que esta vez al estar controlado el sistema, la referencia es velocidad mecánica del simulador wR y no la velocidad eléctrica, wE, utilizada en el apartado anterior. Los resultados obtenidos se muestran a continuación. (CF. Fig. 3.7 en adelante) 0.061 Referencia Salida Velocidad (pu) 0.0608 0.0606 0.0604 0.0602 0.06 2.95 3 3.05 3.1 t (s) 3.15 3.2 Figura 3.7 “Respuesta a escalón en referencia del modelo en C.L.” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 El banco se comportó como sigue en los escalones con los que se excitó en lazo cerrado con el control desarrollado. 0.8 0.7 Velocidad (pu) 0.6 0.5 0.4 0.3 Velocidad Referencia 0.2 0.1 0 -0.1 4 5 6 7 t (s) 8 9 10 Figura 3.8 “Respuesta a escalón en referencia del banco en C.L.” Si se pasa el filtro por el registro guardado. 0.8 0.75 0.7 Velocidad (pu) 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 4 5 6 7 t (s) 8 9 10 Figura 3.9“Respuesta a escalón en referencia del banco en C.L. con el registro filtrado Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 A continuación se reproduce un ensayo que se realizó en el banco para comprobar el comportamiento del sistema en distintos puntos de trabajo, comprobar posibles no linealidades de ganancia ó dinámicas, etc. Para ello se excito al sistema con distintas señales la primera de ellas son dos escalones en distintos puntos de trabajo con un periodo de tiempo entre ellos suficiente para llegar a régimen permanente en cada caso. (CF. Fig. 3.10) 1.2 1 Valocidad (pu) 0.8 0.6 0.4 Salida medida Referencia 0.2 0 -0.2 0 2 4 6 8 t (s) 10 12 14 16 Figura 3.10. “Respuesta del sistema ante dos escalones en distintos puntos de trabajo.” Se puede observar el comportamiento además del ruido ya comentado introducido por el sensor. Además se aprecia una especie de armónico de baja frecuencia montado sobre la señal principal. Este fenómeno se ha contemplando sólo en algunos ensayo. Se ha concluido que la causa es la bancada de conexión del sensor de velocidad con el resto del banco. El sensor se ha conectado con una manguera flexible al eje de rotación del banco. Como, por medidas de seguridad propias del laboratorio, el sensor tenía que desmontarse en cada montaje Autor: César Aguiar García del sistema, la Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 alineación de los ejes no resulta perfecta en algunas ocasiones, con lo que el banco transmitía aceleraciones y desaceleraciones en cada una de las revoluciones del sensor. Esto se ha traducido en la introducción de ese armónico en la medida en algunos de los montajes que se han realizado. Si se filtra el registro anterior, se obtiene el siguiente comportamiento del sistema. 0.7 Velocidad (pu) 0.6 Registro de velocidad filtrado Referencia 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 t (pu) Figura 3.11. “Respuesta del sistema , filtrada, ante dos escalones en distintos puntos de trabajo.” Por último para terminar esta parte de las pruebas se excitó al sistema con escalones en distintos puntos de trabajo con saltos en la referencia del 10% desde cero hasta el 90% de la velocidad nominal. El resultado se ve muy distorsionado por el ruido pero resulta muy explicativo del funcionamiento del sistema que al final se ha usado como simulador. (C.F. Fig. 3.11 y 3.12) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 1 Salida medida referencia 0.8 Velocidad (pu) 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 t(s) Figura 3.11. “Respuesta del sistema, ante una escalera de escalones del 10% en distintos puntos de trabajo.” Filtramos el registro anterior. 0.9 0.8 Velocidad medida y filtrada Referencia 0.7 Velocidad (pu) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 t (s) Figura 3.12. “Respuesta del sistema, filtrada, ante una escalera de escalones del 10% en distintos puntos de trabajo.” Se observa una vez filtrado el registro guardado en este ensayo, mucha linealidad en el sistema ya que se comporta muy parecido a los Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 escalones en todos los rangos de trabajo. Este registro contiene el armónico introducido por la desalineación del sensor de velocidad mencionada anteriormente. La comprobación de la linealidad era importante porque se ha simulado el comportamiento de un sistema aerogenerador en el que la entrada es la velocidad del viento. Como además el aerogenerador que se simula no tiene control de velocidad, el sistema debía comportarse correctamente con cualquier velocidad del viento. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 3.3. Análisis del emulador de turbina. Por último se presenta a continuación los resultados obtenidos del sistema completo simulando una turbina eólica para accionamiento de generadores eléctricos. Se muestran todos los ensayos de realizados antes de conectar la realimentación de par en el sistema real. Nótese que para acceder a detalles de los modelos y ecuaciones de los modelos empleados hay que referirse al capítulo 5. Todas las magnitudes siguientes que se muestran responden a la evolución del sistema desde el reposo hasta las condiciones nominales. Velocidad del sistema-velocidad calculada. En esta gráfica se observa la capacidad del emulador de alcanzar rápidamente el régimen del simulador y a partir de ahí seguirlo hasta su régimen. 1 0.9 0.8 0.7 Velocidad de salida del sistema Velocidad calculada del sistema w (pu) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 t (seg) 40 50 60 Figura 3.13. “Transitorio del simulador desde el reposo hasta régimen permanente en condiciones nominales.” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Evolución del par de viento (TV), par resistente (TE + TM) que opone el conjunto en condiciones nominales hasta conseguir el equilibrio 5.5 x 10 5 5 4.5 par (Nm) 4 3.5 evolución del par resistente evolución del par-viento 3 2.5 2 1.5 0 10 20 30 t (seg) 40 50 60 Figura 3.14. “Evolución hasta el régimen permanente de los pares calculados de viento y los pares resistentes.” Evolución de la velocidad del sistema calculada desde reposo hasta velocidad nominal con velocidad del viento nominal. 24 23 Velocidad (m/s) 22 21 20 19 18 17 0 10 20 30 t (seg) 40 50 60 Figura 3.15. “Evolución hasta el régimen permanente la velocidad del aerogenerador calculada.” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 A continuación se presentan las pruebas que se realizaron en el banco emulador completo. Recordar que los bloques utilizados para realizar estos ensayos se recogen en el capítulo V, junto con los utilizados en simulación así como las demás justificaciones teóricas. Para terminar el capítulo se muestra el emulador de aerogeneradores completamente terminado. Si se recuerdan los primeros capítulos de introducción allí se explicaba muy brevemente en qué consistían estas instalaciones de generación de energía y más en particular laeólica basada en el aprovechamiento del viento. Se apunta que las entradas del sistema ya no son velocidad angular sino velocidad del viento (VV), y ángulo de ataque de las hélices (βPITCH). LA velocidad angular que tiene que seguir el sistema se calcula por el simulador y se introduce como referencia en el control de la máquina asíncrona. (CF. Fig. 3.14) 1.1 Salida medida Velocidad calculada 1 Velocidad (pu) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 2 4 6 8 10 12 14 16 t (s) Figura 3.14. “Respuesta del sistema ante un escalón en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Si hacemos pasar el registro de datos recogidos en el ensayo anterior por el filtro mencionado en este capítulo para quitar el ruido que introduce el sensor de velocidad en el sistema, el resultado entonces es: Salida medida y filtrada Velocidad de referencia calculada 1 Velocidad (pu) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 5 5.5 6 6.5 7 t (s) 7.5 8 8.5 Figura 3.15. “Respuesta del sistema, filtrada, ante un escalón en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” En la siguiente gráfica se muestra en las mismas condiciones de antes, con βPITCH = 0, pero esta vez se le ha excitado con una VVIENTO = 7 m/s hasta llevar el sistema a régimen permanente para después introducir una VVIENTO sinusoidal a modo de viento racheado con una amplitud de 1 m/s y una frecuencia de 0.2 HZ. (CF. Fig. 3.16) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 0.9 Velocidad medida Referencia de velocidad calculada 0.8 Velocidad (pu) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 8 10 12 14 16 t (s) 18 20 22 24 Figura 3.16. “Respuesta del sistema ante una sinusoide en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” Si se filtra entonces: 0.7 Velocidad medida y filtrada Velocidad de referencia calculada 0.65 Velocidad (pu) 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 10 12 14 16 t (s) 18 20 22 Figura 3.16. “Respuesta del sistema, filtrada, ante una sinusoide en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Para terminar el capítulo se muestra la evolución del sistema cuando el escalón se introduce en el paso de pala de 20º. Se observar la evolución del emulador en velocidad angular del banco y de la intensidad de carga que coincide, por ser una máquina de continua, al par resistente eléctrico del sistema es proporcional. 0.7 Velocidad medida Referencia calculada 0.65 0.6 Velocidad (pu) 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 8 10 12 14 16 t (s) 18 20 22 24 Figura 3.16. “Respuesta del sistema, filtrada, ante una sinusoide en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” Filtrada: 0.5 Velocidad medida filtrada Velocidad calculada 0.48 Velocidad (pu) 0.46 0.44 0.42 0.4 0.38 0.36 16 17 18 19 20 t (s) Figura 3.16. “Respuesta del sistema, filtrada, ante una sinusoide en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Y la evolución de la medida de intensidad en ese transitorio queda: 0.7 Intensidad de carga medida Velocidad calculada 0.6 Intensidad de carga (pu) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 8 10 12 14 16 t (s) 18 20 22 24 Figura 3.16. “Respuesta del sistema, filtrada, ante una sinusoide en la velocidad del viento con βPITCH constante = 0 .” Se aprecia la linealidad entre la velocidad del sistema y el par demandado por el generador. Se ha probado el sistema en diferentes puntos de operación y se ha comprobado la validez de la solución como emulador de la turbina eólica para accionamiento de máquinas eléctricas. En el siguiente capítulo se abordan las conclusiones más relevantes. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Capítulo IV. Autor: César Aguiar García dea.icai.upco 2005 Conclusiones. Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Introducción. Este capítulo se ha planteado no sólo con la idea de ser un listado de conclusiones más ó menos técnicas del proyecto. Se pretende recoger también las impresiones finales, ideas surgidas del desarrollo del mismo, aspectos que se podrían mejorar, etc. Lo más sencillo, y lo primero que se plantea es, a la vista de los objetivos iniciales, es repasar la consecución de los mismos. Si se recupera la descripción de objetivos que se planteó al principio del proyecto. (CF. Fig. 4.1) Control -Estudio de la plataforma -Diseño de un control PI -Estimador de W -Implantación y pruebas Modelos -Estudio de modelos -Modelo G. Eólico -Implantación y pruebas Interfaz -Posibilidades: -MatLab. -Visual Studio. -Otros. -Desarrollo e integración. Figura 4.1. “Detalle del listado de objetivos cronológico propuesto al inicio del proyecto”. Lo que ha variado es el tiempo previsto que cada uno de los objetivos tenía asignado. Pero como se ha ido comprobando a través de la lectura del mismo en mayor o menor medida todos los objetivos se han conseguido. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Haciendo un repaso con la cronología que presenta la figura se tiene. En el apartado “Control”, lo más laborioso ha sido el estudio del problema y el planteamiento de soluciones para cada una de las partes que forman el banco de pruebas. El emulador se montado y probado con éxito. Se ha diseñado un control PI con sistema antiwindup porque se comprobó que las limitaciones de mando en el actuador del lazo interno del simulador podían resultar en una respuesta demasiado oscilante para él con el consiguiente mal funcionamiento a la hora de simular la instalación de la turbina eólica. Solo destacar en este apartado que el estimador de velocidad se sustituyo por un sensor de medida de la variable como ya se ha comentado (CF. Cap. 2.1. “Especificación de la solución”). Y hacer notar, para el uso en futuros proyectos, que el uso de dicho sensor, tal y como se ha podido comprobar en las muchas pruebas en las que se ha visto involucrado el sensor (CF. Cap. 3. “Análisis de Resultados”), hay que sustituirlo por un enocoder. El uso de este sensor evitará todos estos problemas de ruido. La bancada que se ha montado en el grupo 4 del Laboratorio de Máquinas Eléctricas del ICAI se ha preparado para su uso con ambos sensores. Así que en caso de utilizar el banco en futuros proyectos el montaje sería inmediato. En el apartado “modelos”. Por un lado este objetivo ha sido relativamente sencillo de alcanzar ya que todos los modelos dinámicos contemplados a lo largo del desarrollo del simulador han sido, en su mayor parte, facilitados por los directores de proyecto, como ya se ha comentado. Si bien la labor de adaptarlos a las máquinas eléctricas de que se disponían en el laboratorio, ha sido una tarea más compleja de lo imaginado a priori. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Como dea.icai.upco 2005 conclusión sólo añadir que los modelos han sido indispensables para la consecución del proyecto, tanto en las labores que se desarrollaron en simulación como en la puesta en marcha y uso que se hizo del simulador en funcionamiento. Para ver más detalles de los mismo CF. Capítulo 5 “Cálculos y justificaciones”. Para acabar esta parte de las conclusiones referidas a los objetivos se añaden algunos detalles del apartado de interfaz e integración. Se ha optado por usar la misma plataforma que se ha usado para la simulación en el manejo del banco en funcionamiento real, esto es MatLab y Simulink. Se podría plantear para futuros proyectos la inclusión de más modelos de turbinas (gas, vapor, hidráulicas, etc.), e incluso permitir la elección de las mismas diferenciando entre instalaciones reales instaladas en España, por ejemplo. Para ello sería bastante más sencillo pensar en el desarrollo de una interfaz más intuitiva que SimuLink y MatLab. Dejando, exclusivamente a modo de propuesta, la idea de poder usar un entorno de desarrollo de interfaces visuales orientado a objetos y compatible con SimuLink, como podría ser Visual Studio .NET ó el propio GUI que trae de origen MatLab. El hecho de que tenga que ser compatible con MatLab y SimuLink se debe a que es la forma más sencilla, existente en ICAI, de poner en marcha un sistema en tiempo real que se dedique a simular un regulador, etc. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Sólo añadir por último que el banco-simulador de aerogeneradores para accionamiento de generadores eléctricos ha resultado al final un banco de pruebas muy útil para muchas otras aplicaciones. Algunas de ellas ya se han comentado brevemente como el montaje de otros modelos dinámicos para la simulación de otro tipo de instalaciones de generación de energía eléctrica u otro. O bien para conseguir hacer girar cualquier instalación a una velocidad controlada a pesar de las perturbaciones que dicha instalación pudiese introducir en el sistema, para su posterior estudio, etc. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera Capítulo V. Autor: César Aguiar García dea.icai.upco 2005 Cálculos y justificaciones. Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Introducción. Entes de pasar a listar y desglosar cada uno de los bloques dinámicos que ha sido necesario desarrollar tanto para la simulación como para la puesta en marcha y el funcionamiento de este simulador, se quiere hacer notar que el desarrollo fundamental de dichos modelos ha sido más labor de los tutores de proyecto que del autor. Además su ayuda ha sido inestimable a la hora de acomodar bloques genéricos a esta aplicación. A lo largo de este capítulo se van a ir desglosando las ecuaciones de los distintos modelos dinámicos que se han empleado. Al principio del mismo se adjunta un pequeño glosario para ayudar a la compresión del mismo. Además se adjuntan todos los diagramas de bloques necesarios identificados con el momento en el que han sido utilizados. Para terminar esta breve introducción solo añadir que todos los modelos se han incluido en el Anexo II. (El Cd) Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 5.1. Glosario. s Deslizamiento (s) Variable de Laplace P Número de pares de polos we Velocidad de rotación eléctrica wm Velocidad de rotación mecánica Z1 Impedancia del estator Z2 RS Impedancia del rotor referida al estator Paralelo de la impedancia del rotor y la impedancia de magnetización Resistencia del estator LI Inductancia de dispersión LIS Inductancia de dispersión del estator LIR Inductancia de dispersión del rotor eps Número más pequeño representado por MatLab ZPAR pi Nº Π RR Resistencia del rotor Resistencia exterior del rotor. (Es 0 porque ha funcionado en cortocircuito) Inductancia de magnetización RRext Lm r IS Corriente compleja de línea del estator Jm Inercia del conjunto Bm Rozamiento viscoso del conjunto Tm Par motor TR Par resistente TER Par eléctrico resistente. (<0 resistente) UCC_EXT Tensión de excitación UCC Tensión de inducido IEXC Intensidad de excitación. (>0 entrando) ICC Intensidad de inducido. (>0 entrando) Km Constante eléctrica-mecánica de la máquina de continua ECC Tensión inducida interna Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 RCC_EXC Resistencia de excitación ICC_EXC Inductancia de excitación IEXC0 Inductancia de excitación inicial RCC Resistencia de inducido ICC Inductancia de inducido VV Velocidad del viento βPITCH Ángulo de ataque de las palas del aerogenerador wN_PITCH Pulsación natural del sistema de corrección de palas. ζPITCH Amortiguamiento del sistema de corrección de palas. TV Par generado por el viento rO Densidad del aire rROTOR Radio de la hélice del aerogenerador VLPP Velocidad lineal de la punta de la pala wMC Velocidad angular calculada del simulador JTUR Inercia de la turbina CP Coeficiente de potencia TSR Relación entre VV y VLPP Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 5.2. Ecuaciones de modelos. Motor asíncrono. (Ganancia Estática) (i) I m = Vs ·( Re + jLm ) (ii) Z1 = RS + j·we ·LIS (iii) RRS = (iv) [iii] (vii) (viii) Z 2 = RR _ S + j·we ·LIR Z m = eps + j·we ·Lm (v) (vi) RR _ ext + RR s [iv y v] Z par = 1 1 Z2 + 1 Zm [ii y vi] r r VS IS = r r Z1 + Z P [vii] r r r Zm r IR = IS r Zm + Z2 2 (ix) I ·RRS ) Tm = K par ·P·( R we ·s (x) Tm ' 1 = Tm Tr ·s + 1 Ecuación mecánica del conjunto. (xi) [xix] T ( s ) = Tm ( s ) − TR ( s ) (xii) [xi] w( s ) 1 = T ( s ) Jm·s + Bm Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Ecuación conjunta del simulador. Dinámica eléctrica w( s ) T (0) 1 · = T ' ( s ) TR ·s + 1 Jm·s + Bm (xiii) Dinámica mecánica Control PI. Vm ( s ) = e( s )·( k ·( (xiv) 1 + Ti ·s )) Ti ·s Variador V/F. El variador V/F se ha modelado como una curva que aproxima los siguientes puntos por mínimos cuadrados. (xv) wE [0,0.5,1,3] VS [f_boost,0.5,1,1] fBOOST f boost = 0.039 Máquina de continua. (Motor de continua en modo generador) (xvi) Ecc = Vcc _ exc ·wm Lexc ·s + Rexc (xvii) Vcc = I CC ·RCC (xviii) I CC ( s ) 1 = VCC ( s ) − ECC ( s ) L·s + R (xix) Tm( s ) = K m ·I CC Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Aerogenerador. β PITCH ' ( s ) = β PITCH ( s ) (xx) s 2 2 n _ PITCH w TSR = (xxi) 1 2·ξ PITCH + ·s + 1 wn _ PITCH VLPP VV CP = f (TSR, β PITCH ) (xxii) (xxiii) [xxii y xxi] (xxiv) [xxiii y xix] Autor: César Aguiar García 1 V3 2 · V TV = ·CP ·r0 ·π ·Rrotor 2 VLPP wmc ( s ) = TV − TRE J TUR ·s Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 5.3. Bloques funcionales y archivos de inicialización. A continuación se presentan cada uno de los bloques funcionales utilizados así como una breve explicación de cuando se han utilizado. Además se añaden también al final del capítulo los ficheros de inicialización necesarios en cada caso y una explicación de cuando hay que utilizarlos y con qué modelos dinámicos. Se marcan los bloques que están enmascarando un conjunto de bloques para presentar estos posteriormente. Para no hacer una repetición incesaría de diagramas funcionales se presenta aquí el diagrama completo utilizado en simulación con todos los bloques que se han usado en el desarrollo del proyecto. Se desglosan además cada uno de esos bloques funcionales. Para acceder al diagrama concreto que se ha utilizado en una simulación en lazo abierto ó con ó sin máquina de continua conectada, etc. Parece mucho más práctico acceder al Anexo II y localizarlos cada uno de esos archivos así como su fichero de inicialización juntos en una carpeta exclusiva. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Control P ref we From1 Motor Ind. Vs (mod. T din.) wm man_sat -K- sal U_base 0 V/F con boost1 Control PID analógico con antiwindup w1 w7 w2 w4 [tag_n] Máquina asíncrona V/F -K- Rr'_ext par par_mot Is par_res Carga s w 1/I_base Is 1/M_base Máquina de continua Carga mecánica Aerogenerador Ucc_exc Ucc_exc 0 Ucc Reductora Constant 5 Sine Wave1 Retardo1 v iento (m/s) Tem v elocidad (rpm) Par_resis 1/n_rpm [tag_n] Paso a rad/seg Goto2 Iexc Icc Ecc Par w 63 Iexc Motor DC -1 Motor de Continua Par_eol Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador) w8 -1 R_carga -K- Figura 5.1. “Diagrama completo de bloques del simulador usado en simulación y utilizado como ilustración de todos los bloques funcionales utilizados”. Autor: César Aguiar García 3 m_T -K- Constant3 2 w5 Gain Control2 pitch 1 veloc_en_rpm Carga Motora Motor_asíncrono_(d) w3 n_rpm Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 1 w2 we f(u) 2 w4 Calc_s wm 0 3 Re Im 2 w1 Is Vs w z Calc_z1 |u| Ir' w R 4 z Fcn1 Calc_z2 Rr'_ext f(u) 1 Tr.s+1 Tr'1 1 par z2 w Rr z Calc_zm zm z_par w3 z_par 3 s Figura 5.2. “Diagrama de la máquina asíncrona”. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Ki_exc 1 Iexc Par > 0 saliendo por eje (MOTOR) Km 4 Par Flujo 1 1/Kv_exc 1 s 1/Lexc Ucc_exc Ecc Icc > 0 entrando Ucc - 2 - Ecc 1 s 1/L Rexc 1/Kw w 2 1/Kv Ucc 2/nom(1) Tensión Escobillas Figura 5.3. “Diagrama de la máquina de continua”. Autor: César Aguiar García 2 Icc Kv_exc R 3 Ki Página 0 de 112 Sign 3 Ecc Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 2 pitch1 Par_resis Tem 1 Tem Tem 3 2 dwr/dt TSR 1/J_tur viento (m/s) f(u) Cp(TSR,pitch) Inercia del generador Tv pitch Tv velocidad lineal punta de pala 3 1 1 pitch R_rotor Par_eol 1/wn_pitch^2s2 +2*seta_pitch/wn_pitchs+1 Rate Limiter Dinámica del actuador de pala Figura 5.4. “Diagrama del aerogenerador”. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 1 s wr 30/pi 1 velocidad (rpm) Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 b w2 0 antiwindup w1 1 AND K Ti.s [sat_man] 1 man_sat 1 ref w4 >= linmax OR Td.s ~tipo_dif linmin Td/N.s+1 [sat_man] <= -1 sal 2 Figura 5.5. “Diagrama del control PI utilizado” 1 1 s 1/Jm par_mot 1 w Integrator 2 Bm par_res Figura 5.6. “Diagrama de carga mecánica” we -K- U_base VS V/F con boost1 Figura 5.7. “Diagrama variador V/F” Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 A continuación de añaden los ficheros de inicialización los modelos de: -Máquina asíncrona. -Máquina de continua. -Carga mecánica. -Aerogenerador. Inicialización de máquina asíncrona, máquina de continua y carga mecánica. % DATOS % MI (aprox. G4 del lab) pu Rs = 0.039; Rr = 0.063; Lm = 1.81; L_dis = 0.1; P = 2; % pares de polos V_red = 220; I_nom = 26; f_red = 50; % (V). Tensión eficaz de línea. % (A). I nominal del motor. % (HZ). Frecuencia eléctrica nominal. % Motor DC pu Rcc = 0.05; Lcc = 0.01; Ucc_nom = 220; % (V). Tension nominal de inducido. Icc_nom = 18; % (A). Intensidad nominal de inducido. wcc_nom = 1500; % (rpm). Velocidad mecanica nominal del motor de continua. Icc_exc_nom = 0.78; % (A). Intensidad nominal de excitacion Ucc_exc_nom = 220; % (V). Tension nominal de excitacion. Lcc_exc = 0.2803; % (H). Inductancia mutua de excitacion: Flujo_nom = Iexc_nom*Lcc_exc; Ucc_exc = Ucc_exc_nom; % (V). Tension de alimentacion del motor de continua. Rcc_exc = Ucc_exc_nom/Icc_exc_nom; % (ohm). Resistencia de excitacion. % Carga en pu Jm = 2; % Inercia en s Bm = 0.1; % Rozamiento viscoso en pu. %w_inicial = wcc_nom*2*pi/60; w_inicial = 10 % PROGRAMA % MI p_ind = P; % pares de polos para el modelo dinámico w_red = 2*pi*f_red; n_rpm = 60/(2*pi); % Cte para pasar de rd/s a rpm: w (rpm) = n_rpm*w(rd/s) U_base = V_red/sqrt(3); I_base = I_nom; Z_base = U_base/I_base; Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 M_base = 3*U_base*I_base*p_ind/w_red; L_base = Z_base/w_red; J_base = 3*U_base*I_base*p_ind^2/(w_red^2); we_base = w_red; % w electrica base wm_base = w_red/p_ind; % w mecanica base Lm_ind = Lm*L_base; Ls_ind = (Lm+L_dis)*L_base; Lr_ind = Ls_ind; Rs_ind = Rs*Z_base; Rr_ind = Rr*Z_base; Jm_din = Jm*J_base; Bm_din = Bm*J_base; % Motor DC % Resistencia de carga del motor de continua S_base_cc = Ucc_nom*Icc_nom; wcc_base = wcc_nom*2*pi/60; M_base_cc = S_base_cc/wcc_base; Rcc_base = Ucc_nom/Icc_nom; Lcc_base = Rcc_base/wcc_base; Rcc_exc_base = Ucc_exc_nom/Icc_exc_nom; Lcc_exc_base = Rcc_exc_base/wcc_base; J_base_cc = S_base_cc/wcc_base^2; R_carga = 20 %Ucc_nom/Icc_nom; % (ohm). Resistencia de carga. Iexco = Ucc_exc/Rcc_exc; Jm_din_cc = Jm*J_base_cc; Bm_din_cc = Bm*J_base_cc; V_f = 1; % relación V/f en pu V_boost = Rs; % factor boost en tanto por uno de la Vnom a w = 0 Par_res = 0.5; % Par resistente en pu para simu dinámica t_simu = 40; % tiempo de simulación dinámica Ref_n= [0.001 0;2 1;4 1;5 0.5;t_simu 0.5]; % Referencia de velocidad para análisis dinámico. Colum1 = t(s); Colum2 = n(pu) f_boost = V_boost; Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Inicialización del aerogenerador. % TURBINA EOLICA Y SISTEMA DE TRANSMISION % Parametros aerodinamicos D_rotor=60; % Diametro de la turbina (m) R_rotor=D_rotor/2; % Radio del rotor (m) ro=1.2; % Densidad del aire ro (kg/m3) % COEFICIENTE DE POTENCIA Cp % El coeficiente de potencia Cp se lee de un fichero Cp.txt % Primera fila: valores del angulo de pitch en [º] en el eje de pala % Primera columna: valores de Tip Speed Ratio (TSR) % Asi, el elemento de la fila i-esima, en la columna j-esima, es el valor de Cp para un % angulo de pala igual al valor j-esimo de la primera fila, y un TSR igual al valor i-esimo % de la primera columna. El primer valor de todos (primera fila y primera columna) contiene % un cero. load Cp.txt % velocidad nominal del viento (m/s) v_nom=11; % velocidad minima del viento (velocidad de conexion) (m/s) v_min=5; % Calculo de la velocidad de rotacion nominal de la turbina % La potencia mecanica nominal es la potencia maxima para la velocidad del viento nominal (depende de TSR) Pm_aux=1/2*Cp(2:end,2).*ro*pi*R_rotor^2*v_nom^3; [Pm_nom,aux_2]=max(Pm_aux); TSR_nom=Cp(aux_2+1,1); Cp_nom=Cp(aux_2+1,2); n1_nom=TSR_nom*v_nom/R_rotor*60/2/pi; % maxima velocidad de rotacion (rpm) n_max=n1_nom; % la maxima velocidad corresponde a la velocidad nominal % minima velocidad de rotacion (rpm) n_min=TSR_nom*v_min/R_rotor*60/2/pi; % Velocidad inicial de rotacion (rad/s) wr_0=(n_max+n_min)/2*pi/30; % Parametros del sistema mecanico J_tur=3.5e6; % Inercia de la turbina y del generador en Kg.m^2 %________________________________________________________________________ % DATOS DEL ACTUADOR DE PALA % Limite de velocidad en el actuador en [º]/s lim_vel_pitch=5; % Pulsacion natural del actuador (rad/s) wn_pitch=10; % Amortiguamiento del actuador seta_pitch=1; Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Bibliografía. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Anexos. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Pliego de condiciones Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Condiciones Generales. Las condiciones y cláusulas que se establecen en este contrato, tratan sobre la contratación, por parte de la persona física o jurídica de los derechos sobre las conclusiones y el desarrollo de un emulador de turbina para accionamiento de generadores eléctricos. El cumplimiento de estas condiciones obliga a las dos partes, y son las que a continuación se exponen: • Las dos partes se comprometen desde la fecha de la firma del contrato a cumplir todo lo que a continuación se estipula. • En el caso de reclamación o discrepancia en lo concerniente al cumplimiento de lo pactado por cualquiera de las partes, una vez agotada cualquier vía de entendimiento se tramitará el asunto por la vía de lo legal. • El vendedor queda obligado a facilitar a la otra parte cualquier información que contribuya a mejorar la instalación y funcionamiento del sistema, siempre que se le requiera para ello. • El comprador a su vez, queda obligado a explicar al fabricante todas las características del sistema en que va a funcionar el emulador, con el objeto de facilitar su instalación, quedando el proveedor libre de responsabilidad sobre cualquier defecto que surja por el incumplimiento de dicha obligación. • El plazo de entrega será de tres meses a partir de la fecha de la firma del contrato. • Si la entrega se retrasa más de los tres meses acordados, el comprador podrá rescindir el contrato, siéndole retribuidas todas las cantidades abonadas. • Queda fijado el plazo de un año de garantía a partir de la fecha de entrega del sistema. La garantía queda anulada al expirar el plazo o si se demuestra que el sistema ha sido objeto de manipulación indebida. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera dea.icai.upco 2005 Condiciones Económicas. • El valor de venta quedará fijado de común acuerdo por ambas • Los plazos para los pagos serán los siguientes: partes. - 25% a la firma del contrato. - 50% a la entrega del producto. - 25% a los dos meses. • Cualquier demora en el pago de lo estipulado sufrirá un recargo del 10% sobre la cantidad retenida. • Los gastos de envío y embalaje serán a cargo del vendedor. • El vendedor acepta la responsabilidad sobre cualquier defecto o avería causadas durante el transporte. • Hasta la expiración del plazo de garantía, la totalidad de los gastos ocasionados por reparaciones correrán a cargo del vendedor. Condiciones Técnicas y Particulares. • Los módulos desarrollados de modelos dinámicos así como el equipo necesario empleado en el desarrollo del proyecto han de cumplir con la reglamentación sobre estos existentes en España. • El teclado empleado será en español. • Las condiciones ambientales en el lugar en que funcione el método habrán de ser las adecuadas para el sistema sobre el que corre el método programado. • La alimentación empleada por el PC o sistema sobre el que corra el programa habrá de ser de 220/380 V y 50 Hz. Ésta habrá de estar sometida a la reglamentación sobre calidad del servicio incluida en la Ley. Autor: César Aguiar García Página 0 de 112 Proyecto fin de carrera • dea.icai.upco 2005 El sistema operativo empleado por el PC, en caso de utilizar éste, será el entorno Windows, preferiblemente NT. El entorno de desarrollo será MatLab 7.01 y SimuLink 5.0 • o sistema El equipo sobre el que se instale el método habrá de ser un PC procesador; éste habrá de contar con las siguientes características: - Microprocesador Pentium III 1.4 MHz o superior. - 256 Mb RAM - Tarjeta gráfica (VGA). - Unidad de disco 40 Gb. - Monitor de 15 pulgadas. - Variador Unidrive Universal. - Tarjeta de adquisición de datos RTWT. - Máquina de continua 220 V, 3.5 Kw, 1500 rpm - Máquina asíncrona 220 V, 4.6 C.V. 1450 rpm Autor: César Aguiar García Página 0 de 112