desarrollo de un sistema de control inteligente de un generador eólico

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
ELT 4100
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE
CONTROL INTELIGENTE DE UN
GENERADOR EÓLICO
(INFORME DE INVESTIGACIÓN)
MCs. Ing. Armengol Blanco Benito
Oruro, julio de 2010
Índice General
Índice General ................................................................................................................ ii
Resumen ........................................................................................................................ iv
I INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1
1.1 Antecedentes ....................................................................................................... 1
1.2 Planteamiento del problema ............................................................................. 2
1.3 Justificación......................................................................................................... 3
1.4 Objetivos............................................................................................................... 3
1.4.1 Objetivos Generales .................................................................................... 4
1.4.2 Objetivos Específicos ................................................................................. 4
1.5 Hipótesis ............................................................................................................... 4
1.6 Revisión Bibliográfica........................................................................................ 5
1.7 Organización del Trabajo ................................................................................ 16
II TURBINA EÓLICA .................................................................................................... 18
2.1 Introducción ....................................................................................................... 18
2.2 Energía Eólica.................................................................................................... 18
2.3 Turbina Eólica.................................................................................................... 18
2.3.1 Turbina Eólica de Paso Variable y Paso Fijo ....................................... 19
2.3.1.1 Aerogeneradores de paso fijo .......................................................... 19
2.3.1.1 Aerogeneradores de paso variable ................................................. 19
2.3.2 Aerogeneradores de Velocidad Variable y Velocidad Fija ................ 21
2.3.2.1 Aerogenerador de velocidad fija ..................................................... 21
2.3.2.2 Aerogenerador de Deslizamiento variable .................................... 22
2.3.2.3 Aerogenerador de Velocidad variable con generador de doble
inducción........................................................................................................... 22
2.3.2.4 Aerogenerador de Velocidad variable con generador sincrónico
multipolo ........................................................................................................... 22
2.4 Modelo de la Turbina Eólica ........................................................................... 23
2.4.1 Turbina de eje vertical .............................................................................. 23
2.4.2 Turbina de eje horizontal ......................................................................... 23
2.5 Potencia del Viento........................................................................................... 24
2.5.1 La Variabilidad de la Potencia Eólica .................................................... 24
2.6 Modelado de la Turbina Eólica....................................................................... 25
III GENERADOR ASINCRÓNICO ............................................................................... 28
3.1 Introducción ....................................................................................................... 28
3.2 Generador de Inducción .................................................................................. 28
3.3 Principio de Funcionamiento ......................................................................... 29
3.4 Tipos de Generadores de Inducción............................................................. 29
3.4.1 Rotor jaula de ardilla ................................................................................. 30
3.4.1.1 Esquema del Generador Eólico ......... ¡Error! Marcador no definido.
3.4.2 Rotor devanado .......................................................................................... 30
ii
3.4.2.1 Esquema del Generador Eólico ....................................................... 31
IV CONTROL DEL GENERADOR EÓLICO .............................................................. 37
4.1 Introducción ....................................................................................................... 37
4.2 Características de un Sistema de Control ................................................... 37
4.2.1 Necesidad de un Control .......................................................................... 37
4.3 Control Propuesto ............................................................................................ 38
4.4 ............................................................................................................................... 39
4.5 ............................................................................................................................... 39
4.6 Sistema de Prueba............................................................................................ 39
V CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS ................................................ 40
5.1 Introducción ....................................................................................................... 40
5.2 Conclusiones ..................................................................................................... 40
5.3 Desarrollos Futuros.......................................................................................... 40
Referencias Bibliográficas ........................................................................................ 41
Anexos .......................................................................................................................... 45
iii
Resumen
En este documento, se presenta el informe de investigación sobre el desarrollo de
un sistema de control inteligente de un generador eólico, es la extensión de la
línea de investigación en ingeniería eléctrica dentro del área de calidad de servicio
eléctrico y eficiencia energética.
Se realiza una revisión y discusión bibliográfica sobre la modelación de cada uno
de los componentes del generador eléctrico accionado por una turbina eólica
conectada a una barra infinita.
En la investigación se desarrolla una metodología y herramienta para la simulación
del control de un generador eólico.
iv
I INTRODUCCIÓN
En esta investigación, se desarrolla la modelación de la turbina eólica y el
generador asincrónico que componen el generador eólico y se propone un control
inteligente del generador eólico conectado a un sistema eléctrico de potencia.
1.1 Antecedentes
En la actualidad, con la crisis energética y el calentamiento global, los gobiernos y
estados en el mundo, están siendo obligados a cambiar su matriz energética,
reducir la dependencia de los combustibles fósiles, aprovechar de mejor manera el
uso de los recursos hidráulicos y especialmente desarrollar las energía
alternativas, tales como: La eólica, la solar, la fotovoltaica, la biomasa, la
geotérmica, la energía de pequeñas microcentrales y la de hidrógeno, las cuales
son consideradas “energías limpias”, en otras palabras, tienen menores niveles de
contaminación ambiental.
Los costos de las energías alternativas, en el mundo todavía, son altas con
respecto al costo de las energías tradicionales, aun así es necesario incentivar el
desarrollo es estas energías y su utilización con el objetivo de tener mayor
eficiencia energética en el futuro por parte de los gobiernos y estados.
Los generadores eólicos, se interconectan con los sistemas eléctricos de potencia,
entonces será necesario aplicar nuevos criterios de diseño, operación y control del
sistema eléctrico de potencia moderno.
Será necesario tomar en cuenta, los criterios de estabilidad del sistema, el
comportamiento bajo diferentes escenarios de carga y la cargabilidad de los
sistemas de transporte de energía eléctrica.
1
1.2 Planteamiento del problema
La desregulación del sector de la electricidad en el mundo entero a partir del 1990,
implica nuevos desafíos para el control y operación de un sistema eléctrico de
potencia (SEP).
La energía eléctrica, hoy en día, es una forma de energía de mayor consumo final
en el mundo. Por lo que, se hace necesario generar la energía eléctrica,
transportarlo y distribuirlo en forma económica y confiable. Las tensiones en cada
una de las barras del sistema deben ser controladas dentro del margen del ± 10 %
respecto al valor nominal por medio de los reguladores automáticos de tensión
que controlan la corriente de excitación de la excitatriz de los generadores,
cambiadores de taps bajo carga de transformadores y por las fuentes de potencia
reactiva distribuidas a lo largo del SEP.
Los sistemas eléctricos de potencia en el mundo, tienen una estructura muy
compleja por la interconexión de sistemas de corriente alterna y continua,
generadores accionados por turbinas hidráulicas y térmicas, sistemas de
cogeneración distribuidas, centrales eólicas, plantas fotovoltaicas, microcentrales y
plantas geotérmicas. Bajo este escenario, es necesario analizar el efecto de un
generador eólico conectado al sistema de potencia.
Los problemas con que tropieza un sistema eléctrico de potencia moderno son
complejos, las perturbaciones afectan principalmente la operación del sistema de
potencia.
Los generadores eólicos, tienen aparejado un problema, la potencia de la turbina
eólica varía en forma no lineal con la velocidad del viento, la velocidad de las
puntas de las aspas del rotor de la turbina y el ángulo de paso de la pala. En un
determinado ángulo de paso y la velocidad del viento, la potencia máxima se
obtiene con una turbina específica y una cierta velocidad angular. Dado que las
2
velocidades del viento varían generalmente en una amplia gama, la velocidad de
la turbina debe ser continuamente ajustada de manera que su potencia pueda ser
maximizada.
1.3 Justificación
En este trabajo de investigación, se enfoca la modelación de los diferentes
elementos de un generador eólico y el desarrollo de un control inteligente cuando
el generador eólico está conectado a un sistema eléctrico de potencia.
La presente investigación, se puede justificar por su conveniencia e implicaciones
prácticas para las empresas eléctricas, por su valor teórico y utilidad metodológica
en la aplicación del control del generador eólico conectado a un sistema eléctrico
de potencia.
La operación segura del sistema eléctrico repercutirá en beneficio social por la
calidad del producto técnico de la energía eléctrica ofrecida a los consumidores
bolivianos.
1.4 Objetivos
El objetivo de la investigación es la comprensión, descripción, descubrimiento y
generación de hipótesis sobre las metodologías de modelación y control aplicables
a un generador eólico conectado a un sistema eléctrico de potencia.
Por lo tanto, los objetivos que se persiguen con la investigación, se dividen en
objetivos generales y objetivos específicos.
3
1.4.1 Objetivos Generales
Los objetivos generales de ésta investigación, son:

Impulsar el desarrollo de la investigación en la Carrera de Ingeniería
Eléctrica e Ingeniería Electrónica.

Apoyar al desarrollo de herramientas computacionales que permitan a las
empresas del sector eléctrico a resolver problemas de estabilidad y
operación de su sistema eléctrico.
1.4.2 Objetivos Específicos
Los objetivos específicos de la presente investigación, son:

Realizar la modelación de una turbina eólica.

Realizar la modelación de un generador asincrónico.

Realizar el control inteligente de un generador eólico conectado a un
sistema eléctrico de potencia.

Publicar los resultados de la investigación desarrollada.
1.5 Hipótesis
La hipótesis de la investigación, se resume a lo siguiente:
El control inteligente de un generador eólico permitirá la operación segura y
confiable del sistema eléctrico de potencia, lo que repercutirá en la reducción de la
tarifa de la energía eléctrica para los consumidores finales bolivianos.
4
1.6 Revisión Bibliográfica
A. Mullane, et al. [1], presentan el desarrollo de un controlador adaptativo
realimentado linealizado para una turbina eólica de velocidad variable. El
controlador utiliza una estimación adaptativa del esfuerzo de torsión del eje de la
turbina. El controlador realimentado linealizado utiliza la estimación del par para
proporcionar un par de referencia para el campo orientado de la máquina de
inducción de jaula de ardilla. La máquina de inducción se conecta a través de una
caja de cambios en el eje de la turbina. El controlador realimentado linealizado
asegura que la relación lineal entre la velocidad de la turbina y una entrada
adicional definido se mantiene. La velocidad de referencia para el controlador está
en función de la velocidad del viento y es elegido para asegurar una captura
máxima de energía del viento para diferentes condiciones de viento. Los
resultados de la simulación demuestran la eficacia de dicho tratamiento en la
captura de la energía máxima disponible del viento.
A. Dadote, L. Dambrosio [2], analizan el control de una central de energía eólica,
que actúa como una fuente de alimentación aislada. La planta consta de una
turbina eólica y un generador de inducción eléctrico trifásico, conectado por medio
de una caja de cambios. Se presentan los modelos matemáticos de la turbina
eólica y del generador eléctrico. Se propone el uso de una técnica de control
adaptativo basado en lógica difusa para gobernar el sistema. Se muestran los
resultados de una prueba de control con el fin de demostrar la fiabilidad de la
técnica de control propuesto.
I. Jahmeerbacus, C. Bhurtun [3], presentan un esquema de control basado en
lógica difusa para ajustar la velocidad de la turbina con el fin de realizar el
seguimiento del punto de máxima potencia. La potencia de las turbinas de viento
varía en forma no lineal con la velocidad del viento, la velocidad de las puntas de
las palas de la turbina y el ángulo de inclinación de las aspas. En un determinado
ángulo de paso y velocidad del viento, la potencia máxima se obtiene en una
5
turbina específica con una velocidad angular. Dado que las velocidades del viento
suelen variar en un amplio rango, la velocidad de la turbina necesita ser
continuamente ajustado para que su potencia pueda ser maximizada. El sistema
propuesto se probó en diferentes condiciones de funcionamiento para validar su
desempeño.
K. Kaur, et al. [4], analizan el rendimiento de un sistema de generación eólica de
velocidad variable mediante el uso de la lógica difusa para la optimización de la
eficiencia y el control de la mejora del rendimiento. El generador de inducción de
jaula de ardilla se alimenta de sistema convertidor de doble ancho de pulso, el cual
alimenta de energía de cualquier red de suministro eléctrico, o un sistema
autónomo. El sistema de generación utiliza tres controladores de lógica difusa. El
primer controlador de lógica difusa realiza el seguimiento de la velocidad del
generador con la velocidad del viento para extraer la máxima potencia. El segundo
controlador de lógica difusa programa el flujo de la máquina para mejorar la
eficiencia de carga ligera. El tercer controlador de lógica difusa proporciona un
control de velocidad robusto contra el viento y un par vórtice oscilante de la
turbina.
H. Karimi-Davijani, et al. [5], presentan el control de lógica difusa del generador de
inducción doblemente alimentado de la turbina eólica en un sistema de energía de
la muestra. DFIG consiste en un generador de inducción común con anillo colector
y un convertidor electrónico de potencia escala parcial. Un controlador de lógica
difusa se aplica al convertidor del lado del rotor para el control de potencia activa y
la regulación del voltaje de la turbina de viento. Turbina de viento y su unidad de
control se describen en los detalles. Todos los componentes del sistema de
alimentación se simulan con el software PSCAD/EMTDC y para el control difuso,
con un bloque definido por el usuario, este software está relacionado con
MATLAB. Para estudiar el comportamiento del regulador, las diferentes
condiciones anormales se aplican incluso el peor de los casos. Resultados de la
6
simulación demuestran el excelente desempeño de la unidad de control difuso
como la mejora de calidad de la energía y la estabilidad de la turbina de viento.
E. Adzic, et al. [6], describen el control de lógica difusa de velocidad del generador
de inducción aplicada en turbinas eólicas. El objetivo del controlador de lógica
difusa es lograr la entrega de potencia máxima a la red de la energía eólica
disponible. El aerogenerador totalmente controlado consiste de un generador de
inducción y un convertidor back-to-back. Esta configuración tiene un control total
sobre el torque eléctrico, el control total de la velocidad, y también apoya la
compensación de potencia reactiva y el funcionamiento en caso de perturbaciones
en la red. El algoritmo de control de lógica difusa fue aplicado y validado por la
simulación detallada en MATLAB/Simulink. Todos los componentes del sistema
son descritos en detalle.
V. Miranda [7], analiza algunas cuestiones relacionadas con la importancia
creciente de la energía eólica y en sistemas de energía modernos y algunos de los
retos planteados por la aparición de la generación distribuida, y cómo la
inteligencia computacional y otras técnicas modernas han sido capaces de
proporcionar resultados valiosos en la solución de los problemas nuevos. Presenta
algunas soluciones obtenidas con una serie de técnicas de inteligencia
computacional y su aplicación a casos reales.
H. Hadj Abadía, et al. [8], presentan un método para resolver el problema de flujo
de carga en sistemas de energía eléctrica, incluyendo una estación de energía
eólica con generadores asíncronos. Para este tipo de central eléctrica, sólo se
conoce la potencia activa generada, por lo que debe ser determinado la potencia
reactiva absorbida. Se utilizó el diagrama circular en cada iteración y el estudio de
esta barra como barra de carga en el programa de flujo de carga. Dado que la
velocidad del viento no es constante, la energía generada no es constante. Para
predecir el estado de la red en tiempo real, se utilizó las redes neuronales
artificiales después de una etapa de formación con una rica base de datos.
7
P. Rosas [9], presenta las influencias básicas de la energía eólica en la estabilidad
del sistema de potencia y calidad, señalando los problemas de alimentación
principal de la calidad de la energía eólica en un caso de pequeña escala y
siguientes, se introducen los problemas previstos a gran escala. Se presenta
modelo de turbina de viento dinámico que apoya la evaluación de calidad de la
energía de las turbinas de viento. Se presenta, un modelo de parques eólicos que
generan energía eléctrica para realizar un análisis de estabilidad y calidad. El
modelo de parque eólico global incluye el alisado de la fluctuación de potencia
relativo de un parque eólico en comparación con una sola turbina de viento. Por
último, se presentan, las aplicaciones de modelos de parques eólicos agregada a
los sistemas de energía. Se ilustran con tres casos, la calidad de la energía y las
características de estabilidad sobre la influencia de la energía eólica a gran escala
en sistemas eléctricos de potencia.
M. R. Patel [10], presenta las tecnología desarrollas sobre la energía eólica en los
Estados Unidos de Norteamérica y el mundo. Incluye la ingeniería fundamental, la
probabilidad de distribución de la velocidad del viento, la energía potencial anual
de un sitio, mapas de la velocidad y energía del viento de muchos países, y la
operación de sistemas de potencia eólicos y los requerimientos de control.
NRECA [11], La National Rural Electric Cooperative Association, realiza la
introducción sobre el uso de la energía eólica, tipos y modelos de turbinas eólicas,
y las implicancias económicas del uso de la energía eólica.
I. Munteanu, et al. [12], realizan la introducción acerca de los recursos de la
energía eólica, presenta un análisis sistemático de las principales partes del
sistema de conversión de la energía eólica asociado con los objetivos de control,
explica los fundamentos del sistema de control de la turbina eólica e introduce
criterios de optimización, y se enfoca en la filosofía de la simulación para la
construcción de los modelos.
8
F. Blaabjerg, Z. Chen [13], introducen algunos conceptos básicos de los aspectos
eléctricos y sobre la electrónica de potencia que intervienen en los sistemas de
generación eólica modernos, incluida la electrónica de potencia moderna y
convertidores, la generación eléctrica y sistemas de conversión para los sistemas
de velocidad fija y variable, las técnicas de control de turbinas eólicas,
configuraciones de parques eólicos, y las cuestiones de la integración de turbinas
eólicas en los sistemas de potencia.
K. Z. Østergaard [14], analiza el control de las turbinas eólicas considerando un
control multi-objetivo que tiene en cuenta los efectos estructurales como la fatiga,
la producción de energía y calidad, y la variación de velocidad del generador.
Realiza una introducción al control de las turbinas de viento y ofrece una visión
general de los diferentes métodos que se han aplicado.
P.W. Carlin, et al. [15], presentan la historia y el estado del arte de la tecnología de
turbinas eólicas de velocidad variable, realiza la comparación de la velocidad fija
versus la velocidad variable, y considera los métodos para implementar turbinas
eólicas de velocidad variable. Y complementa con el análisis de los generadores
sincrónicos y de inducción, los requerimientos de potencia reactiva, y los
dispositivos empleados por la electrónica de potencia.
M. R. Patel [16], analiza el uso combinado de centrales eólicas y solares para la
generación de energía eléctrica. Realiza una cobertura detallada de los
fundamentos de la energía eólica y las distribuciones de probabilidad de la
velocidad del viento y el potencial anual de energía de un sitio. Se incluye la
velocidad del viento y los mapas de energía de varios países.
G. L. Jhonson [17], realiza una introducción al uso de la energía eólica, la
generación de electricidad en base a la energía eólica, los tipos de turbinas
empleadas, y los parques eólicos de California. Las características de los vientos,
9
la meteorología de los vientos y la medición de los vientos. Analiza la turbina
eólica, la potencia, energía y torque que entrega. Revisa los métodos de
generación de energía eléctrica considerando los generadores sincrónicos y de
inducción, y los aspectos económicos de la generación eólica.
I. Woofenden [18], presenta conceptos sobre la energía eólica, y explica la
terminología de las plantas de generación eólica de una manera simple.
J. G. Slootweg [19], desarrolla el modelado de una turbina eólica y se analiza su
impacto en un sistema de potencia. Realiza simulaciones para ver la dinámica de
un sistema de potencia considerando la estabilidad transitoria y estabilidad para
pequeña señal. La aplicación se realiza a sistemas de prueba.
F. D. Bianchi [20], introduce el problema del control de la turbina eólica, describe
las características del recurso eólico como los principios de la conversión de la
energía eólica, trata la modelación de la turbina eólica, examina las estrategias y
objetivos de control más comunes y realiza el control de las turbinas eólicas.
S. M. Muyeen, et al. [21], presentan el análisis de estabilidad transitoria de una
turbina eólica con velocidad variable del viento que acciona un generador
sincrónico de imán permanente. Se desarrollan estrategias adecuadas de control
para turbinas eólica y convertidor de frecuencia. El desarrollo reciente de la
tecnología electrónica de potencia alienta a utilizar turbinas eólicas de velocidad
variable accionadas por un generador de inducción de doble alimentación, o
generador sincrónico de imán permanente para la generación de energía eólica.
Se consideran tanto las fallas simétricas y como asimétricas como una
perturbación de la red en los análisis de simulación de las características
transitorias del sistema propuesto, utilizando el software PSCAD/EMTDC.
C. Pournaras, et al. [22], presentan un modelo aerodinámico eléctrico acoplado
para análisis dinámico de una turbina eólica de tres aspas. El modelo se basa en
10
una representación de elemento de una aspa como parte de la carga
aerodinámica en combinación con un elemento aeroelástico para el análisis
dinámico de una aspa del rotor real, incluyendo la aceleración de la torre superior.
El modelo consiste en la reducción del tiempo de computación que permite la
aplicación en el hardware de control del sistema. Este análisis es muy prometedor
para la obtención de los controladores que toman en cuenta objetivos
contradictorios, como la maximización de captación de energía y reducción de
tensiones mecánicas en la parte aerodinámica.
T. Yamazaki, et al. [23], Dado que la producción de turbinas eólicas es
proporcional a la cúbica de la velocidad del viento, la potencia de salida de la
turbina eólica del generador fluctúa debido a las variaciones de velocidad del
viento. Por lo tanto, si la capacidad de potencia de los generadores de energía
eólica se hace grande, la energía eólica de salida del generador puede tener una
influencia en la frecuencia del sistema eléctrico. Algunos métodos para suavizar
las fluctuaciones de aerogenerador de salida con varios tipos de sistemas de
almacenamiento de energía se han propuesto, sin embargo, estos métodos tienen
un problema de costos. Este trabajo propone un sistema de control nuevo para
suavizar las fluctuaciones de la potencia de los aerogeneradores.
R. Melício, et al. [24], presentan la modelación y simulación en Matlab/Simulink de
los sistemas de energía eólica con diferentes topologías de los convertidores de
potencia: conversor matricial y un conversor multinivel. Se hace énfasis en el
método de modulación de pulso por la modulación de espacio vectorial asociado al
modo de deslizamiento para el control de los conversores, y se ha introducido el
control del factor de potencia en la salida de los convertidores. Por último, se
presenta el comportamiento eléctrico de la potencia y la corriente en la entrada y
la salida de los conversores.
R. Takahashi, J. Tamura [25], proponen una aplicación de sistema de
almacenamiento de energía giratoria a un sistema de alimentación aislada con un
11
parque eólico para mejorar la calidad de la frecuencia de la red. La validez del
método propuesto es evaluado por análisis de simulación por ordenador utilizando
el software PSCAD/EMTDC. Las fluctuaciones de la energía de los generadores
eólicos provocan variaciones de frecuencia de red en sistemas de potencia. Esto
puede disminuir la calidad de la energía y luego provocar una restricción de la
instalación de parques eólicos, especialmente en un sistema eléctrico aislado, por
ejemplo, alimentación del sistema en una pequeña isla.
E. Al-Ahmar, et al. [26], presentan la investigación de una técnica transitoria
específica adecuada para el diagnóstico de fallas eléctricas y mecánicas en una
turbina de viento. La técnica de investigación es una combinación de la
transformada wavelet discreta, las estadísticas y la energía. Las investigaciones
experimentales fueron realizadas en un generador de inducción de 1,1 kW de un
banco de pruebas, la técnica propuesta pueden diagnosticar sin ambigüedades
fallas en condiciones transitorias.
A. Dadone, L. Dambrosio [28], analizan el control de una planta de energía eólica,
que actúa como una fuente de alimentación aislada. La planta consta de una
turbina eólica y un generador de inducción eléctrico trifásico, conectado por medio
de una caja de cambios. Se presentan los modelos matemáticos de la turbina
eólica y del generador eléctrico. Se propone, el uso estimador basado en una
técnica de control adaptativo de lógica difusa para gobernar el sistema. Se
muestran, los resultados de una prueba de control con el fin de demostrar la
fiabilidad de la técnica de control propuesto.
L Zhang, et al. [29], proponen un esquema de generación de energía eólica
conectada a la red utilizando un generador de inducción doblemente alimentado,
en relación directa con un convertidor matriz AC-AC. El análisis emplea un
algoritmo de control de vectores del flujo de estator y un convertidor matriz espacio
vectorial modulada para controlar la corriente del rotor del generador. El sistema
permite el seguimiento de la velocidad óptima para la captura máxima energía del
12
viento y de alto rendimiento para la regulación de potencia activa y reactiva. Se
realizaron los estudios de simulación del sistema de generación de energía
propuesta. Se presentan los resultados obtenidos que ilustran el buen rendimiento
del control del sistema.
E. Camm, et al., [30], ofrecen una visión general de las capacidades del sistema
híbrido de compensación de energía reactiva, las configuraciones típicas y
ejemplos de aplicación. Analizan sistemas híbridos de compensación reactiva de
energía constituida por compensadores dinámicos basados en inversor y de
conmutación mecánica de condensador en paralelo y los bancos de reactores los
que constituyen un medio económico que reúnen requisitos típicos para la
corrección del factor de potencia y de control de voltaje. Estas capacidades
pueden reducir el total de las necesidades de potencia reactiva del sistema de
energía en plantas de energía eólica, donde todos los generadores eólicos
(aerogeneradores) responden lo suficientemente rápido como para permitir que las
capacidades dinámicas del factor de potencia de aerogeneradores que se utilizan
para compensar el factor de potencia.
T. Asao, et al. [31], proponen un sistema compuesto por un sistema de
aerogeneradores y superconductores magnéticos de almacenamiento de energía,
el cual se controla para alisar la salida del generador de energía eólica. Se
presenta, un método de evaluación para determinar la potencia y la capacidad de
almacenamiento de energía, teniendo como base los análisis de simulación
realizados por el software PSCAD/EMTDC.
I. Jahmeerbacus, C. Bhurtun, [32] presentan un esquema de control basado en
lógica difusa para ajustar la velocidad de la turbina con el fin de realizar el
seguimiento del punto de máxima potencia. La potencia de las turbinas de viento
varía en forma no lineal con la velocidad del viento, la velocidad de las puntas de
las palas de la turbina y el ángulo de la aspa. La potencia máxima que se obtiene
en una turbina, depende de un ángulo de paso determinado, velocidad del viento y
13
la velocidad angular específica. Dado que las velocidades del viento suelen variar
en un amplio rango, la velocidad de la turbina necesita ser continuamente ajustada
para que su potencia pueda ser maximizada. El sistema propuesto es probado en
diferentes condiciones de funcionamiento para validar su desempeño.
R. Sebastián [33], presenta la simulación de la transición de un sistema de
generación eólico (WO) a un sistema híbrido diesel eólico (WD) o un sistema de
generación diesel (DG). La simulación incluye el modo de WO y la transición
obligatoria a partir del modo de WO a WD modo cuando la potencia activa
producida es menor que uno consume. Se muestra las gráficas de las tensiones y
sus variaciones, los valores son muy razonables teniendo en cuenta la fuerte
perturbación que se produce en el sistema eléctrico aislado.
A. M. González [34], presenta una revisión del estado del arte sobre el control de
la potencia para los sistemas de conversión de energía eólica, que aprovechan al
máximo la energía cinética dada por el viento y de esta forma obtienen una
potencia de salida óptima. Se revisan varias investigaciones relacionadas con el
modelamiento matemático del generador eólico, las diferentes estrategias de
control utilizadas en la actualidad con el fin de alcanzar una regulación óptima de
la potencia entregada a la red eléctrica, y también se revisan los sistemas híbridos
que combinan la energía eólica con otra fuente de energía diferente.
M. Rasila [35], describe los diferentes aspectos sobre el control de las turbinas
eólicas y cómo estas se pueden utilizar para optimizar el rendimiento del sistema.
Se utiliza el control del torque motor con el fin de lograr la reducción de las cargas
mecánicas en la caja de transmisión para bajas velocidades del viento que limita la
producción de energía. Para vientos fuertes el control de velocidad del torque es
efectivo para limitar la potencia de salida. Para vientos de velocidad media puede
ser usado el filtro de intervalo para dar una señal de referencia al controlador con
el fin de reducir la velocidad y las variaciones de torsión.
14
T. Petra [36], describe las cuestiones pertinentes de calidad de la energía, analiza
diferentes configuraciones de las turbinas eólicas con respecto a la calidad de la
energía y plantea los requisitos relativos de los modelos de aerogeneradores.
Introduce un modelo de velocidad regulada y un sistema de aerogeneradores de
velocidad fija y se evalúa el impacto en la calidad de alimentación de la red
eléctrica. El modelo es verificado con mediciones de campo.
K. S. M. Raza, et al. [37], proponen una nueva solución a los problemas que existe
en el algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia para sistemas de
conversión de energía eólica. La solución presentada no sólo resuelve la velocidad
de seguimiento vs el problema de eficiencia de compensación, sino también se
asegura de que las condiciones cambiantes del viento no debe dar lugar al punto
de máxima potencia en la dirección equivocada. Los resultados experimentales
obtenidos confirman que el algoritmo propuesto es notablemente más rápido y
eficiente que la normal.
N. Rocha, et al. [38], presentan una alternativa a los métodos clásicos de análisis
del desempeño de los sistemas de conversión de energía eólica. Proponen una
plataforma de ensayos para un generador de inducción trifásico basado en un
emulador de turbina eólica, considerando un modelo mecánico de dos masas. A
partir de un motor de corriente continua alimentado por un conversor de onda
completa, esa plataforma posibilita un análisis de validación de nuevas estrategias
de control para los sistemas de conversión de energía eólica. Se presentan y
comparan los resultados obtenidos por simulación y experimentación.
Realizada la revisión bibliográfica, las turbinas eólicos, se puede clasificar en lo
siguiente:
 Turbinas de eje vertical
 Turbinas de eje horizontal
15
Los sistemas de generación eólico, utilizan los siguientes tipos de generadores:
 Generador de inducción
 Generador sincrónico
De acuerdo a la configuración en cuando a formas de funcionamiento, se tiene:
Sistemas aislados:
 Generador eólico
 Generador eólico combinado con grupo diesel
Sistemas interconectados.
 Generador eólico conectado a un sistema de potencia
 Parque eólico conectado a un sistema de potencia
Esta investigación profundiza los lineamientos del control inteligente de un sistema
de generación eólica de las referencias [3], [5].
1.7 Organización del Trabajo
El presente trabajo de investigación está estructurado en capítulos para su mejor
comprensión.
En el capítulo I, se plantea el problema de investigación, los antecedentes, los
objetivos, la hipótesis planteada y se realiza una revisión bibliográfica.
En el capítulo II, se realiza el modelado de una turbina eólica.
16
En el capítulo III, se enfoca la modelación del generador asincrónico empleado en
las centrales eólicas.
En el capítulo IV, se propone el control inteligente del generador eólico.
En el capítulo V, se presentan las conclusiones y desarrollo futuros sobre el
trabajo de investigación desarrollada.
17
II TURBINA EÓLICA
2.1 Introducción
En este capítulo, se abarca tópicos sobre la energía eólica y su transformación en
energía eléctrica por medio de una turbina eólica. Se realiza la modelación
matemática de la turbina eólica.
El modelo matemático de la turbina eólica, se emplea en la simulación del control
de una central de generación eólica.
2.2 Energía Eólica
El calentamiento de las masas de aire en diferentes lugares de la tierra, dan lugar
a diferencias y cambios de presión del aire con una consecuencia del movimiento
de masas de aire que resulta en lo que se denominan vientos con ciertas
velocidades.
El primer aprovechamiento de la energía del viento, es el molino de viento que es
una máquina que transforma la energía del viento en energía mecánica
aprovechable para moler cereales. Esta energía proviene de la acción de la fuerza
del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede
conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o
generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba,
recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le
denomina generador de turbina de viento.
2.3 Turbina Eólica
18
2.3.1 Turbina Eólica de Paso Variable y Paso Fijo
Los
diseños
actuales
de
aerogeneradores
se
pueden
clasificar
en
aerogeneradores de pala de paso fijo y aerogeneradores de pala de paso variable.
2.3.1.1 Aerogeneradores de paso fijo
Los aerogeneradores de paso fijo presentan un ángulo de inclinación de la pala
constante de cara al viento.
Sus ventajas fundamentales son la simplicidad del equipo y costo, por lo que se
utilizan mayoritariamente en sistemas de baja potencia.
Por el contrario, a velocidades de viento altas no aprovechan óptimamente las
propiedades aerodinámicas de las palas, con la consiguiente pérdida de energía
captada. Al ser un diseño fijo, a velocidades de viento altas los esfuerzos
mecánicos son considerablemente altos, con lo que las palas se deben construir
de tal manera que soporten tales tensiones, y el coste de la pala aumenta.
No disponen de un sistema de autofrenado, con lo que en caso de embalamiento
hay que instalar un freno que sea capaz de absorber toda la energía cinética de
las palas. Este tipo de control tiene problemas con el par de arranque del rotor,
con lo que a veces el arranque es motorizado (utilizando el generador como
motor).
2.3.1.2 Aerogeneradores de paso variable
Los aerogeneradores de paso variable permiten adaptar dicha inclinación de pala
en función de la velocidad del viento, rotando alrededor del eje longitudinal de la
pala, y modificando las propiedades del perfil aerodinámico en su confrontación
19
frente al viento incidente.
En sistemas de alta potencia, es rentable instalar un mecanismo de giro de
inclinación de las palas, que supone una mayor complejidad y costo del equipo,
pero que se justifica por las ventajas que a continuación se exponen:
a) Al variar el ángulo de inclinación de las palas se consigue optimizar el
aprovechamiento de la energía del viento en todo el rango de velocidades, muy
particularmente por encima de la velocidad nominal de la turbina.
b) Con paso variable, las cargas mecánicas sobre las palas y el resto del
aerogenerador son menores, permitiendo un diseño más ligero y de menor
coste de la pala. Las cargas horizontales sobre la turbina se reducen,
minimizando también la cimentación.
c) Al poder orientar la pala se resuelve de forma aerodinámica el frenado de la
turbina en caso de embalamiento. Por ésto, el freno hidráulico de emergencia
de la turbina se puede diseñar más pequeño sin comprometer la seguridad de
la operación. En ciertas turbinas de paso fijo se incluyen ciertos frenos
aerodinámicos como control de punta de pala, alerones, etc, para evitar el
embalamiento. En las turbinas de paso variable la pala es un elemento
estructural único, con la consiguiente simplicidad. El par de arranque de la
turbina es bueno puesto que el ángulo de paso de las palas se regula,
consiguiéndose el óptimo par de arranque (ángulo de paso de 45º), y con
posibilidad de arranque a velocidades inferiores de viento.
d) En zonas donde el ruido generado es un problema, el paso variable ayuda a
disminuirle a altas velocidades de viento o incluso limitar la generación de ruido
mediante paso variable a cualquier velocidad de viento (en Alemania existen
turbinas en zonas habitadas que se desconectan si el nivel de ruido excede
cierto valor).
e) La turbina se puede ajustar, mediante un software adecuado, a trabajar a una
potencia inferior a la establecida normalmente en caso de redes muy débiles, o
para realizar ciertos ensayos, consiguiéndose además evitar el problema de la
20
sensibilidad del momento de entrada en pérdida de la pala ante ciertos
parámetros, como la densidad del aire o la suciedad en la pala.
El único parámetro a la hora de diseñar una pala es optimizar la captación de
energía y no el punto de entrada en pérdida del perfil.
2.3.2 Aerogeneradores de Velocidad Variable y Velocidad Fija
Dentro de las máquinas de paso variable, se pueden comparar las diferentes
opciones de regulación de velocidad, desde los diseños menos sofisticados a los
más complejos. Se tiene aerogeneradores de velocidad variable y velocidad fija.
2.3.2.1 Aerogenerador de Velocidad Fija
La estructura del aerogenerador de velocidad fija es básicamente un sistema
multiplicador y un generador asíncrono directamente acoplado a red por su
estator, con unas baterías de condensadores para compensar la energía reactiva.
La mayoría de los aerogeneradores de gran potencia que operan hoy en día en
parques eólicos son de este tipo. Incorporan un generador asíncrono de rotor
bobinado estándar, gracias a lo cual se consigue un precio ajustado.
Los inconvenientes de funcionar a velocidad fija son las sobrecargas mecánicas
que se generan debido a las ráfagas de viento. Estas fluctuaciones de potencia en
el viento se traducen, aunque filtradas, en fluctuaciones de potencia eléctrica
generada. La inestabilidad del viento supone por ello un problema para la
maquinaria del aerogenerador y para la red eléctrica de distribución.
El generador asíncrono demanda energía reactiva, lo cual es otro inconveniente
desde el punto de vista de la red eléctrica, y se corrige con baterías de
condensadores.
21
2.3.2.2 Aerogenerador de Deslizamiento Variable
La estructura de deslizamiento variable consta de un sistema multiplicador,
generador asíncrono y unas resistencias del rotor variables.
Al variar la resistencia del rotor se varía el deslizamiento (entre un 1% y 10%), lo
que permite a los aerogeneradores absorber los golpes de viento, reduciendo las
cargas extremas sobre el multiplicador, a la vez que se genera una potencia
eléctrica sin fluctuaciones; este sistema está patentado bajo el nombre de OptiSlip(R).
2.3.2.3 Aerogenerador de Velocidad Variable con Generador de Doble
Inducción
Este sistema, del que existen algunos prototipos en estado de experimentación,
está formado por un sistema multiplicador y un generador asíncrono cuyo estator
está conectado directamente a la red y cuyo rotor lo está a través de dos
convertidores de frecuencia. Con esta estructura se consigue regular la velocidad
del sistema en un rango alrededor de la velocidad nominal.
2.3.2.4 Aerogenerador de Velocidad Variable con Generador Sincrónico
Multipolo
Este sistema es el más complejo de todos. El sistema multiplicador se elimina
merced a un generador sincrónico multipolo, empleándose para variar la velocidad
en el estator dos convertidores que manejan toda la potencia de la máquina.
Las ventajas del sistema son la mejora del rendimiento aerodinámico, la potencia
de salida sin fluctuaciones, el control de la energía reactiva, y, fundamentalmente,
la eliminación del sistema multiplicador.
22
2.4 Modelo de la Turbina Eólica
Las modernas turbinas de viento se mueven por dos procedimientos: el arrastre,
en el que el viento empuja las aspas, y la elevación, en el que las aspas se
mueven de un modo parecido a las alas de un avión a través de una corriente de
aire. Las turbinas que funcionan por elevación giran a más velocidad y son, por su
diseño, más eficaces.
Las turbinas de viento pueden clasificarse en turbinas de eje horizontal, en las que
los ejes principales están paralelos al suelo y turbinas de eje vertical, con los ejes
perpendiculares al suelo.
La configuración típica de las turbinas eólicas, son de dos tipos:
 Turbina de eje vertical
 Turbina de eje horizontal
2.4.1 Turbina de eje vertical
La turbina rota alrededor de un eje vertical, son las menos comunes empleadas en
las turbinas eólicas. Entre las máquinas de eje vertical más usuales destacan las
Savonius, cuyo nombre proviene de sus diseñadores, y que se emplean sobre
todo para bombeo; y las Darrieus, una máquina de alta velocidad que se asemeja
a una batidora de huevos.
2.4.2 Turbina de eje horizontal
La turbina rota alrededor de un eje horizontal, son las más comunes que se
emplean en las turbinas eólicas. Las turbinas de ejes horizontales utilizadas para
generar electricidad tienen de una a tres aspas, mientras que las empleadas para
bombeo pueden tener muchas más.
23
2.5 Potencia del Viento
La potencia aerodinámica obtenida desde la energía cinética del viento y está
dada por la siguiente ecuación: [34]
Pa 
1
R 2 C P ( ,  ) v 3
2
donde:
 Densidad del aire
R
Radio del rotor
CP Coeficiente de potencia del rotor

Ángulo de paso del aspa

Relación de velocidad de la punta del aspa
v
Velocidad del viento
El coeficiente de potencia CP depende del ángulo de paso del aspa, , y de la
relación de velocidad de la punta, , la cual se define como la relación entre la
velocidad lineal en la punta del aspa y la velocidad del viento:

r R
v
donde:
r Velocidad angular del rotor
2.5.1 La Variabilidad de la Potencia Eólica
Desde un punto de vista macro meteorológico, el viento es el movimiento de
masas de aire en la atmósfera, generado por las diferencias de temperatura.
Existen unos gradientes de temperatura en la Tierra, debidos a la desigual
cantidad de calor que recibe del sol. De hecho, la zona más irradiada es el
24
Ecuador,
mientras
que
las
zonas
menos
irradiadas
son
los
polos.
Consecuentemente, las masas de aire más calientes del Ecuador, suben de altura
y se desplazan a los polos, generando a su vez un desplazamiento de las masas
de aire frío al Ecuador. Esta circulación de aire, es afectada también por la fuerza
de Coriolis generada por el movimiento rotacional de la tierra. Esta fuerza actúa en
el hemisferio Norte, acelerando el viento en la dirección de giro de la tierra (Este)
si va hacia el polo o al contrario (Oeste) si va hacia el Ecuador. De manera
contraria ocurre en el hemisferio Sur. Estos vientos a gran escala que se producen
en toda la atmósfera determinan lo que se denomina vientos geostróficos.
En la capa más baja de la atmósfera, desde la superficie hasta aproximadamente
los 100 metros de altura, las fuerzas de fricción debido a los obstáculos de la
superficie, alteran la velocidad y la dirección del viento, produciendo unos flujos
turbulentos, con velocidades del viento que varían en un amplio rango de
amplitudes y frecuencia.
Adicionalmente, la presencia del mar o de grandes lagos, causa circulaciones de
aire similares a las observadas en los vientos geostróficos.
La suma de todos estos vientos, provoca lo que se denominará “vientos locales”.
Esos vientos locales, dependerán de la localización geográfica, las características
climáticas, la altura sobre el suelo, y la topografía de la superficie (rugosidad del
terreno y obstáculos).
Una interesante caracterización de esos vientos locales, es comprobar la
distribución de su energía cinética en el dominio de la frecuencia, en lo que se
denomina un análisis de espectro de van der Hover.
2.6 Modelado de la Turbina Eólica
El torque aerodinámico está dado por:
25
Ta 
1
R 3C q ( ,  ) v 2
2
donde:
Cq Velocidad angular del rotor. Está dado por: C q 
C p ( ,  )

El modelo de las partes mecánicas que incluyen el eje y la caja de engranajes se
obtiene tomando un eje equivalente, en el cual su respuesta dinámica con el rotor
en movimiento a una velocidad angular r, está dada por la siguiente ecuación:
Jr
d r
 Ta  Tls  K r  r
dt
donde:
Jr
Momento de inercia del rotor
Tls
Torque del eje de baja velocidad
Kr
Factor de amortiguamiento externo del rotor
El torque del eje de baja velocidad actúa como un torque de frenado del rotor.
El modelo de la respuesta dinámica del bloque del generador girando a una
velocidad angular g, está dada por la siguiente ecuación:
Jg
d g
dt
 Ths  K g r  Tem
donde:
Jg
Momento de inercia del generador
Ths Torque del eje de alta velocidad
Kg
Factor de amortiguamiento del generador
Tem Torque electromagnético del generador
26
Asumiendo una caja de engranajes ideal con su relación de transmisión g
definida por:
g 
Tls  g

Ths  r
El modelo dinámico único del generador eólico se obtiene trasladando la dinámica
del generador eléctrico al eje de baja velocidad y se expresa en la siguiente
ecuación:
Jt
d r
 Ta  K t r  Tg
dt
donde:
Jt
Momento de inercia total de la turbina
Tg
Torque del generador en el lado del rotor
Kt
Factor de amortiguamiento externo total de la turbina
27
III GENERADOR ASINCRÓNICO
3.1 Introducción
En este capítulo, se enfoca el modelado de un generador asincrónico
(denominado también como generador de inducción) para integrarlo como parte
de una central eólica.
3.2 Generador de Inducción
Los generadores de inducción se utilizan principalmente en turbinas eólicas y en
ciertas instalaciones hidráulicas debido a su capacidad de producir potencia
eléctrica útil a velocidades variables de rotación.
La máquina de inducción –en su caso el generador de inducción- se caracteriza
por su sencillez constructiva, bajo mantenimiento, larga vida útil, versatilidad y bajo
costo, las que colocan a esta máquina como pilar del desarrollo industrial
moderno.
En la actualidad [15], comúnmente se utiliza un generador de inducción en una
turbina eólica. Las razones para utilizar generadores de inducción, son:
1. Bajo costo
2. Robustez
3. Opera con deslizamiento (es decir, con una velocidad variable)
4. Fácilmente disponible en el mercado en diferentes tamaños.
5. Tecnología confiable
28
3.3 Principio de Funcionamiento
Los generadores de inducción no son autoexcitados, por esa situación requieren
de un suministro externo de corriente trifásica para producir un flujo magnético
rotante en el entrehierro. El suministro externo puede provenir de la red eléctrica, o
del mismo generador, una vez que comienza a producir energía eléctrica. El flujo
magnético rotante del estator induce corrientes en los conductores del rotor, lo
cual crea un campo magnético. La velocidad del campo magnético rotatorio en el
entrehierro esta dada por la frecuencia de la red eléctrica. Si el rotor gira más
lentamente que el campo del estator, entonces la máquina de inducción opera
como un motor de inducción. Si por el contrario, el rotor gira a una velocidad
mayor que la frecuencia de sincronismo, la máquina opera como un generador de
inducción, produciendo potencia eléctrica.
En los generadores de inducción, el flujo magnetizante es establecido por un
banco de capacitores conectado a la máquina para la regulación del factor de
potencia.
La potencia que entrega el generador asincrónico es proporcional a la diferencia
entre su velocidad de sincronismo s y la velocidad angular de su rotor 
3.4 Tipos de Generadores de Inducción
Existen dos tipos de generadores de inducción usadas en las turbinas eólicas:
 Rotor jaula de ardilla y
 Rotor devanado
29
3.4.1 Rotor jaula de ardilla
Actualmente, cerca del 90 % de las empresas eléctricas con turbinas eólicas
conectadas a un sistema eléctrico de potencia usan generadores de inducción con
jaula de ardilla. El rotor esta hecho de acero ligero con barras de cobre o aluminio
cortocircuitadas. Ellos no necesitan anillos rodantes como en los generadores
sincrónicos o en los generadores de inducción con rotor devanado.
Fig. 3.1 Esquema de un generador de inducción de rotor jaula de ardilla
En la Fig. 3.1, se muestra el esquema de un generador de inducción de rotor jaula
de ardilla típico.
3.4.2 Rotor devanado
30
Fig. 3.2 Esquema de un generador de inducción de rotor devanado.
En la Fig. 3.2, se muestra el esquema de un generador de inducción de rotor
devanado típico.
3.5 Esquemas del Generador de Inducción Eólico
Los esquemas típicos de generadores asincrónicos eólicos, son dos tipos:
 Generadores de inducción directamente conectados
 Generadores de inducción doblemente alimentados
3.5.1 Generador de Inducción Directamente Conectado
El generador de inducción directamente conectado Este tipo de aerogeneradores
es de construcción relativamente simple y robusta, consiste en una turbina eólica,
una caja de engranajes, un banco de capacitores y un generador de inducción de
rotor jaula de ardilla o rotor devanado directamente conectado a la red a través de
un transformador elevador. En la Fig. 3.3, se muestra el esquema de un generador
de inducción directamente conectado.
31
Fig. 3.3 Esquema de un generador de inducción directamente conectado
Este tipo de aerogeneradores son regularmente conectados a la red mediante un
arrancador suave. Este consiste en dos tiristores de potencia antiparalelos por
fase que limitan la corriente de arranque de los aerogeneradores.
Sin este dispositivo, la corriente “inrush” puede ser unas 7 u 8 veces mayor a la
corriente nominal; por lo tanto, con este elemento electrónico de potencia, se
reducen las perturbaciones en la tensión del sistema causadas por la alta
demanda de potencia reactiva en el arranque. Después del arranque (2-3
segundos de la conexión) se acciona un “bypass” que deja sin efecto a los
tiristores para reducir las pérdidas de energía del sistema.
La corrección del factor de potencia del generador se realiza mediante un banco
de capacitores en paralelo conectados en el lado de baja tensión del trasformador
elevador. Este tipo de generador no posee control interno de potencia reactiva ni
capacidad para soportar corrientes de falla.
Las aspas del rotor que extraen la energía cinética del viento pueden tener un
control aerodinámico pasivo de velocidad llamado “stall” o un control dinámico del
tipo “pitch”. En la práctica la salida de potencia de este generador fluctúa
considerablemente, ya que, esta depende del viento, que por naturaleza varía en
intensidad y dirección.
32
Existen diversas desventajas para el generador de inducción directamente
conectado. Entre estas se puede citar la susceptibilidad ante corrientes de falla
que hace que en países en que la penetración de la energía eólica con este tipo
de tecnología es alta, se pierdan cantidades de potencia eólica de hasta cientos
de MW debido a fallas del sistema de extra alta tensión. También poseen
problemas de “flicker” debido a su baja inercia y efectos de sincronización en
estado estable. Además, sus bancos de capacitores, aportan menos reactivo
durante condiciones de falla, pero la demanda por parte de los aerogeneradores
puede aumentar. Esto hace que se degrade considerablemente la estabilidad de
tensión del sistema de potencia al demandarse una gran cantidad de potencia
reactiva lo cual puede ser riesgoso si no se posee suficiente reserva de potencia
reactiva.
Fig. 3.4 Esquema de un generador eólico directamente conectado
En la Fig. 3.4, se muestra el esquema de un generador eólico directamente
conectado, conceptualmente es una disposición simple.
3.5.2 Generadores de Inducción Doblemente Alimentados
El generador de inducción doblemente alimentado, DFIG, (del ingles Doubly-Fed
Induction Generator) consiste en una turbina eólica de velocidad variable,
conectada mediante una caja de engranajes a un generador asíncrono de rotor
devanado. El rotor es conectado a la red mediante convertidores electrónicos de
potencia tipo PWM, ver Fig. 3.4. El estator es conectado directamente a la red, de
aquí su nombre “generador doblemente alimentado”.
33
Fig. 3.4 Esquema típico del generador asincrónico doblemente alimentado.
El tipo y capacidad de los convertidores del rotor determina el ámbito de
velocidades de operación del aerogenerador. Lo anterior debido a que el rotor
entrega una fracción de potencia a la red que es proporcional al deslizamiento.
Cuando la velocidad angular del aerogenerador es subsíncrona la potencia fluye
de la red al rotor y cuando es supersíncrona, la potencia fluye del rotor al estator
por medio de los convertidores.
La operación a velocidad variable es obtenida excitando mediante una tensión
variable de cierta frecuencia al rotor, lo cual genera una corriente variable que
permite esta función.
El rotor del generador y los convertidores son protegidos mediante un sistema de
protección contra sobrecorrientes llamado “crowbar”. El disparo de este sistema de
protección es el medio por el cual el generador desconecta el rotor de la red ante
34
una perturbación en el sistema que esté fuera del esquema de protecciones de la
máquina, entonces, el DFIG funciona como un aerogenerador directamente
conectado o IG.
Los aerogeneradores de velocidad variable con DFIG están siendo utilizados
ampliamente en la actualidad en el campo de la generación eólica. Lo anterior
debido a que los estándares de tolerancia de tensión para los aerogeneradores
son cada vez más estrictos y este tipo de aerogeneradores presenta un mejor
desempeño ante perturbaciones de tensión y regulación de tensión y potencia. La
turbina eólica limita la potencia extraída del viento durante altas velocidades de
viento mediante el sistema “pitch”, generalmente.
En la Fig. 3.4, se muestra el esquema típico del generador asincrónico doblemente
alimentado [42], la salida del generador se conecta directamente a la red eléctrica
y a su vez se establece un lazo de realimentación por medio de algún conversor
de frecuencia con el objetivo de controlar el sistema de excitación del rotor. Este
lazo de realimentación presenta dos ventajas importantes:
 Como la tensión del rotor es controlador por un conversor electrónico de
potencia, el generador de inducción es capaz de importar y exportar a su
vez potencia reactiva. Esto tiene importantes consecuencias para la
estabilidad del sistema eléctrico y le permite, por lo tanto a la máquina
permanecer conectad al sistema de potencia aún en presencia de
perturbaciones severas.
 Como se controla la frecuencia del rotor, esto permite a la máquina de
inducción a mantenerse sincronizada con la red eléctrica aún cuando la
turbina eólica varié su velocidad.
De esta forma, se logra desacoplar la frecuencia mecánica de la eléctrica, y
resulta posible mantener la frecuencia de salida en un nivel estable
independientemente de la velocidad de rotación del generador.
35
El ángulo de ataque del rotor de la turbina se controla para limitar la potencia de
salida del generador a su valor nominal en presencia de fuertes vientos. Un
generador eólico con control de dirección puede siempre aprovechar de la manera
más eficiente la dirección de los vientos.
36
IV CONTROL DEL GENERADOR EÓLICO
4.1 Introducción
En este capítulo, se presentan las características principales del control de un
generador eólico conectado a un sistema eléctrico de potencia que se considera
como un generador conectado a una barra infinita.
4.2 Características de un Sistema de Control
El sistema de control dentro del esquema global de la tecnología de las turbinas
eólicas no debe estar restringido únicamente a la tarea de control. En el ciclo de
diseño del sistema de control, se debe hacer una especificación del controlador,
que defina aquellos aspectos del sistema que puedan estar influenciados por el
controlador y los objetivos que debe cumplir.
Los objetivos que debe cumplir un sistema de control, son:
 Maximizar la captura de energía dentro del rango de operación
 Mantener la calidad de potencia generada
 Minimizar las cargas transitorias en el rotor, tren de potencia y estructurales
y por tanto maximizar la vida útil del generador eólico.
4.2.1 Necesidad de un Control
El control depende de todos los factores que influyen en la operación de la
máquina y por tanto necesita ser modificado si alguno de estos factores cambia.
En general, cuando todo el potencial del controlador no es explotado, no se extrae
el máximo beneficio a la inversión la turbina durante su ciclo de vida. El hecho de
que un controlador no actúe correctamente puede provocar:
37
 La reducción de la captura de energía
 La reducción de la vida útil de la máquina
 La reducción la disponibilidad de la turbina
 El aumento de los costos de mantenimiento
4.3 Esquema de Control Propuesto
La modelación de los distintos componentes de un sistema de control inteligente
de un generador eólico se muestra en la Fig. 4.1.
Fig. 4.1 Esquema de control propuesto
En la Fig. 4.1, se muestra el diagrama de bloques del control inteligente del
generador eólico propuesto [3]. Se asume que las palas del rotor tiene un ángulo
fijo, tal que la potencia de salida, Pm, es una función no lineal con respecto a la
velocidad angular m, y la velocidad v, tal como se muestra en la Fig. 4.2. La
potencia máxima se obtiene en una velocidad angular para una velocidad del
viento dada. La salida del generador de inducción es una tensión variable de
corriente alterna con frecuencia variable la cual es convertida en corriente continua
por medio de un conversor CA/CC regulado.
38
Fig. 4.2 Potencia de salida típica de una turbina eólica.
El esquema de control de campo orientado, se usa para regular la velocidad del
generador en el punto óptimo para obtener la potencia máxima. El controlador
difuso genera los comandos de velocidad óptima, la cual es utilizada para regular
la entrada de corriente óptima del conversor CA/CC. La salida del conversor es
convertida en CA de frecuencia constante y tensión constante para alimentar una
carga.
4.4 Modelo Implementado en Matlab/Simulink
4.5
4.6 Sistema de Prueba
39
V CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS
5.1 Introducción
En este capítulo final del trabajo de investigación, se presentan las principales
conclusiones que se tienen sobre el control inteligente de un generador eólico y
los desarrollos futuros con el objeto de profundizar la investigación.
5.2 Conclusiones
Una vez transcurrido el tiempo destinado a la investigación, se tienen las
siguientes conclusiones:
5.3 Desarrollos Futuros
De acuerdo a la revisión bibliográfica realizada sobre el tema de investigación
desarrollado y las posibilidades de profundizar la investigación, se sugiere los
siguientes desarrollos futuros:
 Análisis y simulación del generador de inducción doblemente alimentado.
 Análisis y simulación del generador sincrónico de imán permanente.
40
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Anexos
En el informe final del trabajo de investigación, se presentará los anexos
necesarios para la comprensión del trabajo.
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