Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores

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
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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
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Índice general.
Resumen.
Summary.
Memoria.
Pliego de condiciones.
Autor: César Aguiar García
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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
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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
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(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
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-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
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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
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Summary.
Title
Author
Directors
Drive Emulator for running Electric Generators
César Aguiar García
Juan Luis Zamora Macho
Fidel Fernández Bernal
Autor: César Aguiar García
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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
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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
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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
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Autor: César Aguiar García
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Proyecto fin de carrera
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MEMORIA
Autor: César Aguiar García
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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Índice.
Autor: César Aguiar García
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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
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Proyecto fin de carrera
Capítulo I.
Autor: César Aguiar García
dea.icai.upco 2005
Introducción y planteamiento del proyecto.
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
Capítulo III.
Autor: César Aguiar García
dea.icai.upco 2005
Descripción del modelo desarrollado.
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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-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
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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
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-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
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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
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-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
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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
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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
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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
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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
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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
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- 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Capítulo III.
Autor: César Aguiar García
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Análisis de resultados.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
Capítulo IV.
Autor: César Aguiar García
dea.icai.upco 2005
Conclusiones.
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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
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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
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
Capítulo V.
Autor: César Aguiar García
dea.icai.upco 2005
Cálculos y justificaciones.
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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Proyecto fin de carrera
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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
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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
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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
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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
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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
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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;
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Bibliografía.
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Anexos.
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Pliego de condiciones
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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.
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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.
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•
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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
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