Practica 4

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Prácticas Integración de Energías Renovables. 4º GITI
PRÁCTICA 4. Modelado y simulación de una turbina eólica de
velocidad y ángulo de pala variables
1. Objetivo
El objetivo de esta práctica es realizar mediante simulaciones un análisis de un
aerogenerador de velocidad y ángulo de pala variables. Se realizarán las simulaciones
con diferentes perfiles de vientos y se analizarán el control de par y el control del
ángulo de pala que permite la regulación de la velocidad angular de la turbina y la
captura óptima de la energía del viento.
2. Software de simulación
La práctica se realizará en el Centro de Cálculo de la E.S. de Ingenieros de la
Universidad de Sevilla, donde se hará uso de:
• Software de simulación Matlab – Simulink
3. Conocimientos previos
El alumno debe haber estudiado y asimilado los conceptos referentes al Tema 5
“Sistemas de energía eólica” y al Tema 6 “Convertidores de potencia para aplicaciones
de energía eólica”. En particular, debe haber analizado en detalle el modelado y el
sistema de control de una turbina eólica.
4. Modelo de la turbina eólica y propuesta de sistema de control
4.1.
Datos de la turbina eólica de velocidad y ángulo de pala variables
GTE
Modelado + control de un aerogenerador
en Matlab-Simulink. Datos
PG = 600kW
TG = 3820Nm
Magnitud2
D = 42.2m
TmH
3820Nm
554Nm
ωH
750rpm
1
Valor2
D
Relación+de+
engranajes+
η
47.4375
Velocidad+actuador+
hidráulico+
θ
−6º /s− > +6º /s
Ángulo+de+pala+
β
0º −90º
Densidad+del+aire+
ρ
1.225kg / m 3
Momento+de+inercia+
(eje+de+alta)+
J
136.27kg.m 2
K+lambda+eje+de+alta+
K λH
0.0824
Lambda+óp?mo+
2218.19Nm
Símbolo2
Diámetro+
42.2m
λopt
7.6
Coeficiente+
potencia+máximo+
C pmax
0.48
Par+mecánico+
TmH
554 − 2218.19Nm
3820Nm
Velocidad+angular+
eje+alta+
ωH
750 −1500rpm
Potencia+eléctrica+
máxima+
PG
600kW
1500rpm
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4.2.
Diagrama de bloques del modelo en matlab
El modelo utilizado para la simulación está realizado en SIMULINK. Dicho modelo consta
básicamente de los siguientes bloques:
•
Modelo general del sistema completo (turbina eólica + sistema de control). En este
esquema se puede observar el modelo de turbina eólica junto a la estrategia de
control propuesto en esta práctica.
Modelado + control de un aerogenerador
de velocidad variable
GTE
5
1
4
2
3
La lista de bloques que forman el modelo es:
1. Modelo de la turbina
2. Bloque de control del ángulo de pala
3. Bloque de control del par generador
4. Estimador de la velocidad de referencia para el control de par generador
5. Perfil de velocidad de viento que incide en la turbina
2
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4.2.1. Modelo de la turbina.
•
Recibe como entradas la velocidad del viento, la referencia de apertura de la
válvula para el actuador de pala y el par del generador. Sus salidas son la
velocidad de giro del eje de alta y el ángulo real de la pala.
•
Contiene tres bloques diferenciados:
1. Modelo estático del convertidor: a partir de este bloque calcula el par de la
máquina según el siguiente diagrama
2. Modelo dinámico del convertidor: Calcula la velocidad de giro del generador, o
lo que es lo mismo la velocidad de giro de la turbina en el eje de alta. El
diagrama de bloques empleado es:
3. Modelo del actuador de pitch: Calcula el ángulo real de pala teniendo en cuenta
la capacidad dinámica del actuador y el retraso en la actuación del mismo. Para
ello emplea el siguiente diagrama:
3
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El modelo de la turbina completo se representa como:
4.2.2. Bloque de control del ángulo de pala.
•
Recibe como entradas la velocidad de giro del eje de alta, su velocidad de
referencia que coincide con la nominal del generador y el ángulo real de la pala.
Las salidas del bloque son la referencia del ángulo de pala y la referencia de
apertura de la válvula para el actuador de pala.
•
Contiene dos bloques distintos:
1. Lazo de control del ángulo de pala: Calcula la referencia del ángulo de pala para
el control a velocidades de vientos superiores a la nominal. Su diagrama de
bloques es:
2. Lazo de control del actuador hidráulico: Calcula la referencia de apertura de la
válvula para el actuador de pala para alcanzar el ángulo de pala deseado. El
diagrama de bloque que emplea es:
4
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El bloque completo de control de pala queda:
4.2.3. Bloque de control del par generador.
•
Recibe como entradas la velocidad de giro del eje de alta, y su velocidad de
referencia que se corresponde con la velocidad en el punto de máxima captación
de energía (MPP). La salida del bloque es el par generador que proporciona la
máquina eléctrica que actúa como generador.
•
Su diagrama de bloques es el siguiente:
4.2.4. Estimador de la velocidad de referencia para el control de par generador.
•
Recibe como entradas la velocidad de giro del eje de alta y el par generador. La
salida del bloque es la referencia de velocidad del eje de alta para el control de par
del generador.
•
El estimador incluye un filtro paso baja (LPF) para evitar variaciones bruscas en la
velocidad de giro de referencia. El diagrama de bloques que se corresponde con el
esquema implementado es:
5
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4.2.5. Perfil de velocidad de viento que incide en la turbina.
•
Variable definida en el workspace que contiene el perfil de viento empleado como
entrada en la simulación.
5. Simulaciones requeridas en la práctica
Se dispone de curvas reales de perfiles de viento, con velocidades medias de 8, 10, 12,
16 y 20 m/s.
Se pide:
1. Realizar simulaciones para dichos perfiles. Dibujar el seguimiento de la velocidad
de referencia cuando la velocidad del viento está por encima y por debajo de 12
m/s. Observar igualmente el control de la potencia y del par eléctrico generado.
2. Generar un perfil de viento plano, con un escalón desde 8 m/s a 10 m/s, y otro
escalón de 10 a 15 m/s. Simular con estos dos perfiles de viento y dibujar de forma
aproximada la variable ángulo de pala y su referencia. También la potencia
eléctrica generada.
3. Para la curva de viento de 20 m/s, variar los parámetros del control de ángulo de
pala, en concreto las constantes proporcional e integral y observar la influencia en
el seguimiento del ángulo de pala. Variar también los parámetros del PI de control
del generador y comprobar los resultados en seguimiento de velocidad y en valores
de par y potencia generada (dibujar las curvas aproximadas).
4. Generar vientos constantes de diferentes medias, y obtener la curva de
potencia/velocidad de esta máquina (dibujar la curva de forma aproximada).
Realizar la aproximación con al menos 5 vientos diferentes.
Es necesario realizar un informe reducido, recogiendo las información que el alumno
considere más relevante de los cuatro puntos anteriores.
6. Referencias
•
http://www.mathworks.es
•
www.mathworks.es/products/simpower/
•
www.mathworks.com/help/releases/R13sp2/pdf_doc/.../powersys.pdf
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