tesis de maestría en ciencias
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Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Departamento de Ingeniería Electrónica TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS Implementación de un Banco de Pruebas de Conversión Eoloeléctrica Presentada por: Fabiola Cruz Gutiérrez Ing. en Electrónica por el I.T. de Minatitlán como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica Director de tesis: Dr. Jesús Aguayo Alquicira Cuernavaca, Morelos, México. 12 de Julio 2012. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Departamento de Ingeniería Electrónica TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS Implementación de un Banco de Pruebas de Conversión Eoloeléctrica Presentada por: Fabiola Cruz Gutiérrez Ing. en Electrónica por el I.T. de Minatitlán como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica Director de tesis: Dr. Jesús Aguayo Alquicira Jurado: Dr. Gerardo Vicente Guerrero Ramírez – Presidente Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel – Secretario Dr. Jesús Aguayo Alquicira – Vocal Dr. Jesús Darío Mina Antonio– Vocal Suplente Cuernavaca, Morelos, México. 12 de Julio 2012. “Te darás cuenta de que lo que hoy simboliza un sacrificio, terminará siendo el mayor logro de tu vida”. Dedicatoria A Dios A mis padres: Sara y Manuel A mi tía Yolanda, mi segunda madre A mis hermanos: Eduardo, Humberto y Raúl A mi sobrinito Rafita A mi mejor amigo y cómplice de aventuras Irán A mi pequeñ@bebé A mi alma mater, INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN Ustedes son mi única razón, ustedes son todas mis razones. Agradecimientos A mis padres: Sara y Manuel, por brindarme la confianza, el cariño y todo el apoyo para lograr concluir otro logro en mi vida. A mi hermano Manuel Eduardo, gracias por tu cariño incondicional, que fue base importante en esta etapa, te quiero mucho gordo!!! A mi mejor amigo y gran amor Irán, por cada consejo y palabra de aliento, por ser una estrella en mi camino y darme siempre ánimos para no desistir. A mis grandes amigos: Néstor y Nohemi, que a pesar de la distancia siempre estuvieron ahí para escucharme. A mi amiga Wendy porque juntas logramos superar las adversidades y hacer de los malos momentos, experiencias de vida. Al Dr. Jesús Aguayo Alquicira, por ser más que un asesor para mí, ya que fue amigo, confidente y la figura paterna en estos años de Maestría. Al comité revisor: Dr. Gerardo Vicente Guerrero Ramírez y Dr. Jaime Arau Roffiel, por sus valiosos comentarios que, sin duda alguna, permitieron enriquecer el trabajo de tesis. Al M.C. Roberto Galindo del Valle, que extraoficialmente fungió como mi co-asesor, apoyándome y resolviendo dudas. Estaré eternamente agradecida contigo. A mis profesores: Dr. Abraham Claudio, Dr. Carlos Aguilar Castillo, Dr. Hugo Calleja Gjumlich; por todos los conocimientos que aportaron en mi formación académica. A mis compañeros de generación, los “Krein” y los “Kalman”: Betty, Edwing, Elena, Javier, Juan F., Noé, Oscar, Pato, Samuel, Saúl (†). A mis amigos los mecánicos: Abad y Pipo por todas las sonrisas y ratos alegres que compartimos. A la generación “Drivers”: Efraín, Hiram, Iván, Puma, Vilchis, quienes hicieron del inicio de este sueño, algo muy divertido. A Juan Manuel, Julio, Tito, Roddy y R con los que pase momentos muy amenos. A mis amigos del ITSLV: Armando y Dr. Bily, por sus consejos y comentarios, que hicieron mantenerme en pie en la etapa final de esta gran meta. A la Familia Aguilar Domínguez, quienes me hicieron sentir como en casa, mil gracias por todas sus atenciones. A la Familia San Martín Ubando, con los que compartí momentos muy emotivos, que hicieron que mi alma no decayera y me alentaron con sus consejos. A Cenidet, por darme la oportunidad de formar parte de esta gran familia. A Conacyt, por brindarme el apoyo económico para llevar a cabo uno de mis mayores anhelos, mis estudios de maestría. Sin duda alguna, omití sin querer personas en esta lista; porque sería interminable, sólo quiero decirles a todos: Hay personas importantes y otras no tan importantes para ti, que cruzan por tu vida y la tocan con amor o sin cuidado y continúan. Existen otras personas que se alejan y tu suspiras con alivio y te cuestionas porqué tuviste que haber tenido contacto con ellas. Existen otras personas que se alejan y tu suspiras con nostalgia y te cuestionas porqué tuvieron que alejarse y dejar ese enorme vacío en ti. Los hijos se alejan de sus padres, los amigos se separan, y la vida sigue. Personas cambian de hogar, personas crecen separadas, enemigos odian y se alejan. Piensas en todos aquellos que han pasado por tu memoria, miras a los presentes y te cuestionas. Yo creo en el plan de vida de DIOS, el pone y quita personas de nuestra vida y cada una de ellas deja huella en nosotros. Descubres que estás hecho de pequeñas piezas de todos aquellos que han pasado por tu vida. Eres más por ellos y serías menos si no hubieran estado en tu vida. Por el tiempo que pasamos juntos, porque hoy tenemos que separarnos y porque algún día nos volveremos a encontrar. ¡Gracias por tocar mi vida! Eternamente agradecida Fabiola Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Autor: Fabiola Cruz Gutiérrez (RESUMEN) El aumento en los índices de contaminación por el empleo de combustibles fósiles en la producción de energía eléctrica, y el creciente interés en el cuidado del medio ambiente, ha impulsado la investigación y desarrollo de formas de generación de energía mediante el uso de fuentes alternas, dentro de las cuales destaca el uso de la energía eólica. Para estudiar los sistemas eoloeléctricos en un lugar donde no se cuenta con el recurso natural del viento, son necesarios bancos de prueba a pequeña escala, donde se reproduzcan las condiciones a las que se ven sometidos los sistemas de generación eoloeléctrica reales. La tendencia actual es la investigación de estrategias de control que permitan mejorar la eficiencia en el desempeño de los sistemas de conversión de energía eoloeléctrica. Dicho control puede realizarse sobre la turbina o el generador de energía eléctrica. El presente trabajo de investigación muestra la simulación de un sistema de generación de energía eólica que incluye un generador de inducción doblemente alimentado y un convertidor reversible back to back, operando en forma aislada. El objetivo de este trabajo de tesis es concluir la construcción de un banco de pruebas, el cual, permitirá realizar pruebas experimentales para ensayos de recuperación de energía, en un sistema aislado de generación eléctrica. Implementation of a test bench of wind Energy Conversion System Author: Fabiola Cruz Gutiérrez (Abstract) The increase in pollution levels by the use of fossil fuels in electric power production and the growing interest in caring for the environment has prompted research and development of power generation using alternative sources, within which is emphasized the use of wind energy. In order to study Wind Energy Conversion System in a place where there are no natural wind sources, it is necessary to have test benches where real wind-electric power systems conditions can be reproduced in small scale. The current trend is the research of control strategies that enables more efficient performance of wind-electric power energy conversion systems. Such control can be developed on the turbine or generator conversion. The present investigation shows the simulation of a wind power generating system which includes a doubly fed induction generator and a reversible back to back converter operating in an isolated mode. The aim of this thesis is to complete the construction of a test bench that allows experimental testing for energy recovery tests in an isolated system of electric power generation. Contenido Lista de figuras ......................................................................................................... V Lista de tablas ........................................................................................................ VII Lista de acrónimos ................................................................................................... IX Lista de símbolos ..................................................................................................... XI Capítulo 1................................................................................................................. 1 Introducción ............................................................................................................. 1 1.1 ANTECEDENTES ........................................................................................................... 2 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 4 1.3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 5 1.4 OBJETIVOS .................................................................................................................. 6 1.4.1 Objetivo general .......................................................................................................................... 6 1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................................................... 6 1.5 ESTADO DEL ARTE ....................................................................................................... 7 1.5.1 Uso de energías renovables ........................................................................................................ 7 1.5.2 Sistemas de conversión de energía eólica ................................................................................... 8 1.6 DESCRIPCIÓN DEL DOCUMENTO ................................................................................ 12 1.7 REFERENCIAS ............................................................................................................ 13 Capítulo 2................................................................................................................ 15 Sistemas de generación eólica ................................................................................. 15 2.1 ENERGÍA EÓLICA ....................................................................................................... 16 2.1.1 Ventajas de la energía eólica ..................................................................................................... 16 2.1.2 Desventajas de la energía eólica ............................................................................................... 16 2.2 PROCESO DE CONVERSIÓN VIENTO-ELECTRICIDAD..................................................... 17 2.3 COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR ................................................................. 17 2.4 ESTRUCTURA DE UN WECS ........................................................................................ 18 2.4.1 Turbina ...................................................................................................................................... 19 2.4.2 Generador ................................................................................................................................. 19 CENIDET I I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 2.4.3 Convertidor de potencia ............................................................................................................ 21 2.4.4 Sistema de control ..................................................................................................................... 23 2.4.5 Emulador de carga ..................................................................................................................... 24 2.5 REFERENCIAS ............................................................................................................ 26 Capítulo 3................................................................................................................ 27 Modelado y simulación del sistema .......................................................................... 27 3.1 MODELO DE LA DFIM ................................................................................................ 28 3.2 MODELO DEL CONVERTIDOR B2B .............................................................................. 31 3.3 CONTROL VECTORIAL ................................................................................................ 34 3.3.1 Control del convertidor del lado de la máquina ........................................................................ 37 3.3.2 Control del convertidor del lado de la red ................................................................................ 38 3.4 SIMULACIÓN DEL SISTEMA ........................................................................................ 39 3.4.1 Velocidad subsíncrona ............................................................................................................... 40 3.4.2 Velocidad síncrona .................................................................................................................... 42 3.4.3 Velocidad supersíncrona ........................................................................................................... 43 3.5 REFERENCIAS ............................................................................................................ 45 Capítulo 4................................................................................................................ 47 Implementación del sistema .................................................................................... 47 4.1 ESTRUCTURA DEL SISTEMA........................................................................................ 48 4.2 EMULADOR DE TURBINA ........................................................................................... 48 4.2.1 Etapa de Potencia ..................................................................................................................... 49 4.2.2 Etapa de Control ........................................................................................................................ 50 4.3 MÁQUINA DE INDUCCIÓN DOBLEMENTE ALIMENTADA (DFIM) .................................. 53 4.4 CONVERTIDOR BACK TO BACK ................................................................................... 54 4.5 SENSORES ................................................................................................................. 57 4.6 EMULADOR DE CARGA .............................................................................................. 58 4.7 REFERENCIAS ............................................................................................................ 59 Capítulo 5................................................................................................................ 61 Conclusiones y trabajos futuros................................................................................ 61 CENIDET II I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 5.1 CONCLUSIONES......................................................................................................... 62 5.2 TRABAJOS FUTUROS ................................................................................................ 64 Anexo A ................................................................................................................... 65 Modelo de la DFIM .................................................................................................. 65 Anexo B ................................................................................................................... 67 Transformación de coordenadas .............................................................................. 67 B.1 TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS: abc → αβ .................................................... 67 B.2 TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS: αβ → dq ..................................................... 69 B.3 TRANSFORMACIÓN INVERSA .................................................................................... 71 B.4 REFERENCIAS ............................................................................................................ 72 Anexo C ................................................................................................................... 73 Modelos de Simulación ............................................................................................ 73 Anexo D................................................................................................................... 79 Programa Perfil de Viento ........................................................................................ 79 CENIDET III I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Página intencionalmente en blanco CENIDET IV I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Lista de figuras Figura 1.1: Crecimiento global de las fuentes de energía [2]. ........................................................... 2 Figura 1.2: Energía eólica, capacidad existente en el mundo 1996-2008 [4].................................... 2 Figura 1.3: Escenario prospectivo al 2030 [11]. ................................................................................ 3 Figura 1.4: Proceso de conversión viento-electricidad. ..................................................................... 4 Figura 1.5: Clasificación de los sistemas de conversión viento-electricidad. .................................... 8 Figura 2.1: Proceso de conversión viento-electricidad. ................................................................... 17 Figura 2.2: Componentes principales de un aerogenerador. .......................................................... 18 Figura 2.3: Esquema simplificado de generación eólica [8]. ........................................................... 18 Figura 2.4: Esquema típico del generador asincrónico doblemente alimentado [11]. ................... 20 Figura 2.5: Convertidor back-to-back [14]. ..................................................................................... 21 Figura 2.6: WECS con máquina de inducción doblemente alimentada[18]. ................................... 25 Figura 2.7: Esquema de Carga auxiliar. ........................................................................................... 25 Figura 3.1: Esquema de la máquina de inducción doblemente alimentada[2]. .............................. 29 Figura 3.2: Convertidor Back to Back. ............................................................................................. 31 Figura 3.3 Diagrama a bloques del control vectorial clásico aplicado a una máquina inducción. . 36 Figura 3.4: Diagrama de flujo de la implementación del control de convertidor del lado de la máquina. ......................................................................................................................................... 37 Figura 3.5: Diagrama de flujo de la implementación del control de convertidor del lado de la red. ......................................................................................................................................................... 38 3.6: Modo de operación velocidad subsíncrona del sistema de conversión de energía eoloeléctrica. ......................................................................................................................................................... 40 Figura 3.7: Voltaje y corriente en el estator en operación a velocidad subsíncrona. ...................... 40 Figura 3.8: Voltaje y corriente en el rotor en operación a velocidad subsíncrona. ......................... 41 Figura 3.9: Voltaje y corriente en el GSC en operación a velocidad subsíncrona. ........................... 41 Figura 3.10: Modo de operación síncrono del sistema de conversión de energía eoloeléctrica. .... 42 Figura 3.11: Voltaje y corriente en el estator en operación a velocidad síncrona. ......................... 42 CENIDET V I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura 3.12: Voltaje y corriente en el rotor en operación a velocidad síncrona. ............................. 43 Figura 3.13: Voltaje y corriente en el GSC en operación a velocidad síncrona. .............................. 43 Figura 3.14: Modo de operación supersíncrona del sistema de conversión de energía eoloeléctrica. ......................................................................................................................................................... 44 Figura 3.15: Voltaje y corriente en el estator en operación a velocidad supersíncrona. ................ 44 Figura 3.16: Voltaje y corriente en el rotor en operación a velocidad supersíncrona. .................... 44 Figura 3.17: Voltaje y corriente en el GSC en operación a velocidad supersíncrona...................... 45 Figura 4.1: Sistema de conversión de energía eoloeléctrica alimentando una carga aislada. ....... 48 Figura 4.2: Convertidor troceador tipo A. ....................................................................................... 49 Figura 4.3: Modulación por ancho de pulso. ................................................................................... 50 Figura 4.4: Esquemático del circuito de control del voltaje de armadura. ..................................... 51 Figura 4.5: Perfil de viento programado. ........................................................................................ 51 Figura 4.6: Esquemático del circuito de control del voltaje de campo. .......................................... 52 Figura 4.7: Circuitos construidos para el control de la velocidad del motor. .................................. 52 Figura 4.8: Máquina de Inducción doblemente alimentada. .......................................................... 53 Figura 4.9: IRAMX16UP60A. ............................................................................................................ 54 Figura 4.10: Convertidor del lado de la máquina. ........................................................................... 55 Figura 4.11: Valores recomendados de capacitor bootstrap respecto a la frecuencia de conmutación.................................................................................................................................... 55 Figura 4.12: Diagrama esquemático del circuito de optoacopladores. .......................................... 56 Figura 4.13: Convertidor del lado de la máquina con optoacopladores. ........................................ 56 Figura 4.14: Circuito acondicionador de la señal. ........................................................................... 57 Figura 4.15: Placa de sensores de corriente. ................................................................................... 58 Figura 4.16: Emulador de carga. ..................................................................................................... 58 Figura B.1: Plano αβ y ejes abc usados en la transformación de coordenadas para el análisis de la DFIM. ............................................................................................................................................... 68 Figura B.2: Dos formas diferentes de definir la posición del marco de referencia arbitrario. ........ 69 Figura C.1: Motor de CD de corriente directa.................................................................................. 73 Figura C.2: Sistema de generación eoloeléctrico............................................................................. 74 Figura C.3: Máquina de inducción doblemente alimentada. .......................................................... 75 Figura C.4: Motor de CD. ................................................................................................................. 76 Figura C. 5: Convertidor del lado de la máquina. ............................................................................ 76 Figura C.6: Convertidor del lado de la red. ...................................................................................... 77 Figura C.7: Controlador del MSC. .................................................................................................... 77 Figura C.8: Controlador para el GSC. ............................................................................................... 78 CENIDET VI I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Lista de tablas Tabla 3-1: Parámetros de la DFIM. ................................................................................................. 39 Tabla 3-2: Parámetros del motor de CD para simulación. .............................................................. 39 Tabla 4-1: Parámetros de la DFIM .................................................................................................. 53 Tabla 4-2: Rangos de operación de la DFIM ................................................................................... 53 Tabla 4-3: Características del IRAMX16UP60A. .............................................................................. 54 CENIDET VII I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Página intencionalmente en blanco CENIDET VIII I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Lista de acrónimos AMDEE Asociación Mexicana de Energía Eólica. ANES Asociación Nacional de Energía Solar. B2B Convertidor Back To Back. CD Corriente Directa. CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. CONAE Comisión Nacional para el Ahorro de Energía. CV Control Vectorial. DFIG Generador de Inducción Doblemente Alimentado. DFIM Máquina de Inducción Doblemente Alimentada. DSP Procesador Digital de Señales. DsPIC Controlador Digital de Señal. ER Energías Renovables. FPGA Arreglo de Compuertas Programable en Campo. FEC Convertidor del lado de la Red. FOC Control orientado por Campo. GB Caja de engranes. GSC Controlador del lado de la Red. HAWT Turbina Eólica de Eje Horizontal. IGBT´s Transistor Bipolar de Compuerta Aislada. IIE Instituto de Investigaciones Eléctricas. MSC Convertidor del lado de la máquina. NREL Laboratorio Nacional de Energías Renovables. CENIDET IX I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica PMSM Máquina Síncrona de Imanes Permanentes. SCIM Máquina de inducción de Jaula de Ardilla. SCR´s Rectificador Controlado de Silicio. SENER Secretaría de Energía. VAWT Turbina Eólica de Eje Vertical. WECS Sistema de Conversión de Energía Eólica. WRSM Máquina Síncrona de Rotor Devanado WT Turbina Eólica CENIDET X I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Lista de símbolos 𝐼𝑂 Corriente en el enlace de CD 𝑇𝑒 Par electromagnético. 𝑟𝑖𝑘 Resistencia en devanados. 𝕃𝑅 Inductancia de acoplamiento del circuito del rotor. 𝕃𝑠𝑅 , 𝕃𝑅𝑠 Inductancias de acoplamiento entre los circuitos de rotor y estator. 𝐿𝑙 Inductancia de dispersión de los bobinados. 𝑖𝑖𝑘 Corriente en devanados. 𝑣𝑖𝑘 Tensión de fase a neutro de los devanados individuales del estator. 𝕃𝑠 Inductancia de acoplamiento del circuito del estator. 𝜆𝑖𝑘 Vectores de flujo magnético. Co Capacitor del enlace de CD. gg1, gg2 y gg3 Señales de compuerta en el Convertidor del lado de la red. gr1, gr2 y gr3 Señales de compuerta en el Convertidor del lado de la máquina. iag,bg,cg Corrientes del convertidor del lado de la red. iar,br,cr Corrientes del rotor. Io1 Corriente del enlace de CD hacia el Convertidor del lado de la máquina. Io2 Corriente del enlace de CD hacia el Convertidor del lado de la red. LM Inductancia mutua entre bobinados. Ls.R Inductancia de los devanados individuales del estator y rotor. M Índice de modulación. P Número de polos. Rs,R Resistencia de los devanados individuales del estator y rotor. vag, vbg, vcg, vpD, vqD, Voltajes en el convertidor del lado de la red. CENIDET XI I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica vrD, vo2 var,vbr, vcr,vPD, vQD, Voltajes de cada fase del rotor. vRD, vo1 Vo Voltaje en el enlace de CD 𝕃 Matriz de Inductancias. 𝜌 CENIDET 𝑑 Operador diferencial 𝑑𝑡 XII I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Capítulo 1 Introducción En este capítulo se presenta una introducción de la tesis desarrollada. Para ello se abordan los antecedentes y ubicación del problema; de dónde surgió el interés por el desarrollo del tema, la justificación y los objetivos de dicho trabajo de investigación. Asimismo se incluye un panorama del estado del arte en dicha línea de investigación. Todos los triunfos nacen cuando nos atrevemos a comenzar. WARE, F. Eugene El incremento en la demanda de energía eléctrica y los fuertes problemas ambientales que se tienen en la actualidad, han promovido el interés mundial en la investigación de formas de generación empleando fuentes de energía alternativas. Dentro de esta lista se tienen la energía: hidráulica, eólica, biomasa, geotérmica y solar. La confianza que se tiene en los sistemas de generación eoloeléctrica es cada vez mayor, lo que ha dado apertura a la búsqueda de la mejora continua de dichos sistemas para optimizar su conexión a la red eléctrica. En México, en la práctica de generación de energía, se requiere incorporar en mayor cantidad el uso de energías alternativas, tal como la energía eólica; por lo que es necesario un estudio detallado y a fondo de la tecnología necesaria para su implantación. Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 1.1 ANTECEDENTES Las energías alternativas o renovables (ER) pueden ser definidas como aquellas que son obtenidas de los continuos o repetitivos ciclos que están presentes en la naturaleza, es decir, aquellas que pueden regenerarse por medios naturales. [1]. A pesar de la poca contribución de las fuentes de ER en la producción de electricidad, la penetración en el mercado de éstas ha ido creciendo con mayor rapidez que otro tipo de fuentes de energía convencionales, la figura 1.1 muestra dicha tendencia [2]. Figura 1.1: Crecimiento global de las fuentes de energía [2]. En los últimos años, la energía eólica ha sido objeto de muchas investigaciones y desarrollo, en la década pasada fue de las fuentes energéticas, la de mayor crecimiento [3], y en el pasado 2008 fue la que mayor capacidad generada agregó, incrementando un 29%, para llegar a 121 gigavatios (GW) generados, más del doble de 48 GW que se tenían en 2004, esto se observa en la figura 1.2 [4]. Figura 1.2: Energía eólica, capacidad existente en el mundo 1996-2008 [4]. CENIDET 2 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 1: Introducción. Actualmente, la energía del viento es la única fuente de ER económicamente viable a gran escala, ya que en lugares donde se cuenta con excelentes condiciones para obtener recursos eólicos, es posible conseguir costos de producción de energía mucho más bajos que los correspondientes a la mejor tecnología de generación con combustibles fósiles [5]. Esto en parte, gracias al desarrollo que ha tenido esta fuente de ER en los países europeos, los cuales han incluido cada vez en mayor cantidad la práctica de la generación de electricidad a partir de la energía del viento [6], dado que, la industria ha estado perfeccionando las turbinas eólicas para convertir la fuerza del viento en electricidad [7]. La energía eólica se ha utilizado desde tiempos muy remotos, en aplicaciones variadas como la propulsión de navíos, sistemas de bombeo, entre otros. No obstante su uso para generar electricidad es más reciente, apareciendo a finales del siglo XIX, tiempos en los que se diseñaban sistemas de operación a velocidad variable produciendo corriente continua [8]. México cuenta con dos centrales eólicas: La Venta, en Oaxaca; y Guerrero Negro, en Baja California Sur, en las cuales se encuentran instalados 105 aerogeneradores (104 y 1 aerogeneradores, respectivamente). Dichas centrales producen 85.25 MW de potencia [9] que equivale al 0.17% del consumo total de energía eléctrica en el país. Existen diversos estudios del Laboratorio Nacional de Energía Renovables (NREL) ubicado en Estados Unidos, además de estudios de diversas instituciones mexicanas, tales como la Asociación Mexicana de Energía Eólica (AMDEE), Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), y el reconocido Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE); acerca de la capacidad total que se puede instalar en el territorio nacional, las cuales han cuantificado un potencial superior a los 40,000 MW [10], dentro de los cuales, la Secretaría de Energía (SENER) y la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE) estima capacidades entre 507 y 592 MW para este año 2012 [11]. La gráfica de la figura 1.3 muestra el panorama que se espera para el año 2030 en cuestiones de generación de electricidad. Figura 1.3: Escenario prospectivo al 2030 [11]. CENIDET 3 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Una vez planteado el panorama de la generación de electricidad mediante la energía del viento, es necesario definir qué: es posible llamar sistema de conversión de energía eólica (Wind Energy Conversion System: WECS) a cualquier sistema que transforme la energía del viento en cualquier otro tipo de energía (en este caso a energía eléctrica) [12]. Los WECS están constituidos por una turbina, encargada de extraer la potencia del viento y de convertirla en potencia mecánica en el eje. Dicho eje impulsa a su vez a un generador, que tiene la función de suministrar la potencia eléctrica a la red, o la carga, según sea el caso. Es bastante común intercalar una caja de engranes, esto con el propósito de adecuar las velocidades de la turbina y del generador. En la figura 1.4 se ilustra de forma general lo descrito anteriormente. En algunas aplicaciones con el fin de optimizar el desempeño de los WECS, la potencia eléctrica entregada por el generador no es directamente suministrada a la red, sino que es total o parcialmente procesada por un convertidor electrónico [13]. Figura 1.4: Proceso de conversión viento-electricidad. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los procesos convencionales para la generación de electricidad se basan en la quema de combustibles fósiles y emiten grandes cantidades de contaminantes atmosféricos, es por ello que varios países ven en las ER un medio para diversificar la generación de energía eléctrica que puede contribuir a minimizar el cambio climático. Entre las opciones no convencionales para la generación de electricidad, la tecnología eoloeléctrica ha alcanzado un nivel importante de desarrollo, esto la ha colocado en uno de los primeros planos de atención para integrarla a los sistemas eléctricos convencionales, motivo por el cual surge en primera instancia la necesidad del estudio de sistemas aislados, dado que, es deseable CENIDET 4 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 1: Introducción. que el desarrollo y las pruebas de nuevas tecnologías deban realizarse en un sistema aislado y por lo tanto, controlado. En un sistema aislado se puede verificar y optimizar la operación de los subsistemas antes de realizar pruebas de conexión a la red principal. En el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) surgió la necesidad de diseñar y construir un banco de pruebas experimental para ensayos de recuperación de energía, en un sistema aislado de generación eléctrica, que permitiera probar diferentes trabajos relacionados con la operación y el control de las partes que lo integran [14]. De esta forma se inició la construcción de un banco de pruebas, la cual fue llevada a cabo en tres etapas: la primera de ellas es la Turbina eólica (Wind Turbine, de aquí en adelante se citará como WT, por sus siglas en inglés) y la caja de engranes (GB, del inglés, Gear Box) realizada en [15], la segunda es el generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) y el convertidor del lado de la máquina, implementado (MSC) en [14] y la tercera etapa está compuesta por la terminación del convertidor back to back, implementado en [12]. El problema actual es que se requiere tener activo el banco de pruebas existente en CENIDET, y debido a que no todas las etapas se encuentran operativas, es necesario la reactivación, reconstrucción e integración de las mismas, además de requerirse el desarrollo de algunos elementos necesarios para la aplicación de alguna ley de control en un dispositivo lógico programable, así como la simulación del sistema completo, con el objetivo de verificar la posibilidad de iniciar el estudio de los sistemas eoloeléctricos conectados a la red eléctrica. 1.3 JUSTIFICACIÓN De acuerdo a estudios realizados por especialistas en nuestro país, se sabe que el recurso eólico económicamente explotable podrá llegar a 40 mil MW (actualmente es cercano a los 5 mil MW) [16]. Por lo anterior resulta de interés seguir estudiando el tema de la energía eólica, a fin de que en un futuro no muy lejano, México pueda producir mayor cantidad de electricidad con el uso de energías no convencionales. Para realizar estudios de sistemas eoloeléctricos en lugares donde no se cuenta con los niveles óptimos del recurso natural del viento, es necesaria la construcción de bancos de prueba a pequeña escala, en donde se reproduzcan las mismas condiciones de operación a las que estarían sometidos los sistemas de generación eoloeléctrica en una aplicación real. CENIDET 5 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica La importancia de este trabajo de investigación radica en que la construcción de un banco de pruebas, permite la posibilidad de probar diversas estrategias de control, y tener así, un sistema aislado y controlado; beneficiando en primer término a lograr los objetivos de los investigadores inmersos en el proyecto y en segundo lugar que permita la relación entre grupos multidisciplinarios e interdisciplinarios de investigadores relacionados con el estudio de los sistemas de generación con ER, en este caso específico, energía eólica. En cuestiones ambientales, el continuar con el estudio de sistemas de ER permitirá que en un futuro no lejano, sea posible que México diseñe y produzca su propia tecnología, con lo que se contribuirá a minimizar los cambios climáticos. Aunado a lo anterior, esta investigación fortalecerá las líneas de generación y aplicación del conocimiento de los cuerpos académicos que estén inmersos en ella. Por otro lado se espera que dicha investigación sirva como base para otros proyectos del área de energías alternativas. 1.4 OBJETIVOS 1.4.1 Objetivo general Completar el banco de pruebas existente en CENIDET basado en el generador de inducción doblemente alimentado, con convertidor back-to-back y emulador de carga operando en forma aislada, lo que permitirá realizar pruebas y validación de otros trabajos de investigación, así como la posibilidad de conectarlo en un futuro a la red eléctrica. 1.4.2 Objetivos específicos • Revisión del estado del arte de los sistemas de generación eoloeléctrica, enfatizando el conocimiento y análisis de los trabajos realizados en CENIDET. • Reactivación e integración de los subsistemas del banco de pruebas existente, así como construcción de etapas no operativas o no existentes. • Construcción de elementos necesarios para la aplicación de leyes de control. • Estudio de las estrategias de control utilizadas en sistemas eoloeléctricos aislados. • Simulación del sistema de generación eoloeléctrico. CENIDET 6 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 1: Introducción. 1.5 ESTADO DEL ARTE Los avances tecnológicos en materia de turbinas eólicas de velocidad variable y el mejoramiento en los dispositivos de electrónica de potencia para el accionamiento de máquinas eléctricas han hecho de la energía eólica un tema de interés en investigación y desarrollo tecnológico. En sus inicios los WECS´s se diseñaron para operar a velocidad variable y producir corriente continua, la cual era utilizada principalmente para cargar baterías y abastecer a lugares remotos y aislados. Posteriormente el uso de la corriente alterna se impuso sobre el uso de la corriente directa, por lo que se tuvo que normalizar la amplitud y la frecuencia de las señales alternas. Debido a la naturaleza del viento, estos sistemas tuvieron que construirse para operar a velocidad variable pero con la consigna de producir frecuencia constante, esto con el fin de facilitar el diseño del sistema y su conexión a la red eléctrica. Lo anterior representó un problema en los casos de inestabilidad de la red, ya que la turbina debía ser desconectada. Dado que la potencia instalada de la energía eólica fue aumentando, las turbinas tuvieron que cubrir el requerimiento de ayudar a la estabilización de la red eléctrica. Es por ello que se necesitaron turbinas con mejor posibilidad de control, así como un mejor conocimiento de la red a la que se conecta el sistema eoloeléctrico [8]. A continuación se presenta el estado del arte de los sistemas de generación eólica, partiendo desde el uso de las ER en sistemas aislados, e incluyendo la situación de las partes que integran un sistema de generación eoloeléctrico. 1.5.1 Uso de energías renovables Las ER son una fuente prácticamente inagotable. Gracias al uso de diversas tecnologías, pueden transformarse para cubrir los servicios energéticos que requieren las actividades humanas. Debido a la creciente demanda energética, los altos índices de emisiones de CO2, así como las limitadas reservas de combustibles fósiles, se ha presentado un rápido desarrollo en el uso de las ER. En la generación de electricidad en lugares aislados, áreas remotas y alejadas de la red eléctrica resulta viable el uso de recursos eólicos, solares, y otras tecnologías “limpias”. Es por ello que la necesidad de una fuente de energía alternativa es cada vez mayor y es lógico el impulso de estas ER en el CENIDET 7 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica ámbito de la investigación tecnológica en los últimos años [17]. No resulta nada extraño encontrar en la literatura innumerables reportes de aplicaciones de ER en la obtención de energía eléctrica [18]. Aunque en nuestro país el uso de las energías verdes está en fase de desarrollo, en los países europeos, las ER han sido mayormente explotadas e incorporadas a sus redes eléctricas. En México se han instalado sistemas fotovoltaicos e híbridos que sirven para proporcionar servicios básicos a las comunidades que están apartadas o sin conexión a la red eléctrica [19]. 1.5.2 Sistemas de conversión de energía eólica Como consecuencia de la mayor atención prestada a las fuentes de ER existen diversos grupos de trabajo de escuelas e instituciones privadas dedicados al estudio e investigación de los WECS. En la literatura se reportan diferentes esquemas de construcción y operación, alimentando cargas aisladas o suministro a la red eléctrica. Los WECS tienen la capacidad de operar a velocidad fija o variable, siendo los últimos los de mayor empleo en la actualidad. Los primeros son poco comunes, pero aún se encuentran utilizados en aplicaciones de baja potencia, y es que los WECS de velocidad variable presentan ciertas ventajas sobre los de velocidad fija, ya que en estos es posible variar la velocidad de la turbina y por tanto del generador, por lo que, en teoría, se tiene la capacidad de extraer mayor cantidad de energía cuando la velocidad del viento aumenta [8]. En la figura 1.5 se muestra la clasificación de los WECS. Figura 1.5: Clasificación de los sistemas de conversión viento-electricidad. CENIDET 8 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 1: Introducción. Dado el objetivo de este trabajo, el interés se enfoca en los sistemas de velocidad variable. Para la implementación de un sistema de velocidad variable existe una amplia gama de alternativas, es posible utilizar diferentes tipos de generadores en combinación con la diversidad de convertidores electrónicos de potencia existentes. En las secciones siguientes se mencionarán algunas de estas combinaciones reportadas en la literatura. 1.5.2.1 Generadores Debido a la cada vez mayor atención prestada a los sistemas de ER, el estudio de las máquinas capaces de funcionar a velocidades variables que cumplan con los requisitos del sistema es mayor. En la actualidad se tiene diversas tendencias tecnológicas en la construcción de aerogeneradores. Dentro de los grupos de investigación de las universidades, que destacan por su trabajo en cuanto a la energía eólica, tenemos las universidades de Cambridge, Chemnitz, Sydney, NewcastleAustralia, de Magallanes y de Delft, en los cuales se presentan distintas formas de esquemas de generación, así como los supuestos hechos por cada grupo de trabajo. Para el caso de los WECS operando a velocidad constante se reporta que se han utilizados topologías en los que se emplean generador de inducción o bien un generador síncrono de rotor devanado. En el caso de los WECS de velocidad variable se encuentra reportado en la literatura que las máquinas que pueden utilizarse como generador son [20]: • Máquina de inducción de jaula de ardilla (SCIM - Squirrel Cage Induction Machine). • Máquina de inducción doblemente alimentada (DFIM - Double Fed Induction Machine). • Máquina síncrona de rotor devanado (WRSM- Wound Rotor Synchronous Machine). • Máquina síncrona de imanes permanentes (PMSM- Permanent Magnet Synchronous Machine). En un principio la máquina mayormente utilizada para la generación fue la SCIM. Dicha máquina puede funcionar como generador solamente si se conecta entre sus bornes un banco de CENIDET 9 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica capacitores de tal forma que se produzca el efecto de autoexcitación. Es conocido también como generador de inducción autoexcitado. Una de las desventajas de este tipo de generadores es que requiere de una fuente externa de potencia reactiva para regular las tensiones en los bornes ante variaciones de la carga, además de que no es posible el control del voltaje y la frecuencia [21]. Otro tipo de máquina altamente utilizada en aplicaciones de alta potencia es la DFIM, esto por su alta eficiencia, mejor relación de par y capaz de ser controlada con las técnicas de control por campo orientado. En la práctica, el estator suele estar conectado directamente a la red, mientras que el rotor lo hace a través de un convertidor electrónico de potencia de cuatro cuadrantes Por ser ésta la máquina ocupada en el presente trabajo de tesis, se describirá con mayor detalle en el capítulo 2. En la generación de energía eléctrica existe una tendencia cada vez mayor en el uso de máquinas doblemente alimentadas [22] y [23], como consecuencia de las ventajas que presenta tal como su versatilidad y la posibilidad de recuperación de energía a través de un circuito secundario. La tendencia en el uso de algún tipo de máquina es reducir los costos de producción, esto utilizando sistemas de manejo parcial de potencia (considerando un supuesto ahorro en el costo del convertidor electrónico trabajando con DFIM´s) o bien mediante el uso de generadores síncronos de múltiples polos. 1.5.2.2 Estructuras convertidoras reversibles En los WECS de velocidad variable para el manejo de potencia, el circuito rotórico suele estar conectado a un convertidor de cuatro cuadrantes. En general se han utilizado: • Convertidor con enlace de CD con base en SCR`s. • Cicloconvertidores. • Convertidor back-to-back (B2B). • Convertidor de matriz. • Convertidor multinivel. Además de tener la capacidad de un manejo bidireccional de potencia, en [24] se mencionan algunas características deseables que debe tener el convertidor, tales como: elevada eficiencia en el CENIDET 10 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 1: Introducción. proceso de conversión, tener la capacidad de responder rápidamente a las señales de control para obtener un apropiado control de máquina, entre otras. La prioridad que se otorgue a cada una de estas características dependerá de los objetivos que deseen alcanzarse, y como es de suponerse, no pueden ser cumplidas todas a la par. En la literatura se reporta que el convertidor electrónico que mayor utilización ha tenido en aplicaciones de alta potencia, es el convertidor back-to-back. Aunque se reporta también una tendencia en el uso de convertidores multinivel, ya que estos presentan ciertas ventajas como el obtener una salida con menor contenido de altas armónicas. En el capítulo 2 se presentarán mayores detalles del convertidor B2B, por ser éste el utilizado en este trabajo de tesis. 1.5.2.3 Emuladores de carga En los WECS cuando el generador es impulsado por una turbina, es necesario que la potencia extraída del viento coincida con la potencia que es capaz de consumir la carga. Con el fin de garantizar que el sistema está operando en la curva de máxima captación de energía, una carga auxiliar se utiliza para compensar la diferencia entre la potencia óptima y la potencia de la carga principal. Los emuladores de carga, que funcionan generalmente como una carga auxiliar, pueden ser de cualquier tipo, siempre y cuando el flujo de potencia sea controlable. Además la naturaleza de la carga auxiliar la determinará la aplicación, en [25] y [26] se presentan diferentes esquemas para la implementación de la carga auxiliar. En el primero se incluye una salida principal trifásica, una carga auxiliar para el control del flujo de la potencia y un volante de inercia que almacena energía para suavizar las fluctuaciones de la potencia. En [26] se propone como carga auxiliar un rectificador (con un filtro a la entrada) alimentando a una carga resistiva controlada (chopper). Siguiendo el esquema anterior en [12] se implementó un emulador de carga donde se emula una resistencia variable, representada por un rectificador que alimenta a una carga de tipo resistivo por medio de un convertidor CD/CD. CENIDET 11 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 1.5.2.4 Técnicas de control utilizadas Las diversas técnicas de control que son utilizadas en los WECS son enfocadas al DFIG, mientras que solamente algunos tratan también el bloque que produce las referencias para dicho controlador [5], teniéndose que los enfoques de control aplicados a la DFIG en este tipo de sistemas son: • Control vectorial. • Control en modo deslizamiento. • Control por pasividad. • Control difuso. Para la implementación de las técnicas de control mencionadas se reporta la aplicación de dispositivos como: FPGA´s (del inglés, Field Programmable Gate Array), DSP (Procesador Digital de Señales) , dsPIC (Controlador Digital de Señal), entre otros, así como la combinación de algunos de estos, y debido al desarrollo de la tecnología basada en dispositivos lógicos programables y la microelectrónica, que permiten la integración de una mayor cantidad de dispositivos en un solo circuito, es necesario integrar estos avances al control de los sistemas electrónicos de potencia, ante este eminente crecimiento digital en la tecnología moderna. 1.6 DESCRIPCIÓN DEL DOCUMENTO Este trabajo de investigación está estructurado en 5 capítulos, que reúnen la descripción, el análisis e implementación realizados, dichos capítulos están organizados de la siguiente forma: En el capítulo 2 se describen las partes que integran un sistema de conversión eoloeléctrica, desde el viento, hasta el convertidor bidireccional de potencia. El capítulo 3 incluye los modelos de las etapas que integran el sistema y la simulación del sistema completo respecto a los diferentes modos de operación de forma ideal. En el capítulo 4 se presenta el diseño e implementación práctica de cada una de las partes que conforman el banco de pruebas de conversión eoloeléctrica existente en CENIDET. Por último, en el capítulo 5 se realizan las conclusiones de los resultados obtenidos, así como posibles investigaciones para reforzar el trabajo presentado en esta tesis. CENIDET 12 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 1: Introducción. 1.7 REFERENCIAS [1] Boyle, Godfrey; “Renewable Energy”; University Oxford; 2da. Edición; Pág. 11 [2] Rahman, S.; “Green Power: What Is It and Where Can We Find It?”; Power and Energy Magazine IEEE, Volume 1, Issue 1, Jan-Feb 2003 Page(s):30 – 37. 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[13] De Battista Herán, “Control de la calidad de potencia en sistemas de conversión de energía eólica”, Universidad Nacional de La Plata 2000-09-01 [14] Valencia Rodríguez, Jorge; “Diseño e implementación de un sistema aislado de generación eléctrica basado en un convertidor reversible back.to.back”; Tesis de maestría; Departamento de Ingeniería electrónica; CENIDET 2005. [15] Ovando Domínguez, Roberto II; “Emulador De Turbina Eólica Para Banco De Pruebas De Generación EoloEléctrica”; Tesis de maestría; Departamento de Ingeniería electrónica; CENIDET 2007. [16] Borja, Marco Antonio, “Estado del arte y tendencias de la tecnología eolo-eléctrica”. Instituto De Investigaciones Eléctricas/Programa Universitario De Energía (UNAM) 1ra. Edición 1998. [17] G. Maggetto, J. Van Mierlo; “Electric and electric hybrid vehicle technology: a survey”, IEEE Seminar, Electric, Hibryd and fuel cell vehicles, (Ref. No. 2000/050), pp. 1-11, 2000. 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Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica [23] El-helw, H.M.; Tennakoon, S.B.; “Vector Control of A Doubly Fed Induction Generators For Standalone Wind Energy Application” wind Power to the Grid - EPE Wind Energy Chapter 1st Seminar, 2008. EPE-WECS 2008,27-28 March 2008 Page(s):1 - 6 [24] Weigand, C. H; Lauw, H. K.; Marckx, D. A.; “Utility- Scale Variable-Speed Wind Turbines Using a DoublyFed Generator With a Soft-Switching Power Converter”, AWEA 1996, Conference and Exhibition of the American Wind Energy Association, pp- 235-240 [25] Peña, R.; Cardenas, R.; Asher, G.; Clare, J.; “Vector Controlled Induction Machines for Stand-Alone Wind Energy Applications”, IAS 2000, VOLUMEN 3,PAGS 1409-1415 [26] Peña, R.; Cardenas, R.; Clare, J.; Asher, G.; “A doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters supplying an isolated load from a variable speed wind turbine”, IAS 2000, VOLUMEN 3,PAGS 1409-1415. CENIDET 14 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Capítulo 2 Sistemas de generación eólica Dado que un sistema de generación eólico involucra varias disciplinas, es necesario definir cada una de las partes que integran el sistema, lo que permitirá la comprensión de la función de cada una de éstas. En el presente capítulo se describe el sistema en estudio, desde el viento y la turbina hasta el generador, convertidor de potencia y el emulador de carga. Es de importancia para quien desee alcanzar una certeza en su investigación, el saber dudar a tiempo. Aristóteles La energía del viento puede ser transformada en energía mecánica, la cual a su vez, es posible convertir en energía térmica o eléctrica, según sea la necesidad de la aplicación. El caso de estudio, es en el que el sistema de generación eólica produce energía eléctrica. Los WECS que producen energía eléctrica son conocidos comúnmente como aerogeneradores. En la actualidad existe una cantidad considerable de opciones tecnológicas para la construcción de un aerogenerador, todas estas se encuentran enfocadas a incrementar la capacidad, confiabilidad, eficiencia, seguridad y economía. Con el estudio de la estructura de un aerogenerador se podrá identificar las partes que se deben modelar e implementar para la construcción y puesta en marcha del banco de pruebas de conversión eoloeléctrica. Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 2.1 ENERGÍA EÓLICA Se conoce con ese nombre debido al latín Aeolicus, relativo a Eolo, Dios de los vientos en la mitología griega. Es la energía que se encuentra contenida en el viento, surge como resultado de los movimientos de aire de diferentes magnitudes y temperaturas, derivados de la radiación solar, mismos que se ven afectados por la rotación del planeta, lo que originan lo que conocemos como viento [1]. Es el resultado de los procesos de cambio de la energía que la tierra recibe del sol, de la cual, sólo entre un 1 y 2 por ciento se convierte en viento [2]. Como todo tipo de energía es importante resaltar tanto sus ventajas como sus desventajas, que vienen desde los aspectos ambientales hasta los económicos [3]. A continuación se mencionan algunos de estos. 2.1.1 Ventajas de la energía eólica • Es una energía limpia, ya que no libera gases de efecto invernadero, no emite contaminantes atmosféricos y no genera residuos peligrosos [4]. • Permite minimizar la dependencia de combustibles fósiles para la generación de energía. • Es una fuente de energía inagotable, ya que proviene de los procesos que se encuentran inmersos en la naturaleza [5]. 2.1.2 Desventajas de la energía eólica • Se encuentra dispersa, se requiere que exista un adecuado nivel de los vientos, es decir, los parques eólicos tienen que ser construidos en lugares donde los recursos del viento sean altamente aprovechables. • Presenta problemas como ruido, impacto visual, erosión y mortandad de aves y murciélagos [3]. CENIDET 16 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 2: Sistemas de generación eólica. 2.2 PROCESO DE CONVERSIÓN VIENTO-ELECTRICIDAD La energía contenida en el viento que es capaz de procesar una turbina eólica está determinada por los siguientes aspectos [2] : • Velocidad del viento. • Densidad del aire. • Superficie de barrido. • Eficacia teórica máxima de los generadores eólicos. . La figura 2.1 muestra el proceso de conversión de energía eólica a energía eléctrica [6],[20]. Mediante esta ilustración es posible apreciar algunas de las partes principales de un WECS: Rotor, caja de engranes, generador y el convertidor de potencia. Figura 2.1: Proceso de conversión viento-electricidad. 2.3 COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR Los aerogeneradores más comunes poseen una WT con eje horizontal y tres aspas (hélices, palas o paletas, turbine blades). Algunos están diseñados para operar de frente al viento (upwind, corriente arriba o barlovento), mientras que otros funcionan dándole la espalda (downwind, corriente abajo o sotavento), siendo la primera opción, al parecer, la más común[7]. En la figura 2.2 se muestra el corte transversal de un aerogenerador, mismo que permite visualizar las partes que lo integran. CENIDET 17 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura 2.2: Componentes principales de un aerogenerador. El principio de funcionamiento de un aerogenerador, como el que se ilustra en la figura 2.2 es el siguiente: Las palas del rotor capturan el viento y transfieren su poder al cubo del rotor, en tanto que, el eje de baja velocidad de la turbina eólica conecta el buje del rotor a la caja de engranes, que permite que el eje de alta velocidad gire aproximadamente 50 veces más que el eje de baja velocidad, con la cual es manejada el generador encargado de producir la energía eléctrica. 2.4 ESTRUCTURA DE UN WECS Conforme a lo descrito en la sección anterior, y el estado del arte de los WECS se tiene conocimiento de las partes que integran un aerogenerador. La figura 2.3 muestra un esquema simplificado de un sistema de generación eólica. Para llevar a cabo la implementación de un banco de pruebas que emule el comportamiento de un WECS, es posible omitir algunos de estos componentes, mismos que serán descritos en las siguientes secciones. Figura 2.3: Esquema simplificado de generación eólica [8]. CENIDET 18 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 2: Sistemas de generación eólica. 2.4.1 Turbina La turbina eólica es una estructura mecánica básica constituida de un rotor que capta parte de la energía del viento y la transforma en energía rotatoria. La velocidad de giro disminuye a medida que el radio de las palas aumenta. Una caja de engranes es la encargada de elevar dicha velocidad de rotación para adaptarla a la velocidad de un generador eléctrico, aunque dicha caja puede no ser necesaria en el caso de generadores multipolos [9]. Existen diversas formas de clasificar las turbinas eólicas, a pesar de ello, es común especificarlas en 1.- Turbinas de eje horizontal (HAWT). 2.- Turbinas de eje vertical (VAWT). 2.4.2 Generador Un WECS puede estar equipado con cualquier tipo de generador trifásico. Tal como se mencionó en el capítulo uno, existen reportadas en la literatura diversas posibilidades [10]. Esta etapa es la encargada de convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Actualmente, la mayoría de los parques eólicos cuentan con aerogeneradores que incluyen en su diseño una máquina de inducción doblemente alimentada (DFIM) que funciona como generador, ya que convierte la energía mecánica en eléctrica, cuando opera como generador su acrónimo es DFIG. La principal razón de su popularidad es la capacidad que tienen de suministrar potencia a tensión y frecuencia constante a medida que la velocidad del rotor varía. Considerando el equipo disponible en el laboratorio de máquinas eléctricas del CENIDET y la tecnología usada en los aerogeneradores comerciales, el presente trabajo de tesis utiliza como generador un DFIG. Una máquina de inducción doblemente alimentada (DFIM) es esencialmente un dispositivo electromecánico de inducción de rotor devanado que recibe alimentación tanto por el estator como por el rotor. Esto se aprecia claramente en la figura 2.4, en donde los devanados del estator están conectados a la red, en tanto que los del rotor se encuentran conectados mediante un convertidor bidireccional de potencia [11]. Este sistema permite una operación de velocidad variable en un amplio pero específico rango. CENIDET 19 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica En los sistemas que se utiliza una DFIM la principal ventaja es que permiten el control del voltaje y la frecuencia generada, a partir de la adecuada manipulación de las corrientes en el circuito rotórico de la máquina. Figura 2.4: Esquema típico del generador asincrónico doblemente alimentado [11]. “Con la finalidad de cubrir un amplio rango de operación, el DFIG está capacitado para trabajar como generador tanto en la zona con deslizamiento positivo (s>0) como negativo (s<0). Dado lo anterior, el convertidor electrónico en el lado del rotor debe operar con flujos de potencia en ambos sentidos, razón por la cual en estas configuraciones se usa un convertidor bidireccional [12]” El lazo de realimentación mostrado en la figura 2.4 presenta dos ventajas muy importantes [11]: 1. Como el voltaje del rotor es controlado por un convertidor electrónico de potencia, el generador de inducción es capaz de importar o exportar a su vez potencia reactiva. Esto tiene importantes consecuencias para la estabilidad del sistema eléctrico, y le permite, por lo tanto a la máquina permanecer conectada al sistema aun en presencia de perturbaciones severas. 2. Como la frecuencia del rotor es controlada, esto habilita a la máquina de inducción a mantenerse sincronizada con la red eléctrica aun cuando la turbina de viento varíe su velocidad. Los WECS de capacidad de manejo de potencia parcial como el presentado en la figura 2.4, que están constituidos por una DFIM y el convertidor de cuatro cuadrantes tienen con esta conexión y las características propias de la DFIM, ventajas tales como costo reducido del convertidor y de los filtros, la eficiencia del sistema se mejora, el control del factor de potencia puede efectuarse a costos más bajos [13]. CENIDET 20 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 2: Sistemas de generación eólica. 2.4.3 Convertidor de potencia Los WECS de velocidad variable utilizan un convertidor electrónico de potencia que actúa como variador de frecuencia. El convertidor compensa la diferencia entre las frecuencias mecánica y eléctrica inyectando una señal de rotor de frecuencia variable. Dichos convertidores se construyen por medio de dispositivos electrónicos de potencia. Dependiendo de la topología y la aplicación permiten el flujo de potencia en ambas direcciones. Tal como se planteó en el capítulo 1, el convertidor empleado en este trabajo de investigación es el convertidor back to back. Las propiedades de dicho convertidor son ampliamente conocidas, el cual cumple la función de convertir la tensión trifásica generada en el circuito del estator de amplitud y frecuencia constante en tensión trifásica de tensión y frecuencia variable para excitar a los devanados del rotor. Está formado por dos inversores/rectificadores puente completo conectados de espalda a través de un bus de DC capacitivo y es generalmente implementado con IGBT’s. El inversor/rectificador conectado al rotor del generador se denomina convertidor del lado de la máquina (MSC), mientras el que se conecta a la red eléctrica es llamado convertidor del lado de la red (GSC, algunas veces referido como Front-End Converter : FEC). En la Figura 2.5 se muestra un convertidor back-to-back. Figura 2.5: Convertidor back-to-back [14]. Algunas de las características por las que este convertidor es el que más ha sido considerado en aplicaciones con la DFIG son: • Permite un control rápido del flujo de potencia, además de la capacidad de controlar independientemente las potencias activa y reactiva que se generan –usando control vectorial, como en [13]. CENIDET 21 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica • Permite el control de la potencia reactiva, según las necesidades de la red. • Se pueden obtener corrientes con baja distorsión armónica en el estator, en el rotor y en la red, ya que el GSC controla el flujo de potencia entre el rotor y la red actuando como un filtro activo [15],[16]. • Suele mencionarse como una ventaja que el capacitor en el bus de DC, además de ofrecer cierta protección, permite un control separado de los dos inversores/rectificadores. Cabe mencionar que sus principales desventajas son [17]: • Entrega una señal de voltaje cuya naturaleza acorta la vida útil de los devanados a los que se conecta. • Puede presentar altas pérdidas por conmutación. • El capacitor del bus de DC es pesado, voluminoso e incrementa el costo total del sistema, además de que puede reducir el tiempo de vida útil del sistema. A pesar de todo lo anterior en casi todos los aerogeneradores comerciales que utilizan DFIG’s con este tipo de convertidores. El generador eoloeléctrico con convertidor back-to back en forma idealizada tiene tres modos de operación: • Velocidad subsíncrona. • Velocidad síncrona. • Velocidad supersíncrona. Cada uno de dichos modos requiere un flujo diferente de energía a través del convertidor. Para el funcionamiento del sistema es necesario utilizar alguna técnica de control en dicho convertidor, en [13] el convertidor del lado de la red (Front-End Converter o GSC) se controla usando técnicas de control vectorial. El GSC debe mantener un voltaje constante en el enlace de DC cuando la potencia en el DFIG fluye en el rotor (operación subsíncrona) y cuando la potencia fluye fuera del rotor (operación supersíncrona), el convertidor del lado de la red debe mantener el flujo de potencia entre el circuito de rotor y la red. Esto se hace para trabajar como un filtro activo y poder compensar cualquier armónico inyectado por el estator de la máquina a la red. El sistema completo está hecho para operar a un factor de potencia unitario. CENIDET 22 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 2: Sistemas de generación eólica. 2.4.4 Sistema de control Esta etapa es la encargada de controlar la operación del WECS, tal como se mencionó en el capítulo 1, existen diversas formas de llevar a cabo dicha tarea, de acuerdo a revisión bibliográfica y los trabajos de investigación previos, se tiene que el control vectorial es una de las técnicas de mayor uso por la ventaja que presenta en el desacoplamiento de las variables del DFIG. El concepto del control vectorial (CV) se desarrolló con el fin de obtener en el motor de inducción un funcionamiento similar al de un motor de CD de excitación separada, con lo que se tendría una componente de corriente para controlar el campo magnético y otra para regular en forma independiente el par producido. El CV consiste en reescribir las ecuaciones dinámicas de la máquina de inducción en un marco de referencia que se orienta según: al flujo estatórico, al flujo rotórico o al de magnetización. Con lo cual se obtiene el nuevo marco de referencia, en el aparece una relación lineal entra la variable de control y la velocidad. En [17] se explica que El control vectorial permite obtener un desempeño dinámico muy superior al que se obtiene mediante controladores que se diseñan usando modelos estacionarios (de estado estable o régimen permanente). Así es que hoy se han presentados mayores esfuerzos en la investigación de enfoques de control vectorial clásico, ya que es considerado el estándar en los equipos comerciales. El principio del control vectorial consiste en la utilización de un marco de referencia especial, para representar el modelo de la máquina eléctrica considerada, durante el diseño de los controladores requeridos. El objetivo es que el diseño de dichos controladores resulte más sencillo que el que tendría que realizarse al usar el modelo trifásico de la máquina, en el que algunas inductancias varían periódicamente porque dependen de la posición del rotor. El diseño en el marco de referencia especial es más sencillo debido a que, cuando se aplica la transformación de coordenadas al modelo trifásico, se obtiene un modelo dinámico de dos fases (componentes) con desacoplamiento magnético en las variables sustitutas dq y en el que se elimina la dependencia de la posición del rotor en la matriz de inductancias resultante. CENIDET 23 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica El marco de referencia normalmente usado es el sincrónico, ya que en éste las componentes dq son constantes cuando las señales trifásicas son sinusoidales puras. Además, este marco de referencia puede estar alineado u orientado con cualquier vector espacial que gire a velocidad sincrónica. Teóricamente podría ser cualquiera de los vectores existentes en la máquina, ya sea de voltaje, de enlaces de flujo (que se relacionan con los campos magnéticos en el entrehierro) e incluso de corriente. En especial, cuando se escoge alinear el marco de referencia con un vector de enlaces de flujo, se dice que se trata de un control orientado al campo que se asocia con dicho vector (field oriented control: FOC). La selección de un vector para orientar el marco de referencia debe ser tomada en cuenta en el modelo de la máquina (el cual será descrito en el capítulo 3). Para ello, éste debe ser manipulado algebraicamente, con el fin de adecuar el modelo representado en un marco de referencia sincrónico arbitrario, para obtener el modelo representado en el marco de referencia sincrónico alineado con el vector elegido. Una vez que se elige la orientación del marco de referencia, es necesario seleccionar la técnica que se utilizará para el diseño de los controladores. Éste se realiza utilizando el modelo de la máquina, representado en el marco de referencia sincrónico alineado con el vector escogido. Inicialmente se utilizaban sólo controladores PI sintonizados con métodos tradicionales (en el dominio de la frecuencia o del tiempo), a lo que en [17] se llama implementación clásica del control vectorial o simplemente control vectorial clásico. Incluso todavía este tipo de implementación es considerada como un estándar en la industria. Sin embargo, es conveniente aclarar que actualmente es posible considerar una gran variedad de alternativas diferentes. 2.4.5 Emulador de carga En un sistema de generación eólico aislado, debe considerarse la posibilidad de colectar una mayor cantidad del viento, de la que es capaz de procesar la carga principal. Dada dicha circunstancia se requiere emplear alguna medida para que dicha energía se utilice en algún tipo de aplicación. Una alternativa es emplear un emulador de carga, que tal como su nombre lo indica, su función es reproducir las condiciones de una carga auxiliar. La función del emulador de carga auxiliar es consumir el exceso de potencial del generador, que no es posible ser procesado por la carga principal, bajo ciertas condiciones (debidas a las especificaciones del tipo de carga utilizada). El enfoque que se utiliza para el consumo de cada una de las cargas es detectar cuando exista dicho exceso de potencia. CENIDET 24 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 2: Sistemas de generación eólica. La figura 2.6 ilustra un diagrama de un WECS en el que se incluye una carga auxiliar en paralelo con la carga principal. Figura 2.6: WECS con máquina de inducción doblemente alimentada[18]. En un sistema compuesto por un aerogenerador, se tienen diversas alternativas para el subsistema complementario que realizará la función de la carga, dependiendo del tamaño del sistema principal. Algunas de estas alternativas son: • En un sistema pequeño es suficiente el uso de un banco de baterías que se cargue en los periodos de exceso de energía, para usarlo posteriormente en periodos de bajo viento. Así como la posibilidad de un motor-volante de inercia, que durante periodos con exceso de potencia alimente al motor para hacer girar el volante de inercia, con el fin de que en periodos de baja potencia, sea el volante el que impulse a la DFIM que opera como generador [18]. • Utilizar una carga principal y una carga auxiliar, utilizando para ello un rectificador que, a través de un convertidor DC/AC, alimente a un banco de resistores. Considerando que experimentalmente se debe tener una potencia igual o mayor a la disipada por la carga principal. La figura 2.7 ilustra la opción descrita anteriormente. Figura 2.7: Esquema de Carga auxiliar. CENIDET 25 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 2.5 REFERENCIAS [1] De Battista, Hernán , “Control de la calidad de potencia en sistemas de conversión de energía eólica” Universidad Nacional de La Plata, Tesis doctoral, 2000 [2] Comisión Nacional para el ahorro de energía, “Energía Eólica”, http://www.layerlin.org/pdfs/energiaeolica.pdf, [último acceso Marzo 2012]. [3] European Wind Energy Association, “Wind Energy and the Environment, Environmental benefits, external costos, local impacts, public acceptance”, http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/factsheets/factsheet_environ ment2.pdf, [último acceso Marzo 2012]. [4] Borja, Marco Antonio, “Estado del arte y tendencias de la tecnología Eolo-eléctrica” Instituto de Investigaciones Eléctricas/ Programa Universitario De Energía (UNAM) 1ra. Edición 1998 [5] Energías Renovables 2004, Energía Eólica, Dirección Nacional de Promoción, Subsecretaria de Energía Eléctrica, Secretaria de Energía, Republica argentina, http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/archivos/publicaciones/libro_energia_eolica.pdf, último acceso Enero 2010. [6] Kazmierkowsky, Krishnan, Blaabjerg;”Control in Power Electronics, Selected problems”, Academic Press 2002. [7] Ovando Domínguez, Roberto II; “Emulador De Turbina Eólica Para Banco De Pruebas De Generación EoloEléctrica”; Tesis de maestría; Departamento de Ingeniería electrónica; CENIDET 2007. [8] Sistema de conversión de energía eólica, control y diseño [9] Blaabjerg, F; Chen Z. “Power Electronics for Modern Wind Turbines”; Institute of Energy Technology; Aalborg University, Denmark; Morgan & Claypool Publishers 1a. Edición; 2006. [10] Ackermann, T; “Wind Power in Power Systems”; Royal Institute of Technology; Stockholm, Sweden; John Wiley & Sons, Ltd; 2005 [11] Damián Pérez, Marcos; “Máquina Eléctricas Modernas” [12] Vargas, Luis S.; Rahmann, Claudia; Palma-Behnke Rodrigo; “Análisis Dinámico de la Operación de Parques Eólicos Interconectados al SIC”. [13] Müller, S.; Deicke, M.; De Doncker, R. W.: “Doubly Fed Induction Generator Systems”, IAM 2002, IEEE Industry Applications Magazine, Mayo-Junio 2002, pp. 26-33. [14] Carlsson, A.; “The back to back converter, control and design”; Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund Institute of Technology; Mayo 1998. [15] Peña, R.; Asher G.; Clare, J.; Cardenas, R.: “A Constant Frequency Voltage Variable Speed Stand Alone Wound Rotor Induction Generator”, OAIPG 1996, Opportunities and Advances in International Power Generation, pp. 111-114 [16] Peña, R.; Clare, J.; Asher, G.: “Doubly Fed Induction Generator Using Back-to-Back PWM Converters and its Application to Variable-Speed Wind-Energy Generation”, EPA 1996, IEEE Proceedings on Electric Power Application, vol.143, No. 3, Mayo 1996, pp. 231-241.. [17] Galindo del Valle, Roberto; “Desarrollo de un Sistema de Generación Eléctrica Basado en una Estructura Reversible Back-to-Back y un Generador Doble-Alimentado”; Reporte interno No. 1 de Tesis doctoral CENIDET, última versión ; Mayo de 2005. [18] Peña, R.; Cardenas, R.; Asher, G.; Clare, J.; “Vector Controlled Induction Machines for Stand-Alone Wind Energy Applications”, IAS 2000, VOLUMEN 3,PAGS 1409-1415 CENIDET 26 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Capítulo 3 Modelado y simulación del sistema Para realizar la implementación de un sistema es recomendable conocer el modelo matemático del mismo, con el objetivo de realizar una simulación del sistema completo, en la que sea posible observar las condiciones a las que estará sometido, así como la respuesta que presentará ante éstas. En el presente capítulo se describen los modelos de las etapas que integran el sistema y la simulación respecto a los diferentes modos de operación de forma ideal. Mientras no se haya medido el fenómeno que se estudia, no se ha hecho trabajo científico. Lord Kelvin En el proceso de construcción de un prototipo experimental, tal como un banco de pruebas, es de gran utilidad repetir el comportamiento del sistema mediante una simulación, antes de ser llevado a la práctica, con el fin de conocer la operación del mismo ante diversas condiciones. La simulación del sistema se realiza con la ayuda de los modelos de las etapas que lo constituyen. Los modelos son representaciones que proporcionan propiedades, variables, parámetros o características de cada una de las etapas. Dichos modelos son elaborados a través de la adquisición de información de los subsistemas. Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica En la práctica se utilizan diversos simuladores para estudiar el comportamiento que presentan los aerogeneradores sobre la red, o ante diferentes estrategias de control. Algunas de las herramientas utilizadas son Matlab® y Simulink®; las cuales permiten modelar cada una de las etapas del WECS, y conocer la respuesta del sistema. En las secciones siguientes se presentará el modelo de las etapas a implementar, así como la simulación del sistema completo. 3.1 MODELO DE LA DFIM La DFIM es una máquina de inducción generalmente alimentada mediante CA (Corriente alterna) de la red eléctrica en el lado del estator, y controlada del lado del rotor mediante el cambio del módulo, frecuencia y fase del voltaje o corriente del rotor. Con el objetivo de obtener un modelo matemático útil necesario para el desarrollo del control de la potencia activa y reactiva, es necesario asumir algunas consideraciones [1]: 1.- El estator de la máquina es un cilindro de hierro, con sección transversal circular y una cavidad en la que se encuentra alojado un rotor concéntrico, de tal forma que existe un entrehierro entre ambos, cuya pequeña longitud radial es constante. 2.- El rotor y el estator tienen permeabilidad infinita y son completamente laminados, esto es, que las pérdidas en ellos son cero. 3.- Los arrollamientos en el rotor y el estator: a) Son idénticos en cada fase b) Se encuentran espacialmente distribuidos a 120° sobre el mismo plano. c) Se conectan en estrella. La DFIM idealizada se presenta en el esquema eléctrico de la figura 3.1, donde Rs,R representan las resistencias de los devanados individuales y Ls.R representa la inductancia del estator y el rotor respectivamente. CENIDET 28 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. Figura 3.1: Esquema de la máquina de inducción doblemente alimentada[2]. Es posible escribir una ecuación de voltaje (de línea a neutro) para la máquina trifásica en la forma [2]: Donde: 𝑣𝑖𝑘 Ec. 1 𝑣𝑖𝑘 = 𝑟𝑖𝑘 ∙ 𝑖𝑖𝑘 + 𝜌𝜆𝑖𝑘 𝑣𝑎𝑠 𝑖𝑎𝑠 ⎡𝑖 ⎤ ⎡𝑣𝑏𝑠 ⎤ ⎢ 𝑏𝑠 ⎥ ⎢𝑣 ⎥ 𝑖 𝑐𝑠 = ⎢𝑣 ⎥ Tensión de fase a neutro 𝑖𝑖𝑘 = ⎢ 𝑐𝑠 ⎥ Corriente en devanados ⎢ 𝑎𝑟 ⎥ ⎢𝑖𝑎𝑟 ⎥ ⎢𝑣𝑏𝑟 ⎥ ⎢𝑖𝑏𝑟 ⎥ ⎣ 𝑣𝑐𝑟 ⎦ ⎣ 𝑖𝑐𝑟 ⎦ 𝑟𝑖𝑘 = [𝑟𝑠 ,𝑟𝑠 ,𝑟𝑠, 𝑟𝑟, 𝑟𝑟 , 𝑟𝑟 ] Resistencia de devanados, 𝜌 Operador diferencial y 𝜆𝑖𝑘 𝜆𝑎𝑠 ⎡𝜆 ⎤ ⎢ 𝑏𝑠 ⎥ 𝜆 = ⎢ 𝑐𝑠 ⎥ Vectores de flujo magnético en cada devanado ⎢𝜆𝑎𝑟 ⎥ ⎢𝜆𝑏𝑟 ⎥ ⎣ 𝜆𝑐𝑟 ⎦ 𝑑 𝑑𝑡 El vector de flujo puede ser expresado en términos de las corrientes de fases como: Ec. 2 𝜆𝑖𝑘 = 𝕃 ∙ 𝚤⃗ 𝕃𝑠 𝕃𝑠𝑅 �Es la matriz de inductancias y 𝚤⃗ = [𝑖𝑎𝑠 𝕃𝑅𝑠 𝕃𝑅 vector de corrientes de fases. Donde: 𝕃 = � CENIDET 29 𝑖𝑏𝑠 𝑖𝑐𝑠 𝑖𝑎𝑟 𝑖𝑏𝑟 𝑖𝑐𝑟 ] el I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 𝕃𝑠𝑅 y 𝕃𝑅𝑠 representan las inductancias de acoplamiento entre los circuitos de rotor y estator, están expresadas en la ec. 2.1 y 2.2 en tanto que 𝕃𝑠 y 𝕃𝑅 son las inductancias de acoplamiento dentro del mismo circuito de estator y rotor respectivamente. Las matrices se inductancias 𝕃𝑠,𝑅 se definen como: 𝐿𝑀[𝑠] + 𝐿𝑙[𝑠] 𝕃𝑠 = � −0.5𝐿𝑀[𝑠] −0.5𝐿𝑀[𝑠] 𝐿𝑀[𝑟] + 𝐿𝑙[𝑟] 𝕃𝑅 = � −0.5𝐿𝑀[𝑟] −0.5𝐿𝑀[𝑟] −0.5𝐿𝑀[𝑠] 𝐿𝑀[𝑠,𝑟] + 𝐿𝑙[𝑠] −0.5𝐿𝑀[𝑠] −0.5𝐿𝑀[𝑠] −0.5𝐿𝑀[𝑠] � 𝐿𝑀[𝑠] + 𝐿𝑙[𝑠] −0.5𝐿𝑀[𝑟] 𝐿𝑀[𝑠,𝑟] + 𝐿𝑙[𝑟] −0.5𝐿𝑀[𝑟] −0.5𝐿𝑀[𝑟] −0.5𝐿𝑀[𝑟] � 𝐿𝑀[𝑠,𝑟] + 𝐿𝑙[𝑟] Ec. 2.1 Ec. 2.2 LM es la inductancia mutua entre bobinados y Ll es la inductancia de dispersión de los bobinados. Una de las características que presenta la máquina de inducción ideal es que la matriz 𝕃𝑠𝑅 es igual a su traspuesta de 𝕃𝑅𝑠 , gracias a la simetría de su construcción. 𝕃𝑠𝑅 2π 2π cos(θr + ) cos(θr − ) ⎤ ⎡ cos(θr ) 3 3 2π 2π ⎥ ⎢ cos(θr ) cos(θr + ) ⎥ = [𝕃𝑅𝑠 ]𝑇 = 𝐿𝑠𝑟 ∙ ⎢cos(θr − 3 ) 3 ⎢ ⎥ 2π 2π + ) cos(θ − ) cos(θ ) cos(θ r r r ⎣ ⎦ 3 3 Ec. 3 Las expresiones anteriores constituyen un modelo trifásico de alto orden con coeficientes variables del DFIG. Las inductancias de dicho modelo dadas por las ec. 2 y 3 se obtienen mediante la Ley (circuital) de Ampere, suponiendo una distribución sinusoidal de los devanados y un comportamiento magnético lineal, ignorando fenómenos como la saturación y la histéresis de los núcleos magnéticos. Además, se considera que la máquina es simétrica, en otras palabras, todos los devanados del estator son iguales entre sí y todos los del rotor también, pero los primeros son diferentes de los últimos. Finalmente, el modelo no considera las variaciones debidas a la temperatura que pueden presentarse en la magnitud de las resistencias de los devanados. El modelo se completa con la expresión del par electromagnético (Te) producido por la DFIM y representado por la ec. 4 CENIDET 𝑃 2 𝑇 𝑇𝑒 = 𝑖𝑎𝑏𝑐𝑠 ∙ 𝑖𝑎𝑏𝑐𝑟 30 Ec. 4 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. El modelo del marco de referencia arbitrario es presentado en el anexo A, dicho modelo permite trabajar con mayor sencillez el modelo antes obtenido. El modelo dinámico trifásico resulta muy complejo, aún para su utilización en ambientes de simulación. El trabajo de Krause describe la reducción de este modelo utilizando la transformación del marco de referencia. Esta transformación permite llevar el modelo trifásico de la DFIM a un modelo bifásico que en principio reduce el orden de las ecuaciones del modelo[2]. 3.2 MODELO DEL CONVERTIDOR B2B Actualmente varias aplicaciones de energías renovables, como la eólica, utilizan el convertidor back to back conectado al circuito del rotor. Este convertidor se necesita para el control de la DFIM porque en alguno de los modos de operación la energía del rotor puede volver al convertidor. El generador eoloeléctrico con convertidor back-to back en forma idealizada tiene 3 modos de operación: • Velocidad subsíncrona. • Velocidad síncrona. • Velocidad supersíncrona. Cada uno de dichos modos requiere un flujo diferente de energía a través del convertidor. Figura 3.2: Convertidor Back to Back. CENIDET 31 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica El modelo de dicho convertidor considera el funcionamiento a partir de los dispositivos semiconductores de potencia, en [2] se presentan las condiciones para obtener el modelo considerando: • Modelo con interruptores reales. • Modelo con interruptores ideales. • Modelo con interruptores de un polo con dos posiciones. • Modelo con fuentes dependientes. Al aplicar Ley de Voltaje de Kirchhoff (LVK) a cada una de las fases de la Figura 3.2, es posible obtener: Para el MSC: �𝑣𝑃𝐷 + 𝑣𝑄𝐷 + 𝑣𝑅𝐷 � + 𝑣𝑜1 − (𝑣𝑎𝑟 + 𝑣𝑏𝑟 + 𝑣𝑐𝑟 ) = 0 Ec. 5.1 Para el GSC: �𝑣𝑝𝐷 + 𝑣𝑞𝐷 + 𝑣𝑟𝐷 � + 𝑣𝑜2 − �𝑣𝑎𝑔 + 𝑣𝑏𝑔 + 𝑣𝑐𝑔 � = 0 Ec. 5.2 Donde: var, vbr, vcr, vPD, vQD, vRD y vo1 representan los voltajes de cada fase en el rotor, vag, vbg, vcg, vpD, vqD, vrD y vo2 representan los voltajes en el GSC. Puesto que se produce un conjunto balanceado, debe cumplirse que: � 𝑣𝑘𝑥 = 0 𝑘=𝑎,𝑏,𝑐 𝑣𝑎𝑟 + 𝑣𝑏𝑟 + 𝑣𝑐𝑟 = 0 → 𝑀𝑆𝐶 𝑣𝑎𝑔 + 𝑣𝑏𝑔 + 𝑣𝑐𝑔 = 0 → 𝐺𝑆𝐶 Ec.5.3 Ec.5.4 Ec.5.5 Al combinar 5.1, 5.2 y 5.3 se obtiene: 1 𝑣𝑜𝑦 = − � 𝑣𝑗𝐷 3 𝑗 CENIDET 32 Ec.5.6 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. 𝑣𝑜1 = − 1 1 � 𝑣𝑗𝐷 = − �𝑣𝑃𝐷 + 𝑣𝑄𝐷 + 𝑣𝑅𝐷 � → 𝑀𝑆𝐶 3 3 𝑣𝑜2 = − 𝑗=𝑃,𝑄,𝑅 1 1 � 𝑣𝑗𝐷 = − �𝑣𝑝𝐷 + 𝑣𝑞𝐷 + 𝑣𝑟𝐷 � → 𝐺𝑆𝐶 3 3 𝑗=𝑝,𝑞,𝑟 Ec.5.7 Ec.5.8 Además los voltajes a la salida de cada convertidor dependen de las señales o pulsos de compuerta (g) y del voltaje en el capacitor del enlace de CD, de tal forma que: Para el MSC → 𝑣𝑃𝐷 = 𝑔𝑟1 𝑉𝑜 , 𝑣𝑄𝐷 = 𝑔𝑟2 𝑉𝑜 , 𝑣𝑅𝐷 = 𝑔𝑟3 𝑉𝑜 Ec.5.9 Para el GSC → 𝑣𝑝𝐷 = 𝑔𝑔1 𝑉𝑜 , 𝑣𝑞𝐷 = 𝑔𝑔2 𝑉𝑜 , 𝑣𝑟𝐷 = 𝑔𝑔3 𝑉𝑜 Ec. 5.10 En donde Vo es el voltaje en el enlace de CD, gr1, gr2 y gr3 son las señales de compuerta en el MSC y gg1, gg2 y gg3 son las señales de compuerta en el GSC. Utilizando 5.1, 5.2 y 5.6, con las expresiones anteriores, es posible obtener los voltajes de fase a neutro de cada convertidor, y representándolos en forma matricial se tiene: Para el MSC: Para el GSC: 𝑔𝑟1 𝑣𝑎𝑟 1 2 −1 −1 �𝑣𝑏𝑟 � = �−1 2 −1� �𝑔𝑟2 � 𝑉𝑜 3 𝑣𝑐𝑟 −1 −1 2 𝑔𝑟3 𝑣𝑎𝑔 𝑔𝑔1 1 2 −1 −1 𝑣 � 𝑏𝑔 � = �−1 2 −1� �𝑔𝑔2 � 𝑉𝑜 3 𝑣𝑐𝑔 −1 −1 2 𝑔𝑔3 Ec. 5.11 Ec. 5.12 Por otro lado al aplicar la Ley de Corriente de Kirchhoff (LCK) al nodo superior del enlace de CD en la Figura 3.2, se tiene que: 𝐼𝑜 + 𝐼𝑜1 + 𝐼𝑜2 = 0 CENIDET 33 Ec.5.13 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Con: Ec. 5.14 𝐼𝑜1 = 𝑔𝑟1 𝐼𝑎𝑟 + 𝑔𝑟2 𝐼𝑏𝑟 + 𝑔𝑟3 𝐼𝑐𝑟 Ec. 5.15 𝐼𝑜2 = 𝑔𝑔1 𝐼𝑎𝑔 + 𝑔𝑔2 𝐼𝑏𝑔 + 𝑔𝑔3 𝐼𝑐𝑔 Donde: Io es la corriente en el enlace de CD, Io1 es la corriente que sale del enlace de CD hacia el MSC, Io2 es la corriente que sale del enlace hacia el GSC, iar,br,cr son las corrientes en el rotor, iag,bg,cg son las corrientes del GSC. Así el comportamiento del voltaje del capacitor estará dado por la siguiente expresión: 𝑑𝑉𝑜 𝑑𝑡 =− 1 (𝐼 𝐶𝑜 𝑜1 Ec. 5.16 + 𝐼𝑜2 ) Donde Co es el capacitor del enlace de CD. Si las señales de compuerta son obtenidas mediante un esquema PWM sinusoidal, entonces la componente fundamental de cada voltaje de fase tendrá una amplitud dada por: Amplitud �𝑉𝑎𝑟,𝑏𝑟,𝑐𝑟,𝑎𝑔,𝑏𝑔,𝑐𝑔 � = 𝑚 Donde: m es el índice de modulación. 𝑉𝑜 2 Ec. 5.17 3.3 CONTROL VECTORIAL En [1] se explica que El control vectorial permite obtener un desempeño dinámico muy superior al que se obtiene mediante controladores que se diseñan usando modelos estacionarios (de estado estable o régimen permanente). El principio del control vectorial consiste en la utilización de un marco de referencia especial, para representar el modelo de la máquina eléctrica considerada, durante el diseño de los controladores requeridos. El objetivo es que el diseño de dichos controladores resulte más sencillo que el que tendría que realizarse al usar el modelo trifásico de la máquina, en el que algunas CENIDET 34 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. inductancias varían periódicamente porque dependen de la posición del rotor. El diseño en el marco de referencia especial es más sencillo debido a que, cuando se aplica la transformación de coordenadas al modelo trifásico, se obtiene un modelo dinámico de dos fases (componentes) con desacoplamiento magnético en las variables sustitutas dq y en el que se elimina la dependencia de la posición del rotor en la matriz de inductancias resultante. El marco de referencia normalmente usado es el sincrónico, ya que en éste las componentes dq son constantes cuando las señales trifásicas son sinusoidales puras. Además, este marco de referencia puede estar alineado u orientado con cualquier vector espacial que gire a velocidad sincrónica. Teóricamente podría ser cualquiera de los vectores existentes en la máquina: • De voltaje. • De enlaces de flujo (que se relacionan con los campos magnéticos en el entrehierro). • De corriente (inclusive). En especial, cuando se escoge alinear el marco de referencia con un vector de enlaces de flujo, se dice que se trata de un control orientado al campo que se asocia con dicho vector (field oriented control: FOC). La selección de un vector para orientar el marco de referencia debe ser tomada en cuenta en el modelo de la máquina. Para ello, éste debe ser manipulado algebraicamente, con el fin de adecuar el modelo representado en un marco de referencia sincrónico arbitrario, para obtener el modelo representado en el marco de referencia sincrónico alineado con el vector elegido. Una vez que se elige la orientación del marco de referencia, es necesario seleccionar la técnica que se utilizará para el diseño de los controladores. Éste se realiza utilizando el modelo de la máquina, representado en el marco de referencia sincrónico alineado con el vector escogido. Inicialmente se utilizaban sólo controladores PI sintonizados con métodos tradicionales (en el dominio de la frecuencia o del tiempo), a lo que en [1]se llama implementación clásica del control vectorial o simplemente control vectorial clásico. Incluso todavía este tipo de implementación es considerada como un estándar en la industria. Sin embargo, actualmente es posible considerar una gran variedad de alternativas diferentes. En el control vectorial clásico de la DFIM los controladores PI tienen una configuración en cascada, como se muestra en la Figura 3.3 En el nivel interno se tienen los controladores de corriente CENIDET 35 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica (uno por cada componente). En el nivel externo el controlador de velocidad (o de par o de potencia activa) que produce la referencia para un controlador de corriente y, además el controlador de potencia reactiva (o de voltaje estatórico, en aplicaciones aisladas) que produce la referencia para el controlador de corriente restante. Algunas ocasiones pueden requerirse operaciones de desacoplamiento. Figura 3.3 Diagrama a bloques del control vectorial clásico aplicado a una máquina inducción. Para el control de la DFIM, la opción más común es orientar el marco de referencia síncrono con el vector de flujo del estator (lo que equivale a decir que el marco de referencia está orientado al campo magnético del estator). Otras opciones es orientar el marco de referencia con los vectores: a) de voltaje del estator (voltaje de línea) b) de corriente rotórico c) de flujo magnético total en el entrehierro. La de voltajes del flujo del estator está recibiendo más atención últimamente, mientras que las otras dos han sido poco utilizadas. Una desventaja del enfoque orientado al flujo del estator se relaciona con el hecho de que la DFIM posee un par de polos pobremente amortiguados, con una frecuencia natural cercana a la de la red eléctrica. Esta desventaja consiste en que, con la orientación utilizada, el amortiguamiento del sistema depende de la componente del vector de corrientes rotóricas. Por tanto, existe un valor crítico para dicha componente que, al ser excedida provoca que la máquina se vuelva inestable. Esto puede evitarse reduciendo el ancho de banda de los controladores de corriente, con el riesgo de degradar el desempeño del control vectorial [4]. CENIDET 36 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. Por su parte, el enfoque orientado al vector de voltajes del estator tiene la ventaja de que, a diferencia del anterior, la estabilidad y el amortiguamiento del sistema es independiente de la componente del vector de corrientes rotóricas. Esto implica que es posible operar al DFIG con un factor de potencia arbitrario, sin alterar con ello el amortiguamiento y la estabilidad del sistema [4]. 3.3.1 Control del convertidor del lado de la máquina Dicho control sirve para controlar la frecuencia y el voltaje de la DFIG, esto cambiando la frecuencia y amplitud de la corriente del rotor utilizando técnicas de control vectorial clásico. Estos controladores se diseñan siguiendo el esquema de control orientado al vector de flujo del estator, que como se mencionó anteriormente consta de dos etapas en cascada. Para determinar las ecuaciones que rigen esta técnica de control se requiere considerar el modelo de la máquina de inducción en el marco de referencia arbitrario, el cual es mostrado en el anexo A. El diagrama de flujo de la figura 3.4 nos muestra los pasos a seguir para la implementación de este control, como se aprecia primero se aplica la transformación de Clarke y después el vector obtenido se transforma desde el marco de referencia estacionario hacia el arbitrario. Figura 3.4: Diagrama de flujo de la implementación del control de convertidor del lado de la máquina. CENIDET 37 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 3.3.2 Control del convertidor del lado de la red El control que se aplica a dicho convertidor tiene como objetivo mantener la tensión en el bus de CD constante, extrayendo o inyectando la corriente necesaria para mantener la carga en el condensador, es decir, mantiene el voltaje del enlace de CD constante cuando la potencia en el DFIG está fluyendo hacia el rotor (operación subsíncrona) y cuando la potencia fluye fuera del rotor (operación supersíncrona). La estrategia de control utilizada es el control vectorial clásico orientado a lo largo de la posición del vector de voltaje del estator, permitiendo así un control independiente de la potencia activa y reactiva que fluye entre la carga y el GSC. La figura 3.5 muestra el diagrama de flujo de las acciones u operaciones que se siguen en la implementación de este tipo de control. En el anexo B se presenta un breve resumen de las transformaciones de coordenadas. Figura 3.5: Diagrama de flujo de la implementación del control de convertidor del lado de la red. CENIDET 38 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. 3.4 SIMULACIÓN DEL SISTEMA A continuación se presenta la simulación del sistema de generación eoloeléctrica, fue desarrollado en el paquete Simulink® de Matlab®. El sistema presenta como etapa inicial la turbina eólica, la cual se simuló con el modelo de un motor de DC de excitación separada, en este se controla la velocidad de la DFIG. En la segunda etapa se encuentra el convertidor back-to-back y la técnica de control vectorial utilizada para el MSC y el GSC, por último el sistema se encuentra conectado a una carga aislada de tipo RL. En el anexo C se presentan con detalle los modelos utilizados en la simulación, tal como la DFIM operando como generador, el del convertidor back-to-back y de los controladores del MSC y GSC. Se consideran los siguientes datos: DFIG de 50 hp, 460 V(rms) con los parámetros mostrados en la tabla 3-1 RS Rr LS=Lr J B P 0.087 Ω 0.228 Ω 1.198 mH 1.662 kg∙m2 0.1 N∙m∙s 4 Tabla 3-1: Parámetros de la DFIM. El voltaje en el enlace de CD se regula a 700 V, Para el motor de CD se considera uno de 200hp, en la Tabla 2 se presentan los parámetros del motor. rf 12Ω ra Lf 0.012Ω 9H La Laf Jm Bm 35mH 0.18H 30kg⋅m2 0.01N⋅m⋅s Tabla 3-2: Parámetros del motor de CD para simulación. Se realizó la simulación en sus diferentes modos de operación a fin de observar las velocidades en las que opera y checar los voltajes y corrientes en el estator, rotor y en GSC. CENIDET 39 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 3.4.1 Velocidad subsíncrona La figura 3.6 muestra los resultados obtenidos, en los que se observa la velocidad de operación (1600 rpm). Es conveniente mencionar que durante este modo de operación el GSC trabaja rectificador y el MSC genera las corrientes trifásicas. 3.6: Modo de operación velocidad subsíncrona del sistema de conversión de energía eoloeléctrica. A continuación, se muestra en la figura 3.7, el comportamiento del voltaje y corriente en el estator. Figura 3.7: Voltaje y corriente en el estator en operación a velocidad subsíncrona. CENIDET 40 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. Las figuras 3.8 y 3.9 muestran el comportamiento del voltaje y la corriente en el circuito del rotor y en el GSC. Figura 3.8: Voltaje y corriente en el rotor en operación a velocidad subsíncrona. Figura 3.9: Voltaje y corriente en el GSC en operación a velocidad subsíncrona. CENIDET 41 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 3.4.2 Velocidad síncrona La figura 3.10 ilustra la velocidad de operación (1800 rpm). En este modo de operación el GSC trabaja en la región límite entre rectificación e inversión para mantener el nivel de voltaje en el bus de CD mientras que el MSC genera tensión continua en los devanados de rotor. Figura 3.10: Modo de operación síncrono del sistema de conversión de energía eoloeléctrica. En las figuras 3.11, 3.12 y 3.13 se presentan las señales tanto en voltaje como en corriente obtenidas en el estator, rotor y el convertidor del lado de la red, respectivamente. Figura 3.11: Voltaje y corriente en el estator en operación a velocidad síncrona. CENIDET 42 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. Figura 3.12: Voltaje y corriente en el rotor en operación a velocidad síncrona. En este modo de operación se supone una señal continua en el circuito del rotor, lo que puede verificarse en la figura 3.12, donde se visualizan las señales obtenidas. Figura 3.13: Voltaje y corriente en el GSC en operación a velocidad síncrona. 3.4.3 Velocidad supersíncrona La figura 3.14 ilustra la velocidad de operación (2000 rpm) durante la operación en modo supersíncrono, en el que se tiene operando al MSC opera como rectificador y el GSC como inversor. CENIDET 43 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura 3.14: Modo de operación supersíncrona del sistema de conversión de energía eoloeléctrica. Las señales obtenidas en el estator, rotor y el convertidor del lado de la red, tanto en voltaje como en corriente, durante el modo de operación supersíncrono, están ilustradas en las figuras 3.15, 3.16 y 3.17, respectivamente. Figura 3.15: Voltaje y corriente en el estator en operación a velocidad supersíncrona. Figura 3.16: Voltaje y corriente en el rotor en operación a velocidad supersíncrona. CENIDET 44 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 3: Modelado y simulación del sistema. Figura 3.17: Voltaje y corriente en el GSC en operación a velocidad supersíncrona. 3.5 REFERENCIAS [1] Galindo del Valle, Roberto; “Desarrollo de un Sistema de Generación Eléctrica Basado en una Estructura Reversible Back-to-Back y un Generador Doble-Alimentado”; Reporte interno No. 2 de Tesis doctoral CENIDET, versión 2; Abril de 2005. [2] Rodríguez, V. J.; “Diseño e Implementación de un Sistema Aislado de Generación Eléctrica basado en un Convertidor Reversible back-to-back”; CENIDET 2005, Departamento de Electrónica; Tesis de maestría [3] Pires, V.; Silva, J.: “Teaching Nonlinear Modeling, Simulation, and Control of Electronic Power Converters Using MATLAB/SIMULINK”, IEEE Transactions on Education, Vol. 45, No. 3, Agosto 2002, pp. 253-261. [4] Petersson, A.; Harnefors, l.; Thiringer, T.: “Comparison Between Stator-Flux and Grid-Flux-Oriented Rotor Current Control of Doubly-Fed Induction Generators”, PESC 2004, IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 1, Junio 2004, pp. 482-486. CENIDET 45 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Página intencionalmente en blanco CENIDET 46 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Capítulo 4 Implementación del sistema En este cuarto capítulo se describe el diseño e implementación práctica de cada una de las partes que conforman el banco de pruebas de conversión Eoloeléctrica existente en CENIDET. No se puede controlar el viento, pero se pueden construir molinos. Proverbio Holandés Una vez que se han estudiado las partes que integran un sistema de generación eólica, y definida la necesidad de contar con un banco de pruebas de conversión de energía eólica operativo, en un lugar donde no se cuente con los recursos naturales del viento, se requiere la implementación de ciertos elementos básicos que emulen el comportamiento de dichas etapas, con el fin de reproducir las mismas condiciones de operación a las que se ven sometidos los sistemas eólicos en aplicaciones reales. Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 4.1 ESTRUCTURA DEL SISTEMA El sistema de generación eoloeléctrica implementado en CENIDET consta de una máquina de inducción doblemente alimentada funcionando como generador. Se usa un motor de CD de excitación separada para impulsar al DFIG para emular el comportamiento de una turbina eólica. Se considera que el acoplamiento entre las dos máquinas se realiza a través de un eje rígido con una caja de engranes ideal. Además consta de módulos necesarios para la implementación entre los cuales se tienen los de alimentación y medición. En la figura 4.1 se muestra la estructura del sistema. Figura 4.1: Sistema de conversión de energía eoloeléctrica alimentando una carga aislada. 4.2 EMULADOR DE TURBINA Esta etapa fue implementada en [1] y parte de dicho trabajo fue retomado en la presente tesis, ya que como se planteó en el capítulo 1, uno de los objetivos es conjuntar los trabajos previos enfocados al banco de pruebas. CENIDET 48 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 4: Implementación del sistema. Dicha etapa es de suma importancia en el sistema, ya que es la encargada de impulsar a la DFIM, emulando el comportamiento de una turbina real. Para lo anterior se emplea un motor de CD de excitación separada, en el cual se varía la velocidad, manipulando los voltajes de campo y armadura, utilizando para ello un convertidor de potencia. El motor utilizado es del fabricante Baldor, con matrícula CD3475 de 560W de excitación separada, ya que de acuerdo a la literatura revisada en [1] , se concluyó que el criterio para la selección del motor que emula a la turbina eólica debe ser que éste sea de por lo menos el doble de la potencia del generador. Para el proceso de emulación de los perfiles de viento se requiere manipular la velocidad, esto se realiza con ayuda de un convertidor de potencia, que será descrito en la sección siguiente. 4.2.1 Etapa de Potencia Para la implementación de esta etapa se retomó el convertidor construido en [1], el cual es un convertidor troceador de tipo A, en el que la corriente de la carga fluye hacia la carga. Tanto el voltaje como la corriente son positivos. La función que cumplirá dicho convertidor es la de permitir tener un voltaje variable a su salida, que regulará la velocidad del motor de CD. Figura 4.2: Convertidor troceador tipo A. El modo de operación en el que se utiliza es a frecuencia constante, es decir, la frecuencia de pulsación es establecida, y se manipula el ciclo de trabajo (t1) en el que habrá circulación de corriente. CENIDET 49 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica En la figura 4.3 se muestra este tipo de control que se conoce como PWM (Modulación por ancho de pulso). Figura 4.3: Modulación por ancho de pulso. 4.2.2 Etapa de Control Para la emulación de los perfiles de viento, se requiere controlar la velocidad del motor, esto mediante la manipulación de los voltajes en el circuito de armadura y de campo, lo cual se logra manteniendo fijo uno de los dos voltajes, y variando el otro. Para llevar a cabo esta tarea se construyeron dos placas para generar los anchos de pulso que controlan dichos voltajes. En este caso se mantuvo constante el porcentaje del ciclo de trabajo en el circuito de armadura y se varió la anchura de pulso en el circuito de campo. Una vez realizadas las pruebas para caracterizar el motor y conocer los valores de los ciclos de trabajo que permiten obtener las diversas velocidades se determinó la región de operación deseada. Es así que, de acuerdo a los resultados obtenidos, se eligió mantener la armadura con un ciclo de trabajo del 50% y variar el ciclo de trabajo en el circuito de campo para conseguir las velocidades deseadas. Para el control del voltaje en el circuito de armadura, en el que se requiere un ancho de pulso constante, se utilizó un circuito integrado TL494 [2], el cual con el arreglo correspondiente de elementos pasivos permite obtener un pulso constante a su salida, el diagrama esquemático se muestra en la figura 4.4. CENIDET 50 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 4: Implementación del sistema. Figura 4.4: Esquemático del circuito de control del voltaje de armadura. En el circuito de campo se necesita manipular el valor del ciclo de trabajo, con el fin de obtener diversas velocidades de operación. En este caso se consideró un perfil de viento que tenga forma trapezoidal, es decir, se inicie con una velocidad, dicha velocidad vaya incrementando hasta un valor determinado y se mantenga por un tiempo establecido y posteriormente esa velocidad decrezca hasta volver al valor de la velocidad inicial. La figura 4.5 ilustra el perfil de viento deseado. Figura 4.5: Perfil de viento programado. Por la disponibilidad y sencillez se escogió para la programación de dicho perfil de viento un pic (Peripheral Interface Controller - Controlador de Interfaz Periférico) de la compañía microchip® con matrícula 16F873A [3]. El programa que controla dicho perfil se presenta en el anexo D. CENIDET 51 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica La figura 4.6 muestra el diagrama esquemático del circuito implementado para controlar el ancho de pulso del circuito de campo, y en consecuencia la velocidad del motor. Figura 4.6: Esquemático del circuito de control del voltaje de campo. De esta forma se tiene que el ciclo de trabajo del circuito de armadura está controlado por el circuito TL494, mientras que el ciclo de trabajo del circuito de campo se controla mediante el pic 16F873A, en la figura 4.7 se ilustran las placas construidas. Figura 4.7: Circuitos construidos para el control de la velocidad del motor. CENIDET 52 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 4: Implementación del sistema. 4.3 MÁQUINA DE INDUCCIÓN DOBLEMENTE ALIMENTADA (DFIM) Se utiliza una máquina de inducción de rotor devanado de la compañía De Lorenzo, del módulo didáctico Open Lab, la DFIM tiene la matrícula DL10280, su potencia nominal es de ½HP ≈ 372W para un voltaje de línea de 43 Vrms. Una corriente de fase de 6.5 Arms y una velocidad sincrónica de 3600 rpm. Figura 4.8: Máquina de Inducción doblemente alimentada. Esta máquina tiene acceso a las terminales eléctricas tanto de los devanados del estator como a los del rotor. En el primer caso es posible realizar una conexión en D o en Y, mientras que en el segundo los devanados están permanentemente conectados en Y. Los parámetros de dicha máquina se especifican en la Tabla 4-1. RS Rr 0.343 Ω 0.312 Ω LS Lr Lm 1.198 mH 1.198 mH 38.62 mH Tabla 4-1: Parámetros de la DFIM Velocidad Velocidad síncrona Velocidad supersíncrona subsíncrona 3200 rpm 3600 rpm 4000 rpm Tabla 4-2: Rangos de operación de la DFIM CENIDET 53 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 4.4 CONVERTIDOR BACK TO BACK El convertidor back to back, integrado por el convertidor del lado de la máquina (MSC) y el convertidor del lado de la carga (GSC), los cuales son implementados mediante dos inversores trifásicos tipo puente, con transistores de compuerta aislada (IGBTs, por sus siglas en inglés), fabricado por International Rectifier, matrícula IRAMX16UP60A [4] cuyas características se describen en la Tabla 4-3. Datos técnicos Voltaje máximo de bus 450 V Corriente máxima rms 16 A @ TC=25°C Frecuencia máxima de portadora PWM 20 kHz Máxima disipación de potencia 31 W, por IGBT @ TC =25°C Tabla 4-3: Características del IRAMX16UP60A. El hecho de que el puente inversor y el driver estén integrados en el mismo dispositivo reduce las capacitancias parásitas al máximo y por lo tanto, el ruido. La reducción de tamaño es una ventaja adicional que se obtiene de la integración de componentes. La figura 4.9 ilustra el módulo inteligente. Figura 4.9: IRAMX16UP60A. Para el diseño de los circuitos impresos se utilizó el programa Altium Designer®, en la figura 4.10 se ilustra el diagrama esquemático para el convertidor del lado de la máquina, recordando que el convertidor del lado de la red es idéntico. CENIDET 54 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 4: Implementación del sistema. Figura 4.10: Convertidor del lado de la máquina. En la implementación del convertidor back to back se consideró el modo de operación bootstrap del IRAMX16UP60A, para evitar el uso de tres fuentes aisladas para impulsar los interruptores superiores del puente inversor. Este modo de operación requiere el uso de tres capacitores colocados de forma externa. Los valores de dichos capacitores se seleccionan de acuerdo a las especificaciones del fabricante mostradas en la figura 4.11, de acuerdo a la frecuencia de operación. Figura 4.11: Valores recomendados de capacitor bootstrap respecto a la frecuencia de conmutación. CENIDET 55 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Como medio de protección para desacoplar las señales de control del sistema de potencia se eligió el optoacoplamiento ofrecido por el dispositivo HCPL2611 [5] de Fairchild Semiconductor. La figura 4.12 muestra una parte del diagrama esquemático de la placa de optoacopladores construida. Figura 4.12: Diagrama esquemático del circuito de optoacopladores. En las figuras 4.13 a y b se muestran las imágenes de las placas construidas de uno de los convertidores del back to back, como puede observarse se encuentran ensambladas la placa del convertidor con la placa de los optoacopladores. Por tratarse de un convertidor simétrico se elaboraron dos prototipos idénticos. Figura 4.13: Convertidor del lado de la máquina con optoacopladores. CENIDET 56 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 4: Implementación del sistema. 4.5 SENSORES Para la implementación de alguna estrategia de control es necesario contar con sensores de corriente que permitan conocer la respuesta de las corrientes de estator y rotor. Es por ello que se construyeron placas de sensores de corriente. El dispositivo seleccionado fue el transductor de corriente LTS-15 NP del fabricante LEM®, el cual permite medir corriente directa y alterna. Estos sensores producen una señal analógica lineal igual a la forma de onda de la corriente detectada. El sensor se alimenta con 5 voltios, por lo que cuando no hay flujo de corriente por el anillo del transductor, este entrega aproximadamente 2.5 VCD[6][6], lo cual se conoce como voltaje de compensación, es decir, presenta un offset igual al voltaje de alimentación dividido entre 2, es por ello que se realizó un circuito acondicionador de la señal utilizando amplificadores operacionales, con el fin de que cuando se mida una corriente de 0 A, se tenga a la salida 0 V. Figura 4.14: Circuito acondicionador de la señal. En la figura 4.14 se ilustra el diagrama esquemático del circuito acondicionador de la señal implementado, así como en la figura 4.15 la placa del sensor de corriente construida. CENIDET 57 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura 4.15: Placa de sensores de corriente. 4.6 EMULADOR DE CARGA Para la implementación de la carga se consideró el tener una carga principal y una carga auxiliar, para esto se utilizó el módulo el DL10045 de resistencia trifásica, tiene una capacidad de disipar 3x100W y cuenta con una resistencia variable de 0 a 68 Ω, se encuentra conectada en Y. Si se necesitara una mayor resistencia o una mayor disipación de potencia, dentro del mismo equipo de De Lorenzo se tiene el módulo DL 10283 de cargas y reóstato, el cual tiene entre sus características: 3 x15 Ohm, 90 W cada uno. 1 Ohm + (0-2 Ohm), 80 W. Para la carga auxiliar se retomó la construida en [7], la cual se muestra en la figura 4.16. Figura 4.16: Emulador de carga. CENIDET 58 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 4: Implementación del sistema. 4.7 REFERENCIAS [1] Ovando Domínguez, Roberto II; “Emulador De Turbina Eólica Para Banco De Pruebas De Generación EoloEléctrica”; Tesis de maestría; Departamento de Ingeniería electrónica; CENIDET 2007. [2] Hoja de datos técnica del circuito integrado TL494, disponible en: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf, [Último acceso Febrero 2012]. [3] Hoja de datos técnica del microcontrolador 16F873A, disponible en: http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39582b.pdf, [Último acceso Febrero 2012]. [4] Hoja de datos técnica del módulo IRAMX16UP60A, Revisión D, disponible en: http://www.irf.ru/pdf/iramx16up60a.pdf, [Último acceso Febrero 2012]. [5] Hoja de datos técnica del circuito integrado HCPL2611, disponible en: http://www.fairchildsemi.com/ds/6N/6N137.pdf, [Último acceso Febrero 2012]. [6] Hoja de datos técnica del transductor de corriente LTS-15 NP, disponible en: http://www.lem.com/docs/products/lts%2015-np.pdf, [Último acceso Marzo 2012]. [7] González Ojeda, Dana Luz; “Convertidor back to back para el banco de pruebas de conversión Eoloeléctrica en un sistema Eléctrico aislado”; Tesis de maestría; Departamento de Ingeniería electrónica; CENIDET 2008. CENIDET 59 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Página Intencionalmente en blanco CENIDET 60 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Capítulo 5 Conclusiones y trabajos futuros En este capítulo se presentan las conclusiones obtenidas del trabajo de investigación, así como un panorama de los trabajos que es posible realizar para complementar y reforzar la línea de investigación de energías alternativas. Un sistema conversor de energía eólica es tan bueno como su sistema de control. Anónimo Actualmente los cambios climáticos que se tienen, han hecho que se incursione en el campo de las energías alternativas, como una medida de minimizar los problemas ambientales y producir de esta forma, energía limpia y renovable. Dado lo anterior, este trabajo contribuye al estudio de uso de fuentes alternas de energía, es por ello que en este documento se describe la construcción de un banco de pruebas para emular sistemas de conversión eoloeléctrica. Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 5.1 CONCLUSIONES Dada la importancia que se tiene en la actualidad respecto al uso de energías renovables, en el presente trabajo de tesis, se estudió un sistema de conversión de energía eoloeléctrica para llevar a cabo la reactivación e integración de los subsistemas del banco de prueba existente en CENIDET; así como la implementación de las etapas no operativas o no existentes necesarias para la completa operatividad del banco de pruebas, tarea que permite emular ciertas condiciones (perfiles de viento o cargas determinadas), de tal forma que, si se busca que México cuente con tecnología de fabricación propia es necesario promover y seguir incursionando retos en el aspecto de energías alternativas. En los lugares donde las condiciones del viento no son las adecuadas, o son nulas, resulta de gran utilidad tener un banco de pruebas que emule el comportamiento de un sistema real. En este caso, aunque ya se tenía parte del trabajo realizado, el hecho de tener el sistema completo, permite la posibilidad de experimentar con diversas estrategias de control. Dado lo anterior, se estudió el estado del arte de los sistemas de generación eoloeléctrica, así como cada una de las etapas que lo integran, llevando a cado la simulación del sistema completo en las diversas formas de operación con lo cual se comprobó, mediante la herramienta de simulación, el correcto funcionamiento de la estrategia de control desarrollada en simulación. Con el estudio del estado del arte de los sistemas eoloeléctricos, es posible concluir que el uso de las máquinas de inducción doblemente alimentadas como DFIG en WECS, es de los más populares y la que más atención ha recibido, esto quizás, porque ofrece un excelente desempeño dinámico con un control adecuado, a pesar de esto, una de sus desventajas es que necesita escobillas y anillos deslizantes. Para el modelado de la DFIM se requiere tomar en cuenta algunos factores. En cuanto al convertidor back-to-back se tiene que es el que más se ha utilizado en los WECS debido a sus características, mismas que fueron abordadas en el desarrollo de este documento, y es que en las aplicaciones de manejo parcial de potencia como es el caso del sistema implementado en CENIDET se requiere que el convertidor: sea capaz de proporcionar una salida de voltaje que no fatigue en exceso los devanados a los cuales se conecta, tenga una elevada eficiencia en el proceso de CENIDET 62 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez CAPÍTULO 5: Conclusiones y trabajos futuros. conversión, sea capaz de responder rápidamente a las señales de control para permitir el control apropiado de la máquina, entre otros. Dado que una propiedad importante del convertidor back to back es la posibilidad de controlar el flujo de potencia a la red y mantener la tensión del bus de cd constante. Dado que el convertidor implementado en este trabajo de tesis fue el back to back, resulta conveniente mencionar, que es posible mediante el uso esta topología, probar diversas alternativas de control, sin realizar grandes cambios. El control vectorial constituye una poderosa herramienta en el desarrollo del control de los convertidores de potencia y en este caso del WECS, como se observó al realizar las simulaciones del sistema, requiere de una variedad de operaciones (transformadas de coordenadas) además que para su implementación se requiere de un módulo generador PWM. De igual forma, es conveniente reafirmar que el control vectorial utiliza modelos dinámicos por lo regular en coordenadas dq, con derivadas del tiempo, mientras que el control estático utiliza modelos de régimen permanente o estado estable, en los que normalmente se ha supuesto que las derivadas valen cero. Por lo que de acuerdo a la consulta realizada del estado del arte, se concluye que es posible obtener una muy buena posibilidad de implementación si se usan FPGA's, debido a sus características, puesto que para un control vectorial exitoso se requiere realizar frecuentemente diversas operaciones aritméticas, que van desde la estimación de la posición del vector "orientador" del marco de referencia (ya sea el campo del estator o del voltaje del estator, entre otros), transformaciones de coordenadas para corrientes y/o voltajes, cálculo de los términos de compensación o Feed-forward, hasta las operaciones de los controladores y del modulador de ancho de pulso, con el fin de generar las señales de compuerta para los IGBTs del B2B. Esto hace que algunos dispositivos no sean aptos para la implementación (por ejemplo, microprocesadores o microcontroladores de propósito general o "antiguos") y, a la vez, reduce el número de dispositivos que pueden servir. De esta manera, en términos generales se cumplieron los objetivos propuestos, al obtener un banco de pruebas de conversión eoloeléctrico operativo, contribuyendo de esta forma al crecimiento de la línea de investigación de energías alternativas existente en CENIDET. CENIDET 63 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 5.2 TRABAJOS FUTUROS Una vez concluido este trabajo de investigación, son notorios algunos aspectos en los que es posible continuar el estudio, iniciando con una evaluación del sistema completo. • Optimizar el desempeño del convertidor back to back con el diseño e implementación de los filtros de entrada y salida del mismo. • Proponer la utilización de diversas estrategias de control no lineal para mantener constante el voltaje generado y su frecuencia. • Implementación de alguna estrategia de control utilizando dispositivos lógicos programables de mayor nivel como FPGA o mediante la utilización de la tarjeta dSPACE existente en CENIDET. • Extender el trabajo realizado utilizando para esto una turbina eólica real. • Implementar un esquema de carga auxiliar que no disipe la energía excedente, sino que la almacene, utilizando para esto baterías o banco de capacitores. Logrando con lo anterior un mejor aprovechamiento de la energía eólica obtenida. • Diseño y construcción de un sistema eoloeléctrico conectado a la red eléctrica. CENIDET 64 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo A Modelo de la DFIM La transformación del marco de referencia representa la proyección de las variables trifásicas sobre dos ejes perpendiculares en el mismo plano. De la ubicación que se le asigne a β dentro del ámbito de la máquina de inducción se pueden generar diferentes marcos de referencia vistos desde la posición fija de los devanados del estator. Los marcos de referencia podrán estar fijos o girando a diferentes velocidades ω, como se muestra en la tabla A.1 Velocidad del marco Definición de referencia Ω Marco de referencia arbitrario 0 Marco de referencia fijo al estator ωrotor Marco de referencia fijo al rotor ωe Marco de referencia síncrono Tabla A.1: Marcos de referencia definidos para la transformación DQ. Aplicando transformación de coordenadas a las ecuaciones obtenidas en el modelo trifásico de la DFIM se obtiene el modelo bifásico (dq) que se presenta a continuación: 𝑑𝜆𝑞𝑠 𝑣𝑞𝑠 = 𝑅𝑠 ∙ 𝑖𝑞𝑠 + 𝜔𝜆𝑑𝑠 + 𝑑𝑡 𝑑𝜆𝑑𝑠 𝑣𝑑𝑠 = 𝑅𝑠 ∙ 𝑖𝑑𝑠 + 𝜔𝜆𝑞𝑠 + 𝑑𝑡 CENIDET 65 Ec. A.1 Ec. A.2 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica 𝑑𝜆𝑞𝑟 𝑑𝑡 𝑑𝜆𝑑𝑟 = 𝑅𝑟 ∙ 𝑖𝑑𝑟 + (𝜔 − 𝜔𝑟 )𝜆𝑞𝑟 + 𝑑𝑡 Ec. A.3 𝑣𝑞𝑟 = 𝑅𝑟 ∙ 𝑖𝑞𝑟 + (𝜔 − 𝜔𝑟 )𝜆𝑑𝑟 + 𝑣𝑑𝑟 Ec. A.4 Donde ω es la velocidad del marco de referencia que se utiliza y las variables i y λ se representan tras la transformación de coordenadas dq como dos componentes bifásicas. Los enlaces de flujo se representan mediante las siguientes ecuaciones: 𝜆𝑞𝑠 = (𝐿𝑖𝑠 + 𝑀)𝑖𝑞𝑠 + 𝑀𝑖𝑞𝑟 Ec. A.5 𝜆𝑞𝑟 = (𝐿𝑖𝑟 + 𝑀)𝑖𝑞𝑟 + 𝑀𝑖𝑞𝑠 Ec. A.7 𝜆𝑑𝑠 = (𝐿𝑖𝑠 + 𝑀)𝑖𝑑𝑠 + 𝑀𝑖𝑑𝑟 Ec. A.6 𝜆𝑑𝑟 = (𝐿𝑖𝑟 + 𝑀)𝑖𝑑𝑟 + 𝑀𝑖𝑑𝑠 Ec. A.8 Donde: M = (3 2) Lms y es el valor de la inductancia mutua bifásica. El par electromagnético, expresado en función de las coordenadas dq, es: 𝑇𝑒 = CENIDET 𝑃 𝐿 �𝑖 𝑖 − 𝑖𝑑𝑠 𝑖𝑞𝑟 � 2 𝑚𝑠 𝑞𝑠 𝑑𝑟 66 Ec. A.9 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo B Transformación de coordenadas El cambio de variables en un marco de referencia es útil ya que convierte un sistema trifásico a uno bifásico, por lo que facilita la manipulación y operación de las variables involucradas, este cambio de variables se realizará en dos pasos, primero un cambio de variables de abc hacia αβ y posteriormente de αβ hacia dq esto último por medio de la transformada de Clarke. Este cambio de variables elimina las inductancias que varían en el tiempo, mediante referir las variables del rotor y del estator en un marco de referencia, el cual puede rotar o girar a cualquier velocidad angular o permanecer estacionario. Todas las transformaciones conocidas pueden entonces obtenerse mediante una asignación simple de velocidad apropiada de giro a esto se le llama marco de referencia arbitrario [1]. De acuerdo a lo planteado en el anexo A, el marco de referencia arbitrario puede tomar 4 nombres particulares dependiendo del valor de la velocidad a la que giran los ejes dq. B.1 TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS: abc → αβ Para representar geométricamente los diversos fenómenos que ocurren durante la operación de la DFIM se utiliza por lo general un plano cartesiano, cuya posición se relaciona con la del estator de la máquina. Este sistema constituye un marco de referencia fijo y sus ejes, que son mutuamente perpendiculares, serán llamados αβ y son mostrados en la Figura B.1. Además, es común definir los ejes abc, que se incluyen en la misma figura. CENIDET 67 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura B.1: Plano αβ y ejes abc usados en la transformación de coordenadas para el análisis de la DFIM. Se propone un vector espacial en donde se considera el efecto combinado de las tres variables involucradas en el sistema trifásico de la DFIM. 𝑓 = 𝑓𝑎 + 𝑓𝑏 + 𝑓𝑐 = 𝑓𝑎 𝑒 𝑗0 + 𝑓𝑏 𝑒 𝑗𝛾 + 𝑓𝑐 𝑒 𝑗2𝛾 Ec. B.1 Al realizar el cambio de coordenadas de abc hacia αβ el nuevo vector contará con dos componentes, como se muestra en la ecuación B.2. Ec. B.2 𝑓 = 𝑓𝛼 + 𝑓𝛽 En la ecuación B.3 se presenta la expresión correspondiente para obtener la transformación del sistema trifásico a los ejes αβ, en este trabajo se utiliza una transformación de variables abc del rotor a αβ del rotor, a lo que la expresión presentada a continuación es nombrada αβ rotórico [2]. 1 − 1�2 − 1�2 𝑓𝑎𝑟 𝑓𝛼𝑟 � �𝑓 � �𝑓 � = 𝑘 � 0 √3�2 − √3�2 𝑏𝑟 𝛽𝑟 𝑓𝑐𝑟 CENIDET 68 Ec. B.3 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo B: Transformación de coordenadas. La ecuación anterior está basada en un enfoque vectorial descrito en [2] y [3] , en donde k representa un factor de escalamiento, el cual tiene el fin de que la transformación de coordenadas posea características especiales, en esta caso k=1, este factor sirve para que no se altere la amplitud de las señales. B.2 TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS: αβ → dq Teniendo ahora las coordenadas αβ se procede a la transformación a las coordenadas requeridas dq, en donde para la deducción de las expresiones para dicha transformación se debe definir el marco de referencia arbitrario que consta de dos ejes mutuamente perpendiculares, girando alrededor del origen del plano αβ, normalmente en sentido contrario a las manecillas del reloj, con una velocidad angular ω. El eje real es llamado comúnmente “eje d”, mientras que el imaginario “eje q”. La posición del marco de referencia arbitrario se mide con respecto al eje α estacionario. Existen varias posibilidades para definir la posición de los ejes “dq”. La Figura B.2 muestra dos de ellas. t t Donde: θ = θ(0) + ∫ ω( τ)dτ Donde: θd =θd (0) + ∫ ωd ( τ)dτ (a) Usada por Krause [1]. (b) Usada por Leonhard y Vas [2] y [3]. 0 0 Figura B.2: Dos formas diferentes de definir la posición del marco de referencia arbitrario. Obsérvese en la Figura B.2 que en ambos casos d es el eje real y q es el eje imaginario. Cuando se considera un conjunto balanceado puede resultar más conveniente utilizar la definición presentada en la Figura B.2b, en donde la componente d resulta ser una señal coseno que puede considerarse la representación “directa” de la componente a en el marco de referencia arbitrario, mientras que la CENIDET 69 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica componente q estará en cuadratura, desfasada 90° respecto a la componente d. En cambio, con la definición dada en la Figura B.2a ocurre lo contrario, la componente q es la componente directa, mientras que la componente d resulta ser la de cuadratura. La definición presentada en la figura B.2a suele nombrarse enfoque matricial, mientras que la mostrada en la figura B.2b es llamado enfoque vectorial. Dentro del enfoque matricial se transforma directamente las coordenadas abc a coordenadas dq0 [1], esto por medio de las siguientes ecuaciones. 𝑓𝑞𝑑0 = k(θrel ) ∙ 𝑓𝑎𝑏𝑐𝑟 Ec. B.4.1 Cos(θrel ) Cos(θrel − γ) Cos(θrel + γ) 𝑓𝑎𝑟 𝑓𝑞𝑟 �𝑓𝑑𝑟 � = k �Sen(θrel ) Sen(θrel − γ) Sen(θrel + γ)� �𝑓𝑏𝑟 � 1� 1� 1� 𝑓𝑐𝑟 𝑓0𝑟 2 2 2 Ec. B.4.2 t Donde: k=2/3, θrel = θ − θr , θ es la posición de los ejes dq, θr = θr (0) + ∫0 ωr (τ)dτ es la posición de los ejes eléctricos del rotor, ωm=2/Pωr es su velocidad mecánica correspondiente y P es el número de polos de la máquina. Ahora dentro del enfoque vectorial es necesario transformar las coordenadas obtenidas (αβ) a las coordenadas dq, por lo que después de aplicar la ecuación B.3 al sistema trifásico es necesario aplicar las siguientes ecuaciones. 𝑓𝑑𝑞𝑟 = 𝑓𝛼𝛽𝑟 𝑒 −jθrel 𝑓𝑑𝑟 = 𝑓𝛼𝑟 cos(θrel ) + 𝑓𝛽𝑟 sen(θrel ) 𝑓𝑞𝑟 = −𝑓𝛼𝑟 sen(θrel ) + 𝑓𝛽𝑟 cos(θrel ) Ec. B.5 Ec. B.5.1 Ec. B.5.2 En este caso: θrel = θd − θr . CENIDET 70 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo B: Transformación de coordenadas. B.3 TRANSFORMACIÓN INVERSA El problema de determinar las fórmulas que permitan realizar la transformación inversa consiste en suponer que se conoce la representación del vector f en el marco de referencia arbitrario (dq) y que se desean conocer las señales trifásicas abc. Para el enfoque matricial la alternativa más sencilla consiste en determinar la inversa de la matriz k de B.4.1. De esta manera, al suponer k=2/3, se obtendrá: Donde: 𝑘 −1 𝑓𝑎𝑏𝑐 = 𝑘 −1 ∙ 𝑓𝑞𝑑0 Ec. B.6 cos(θ) sen(θ) 1 = �cos(θ − γ) sen(θ − γ) 1� cos(θ + γ) sen(θ + γ) 1 Ec. B.7 Por otro lado, para el enfoque vectorial la transformación puede hacerse en dos pasos: primero de dq a αβ y, después de αβ a abc. La primera de estas transformaciones puede realizarse partiendo de (B.5), para obtener: 𝑓 = 𝑓𝑞𝑑 𝑒 jθd = 𝑓𝛼 + 𝑗𝑓𝛽 𝑓𝛼 = 𝑓𝑑 cos(θd ) − 𝑓𝑞 sen(θd ) 𝑓𝛽 = 𝑓𝑑 sen(θd ) + 𝑓𝑞 cos(θd ) Ec. B.8 Ec. B.8.1 Ec. B.8.2 Ahora que se conocen las componentes αβ puede aplicarse las siguientes ecuaciones, esto para señales trifásicas balanceadas. 𝑓𝑏 = 𝑓𝑎 = 1 �−𝑓𝛼 + √3𝑓𝛽 � 3𝑘 𝑓𝑐 = − CENIDET 2 𝑓 3𝑘 𝛼 1 �𝑓 + √3𝑓𝛽 � 3𝑘 𝛼 71 Ec. B.9.1 Ec. B.9.2 Ec. B.9.3 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica B.4 REFERENCIAS [1] Krause, C.: "Analysis of Electric Machines", Mc Graw Hill Company, Singapore, 1987. [2] Leonhard, W.: “Control of Electrical Drives”, Springer, Berlin, Alemania, 1985. [3] Vas, P.: “Vector Control of AC machines”, Clarendon press Oxford, New York, 1994 CENIDET 72 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo C Modelos de Simulación A continuación se presentan las librerías utilizadas para la simulación del sistema de generación eoloeléctrico aislado. Figura C.1: Motor de CD de corriente directa. Este modelo está formado por: motor de corriente directa (ver figura C.1), máquina de inducción doblemente alimentada, convertidor del lado de la máquina, convertidor del lado de la red, enlace de cd, control del MSC, control del GSC y por último la carga (ver figura C.2). CENIDET 73 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura C.2: Sistema de generación eoloeléctrico. CENIDET 74 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo C: Modelos de simulación. En la figura C.3 se presenta el modelo de la DFIM, se utiliza el modelo trifásico de dicha máquina, descrito en capítulo 3. Figura C.3: Máquina de inducción doblemente alimentada. En la simulación se considera un motor de CD encargado de impulsar al DFIG. La función S que se utiliza es DC_Mach y las ecuaciones implementadas son: Para el circuito de campo: v f = rf ⋅ i f + L f di f dt Ec. C.1 Para el circuito de armadura: va = ra ⋅ ia + La dia + ωm La dt Ec. C.2 Par electromagnético: = Tm Laf i f ⋅ ia CENIDET 75 Ec. C.3 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Figura C.4: Motor de CD. El convertidor back-to-back está implementando utilizando las ecuaciones descritas en capítulo 3, específicamente las ec. 5.11 Y 5.14, las cuales se refieren a la ecuación de voltaje para el MSC y la corriente en el enlace de CD respectivamente. La figura C.5 ilustra el modelo del MSC. Figura C.5: Convertidor del lado de la máquina. CENIDET 76 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo C: Modelos de simulación. El modelo del GSC es presentado empleando las ec. 5.12 y 5.15, que al igual que el MSC representan el voltaje y la corriente que describen al GSC. La figura C.6 muestra el modelo del GSC. Figura C.6: Convertidor del lado de la red. En el control del MSC se tiene la transformación de coordenadas de abc a dq, controladores de voltaje y corriente. En la figura C.7 se muestra el modelo implementado. Figura C.7: Controlador del MSC. CENIDET 77 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica Por último se presenta en la figura C.8 el modelo implementado en Simulink® del controlador para el GSC, en la primera etapa del controlador se realiza un cambio de coordenadas de abc hacia dq, este cambio se hace en el voltaje y la corriente del estator, aplicando las siguientes expresiones. Las expresiones para voltaje y corriente son las mismas. Cuando se tienen los voltajes y corrientes en coordenadas dq, se procede a aplicar la técnica de control vectorial. Figura C.8: Controlador para el GSC. CENIDET 78 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo D Programa Perfil de Viento A continuación se presenta el programa que se elaboró para obtener en el motor de cd un perfil de viento de tipo trapezoidal. ;IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL PARA EL BANCO DE PRUEBAS DE CONVERSIÓN EOLOELECTRICA ; EMULADOR DE TURBINA ; V-06-FEBRERO-2009 ; Fabiola Cruz Gutiérrez ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------LIST P=16F873a ; Procesador utilizado RADIX HEX ; Sistema de numeración hexadecimal #INCLUDE<P16F873a.INC> ; __config _XT_OSC &_WDT_OFF &_PWRTE_ON & _LVP_OFF ESTADO EQU 0x22 CONT_RET EQU 0x23 AUX EQU 0x24 ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------;***************************CONFIGURACIÓNDE PUERTOS********************** ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------org 0x00 goto STAR org 0x05 ;Inicia el programa en la dirección 0 ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------;********************************RETARDOS******************************* ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------RETAR RETAR1 CENIDET movlw .60 ;Inicialización del TMR0 movwf TMR0 ;Para una cuenta de 50 ms btfss ;¿Se ha desbordado el TMR0? INTCON,T0IF 79 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica goto RETAR1 ;No bcf INTCON,T0IF ;Sí, Resetear la bandera decfsz CONT_RET,F ;¿Se ha repetido las veces indicadas? goto RETAR ;No. Repetir otros 50 ms. return ;Sí. Regresa de la temporización ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------;****************CONFIGURACION DE LOS PUERTOS****************************** ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------STAR clrf PORTA clrf PORTB clrf PORTC clrf ESTADO clrf AUX bsf STATUS,RP0 bcf STATUS,RP1 ;Acceso al banco 1 movlw b'00000000' movwf TRISC ;Las líneas del puerto C se configuran como salida movlw b'11111111' ; movwf TRISA ;Las líneas del puerto A se configuran como entrada movlw b'11111111' ; movwf TRISB ;Las líneas del puerto B se configuran como entradas movlw b'11000111' ;Cargar predivisor de 256 asociado al TMR0 movwf OPTION_REG ;para utilizarlo en los retardos bcf STATUS,RP0 ;Acceso al banco 0 bcf STATUS,RP1 ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------;********************************PRINCIPAL******************************** ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PRINCIPAL bsf PORTC,3 ;Led indicador de pic bsf STATUS,RP0 bcf STATUS,RP1 movlw b'1100011' ;Acceso al banco 1 ;Fijar la frecuencia a 10 kHz. movwf PR2 bcf STATUS,RP0 bcf STATUS,RP1 movlw b'00111001' ;Acceso al banco 0 ;Calculado para 10 kHz y un ciclo de trabajo de 57% movwf CCPR1L CENIDET 80 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Anexo D: Programa del perfil de viento. movlw b'00001100' movwf CCP1CON ;MODULO PWM SELECCIONADO, LSB = 00 movlw .15 movwf AUX ;Máxima velocidad deseada 2000 rpm 72%ciclo de trabajo movlw b'00000100' movwf T2CON ;TIMER 2 , PRESCALER 4 ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------CICLO bcf PORTC,0 movf PORTB,W movwf ESTADO bcf ;W= W AND PORTB ;Mueve a estado el valor de W STATUS,Z movlw .0 ;Carga a W con un B'00000001' subwf ESTADO,W ;RESTA A W= W- ESTADO btfsc STATUS,Z ;REVISA SI Z=1 (SI EL RESULTADO FUE CERO) ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------call VEL1 ;cambio de ciclo de trabajo PWM goto CICLO ;regresa a esperar el inicio de la generación pwm ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------;partiendo de la velocidad de 1600 rpm se irá incrementando hasta alcanzar 2000 rpm VEL1 movlw .50 ;Temporización de 2.5 s movwf CONT_RET call RETAR incf CCPR1L,F ;incremento de la velocidad con el aumento del ancho de pulso decfsz AUX,F ;¿Ha llegado a la velocidad deseada? goto VEL1 ;No, seguir incrementando. ;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------bsf PARO PORTC,0 ;permancera 1 segundo a esta velocidad movlw .200 ;Parada de 10 seg movwf CONT_RET ; call RETAR bcf PORTC,0 ; ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------movlw .15 movwf AUX ;Minima velocidad deseada 1600 rpm 57% ciclo de trabajo ;Empezará a decrementar la velocidad hasta llegar a 1600rpm VEL2 CENIDET movlw .50 ;Temporización de 2.5 s movwf CONT_RET ; call RETAR decf CCPR1L,F ;Disminuye anchura de puslo decfsz AUX,F ;¿Ha llegado a la velocidd deseada? 81 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez Implementación de un banco de pruebas de conversión eoloeléctrica goto VEL2 ;No. sigue decreciendo ;-------------------------------------------------------------------------------bsf PORTC,0 call RETAR clrf AUX movlw .15 movwf AUX ;Minima velocidad deseada 1600 rpm 57% ciclo de trabajo return ;;--------------------------------------------------------------------------------------------------end CENIDET 82 I.E. Fabiola Cruz Gutiérrez “Si avanzo, sígueme; si me detengo, empújame; si retrocedo, mátame”. E. Che Guevara
