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DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL PREDICTIVO EN
UN GENERADOR EOLICO DE ACOPLE DIRECTO A LA TURBINA
Nelson Aros Oñate
Rubén Cifuentes Muñoz
Boris Pavez Lazo
Universidad de La Frontera, Departamento de Ingeniería Eléctrica
Marcela Aros Beltrán
Universidad Católica de Temuco
Resumen
La preocupante situación medioambiental a nivel global y la constante innovación han
permitido el mejoramiento de la eficiencia energética de los sistemas eólicos debido al
avance en el tamaño de los generadores y al desarrollo de la electrónica de potencia para su
extracción. Contribuyendo al mejoramiento, este articulo presenta un sistema de control
predictivo en la etapa de conversión de potencia que regule los requerimientos de potencia
eléctrica del sistema según la carga presente. El controlador predictivo se enfoca para un
convertidor AC/DC/AC aplicado a un sistema aerogenerador con acople directo,
particularmente a los requerimientos de potencia y corriente de la carga. Vía simulación se
comprueba su funcionamiento y se compara con una topología de conversión usada para
sistemas convencionales. Se analiza el sistema simulado bajo características de viento
medidas en la zona sur. Además, se consideran fallas en el enlace DC y en la carga, para el
análisis de robustez. De los resultados se observa como el sistema controlado mantiene
valores de voltaje y corriente requeridos por la carga frente a variaciones de viento, y
también se muestra que el sistema controlado tiene un buen desempeño ante ocurrencia de
fallas eléctricas.
Abstract
The constant innovation and improvement of non-conventional energy sources, have made
wind power is a competitive energy source, so the investigation has made rapid progress in
the size of wind turbines and developing the associated power electronics more efficient.
From the standpoint of energy efficiency, this paper develops a predictive control system in
the power conversion in order to regulate the electric power requirements of the system
according to the present load. The development of predictive control is performed to the
AC/DC/AC converter applied to a wind turbine system with direct coupling. Via simulation
tests the performance of this driver and compared with a conversion topology used for
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conventional systems. We examine the characteristics of simulated system under wind
action in the south. Moreover, they are considered failures in the DC link and load, for the
analysis of robustness. The results obtained show as the controlled system maintains the
values of voltage and current required by the load against wind variations, and also
demonstrates that the controlled system performs well with electrical type failures
occurrence.
Palabras clave: Energía renovable, Generador eólico, Eficiencia energética, Control
predictivo
Keywords: Renewable energy, wind generator, energy efficiency, predictive control
1. Introducción
La constante innovación y mejoramiento de fuentes energéticas no convencionales junto
con la preocupante situación medioambiental a nivel global crean un interesante desafío a
la ingeniería, tanto con sus tradicionales metodologías como también las nuevas
herramientas que se disponen para abordar el tema, lo cual deriva en una aplicación
multidisciplinaria. Por ello, dentro de la amplia gama de fuentes energéticas no
convencionales, ha existido un auge en el estudio de la energía eólica.
Debido a la demostración de la vialidad industrial la energía eólica a incrementado su
popularidad en la actualidad. El uso de esta energía nació de la búsqueda en la
diversificación en el abanico para la generación de energía eléctrica, en conjunto con un
crecimiento de la demanda y una situación geopolítica cada vez más complicada en el
ámbito de los combustibles tradicionales. Así, la energía eólica constituye un suceso
histórico a nivel mundial como la fuente energética de mayor crecimiento, tanto así que
desde 2005 al 2008 las instalaciones a nivel mundial han aumentado al doble. A saber, en el
año 2008, la captación de este tipo de energía alcanzó la suma de 121.188 [MW]. El
mercado para nuevas instalaciones eólicas entre el año 2007 y 2008 presentó un alza del
42% con un incremento de nuevas instalaciones eólicas de 27.261 [MW] en 2008, frente a
los 19.776 [MW] en 2007. Diez años atrás el mercado para nuevos aerogeneradores tuvo un
alza de 2.197 [MW], menos de la décima parte del incremento de 2008, de acuerdo a la
información entregada por la IAEA (International Atomic Energy Agency).
Chile a comienzo del año 2009 cuenta con una capacidad instalada de 20 [MW], lo que
representaba el 0.2% de la energía eléctrica para el país (WWEA 2009), y con respecto a
Latinoamérica, que tiene en total instalados 667 [MW], nuestro país aporta un 3% a esa
cifra, por lo que aún queda mucho por implementar en este tipo de energía. Por otro lado, la
normativa chilena actual establece que a partir del 2010 el 5% de la energía que se
comercializa en el país debe provenir de fuentes renovables, porcentaje que aumenta
progresivamente hasta llegar al 10% en 2024.
Basados en la experiencia y los rangos de crecimiento de años recientes la WWEA (World
Wind Energy Association) estima que el aprovechamiento de la energía eólica continuará
su dinámico desarrollo en los años venideros. Se espera que en el mediano plazo la energía
eólica atraiga más investigadores debido a su bajo riesgo y la necesidad de fuentes
energéticas limpias y renovables. Cada vez más gobiernos entienden los beneficios de la
energía eólica y están creando políticas favorables a su desarrollo, incluyéndose en éstas
promover la investigación descentralizada por productores de energía independientes, la
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pequeña y mediana empresa y proyectos de comunidades, lo que permitirá manejar
sistemas sustentables de energía en el futuro.
A través de los años el mejoramiento de la tecnología aplicada al aprovechamiento de la
energía eólica ha dado significativos avances, tanto así que la hacen una fuente energética
competitiva frente a las ya conocidas fuentes energéticas para generar electricidad. Este
grado de competitividad de la energía eólica se debe a que ha sido un punto focal en la
investigación de fuentes energéticas renovables, sumado también al rápido avance en el
tamaño de los generadores eólicos y el desarrollo de la electrónica de potencia en su
aplicación de la extracción de este tipo de energía (Baroudi et al., 2007).
Siguiendo la línea del mejoramiento de la eficiencia de los sistemas eólicos, el presente
trabajo propone un sistema de control predictivo en la etapa de conversión de potencia con
el fin de regular la potencia eléctrica que provee la turbina hacia la interface eléctrica. Esta
potencia eléctrica a su vez está sincronizada según los requerimientos de corriente hacia el
suministro eléctrico, el cual es modelado como una carga de tipo resistiva – inductiva.
Para mejorar la eficiencia en la captación de energía se elige una turbina de velocidad de
operación variable, pues ésta capta mayor energía del viento que una turbina de velocidad
de operación fija, reduce las fluctuaciones de potencia y regula el suministro de potencia
reactiva (Kim et al., 2007). Dentro de las turbinas de velocidad de operación variable, se
considera el acople turbina-generador directo, ya que hay una mejor transmisión de
potencia que evita la pérdida de energía en los engranajes de la caja multiplicadora, además
de suprimir el uso de lubricantes, lo que supone una ventaja en cuanto a la disminución del
ruido emitido, como así también la operación, mantención y vida útil de la turbina (Salinas
et al., 2007).
Como consecuencia, en pos de mejorar este tipo de turbinas, se diseña un sistema de
control predictivo de potencia en la interface eléctrica y se compara su desempeño frente a
topologías eléctricas diseñadas para controles enfocados en la parte mecánica (Salinas et
al., 2007). De este modo se pueden proponer nuevas ideas para futuros desarrollos y
obtener conclusiones sobre las ventajas y desventajas de estos tipos de controladores.
2. Objetivos
Diseñar un sistema de control predictivo en la etapa de conversión AC/DC/AC en un
sistema de generación eólica de acople directo a la turbina.
Específicamente:
Analizar las ventajas y desventajas del sistema de control predictivo desarrollado,
en cuanto al diseño de la estrategia de control sobre la cual se basa el controlador.
Analizar y comparar el sistema de control predictivo propuesto frente a la topología
eléctrica de sistemas convencionales, enfocados principalmente al control mecánico
del sistema.
Obtener el desempeño del sistema de control predictivo bajo distintas condiciones
de viento.
Analizar el comportamiento del sistema de control propuesto frente a perturbaciones
de tipo eléctricas.
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3. Metodología y Caso de estudio
Un aerogenerador es básicamente un generador eléctrico movido por una turbina accionada
por el viento. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en
movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de
transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador
trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Para aportar
energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de
sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente
sincronizada con la frecuencia de la red.
La turbina eólica es el elemento captador de energía en un aerogenerador y está constituido
por aspas o palas, unidas en el buje, donde la energía del viento captada se transforma en
energía de rotación. La acción asociada al viento pasa a través del rotor rozando la
superficie de las aspas, donde las resultantes de presión y de viscosidad del aire dan lugar a
fuerzas de tipo aerodinámico.
El Convertidor de potencia en el generador eólico se compone del generador eléctrico y el
convertidor AC/DC/AC, este último se subdivide en tres etapas; rectificador, DC Link e
inversor.
Los diseños de turbinas eólicas son muy variados, no sólo en términos de apariencia
externa, sino también la configuración de la interface eléctrica y el sistema de control que la
compone. Respecto a la configuración eléctrica de los aerogeneradores, en Baroudi et al.
(2007) hace una reseña de las principales topologías conversoras de potencia mecánica en
eléctrica, clasificándolas según el tipo de generador, el tipo de semiconductores usados en
la etapa rectificadora e inversora y la conexión que existe entre el generador y la carga. La
configuración del convertidor básica se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Esquema básico del convertidor de potencia y de control
Para análisis de la factibilidad técnica el software MATLAB ofrece un amplio abanico de
herramientas para soluciones de tipo ingenieril. Bajo la plataforma de SIMULINK se
obtiene un poderoso entorno de simulación en el cual es posible ver en detalle el
comportamiento del sistema.
En Villablanca et al. (2006) se desarrolló un simulador para un aerogenerador, el cual
considera un modelo de generador eólico para el análisis dinámico acoplado directamente
al sistemas de potencia bajo la plataforma de simulación PSCAD/EMTDC, aquí se realiza
la simulación de un aerogenerador de acople directo modelo E-70 de la empresa alemana
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Enercon. Del mismo modo, el trabajo realizado por Kim et al. (2007), consiste en el modelo
y análisis de un aerogenerador de acople directo, se muestra el modelado dinámico del
viento, de la turbina eólica, del generador, las fuerzas dinámicas asociadas y un sistema de
control de potencia, que son la base para el desarrollo del trabajo.
Las estrategias de control automático para aerogeneradores se enfocan hacia el control de
captación de viento y el control de disparo de los elementos semiconductores en la interface
de potencia. En Salinas et al. (2007), se presenta un sistema de control de pitch de un
aerogenerador, consta de un controlador PID para controlar el ángulo pitch, dependiendo de
la potencia eléctrica requerida, asegurando así la cantidad de potencia necesaria para la
carga modelada.
Por otro lado, en Rodríguez et al. (2005) presenta un sistema de control predictivo de
potencia de un convertidor AC/DC/AC sobre cada una de las etapas del convertidor,
enfocándose principalmente en los requerimientos de corriente y potencia en la carga.
Previo al control de corriente, para asegurar una tensión constante hacia el inversor, se
controla el voltaje DC del capacitor, manteniéndolo de manera continua y en un rango de
referencia que asegure el correcto funcionamiento del control de corriente en la carga. De
este modo, para asegurar una potencia definida hacia la carga, se controla el sistema de
disparo del rectificador en modo de frente activo trifásico, el funcionamiento detallado del
sistema de control del rectificador se presenta en Rodríguez et al. (2008). Del mismo modo
para examinar de manera extendida el control de corriente en la etapa inversora, en Cortés
et al. (2008) se analiza un diseño de control predictivo de corriente de carga bajo un
espectro de frecuencias definido.
3.1. Modelo de la turbina eólica
Este trabajo se basa en las características del aerogenerador de la Empresa Alemana
Enercon, Modelo E-70 con acople directo turbina–generador, ver Tabla1.
Tabla 1. Características del Aerogenerador Enercon E- 70
CARACTERÍSTICAS DATOS
Fabricante / Modelo
Potencia Nominal
Velocidad de Viento Nominal
Rango de Velocidad de Viento
Diámetro del Rotor
Área de Barrido
Altura del Buje
Generador
Conexión a Red
Enercon / E-70
2000 [kW]
13.5 [m/s]
2.5 – 34 [m/s]
71 [m]
3959 [m2]
64 – 133 [m]
Síncrono de 80 polos
Inversor
Las relaciones mecánicas del aerogenerador son las siguientes:
La potencia de una masa de aire en una
turbina eólica 31
2A A WP A V
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la velocidad específica (λ) m
W
W R
V
La potencia captada por una turbina eólica 31
( , )2
m W PP A V C
Coeficiente de Potencia (CP) definida en
(Villablanca et al., 2006) 5
121 3 4 6
1
( , )
C
P
CC C C C e C
en donde:
3
1
1 1 0.035
0.08 1
El torque mecánico en el rotor de la turbina
(Tm) 31( , )
2W P
m
m
A V C
TW
Siendo PA: Potencia de una masa de aire [W], AA: Área que atraviesa el flujo de aire. [m2],
ρ: Densidad del Aire [kg/m3], Vw: Velocidad del viento [m/s], R: Radio del Rotor [m], Pm:
Potencia captada por la turbina [W], A: Área de barrido de las aspas. [m2], y β: Ángulo
Pitch [º]. Los coeficientes C1 al C6 son, respectivamente (Salinas et al., 2007): C1 = 0.5176;
C2 = 116; C3 = 0.4; C4 = 5; C5 = 21; C6 = 0.0068.
De manera más ilustrativa en la Figura 2 se muestra el diagrama de bloques.
Figura 2. Modelo de la turbina eólica en diagrama de bloques
3.2. Modelo del convertidor AC/DC/AC
Para el convertidor AC/DC/AC se usa un rectificador de frente activo (active front-end
rectifier, AFEs), ya que permite un flujo bidireccional de potencia, mediante Control
Directo de Potencia (Direct Power Control, DPC), donde las potencias activa y reactiva son
estimadas usando las medidas de corriente muestreadas para la carga; y el voltaje en la
etapa DC es regulado controlando las corrientes de entrada o la entrada de potencia
(Rodríguez et. al. 2005). La función de calidad evalúa el error de la entrada de potencia
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activa y reactiva para el rectificador. Para efectos de cálculos y deducción del sistema de
control predictivo, conviene representar el generador como una fuente trifásica con
impedancia externa.
Las ecuaciones dinámicas de los sistemas eléctricos se resumen de la siguiente forma:
La dinámica de la corriente de entrada al rectificador
en coordenadas estacionarias α-β s s
dL R
dt s
s afe s
iv v i
en donde:
dcVafe afe
v S
El vector de estado del rectificador (S1, S2 y S3
representan los estados del rectificador) 2
1 2 3
2( )
3S aS a S afeS
El vector de corriente de entrada is en relación a las
corrientes de fase de entrada 22
( )3
s sa sb sci i ai a i
El vector de voltaje del generador vs siendo vsan, vsbn
y vscn el voltaje de fase a neutral 22( )
3san sbn scnv av a v sv
en donde:
2
3j
a e
Donde Ls y Rs corresponde a la inductancia y resistencia equivalente del generador
respectivamente, is el vector de corriente del generador, vs es el voltaje del generador, vafe
es el voltaje generado por el rectificador, Vdc el voltaje en el capacitor (Rodríguez et al.,
2005).
La dinámica de la carga RL - inversor
l l
dR L
dt l
inv l
iv i
en donde:
El vector de estado del inversor (S1, S2 y S3
representan los estados del rectificador) 2
4 5 6
2( )
3S aS a S invS
El vector de corriente de la carga
Donde vinv es el voltaje generado por el inversor e il es la corriente de carga. Rl y Ll son la
son la resistencia e inductancia de carga, respectivamente.
3.3. Sistema de control del convertidor AC/DC/AC
El sistema de control del convertidor AC/DC/AC debe básicamente tomar la potencia desde
el generador y enviarla a la carga. En casos ideales, la entrada y salida de potencia debería
60
ser iguales y no debería ser necesario tener elementos de almacenamiento de energía. No
obstante, en sistemas reales las diferencias de potencias entre la entrada y salida de potencia
son inevitables, en este caso estas diferencias son absorbidas por el capacitor en la etapa
Link DC, y estas fluctuaciones del capacitor DC son representadas por: dc in loadP P P ,
considerándose Pdc como la potencia en el capacitor, Pin como la potencia de entrada y Pload,
la potencia requerida por la carga.
El propósito del control en el rectificador es regular el voltaje DC, para ello se propone el
control predictivo con función de calidad gafe a minimizar: * *
afe in in in ing Q Q P P , en
donde P*in y Q*in son las entradas requeridas de potencia activa y reactiva respectivamente
y Pin y Qin son las entradas de potencia activa y reactiva predichas, las que dependen del
estado de conducción de . Además, es requerido que las corrientes de entrada
sinusoidales estén en fase con sus respectivos voltajes, así la referencia de potencia reactiva
de entrada, Q*in, debe ser cero. Por otro lado el voltaje DC es regulado controlando la
potencia de entrada P*in, el que puede ser separado en dos términos: * * *
in load dcP P P , donde
P*load es la potencia activa instantánea requerida por la carga, y P*dc es la potencia activa
requerida por el capacitor DC para alcanzar el voltaje de referencia, V*dc. En estado estable
P*load es el término más importante, mientras que P*dc es más relevante en transiente y en la
compensación de pérdidas no consideradas en el modelo. Bajo estas consideraciones, la
estructura final de gafe es: * *
afe in load DC ing Q P P P .
Figura 3. Esquema de control propuesto para el convertidor AC/DC/AC
61
Las relaciones del modelo de predicción se tienen:
La corriente predicha generada 1
( 1) ( ) ( 1) ( 1)s s s s afe s s
s s s
k L k T k T kR T L
i i v v
La potencia activa predicha ( 1) Re{ ( 1) ( 1)}in s s s sP k k k v i v i
s sv i
La potencia reactiva predicha ( 1) Im{ ( 1) ( 1)}in s s s sQ k k k v i v i
s sv i
En donde, Rs y Ls corresponden a la resistencia e inductancia equivalentes del generador
síncrono. Para pequeños tiempos de muestreo Ts, se puede asumir que vs(k+1) ≈ vs(k). La
corriente de entrada is(k) es medida directamente en el circuito. vector de voltaje
generado. Note que s
i es el complejo conjugado del vector si .
La función de calidad también necesita una estimación de la potencia activa en la carga.
Ésta fue obtenida usando la referencia de la corriente de carga: *
load lP R * *
l li i .
Para regular el voltaje DC del capacitor se usa un controlador PI, donde su salida
corresponde a la potencia necesitada para compensar el error en el voltaje DC. Esta variable
es nombrada como P*dc. En este caso, la potencia de entrada debe ser igual a la potencia
requerida por la carga más la potencia necesitada en el capacitor DC (Rodríguez et al.,
2005).
El propósito del control de la fase inversora consiste en disponer en la carga un vector de
corriente determinado por el consumo, para ello se dispone de una función de calidad dada
por: * *p p
inv l l l lg i i i i a minimizar. Aquí se considera el error de corriente, de la
referencia y la corriente predicha de carga expresadas en coordenadas ortogonales, donde *
li e *
li son la parte real e imaginaria del vector de referencia de corriente de carga *
li
. Las
variables p
li y p
li son la parte real e imaginaria del vector de corriente predictiva ( 1)li k
.
El predictor de corriente de la carga según
Cortés et al. ( 2008) 1
( 1) ( ) ( 1)l l l s inv
l s l
k L k T kRT L
i i v
Donde Rl es la resistencia de carga, Ll el valor de inductancia de la carga RL y Ts el tiempo
de muestreo.
4. Resultados y Conclusiones
4.1. Resultados
En este apartado se muestra el comportamiento del sistema de control propuesto, donde se
prueba en un aerogenerador de 2 [MW] a una velocidad nominal de 13.5 [m/s]. Más
detalles acerca del experimento se muestran en la ¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.. El análisis del sistema bajo condiciones normales de operación, es decir bajo
62
un viento constante, la turbina eólica genera su potencia de trabajo nominal (2 [MW] a un
viento de 13.5 [m/s]).
Tabla 2. Valores nominales de prueba para el sistema de control
Variable Valor
Potencia Nominal de entrada
Tiempo de Muestreo
Voltaje de referencia DC (Vdcref)
Modelo de la Carga
Referencia de Corriente de Carga (il*)
2 [MW]
10 [μs]
8 [KV]
1 [MW] Max
Senoidal de 100 [A] y 50 [Hz] por fase
a) variables mecánicas del sistema
b) variable eléctricas del sistema
Figura 4. Curvas características del aerogenerador bajo condiciones nominales
Las graficas de la Figura 4 muestran el comportamiento del sistema de control bajo
condiciones nominales. En esta figura se aprecia un transiente aproximadamente de 0.25
[seg], que representa el cambio de estado del sistema. La potencia generada se ajusta de
acuerdo a las condiciones de operación del aerogenerador. En la corriente del condensador
se observa la acción de conmutación del inversor, debido al control predictivo del tipo
discreto. En el comportamiento del voltaje en la carga trifásica se observan los distintos
estados que dan las combinaciones de los semiconductores, dada la carga tipo estrella, esta
señal tiene una frecuencia de 50 [Hz] de acuerdo a las referencias dadas al sistema. Las
señales de corriente en la carga se aprecian simétricas y equilibradas de 100 [A] de
amplitud máxima a 50 [Hz].
La Figura 5 se muestran los resultados ante una falla en la carga, específicamente un
cortocircuito en la fase A, entre el intervalo de tiempo 0.40 – 0.45 [seg]. En éstas, el
sistema controlado no presenta ningún cambio en la tensión del condensador, es decir en la
63
etapa Link DC. Por lo cual, al no verse afectada esta etapa las variables mecánicas y
eléctricas del generador no sufren cambios. Al lado izquierdo, se muestra la tensión de la
fase A de la carga donde ocurre el cortocircuito. Al lado derecho, la corriente en la carga no
presenta cambios indeseados, lo que demuestra el correcto funcionamiento y robustez del
sistema de control propuesto.
a) Tensión en la fase A de la carga b) Corriente en la carga durante la falla
Figura 5. Curvas características de la carga bajo condición de falla
4.2. Conclusiones
El trabajo desarrollado muestra el desempeño del sistema de control predictivo de potencia,
donde el comportamiento fue el esperado. Sin embargo, la principal ventaja de este sistema
de control es la facilidad con que se pueden incluir las no linealidades del sistema y se
pueden controlar diferentes variables (multivariable).
La principal característica que se observa en este tipo de control es que su referencia
principal corresponde a los requerimientos de potencia en la carga, tomando así la cantidad
requerida de potencia a la interface mecánica, generando así un suministro de potencia
hasta cierto punto independiente de la potencia captada por el generador eólico. Esto tiene
ciertas ventajas y desventajas, pues en el caso de una carga constante en el tiempo esto
puede significar un desaprovechamiento de la energía captada por la turbina, pero la
principal ventaja es el mantenimiento constante de la energía, liberada de ruido y cambios
abruptos de potencia.
El sistema de control propuesto presenta un desempeño robusto frente a variaciones de tipo
mecánicas. Esto se debe principalmente a la estabilización y control en la etapa DC, donde
se logra una tensión y potencia constante a través de la señal de control PI que es procesada
y ejecutada a través del control de switcheo AFE del rectificador. El comportamiento de la
corriente en la etapa DC es un reflejo o causa de los requerimientos de control de corriente
en la carga, los cuales son controlados de acuerdo a una señal de referencia en los
switcheos del inversor.
En el control del inversor se ve un seguimiento óptimo de la referencia de corriente pues al
analizar a través de su espectro de frecuencias, se observa una señal concentrada y de baja
distorsión armónica comparada frente a su símil de corriente no controlada.
Frente a fallas de tipo eléctricas, en el caso de una falla en la carga, se ve que el sistema
responde, ya que la corriente en la carga no se ve afectada de manera abrupta. La única
señal afectada en este tipo de falla fue la tensión en la carga, pero ésta no estaba siendo
controlada.
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Correspondencia:
M. Sc. Nelson Aros Oñate.
e-mail: [email protected]
Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración
Universidad de La Frontera
Temuco – Chile Teléfono: 0056.45. 32 55 47
Fax: 0056.45. 32 55 50
