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UNIVERSIDAD DE SALAMANCA FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA GENERAL Y DE LA ATMÓSFERA TESIS DOCTORAL MEJORA DEL RENDIMIENTO DE UN GENERADOR EÓLICO ASÍNCRONO CONECTADO A LA RED, MEDIANTE CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS Y CONTROLADORES DE LÓGICA BORROSA. Autor:Álvarez Munguía Ricardo Director: Dr. Moisés Egido Manzano Salamanca, Año 2008
UNIVERSIDAD DE SALAMANCADEPARTAMENTO DE FÍSICA GENERAL Y DE LA ATMÓSFERA Mejora del rendimiento de un generador eólico asíncrono conectado a la red, mediante convertidores electrónicos y controladores de lógica borrosa. Memoria presentada para optar al Grado de Doctor RICARDO ÁLVAREZ MUNGUÍA Septiembre de 2008
UNIVERSIDAD DE SALAMANCAFACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA GENERAL Y DE LA ATMÓSFERA MOISES EGIDO MANZANO, CATEDRÁTICO Y DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE FÍSICA GENERAL Y DE LA ATMÓSFERA DE LA UNIVERSIDAD DE SALAMANCA CERTIFICO: Que la presente Memoria de Tesis Doctoral,Mejora del rendimiento de un generador eólico asíncrono conectado a la red, mediante convertidores electrónicos y controladores de lógica borrosa,ha sido realizada bajo mi dirección, en el Departamento de Física General y de la Atmósfera de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Salamanca por el Ingeniero IndustrialD. Ricardo Álvarez Munguía. Considero que la citada Memoria, por sus características de originalidad en la elección del tema tratado así como por la metodología empleada en su desarrollo, cumple satisfactoriamente los requisitos de calidad científica exigibles para la obtención del título de Doctor que se pretende. Por ello, autorizo su presentación para ser defendida públicamente. Salamanca, 20 de septiembre de 2008 Fdo.: MOISÉS EGIDO MANZANO
AGRADECIMIENTOS En primer lugar quiero expresar mi agradecimiento al Prof. Dr. D. Moisés Egido Manzano, Director de esta Tesis, por confiar en mí para su realización y por el ánimo que en todo momento me ha dado, incluso en las situaciones difíciles, las pautas y orientaciones que me ha indicado para su realización, así como por todo el material bibliográfico y de ayuda que me ha facilitado. Debo agradecer también a la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León por la concesión de la Licencia por estudios, de carácter anual, para la realización de la última parte de la Tesis durante el curso 2007/2008. También deseo referirme a profesores que me han impartido los cursos de Doctorado en la ETSI Industriales de Madrid y muy especialmente a Carlos Veganzones y Carlos Vega por el interés en hacerme ver la belleza, la importancia y el interés que encierra la Energía Eólica y las Máquinas eléctricas en el desarrollo y progreso de la humanidad y siempre con el máximo respeto del medio ambiente. Y por último un agradecimiento a Isidro Bocanegra (Talleres Bocanegra en Burgos) por la inestimable ayuda para poder desarrollar juntos, con los Técnicos del laboratorio, el prototipo del aerogenerador donde se han obtenido la toma de datos y pruebas oportunas para la realización del cálculo y diseño de las palas.
Por un planeta mejor.
A mis padres y hermanos que tanto cariño les profeso, por el apoyo sin condiciones que siempre he tenido de ellos.
ÍNDICE
Relación de acrónimos y símbolos………………………………………………...
Capítulo 1. Introducción……………………………………………………………. 1.1 Motivación …………………………………………………………………………... 1.2 Normativa …………………………………………………………………………… 1.3 Estado del arte ……………………………………………………………………..... 1.4 Los sistemas de velocidad variable frente a los sistemas de velocidad fija ................ 1.5 Sistemas con generador directamente acoplado a la turbina ….…………………….. 1.6 Tipos de generadores utilizados en sistemas eólicos de velocidad variable ………… 1.7 Características de regulación del sistema ………………………………………........ 1.7.1 convertidor lado del generador ………………………………………............... 1.7.2 Inversor lado de red ....……………………………………………………....... 1.6 Objetivos de la Tesis ……………………………………………………………....... Capítulo 2. Análisis y Estudio de la dinámica de las palas............................ 2.1 La Potencia que posee el viento. Teoría de la cantidad de movimiento. Límite de Betz ………………………………………………………………......................... 2.2 Perfiles Aerodinámicos ……………………………………………………………… 2.2.1 Par y flujo tangencial inducido ………………………………………………... 2.3 Diseño más adecuado al caso práctico de las palas del aerogenerador …………........ 2.3.1 Diseño de las palas delanteras …………………………………………........... 2.3.2 Diseño de las palas traseras …………………………………………………… Capítulo 3. Características del viento y el sistema………………….......... 3.1 Introducción …………………………………………………………………………. 3.2 Curva de distribución de velocidad. Característica de los valores medios. Rosa de los vientos ………………………………………………………………....... 3.3 Variación vertical del viento ………………………………………………………… 3.4 Energía producida por un aerogenerador aislado en terreno llano ………………….. Capítulo 4. Control del aerogenerador………………………………………….. 4.1 Modelado de las magnitudes en fasores espaciales ………………………………….  4.1.1 Transformación de Park ………………………………………………………..  4.1.2 Transformación de Clarke ……………………………………………………... 4.2 Ecuaciones del Sistema ……………………………………………………………… 4.2.1 Ecuación del campo magnético de la máquina asíncrona ……………………... 4.2.2 Ecuación del estator y del rotor de la máquina ……………………………....... 4.2.3 Par desarrollado por la máquina asíncrona ……………………………………. 4.3 Control vectorial …………………………………………………………………...... 4.3.1 Ecuaciones de tensión de la máquina ………………………………………….. 4.3.2 Corrientes magnetizantes del estator y del rotor ………………………….........
I
Pág. i - iv 1 2 2 3 6 7 8 9 9 10 11 13 14 16 16 21 23 24 31 32 32 36 37 41 42 42 43 44 45 47 48 50 50 51
4.3.3Ecuación del par electromagnético ……………………………………………. 4.4 Implementación mediante Matlab/Simulink ……………………………………........ 4.5 Sistema de control. Cálculo de reguladores …………………………………………. 4.5.1 Estructura de los lazos de control de corriente ……………………………....... 4.5.2 Cálculo de los reguladores de intensidad ……………………………………… 4.5.3 Cálculo del regulador de velocidad ……………………………………………. 4.5.4 Cálculo del regulador del par ………………………………………………….. 4.6 Diseño del sistema de control ……………………………………………………….. 4.6.1 Resultados de la simulación del sistema de control …………………………… 4.6.2 Análisis de los resultados ……………………………………………………… 4.7 Seguimiento del punto de máxima potencia ………………………………………… 4.7.1 Simulación del sistema ……………………………………………………....... Capítulo 5. Control del inversor y modulación de los vectores espaciales……………………………………………………................
55 58 63 64 65 69 71 72 74 75 79 84 91 5.1 Estructura de control del inversor …………………………………………………… 92 94 94 97 100 100 104 105 108 110 113 113 116 118 4.4.4 Seguimiento de las consignas de potencia impuestas al inversor conectado a la 119 123 124 124 126 130 130 133 134 139
5.2Cálculo de los reguladores ………………………………………………………....... 5.2.1 Reguladores de corriente ………………………………………………............ 5.2.2 Regulador de tensión del enlace de continua …………………………………. 5.3 Dimensionado del inversor………………………………………………………….. 5.3.1 Límites de funcionamiento del inversor ………………………………………. 5.3.2 Influencia de los parámetros de diseño en el diagrama de límites de funcionamiento del inversor …………………………………………………...  5.3.2.1 Variación de la tensión en la etapa de continua ……………………... 5.3.2.2 Variación de la reactancia de conexión a red ……............................. 5.3.2.3 Influencia de la tensión del transformador de acoplamiento ……….. 5.4 Selección de los elementos para simulación del inversor …………………………... 5.4.1 Selección de la reactancia de conexión a red ………………………………….. 5.4.2 Selección de la tensión en la etapa de continua y de la tensión del lado de BT del transformador de conexión ……………………………………………. 5.4.3 Límites del inversor en función de las componentes de la corriente IdeIq…...
red ……………………………………………………………………………... 5.5 Convertidor de frecuencia …………………………………………………………... 5.5.1 Generación de impulsos de disparo de los convertidores. Modulación vectorial de pulsos (SVM) ……………………………………………………. 5.5.2 Modelo en ejesdqdel convertidor en fuente de tensión ……………………… 5.5.3 Modulación de anchura de pulsos (PWM) mediante modulación vectorial ….. 5.5.4 Frecuencia de muestreo ………………………………………………………. 5.5.5 Obtención del vector tensión de referencia …………………………………… 5.5.6 Cálculo de los tiempos de cada estado ………………………………………... 5.5.7 Secuencia de aplicación de los vectores ……………………………………… 5.5.8 Funcionamiento del convertidor en sobremodulación ………………………..
II
5.5.8.1 Técnica para implementar el funcionamiento del convertidor en sobremodulación …………………………………………………….. 140 5.5.9 Implementación de la técnica de modulación ………………………………… 144 5.5.9.1 Implementación de la técnica para el funcionamiento del convertidor en sobremodulación …………………………………………………. 146 Capítulo 6. Controladores borrosos………………………………………………149 6.1 Conjuntos borrosos ………………………………………………………………….. 150 6.2 Funciones de inclusión de conjuntos borrosos ………………………………….........150 6.3 Definiciones de la lógica borrosa ……………………………………………….........153 6.4. Reglas borrosas ……………………………………………………………………... 153 6.5. Borrosificador (fuzzifier) y desborrosificador (defuzzifier) ……………………….. 154 6.6. Introducción a los sistemas de control borroso ……………………………………... 155 6.7. Proceso del diseño de control borroso general …………………………………….. 156 6.8 Control del seguimiento de la velocidad del generador. (FLC1) …………………... 158 6.9 Control del flujo del generador. (FLC2) …………………………………………… 163 6.10 Control de la velocidad del generador en lazo cerrado (FLC3) …………………… 168 6.11 Coordinación del sistema para los tres controladores borrosos ……………………. 172 6.12 Análisis de las simulaciones ……………………………………………………….. 175 Capítulo 7. Conclusiones finales, aportaciones y sugerencias sobreFuturas líneas de investigación…………………………………….179 7.1 Conclusiones finales y aportaciones ………………………………………………… 180 7.2 Futuras líneas de investigación ……………………………………………………… 182 185 Bibliografía…………………………………………………………………………….. Apéndice A. Parámetros y ensayos de la máquina…………………………...191 A.1 Obtención de parámetros de la máquina ………………………………………......... 192 A.1.1 Ensayo de vacío ………………………………………………………………. 192 A.1.2 Ensayo en cortocircuito ………………………………………………………..195 A.2 Características del par electromagnético en función de la tensión de alimentación y el deslizamiento …………………………………………………………………... 196 A.3 Características eléctricas de la máquina ……………………………………………..198 Apéndice B. Prototipo del aerogenerador……………………………………….199
III
RELACIÓN DE ACRÓNIMOS Y SÍMBOLOSA área barrida por las palas a reducción longitudinal de velocidad respecto al viento incidente (adimensional)aide velocidad axial (adimensional) coeficiente B inducción magnética B número de palas CDcoeficiente de arrastre CLde sustentación Coeficiente Cpde potencia coeficiente Cp,máxcoeficiente de potencia máximo CmCoeficiente del par c cuerda del perfil D diámetro de las palas. E1eficaz de la fuerza electromotriz valor E energía Eof.e.m. de fase del generador en vacío FL fuerza de sustentación FDde arrastre fuerza FVdel viento empuje FC factor de capacidadF(V)función de distribución acumulada o curva de duración del viento x f(V)función de densidad de probabilidadf frecuencia (Hz) fo frecuencia natural fs frecuencia de muestreo g espesor del entrehierro H campo magnético HE horas equivalentes Hgmagnético creado en el entrehierro. campo I1 valor eficaz del primer armónico de la corriente de salida del inversor Ibasebase corriente Is valor eficaz de la corriente por el estator Ir intensidad por el devanado del rotor referido al estator Im intensidad magnetizante Iccde cortocircuito intensidad Iode vacío intensidad Id,q componentes de la corriente de salida del inversor In corriente nominal del generador isd corriente instantánea del estator del ejedisq corriente instantánea del estator del ejeqirdinstantánea del rotor del eje corriente d irqinstantánea del rotor del eje corriente qJ momento de inercia kg ganancia estática del generador krdel regulador ganancia Ki constante de integración del regulador PI Kp constante proporcional del regulador PI l longitud del rotor
i
LmsLmrL LrLlrLlsLsLRedLTma' ma ma2ma3m Mc Me
M
Turb MpMoptmf
inductancia magnetizante del estator inductancia magnetizante del rotor inductancia mutua estator-rotor inductancia propia del rotor inductancia de dispersión del rotor inductancia de dispersión del estator inductancia propia del devanado de una fase del estator inductancia de conexión a la red inductancia de filtrado + inductancia interna del transformador índice de modulación de amplitud índice mapara el ánguloαmíndice de modulación de amplitud en la primera zona de sobremodulación índice de modulación de amplitud en la segunda zona de sobremodulación masa de aire . par de carga (N m) . par eléctrico del generador (N m) Par de la turbina sobreoscilación par óptimo del generador índice de modulación de frecuencia ns velocidad de sincronismo n velocidad giro nominal número de espiras por par de polos. espiras totales número de espiras del rotor número de espiras del estator potencia eléctrica potencia eléctrica en valores por unidad (p.u.) potencia extraída del viento ó cedida al disco potencia que lleva el viento sin perturbarpotencia mecánica pares de polos potencia de pérdidas en el devanado del estator potencia de pérdidas en el devanado del rotor pérdidas en el hierro pérdidas mecánicas por rozamiento y ventilación potencia mecánica interna potencia de vacío potencia de cortocircuito caudal másico potencia reactiva radio de la turbina Radio del rotor resistencia del devanado de una fase del estator resistencia del rotor referida al estatorresistencia de carga referida a estatorresistencia de cortocircuito resistencia del hierro resistencia de los elementos de conexión del convertidor a la red
n NspN NrNsP pPvPv1 Pmp PCu,sPCu,rPFePmecPmiPoPccQmQ R r Rs' Rr ' Rc RccRFeRT
ii