Una Introducción a los Sistemas de Generación Eólica · Caja Multiplicadora Buje Pala Viento. Dr. Oscar Carranza Castillo . 3 . Perfil del Viento . ... Multiplicadora GS Red Eléctrica

Una Introducción a los Sistemas de Generación Eólica

Dr. Oscar Carranza Castillo

1

5 de abril de 2013

Introducción

Auge de las Energías Renovables para la obtención de Energía Eléctrica Alto Costo de los Combustibles Fósiles Fuentes Alternativas de Energía

Energía Eólica Estudios de Lugares donde es viable

colocar Aerogeneradores.

2 Dr. Oscar Carranza Castillo

Sistemas de Generación Eólica

Aerogenerador Turbina Eólica Generador Eléctrico

Aerogenerador Baja Potencia < 10 kW Mediana Potencia 10 kW

hasta 1 MG Alta Potencia > 1 MW

GeneradorEléctrico

Torre

Góndola

Caja Multiplicadora

Buje

Pala

Viento


Perfil del Viento


Distribución del Viento


Energía y Potencia del Viento

Energía del Viento

Potencia del aire en movimiento

Flujo de masa del aire por segundo

Área que barren las palas de la turbina


Energía y Potencia del Viento

Ecuación de continuidad del flujo de aire

El viento al pasar por la turbina se frena, saliendo a una velocidad

menor, pero siempre distinta de cero

Ley de Betz → solo se puede convertir el 59.25% de la energía

cinética del viento en energía mecánica.

Límite de Betz

Potencia en la turbina


Coeficiente de Potencia Cp (λ,β)

Límite de Betz


Torque y Coeficiente de Potencia

Torque en el eje de la turbina eólica


Potencia en la turbina


Potencia del Sistema de Generación Eólica

Región I: Turbina detenida

Región II: Extracción de

Máxima Potencia Región III: Limitación de

Potencia Región IV: Turbina

Detenida


Estrategia de Control del Sistema de Generación Eólica

Velocidad fija, Pitch fijo. Regulación pasiva Velocidad fija, Pitch variable. Control del ángulo de paso

(pitch angle control) y control de parada activa (active stall) Velocidad variable, Pitch fijo. Regulación pasiva y Punto de

operación (Cpmax)

Velocidad variable, Pitch variable. Control del ángulo de paso y control de parada activa Dr. Oscar Carranza Castillo

Modelo del Sistema Mecánico


Generador Eléctrico

Tipos de generadores

Generador de inducción (GI) Generador de inducción de doble bobinado (GIDB) Generador síncrono (GS) Generador síncrono de imanes permanentes (GSIP)


Generador Eléctrico

El voltaje y la frecuencia del generador depende de la velocidad del viento

Características del GSIP



Generador de Inducción

GIMultiplicadora RedEléctrica

Condensadores de compensación

GIMultiplicadora

Inversor

RedEléctrica

Rectificador

DC-Link

Generador de inducción de doble bobinado

GIDBMultiplicadora RedEléctrica

InversorRectificador

DC-Link

GIDBMultiplicadora RedEléctrica


DC-Link



Generador síncrono Generador Síncrono de Imanes Permanentes

GSMultiplicadora RedEléctrica

AC


DC-Link

DC

GSIP

Inversor

RedEléctrica

Rectificador

DC-Link

GSIP

Inversor

RedEléctrica

Rectificador

DC-LinkDC/DC

GSIP

Inversor

RedEléctrica

Rectificador

DC-Link


Convertidores en SGE con GSIP

Convertidores AC/DC

Rectificador No Controlado

Rectificador Boost

Rectificador Buck-Boost

Rectificador Controlado

Rectificador Boost

𝐷𝐷1 𝐷𝐷2 𝐷𝐷3


GSIP

Inversor

RedEléctrica

DC-Link

RectificadorNo controlado

𝐶𝐶0 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖

Convertidor Boost

18

100 101 102 103 104-180

-135

-90

-45

0Fa

se (g

rado

s)

Frecuencia (Hz)

-60

-40

-20

0

20

Frecuencia (Hz): 5000Magnitud (dB): -43.4

Mag

nitu

d (d

B)

Rectificador Boost Trifásico Con filtro de entrada LCL

19

Generador Síncrono

De Imanes Permanentes Inductor Boost

Condensadores para el Filtro de entrada

Considerando solo dos fases

Estructuras de Control del Sistema de Generación Eólica

20

Inductor Boost

Condensadores para el Filtro de

entrada



𝐶𝐶0 𝑉𝑉0

𝐷𝐷𝐵𝐵

𝑅𝑅𝐿𝐿𝑎𝑎

𝑅𝑅𝐿𝐿𝐿𝐿


𝐿𝐿𝑎𝑎

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐶𝐶1 𝐶𝐶2 𝐶𝐶3

𝑉𝑉0

Vo

InversorMonofásico

Vo𝑉𝑉0

𝑉𝑉𝑎𝑎

𝑉𝑉𝐿𝐿

𝐼𝐼𝑎𝑎

𝐼𝐼𝐿𝐿 GSIP

+ −

+

−

MPPT

+ − 𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

𝜔𝜔𝑚𝑚

𝐼𝐼𝐿𝐿𝑐𝑐𝑖𝑖𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐 Control de Velocidad

Control de Corriente(Torque)

Estructura de Control de Velocidad

Modelo del Rectificador Boost Trifásico Con filtro de entrada LCL

21

Generador SíncronoDe Imanes Permanentes Inductor Boost




𝐶𝐶0 𝑉𝑉0

𝐷𝐷𝐵𝐵 𝐼𝐼0 𝐼𝐼𝐿𝐿

𝑟𝑟𝑠𝑠 𝐷𝐷

𝑉𝑉𝐴𝐴

𝑉𝑉𝐵𝐵

𝑉𝑉𝐶𝐶

𝑅𝑅𝐿𝐿𝑔𝑔𝑎𝑎

𝑅𝑅𝐿𝐿𝑔𝑔𝐿𝐿


𝐿𝐿𝑔𝑔𝑎𝑎

𝐿𝐿𝑔𝑔𝐿𝐿





𝐿𝐿𝑎𝑎

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿


𝑆𝑆

𝑅𝑅𝐿𝐿𝑔𝑔𝑎𝑎 𝐿𝐿𝑔𝑔𝑎𝑎

C

A

P

Parámetros

Relación de la corriente del inductor boost en función del ciclo de trabajo

22

-20-10

01020304050

Mag

nitu

d (d

B)10-1 100 101 102 103 104 105-90

-45

0

45

90

Fase

(gra

dos)

Frecuencia (Hz)

150 rpm300 rpm450 rpm600 rpm

-30-20-10

01020304050

Mag

nitu

d (d

B)

100 101 102 103 104 105-450-360-270-180-90

090

Fase

(gra

dos)

Frecuencia (Hz)

mc=1mc=2mc=3mc=4mc=5

Control Modo Corriente Pico

23

ETAPA DE POTENCIA

Estable

Inestable

200 300 400 500 6003

4

5

6

7

8

Velocidades del generador [rpm]

Índi

ce d

e M

odul

ació

n (m

c)


24





𝐶𝐶0 𝑉𝑉0

𝐷𝐷𝐵𝐵 𝐼𝐼0

𝑉𝑉𝐴𝐴

𝑉𝑉𝐵𝐵

𝑉𝑉𝐶𝐶










𝐿𝐿𝑎𝑎

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿



𝐼𝐼𝐿𝐿

𝑅𝑅𝑖𝑖

Driver𝑆𝑆𝑖𝑖

+ +

Generador 𝑆𝑆𝑟𝑟 de

RTCTRAMPEAOUTNIINVSSILIM

OUTVC

VCCGND

CLK

UC3823A

𝐼𝐼𝐿𝐿𝑐𝑐𝑖𝑖𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐

-30-20-10

0102030

Mag

nitu

d (d

B)

100 101 102 103 104 105-180

-90

0

90

Fase

(gra

dos)

Frecuencia (Hz)

150 rpm300 rpm450 rpm600 rpm

Control Modo Corriente Media Sensado en el inductor de potencia

25





𝐶𝐶0 𝑉𝑉0


𝑉𝑉𝐴𝐴

𝑉𝑉𝐵𝐵

𝑉𝑉𝐶𝐶










𝐿𝐿𝑎𝑎

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿



𝐼𝐼𝐿𝐿

𝑅𝑅𝑖𝑖

𝑟𝑟𝑠𝑠 𝑆𝑆𝑟𝑟

+ + −

𝐺𝐺𝑠𝑠𝑖𝑖(𝑠𝑠)

ComparadorPWM

−

𝑉𝑉𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 Driver


Estimador empleando Filtro Lineal de Kalman

26

Inductor Boost




𝐶𝐶0 𝑉𝑉0

𝐷𝐷𝐵𝐵




𝐿𝐿𝑎𝑎

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿


𝑉𝑉0

Vo

InversorMonofásico

Vo𝑉𝑉0

+

-

𝑉𝑉𝑎𝑎

𝑉𝑉𝐿𝐿

𝑉𝑉𝐿𝐿

Estimador LKF 𝜔𝜔𝑟𝑟 𝜔𝜔𝑚𝑚𝑟𝑟

2/𝑖𝑖𝑝𝑝 a𝐿𝐿𝐿𝐿

𝛼𝛼𝛼𝛼

𝑉𝑉𝛼𝛼 𝑉𝑉𝛼𝛼

GSIP

Lazo de Velocidad

27

1𝐽𝐽𝑠𝑠

𝑇𝑇�𝑚𝑚�𝑣𝑣�𝜔𝜔=0 𝑇𝑇�𝑚𝑚�𝜔𝜔�=0 𝑣𝑣�𝜔𝜔

𝜔𝜔�𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝐺𝐺𝜔𝜔

𝑖𝑖�̂�𝑔𝑖𝑖̂𝐿𝐿

𝑇𝑇𝜔𝜔(𝑠𝑠)

𝑖𝑖�̂�𝑔 𝑇𝑇𝑟𝑟�𝑖𝑖𝑔𝑔�

𝐾𝐾

𝜔𝜔�𝑚𝑚

𝑅𝑅𝑖𝑖

𝐹𝐹𝑃𝑃

+ −

�̂�𝑑

𝑖𝑖�̂�𝐿𝑐𝑐𝑖𝑖𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐺𝐺𝑖𝑖𝑑𝑑 (𝑠𝑠)

𝑇𝑇𝑖𝑖𝐿𝐿(𝑠𝑠)

𝐻𝐻𝑟𝑟(𝑠𝑠)

+ −

+ −

+

𝑇𝑇�𝑚𝑚

+

LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE

𝑖𝑖�̂�𝐿

𝜔𝜔�𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝐺𝐺𝜔𝜔

𝑖𝑖�̂�𝑔𝑖𝑖̂𝐿𝐿

𝑇𝑇𝜔𝜔(𝑠𝑠)

𝑖𝑖�̂�𝑔

𝐾𝐾

𝜔𝜔�𝑚𝑚

𝑖𝑖�̂�𝐿𝑐𝑐𝑖𝑖𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐺𝐺𝑖𝑖𝐿𝐿(𝑠𝑠)

+ −

𝑖𝑖�̂�𝐿 𝐺𝐺𝜔𝜔𝑔𝑔(𝑠𝑠)

Frecuencia (Hz)10-2 10-1 100 101 102 103-270

-225-180-135-90-45

0

Fase

(gra

dos)

-100

-50

0

50

Mag

nitu

d (d

B)

𝜆𝜆 = 4 𝜆𝜆 = 5 𝜆𝜆 = 6 𝜆𝜆 = 7

Algoritmo de Búsqueda del Punto de Máxima Potencia del SGE

28

𝜔𝜔�𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

𝜔𝜔�𝑚𝑚 𝑃𝑃�𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐𝜔𝜔�𝑚𝑚

𝑃𝑃�𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇

𝜔𝜔�𝑚𝑚𝜔𝜔�𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

𝐼𝐼𝑖𝑖𝑖𝑖𝐿𝐿𝑖𝑖𝑎𝑎𝐿𝐿𝑖𝑖ó𝑖𝑖

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖 − 1) = 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖)

𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝑖𝑖 − 1) = 𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖)

∆𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = ∆𝜔𝜔𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑠𝑠𝑖𝑖𝑔𝑔𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖 − 1) = 1

𝐼𝐼𝑖𝑖𝑖𝑖𝐿𝐿𝑖𝑖𝑐𝑐

∆𝑐𝑐 > 𝑐𝑐𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇

𝐶𝐶𝑎𝑎𝑐𝑐𝐿𝐿𝑜𝑜𝑐𝑐𝑎𝑎𝑟𝑟

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖) ∆𝑐𝑐 = 0

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖) ≥ 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖 − 1)

𝑠𝑠𝑖𝑖𝑔𝑔𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖) = 𝑠𝑠𝑖𝑖𝑔𝑔𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖 − 1)

𝑠𝑠𝑖𝑖𝑔𝑔𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖) = −𝑠𝑠𝑖𝑖𝑔𝑔𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖 − 1)

𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝑖𝑖) = 𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝑖𝑖 − 1) + �𝑠𝑠𝑖𝑖𝑔𝑔𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖) ∙ ∆𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 �

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖 − 1) = 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 (𝑖𝑖)

𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝑖𝑖 − 1) = 𝜔𝜔𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 (𝑖𝑖)

0 2 4 6 8 10 12-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

Tiempo [s]

Pote

ncia

[W]

𝜆𝜆 = 4

𝜆𝜆 = 5

𝜆𝜆 = 6 𝜆𝜆 = 6.5

𝜆𝜆 = 3.5

𝜆𝜆 = 4.5

𝜆𝜆 = 5.5

Sistema de Generación Eólica Experimental

29

GSIPMI

Variador de

frecuencia

Emulador de Aerogenerador

Velocidad

Encoder

Inductor Boost

Condensadores para el

Filtro de entrada



𝐶𝐶0 𝑉𝑉0






𝐿𝐿𝑎𝑎

𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿


𝐼𝐼𝐿𝐿

𝑅𝑅𝑖𝑖

Driver

𝑆𝑆𝑖𝑖 + +

Generador 𝑆𝑆𝑟𝑟 de

RTCTRAMPEAOUTNIINVSSILIM

OUTVC

VCCGND

CLK

UC3823A

Vo

InversorMonofásico

Vo

𝐿𝐿𝑖𝑖𝑖𝑖𝑣𝑣 𝐿𝐿𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑

𝑅𝑅𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑

𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑

𝑅𝑅𝑟𝑟𝑑𝑑 𝑉𝑉0

+

-

DSP TMS320F28335


𝐼𝐼𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑

𝐼𝐼𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑

𝑉𝑉𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑

𝑉𝑉0

Lazo deVelocidad

EstimadorLKF

Modelo de la Turbina eólica

𝑉𝑉𝐿𝐿𝐿𝐿

𝑉𝑉𝑎𝑎𝐿𝐿

𝑉𝑉𝐿𝐿𝐿𝐿

Velocidad delvariador

VelocidadEstimada

𝐼𝐼𝐿𝐿 𝐼𝐼𝑎𝑎

𝐼𝐼𝑎𝑎

𝐼𝐼𝐿𝐿 MPPT

𝑇𝑇𝑟𝑟 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 Velocidad de referencia

Encoder

Encoder

𝑉𝑉𝑎𝑎𝐿𝐿

Sincronización con la Red EléctricaControl de la Corriente que se

inyecta a la Red EléctricaControl del Voltaje de la

DC-Link

Prototipo Experimental

30

0 10 20 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Espectro Armónico de la corriente a la salida

del generador

Orden del Armónico

Cor

rien

te (A

)

Control Modo Corriente Pico Resultados Experimentales

31

Velocidad de 450 rpm y Potencia de 2 kW

150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

500

1000

1500

2000

2500

Velocidad del generador [rpm]

Pote

ncia

[W]

150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

0.5

1

Velocidad del Generador [rpm]Fa

ctor

de

Pote

ncia

THDi

0

5

10

15

20

25

THD

i [%

]

Rango de velocidades en el que trabaja el SGE

Potencia Máxima del Generador

Estimador de Velocidad empleando LKF Resultados Experimentales

32

(a) (b)

(c) (d)

(a) (b)

(c) (d)

Lazo de Velocidad Respuesta Experimental

33

(a) (b)

(b)(a)

(a) (b)

(c) (d)

THDi = 12.1 %THDi = 8.24 %

THDi = 7.61 %THDi = 5.41 %

Sistema de Generación Eólica Experimental

34

(a)

150 200 250 300 350 400 450 5000200400600800

1000120014001600180020002200

Pote

ncia

[W]

velocidad del generador [rpm]

𝑉𝑉𝜔𝜔 = 6 𝑚𝑚 𝑠𝑠⁄


150 200 250 300 350 400 450 5000200400600800

100012001400160018002000

Pote

ncia

[W

]

velocidad del generador [rpm]



Muchas Gracias


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