Control de un aerogenerador de eje horizontal basado en un generador de inducción doblemente alimentado: Suministro de potencia a la red eléctrica

Abstract

En el presente trabajo se resuelve el problema de controlar un aerogenerador de eje horizontal basado en un generador de inducción doblemente alimentado a través de dos esquemas de control para el despacho seguro de potencia activa y reactiva a la red eléctrica, como se hace típicamente en los sistemas de generación eléctrica convencional. Para ello, se llevó a cabo un análisis detallado de los aspectos constructivos y de operación de este tipo de aerogeneradores. Particularmente, la interacción entre la dinámica de la turbina eólica y la dinámica del generador eléctrico se estudia en términos del impacto de la variabilidad de la velocidad del viento en el proceso de generación y despacho de potencia a la red eléctrica. En un segundo paso, se realiza un análisis de la operación del aerogenerador para la determinación de diferentes zonas seguras de operación cuando se está despachando potencias a la red eléctrica. En específico, se puso énfasis en la seguridad de los devanados del generador eléctrico y la turbina eólica en términos de los límites de calentamiento y límite de velocidad mecánica. Para ello se evaluó la operación del aerogenerador bajo diferentes condiciones de operación, donde se particularizó el impacto que tiene la relación de engranes del subsistema mecánico en el tamaño de las zonas seguras determinadas previamente. Por último, se implementaron dos técnicas de control para el aerogenerador en las zonas seguras de operación determinadas bajo el problema de control de regulación segura de potencia activa y reactiva despachada a la red eléctrica. El primer esquema de control es una estrategia de control clásico tipo PI para las corrientes en el rotor del generador eléctrico y la segunda corresponde a un controlador no lineal diseñado bajo la técnica de control conocida como control basado en pasividad. El objetivo principal de esta evaluación fue la de destacar las ventajas y desventajas de cada una de estas estrategias de control en términos de su implementación y de su prueba formal de estabilidad.

In the present work, the problem of controlling a horizontal axis wind turbine based on a doubly fed induction generator is solved through two control schemes for the safe dispatch of active and reactive power to the electrical grid, as is typically done in the conventional electricity generation systems. To do this, a detailed analysis of the construction and operating aspects of this type of wind turbine was carried out. In particular, the interaction between the dynamics of the wind turbine and the dynamics of the electric generator is studied in terms of the impact of the variability of the wind speed in the process of generation and dispatch of power to the electrical grid. In a second step, an analysis of the wind turbine operation is carried out to determine different safe areas of operation when power is being dispatched to the electrical grid. Specifically, emphasis was placed on the safety of the electric generator and wind turbine windings in terms of heating limits and mechanical speed limit. For this, the operation of the wind turbine was evaluated under different operating conditions, where the impact of the gear ratio of the mechanical subsystem on the size of the previously determined safe zones was specified. Lastly, two control techniques were implemented for the wind turbine in the safe areas of operation determined under the problem of control of safe regulation of active and reactive power dispatched to the electrical grid. The first control scheme is a classical PI-type control strategy for the currents in the electric generator rotor and the second corresponds to a non-linear controller designed under the control technique known as passivity-based control. The main objective of this evaluation was to highlight the advantages and disadvantages of each of these control strategies in terms of their implementation and their formal stability test.