Modelado y control de un aerogenerador conectado a la red mediante un DFIG

La sostenibilidad del planeta es un tema que ha cobrado recientemente un gran impacto en nuestra sociedad. La sostenibilidad se refiere a la capacidad de satisfacer necesidades actuales sin perjudicar las condiciones de vida de generaciones futuras. Y el desarrollo sostenible es un término relacionado con este último, que se refiere al modo de conseguir esa sostenibilidad ambiental y económica. El hecho de que últimamente este tema esté en boca de todos es debido principalmente al crecimiento exponencial de la población. Este crecimiento supone un problema para el equilibrio ambiental, pues no es posible que se utilicen fuentes de energía fósiles para satisfacer todas las necesidades y que se pretenda mantener el planeta en unas condiciones que sean aptas para la vida de cualquier ser vivo. Una de las respuestas a cómo conseguir un desarrollo sostenible es aprovechando las energías renovables. Las energías renovables son fuentes inagotables de energía que no contaminan durante el aprovechamiento de las mismas. Una de estas fuentes de energía es el viento. Este proyecto trata sobre la principal herramienta para aprovechar la energía cinética del viento: los aerogeneradores. Actualmente los aerogeneradores son una tecnología con unas ciertas carencias en cuanto a la producción de energía eléctrica. El carácter aleatorio del viento complica la generación de energía eléctrica eólica, porque provocan situaciones desfavorables para la red de suministro como: picos de potencia y falta de uniformidad. Por ese motivo este trabajo se centra en ese aspecto: el control de un aerogenerador. Para poder realizar un sistema de control de un aerogenerador se utilizará un programa de software profesional como es Matlab. Concretamente se utilizará una herramienta de ese programa: Simulink. Simulink permite tratar señales de forma rápida, sencilla y esquematizada. Con esta herramienta se modelará un aerogenerador de gran potencia (4 MW) y se procederá al estudio de un sistema de control PID. El modelado del aerogenerador que se ha realizado en este proyecto se divide en tres partes: • La turbina eólica: es la parte del aerogenerador encargada de recoger la energía del viento y transmitirla a un generador para la producción de electricidad. • El generador: es necesario un modelado del elemento más importante del aerogenerador, el generador. Con este elemento es posible transformar la energía cinética de la turbina en energía eléctrica. En este trabajo se va a utilizar un tipo especial de generador, el generador asíncrono doblemente alimentado (DFIG). Este generador permite al aerogenerador poder generar electricidad en un amplio rango de velocidades del viento, lo que dota de flexibilidad a la turbina eólica. • El sistema de control: es el objeto de este trabajo, conseguir un sistema de control capaz de manejar las condiciones de funcionamiento del aerogenerador y suavizar la generación de electricidad de forma que sea más fácil para las empresas de generación eléctrica adecuar la oferta a la demanda. La elección de este tipo de generador es porque incorporan un convertidor back to back en el circuito del rotor. Esto permite que la electricidad circule del rotor a la red o viceversa. Este tipo de controlador también permite controlar los parámetros eléctricos de la corriente que circula por el rotor. Por este motivo es posible conectar directamente el estátor a la red, porque independientemente del régimen de giro del rotor (subsíncrono, supersíncrono o síncrono), los parámetros eléctricos del rotor son controlados para generar en el estátor una corriente que posea la tensión y frecuencia propia de la red. Por lo tanto se consigue que el aerogenerador funcione para diferentes valores de velocidad de rotación de la turbina. Pero es necesario controlar ese giro de la turbina mediante dos sistemas: • Control del par del generador: el par del generador se controla en el tramo por debajo de la potencia nominal del aerogenerador. El objetivo de este sistema es seguir una relación óptima entre la velocidad angular de giro del rotor y la velocidad del viento que asegura la máxima extracción de potencia del viento. • Pitch Control: o control del ángulo de ataque de las palas. Este sistema actúa cuando el aerogenerador funciona a su potencia nominal. El objetivo de este sistema es ir aumentando el ángulo de ataque de las palas a medida que aumenta la velocidad del viento. De esa forma el aerogenerador captura la misma potencia del viento a pesar de que la velocidad del viento siga aumentando. Ambos sistemas se han modelizado como funciones de transferencia de primer orden. Que se caracterizan mediante 3 factores: la ganancia; el retraso; y el tiempo de establecimiento del 63%. Como estos sistemas por sí solos no responden correctamente a las solicitaciones del viento es necesario añadir unos controladores a cada uno de los sistemas. Es por ello que se prueba a añadir controladores PI o PID. En el caso del control del par del generador se aprecia que es suficiente con un control PI para que responda correctamente a las variaciones del viento. En cambio, para el Pitch Control se observa que un controlador PID no es el idóneo ya que no es capaz de mantener al aerogenerador en su valor de potencia nominal. Por esta razón es necesario buscar una alternativa de controlador que sea capaz de manejar el problema del Pitch Control. Una posible línea de mejora sería la implantación de un control predictivo por modelo (MPC). Este controlador es capaz de, según los valores de entradas y salidas del pasado, predecir el valor de las señales de salida futura, estimar los errores futuros a partir de ellos y calcular las señales de control necesarias para hacer frente a esos errores. Para concluir, se ha determinado que un control PID para el manejo del Pitch Control del aerogenerador de velocidad variable no es el ideal. Y que una posible línea de investigación y desarrollo es tratar de introducir un control predictivo por modelo y realizar simulaciones para comprobar que es un controlador idóneo para esta labor