Emulador de turbina eólica.
Sector de la técnica
Primer sector: Electrónica de potencia.
Segundo sector: Emulador para turbinas eólicas.
Estado de la técnica
Cuando se realiza el diseño de un convertidor electrónico de potencia para una aplicación eólica, después de realizar las simulaciones oportunas, es necesario hacer pruebas experimentales de laboratorio, antes de hacer las pruebas finales de campo empleando una turbina eólica. En la fase intermedia de pruebas de laboratorio, se necesita algún tipo de sistema que emule el funcionamiento de la turbina eólica. Los diseñadores de accionamientos para turbinas eólicas, suelen emplear motores de corriente continua, de inducción de jaula de ardilla o de imanes permanentes. En todos los casos, se controla el motor para que su comportamiento reproduzca las curvas de potencia de la turbina eólica. Para ello se emplea un control basado en microprocesador, que toma como variables de entrada la velocidad el viento y la velocidad de giro de la turbina, y, a partir de ellas, establece la referencia de par del motor que emula a la turbina.
El estado de la técnica de los sistemas de emulación es tal que el motor de corriente continua es el más empleado. En [1] se realiza la emulación de la turbina mediante un motor de corriente continua, alimentado por un convertidor AC/DC de tiristores. A partir de la velocidad del giro y de la velocidad del viento, se calcula el par mecánico de la turbina y se introduce como referencia en el controlador del motor de CC, que tiene un sensor de par. En [2] se utiliza un accionamiento comercial de un motor de corriente continua con control de par.
Se almacenan las características de par de una turbina en función de la velocidad del viento, la velocidad de giro y el ángulo de paso. Dicho par es la referencia de par del accionamiento del motor de CC. En [3] el par del motor se estima en función de la corriente medida y se introduce al controlador de par, para emular las curvas de potencia de la turbina.
En los sistemas de emulación se emplean también motores de corriente alterna. En [4] se utiliza un motor de imanes permanentes, controlado vectorialmente para reproducir el par mecánico de la turbina. Para la realimentación se emplea un sensor de par en el eje. El control se realiza mediante PC y los disparos se generan mediante una FPGA. Se tienen en cuenta las variaciones de velocidad del viento desde la parte inferior a la superior del rotor, y la sombra de la torre de la turbina. En [5] se utiliza un motor de inducción como emulador de turbina. A partir de la velocidad del viento y la velocidad de la turbina, se obtiene el par de la turbina, que se introduce como referencia al regulador del motor de inducción.
[1] Shibashis Bhowmik, Rene Spee, Johan H. R. Enslin, Performance Optimization for Doubly Fed Wind Power Generation Systems, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 35, NO. 4, JULY/AUGUST 1999.
[2] M. Chinchilla, S. Arnaltes, J. L. Rodriguez-Amenedo, Laborator y set-up for Wind Turbine Emulation, 2004 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT) .
[3] Mohammad Monfareda, Hossein Madadi Kojabadib, Hasan Rastegara, Static and dynamic wind turbine simulator using a converter controlled de motor, Renewable Energy 33 (2008) 906-913 (Available online at www.sciencedirect.com) .
[4] Dale S. L. Dolan, P. W. Lehn. Real-Time Wind Turbine Emulator Suitable for Power Quality and Dynamic Control Studies, International Conference on Power Systems Transients (IPST'05) . Montreal, Cañada, June 19-23, 2005, Paper No. IPST05-074.
[5] Hossein Madadi Kojabadi, Liuchen Chang, Tobie Boutot, Development of a Novel Wind Turbine Simulator for Wind Energy Conversión Systems Using an Inverter-Controlled Induction Motor, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 19, NO. 3, SEPTEMBER 2004.
Descripción de la invención
El problema que trata de solucionar esta invención se produce en la fase de diseño de los sistemas de control de los generadores de las turbinas eólicas. Las fases del diseño serían, de forma consecutiva, la simulación, las pruebas de laboratorio y las pruebas de campo. Las primeras se realizan mediante ordenador, las segundas utilizan máquinas eléctricas para emular a la turbina eólica y las terceras emplean ya la turbina eólica. En las pruebas de laboratorio se necesita algún elemento que emule el comportamiento de la turbina eólica y, en concreto, sus curvas de potencia (ver Figura 2) . La potencia mecánica de la turbina eólica es función de la velocidad de giro y de la velocidad del viento. Para cada velocidad del viento, la potencia máxima se genera para un valor de velocidad de giro diferente.
La invención trata de dar solución al problema de la emulación de las curvas de potencia mecánica de la turbina, para la realización de ensayos de laboratorio. Consiste en un motor de corriente continua controlado desde el inducido, una resistencia y una fuente de tensión variable, todos ellos conectados en serie (Figura 1) . La variación de la tensión de corriente continua se va a encargar de provocar variaciones similares a las que produce la variación de la velocidad del viento en una turbina eólica.
Las curvas de potencia del motor de corriente continua, para varios valores de la tensión VDC se pueden ver en la Figura 4. Para cada valor de la tensión de corriente continua, hay una curva de potencia mecánica del motor, con una forma similar a las de una turbina eólica. La tensión de alimentación en el emulador se puede considerar equivalente a la velocidad del viento en la turbina real.
La diferencia de nuestra invención respecto del estado de la técnica, consiste en que nuestra invención reproduce la forma de las curvas de potencia de una turbina mediante un emulador en lazo abierto, mientras que los emuladores existentes actualmente trabajan en lazo cerrado. Nuestra invención presenta de forma intrínseca unas curvas de potencia similares a las de una turbina, por lo que no necesita la presencia de un sistema realimentado. La técnica actual utiliza motores de diferentes tipos (corriente continua, jaula de ardilla, imanes permanentes) , que trabajan de forma intrínseca a velocidad constante, y que sólo mediante la introducción de un sistema de control que realimenta el par y la velocidad de giro, consigue reproducir las curvas de potencia de la turbina.
Al trabajar en lazo abierto, nuestra invención es un sistema más sencillo, no presenta problemas de interacción entre los dos lazos de control (emulador de turbina y generador) y es más rápido.
Nuestra invención permite simular, mediante la. variación de la tensión de alimentación VDC, las variaciones de la velocidad del viento (como se puede ver en la Figura 2) y las variaciones del ángulo de paso de las palas (como se puede observar al comparar las gráficas de la Figura 2 y la Figura 3, que tienen una diferencia de ángulo de paso de 5 grados) .
Breve descripción de la invención
La invención consiste en un emulador de turbinas eólicas, para la realización de pruebas de sistemas de control del generador de la turbina en un entorno de laboratorio. Permite emular en lazo abierto las curvas de potencia mecánica de la turbina, ya que para cada tensión de entrada VDC, la curva de potencia en función de la velocidad de giro tiene forma de parábola invertida. Al variar la tensión de entrada VDC se obtienen curvas de potencia parecidas a las de la turbina; cuando la tensión VDC aumenta, el valor máximo de la potencia es mayor y la velocidad de giro a la que se obtiene ese valor máximo es mayor.
La invención consiste en la conexión en serie de los siguientes elementos eléctricos: una fuente de tensión en corriente continua de valor variable, una resistencia de potencia y un motor de corriente continua con excitación independiente.
La característica técnica más novedosa de la invención es la emulación de las curvas de la turbina en lazo abierto, ya que intrínsecamente tiene un comportamiento similar, a diferencia del estado de la técnica, donde la emulación se realiza mediante un sistema de control en lazo cerrado.
Explicación de las figuras
Figura 1. Esquema eléctrico del emulador de la turbina. Consta de: (1) fuente de tensión en corriente continua, que puede ser un rectificador o un convertidor conmutado continua-continua, (2) señal de control de la fuente de tensión en corriente continua, (3) resistencia de potencia y (4) motor de corriente continua con excitación independiente.
Figura 2. Curvas de potencia mecánica de una turbina eólica para un ángulo de paso de 0 grados. En el eje a se representa la velocidad de la turbina en per unit de la velocidad nominal del generador, en el eje b se representa la potencia mecánica de la turbina en per unit de la potencia mecánica nominal. Las curvas se representan para diversos valores de la velocidad del viento.
Figura 3. Curvas de potencia mecánica de una turbina eólica para un ángulo de paso de 5 grados. En el eje a se representa la velocidad de la turbina en per unit de la velocidad nominal del generador, en el eje b se representa la potencia mecánica de la turbina en per unit de la potencia mecánica nominal. Las curvas se representan para diversos valores de la velocidad del viento.
Figura 4. Simulación de las curvas de potencia mecánica del emulador. En el eje a se representa la velocidad del motor de corriente continua en radianes por segundo, en el eje b se representa la potencia mecánica del motor en vatios. Las curvas se representan para diversos valores de la tensión de alimentación en corriente continua.
Figura 5. Simulación de las curvas de potencia mecánica del emulador para diferentes valores de la excitación del motor. En el eje a se representa la velocidad del motor de corriente continua en radianes por segundo, en el eje b se representa la potencia mecánica del motor en vatios. Las curvas se representan para diversos valores de la excitación.
Descripción detallada de la invención
La invención consta de una fuente de tensión continua de magnitud variable, una resistencia de potencia y un motor de corriente continua, todos ellos en serie.
Las ecuaciones eléctricas que rigen el comportamiento del motor de corriente continua son:
donde:
E = f.e.m. del motor
KE = constante de tensión
ω = velocidad del motor
Laf = Inductancia mutua entre el campo y el estator
If = corriente de excitación
TE = par del motor
KT = constante de par
Ia = corriente del inducido.
La potencia del motor es:
La representación gráfica de la ecuación de la potencia del motor, para diversos valores de la tensión VDC, se presenta en la Figura 4, donde se observa la equivalencia con las curvas de la turbina eólica.
La variación del campo magnético, mediante la modificación de la corriente de excitación, provoca la variación del perfil de la curva de potencia (Figura 5) , pero de una forma que no reproduce la variación del nivel de potencia pico debido a la variación de la velocidad del viento o del ángulo de paso. Por ello, su utilidad en la emulación es menor, aunque no nula.
La fuente de tensión continua puede realizarse mediante un rectificador controlado o mediante un convertidor conmutado continua-continua. El objetivo es disponer de una tensión controlada en corriente continua. Si se desea emular una única curva de potencia, para una velocidad del viento constante y un ángulo de paso constante, se puede emplear un rectificador no controlado. La variación de la tensión en corriente continua va a permitir simular las variaciones de la velocidad del viento y del ángulo de paso de las palas. Asociado a la fuente de tensión, habrá algún tipo de memoria o de procesador encargado de introducir las variaciones de tensión de acuerdo a las condiciones de la turbina que se desean simular.
La resistencia debe permitir disipar una potencia de la misma magnitud que el motor de corriente continua, ya que cuando la velocidad del motor es baja, la potencia en dicha resistencia aumenta mucho, tomando el siguiente valor:
El motor de corriente continua deberá tener excitación independiente. Lo más habitual es que la excitación sea constante y el control se realice a través del inducido.
El sistema debe incluir una señal que controle el valor de la tensión en corriente continua VDC. Esta señal puede ser constante, en cuyo caso se va a simular una velocidad del viento constante y un ángulo de las palas constante. Otra posibilidad es que esta señal sea variable, lo que permite simular las variaciones de la velocidad del viento y/o del ángulo de paso. En este caso, lo normal es que la señal proceda de un microprocesador o alguna memoria de tipo electrónico.
Ejemplo de realización de la invención
A continuación se describe un ejemplo de realización de la invención, que incluye los siguientes elementos: rectificador trifásico realizado con tiristores, generador de impulsos para el disparo de los tiristores, resistencia de potencia (6 Ω, 5000 W) , motor de corriente continua de excitación independiente (3700 W, 240 V) , rectificador monofásico (300 Vdc) de diodos para la excitación del motor.
Se deben situar en serie el rectificador trifásico, la resistencia y el motor de corriente continua. Se alimenta la excitación del motor con el rectificador monofásico de diodos. Cuando el rectificador controlado suministra 240 V (tensión nominal del motor) , la potencia mecánica pico del motor es de 1500 W a 120 rad/s. Reduciendo la tensión del rectificador controlado, mediante la variación del ángulo de disparo de los tiristores, se pasa a curvas de inferior potencia.
