Mario García-Sanz. Eduardo Torres

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1 $(52*(1(5$'256Ë1&528/7,32/$5'(9(/2&,'$' 9$5,$%/(<:'(327(1&,$7:7 Mario García-Sanz Departamento de Automática y Computación. Universidad Pública de Navarra. 316 Pamplona, Spain. mgsanz@unavarra.es Eduardo Torres M.Torres, Diseños Industriales, S.A. Ctra. Pamplona-Huesca Km Torres de Elorz, (Navarra), Spain. Web: eduardo.torres@mtorres.es 5HVXPHQ (OSUHVHQWHDUWtFXORGHVFULEHHOQXHYRDHURJHQHUDGRU VtQFURQR PXOWLSRODU GH YHORFLGDG YDULDEOH \ JUDQ SRWHQFLDN:GLVHxDGRSRU7RUUHV[7]. 7UDV YDULRV DxRV GH LQYHVWLJDFLyQ PXOWLGLVFLSOLQDU HO SULPHU SURWRWLSR FRPHQ]y D WUDEDMDU HQ HO SDUTXH HyOLFR GH &DEDQLOODV HQ $JRVWR GH 'HVGH HQWRQFHV VH KDQ UHFRJLGR XQ HOHYDGR FRQMXQWR GH GDWRV SDUD H[WUDHU PRGHORV \ PHMRUDU HO FRPSRUWDPLHQWR ILQDO GH OD PiTXLQD (O GLVHxR \ DMXVWH GH ORV FRQWURODGRUHV GHO VLVWHPD VH KDQ OOHYDGR D FDER PHGLDQWH WpFQLFDV DYDQ]DGDV GH FRQWURO UREXVWR 4)7 GHVDUUROODGDV D SDUWLU GH GLFKRV GDWRV H[SHULPHQWDOHV (O DUWtFXOR PXHVWUD WDPELpQ DOJXQRV GH ORV PiV UHSUHVHQWDWLYRV UHVXOWDGRV GH FRQWURO GHO DHURJHQHUDGRU DQWH FRQGLFLRQHVGHYLHQWRPX\H[WUHPDV 3DODEUDV &ODYH: Grandes Aerogeneradores, Control Robusto QFT, Control de, Generadores multipolares, variable.,1752'8&&,ï1 Tomando como base el conocimiento y la alta capacidad de ingeniería alcanzada en el diseño, desarrollo y fabricación de máquinas avanzadas para el sector aeronáutico y del papel [7], el Grupo M.Torres fundó una nueva división energética en la última década. Tras varios años de investigación multidisciplinar se hizo realidad un nuevo proyecto de aerogenerador: el TWT15. El diseño presenta un concepto tecnológico completamente novedoso. Se trata de un sistema sin multiplicadora (eje directo), de velocidad de rotor variable y con control de ángulo de calado de las palas. Dispone de un generador síncrono multipolar, un doble convertidor electrónico AC-DC-AC en estator, un gran rotor de 72 metros de diámetro, una potencia entregada a red de 15 kw, y una avanzado sistema de control (véase Figura 1). El primer prototipo comenzó a trabajar en el parque eólico de Cabanillas (Navarra) en Agosto de 21. El sistema fue altamente sensorizado y monitorizado. Desde entonces se ha recogido un elevado conjunto de datos reales de toda naturaleza (eléctricos, mecánicos, térmicos, atmosféricos, etc). A partir de los mismos se han calculado modelos matemáticos para diferentes puntos de trabajo del aerogenerador, y ante las condiciones más extremas. Dichos modelos han sido la base de diseño de las avanzadas estrategias de control robusto QFT [3-5], combinadas con esquemas adaptativos, metodología multivariable [2] y elementos predictivos, que han servido para optimizar el comportamiento y aumentar la fiabilidad final del sistema. La segunda sección del artículo resume al diseño mecánico y eléctrico del TWT15. La tercera sección presenta algunas ideas importantes del sistema de control, y la cuarta muestra algunos resultados reales experimentales del comportamiento del aerogenerador ante condiciones extremas de viento. Figura 1. Construcción Aerogenerador TWT15. Parque eólico de Cabanillas, Navarra. (M.Torres)

2 ',6(f2(/(&752(&È1,&2 El diseño mecánico del TWT15 fue previamente optimizado combinando cálculos avanzados de elementos finitos y experimentación real sobre bancos de ensayo a escala real. Se prestó una especial atención a la fatiga mecánica de los materiales, los esfuerzos mecánicos extremos, y las resonancias estructurales de los elementos del sistema. El objetivo principal del diseño fue garantizar la fiabilidad del aerogenerador ante cualquier evento y circunstancia. En segundo término se optimizó también el coste económico total del mismo. Las figuras 2, 3 y 4 muestran algunos de los pasos del diseño mecánico. Figura 3. Análisis de esfuerzos por Elementos Finitos Figura 4. Galgas extensiométricas para monitorización Figura 2. Esquema 3D del aerogenerador TWT15 El esquema eléctrico del TWT15 se muestra en la Figura 5. Presenta dos convertidores (rectificador e inversor) con puentes reversibles de IGBT s, y un generador síncrono multipolar de 17 kw (Figura 6), también nuevo diseño de M.Torres. Viento Frecuencia Variable entre 2.5 Hz y.5 Hz DC link Frecuencia Constante 5 Hz Motores Generador Síncrono Multipolar I gen AC-DC conv IGBTs V dc DC-AC conv IGBTs Transformador I x Excitacion Convertidores Viento Variable Motores Yaw Sistema de Control Sistema Redundante de Seguridad Red Figura 5. Diagrama de Bloques Eléctrico del TWT15

3 conexión a red, la calidad de onda y el control del factor de potencia en dicho punto, y la fiabilidad del sistema global ante variación de parámetros (robustez) y eventos inesperados. Además, algunos problemas críticos a destacar, inherentes al proceso y su entorno, son: la necesidad de elementos adicionales de seguridad para poder trabajar con vientos de alta intensidad de turbulencia y velocidad extrema; la gran complejidad matemática del modelo del sistema, presente en forma de fuertes no-linealidades, carácter multivariable y variación de parámetros en el tiempo -véanse ecuaciones (1), (2) y Figura 8-; y la imposibilidad de medir directamente la velocidad del viento que experimenta la turbina, debido a la alta incertidumbre en el anemómetro y la gran influencia del movimiento de las palas sobre el mismo [6]. La potencia eléctrica P entregada a la red es, Figura 6. Rotor del nuevo generador síncrono multipolar (M.Torres) El diseño eléctrico fue también optimizado mediante la combinación de cálculos electromagnéticos por elementos finitos, simulaciones avanzadas de electrónica de potencia, y experimentación real sobre un banco de ensayos de plena potencia especialmente desarrollado por M.Torres para el caso (Figura 7). El diseño eléctrico del TWT15 analizó en detalle el rendimiento del sistema, su fiabilidad ante eventos críticos, y la calidad de onda producida. P(t) 2 3 =.5 ρ π R η Cp V(t) (1) donde ρ is la densidad del aire, R el radio del rotor, C p el coeficiente aerodinámico, V la velocidad del viento, η el rendimiento electro-mecánico, t el tiempo. El coeficiente aerodinámico C p es una familia de funciones no-lineales que dependen de V, β, Ω y t, según la ecuación (2) y la Figura 8. C p = f (V, β, Ω,t) (2) Non linear donde β es el ángulo de pitch y Ω la velocidad del rotor..5 %ODGH&3/DPGD.45 &S S.25 & E N Figura 7. Banco de Ensayos para Aerogeneradores de hasta 3 MW de potencia (M.Torres). (675$7(*,$6'(&21752/ Entre los principales objetivos del sistema de control del aerogenerador se pueden citar aspectos claves como la maximización de la energía extraída al viento a cada velocidad del mismo (optimización del rendimiento energético), la atenuación de las cargas mecánicas transitorias y el esfuerzo a fatiga, la reducción de armónicos eléctricos y flicker en la /DPGD :59 :U59 Figura 8. Curvas de rendimiento aerodinámico C p E N Dicho conjunto de complejas circunstancias obligó a combinar diversas estrategias de control avanzado, tales como técnicas de control robusto QFT (Quantitative Feedback Theory) [3-5], esquemas

4 adaptativos, metodología multivariable [2] y elementos predictivos, para gobernar el aerogenerador. El diseño del sistema de control fue llevado a cabo en estrecha colaboración con el Grupo de Ingeniería de Control de la Universidad Pública de Navarra [1]. Por citar algunas variables, fue necesario controlar la potencia eléctrica del sistema, el par mecánico, la velocidad del rotor, el ángulo de ataque de las palas y su velocidad en la variación de calado, la orientación de la góndola, el factor de potencia, la corriente del generador, la tensión del bus DC, la corriente de excitación, temperaturas, etc. 5(68/7$'26'(&$32$17( &21',&,21(6'(9,(172 (;75($6 Por encima de la velocidad de viento nominal, alrededor de m/s, el sistema de control del ángulo de pitch de las palas buscará el mantenimiento de la velocidad del rotor dentro del rango permitido, en nuestro caso alrededor de 2 r.p.m. (±1%). Así, ante una ráfaga de viento, el controlador cambiará el ángulo de ataque de las palas para gobernar la velocidad del rotor siguiendo la referencia deseada. No obstante, en condiciones extremas de viento, dicho requerimiento puede ser difícil de satisfacer mediante controladores convencionales, en particular si se trata de un aerogenerador de gran potencia, donde la capacidad del sistema de actuación de pitch puede ser bastante limitada en términos relativos. En este apartado se analizan los resultados reales de campo, obtenidos por los nuevos controladores robustos QFT en el gobierno del TWT15. La Figura 9 muestra el diagrama de bloques de los tres controladores en cascada utilizados para gobernar la velocidad del rotor: El controlador de velocidad de rotor propiamente dicho C 1 (s), el controlador de ángulo de pitch C 2 (s), y el controlador de velocidad de pitch C 3 (s). A continuación se muestran los resultados reales de campo obtenidos con el TWT15, instalado en el parque eólico de Cabanillas, ante dos casos de muy diferentes condiciones de viento: un caso de velocidad media de viento y un caso extremo, de muy alta velocidad. &DVR : de Viento Media. 4 Febrero 23. Parque Eólico de Cabanillas (Navarra). La Figura 1 muestra el comportamiento del aerogenerador ante grandes ráfagas (gran intensidad de turbulencia) y sobre una moderada velocidad media de viento de 15 m/s, con variaciones entre 13 m/s y 19 m/s. El sistema de control presenta un buen comportamiento, siguiendo perfectamente la referencia de velocidad del rotor (2 rpm), y rechazando las perturbaciones introducidas por el viento mediante un suave movimiento de las palas. &DVR : Muy Alta de Viento. 6 Abril 23. Parque Eólico de Cabanillas (Navarra). La Figura 11 muestra el comportamiento del aerogenerador ante grandes ráfagas (gran intensidad de turbulencia) y sobre una muy alta velocidad media de viento de 24 m/s, con variaciones de hasta 3 m/s. El sistema de control presenta también un buen comportamiento, siguiendo perfectamente la referencia de velocidad del rotor (2 rpm), y rechazando las perturbaciones introducidas por el viento mediante un suave movimiento de las palas, y a pesar de la fuerte no-linealidad del sistema en esas condiciones. En definitiva, los datos reales de comportamiento en campo del TWT15 muestran con claridad cómo las nuevas estrategias avanzadas de control robustoadaptativo implementadas son capaces de gobernar al sistema en muy diferentes puntos de operación (desde viento bajo hasta viento extremo) a pesar de la alta no-linealidad del sistema, evitando fácilmente cualquier sobrevelocidad del rotor (que sería destructiva), y mediante suaves movimientos de pala, lejos de los niveles de fatiga mecánica. Ref. Rotor C 1 (s) - Controlador Rotor Ref. Angulo C 2 (s) - Controlador Angulo Ref. - C 3 (s) Controlador I(s) P 3 (s) P 2 (s) Angulo P 1 (s) Rotor Sistema de Control Figura 9. Diagrama de Bloques del Sistema de Control de de Rotor

5 19 Wind Speed -m/s- 24 Rotor Speed -rpm Control Angle: ref(k),1(r),2(b),3(g) (deg blade) Control Speed: 1(r),2(b),3(g) (deg/sec blade) 11 1 Angle Reference Angle Figura 1. Control ante condiciones medias de viento. TWT15 en Parque eólico de Cabanillas. Wind Speed -m/s- Rotor Speed -rpm Control Angle: ref(k),1(r),2(b),3(g) (deg blade) Control Speed: 1(r),2(b),3(g) (deg/sec blade) Angle Reference Angles Figura 11. Control ante condiciones de viento extremas. TWT15 en Parque eólico de Cabanillas.

6 &21&/86,21(6 El presente artículo ha introducido el nuevo aerogenerador TWT15 de gran potencia, diseñado por M.Torres. El diseño presenta un concepto tecnológico completamente novedoso. Se trata de un sistema sin multiplicadora (eje directo), de velocidad de rotor variable, y con control del ángulo de ataque de las palas. Dispone de un generador síncrono multipolar, un doble convertidor electrónico AC- DC-AC en estator, un gran rotor de 72 metros de diámetro, una potencia entregada a red de 15 kw, y un avanzado sistema de control (Figura ). El artículo ha mostrado y evaluado también algunos de los más representativos resultados de campo del TWT15 bajo condiciones muy extremas de viento y utilizando estrategias avanzadas de control robusto. [2] García-Sanz, M., Egaña, I. (22). "Quantitative Non-diagonal Controller Design for Multivariable Systems with Uncertainty".,QWHUQDWLRQDO -RXUQDO RI 5REXVW DQG 1RQ /LQHDU &RQWURO. Isaac Horowitz Special Issue, Part 2. March. 22. Nº, pp [3] Horowitz, I. and Sidi, M. (1972). Synthesis of feedback systems with large plant ignorance for prescribed time-domain tolerances,,qwhuqdwlrqdo-rxuqdori&rqwuro, vol. 16, no.2, pp [4] Horowitz, I. (1991). Survey of quantitative feedback theory.,qwhuqdwlrqdo -RXUQDO RI &RQWURO, 53(2), pp [5] Houpis, C.H. and Rassmussen, S.J. (1999). Quantitative Feedback Theory: Fundamentals and Applications. Marcel Dekker: NY, USA. [6] Leith, D.J., Leithead, W.E., (1997), Implementation of Wind Turbine Controllers.,QWHUQDWLRQDO-RXUQDORI&RQWURO, 66, [7] M.Torres, Diseños Industriales S.A. (23). Figura. El aerogenerador TWT15 en el parque eólico de Cabanillas, Navarra. (M.Torres). $JUDGHFLPLHQWRV Los autores agradecen el apoyo dado por la &RPLVLyQ,QWHUPLQLVWHULDOGH&LHQFLD\7HFQRORJtD (CICYT) en el proyecto DPI'2-785, y la colaboración del,qvwlwxwr SDUD OD 'LYHUVLILFDFLyQ \ HO $KRUUR GH OD (QHUJtD (I.D.A.E.) y del Gobierno de Navarra. 5HIHUHQFLDV [1] Control Engineering Group, CEG, Public Univ. of Navarra (23).