Control de aerogeneradores basados en generadores síncronos de imanes permanentes

Transcripción

1 Control de aerogeneradores basados en generadores síncronos de imanes permanentes Proyecto de Fin de Máster Gerardo Reigosa Iglesias Universidad del País Vasco - Euskal Herriko Unibertsitatea 24 de septiembre de 2013

2 Índice 1 Currículum Vitae científico

4 Ingeniero en Informática (UPV-FISS) Proyecto Fin de Carrera: Diseño y desarrollo de una aplicación basada en LabView para la configuración y test de un dispositivo lector de contadores de agua, gas y electricidad de la empresa Mirakonta S.L. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados (UPV-ETSI/EUITI) Practicum: Desarrollo de los drivers para el uso de una tarjeta de adquisición de datos PCI en el entorno xpc Target de MATLAB. 4 / 56

6 El Proyecto de Fin de Máster desarrollado podemos enmarcarlo dentro de las siguientes asignaturas del máster: Desarrollo de sistemas de control en entornos de programación de alto nivel. Diseño de sistemas de control utilizando la herramienta MATLAB. Sistemas de control basados en PC. 6 / 56

8 Introducción Currículum Vitae científico Investigación de las técnicas de control de turbinas eólicas basadas en PMSG. Estudio bibliográfico del estado del arte. Desarrollo de una bancada de simulación eólica. Verificación del funcionamiento de la bancada. 8 / 56

9 Objetivos Currículum Vitae científico Los objetivos principales del proyecto son los siguientes: Desarrollo de una bancada de simulación eólica. Generación de referencias de viento. Control del generador eléctrico. Control de la conexión a la red eléctrica. 9 / 56

10 Metodología de trabajo Selección de los elementos hardware para desarrollar una bancada de experimentación eólica. Selección de dos algoritmos relevantes para su implementación. Modelado y simulación de ambos algoritmos en MATLAB/Simulink. Implementación y comparación de los resultados sobre la bancada. 10 / 56

12 Elementos de una turbina eólica Figura 1 : Interior de la góndola Conexión a la red El generador estará conectado a la red de distribución eléctrica a través de una serie de elementos de electrónica de potencia. 12 / 56

13 Esquema de control de una turbina Figura 2 : Esquema de control 13 / 56

14 Esquema general de la bancada PC Controlador IC3 Red Unidrive SP 2403 Motriz Unidrive SP 2402 Motriz Unidrive SP 2402 Regen Elementos regeneración Red Motor de Arrastre Generador eléctrico Figura 3 : Esquema de la bancada de experimentación 14 / 56

16 Esquema general de la bancada PC Controlador IC3 Red Unidrive SP 2403 Motriz Unidrive SP 2402 Motriz Unidrive SP 2402 Regen Elementos regeneración Red Generador eléctrico Figura 5 : Esquema de la bancada de experimentación 16 / 56

17 Esquema general de la bancada PC Controlador IC3 Red Unidrive SP 2403 Motriz Unidrive SP 2402 Motriz Unidrive SP 2402 Regen Elementos regeneración Red Motor de Arrastre Figura 6 : Esquema de la bancada de experimentación 17 / 56

21 Esquema general de la bancada Controlador IC3 Red Unidrive SP 2403 Motriz Unidrive SP 2402 Motriz Unidrive SP 2402 Regen Elementos regeneración Red Figura 10 : Esquema de la bancada de experimentación 21 / 56

22 Montaje completo Currículum Vitae científico Figura 11 : Imagen general del sistema 22 / 56

24 Descripción matemática de una turbina La potencia extraíble de la turbina viene marcada por las ecuaciones siguientes: P e = 1 2 par vw 3 C p(λ, β) (1) A r = πr 2 (2) λ = ωr R G r v w (3) ( ) 116 C p(λ, β) = 0,22 0,4β 5 e 12,5 λ i λ i (4) λ i = 1 1 0,035 λ+0,08β β 3 +1 (5) Variables de las ecuaciones p=densidad del aire ; R= radio de las palas ; Gr= Ratio multiplicadora; v w =Velocidad del viento; β=pitch-angle 24 / 56

25 Modelado de la turbina eólica Rotor de la turbina 1 wind_speed 3 rotor_speed ((u[2]/gr)*r)/u[1] Lambda 2 Pitch lambda f(u) Lambda_i windspeed lambda_i f(u) f(u) Pe Cp Extracted power Cp(lambda_i,pitch) 1 Power_extracted 2 Torque_rotor Divide Figura 12 : Ecuaciones de la turbina Wind Speed (m/s) Power extracted (W) Pitch Angle (deg) Generator Speed (rad/s) Torque rotor (Nm) Rotor de la turbina Figura 13 : Máscara del rotor de la turbina 25 / 56

26 Regiones de control de una turbina Zona de pre-conexión. Entre 0 m/s y 5 m/s. Zona de carga parcial. Entre 5 m/s y 10 m/s. Zona de carga total. Entre 10 m/s y 20 m/s. Zona de parada. Por encima de 20 m/s. 26 / 56

27 Esquema de control de una turbina Figura 14 : Nivel de control 27 / 56

28 Algoritmos MPPT Currículum Vitae científico Tienen como objetivo el seguimiento del punto máximo de potencia. Diversas técnicas de control. Algoritmos de control de torque (DTC) Algoritmos de control de velocidad. Algoritmos de búsqueda Hill Climbing. Algoritmos basados en lógica Fuzzy. Redes neuronales 28 / 56

29 Características MPPT Características de potencia de la turbina X: Y: 5270 F 10m/s Potencia extraíble W B C E 9m/s D 8m/s 7m/s 1000 A 6m/s 5m/s Velocidad generador ω rad/s Figura 15 : Características de potencia de la turbina Parámetros turbina p= 1,225; R= 2,5; Gr= 15; β= 0 29 / 56

30 Algoritmo basado en interpolación I Basado directamente en las características de la turbina. Para la potencia generada, calcula la consigna de velocidad correspondiente. 30 / 56

31 Algoritmo basado en interpolación II 400 Curva para la interpolación Velocidad generador ω rad/s data 1 quadratic cubic 4th degree 5th degree Potencia extraíble W Figura 16 : Curva utilizada para la interpolación z = P µ σ F (z) = p1 z 5 + p2 z 4 + p3 z 3 + p4 z 2 + p5 z + p6 (7) (6) 31 / 56

32 Algoritmo basado en interpolación III Controlador basado en interpolación 1 P_extraible (u[1] mu_pi)/sigma_pi p1*(u[1]^5)+p2*(u[1]^4)+p3*(u[1]^3)+p4*(u[1]^2)+p5*u[1]+p6 1 wg_ref Centrado y escalado Polinomio interpolacion Figura 17 : Modelado del polinomio de interpolación P_extraible (W) wg_ref (rad/s) Controlador basado en interpolacion Figura 18 : Máscara del controlador basado en interpolación 32 / 56

33 Algoritmo basado en interpolación IV Viento Wind speed m/s viento m/s Wind Speed (m/s) Power Extracted Power extracted (W) P_extraible (W) wg_ref (rad/s) viento en m/s PitchOpt Pitch Angle (deg) R m/s a rad/s viento viento en rad/s wg_ref Generator Speed (rad/s) >= 5 Rotor de la turbina Torque rotor (Nm) Torque_rotor Controlador basado en interpolacion wg_ref wg_ref Figura 19 : Modelo completo con controlador basado en interpolación 33 / 56

34 Algoritmo basado en interpolación V 11 Referencia de viento 5500 Potencia extraída Velocidad m/s Potencia W Tiempo x 10 4 Figura 20 : Ref. Viento Tiempo x 10 4 Figura 21 : Pot. extraída 34 / 56

35 Algoritmo basado en interpolación VI 11 Referencia de viento 400 Velocidad del generador Velocidad m/s Tiempo x 10 4 Figura 22 : Ref. Viento ω g (rad/s) Tiempo x 10 4 Figura 23 : Ref. generador 35 / 56

36 Algoritmo basado en interpolación VII 5500 Potencia extraída 400 Velocidad del generador Potencia W Tiempo x 10 4 Figura 24 : Pot. Extraída ω g (rad/s) Tiempo x 10 4 Figura 25 : Ref. generador 36 / 56

37 Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing I No es necesario conocer las características de la turbina. Calcula la nueva consigna de velocidad en función de la diferencia de potencia generada entre dos instantes. 37 / 56

38 Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing II Figura 26 : Características de funcionamiento del HCS 38 / 56

39 Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing III Controlador basado en HCS [Pk] [Pk_ant] AP(k) [APk] [APk] u [AbsApk] [APk] Kt_HCS u 1 [Awref_ant] >= 0 1 vw [vw] 1 1 [Awref_ant] ~= 0 [Awref_k] 2 P(K) P_extraible [Pk] [APk] 1 >= 0 [Awref_k] 4 P(K 1) P_anterior [Pk_ant] [wref_ant] [AbsApk] > 5 A(wg)_anterior [Awref_ant] [Awref_k] [vw] >= 5 wref_k 1 wg_ref 3 wg_ref_anterior [wref_ant] [vw] 0 >= 5 3 Awg_ref [Pk] lim >= Counter Limited [vw] 658 >= 5 2 P_ant [Pk_ant] Figura 27 : Algoritmo HCS 39 / 56

40 Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing IV Viento viento m/s Wind speed m/s2 Wind Speed (m/s) Power extracted (W) P PitchOpt Pitch Angle (deg) wind speed m/s P_extraible (W) wg_ref (rad/s) wg_ref wg_ref_anterior P_extr_ant W R m/s a rad/s viento rad/s Torque rotor (Nm) Wg_ref >= 5 Generator Speed (rad/s) >= 5 Rotor de la turbina 0 Pant P_extraible_anterior (W) Awg_anterior Controlador HCS Awg_ref (rad/s) Awg_ref Figura 28 : Modelo completo con HCS 40 / 56

41 Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing V 11 Referencia de viento 5500 Potencia extraída Velocidad m/s Potencia W Tiempo x Tiempo x 10 4 Figura 29 : Ref. Viento Figura 30 : Pot. extraída HCS 41 / 56

42 Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing VI 11 Referencia de viento 400 Velocidad del generador Velocidad m/s Tiempo x 10 4 Figura 31 : Ref. Viento ω g (rad/s) Tiempo x 10 4 Figura 32 : Ref. generador HCS 42 / 56

43 Velocidad del generador Tiempo x 10 4 Currículum Vitae científico Algoritmo basado en búsqueda Hill Climbing VII 5500 Potencia extraída 400 Velocidad del generador Potencia W Tiempo x 10 4 Figura 33 : Pot. Extraída ω g (rad/s) Tiempo x 10 4 Figura 34 : Ref. generador HCS ω g (rad/s) Figura 35 : Zoom de la referencia de velocidad calculada por HCS 43 / 56

44 Escalado de la velocidad I 8 Potencia generada 7 6 Potencia KW Tiempo x 10 5 Figura 36 : Potencia generada con el algoritmo Desajuste de la potencia generada Al no tener en cuenta las características físicas de la bancada, se produce una diferencia entre el modelo y el algoritmo que hay que compensar. 44 / 56

45 Escalado de la velocidad II Modelo Realidad Viento m/s ω g rad/s ω g rpm Potencia KW ω g rad/s ω g rpm Potencia KW 5 189, , , , ,7 2174,4 1, , , , ,8 1, , , ,6 2899,2 2, , , , ,6 3, , , , , , ,3 Cuadro 1 : Velocidades y potencias Problema a baja velocidad En el caso de los 5 m/s, no es posible establecer una w g menor ya que el equipo se satura debido a que el generador requiere corriente por encima de su valor nominal. 45 / 56

46 300 Escalado del generador 250 Velocidad real ω rad/s data 1 quadratic cubic 4th degree 5th degree Velocidad estimada ω rad/s Figura 37 : Curva utilizada para el escalado z = ωest µ σ (8) F (z) = p1 z 5 + p2 z 4 + p3 z 3 + p4 z 2 + p5 z + p6 (9) 46 / 56

47 Implementación del controlador basado en interpolación Wind Speed (m/s) Power extracted (W) P_extraible (W) wg_ref (rad/s) PitchOpt Pitch Angle (deg) Generator Speed (rad/s) Torque rotor (Nm) Controlador basado en interpolacion Rotor de la turbina Saturar W_g lectura velocidad viento AI Value Memory AI (IC3356) ErrorCode Error Channel 2 K K wg_real (rad/s) wg_estimada (rad/s) rpm > V rad/s > rpm Escalado del generador Activar contactores AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error Channel 0 R K K K Habilitacion Regen m/s a rad/s escalado rad/s > rpm rpm > V viento Entrada bus DC AI Value wg vw wt BusDC contactork23 HabilitacionRegen fcn salarrastre salgenerador AO Value AO (IC3371) Channel 1 ErrorCode Error AI (IC3356) ErrorCode Error Entrada seta seguridad AI Value sec Embedded MATLAB Function salsec Referencia de velocidad arrastre ErrorCode AO Value AO (IC3371) Error Channel 2 Referencia velocidad generador AI (IC3356) ErrorCode Error AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error Channel 1 Channel 3 Salida seguridad AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error Channel 4 Figura 38 : Implementación del algoritmo de control basado en interpolación con escalado 47 / 56

48 Resultados interpolación 6 Potencia generada 3000 Referencia de velocidad Potencia KW Velocidad rpm Tiempo x 10 5 Figura 39 : Pot. Extraída Tiempo 5 x 10 Figura 40 : Velocidad real interp. 48 / 56

49 wg vw wt BusDC sec contactork23 HabilitacionRegen salarrastre salgenerador salsec Currículum Vitae científico Implementación del controlador HCS Wind Speed (m/s) Power extracted (W) PitchOpt Pitch Angle (deg) wind speed m/s P_extraible (W) wg_ref (rad/s) Generator Speed (rad/s) Rotor de la turbina Torque rotor (Nm) >= 5 0 wg_ref_anterior P_extr_ant W P_extraible_anterior (W) Awg_ref (rad/s) Awg_anterior Controlador HCS Saturar W_g lectura velocidad viento AI Value AI (IC3356) ErrorCode K K wg_real (rad/s) wg_estimada (rad/s) rpm > V rad/s > rpm Activar contactores Channel 2 Error Escalado del generador AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error Channel 0 Habilitacion Regen R K K K m/s a rad/s escalado rad/s > rpm rpm > V viento Entrada bus DC fcn Embedded MATLAB Function ErrorCode AO Value AO (IC3371) Error Channel 1 Referencia de velocidad arrastre AI (IC3356) AI Value ErrorCode AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error Error Channel 2 Referencia velocidad generador Entrada seta seguridad AI Value AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error AI (IC3356) ErrorCode Channel 3 Error Salida seguridad Channel 1 AO Value AO (IC3371) ErrorCode Error Channel 4 Figura 41 : Implementación del algoritmo de control HCS con escalado 49 / 56

50 Resultados HCS Currículum Vitae científico 6 Potencia generada 3000 Referencia de velocidad Potencia KW Velocidad rpm Tiempo x 10 5 Figura 42 : Pot. Extraída HCS Tiempo x 10 5 Figura 43 : Velocidad real HCS 50 / 56

51 Comparativa de los algoritmos - Potencia 6 5 Interpolación HCS Potencia generada Potencia KW Tiempo x 10 5 Figura 44 : Comparativa de las potencias extraídas Características Interpolación HCS min. 0 KW 0 KW máx. 5,7 KW 5,7 KW media 2,241 KW 2,656 KW integral 546,15 KW 637,01 KW +16,63 % Cuadro 2 : Comparativa de la potencia de los dos algoritmos 51 / 56

52 Comparativa de los algoritmos - Velocidad Interpolación HCS Referencia de velocidad Velocidad rpm Tiempo x 10 5 Figura 45 : Comparativa de las referencias de velocidad Características Interpolación HCS min. 0 rpm 0 rpm máx rpm 2635 rpm media 1217 rpm 1378 rpm Cuadro 3 : Comparativa de la velocidad de los dos algoritmos 52 / 56

54 Conformidad con objetivos Bancada Se ha desarrollado una bancada de experimentación eólica. Control del generador Se han desarrollado dos algoritmos de control que nos proporcionan la máxima extracción posible. Control de la red eléctrica Mediante el sistema Regen, nos aseguramos de que se cumple las caracteristicas de red. Verificación bancada Con dichos algoritmos, se ha verificado el correcto funcionamiento de la bancada ya que se ajusta a lo desarrollado durante el modelado y simulación de los algoritmos. 54 / 56

55 Finalmente, podemos destacar las siguientes ĺıneas de investigación futuras Desarrollar el control de pitch-angle β. Estudiar la dinámica de las palas de la turbina. Control del torque del eje de forma exhaustiva. Control de vibraciones en el generador y/o multiplicadora. 55 / 56

56 Control de aerogeneradores basados en generadores síncronos de imanes permanentes Proyecto de Fin de Máster Gerardo Reigosa Iglesias Universidad del País Vasco - Euskal Herriko Unibertsitatea 24 de septiembre de 2013