Una Introducción a los Sistemas de Generación Eólica Dr. Oscar Carranza Castillo

Tamaño: px

Comenzar la demostración a partir de la página:

Download "Una Introducción a los Sistemas de Generación Eólica Dr. Oscar Carranza Castillo"

Teresa Castillo Ortíz
hace 6 años
Vistas:

1 1 Una Introducción a los Sistemas de Generación Eólica Dr. Oscar Carranza Castillo 5 de abril de 2013

Fuentes Alternativas de Energía Energía Eólica Estudios de

2 Introducción Auge de las Energías Renovables para la obtención de Energía Eléctrica Alto Costo de los Combustibles Fósiles Fuentes Alternativas de Energía Energía Eólica Estudios de Lugares donde es viable colocar Aerogeneradores. Dr. Oscar Carranza Castillo 2

3 Sistemas de Generación Eólica Aerogenerador Turbina Eólica Generador Eléctrico Aerogenerador Baja Potencia < 10 kw Mediana Potencia 10 kw hasta 1 MG Alta Potencia > 1 MW Buje Viento Pala Caja Multiplicadora Generador Eléctrico Torre Góndola Dr. Oscar Carranza Castillo 3

4 Dr. Oscar Carranza Castillo Perfil del Viento

5 Dr. Oscar Carranza Castillo Distribución del Viento

6 Energía y Potencia del Viento Energía del Viento Potencia del aire en movimiento Área que barren las palas de la turbina Flujo de masa del aire por segundo Dr. Oscar Carranza Castillo

7 Energía y Potencia del Viento Ecuación de continuidad del flujo de aire Potencia en la turbina El viento al pasar por la turbina se frena, saliendo a una velocidad menor, pero siempre distinta de cero Ley de Betz solo se puede convertir el 59.25% de la energía cinética del viento en energía mecánica. Límite de Betz Dr. Oscar Carranza Castillo

8 Coeficiente de Potencia C p (λ,β) Límite de Betz Dr. Oscar Carranza Castillo

9 Torque y Coeficiente de Potencia Torque en el eje de la turbina eólica Dr. Oscar Carranza Castillo

10 Dr. Oscar Carranza Castillo Potencia en la turbina

11 Potencia del Sistema de Generación Eólica Región I: Turbina detenida Región II: Extracción de Máxima Potencia Región III: Limitación de Potencia Región IV: Turbina Detenida Dr. Oscar Carranza Castillo

12 Estrategia de Control del Sistema de Generación Eólica Velocidad fija, Pitch fijo. Regulación pasiva Velocidad fija, Pitch variable. Control del ángulo de paso (pitch angle control) y control de parada activa (active stall) Velocidad variable, Pitch fijo. Regulación pasiva y Punto de operación (C pmax ) Velocidad variable, Pitch variable. Control del ángulo de paso y control de parada activa Dr. Oscar Carranza Castillo

13 Modelo del Sistema Mecánico Dr. Oscar Carranza Castillo 13

14 Generador Eléctrico Tipos de generadores Generador de inducción (GI) Generador de inducción de doble bobinado (GIDB) Generador síncrono (GS) Generador síncrono de imanes permanentes (GSIP) Dr. Oscar Carranza Castillo

15 Generador Eléctrico El voltaje y la frecuencia del generador depende de la velocidad del viento Características del GSIP Dr. Oscar Carranza Castillo

Sistemas de Generación Eólica Generador de Inducción Generador de inducción de doble bobinado Multiplicadora GI Red Eléctrica Multiplicadora GIDB Red Eléctrica Condensadores de

16 Sistemas de Generación Eólica Generador de Inducción Generador de inducción de doble bobinado Multiplicadora GI Red Eléctrica Multiplicadora GIDB Red Eléctrica Condensadores de compensación DC-Link Rectificador Inversor DC-Link Multiplicadora GI Red Eléctrica Multiplicadora GIDB Red Eléctrica Rectificador Inversor DC-Link Dr. Oscar Carranza Castillo Rectificador Inversor

Sistemas de Generación Eólica Generador síncrono Generador Síncrono de Imanes Permanentes DC-Link GSIP Red Eléctrica DC-Link Rectificador Inversor Multiplicadora GS Red

17 Sistemas de Generación Eólica Generador síncrono Generador Síncrono de Imanes Permanentes DC-Link GSIP Red Eléctrica DC-Link Rectificador Inversor Multiplicadora GS Red Eléctrica DC/DC DC-Link Rectificador Inversor GSIP Red Eléctrica DC AC Rectificador Inversor DC-Link GSIP Red Eléctrica Dr. Oscar Carranza Castillo Rectificador Inversor

18 Convertidores en SGE con GSIP Convertidores AC/DC Rectificador No Controlado Rectificador Boost Rectificador Buck-Boost Rectificador Controlado Rectificador Boost DD 1 DD 2 DD 3 DC-Link GSIP CC iiii CC 0 Red Eléctrica DD 4 DD 5 DD 6 Rectificador No controlado Convertidor Boost Inversor 18

Rectificador Boost Trifásico Con filtro de entrada LCL Generador Síncrono De Imanes Permanentes Inductor Boost Condensadores para el Filtro de entrada

19 Rectificador Boost Trifásico Con filtro de entrada LCL Generador Síncrono De Imanes Permanentes Inductor Boost Condensadores para el Filtro de entrada Considerando solo dos fases Magnitud (db) Fase (grados) Frecuencia (Hz): 5000 Magnitud (db): Frecuencia (Hz) 19

20 20 Estructuras de Control del Sistema de Generación Eólica Estructura de Control de Velocidad DD BB Inductor Boost DD 1 DD 2 DD 3 + II aa VV aa RR LLaa LL aa GSIP II bb VV bb RR LLLL RR LLLL LL bb LL cc CC 0 VV 0 VV0 VV 0 V o DD 4 DD 5 DD 6 MPPT CC 1 CC 2 CC 3 Condensadores para el Filtro de entrada Inversor Monofásico ωω mm + ωω rrrrrr Control de Velocidad II cccccccccccccc + Control de Corriente (Torque)

21 Modelo del Rectificador Boost Trifásico Con filtro de entrada LCL Generador Síncrono De Imanes Permanentes Inductor Boost DD 1 DD 2 DD 3 II LL DD BB II 0 Parámetros VV AA RR LLggaa LL ggaa RR LLaa LL aa VV BB RR LLggbb LL ggbb RR LLLL LL bb SS CC 0 VV 0 VV CC RR LLggcc LL ggcc RR LLLL LL cc DD 4 DD 5 DD 6 CC 1 CC 2 CC 3 Condensadores para el Filtro de entrada ff ss DD C P A 21

50 40 30 20 10 0-10 -20 90 45 0-45 150 rpm 300 rpm 450

22 22 Relación de la corriente del inductor boost en función del ciclo de trabajo Magnitud (db) Fase (grados) rpm 300 rpm 450 rpm 600 rpm Frecuencia (Hz)

23 23 Control Modo Corriente Pico ETAPA DE POTENCIA Magnitud (db) Fase (grados) m c=1 m c=2 m c=3 m c=4 m c=5 Estable Inestable Frecuencia 10 3 (Hz)

24 Control Modo Corriente Pico Generador Síncrono De Imanes Permanentes Inductor Boost DD 1 DD 2 DD 3 II LL DD BB II 0 VV AA RR LLggaa LL ggaa RR LLaa LL aa RR ii VV BB RR LLggbb LL ggbb RR LLLL LL bb CC 0 VV 0 VV CC RR LLggcc LL ggcc RR LLLL LL cc 30 CC 1 CC 2 CC 3 Condensadores para el Filtro de entrada SS nn + + Generador de SS ee Índice de Modulación (mc) DD 4 DD 5 DD 6 II cccccccccccccc UC3823A CLK OUT RT VC CT RAMP EAOUT NI INV SS VCC ILIM GND Velocidades del generador [rpm] Driver Magnitud (db) Fase (grados) rpm 300 rpm 450 rpm 600 rpm Frecuencia (Hz) 24

25 25 Control Modo Corriente Media Sensado en el inductor de potencia Generador Síncrono De Imanes Permanentes Inductor Boost DD 1 DD 2 DD 3 II LL DD BB II 0 VV AA RR LLggaa LL ggaa RR LLaa LL aa RR ii VV BB RR LLggbb LL ggbb RR LLLL LL bb CC 0 VV 0 VV CC RR LLggcc LL ggcc RR LLLL LL cc DD 4 DD 5 DD 6 CC 1 CC 2 CC 3 Condensadores para el Filtro de entrada + II cccccccccccccc GG ssii (ss) VV PPPPPP SS ee ff ss + Comparador PWM Driver

26 Estimador empleando Filtro Lineal de Kalman DD BB Inversor Monofásico Inductor Boost DD 1 DD 2 DD 3 + VV aa RR LLaa LL aa GSIP VV bb VV cc RR LLLL RR LLLL LL bb LL cc CC 0 VV 0 VV0 VV 0 V o DD 4 DD 5 DD 6 CC 1 CC 2 CC 3 Condensador es para el Filtro de entrada - abbbb VV αα VV ββ Estimador LKF 2/nn pp αααα ωω ee ωω mmee 26

GG iicc (ss) ii LL ii gg ii LL ii gg GG ωωgg (ss) ωω mm Magnitud (db) 0-50 λλ = 4 λλ = 5 λλ = 6 λλ = 7 ii cccccccccccccc TT

27 Lazo de Velocidad vv ωω TT mm ωω =0 + + TT mm vv ωω =0 LAZO DE CONTROL DE CORRIENTE TT mm GG iiii (ss) ii LL ii gg ii LL ii gg TT ee ii gg + 1 JJJJ ωω mm dd RR ii FF MM TT iill (ss) TT ωω (ss) KK HH ee (ss) + ii cccccccccccccc GG ωω + ωω rrrrrr 50 GG iicc (ss) ii LL ii gg ii LL ii gg GG ωωgg (ss) ωω mm Magnitud (db) 0-50 λλ = 4 λλ = 5 λλ = 6 λλ = 7 ii cccccccccccccc TT ωω (ss) GG ωω KK + ωω rrrrrr Fase (grados) Frecuencia (Hz) 27

28 Algoritmo de Búsqueda del Punto de Máxima Potencia del SGE IIIIIIIIIIII ωω mm ωω rrrrrr ωω mm PP oooooo ωω mm PP oooooo IInnnnnnnnnnnnnnónn PP oooooo (nn 1) = PP oooooo (iiiiii) ωω rrrrrr ωω

28 28 Algoritmo de Búsqueda del Punto de Máxima Potencia del SGE IIIIIIIIIIII ωω mm ωω rrrrrr ωω mm PP oooooo ωω mm PP oooooo IInnnnnnnnnnnnnnónn PP oooooo (nn 1) = PP oooooo (iiiiii) ωω rrrrrr ωω rrrrrr (nn 1) = ωω rrrrrr (iiiiii) ωω rrrrrr = ωω MMMMMMMM ssssssssss(nn 1) = 1 MMMMMMMM 175 tt > tt MMMMMMMM 150 CCCCCCCCCCCCCCCC 125 PP oooooo (nn) tt = PP oooooo (nn) PP oooooo (nn 1) ssssssssss(nn) = ssssssssss(nn 1) ssssssssss(nn) = ssssssssss(nn 1) Potencia [W] λλ = 3.5 λλ = 4 λλ = 4.5 λλ = 5 λλ = 5.5 λλ = 6 λλ = 6.5 ωω rrrrrr (nn) = ωω rrrrrr (nn 1) + ssssssssss(nn) ωω rrrrrr PP oooooo (nn 1) = PP oooooo (nn) Tiempo [s] ωω rrrrrr (nn 1) = ωω rrrrrr (nn)

29 Sistema de Generación Eólica Experimental Emulador de Aerogenerador Inductor Boost DD 1 DD 2 DD 3 II LL DD BB II 0 + Inversor Monofásico LL iiiiii LL rrrrrr MI GSIP RR LLLL RR LLLL RR LLLL LL aa LL bb LL cc RR ii CC 0 VV 0 VV 0 V o II rrrrrr CC rrrrrr RR CCrrrrrr RRRRRR Variador de frecuencia Velocidad Encoder Encoder VV aaaa VV bbbb II aa II bb CC 1 CC 2 CC 3 Condensadores para el Filtro de entrada + + SS nn Generador de SS ee DD 4 DD 5 DD 6 UC3823A CLK OUT RT VC CT RAMP EAOUT NI INV SS VCC ILIM GND Driver II cccccccccccccc - Lazo de Velocidad DSP TMS320F28335 Sincronización con la Red Eléctrica Control de la Corriente que se inyecta a la Red Eléctrica Control del Voltaje de la DC-Link MPPT VV rrrrrr II rrrrrr VV 0 II aa II bb Control Modo Corriente Pico VV aaaa Estimador LKF Modelo de la Turbina eólica VV bbbb Encoder Velocidad Estimada Velocidad de referencia PP oooooo TT ee Velocidad del variador 29

30 Prototipo Experimental 30

31 Control Modo Corriente Pico Resultados Experimentales Corriente (A) Espectro Armónico de la corriente a la salida del generador 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.

31 31 Control Modo Corriente Pico Resultados Experimentales Corriente (A) Espectro Armónico de la corriente a la salida del generador Orden del Armónico Potencia [W] Factor de Potencia Rango de velocidades en el que trabaja el SGE Potencia Máxima del Generador THDi Velocidad del generador [rpm] Velocidad del Generador [rpm] THDi [%] Velocidad de 450 rpm y Potencia de 2 kw

32 Estimador de Velocidad empleando LKF Resultados Experimentales (a) (b) (a) (b) (c) (d) (c) (d) 32

33 33 Lazo de Velocidad Respuesta Experimental THDi = 5.41 % THDi = 7.61 % (a) (b) (a) (b) THDi = 8.24 % THDi = 12.1 % (c) (d) (a) (b)

34 Sistema de Generación Eólica Experimental (a) Dr. Oscar Carranza Castillo Potencia [W] Potencia [W] VV ωω = 10 mm ss 200 VV ωω = 6 mm ss velocidad del generador [rpm] VV ωω = 6 mm ss velocidad del generador [rpm] 34

35 Muchas Gracias Dr. Oscar Carranza Castillo 35

Documentos relacionados

HOJA 4: APLICACIONES LINEALES

HOJA 4: APLICACIONES LINEALES Estudio de la linealidad 1) Estudie la linealidad de las siguientes aplicaciones: a) ff: RR RR 2, ff(xx) = ( 3xx, 2xx) b) ff: RR 2 RR, ff(xx, yy) = xxxx c) ff: RR 2 RR 3,