Facultad de Ciencias Exactas

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Examinando Facultad de Ciencias Exactas por Materia "aerogenerador"

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    Regulación de potencia en turbinas eólicas mediante técnicas de control predictivo
    (Facultad de Ciencias Exactas - Universidad Nacional de Salta, 2016) Munnemann Alejandro Federico; Fernández Roberto Daniel (Dir.); Tilca Fernando Florentín (Codirector)
    La presente tesis tiene como objeto realizar aportes en el área de la energía eólica, específicamente orientados al control de paso de palas de los aerogeneradores modernos para asegurar la calidad de los parámetros eléctricos de generación y manteniendo en rangos seguros de operación las cargas mecánicas que deben soportar las turbinas de elevada potencia. En este sentido, se propone el diseño de un controlador empleando la técnica de control predictivo basado en modelo (MPC). El objetivo del mismo es regular la potencia eólica de una turbina por control del ángulo de paso de palas, limitándola a su valor nominal de diseño cuando existe un exceso de velocidad de viento. Este modo de regulación es en la actualidad el más empleado en los aerogeneradores comerciales de eje horizontal independientemente del tipo de generador eléctrico involucrado. En este trabajo se utiliza como máquina de referencia a un aerogenerador en su configuración más simple, esto es con turbina de paso variable y velocidad fija, directamente acoplado a la red a través de un generador de inducción tipo jaula de ardilla (SCIG). No obstante ello, la estrategia de control MPC aquí estudiada puede incluirse como parte de la estrategia general para el resto de los aerogeneradores con capacidad de modificar la posición de las palas, conocidos como de “velocidad variable” equipados con generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG) o generadores sincrónicos multipolares. En el Capítulo 1 se describen las principales características del viento como fuente de energía primaria y se desarrollan de forma abreviada las teorías básicas que cuantifican la energía máxima aprovechable y su conversión en energía mecánica útil por efecto de las fuerzas aerodinámicas que intervienen en el rotor eólico. Puesto que el controlador MPC utiliza el conocimiento del sistema para predecir la evolución de la salida, en el Capítulo 2 se desarrolla un modelo matemático simplificado del aerogenerador con el objetivo de inferir el comportamiento dinámico de sus componentes a partir de la condición nominal de operación frente a cambios en las posibles entradas de control y perturbaciones. En el Capítulo 3 se estudian las distintas formas de modificar la condición de operación de los aerogeneradores mediante la manipulación de las entradas disponibles (ángulo de paso de palas y velocidad sincrónica del generador). Luego se describen sintéticamente las estrategias de control más empleadas para distintas condiciones de viento. El Capítulo 4 está dedicado íntegramente a los fundamentos del control predictivo basado en modelos (MPC). Se describen cualitativamente sus características principales, bloques constitutivos y estrategia para la obtención de las acciones de control óptimas. Posteriormente se desarrolla la formulación matemática básica resumida en sus tres componentes fundamentales: el modelo predictor, la función de performance y la solución al problema de optimización. En el Capítulo 5 se define numéricamente el modelo del aerogenerador linealizado alrededor del punto de operación nominal. A continuación se simulan y analizan las respuestas temporales en ausencia de control. Estas “características transitorias” a “lazo abierto” sirven de base para la elección inicial de los parámetros del controlador. En la etapa de diseño se incorporan las restricciones del sistema a controlar, en particular las referidas al servomecanismo actuador de las palas, esto es los valores limites de ángulo de paso y las velocidades máximas de rotación. Los coeficientes de la función de optimización se sintonizan para obtener un comportamiento que priorice la rapidez del actuador de paso de palas pero sin sobrepasar su máxima capacidad de respuesta. Por último se presenta el lazo de control propuesto con el objetivo de limitar la potencia manteniendo la velocidad de giro nominal en el eje del generador. Finalmente en el Capitulo 6 se presentan distintos escenarios con los resultados de simulación en lazo cerrado bajo la consigna de mantener la condición de operación lo más cercana posible a sus valores nominales ante el ingreso de perturbaciones. Se evalúa el desempeño del control frente a variaciones en la velocidad de viento y de la tensión en la red eléctrica. Se realiza un análisis comparativo entre el controlador predictivo MPC y el clásico PID utilizado en muchos aerogeneradores actuales haciendo hincapié en la capacidad del primero para tener en cuenta de antemano las restricciones mencionadas. Asimismo se evalúan los resultados obtenidos al incorporar en el diseño original del MPC la capacidad de acción anticipativa cuando se tiene posibilidad de medir dichas perturbaciones. En el último escenario se evalúa el control propuesto tomando como base un registro anemométrico real al que se le agrega no solamente el cambio de velocidad de viento con la altura sino también un perfil de turbulencia especifico. Este viento efectivo sumado al efecto de sombra de la torre da lugar a variaciones de par similares a las medidas experimentalmente, las cuales se transmiten desde la turbina al generador. Abstract This thesis aims to make contributions in the area of wind energy, specifically oriented to blade pitch control of modern wind turbines in order to ensure the quality of the electrical generation parameters while keeping mechanical loads in secure operating range. In this regard, the design of a controller using the technique of model predictive control (MPC) is proposed. The objective is to regulate the power of a wind turbine by control of blades pitch angles, limiting to its nominal design value when there is an excess of the primary source in terms of the nominal wind speed. This type of control is currently the most widely used in commercial horizontal axis wind turbines regardless of the type of electrical generator involved. The simplest configuration of wind turbine is used as a reference machine in the present paper work, that is, variable pitch angle blades and fixed speed, directly coupled to the network via a squirrel cage induction generator (SCIG). However the studied MPC control strategy can also be extended to variable pitch turbines equipped with doubly fed induction generators (DFIG) or multi-pole synchronous generators. Chapter 1 describes the characteristics of the wind as a primary energy source and develops in abbreviated way the basic theories that quantify the maximum usable energy and its conversion into useful mechanical energy as a result of the aerodynamic forces involved in the wind rotor. Since the MPC controller uses the knowledge of the system to predict the evolution of the output, Chapter 2 develops a simplified mathematical wind turbine model in order to infer the dynamic behavior of its components from the nominal operating condition against possible changes in control inputs and disturbances. Chapter 3 study different ways to modify the operating condition of the turbines by manipulating the available inputs (blade pitch angle and the synchronous generator speed) .Then it describes briefly the most commonly used control strategies for different wind conditions. Chapter 4 is entirely devoted to the basics of model-based predictive control (MPC). It describes qualitatively its main features, building blocks and the strategy for obtaining optimal control actions. Later develops the basic mathematical formulation summarized in three fundamental components: The predictor model, the performance or cost function and the optimization problem solution. Chapter 5 numerically defines the linearized model turbine around the nominal operating point. Then it simulates and analyzes the temporal responses in absence of control. These open-loop transitory characteristics are the basis for the initial choice of the MPC controller parameters. The design phase incorporates the restrictions of control system, in particular those of the servo actuator of the blades, this is, the limit values of angle and velocity rotation. The coefficients of the optimization function are tuned for a behavior that prioritizes the speed of the blade pitch actuator without exceeding its responsiveness. Finally presents the proposed control closed loop in order to limit the nominal power by keeping the rated speed of the generator shaft. Finally Chapter 6 presents different simulation results of the proposed control against incoming disturbances under the premise of maintaining the operating condition as close as possible to their nominal values. The control performance is evaluated against variations of both wind speed and electrical grid voltage. Later a comparative analysis of classic PID and predictive MPC controllers is performed emphasizing the ability of MPC to take into account beforehand the mentioned restrictions. Also it is incorporated in the MPC design a feedforward (proactive) action taking into account the possibility of measuring wind and voltage disturbances. In the last scenario the proposed control is evaluated taking into account a real anemometer record to which is added not only the change in wind speed with height (wind-shear) but also a specific profile of turbulence. This effective wind combined with the tower shadow effect results in torque variations similar to those experimentally measured, which are transmitted from the turbine to the generator.