Alternativas de diseño y control de sistemas de generación eólica"./ "design and control alternatives for wind power generation systems

Resumen

Esta tesis está enmarcada en el uso de turbinas eólicas de poca potencia para su uso en sistemas de autoconsumo conectados a la red eléctrica. En este trabajo se hace un estudio de las tecnologías de generación existentes, así como las topologías de potencias más utilizadas y su control. Este trabajo tiene como objeto la mejora de los sistemas de generación eólica de poca potencia centrándose en aspectos como la eficiencia y la seguridad de operación de estos. Los temas principales de este trabajo son: Análisis y aplicabilidad de los diversos tipos de generadores eléctricos en turbinas eólicas, así como de las topologías de electrónica de potencia más utilizadas, con énfasis en aquellas de bajo coste con una eficiencia aceptable. En este aspecto se presenta un estado del arte con las tecnologías más utilizadas y se proponen mejoras en el control de las más relevantes. Estudio de los algoritmos empleados para el control de turbinas ante condiciones de funcionamiento desfavorable. En este trabajo se incluyen propuestas de nuevos algoritmos para incrementar la eficiencia y la seguridad de las turbinas cuando estas operan en condiciones de viento y velocidad desfavorables. Las propuestas incluidas están basadas en el uso de estimadores de par y velocidad, así como métodos soft-stall para identificar y proteger a la turbina cuando las condiciones de viento sean desfavorables. Estudio y propuesta de mejoras de métodos de emulación de turbinas eólicas que permitan realizar ensayos a nivel de laboratorio proporcionando un comportamiento dinámico realista. La presente tesis contiene las siguientes contribuciones científicas originales: Análisis de mejoras en los convertidores de potencia de sistemas de generación eólica basados en puentes de diodos, convertidor DC/DC elevador (boost) e inversor con generador de imanes permanentes, donde se sustituyen las inductancias del convertidor DC/DC por las propias del generador de imanes permanentes. Estas modificaciones permiten una mejora de la eficiencia del sistema y reducen el peso, volumen y coste del equipo completo. A modo de contribución científica se propone una estrategia de control para el uso de este convertidor modificado en sistemas de generación eólica donde el control de corriente del convertidor DC/DC debe de ser resintonizado para obtener una respuesta dinámica adecuada. Se incluyen los resultados derivados de las simulaciones y de resultados experimentales donde se demuestra su correcto funcionamiento. Método de control basado en algoritmos soft-stall para turbinas conectadas a red. Este método de control se centra en las protecciones del sistema cuando es sometido a condiciones de viento fuerte. El mecanismo de protección propuesto se basa en los límites de par, tensión y corriente que el generador y el convertidor de potencia puede manejar, diferenciándose de otros algoritmos ya existentes en los que solo la potencia máxima del sistema o la carga conectada al sistema son tenidos en cuenta. El algoritmo propuesto permite además el arranque controlado de la turbina, siendo capaz de identificar unas condiciones de viento desfavorables desde el arranque permitiendo mantener el sistema en funcionamiento en unas condiciones de seguridad, evitando continuos arranques y paradas. Este método de protección utiliza las señales eléctricas del convertidor sin incurrir en sensores adicionales. Se incluyen los resultados derivados de las simulaciones y de resultados experimentales donde se demuestra su correcto funcionamiento. Algoritmo para la estimación del par desarrollado por el generador y por la turbina eólica que mejora el funcionamiento del método de protección soft-stall también propuesto en esta tesis. El uso de una estrategia de control basada en estimadores de par complementa al primer método de protección de turbinas presentado ya que permite un control del sistema más suave, evitando transitorios bruscos de par. Adicionalmente, esta estrategia de control facilita la implementación de los métodos de protección al estar basada en el uso de funciones continuas. Se incluyen los resultados derivados de las simulaciones y de resultados experimentales donde se demuestra su correcto funcionamiento. Algoritmo para la estimación de la velocidad de giro de la turbina basado en el rizado de tensión a la salida del rectificador de diodos. Este algoritmo es una solución robusta para la obtención de la velocidad siendo insensible a una incorrecta parametrización del generador la cual puede estar debida por errores en la caracterización de este o a cambios en la temperatura de operación. Alternativamente también se explora la posibilidad de usar este estimador de velocidad como método para obtener la temperatura de los devanados del generador. Se incluyen los resultados derivados de las simulaciones y de resultados experimentales donde se demuestra su correcto funcionamiento. Se proponen dos métodos para la emulación de turbinas eólicas que permiten recrear de forma realista el comportamiento de la inercia del rodete de la turbina y del generador mejorando la respuesta dinámica de los métodos ya existentes. Los dos métodos propuestos están basados en sistemas continuos, lo que permite una mayor facilidad de ajuste y un entendimiento más claro de su funcionamiento. This thesis is focused in the use of low-power wind turbines for use in self-consumption systems directly connected to the grid. This work includes a study of the generation technologies as well as the power electronic topologies and their control. This work aims to improve low-power wind generation systems, focusing on aspects such as efficiency and safety of their operation. The main topics of this work are: Analysis and applicability of different generator technologies for wind turbines as well as the most widely used power electronics topologies. Emphasis was made on low-cost solutions with an acceptable efficiency. In this work, a state of the art of the most used technologies is presented and improvements in the control of the most relevant ones are proposed. Study of the algorithms used for the control of the turbines under unfavourable operating conditions. This work includes proposals for new algorithms to increase the efficiency and safety of turbines when they operate under unfavourable wind and speed conditions. The proposals included are based on the use of torque and speed estimators as well as soft-stall based methods to identify and protect the turbine when wind conditions are unfavourable. Study and proposal of improvements regarding wind turbine emulation methods improving its dynamic behaviour. This thesis contains the following original scientific contributions: Analysis of possible improvements in the power converters of wind power generation systems formed by diode rectifier, boost DC / DC converter and inverter with permanent magnet generator. The inductances of the DC / DC converter are replaced by the inductances of the permanent magnet generator. The studied modifications improve the efficiency of the system and reduce the weight, volume and cost of the equipment. As a scientific contribution it is proposed a control strategy for the modified converter where the current control of the DC / DC converter must be re-tuned to obtain an adequate dynamic response. It is included the results derived from the simulations and experimental results that demonstrate its correct operation. Development of a control method for grid connected turbines based on soft-stall algorithms. This control method is focused on the protections of the system when subjected to strong wind conditions. The proposed mechanism of protection is based on the torque, voltage and current limits that the generator and the power converter can handle, differing from other existing algorithms in which only the maximum power of the system or the load connected to the system are considered. Additionally, the proposed algorithm allows a controlled start-up of the turbine, being able to identify unfavourable wind conditions from the start-up, keeping the system running in safety conditions, avoiding continuous starts and stops. This protection method uses the electrical signals of the converter without the need of additional sensors. It is included the results derived from the simulations and experimental results that demonstrate its correct operation.} Estimation of the torque delivered by the generator and by the wind turbine improving the operation of the soft-stall protection method. The use of a control strategy based on torque estimators complements the first turbine protection method presented in this thesis since it allows a smoother control of the system, avoiding sudden current and torque transients. Additionally, this control strategy facilitates the implementation of protection methods by being based on the use of continuous functions. It is included the results derived from the simulations and experimental results that demonstrate its correct operation. Estimation of the speed of the turbine based on the voltage ripple at the diode rectifier. This algorithm is a robust solution for obtaining speed, being insensitive to incorrect generator parameterization, which may be due to errors in its characterization or changes in operating temperature. Alternatively, the possibility of using this speed estimator as a method to obtain the temperature of the generator windings is also explored. It is included the results derived from the simulations and experimental results that demonstrate its correct operation. Two wind turbine emulation methods are proposed allowing to recreate the inertia behaviour of the impeller of the turbine and the generator with a realistic behaviour, improving the dynamic response of the existing methods. The two proposed methods are based on continuous systems, which allow for greater ease of adjustment and a clearer understanding of their operation. It is included the results derived from the simulations and experimental results that demonstrate the correct operation of both methods.