Archivo para octubre 9th, 2012


En 2005, Bianchi y colegas propusieron un sistema de control de ganancia programada con el concepto de Sistemas Variantes de Parámetros Lineales (LPV del ingles Linear Parameter Varying) donde los objetivos principales son la maximización de la eficiencia de la conversión de la energía eólica, la operación segura, el amortiguamiento de modos resonantes, la estabilidad y la robustez. Esta estrategia fue aplicada a un Sistema de Conversión de Energía Eólica (SCEE) de velocidad variable.

En el 2007, Muhando y colegas, presentaron una estrategia de control que estabiliza al SCEE de velocidad variable en todos los puntos de operación por medio del método de ganancia programada, y además, utilizando estimadores para obtener el torque aerodinámico y la velocidad rotacional. Este control adaptativo utiliza la técnica Gaussiana Cuadrática Lineal (LQG del inglés Linear Quadratic Gaussian).

En 2007m Ostergaard y colegas, desarrollaron una estrategia de control en la cual se identificaron varias condiciones de operación del SCEE y fue diseñado un controlador cuadrático lineal (LQ del inglés Linear Quadratic) para cada punto de operación. Adicionalmente, como los estados y la variable de ganancia programada no están en línea era necesario el diseño de un observador para la estimación de estados y perturbaciones.

 

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Otra estrategia de control avanzada es la técnica de control H\inftly. Se da a continuación la revisión de algunas investigación realizadas sobre el tema y aplicadas al control de los Sistemas de COnversión de Energía eólica – SCEE.

Kraan y Bongers en 1993, propusieron un método de control que trabaja en un amplio rango de velocidades conmutando entre 5 controladores H\inftly que fueron acondicionados apropiadamente por medio de aproximación de observadores.

En 2001, Rocha e colegas, presentaron un diseño de un control basado en la metodología de H\inftly para un SCEE controlado por stall en condiciones de velocidad variable. Las funciones de peso son elegidas por el método de configuración de bucle.

En el 2003, Rocha y Filho, presentaron una estrategia de control multivariable que tiene como variables manipuladas al ángulo de paso y el torque del generador con el fin de obtener la máxima eficiencia de conversión de energía eólica reduciendo las cargas dinámicas. Adicionalmente, el modelo de SCEE es desarrollado y linealizado por un método no convencional.

En el 2005, Rathi y colegas desarrollaron una estrategia de control que pretende mitigar el efecto de los desbalances de voltaje de la red eléctrica sobre un SCEE con un DFIG utilizando el conversor del lado de la red, permitiendo que el voltaje del estatdor del DFIG permanezca balanceado y manteniendo al SCEE conectado a la red, resultando en un mejor utilización de la energía eólica.

En el 2006, Guo y Guo, presentaron el desarrollo de un control H\inftly para un SCEE de velocidad varialbe y ángulo de paso ajustable con un modelo indeterminado para trabajar en la zona de producción de potencia constante, con los resultados de las simulaciones se comprobó que esta técnica mantiene la estabilidad y tiene gran robustez.

En el 2006, Sakamoto y y colegas presentaron también un diseño de un controlador para mantener constante el nivel de potencia de salida de un SCEE por encima de la velocidad del viento nominal. Este control H\inftly fue diseñado por el método de Desigualdad de Matrices Lineales y presenta buen desempeño y robustez durante las simulaciones.

El nombre H\inftly se refiere a un espacio de funciones de transferencia propias (el grado del polinomio del denominador es mayor o igual al grado del polinomio del numerador) y estables (con polos estrictamente en el semiplano izquierdo), es decir, en lugar de repetir estos requerimientos sólo se dirá que G(s) pertenece a H\inftly. En control H\inftly, el objeto clásico de interés es una función de transferencia, de hecho se lleva a cabo un proceso de optimización sobre un espacio de funciones de transferencia, en el que se presupone una función objetivo o de costo por minimizar, por lo que es necesario comparar funciones de transferencia para elegir la mejor….


En 1994, Leith y Leithead, desarrollaron un control no lineal que variaba continuamente, de tal forma que el controlador siempre era el apropiado para la velocidad del viento, aunque no fuera posible tener una medida directa del viento, la que debía ser inferida. Se demostró que el control era robusto y se realizaron diferentes simulaciones que arrojaron como resultado un mejor desempeño frente a los controladores PI (proporcional – integral) y controladores clásicos lineales, en particular, la reducción del tiempo de espera en niveles de potencia altos y como consecuencia una disminución de las cargas del sistema de transmisión mecánico.

En 1999, Song y Dhinakaran presentaron una estrategia de control no lineal donde la velocidad del rotor es controladaa través del ajuste del voltaje del devanada de exitación, con esto se obtiene más potencia de salida sin involucrar otros aspectos mecánicos complejos, adicionalmente, el controlador no requiere de la medición o estimación de la velocidad del viento. En el 2003, Lin and Qingding, presentaron el diseño de un controlador para el régimen de producción de potencia constante, es decir, en la región en que el generador eléctrico trabaja a su capacidad nominal, usando la teoría de control no lineal. Este algoritmo fue aplicado para el ajuste del ángulo de paso en tiempo real buscando minimizar tanto la desviación de la velocidad del rotor de la deseada, así como el movimiento de actuador de cambio de ángulo de paso fuera el deseado.

En el 2005, Boukhezzar y Siguierdidjane, propusieron una estrategia de control no lineal en cascada para un Sistema de Conversión de Energía Eólica – SCEE de velocidad variable y ángulo de paso constante. El lazo interno (lazo de velocidad) es la enrrada y es controlada por el lazo externo (lazo de potencia) que consiste en el seguimiento de una potencia de referencia deseada. Esta estrategia de control fue validada en un simulador de turbina eólica con resultados satisfactorios. Ambos investigadores también presentaron en otra publicación otro diseño de controladores no lineales con realimentación para el seguimiento de la referencia de velocidad del rotor, y con un estimador de la velocidad del viento y el torque aerodinámico usando el filtro de Kalman. Su objetivo fue maximizar la energía extraída del viento mientras se reducían las cargas mecánicas.

El control no lineal es el conjunto de técnicas de análisis y diseño de sistemas de control no-lineales; un sistema de control no-lineal es aquel que tenga al menos un componente no-lineal; un componente es no-lineal si no cumple con las propiedades de homogeneidad o superposición. Los sistemas de control prácticamente siempre presentan no-linealidades, llamadas inherentes. Las siguientes son ejemplos de las más frecuentes de ellas: saturazión, zona muerta, histéresis, todo-nada, juego o huelgo, fricción estática, fricción de coulomb, resorte no-lineal, compresibilidad de fluido, producto de variables, raiz, polinomio, función trigonométrica, etc.


En el 2000, Song y equipo desarrollaron una combinación entre control adaptativo y control no lineal para regular la velocidad del rotor, lo cual es necesario para aumentar la eficiencia de generación de potencia. Los algoritmos de control se basaron en el modelamiento diánmico de los componentes mecánicos y eléctricos del Sistema de Conversión de Energía Eólica (SCEE) y fueron verificados por simulación en una turbina de eje horizontal de dos aspas. En el 2004, Sakamoto y su equipo presentaron el desarrollo del control del ángulo de paso a través de la técnica de control adaptativo usando un regulador de ausintonía que tiene un método de identificación de mínimos cuadrados. Adicionalmente, realizaron algunas simulaciones variando los parámetros del SCEE y verificaron que el método de control compensará la influencia de esta variación y nivelaría la potencia de salida.

Tanto en el año 2004 y 2006, Johnson y  colegas, utilizaron la técnica de control adaptativo para controlar el toque del generador en la región de crecimiento desde la velocidad de disparo hasta la velocidad de potencia nominal ingresa de su curva de potencia, con el objetivo principal de maximizar la extracción de energía de un SCEE de velocidad variable y teniendo constante el ángulo de paso. Adicionalmente, evaluaron la estabilidad del controlador.

El control adaptativo supone, como caso más sencillo, un proceso lineal y variante a controlar. Al ser variante el proceso, los coeficientes de su función de transferencia varían con el tiempo. El control adaptativo consiste en la identificación de parámetros del proceso y el cálculo de un nuevo regulador, todo ello en tiempo real, siguiente las variaciones de los parámetros y mientras se realiza el control.


Un generador eólico sigue la curva de potencia que se aprecia en la figura de a continuación:

la cual es característica de cada máquina y es obtenida por los fabricantes en laboratorios con condiciones especiales para su elaboración, la cual está normalizada según la norma IEC-61400.

Los objetivos de los sistemas de control de los Sistemas de Conversión de Energía Eólica (SCEE) en relación con la potencia son básicamente dos. El primero, en la región 2, es maximizar la extracción de energía eólica donde las velocidades del viento son bajas y las cargas estructurales también son relativamente pequeñas. El segundo objetivo, en la región 3, con velocidades de viento altas y con un crecimiento dramático de las cargas estructuras, es limitar dichas cargas pero manteniendo la producción de potencia eléctrica, por lo que es necesario limitar la potencia a un valor nominal. Si se superan las velocidades de viento de la región 3, el sistema hará un paro forzado de la máquina, protegiéndola de cargas aerodinámicas excesivamente altas que puean generar daño a los equipos y a las personas.

La curva del coeficiente de potencia representa el desempeño de la turbina eólica para la extracción de la máxima potencia.

Para cada valor de la relación de velocidad de punta (\lamba) existe un valor máximo de C_{p}. Cuando la velocidad del viento cambio, \lamba varía y para mantener el coeficiente de potencia en su valor óptimo es necesario variar el ángulo de paso \beta, éste es el principio fundamental para el control de la potencia  de los SCEE.

Básicamente, hay dos formas de limitar la potencia de salida cuando la velocidad del viento es la nominal o cuando está por encima de ella.

  1. La primera forma, conocida como regulación por pérdida de sustentación (stall regulation), se da aumentando el ángulo de ataque de modo que el flujo de aire se separe del perfil aerodinámico del aspa en el lado de succión. La regulación por stall puede ser pasiva o activa; pasiva, las aspas son fijas y se diseñan para que cuando la velocidad del viento alcance la nominal, el flujo de aire se desprenda de la cara contra el viento; activa, cuando se giran las aspas del rotor de tal forma que aumente el ángulo de ataque.
  2. La segunda forma es conocida como regulación por cambio en el ángulo de paso (pitch regulation) que se presenta cuando se giran las aspas de tal forma que el ángulo de ataque disminuya.

Los SCEE, dependiendo de su construcción tienen diferentes lazos de control. Entre los más importantes se encuentran: el control del cambio del ángulo de paso, utilizado para regular la potencia de salida en la velocidad del viento nominal o por encima de ella y para seguir una curva de potencia predefinida en el arranque o parada de la máquina; el control del torque del generador, que sirve para la regulación de la velocidad rotacional de los SCEE de velocidad variable; y el control de orientación (yaw control), el cual permite encontrar la dirección en donde la velocidad del viento es máxima.