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El control por lógica difusa emula la forma en que un ser humano toma decisiones para controlar un proceso a través de una serie de reglas. En los Sistemas de Conversión de Energía Eólica está técnica también ha sido aplicada y en las siguientes referencias se presenta una revisión de las investigaciones realizadas:

En 1997, Simoes y colegas, diseñaron un sistema de control basado en tres controladores difusos, cada uno con un objetivo diferente. El primero, sigue la velocidad del generador con la velocidad del viento para extraer la máxima potencia. El segundo, programa el flujo de la máquina para el mejoramiento de la eficiencia con cargas ligeras. El tercero, entrega un control de velocidad robusto contra las ráfagas de viento y el toeque oscilatorio de la turbina.

En 1999, Perales y colegas, implementaron un controlador difuso que permite maximizar la extracción de la poetncia eólica y suavizar la variación del torque y en combinado con el control del generador que utiliza el método de control vector.

En 2000, Chen y colegas, persentaron un sistema electrónico de potencia basado en lógica difusa para el control del torque electromagnético para la máxima extracción de potencia y el mejoramiento del desempeño dinámico del Sistema de Conversión de Energía Eólica – SCEE. Esta técnica no necesitó de información sobre la velocidad del viento y a través de simulaciones se demostró la efectividad del método.

En el 2002, Prats y colegas, informan los resultados de su investigación cuyo principal objetivo era el mejoramiento del control de velocidad y la extracción de energía de una turbina eólica de 800 kW. El controlador difuso diseñado para el control del ángulo de paso y el torque, tiene como entradas el error de la velocidad y la medida de la velocidad del rotor, y como salidas tiene el ángulo de paso de referencia y el torque eléctrico de referencia. Con simulaciones realizadas se demostró la robustez del controlador difuso y se observó que puede mejorar el desempeño de la turbina eólica en diferentes velocidades de viento, por encima y por debajo de la nominal.

En 2006, Yang y colegas, desarrollaron dos sistemas de control difuso. El primero tenía como objetivo obtener la máxima transferencia de potencia y mantener la frecuencia constante con velocidad variable por medio del control de la velocidad del generador y alcanzar la máxima relación de velocidad de punta en velocidades de viento bajas. El otro control difuso fue diseñado para mantener la frecuencia y la potencia de salida constantes controlando el ángulo depaso y la velocidad de rotación de la turbina eólica.

En el 2006, Zhang y colegas, diseñaron un controlador difuso para controlar el momento de rotación del rotor aerodinámico y el momento inverso del generador. Se realizaron simulaciones y fueron comparadas con las realizadas por un controlador PID obteniendo resultados mejores.

En el 2006, Kumar y colegas, desarrollaron un control basado en lógica difusa para un Sistema de conversión de energía eólica con un generador de inducción de jaula de ardilla conectado a la red eléctrica y que tenía como objetivo mantener constante la velocidad del generador para diferentes velocidades de viento. En este controlador se definieron como entradas el error y su derivada, y como salida, fue definida la amplitud de corriente del estator.

En el 2007, Amendola y Gonzada, diseñaron un controlador difuso que controla la extracción de la energía eólica, aplicado al control del angulo de paso. la velocidad está regulada por otro controlador difuso que actúa sobre el torque del generador de modo que siga el valor de referencia generado  por un estimulador óptimo de la velocidad angular. Las simulaciones arrojaron buenos resultados en las tres regiones de operación de la turbina y con vientos turbulentos.

La lógica difusa es una extensión de la lógica tradicional (booleana) que utiliza los conceptos de pertenencia de sets más parecidos a la manera de pensar humana. El concepto de un subset difuso fue introducido por L. A. Zadeh en 1965 como una generalización de un subset exacto (crisp subset) tradicional. Los subsets exactos usan lógica Booleana con valores exactos como por ejemplo la lógica binaria que usa valores de 1 ó 0 para sus operaciones. La lógica difusa no usa valores exactos como 1 ó 0 pero usa valores entre 1 y 0 8inclusive) que pueden indicar valores intermedios (Ej.: 0, 0.1, 0.2, … 0.9, 1.0, 1.1, … etc). La lógica difusa también incluye los valores 0 y 1 entonces se puede considerar como un superset o extensión de la lógica exacta.

 

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La importancia del impacto significativo de la energía eóliac se inició a principios de los 80’s muy relacionado con la crisis del petróleo de mediados de los 70’s. Durante este periodo, una simple y robusto concepto de turbina emergencia y causó una muy popular impresión en la industria de la energía eólica. El simple y robusto modelo incluye un rotor de turbina de viento de tres álabes, una caja de engranajes, una máquina de inducción diractamente conectada a la red eléctrica y un sistema de control.

A pesar de ser barato y muy robusto, la calidad de la energía era muy pobre y, en algunos casos, esto influenciaba en el nivel del voltaje de la red eléctrica. Durante los 80’s, más instalaciones de generación eólica han sido limitados a pocos cientos de kilowatts para las redes existentes. El tamaño de aquellas instalaciones no deberían sobrecargar la estabilidad del sistema de potencia y el aseguramiento de la calidad del voltaje debía ser simple (cuando se conectaba a sistema de potencia convencionales).

La época de los 90’s representan un importante cambio a través de: nuevos conceptos emergencia causados por la demanda para una producción más eficiente y era completado con los requerimientos de la calidad de energía. Durante los 90’s, las turbinas de viento (o parques eólicos) crecieron en tamaño y capacidad desde pocos centenares de kilowatts al tamaño de megawatts. El incremento de la potencia de las parques eólicos en áreas con buenas recursos de viento trajo consigo la inquietud: “que tanto se puede tolerar las interferencias de la generación eólica a los sistemas de potencia?”. En esa década se hizo análisis de la calidad del voltaje de la energía eólica y la economía de los sistemas de potencia que incluyan generación eóliac.

A finales de los 90’s, con los parques eólicos en el rango de cientos de megawatts, se inicia los estudios sobre la estabilidad del voltaje transitorio de los sistemas de potencia. Estos estudios focalizan sobre el comportamiento dinámico de las máquinas de inducción durante perturbaciones, donde los efectos dinámicos de las turbulencias son despreciables. Durante el mismo período una tarea de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC estableció un procedimiento estándar: IEC 61400 – 21 para establecer los estándares técnicos de asegurameinto de la calidad de la energía eólica desde turbinas de viento.

Hoy en día, algunos sistemas de potencia tienen problemas de integrar cientos de megawatts de generación eólica, los cuales son desentratizados sobre grandes extensiones (distribuidos). En este momento, los problemas de planeamiento, operación y control de los sistemas de potencia con gran generación eólica son muy importantes de estudios. Sobre estos problemas, los principales cambios son clasificados en términos de planeamiento, operación y sistemas de gestión de energía, y de performance de sistemas.

En lo que es planeamiento se focaliza sobre la coordinación de los operadores de los sistemas de transmisión y la naturaleza estocástica de la generación eólica, esto incluye lo económico y financiero. También concierne a este item lo concerniente a la fiabilidad.

Los sistemas de operación y de gestión de energía focalizan el pronóstico de la generación eólica y su relación a comportamiento de tendencias. Esto incluye el análisis de seguridad y la reserva de potencia para establecer una operación fiable del sistema de potencia completo.

En lo que es performance del sistema de potencia, éste se focaliza en el control del voltaje y la frecuencia, los índices de calidad de potencia, y sobre el comportamiento dinámico de las fuentes de generación de potencia.


En la entrada anterior se había considerado el siguiente sistema de microturbina de gas conformado por una microturbina, un generador y un sistema de control:

Pues en la presente entrada me voy a central en la microturbina. Estas se construyen de pequeña y mediana potencia con la finalidad de aprovechar combustibles de no tan alto poder calorífico y que sirven como fuentes de potencia localizadas cerca o al interior del espacio geográfico perteneciente al usuario o cliente del sistema eléctrico.

La figura es un modelo de bloques de funciones de transferencia para la turbina sin un droop. Es similar a las más comúnmente usadas modelos de turbinas de gas dinámicas (acá tengo que investigar algo más). El modelo usado es limitado para una dinámica baja. Por tal propósito es razonable asumir que el sistema opera bajo condiciones normales, y por lo tanto lo que son dinámica rápidas tales como arranques, paradas de emergecia, fallas internas o pérdidas de potencia pueden ser despreciadas.

El modelo es basado asumiendo que el control de temperatura y control de aceleración no tienen impacto sobre las condiciones normales de funcionamiento y así pueden ser omitidos del modelo. La microturbina de gas no usa un governador, el cuano no es incluido en el modelo. El recuperador es también no incluido en el modelo, pero hay que recalcar, que el recuperador predominantemente incrementa la eficiencia del sistema.

Por mi parte, he colocado entradas de prueba como funciones cuadráticas, esto para probar el modelo, corregir errores, pero es posible que con datos de entradas de alguna base de datos se tendría resultados a comparar.

 


En la presente entrada se ha considerado las características de operación de una microturbina de gas. Este modelo se compone principalmente de una turbina, un generador y un sistema de control. En la figura de arriba en la parte superior se muestra el diagrama de bloques simplificado.

De todo este modelo esquemático se tiene un sistema de control sobre la potencial real que ha sido implementado por un convencional controlador proporcional – integral como se muestra en la parte inferior de la figura de arriba.

En el sistema de control, Pdem es la demanda de potencia, Pred es la potencia de referencia en unidades de porcentaje, Pin es la variable controlada de potencia a ser aplicada a la entrada de la microturbine de gas, Kp es la ganancia proporcional y Ki es la ganancia integral de l controlador proporcional – integral.

Os muestro esta simulación de ejemplo hecho en Matlab/Simulink con datos de entrada tomados a priori… claro que si se hubiera datos reales simplemente se cambia las entradas.


Con la introducción de la electrónica de potencia en los aparatos de casa desde hace años, la carga de potencia constante (CPL) con su impedancia diferencial negativa (NDI) ha sido introducida en la electrónica de potencia basado en cargas. Un equivalente circuito de la electrónica de potencia basada en CPL muestro a continuación.

Este tipo de aparato tiene un DNI y puede causar un voltaje de red oscilatorio. Hoy por hoy, el número de esta forma de carga se ha incrementado rápidamente y puede continuar incrementándose en el futuro., porque ellos son insensibles a las fluctuaciones del voltaje de la red. Otra CPL que se muestra con una enorme número y cantidad de potencia en el futuro cercano es la carga de baterías para vehículos eléctricos. El cambio automático de los taps de los transformadores son usados hoy en varios niveles de voltaje y es bien conocido que el uso de estos pueden afectar la estabilidad. Nuevos desarrollos en este campo son transformadores con electrónica de potencia que logran regulación instantánea del voltaje bajo cambios de carga. Debido a estos desarrollos, se puede trabajar una área de distribución con un CPL en las futuras redes.

Un voltaje de red oscilatorio debido al NDI del CPL es un fenómeno que ya se ha mostrado en los sistemas eléctricos de pequeñas microredes a bordo de buques, donde generadores se tornan inestables debido a su sistema de control que responde a un gran número de CPLs. Ante el rápido número creciente de CPLs, hay estudios para el diseño de los futuros sistemas de electricidad que incluyen una gran posibilidad de sistemas de distribución local aislados en situaciones críticas.


La progresiva liberación de los mercados eléctricos y la posibilidad de que pequeñas unidades de producción puedan vender su energía al operador de la red, supone un incentivo adicional a la implantación de generación distribuida y su posterior agrupación en microredes. Desde el punto de vista del cliente, la microred a la que pertenece cubre sus necesidades energ+éticas, da una mayor fiabilidad al suministro elèctrico, y permite, en determinadas circunstancias, suministrar energía a costes inferiores a los de mercado. Una microred puede participar en el mercado comprando o vendiendo energìa activa y reactiva ya que, si el consumo interno no alcanza los lìmites tècnicos de los microgeneradores, existe la posibilidad de vender en el mercado la energía excedentaria obteniendo un beneficio adicional. Dentro del sistema de control de la microred, estas tareas se llevan a cabo dentro del nivel de Control Central de la MIcrored.

El hecho de que una microred tienda a autoabastecerse cuando el precio de la energía es alto, supone una disminución de los costes de operación del que los clientes pueden también beneficiarse. Esto es debido a que en momentos de elevada demanda, cuando el precio de la energía eléctrica es alto, el control central de la microred trata de autoabastecer la demanda de la microred con generación propia, disminuyendo la carga sobre la red de distribuciòn de media tensión.

El hecho de que la mayor parte de cargas conectadas a una microred estén equipadas con un controlador que acepte consignas para disminuir el consumo o incluso su desconexión,. permitiría además que un cliente pudiera tener distintas prioridades a la hora de mantener el suministro, con la consiguiente repercusiòn en el precio pagado por energìa consumida.

La capacidad de predicción de la demanda es también un elemento de vital importancia en una microred, no sólo en la operación en modo isla en el que el balance de energía debe mantenerse, sino también durante el funcionamiento conectado a la red de distribución. En este último caso en base a la predicción realizada se lanzarán al mercado ofertas de compra o de venta de energía según las necesidades. Las predicciones en microredes deben ser principalmente de corto plazo, 1 – 4 horas. A diferencia de lo que ocurre con las herramientas clàsicas de predicción, la demanda de la microred, desdel punto de vista de la red de distribución, estarà correlacionada con el precio de la energía. Los modelos de predicción deberán por tanto incorporar esta información.

Otro parámetro que tambièn deberà ser estimado es el precio de la energìa por cuanto las ofertas de la generación distribuida dependeràn de este valor.


Una de las principales ventajas de los sistemas de transmisión de corriente continua es su alta controlabilidad. Por medio del control de los ángulos de disparo de los tiristores en las estaciones conversoras se puede modificar de forma casi instantánea el voltaje de salida de las conversoras, variando de esta forma la corriente continua y la potencia transmitida. La alta controlabilidad de los sistemas HVDC puede ser usada, además para controlar la corriente o potencia transmitida, para estabilidad el sistema AC al cual se encuentra conectada, para controlar la frecuencia de la red o para auxiliar al control de frecuencia de los generadores conectados a la estación rectificadora HVDC.

Las estaciones conversoras HVDC tiene normalmente un sistema de control básico encargado de controlar la corriente en el rectificador y el voltaje (por medio del control del ángulo de extinción \gamma) en el inversor. Cuando se desea controlar otras variables, como por ejemplo la potencia transmitida o la frecuencia del sistema, un sistema de control más avanzado debe generar señales adicionales en el sistema de control.

Algunos de los requerimientos más importantes que debe tener el sistema de control en una transmisión HVDC son:

  1. Suficiente rango de estabilidad y velocidad de respuesta en el control, principalmente cuando el enlace se conecta a sistemas débiles.
  2. Operación aceptable del rectificador y del inversor a variaciones de frecuencia. Grandes variaciones de la frecuencia pueden ser obtenidas cuando la transmisión HVDC es la única carga en un sistema de potencia.
  3. Bajos montos de armónicos no característicos generados por las estaciones conversoras.
  4. Un correcto funcionamiento en la operación de la estación inverosra, con el fin de tener la menor tasa de fallas de conmutación posible para distintas condiciones del voltaje.
  5. El menor consumo posible de potencia reactiva, es decir, operando con el menor ángulo de disparo posible \gamma y con el menor ángulo de extinción posible sin incrementar el riesgo de fallas de conmutación.
  6. Suave transición del control de corriente al control de voltaje DC ( o águlo de extinción).

El control rápido de las estaciones conversoras para prevenir fluctuación en la corriente DC es un importante requerimiento para  la operación satisfactoria en los enlaces HVDC. Los requerimientos de velocidad de respuesta son válidos principalmente para el control de corriente, y los requerimientos de una operación segura del inversor sin fallas de conmutación principalmente se refieren al control con ángulo de extinción constante. Los últimos requerimientos son más difíciles de cumplir a cabalidad y son la parte más complicada en los sistemas de control utilizados.

Con el objetivo de entregar una operación estable y eficiente, y maximizar la flexibilidad del control de la potencia sin comprometer la segudidad de los componentes del sistema de transmisión, existen varios elementos de control que son utilizados de una manera jerárquica.