Roles de los ESS en la integraci´on de la energ´ıa renovable

La gran variedad de ESS permite una gran cantidad de aplicaciones [85]. En princi- pio se podr´ıan mencionar dos grandes perspectivas o situaciones. Por un lado, desde el punto de vista del operador de la red, proveen servicios a la red brindando flexibilidad a la generaci´on. Adem´as, desde este punto de vista, representan la opci´on ´optima como herramienta para mitigar la variabilidad e incertidumbre para toda la red, en lugar de solo para cargas o generaci´on espec´ıficas. La optimalidad surge del hecho de que la integraci´on de grandes cantidades energ´ıa solar y e´olica a lo largo de grandes regiones geogr´aficas, resulta en una variaci´on neta e incertidumbre de la salida menor que la integraci´on de una sola planta de generaci´on de energ´ıa renovable. Por otro lado, para la generaci´on individual mediante recursos renovables o redes aisladas, puede ser in- teresante la colocaci´on de generaci´on y almacenamiento a nivel de la salida antes de la integraci´on con la red. Del lado de la demanda el uso extensivo de veh´ıculos el´ectricos

puede proveer un agregado substancial de almacenamiento de energ´ıa a la red [85].

6.7.

Conclusiones

Este cap´ıtulo present´o una estrategia de control para un convertidor dc/dc bidirec- cional para regular el intercambio de potencia entre un banco de supercapacitores y una MR con conexi´on a red. La ley de control propuesta est´a basada en una ´unica su- perficie de modo deslizante, la cual es capaz de cubrir todas las regiones de operaci´on, incluso el inicio del sistema. El uso de diferentes referencias de corriente dependiendo del objetivo particular permiti´o definir una ley de comando para los dispositivos semi- conductores de simple implementaci´on. El control propuesto puede ser implementando sin mayor dificultad en los DSP com´unmente utilizados para el control de convertido- res de potencia, y a su vez proveer una correcta operaci´on en diferentes condiciones, incluso ante cambios en los par´ametros del sistema. Adem´as, como toda la estrategia se implementa bajo MD, no se requiere compensaci´on de pendiente para ciclos de tra- bajo por encima del 50 %, como es requerido en controles de corriente de frecuencia fija tradicionales. Con el objetivo de evaluar la correcta operaci´on y robustez de la estrategia propuesta en situaciones reales, la ley de control fue implementada en un experimento de potencia. Se analizaron distintos escenarios cubriendo todos los mo- dos de operaci´on, incluyendo el inicio y situaciones extremas donde el supercapacitor alcanza el m´aximo de tensi´on. Estos resultados muestran que la estrategia de control propuesta exhibe una performance adecuada, incluso bajo la presencia de condiciones adversas. Algunas limitaciones de hardware pueden afectar la performance del sistema (nivel de ripple), especialmente durante el inicio del sistema. Estas limitaciones pue- den ser sorteadas por ejemplo con DSP con mejores conversores ADC, conversores ADC externos, etc. Esta es una limitaci´on del hardware disponible a la hora de realizar el experimento.

Parte III

Control mec´anico de turbinas e´olicas

Cap´ıtulo 7

Control de turbinas e´olicas con rango

de operaci´on extendido

En este cap´ıtulo se proponen algoritmos de control para turbinas e´olicas en el mar- co de su conexi´on a red para la generaci´on distribuida. Los objetivos principales son tener un control activo de la potencia capturada por la turbina y mitigar las cargas ae- rodin´amicas que se transfieren a la red. Se plantea trabajar en una regi´on de operaci´on extendida, lo que permite tener un control m´as amplio de la potencia. De esta forma, la turbina puede operar en distintos modos seg´un lo requiera el CCR. El control es realizado mediante el par del generador y el control del ´angulo de las palas. Debido a la gran diferencia en las constantes de tiempo involucradas, no se tiene en cuenta la din´amica el´ectrica. De todas maneras, para el control del subsistema el´ectrico los m´etodos convencionales son suficientes. El control de la turbina se realiza y analiza de forma progresiva. Primero se propone una estrategia de control en el marco del control ´optimo (H∞) robusto y luego en el de los sistemas lineales de par´ametros variantes

(LPV).

7.1.

Introducci´on

Hoy en d´ıa, la energ´ıa e´olica es la fuente de energ´ıa renovable disponible m´as competitiva a lo largo de todo el mundo. La utilizaci´on de materiales m´as livianos, la construcci´on de turbinas de mayor tama˜no y la incorporaci´on de estrategias de control autom´atico m´as vers´atiles, entre otros factores, han reducido dr´asticamente el costo de la energ´ıa e´olica en las d´ecadas pasadas.

Las turbinas e´olicas de potencia son sistemas din´amicos muy complejos. Son es- tructuras mec´anicas flexibles sujetas a perturbaciones distribuidas en tiempo y espa- cio, con din´amicas acopladas, poco amortiguadas, con restricciones f´ısicas, etc. Con- secuentemente, son operadas y controladas de diferente manera dependiendo de la velocidad del viento.

La Fig. 7.1 muestra la curva de operaci´on t´ıpica de una turbina e´olica en el plano velocidad de viento–potencia generada. En esta curva se pueden definir tres regiones

P o te n ci a

P

1

2

3

V

V

V

Figura 7.1: Curva potencia-velocidad de viento t´ıpica.

de operaci´on [86]. En la regi´on de baja velocidad de viento (regi´on 1, tambi´en cono- cida como regi´on de carga parcial), el objetivo es la maximizaci´on de la captura de energ´ıa. Este objetivo es alcanzado generalmente fijando el par del generador propor- cional al cuadrado de la velocidad de rotaci´on. Un objetivo complementario en esta zona es la reducci´on, o al menos la no amplificaci´on, de las cargas aerodin´amicas [87]. En la regi´on de alta velocidad (regi´on 3, tambi´en llamada regi´on de carga completa), el objetivo de control es regular la potencia generada por la turbina a su valor nominal, manteniendo la velocidad de rotaci´on dentro de l´ımites de seguridad. Esto es realizado generalmente manteniendo constante el par del generador en su valor nominal y regu- lando el ´angulo de paso de las palas para limitar la potencia capturada por el rotor de la turbina. En esta regi´on es muy importante la disminuci´on de las cargas mec´anicas y aerodin´amicas para la extensi´on de la vida ´util de la turbina. Entre estas dos regiones se encuentra la regi´on 2, tambi´en conocida como regi´on de transici´on. Aqu´ı se busca obtener una transici´on suave entre las dos regiones previamente mencionadas, donde difieren tanto los objetivos como las variables controladas. La regi´on 2 es una regi´on cr´ıtica debido a que la limitaci´on de la velocidad de rotaci´on incrementa las cargas mec´anicas en la turbina. Adem´as, la baja sensibilidad del par aerodin´amico respecto a la acci´on de control (´angulo de paso de las palas) da lugar a problemas de controlabi- lidad que imponen severas restricciones de performance en el dise˜no de controladores. Fuera del rango comprendido porVminyVmax, la turbina se encuentra fuera de funcio-

namiento. Por debajo deVminno hay energ´ıa suficiente en el viento como para vencer

las p´erdidas presentes en la turbina. Por encima de Vmax empieza a correr riesgo la

estructura de la turbina. Se suele requerir (generalmente el operador de la red) que las turbinas no se apaguen abruptamente por encima de Vmax [88]. As´ı, se requiere una

curva de apagado como la mostrada en la Fig. 7.2. De esta forma, se busca que ante r´afagas de vientos de alta velocidad no se pierda generaci´on de forma abrupta en la red, y de esta forma, dar tiempo al operador de suplantar esta generaci´on por otra.

El control de turbinas e´olicas en todo el rango de operaci´on de velocidades de viento ha sido abordado b´asicamente de dos formas. Por un lado, se ha propuesto un controlador multivariable dise˜nado para garantizar performance a lo largo de todo el rango de velocidades de viento. Este enfoque provee un proceso sistem´atico con ga-

7.1. INTRODUCCI ´ON 133 P o te n ci a

P

Figura 7.2: Curva potencia-velocidad de viento con apagado suave.

rant´ıas de performance y estabilidad. Sin embargo, debido a algunos problemas como la baja controlabilidad, cambios en la estructura y objetivos del control, se imponen severas restricciones en la performance global, dando lugar a soluciones m´as comple- jas y usualmente m´as conservadoras. Por otro lado, se han dise˜nado dos controladores diferentes para cumplir con los objetivos para la zonas de baja y alta velocidades de viento [89, 90]. Bajo este enfoque, es necesaria la utilizaci´on de un compensador anti- windup, que evite respuestas indeseadas luego de la conmutaci´on entre los controlado- res. La topolog´ıa de control preferida por la industria es la que contempla el uso de dos controladores, siendo la optimizaci´on de la transici´on entre los mismos un problema abierto para su estudio y mejora.

El control de turbinas e´olicas est´a siendo intensamente tratado en la literatura es- pecializada. El enfoque m´as b´asico utiliza una tabla de look-up (LUT) para fijar la referencia de par en baja velocidad dejando el pitch fijo, mientras que en alta veloci- dad un controlador PI regula la velocidad de rotaci´on y la LUT fija el par. Adem´as, se utiliza una compensaci´on mediante anti-windup cl´asico [87] para evitar respues- tas indeseadas en la transici´on de una regi´on a la otra. Sin embargo, ´ultimamente se est´a explorando una gran cantidad de t´ecnicas de control y herramientas avanzadas para dise˜nar controladores de alta performance. Por ejemplo, recientemente se han publica- do en la bibliograf´ıa estrategias de modo deslizante, no lineales, ´optimas y adaptivas [91, 92, 93, 94, 95, 96]. La mayor´ıa de estas propuestas est´an limitadas a la region de baja velocidad [94, 95] o a la regi´on de alta velocidad [96] de operaci´on, mien- tras que s´olo algunos consideran la operaci´on a lo largo de todo el rango de vientos [91, 92, 97, 98].

Durante a˜nos se ha prestado atenci´on a mejorar la performance del controlador en baja o en alta velocidad. Menos atenci´on se ha puesto en la regi´on de transici´on, donde no hay un objetivo claro definido, ver por ejemplo [86, 99, 97, 100, 101]. Sin embargo, debido a que los efectos indeseados de cargas, tanto mec´anicas como aerodin´amicas, se est´an incrementando debido a que el tama˜no de las turbinas es cada vez mayor (Fig. 7.3), la atenci´on se est´a desviando a la reducci´on de las cargas mec´anicas y aero- din´amicas. Es por esto que la operaci´on y performance del controlador en la zona de transici´on, donde adem´as aparecen problemas de baja controlabilidad, est´a recibiendo

Figura 7.3: Evoluci´on de las turbinas e´olicas. Fuente: Schlumberger, SBC Energy Ins- titute.

especial atenci´on tanto en la industria como en el ´ambito acad´emico.

En este cap´ıtulo se optar´a por el enfoque de dos controladores con compensaci´on anti-windup. En lo que resta del cap´ıtulo, se har´a un dise˜no y an´alisis gradual del control de turbinas para todo el rango de operaci´on de vientos, partiendo del control ´optimo y robusto de turbinas e´olicas y llegando al control LPV. Tambi´en se plantea el problema de regular la potencia a un setpoint establecido externamente por otro controlador. Por ejemplo, el controlador central de la micro red.

Luego, este cap´ıtulo est´a dividido en cuatro partes. En la primera parte se hace una introducci´on a la turbina e´olica como sistema y se plantean los objetivos de control. En la segunda parte se dise˜na y analiza un control ´optimo y robusto para toda la regi´on de operaci´on de vientos. En la tercera parte, se dise˜na un control LPV tambi´en para toda la regi´on de operaci´on y por ´ultimo, en la cuarta parte, se dise˜na un control que permita regular activamente la potencia generada.