Modelo de un sistema de conversión para parques eólicos

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(1)Dedicado a mis papas Daniel y Consuelo, a mi hermana Diana y a Flor quienes me apoyaron y colaboraron durante esta etapa..

(2) MODELO DE UN SISTEMA DE CONVERSIÓN PARA PARQUES EÓLICOS. MARGARITA MARÍA CALDERÓN CELY. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ, D.C. 2006 - II.

(3) MODELO DE UN SISTEMA DE CONVERSIÓN PARA PARQUES EÓLICOS. MARGARITA MARÍA CALDERÓN CELY. Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniera Electrónica. Director: Gustavo Ramos. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ, D.C. 2006 - II.

(4) AGRADECIMIENTOS. El autor agradece a:. Gustavo Ramos, asesor de este proyecto de grado, quien aporto su conocimiento y experiencia a lo largo de este proyecto.. 4.

(5) TABL A DE CONTENIDO 1.. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 8. 1.1. JUSTIFIC ACIÓN ............................................................................................ 8. 1.2. OBJETIVOS .................................................................................................... 9. 2.. SISTEMAS DE GENER ACIÓN EÓLIC A........................................................11. 2.1. GENERALIDADES ......................................................................................11. 2.2. PRINCIPIOS DE LA POTENCIA DEL VIENTO ......................................12. 2.3. MÁQUIN AS EÓLICAS.................................................................................14. 2.3.1. Regulación por pérdida aerodinámica (Stall)....................................15. 2.3.2. Regulación por control de ángulo de aspa (Pitch)...........................17. 2.4 3.. MODELO DE GENERADOR EÓLICO EN PSCAD ................................19 SISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA CONECTADOS A UNA RED ............22. 3.1 4.. PROBLEMA DE INESTABILIDAD DE VOLTAJE...................................24 MODELO DE CON VERSIÓN PAR A SISTEMA EÓLICO ...........................26. 4.1. CARACTERÌSTIC AS...................................................................................26. 4.2. TRANSISTOR BIPOL AR DE COMPUERTA AISL AD A “IGBT”............28. 4.3. CONVERSORES DE CONMUTACIÓN FOR AZAD A ............................29. 4.3.1. Conversor Fuente de Voltaje .................................................................31. 4.4. 4.3.1.1.. Control por Corriente.......................................................................33. 4.3.1.2.. Control por Voltaje ...........................................................................35. DESARROLLO ESTRATEGIA DE CONTROL .......................................37. 4.4.1. Control del Rectificador...........................................................................38 4.4.2. Control del Inversor.................................................................................42 5.. FILTRO LCL........................................................................................................45. 5.1. LIMITACIONES DEL FILTRO LCL ...........................................................48. 5.2. DISEÑO DEL FILTRO DE RED LCL ........................................................48. 6.. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO DE CON VERSIÓN EN EL SISTEMA. EÓLICO .........................................................................................................................51 6.1 7.. VALID ACION DEL MODELO.....................................................................51 CONCLUSIONES..............................................................................................55. BIBLIOGR AFÍA.............................................................................................................56. 5.

(6) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Curva Cp - λ para una turbina de viento de 150 kW..............................13 Figura 2. Corte Transversal de una Turbina de Viento..........................................14 Figura 3. Regulación por Pérdida Aerodinámica. a) V<Vn y b) V>Vn ..................16 Figura 4. Curva de Potencia Stall para Turbina de 500kW...................................16 Figura 5. Regulación por Ángulo de Pala, a) β = 0º y b) β = 90º ........................17 Figura 6. Curva de Potencia Pitch para Turbina de 500kW..................................18 Figura 7. Parque Eólico en PSCAD ..........................................................................20 Figura 8. Simulaciones de la Turbina Eólica ...........................................................21 Figura 9. Simulaciones Generador Jaula de Ardilla...............................................21 Figura 10. Diagrama de Bloques de un Sistema Hibrido Diesel - Viento ...........22 Figura 11. Diagrama de Bloques de un sistema de Energía Eólica conectada a la Red.............................................................................................................................24 Figura 12. Diagrama global de un sistema de Parque Eólico.............................26 Figura 13. Diagrama del CC-PWM-VSI con filtro LCL..........................................27 Figura 14. Circuito Equivalente del IGBT.................................................................29 Figura 15. Rectificadores Trifásicos..........................................................................30 Figura 16. Rectificadores Trifásicos de Conmutación Forzada............................30 Figura 17. Rectificador de fuente de voltaje............................................................31 Figura 18. a) Conversor controlado con PWM, b) Operación de rectificador (FP = 1); c) Operación de Inversor (FP = 1); d) Operación capacitiva (FP = 0); y e) Operación de Inductor (FP =0)..............................................................................32 Figura 19. Condición de voltaje en el enlace DC....................................................33 Figura 20. Conversor Fuente de Voltaje Controlado por Corriente.....................34 Figura 21. Función de Transferencia de Lazo Cerrado del Conversor...............34 Figura 22. Diagrama de una fase del Conversor Fuente de Voltaje ...................35 Figura 23. Rectificador Fuente de Voltaje Controlado por Voltaje (FP=1).........36 Figura 24. Sistema de Conversion de Voltaje con IGBT`s....................................38 Figura 25. Generación de la Portadora Triangular.................................................39 Figura 26. Señal Portadora Triangular.....................................................................39 Figura 27. Señal Moduladora de Voltaje.................................................................40 Figura 28. Indice de modulacion Rectificador.........................................................40 Figura 29. Funcion de Medida de Potencia Reactiva del Sistema ......................41 6.

(7) Figura 30. Señal Moduladora del Voltaje (Sistema sin Perturbaciones)............41 Figura 31. Generación de Pulsos Rectificador........................................................42 Figura 32. Señal Portadora Triangular del Inversor...............................................42 Figura 33. Señal Moduladora de Voltaje del Inversor............................................43 Figura 34. Módulo de Control para Frecuencia.......................................................43 Figura 35. Módulo de Control para Voltaje..............................................................44 Figura 36. Filtro de Red L...........................................................................................46 Figura 37. Filtro de Red LCL......................................................................................46 Figura 38. Respuesta temporal de un conversor PWM. a) Filtro L b) Filtro LCL ........................................................................................................................................47 Figura 39. Filtro LCL....................................................................................................50 Figura 40. Red Eléctrica de Pruebas........................................................................51 Figura 41. Voltaje en p.u. de la red electrica (falla a los 20s)...........................52 Figura 42. Corrientes de la fase A, sin Filtro LCL.................................................53 Figura 43. Corriente de la fase A, con Filtro LCL .................................................53 Figura 44. Componente del 5to y 7mo armónico. .................................................54. 7.

(8) 1. INTRODUCCIÓN 1.1 JUSTIFICACIÓN En las últimas décadas se han venido presentando dos factores importantes que afectan el sector energético. El primero de ellos es el crecimiento de la demanda, donde los centros de carga se encuentran alejados de los centros de generación y el segundo es el incremento de la normatividad ambiental que limita el desarrollo de nuevos proyectos, pues el costo ambiental de estos es muy elevado. Por lo anterior, surge la necesidad de desarrollar tecnologías que permitan enfrentarse a los factores económicos y ambientales nombrados; se ponen en consideración proyectos con sistemas de Generación Distribuida con fuentes de energía renovables, como son la luz del sol, el calor, caídas de agua y viento. Una de las fuentes de energía que ha tomado mayor popularidad es la generación eólica, mediante el uso de turbinas de viento. Desde 1980 se han desarrollado Parques Eólicos con TVs que generan desde unos pocos vatios hasta megavatios. Estos parques han adoptado conversores centralizados, los cuales no son confiables dadas las perdidas de generación en la conversión, adicionalmente, estos no cumplen los requerimientos para grandes cambios en la impedancia característica de la red a la cual sirven, creando inestabilidades de voltaje que afectan en su totalidad el buen funcionamiento y la calidad de la energía que estos proveen. La deficiencia nombrada para este tipo de sistemas es un tema de estudio importante, dado que, el correcto desempeño del sistema de conversión y su capacidad de adaptación a las condiciones de la red a la cual sirve el Sistema Eólico, son factores críticos de los que depende la expansión y aceptación de este tipo de sistemas como alternativa para suministrar energía a grandes centros de carga.. 8.

(9) La solución que ha venido siendo estudiada como la más viable para implementar el sistema de conversión es el uso de un “current controlled (CC) pulse width modulated (PWM) voltage source inverter(VSI)” dado que permite trabajar con un amplio rango de condiciones de la red en términos de generación armónica y rigidez de la misma. Sin embargo, con este proyecto se quiere estudiar el desarrollo del sistema de control mediante el uso de una estrategia de control de voltaje, para poder determinar las ventajas y desventajas del sistema controlado por voltaje frente al sistema controlado por corriente. Para fines de este proyecto se trabaja con el software PSCAD en donde son desarrollados todos modelos, se escoge como el software adecuado dadas las herramientas potenciales de electrónica de potencia y para sistemas eólicos que posee. 1.2 OBJ ETIVOS General Modelar y simular un conversor DC – AC en aplicaciones de Parques Eólicos, para analizar su interacción con el sistema Eléctrico.. Específicos Investigar acerca de los Parques Eólicos, para tener una comprensión general del problema y del fenómeno de estabilidad de voltaje en este tipo de sistemas. Estudiar el problema de inestabilidad de voltaje debido a los conversores actualmente utilizados, para identificar sus principales limitaciones. Desarrollar un estudio teórico de la solución ya existente del filtro LCL, para luego realizar simulaciones y poder caracterizar su comportamiento en el Sistema Eléctrico.. 9.

(10) Proponer un modelo de conversor en aplicaciones para Parques Eólicos que presente mejor respuesta a la dinámica del sistema eléctrico. Diseñar una estrategia de control para el modelo propuesto. Validar el modelo propuesto para el conversor en aplicaciones de Parques Eólicos, como elemento de un Sistema de Potencia.. 10.

(11) 2. SISTEMAS DE GENERACIÓN EÓLICA. 2.1 GENERALIDADES El uso de generadores eólicos ha tomado gran popularidad en los países industrializados, dado que es una solución a la generación de energía eléctrica utilizando fuentes de energía renovables, como es la obtenida del viento. La energía eólica produce energía limpia, es decir que durante el proceso no hay producción de dióxido de carbono (CO2), ni se produce polución del aire, del agua y de terrenos, factores de gran importancia para los países que hacen parte del “Tratado de Tokio”, donde se comprometen a reducir la emisión de gases contaminantes. Otra de las ventajas de utilizar la energía del viento es que es gratis, es inagotable y hay en abundancia, lo que la hace una solución económica, dado que no depende de los precios del mercado del combustible. Sin embargo, la principal desventaja es que el viento es impredecible, por lo tanto se tienen periodos donde la energía que se puede obtener del viento debido a su velocidad es muy buena y momentos en donde esta es casi nula, luego los sistemas deben estar dotados de sistemas de control y supervisión que permitan trabajar en las condiciones mencionadas. Básicamente, el desarrollo en la tecnología y el interés en el estudio de esta fuente de energía renovable, han conducido a mejoras y avances en los diseños de las turbinas y en la utilización de las plantas permitiendo un incremento en la potencia generada.. Hace unos años la capacidad se. encontraba entre los 300 – 600 kW y actualmente se pueden encontrar generadores con capacidad entre los 1 – 3 MW. Los factores que han contribuido al desarrollo de la tecnología de la energía eólica son: fibras de mejor calidad para la fabricación de hélices más largas y más económicas, mejor operación y eficiencia de las plantas y las herramientas. 11.

(12) computacionales que permiten realizar prototipos en computador que permiten modelar y simular sistemas. El efecto de los factores anteriormente nombrados en los costos de generación 1 para este tipo de tecnología han sido favorables , ya que en 1980 un kWh. costaba 35 centavos de dólar, en 1999 el costo era 5 veces el de 1980 (7 centavos de dólar), actualmente el costo de generación por kWh es de 4 centavos de dólar, así mismo la inversión para un proyecto de este tipo es menor en la actualidad que hace 20 años. Actualmente, los costos de producción de energía eléctrica proveniente de la energía eólica son mayores que los de fuentes de energía fósiles. Por esta razón en países industrializados como los europeos se han adoptado medidas que estimulen el uso de fuentes de energía limpias, algunas de ellas son: •. Beneficios en impuestos a proyectos de inversión en parques eólicos.. •. Donación de recursos para instalaciones de proyectos.. •. Menores intereses en préstamos de fundaciones medioambientalistas para proyectos de energía renovable.. •. Incentivos en la producción (kWh) de energía de fuentes renovables.. 2.2 PRINCIPIOS DE LA POTENCIA DEL VIENTO La función de la turbina de viento es extraer la potencia proveniente de esta fuente de energía, esta habilidad depende principalmente de tres factores: •. Disponibilidad de potencia del viento. •. Curva de potencia de la máquina. •. Habilidad de la maquina para responder a las perturbaciones del viento. La potencia mecánica que puede ser extraida del viento a través de una turibina eólica esta dada por:. 1. Power Electronics Handbook. Muhammad, Rashid. Academic Press. 2001 12.

(13) Pm = 0.5ρ C p AU 3 [W ]. (1). Donde ρ [kg m -3] = Densidad del aire A [m 2] = Area de la hélice de incidencia del viento U [m/s] = Velocidad del viento C p = Coeficiente de Potencia El coeficiente de potencia indica el rendimiento aerodinámico de la turbina, este esta dado por una curva de CP - λ (ver figura 1), con λ la relacion de velocidad del extremo de la hélice que indica la velocidad de la turbina con relación a la velocidad del viento, si λ = 1 la turbina esta a la velocidad del viento, si es 2 esta al doble de velocidad.. λ=. rω A U. (2). Donde: r [m] = el radio de la turbina. ω A [rad/s] = la velocidad angular de la turbina.. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 1. Curv a Cp - λ para una turbina de viento de 150 kW. 13.

(14) 2.3 MÁQUINAS EÓLICAS Las turbinas de viento se dividen en dos categorias principales: turbinas de eje horizontal , en las que los ejes principales estan paralelas al suelo y turbinas de eje vertical, donde los ejes estan perpendiculares al suelo. Las turbinas de eje horizontal de tres aspas, son las utilizadas en generación de energía eléctrica dado que esta congifuración presenta el mejor balance mecánico y aerodinámico y tienen un mejor coeficiente de potencia, proporcionando una mejor relación de generación. Los componentes de una turbina eólica se muestran en la figura 2, el eje “shaf”t principal se encarga de transmitir el torque del rotor al gearbox y este a su vez se encarga de cambiar el número de revoluciones del eje al número de revoluciones deseadas para el generador.. Fuente: Wind Power. Kema Consulting Figura 2. Corte Transv ersal de una Turbina de Viento. Cuando la velocidad del viento es muy alta, lo potencia de éste excede la capacidad estructural de las máquinas, por esta razón se hace necesario 14.

(15) utilizar algún tipo de mecanismo aerodinámico que limite la potencia mecánica extraida que funcione para vientos por encima de determinada velocidad. Los métodos de regulación aerodinámico se pueden clasificar en tres categorías.. 2.3.1. Regulación por pérdida aerodinámica (Stall). Es un método utilizado en máquinas eólicas chicas y medianas con conexión directa a la red, dado que es simple y de bajo costo. Consiste en un control sobre el ángulo de incidencia “α” de la velocidad efectiva del viento, si la velocidad del viento “V” no supera un valor nominal “Vn” el ángulo α se encuentra en un rango de 5º a 12º, donde se producen los mejores coeficientes de potencia, esto se puede ver en la figura 3a. Cuando la velocidad del viento es mayor a la velocidad nominal de éste, como es el caso de la figura 3b, el ángulo de incidencia va a aumentar a un valor α > αk dado que aumenta el vector del viento y la velocidad de rotación (ωr) lo que genera un despegue de la capa límite y el flujo deja de ser fino, luego la potencia de la turbina se reduce considerablemente. Para el correcto funcionamiento de un sistema con regulación Stall, se requiere tener en cuenta factores muy importantes: •. Realizar un diseño cuidadoso de la geometría de las aspas, para lograr que el efecto Stall se presente a la velocidad del viento deseada, teniendo en cuenta que la estructura debe ser reforzada para soportar las vibraciones y empuje presentadas por el efecto Stall.. •. Garantizar que la velocidad de giro sea constante con un error de máximo el 10%., para esto se utilizan conexiones directas a la red o generadores asíncronos. Hay que prever el uso de frenos aerodinámicos y mecánicos para casos de emergencia, como por ejemplo desconexión de la red o fallas eléctricas, para evitar aumentos súbitos en la potencia sin control.. De la figura 4, se puede observar como la velocidad nominal del viento es aproximadamente 13 m/s que es cuando la potencia toma el valor de los 15.

(16) 500kW, para velocidades mayores a la nominal la potencia aumenta más de lo deseado, entonces entra en acción la regulación por pérdida, logrando que la potencia entregada por la turbina vuelva a tomar el valor nominal.. Fuente: Introducción y aspectos del Control de Maquinas Eòlicas. Ing. R. Oliva - 1998 Figura 3. Regulación por Pérdida Aerodinámica. a) V<V n y b) V>V n. Fuente: Introducción y aspectos del Control de Maquinas Eòlicas. Ing. R. Oliva - 1998 Figura 4. Curv a de Potencia Stall para Turbina de 500kW. 16.

(17) 2.3.2. Regulación por control de ángulo de aspa (Pitch). Este método realiza un ajuste continuo del ángulo longitudinal (β) entre de la pala y el plano del rotor, obteniendo una alteracion en el ángulo de incidencia del viento α y una modificación en las fuerzas sobre el aspa, por lo que es posible regular la potencia y la velodidad de giro. El ángulo β. puede tener valores entre 0º (plano del rotor coincide con la. cuerda), donde se obtiene un máximo rendimiento y 90º (plano del rotor perpendicular a la cuerda) el rendimiento en estas condiciones es mínimo, esto genera una reducción en las vibraciones (ver figura 5). Sin embargo, se pueden utilizar ángulos β < 0º, lo que genera un α de un valor mayor al crítico donde el aspa entra a un comportamiento en perdida o Stall como ya se explicó.. Fuente: Introducción y aspectos del Control de Maquinas Eólicas. Ing. R. Oliva - 1998 Figura 5. Regulación por Ángulo de Pala, a) β = 0º y b) β = 90º. La secuencia de uso que más se aplica es la siguiente: el rotor esta detenido o girando lentamente en bandera (β =_90°), mediante un actuador se lleva este ángulo cercano a los 45°, con lo cual el coeficiente de potencia (Cp) aumenta y el rotor toma velocidad; cuando las condiciones son las adecuadas entonces se lleva el ángulo cercano a 0°, se conecta la carga y mientras la potencia nominal 17.

(18) no sea superada el ángulo se mantiene. Cuando se percibe un aumento en la velocidad del viento o que la potencia supera el valor nominal se regula el β hacia ángulos mayores, reduciendo el Cp Este método tiene una exigencia estructural menor que el de Stall, sin embargo, tiene costos mas elevados dado que requiere de un control más elaborado y requiere de los actuadores que también generan incrementos en costos. El tercer método de regulación es por reducción de la superficie efectiva barrida por el rotor en la dirección del viento que es un método de regulación pasiva. Sin embargo, no se explica en este documento en gran detalle dado que solo se utiliza para potencias menores a 10kW.. Fuente: Introducción y aspectos del Control de Maquinas Eòlicas. Ing. R. Oliva - 1998 Figura 6. Curv a de Potencia Pitch para Turbina de 500kW. 18.

(19) 2.4 MODELO DE GENERADOR EÓLICO EN PSCAD Para el módelo del Parque Eólico, se tomaron las herramientas ya existentes en PSCAD, donde se encontraba el modelo de una turbina horizontal de 3 hélices, una fuente de energia del viento con salida de velocidad del mismo y un módulo de control por angulo “pitch”. Los generadores que más se utilizan en los Parques Eólicos, son el generador de inducción Jaula de Ardilla, el generador de inducción y el generador síncrono. Para el presente trabajo se utiliza un generador de inducción tipo jaula de ardilla controlado por el torque de la turbina de viento. Se escogió este generador dado que con él se puede tener una velocidad fija de salida que facilita el control de la turbina y ademas a la salida del generador no se van a tener cambios en la potencia luego permite realizar el sistema de conversión más fácilmente. En las figura 7 se puede observar el sistema implementado en PSCAD donde y los resultados de la simulación del Parque Eólico se pueden ver en la figura 8, donde se pueden observar las variables de torque, potencia y ángulo beta (pitch) de la turbina. Finalmente en la figura 9, se muestran las variables voltaje terminal y potencia del generador Jaula de Ardilla debido al torque de la turbina.. 19.

(20) Figura 7. Parque Eólico en PSCAD. 20.

(21) Parque Eólico. y. 0.670. Tturbine (pu). 0.580 PT(pu). y. 0.2200 0.2150 0.2100 0.2050 0.2000 0.1950. y. 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0. Beta (Deg). 0.0. 5.0. 10.0. 15.0. 20.0. 25.0. Figura 8. Simulaciones de la Turbina Eólica. y. y. Generador de Inducción 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 0.0. TERMINAL VOLTAGE. Pind. 5.0. 10.0. 15.0. 20.0. Figura 9. Simulaciones Generador Jaula de Ardilla. 21. 25.0.

(22) 3. SISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA CONECTADOS A UNA RED Los sistemas de energía eólica se pueden clasificar en tres tipos, el primero son los sistemas aislados lo cuales suplen energía a una casa o sirven para cargar baterías, en áreas remotas donde no llega enegía del sistema interconectado. En áreas apartadas es mas recomendable tener sistemas de diesel, dado que pequeños sistemas eólicos requieren del uso de baterias de respaldo lo que afecta la disponibilidad entre la energía del viento y la potencia demandada por la carga; adicionalmente, se incrementan los costos. El segundo de los tipos son los sistemas híbridos de diesel y viento que brindan una alta calidad en la potencia y son usados en sistemas descentralizados. Sistemas diesel sin baterías de respaldo tienen pobre eficiencia, requieren de mantenimiento y el costo del combustible es muy elevado. Dado que los generadores diesel requieren de un mínimo nivel de carga, requieren de cargas extras para disipar la energía extra resultante de la combustión. Se ha encontrado que una solución más eficiente resulta de la combinación del generador de diesel con baterias de respaldo cargadas por un inversor e incorporando un sistema que utilice una fuente de energía renovable como la eólica. Este tipo de sistemas híbridos pueden servir una red pequeña como sistemas de generación distribuidas en áreas rurales remotas.. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 10. Diagrama de Bloques de un Sistema Hibrido Diesel - Viento. 22.

(23) El tercer tipo son los Sistemas de Energía Eólica conectados a una Red, cuando las redes son aisladas tienen características de baja inercia, bajo amortiguamiento y un pobre soporte de potencia reactiva, se caracterizan también por tener cambios súbitos en la configuración generando cambios de impedancia drásticos. Estas condiciones débiles en la red llevan a que la totalidad del sistema reduzca la calidad de potencia que se le suministra a los usuarios, lo cual se manifiesta como variaciones en voltaje y frecuencia y picos de potencia. Por lo anterior, se requiere de un sistema de control y de almacenamiento que permita sobre llevar las condiciones debiles de la red, sin sacrificar la calidad de la potencia que el sistema suministra. Este tipo de sistemas pueden tener dos elementos de almacenamiento, el primero de ellos es el compuesto por las hélices y el rotor que tiene la incercia de la rotación, donde cuando existe una fluctuación en la velocidad del viento en lugar de aumentar la salida de energía eléctrica del generador, la fluctuación va a generar un aumento en la velocidad de la hélice que no va a crear un cambio significativo en la salida del generador. El segundo elemento de almacenamiento es mediante baterías, donde la energía adicional que se genera de una ráfaga de viento se puede almacenar en baterías y es liberada en donde exista debilidad en el viento o velociada casi nula, de este modo se puede tener un suministro constante de energía a la red, incluso cuando hay condiones de viento poco favorables, esto se puede observar en la figura 11.. 23.

(24) Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 11. Diagrama de Bloques de un sistema de Energía Eólica conectada a la Red. El sistema control debe mantener la salida de potencia a la red constante, debe monitorear las variables del sistema de la turbina y de este mismo modo enviar las señales de control al conversor y al inversor de modo que se ajusten para tener la salida deseada, sin que las fluctuaciones en la energía del viento se vean reflejadas en la calidad de la potencia que se le suministra a la red.. 3.1 PROBLEMA DE INESTABILIDAD DE VOLTAJE Los Sistemas de Energía Eólica conectados a una Red, tienen problemas de estabilidad cuando la red con la cual se encuentran interconectados es débil y hay cambios subitos en la operación del sistema, condiciones casi constantes en sistemas de generación distribuida. Cuando se presentan dichas condiciones débiles en la red, las grandes variaciones en la potencia llevan a que la calidad de la energía que se entrega a los usuarios se vea reducida, ya que se presentan variaciones en voltaje y frecuencia y cambios drásticos en la potencia. Se presentan también problemas de inestabilidad también cuando hay condiciones de velocidad del muy elevada donde la construcción aerodinámica de. la. turbina. y la. capacidad. del generador. no pueden. responder. adecuadamente, o por el otro lado, cuando la velocidad del viento es casi nula y no se puede obtener la energía necesaria.. 24.

(25) Por lo anterior, estos sistemas requieren de un sistema de control y de almacenamiento que permita sobre llevar tanto las condiciones débiles de la red y las condiciones cambiantes del viento, sin sacrificar la calidad de la potencia que el sistema suministra. El sistema control debe mantener la salida de potencia a la red constante, monitorear las variables del sistema de la turbina y de este mismo modo envíar las señales de control al conversor y al inversor de modo que se ajusten para tener la salida deseada, sin que las fluctuaciones en la energía del viento se vean reflejadas en la calidad de la potencia que se le suministra a la red (figura 11). En resumen, las perturbaciones de la red eléctrica que afectan la estabilidad del sistema son las siguientes: •. No linealidades del convertidor debidas a: los dispositivos electrónicos de potencia (tiempos muertos, caídas de tensión en directo, etc.).. •. Variaciones de los valores del filtro de línea y a su comportamiento no lineal con la frecuencia; pérdidas en el filtro y en el convertidor; retardos computacionales; etc.. •. Desconocimiento de la impedancia de la red eléctrica.. 25.

(26) 4. MODELO DE CONVERSIÓN PARA SISTEMA EÓLICO. 4.1 CARACTERÌSTICAS El funcionamiento gobal de un sistema eólico conectado a una red, consiste en una turbina de viento la cual se encuentra conectada a un generador por medio de un gearbox que hace el acople mecánico entre los dos elementos, el generador alimenta un conversor que toma la salida de voltaje y frecuencia variables y lo ajusta a un voltaje DC determinado por un capacitor, éste alimenta un inversor que tiene por función tomar ese voltaje DC y convertirlo en una salida AC con la amplitud y frecuencia necesarias para la red, esto luego pasa por un filtro y finalmente al transformador de la red (Figura 12).. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 12. Diagrama global de un sistema de Parque Eólico.. El objetivo primordial de un sistema de conversión y su control para este tipo de aplicaciones es el de asegurar la correcta administración de la potencia obtenida del viento, sin embargo, como este sistema se encuentra conectado a una red es necesario también realizar un control de la potencia reactiva y del voltaje DC que alimenta el inversor. Adicionalmente, el sistema de conversión debe estar en la capacidad de responder a los cambios de configuración en la red, siendo capaz de mantener el sistema en estabilidad, este es un problema que muy pocos estudios han abarcado. Existen estudios de este problema donde se utiliza un inversor de corriente modulado con PWM controlado por corriente (CC-PWM-VSI) que actualmente es la solución preferida (en la isguiente seccion es explicado en 26.

(27) detalle), ya que este tipo de control permite un manejo del contenido armónico y del factor de potencia de la corriente, como filtro para la red utilizan un filtro LCL (Figura 13), el problema del uso de este tipo de filtros en condiciones de red débiles es que puede llegar a ser resonante con la red, llevando el sistema a la inestabilidad.. Figura 13. Diagrama del CC-PWM-VSI con filtro LCL. Los requerimientos que se definen para los modelos del sistema de conversión son los siguientes: •. Salida de voltaje senoidal. •. Límites de Voltaje y frecuencia adecuados. •. Voltaje regulado. •. Alta eficiencia. •. Baja generación de armónicos. Adicionalmente, cuando el sistema es conectado a una red como en este caso hay que tener en cuenta los siguientes requisitos: •. Tiempo de respuesta. •. Factor de potencia. •. Control de frecuencia. •. Salida armónica. Para el sistema de control es muy importante tener en cuenta que el propósito del conversor es un manejo de la potencia activa que se suministra a la red, sin embargo, también debe ejercer un control sobre la potencia reactiva de la misma. 27.

(28) 4.2 TRANSISTOR BIPOLAR DE COMPUERTA AISLADA “IGBT” El IGBT desde 1980 ha sido fundamental para el desarrollo de aplicaciones de los transistores para altas potencias, gracias a él ha sido posible realizar nuevas aplicaciones que no serían posibles debido a los costos económicos que significaría la ausencia de este tipo de dispositivos. Inicialmente en aplicaciones de baja y media tensión y alta frecuencia se utilizaban los transistores BJTs o los MOSFETs, sin embargo, la utilización de este tipo de dispositivos no era la adecuada. Los primeros tienen muy buenas características en estado de ON, pero los tiempos de conmutación son muy altos especialmente para conmutación OFF; adicionalmente son dispositivos controlados por corriente con baja ganancia de corriente, por esto en estado de conducción requieren de un complejo circuito en la base para poder suministrar la corriente de base requerida en estado de conducción incrementando las pérdidas en el electrodo. Los MOSFETs no presentan los problemas mencionados de los BJTs, por el contrario, tienen muy buena velocidad de conmutación, no requieren de complejos circuitos de base, dado que son controlados por voltaje. Sin embargo, el problema se presenta cuando trabaja para voltajes superiores a los 200v, ya que se reduce su capacidad de conducción. El IGBT nace entonces como una combinación de las ventajas de los dos dispositivos nombrados anteriormente, estos reemplazan los MOSFETs en aplicaciones a alta tensión con menores pérdidas de conducción y frecuencia de conmutación, tiene voltaje de estado ON y densidad de corriente similar a la de un BJT.. 28.

(29) Figura 14. Circuito Equivalente del IGBT. Los IGBTs pueden tener su campo de aplicación en alta y media potencia, dado la versatilidad de sus características que los hacen aptos para trabajar en diferentes condiciones. Son utilizados en potencias medias, por ejemplo, en UPS, en fuente de potencia de voltaje y frecuencia constantes, en hornos de inducción, en sistemas de tracción y en equipos médicos, entre otros, ya que los. conversores de estas aplicaciones. que. utilizan. IGBTs. tiene. las. características de bajo ruido, pequeño tamaño, bajo costo y e xcelente precisión durante la operación. En alta potencia los IGBTs tienen su principal aplicación en manejo de motores y en sistemas de conversión (rectificadores e inversores), donde brindan la ventaja de la simplicidad y modularidad del sistema, sencillez en el manejo de la compuerta, bajas pérdidas en la conmutación, mejores características de protección para sobrecorrientes y cortocircuitos, aislamiento galvánico de los módulos y sencillez en la construcción mecánica del sistema. 4.3 CONVERSORES DE CONMUTACIÓN FORAZADA Este tipo de conversores, son construidos con semiconductores de compuerta con conmutación ON – OFF, esto permite un control total del conversor dado que se puede conducir o no por el dispositivo en cualquier momento que sea requerido (las válvulas pueden ser conmutadas muchas veces por periodo),. 29.

(30) esta es la principal ventaja de estos frente a los conversores de conmutación por línea (los tiristores solo pueden ser conmutados una vez por ciclo).. a) Conmutación por Línea. b) Conmutación Forzada.. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 15. Rectificadores Trifásicos. Las principales ventajas de los conversores de conmutación forzada son: la corriente o el voltaje pueden ser modulados (PWM) generando menor contaminación armónica y el factor de potencia puede ser controlado. Hay dos configuraciones para implementar conversores trifásicos de conmutación forzada la primera de ellas es como un conversor fuente de corriente (Figura 16a) y la segunda es conversor fuente de voltaje (Figura 16b).. a) Fuente de Corriente. b) Fuente de Voltaje Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 16. Rectificadores Trifásicos de Conmutación Forzada 30.

(31) 4.3.1. Conversor Fuente de Voltaje La operación de este tipo de conversor consiste en mantener un nivel de voltaje DC en el valor de una referencia deseada, mediante el uso de de un control realimentado. Esto se logra mediante una comparación de un voltaje de referencia (VREF) deseado con el valor real en el capacitor (VD), obteniendo un error que es la señal de entrada al sistema de control. Con esta señal se modela el PWM que determina los pulsos necesarios para que los IGBTs trabajen de acuerdo a los requerimientos del enlace DC. Esta configuración tiene una operación bidireccional de la siguiente forma: •. Operación de rectificación: Se presenta cuando el condensador esta descargado (ID > 0), por lo que el error le va a indicar al PWM que genere los pulsos necesarios para que se pase la cantidad de energía necesaria de la fuente AC, generando un mayor flujo de corriente desde el lado AC hacia el DC (figura 16).. •. Operación de Inversión: Se presenta cuando el condensador esta sobrecargado (ID < 0), en este caso el PWM envía los pulsos de forma tal que el lado DC retorne energía hacia la fuente AC.. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 17. Rectificador de fuente de v oltaje. Lo anterior con la acción del PWM permite al conversor manejar tanto la potencia activa como la reactiva, de este modo se pueden realizar correcciones del factor de potencia; adicionalmente, las ondas de corriente se pueden mantener casi senosoidales de modo que se disminuye la generación de. 31.

(32) armónicos. Los principales requisitos que debe cumplir el rectificador de modo que opere como es deseado son: •. El patrón del PWM debe generar un fundamental VMOD que tenga la misma frecuencia que la fuente AC. Mediante el cambio la amplitud y de la fase de esta señal respecto a la fundamental el conversor puede operar en los cuatro cuadrantes, como conversor con factor de potencia en atraso o adelanto y como inversor con factor de potencia en atraso o adelanto, ver figura 18.. •. Los diodos siempre deben mantenerse polarizados negativamente para todos los valores instantáneos de la fuente AC, de lo contrario el conversor operaría como un puente de diodos común. Para garantizar esto es necesario asegurarse que el voltaje en el capacitor siempre sea mayor que el voltaje pico generado por los diodos solos como se muestra en la figura 19.. •. Se requiere de un control realimentado de modo que se pueda ejercer un control sobre el voltaje del enlace DC, este puede ser un control por corriente de entrada o un control por voltaje y fase de la señal VMOD.. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 18. a) Conversor controlado con PWM, b) Operación de rectificador (FP = 1); c) Operación de Inv ersor (FP = 1); d) Operación capacitiva (FP = 0); y Inductor (FP =0). 32. e) Operación de.

(33) Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 19. Condición de v oltaj e en el enlace DC. 4.3.1.1.. Control por Corriente. Este tipo de control mide las corrientes de cada una de las fases y forzándolas a seguir el patrón de corriente senosoidal de referencia IREF. La amplitud de la corriente de referencia va a estar determinada por IMAX, que esta dada por: I MAX = eGC = e(V REF − V D ) donde GC representa el controlador. La forma senosoidal de la señal IREF esta dada por una señal con la misma frecuencia de la fuente y el ángulo de desplazamiento de fase deseado, lo anterior se puede observar en la figura 20. Para el diseño del conversor, es muy importante tener en cuenta que con el control realimentado el voltaje VD puede llegar a producir inestabilidad en el sistema, para esto es necesario realizar un análisis en el dominio de laplace, para mayor claridad se utiliza el diagrama de bloques de la figura 20.. 33.

(34) Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 20. Conv ersor Fuente de Voltaj e Controlado por Corriente. En el diagrama el bloque G1(s) representa la función de transferencia del rectificador y G2(s) la del enlace DC del capacitor VD, donde cada una es: ∆P1 ( S ) = 3(V cos ϕ − 2 RI s − Ls I s S ) ∆I s ( S ) ∆V D (S ) 1 = G 2 (S ) = ∆ P1 ( S ) − ∆ P2 (S ) V D C D S. G1 ( S ) =. Donde: V = Voltaje RMS de la fuente Is = Corriente RMS de entrada P1 = Potencia de entrada P2 = Potencia de Salida. Figura 21. Función de Transferencia de Lazo Cerrado del Conversor. 34.

(35) Con lo anterior y asumiendo que el controlador GC es de tipo PI, entonces se encuentra que las condiciones que se deben cumplir para el criterio de estabilidad son las siguientes:. Is ≤. CDVD 3K p Ls. Is ≤. K pV cosϕ 2 RK p + Ls Ki. 4.3.1.2.. Control por Voltaje. El control se lleva a cabo mediante la creación de un patrón de voltaje senoidal denominado VMOD, el cual es modificado en amplitud y fase para interactuar con el voltaje proveniente de la fuente (V). Para la generación de VMOD es necesario conocer las ecuaciones diferenciales que gobiernan al rectificador (Figura 22).. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 22. Diagrama de una fase del Conv ersor Fuente de Voltaje. v(t ) = Ls. dis + Ris + VMOD (t ) dt. donde i s (t ) = I MAX (t ) sen(ωt + ϕ ) v(t ) = 2Vsen(ωt ) De lo anterior se puede encontrar:. 35.

(36) ⎡ ⎤ ⎛ dI ⎞ VMOD = ⎢ 2V + X s I MAX senϕ − ⎜ RI MAX + Ls MAX ⎟ cosϕ ⎥ sen(ωt ) dt ⎠ ⎝ ⎣ ⎦ ⎡ dI ⎤ ⎛ ⎞ − ⎢ X sI MAX cos ϕ − ⎜ RI MAX + Ls MAX ⎟ senϕ ⎥ cos(ωt ) dt ⎠ ⎝ ⎣ ⎦ X s = ω Ls Se puede ver que VMOD puede ser controlada mediante variaciones de la amplitud de la corriente IMAX. Cuando se tiene factor de potencia unitario (cosϕ = 1 y senϕ = 0) entonces: dI ⎡ VMOD = ⎢ 2V − RI MAX − Ls MAX dt ⎣. ⎤ ⎥⎦ sen(ωt ) − X s I MAX cos(ωt ). El diagrama de control es como el que se muestra en la figura 22, es muy importante para este tipo de control que los bloques “-Xs” y “-R –sLs” emulen y reproduzcan con exactitud los valores reales de las variables correspondientes, ya que de esto depende el correcto desempeño del controlador al generar la señal de patrón de voltaje VMOD. Si esta reproducción real de las variables mencionadas se logra, los límites de estabilidad del rectificador van a ser los mismos que los hallados para el control por corriente.. Fuente: Pow er Electronics Handbook. Muhammad, Rashid Figura 23. Rectificador Fuente de Voltaje Controlado por Voltaje (FP=1). 36.

(37) En este método se utilizan dos parámetros que definen las características del conversor el índice de modulación “m” y la tasa de modulación de frecuencia “p”, donde cada uno esta definido como:. MAX. V m = MODMAX VT f p= T fs. Donde VT y VMOD son las amplitudes de la portadora triangular y del patrón de voltaje respectivamente; y fT y fs son las frecuencias de la portadora y la fundamental. Con estos dos parámetros se puede definir que cuando m > 1 existe sobremodulación lo que puede causar aparición de armónicos; en cuando a los armónicos “p” debe ser un número entero para evitar subarmónicos, adicionalmente si es impar se van a eliminar los armónicos de orden par y si es un múltiplo de 3 la modulacion PWM en las tres fases va a ser idéntica.. 4.4 DESARROLLO ESTRATEGIA DE CONTROL El control que se desarrolla es un control por voltaje, donde se controlan los pulsos de disparo de las compuertas de los IGBT`s del conversor (Figura 23), de modo que éste responda de forma adecuada a los cambios de condiciones del sistema que se le presenten. El modo de operación básico del conversor es un generador de pulsos de disparo, que son controlados por PWM, donde la señal portadora es una señal triangular y la modulación de la onda seno del sistema es por voltaje.. 37.

(38) Figura 24. Sistema de Conversion de Voltaj e con IGBT`s. Lo primero que se debe hacer es realizar la selección de la tasa de modulación en frecuencia p, que en este caso se escogio de 33, lo que da una frecuencia de conmutación fSW = 2kHz, teniendo en cuenta que la frecuencia fs = 60Hz. La frecuencia de conmutación es la frecuencia de la señal portadora triangular.. 4.4.1. Control del Rectificador La señal portadora triangular como se muestra en la figura 25, se genera a partir de un PLL que tiene como señales de referencia los voltajes de fase de salida del generador Jaula de Ardilla, de este módulo se obtiene una salida denominada theta que es una rampa entre 0º y 360º que se encuentra sintonizada a los voltajes de entrada, luego ésta es multiplicada por la tasa de modulación en frecuencia (p = 33), esto pasa luego a un modulo 360º que limita la rampa a este valor y finalmente se pasa a un modulo de generación de señales que toma como referencia la señal rampa que se tiene con la frecuecia de la portadora deseada y entrega la señal triangular deseada. De esta señal triangular se toman dos señales con el fin de poder tener los pulsos de encendido y de apagado que requieren los IGBT`s para su conmutación. En la figura 26 se puede obserbar la señal triangular obtenida y se puede ver como la amplitud de esta señal es la unidad, pues simplemente es una señal portadora.. 38.

(39) Figura 25. Generación de la Portadora Triangular. Triangular Rectificador 1.25. TrgRon. 1.00 0.75 0.50 0.25 y. 0.00 -0.25 -0.50 -0.75 -1.00 -1.25 2.1080. 2.1085. 2.1090. 2.1095. 2.1100. 2.1105. 2.1110. 2.1115. 2.1120. 2.1125. Figura 26. Señal Portadora Triangular. El modulo para generar la señal moduladora por voltaje es el que esta en la figura 27, se puede ver que es similar al ya explicado para la señal portadora triangular, sin embargo, luego que se crea la señal seno, se pasa por un modulo que cumple la función de entregar la señal seno con el índice de modulación indicado.. 39.

(40) Como se dijo cuando se definieron los requerimientos del sistema de conversión, es necesario que este realice un control tanto de la potencia activa como de la reactiva que se entrega al sistema, en este caso el control sobre la potencia reactiva se realiza en el inversor, donde el índice de modulacion (figura 28) es el polo real, de un PI de primer grado que se implementa para que la potencia reactiva medida (figura 29). sea la correspondiente a un. referencia Q del sistema. La señal moduladora de voltaje se puede ver en la figura 28.. Figura 27. Señal Moduladora de Voltaje. Figura 28. Indice de modulacion Rectificador. 40.

(41) Figura 29. Funcion de Medida de Potencia Reactiva del Sistema Señal Moduladora 1.50. RefRon. 1.00 0.50. y. 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 9.380. 9.390. 9.400. 9.410. 9.420. 9.430. 9.440. 9.450. 9.460. Figura 30. Señal Moduladora del Voltaje (Sistema sin Perturbaciones). La generación de los pulsos de encendido y apagado que son el control de compuerta de los IGBT`s, se realiza por medio de un generador de pulsos (figura 30) que tiene como referencia las señales portadora (on y off) y la moduladora (on y off), con esto genera los pulsos.. 41.

(42) Figura 31. Generación de Pulsos Rectificador. 4.4.2. Control del Inversor El control del inversor se realiza de modo similar al del rectificador, pero en esta ocasión para la generación de la señal portadora triangular se toman como referencia los voltajes que provienen de la red eléctrica a la cual se esta sirviendo (figura 32), los mismos voltajes de referencia se toman para la generación de la onda moduladora (figura 33) pero acá el control difiere al del rectificador en la generación del índice de modulación.. Figura 32. Señal Portadora Triangular del Inversor. 42.

(43) Figura 33. Señal Moduladora de Voltaje del Inversor. La señal moduladora para el inversor posee dos módulos de control, uno es con respecto a la frecuencia de la red eléctrica (figura 32); el otro tiene en cuenta el voltaje presente en la red (figura 33). Estos dos modulos son los que permiten que el sistema de conversión este en total sintonía con el sistema eléctrico y pueda responder de la forma adecuada a los cambios en la red. El módulo de control para frecuencia toma la frecuencia presente en la red y la compara con la refrencia que es a la cual debe estar el sistema en condiciones de operación normal. Luego con un integrador y un generador de polo real se obtiene una señal que va al control de la señal moduladora y crea un desfase que va compensar los cambios en frecuencia.. Figura 34. Módulo de Control para Frecuencia. El modulo de control para voltaje tiene una señal de referencia que es el voltaje en condiciones normales de la red y lo compara con el voltaje que se esta presentando en ese momento en la misma, luego por medio de un controlador PI genera el indice de modulación necesario para que la señal moduladora 43.

(44) tenga la amplitud tal que permita que el sistema de conversión responda a los cambios en la red.. Figura 35. Módulo de Control para Voltaj e. Finalmente, los pulsos de encendido y apagado para el sistema se generan de igual modo que para el rectificador.. 44.

(45) 5. FILTRO LCL Los filtros de red o filtros de línea tienen, fundamentalmente, dos funciones: •. Eliminar los armónicos de alta frecuencia debidos a las conmutaciones PWM del convertidor, con el objetivo de que éste entregue a la red corrientes sinusoidales puras.. •. Introducir una impedancia intermedia entre dos fuentes de tensión que son el VSC y la red eléctrica.. •. En caso de no conectar este filtro, la conexión directa del VSC a la red eléctrica provoca un cortocircuito.. La ventaja que tiene el diseño de un filtro de red frente a un filtro para un motor AC es que el primero trabaja a frecuencia constante (frecuencia de la red eléctrica) mientras que el segundo trabaja en un rango de frecuencias (20Hz120Hz). En cambio, el diseño del filtro de red tiene como inconveniente que, en la mayoría de las ocasiones, se desconoce el modelo exacto de la red en el punto de conexión; mientras que, en el caso de un filtro para una máquina AC se puede tener conocimiento del modelo de la máquina y de los valores de los parámetros de ésta. En aplicaciones de VSCs conectados a la red eléctrica, los dos filtros más usados son: •. Filtro L (Figura 36). Éste es un filtro de primer orden, por tanto, la frecuencia de conmutación del convertidor tiene que ser alta para obtener una atenuación elevada de los armónicos causados por el PWM con un tamaño razonable de las inductancias.. •. Filtro LCL (Figura 37). Éste es un filtro de tercer orden, con lo que se pueden obtener mayores atenuaciones a la frecuencia de conmutación para la misma inductancia equivalente que el filtro L. Esta atenuación es función de la posición de los armónicos debidos a la conmutación con respecto a la frecuencia de resonancia del filtro. Como tiene un condensador, el filtro produce potencia reactiva, por lo que es una. 45.

(46) solución muy útil en convertidores usados para generar potencia reactiva. Las desventajas del filtro LCL con respecto al filtro L es que la elección de los componentes es más complicada y también los algoritmos de control.. Fuente: Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niv eles NPC conectado a la red eléctrica. Universidad de Alcalá Figura 36. Filtro de Red L. Fuente: Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niv eles NPC conectado a la red eléctrica. Universidad de Alcalá Figura 37. Filtro de Red LCL. Los filtros L y LCL reducen los armónicos de alta frecuencia de la corriente de la red eléctrica, pero el empleo de unos criterios de diseño pobres puede causar más baja atenuación de la. esperada e incluso un aumento de la. distorsión debido a oscilaciones del sistema. Los armónicos de la corriente pueden causar saturaciones de las inductancias o resonancias del filtro. Aunque cuanto mayor sean las inductancias, menor es el rizado de las corrientes de red, el coste y las pérdidas del sistema limitan los valores de las inductancias.. 46.

(47) Desde el punto de vista de la respuesta temporal, la figura 38 representa la corriente de red de la fase a con su contenido armónico para un VSC funcionando como rectificador PWM conectado a la red eléctrica mediante un filtro L (Figura 38a) y un filtro LCL (Figura 38b). Como se observa, hasta la frecuencia de conmutación (fsw = 2.5kHz), los armónicos para el filtro LCL tienen mayor amplitud que los armónicos del filtro L, los armónicos debidos a la frecuencia de conmutación son menores para el filtro LCL y a partir de esta frecuencia prácticamente desaparecen los armónicos del filtro LCL.. Fuente: Optimización del comportamiento de un convertidor de tres niv eles NPC conectado a la red eléctrica. Universidad de Alcalá Figura 38. Respuesta temporal de un conv ersor PWM. a) Filtro L b) Filtro LCL. 47.

(48) 5.1 LIMITACIONES DEL FILTRO LCL La aplicación de un filtro LCL para realizar la conexión entre el sistema de conversión y la red, posee unas limitantes. La primera de ellas es la frecuencia de resonancia ya que para no crear problemas en el espectro de la corriente de la red y no complicar el diseño del controlador debe tomar un valor dentro del 2. rango : 10ω base ≤ ω o ≤. ω sw 2. , donde ω sw es la frecuencia angular de conmutación.. La segunda limitación que se presenta en el filtro LCL es respecto al valor del condensador shunt que se utiliza, dado que si el valor del condensador es muy elevado se disminuye bastante la impedancia del filtro, adicionalmente también implica un incremento en la corriente que circula por L 1 con respecto a la corriente que circula por L2, lo que conlleva a un aumento en la potencia reactiva que entregada por el filtro en vacío. Existe también una limitante en cuanto a los valores de las inductancias, ya que es recomendable que estas tengan valores muy altos, ya que esto limita las caídas de tensión y las pérdidas. En el caso de la inductancia L 2 es importante tener en cuenta que su valor no se puede reducir mucho, porque se corre el riesgo de que alcance valores comparables con la inductancia de la red eléctrica, provocando inestabilidades en la repuesta del sistema de conversión. 5.2 DISEÑO DEL FILTRO DE RED LCL Para el diseño del filtro se tienen en cuenta dos criterios el primero de ellos es en función de la frecuencia de conmutación, donde se determina la atenuación que se va a tener a la frecuencia angular de conmutación ωsw. El segundo criterio que se debe tener en cuenta es función de la frecuencia fundamental de. 2. M.Liserre “Design and control of an LCL-filter based Three-Phase Active Rectifier”. 48.

(49) la red, donde la idea es regular la emisión de armónicos de corriente hacia la red eléctrica, este criterio depende de la normatividad existente. 3. El diseño se realiza entonces partiendo de la siguiente ecuación :. L2 ≥. 3 4Co ω 2 SW. ⎛ 3 + ⎜⎜ 2 ⎝ 4Co ω SW. 2. ⎞ 80 ⎟⎟ + 2 ⎠ 16C oω SW. Para la elección del valor de L1 se obtiene de crear un equilibrio entre una frecuencia de resonancia baja y ri zado bajo en la corriente del conversor, con la relación L1 = 2L2 se obtiene un buen compromiso entre los dos factores nombrados. Para la elección de Co, se debe tener en cuenta que es el que determina la producción de potencia reactiva en vacío del filtro, luego se debe determinar el porcentaje de la producción de Q que se le va a dejar al filtro. Un valor del 5% de la capacitancia base es razonable. La frecuencia de conmutación del conversor es fsw = 2kH z, la capacitancia base es de 1,6mF. Con estos datos y utilizando los tres relaciones nombradas anteriormente se obtiene:. ω SW = 30,16k [rad / seg ] C o = 5%1.6mF = 83µF L2 = 0.2mH L1 = 2L2 = 0.4mH. 3. Idem 2 49.

(50) Figura 39. Filtro LCL. 50.

(51) 6. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO DE CONVERSIÓN EN EL SISTEMA EÓLICO. Para la implementación de todo el sistema en PSCAD, se utilizaron todos los componentes que se describieron en los capitulos anteriores, en la figura 40 se tiene la parte correspondiente a la red, la cual se implementa utilizando un modelo thevenín de un sistema, donde externamente se tiene el control de fase, voltaje y frecuencia, esto con el fin de realizar las modificaciones necesarias en la red.. Figura 40. Red Eléctrica de Pruebas. 6.1 VALIDACION DEL MODELO La primera prueba que se realiza es sobre el control donde se genera en la red una falla a tierra, de modo que exista un cambio subito en la impedancia de la red que persive el sistema de conversión y luego de despejada la falla el sistema vuelva a regenerarse. Esto se puede observar el la figura 41, donde a los 20 segundos debido a la falla se pierde estabilidad, pero luego se recupera.. 51.

(52) Main : Graphs 1.20. Vpu_I. 1.00. y. 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.0. 5.0. 10.0. 15.0. 20.0. 25.0. Figura 41. Voltaje en p.u. de la red electrica (falla a los 20s). En las dos siguientes gráficas se puede observar el comportamieto de la corriento, en los casos donde existe o no el filtro LCL; de la figura 42 se puede observar como la corriente que se le va a entregar a la red cuando no se tiene ningún tipo de filtro tiene mucha distorsión, por otro lado se puede observar en la figura 43, que cuando se encuentra ya implementado el filtro LCL la onda es de mejor calidad. Luego se muestran el 5to y 7mo armónico presentes en la correient, donde inicialmente no existe la activación del Filtro LCL y luego de la activacion se ve como la componente de estos dos armónicos disminuye notoriamente su magnitud. Sin embargo, cabe anotar que se requiere del uso de algun tipo de atenuación para eliminarlo por completo (Figura 44).. 52.

(53) Figura 42. Corrientes de la fase A, sin Filtro LCL. Corriente Fase A 20.0. Ia_LCL. 15.0 10.0 5.0. y. 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 -20.0 -25.0 10.500. 10.550. 10.600. 10.650. 10.700. 10.750. 10.800. 10.850. Figura 43. Corriente de la fase A, con Filtro LCL. 53. 10.900.

(54) Figura 44. Componente del 5to y 7mo armónico.. 54.

(55) 7. CONCLUSIONES Los sistemas de generación eólica se han ido desarrollando como una excelente alternativa de generacion de energía electrica con fuentes renovables, ya que ofrecen buena eficiencia a costos no muy elevados. El control de un sistema eólico tiene que poder administrar de forma correcta los cambios de impedancia subitos en la red a la cual sirven, para que estas no se vean reflejadas en inestabilidades del sistemas, de ahí que el sistema de conversión tenga la flexibilidad para manejar esos problemas, por eso es necesario realizar una correcta sincronización con la red. El control por voltaje es más exigente en la sintonización con las variables de la red electrica, dado que depende de la correcta medición y reproducción con exactitud los valores reales de las variables correspondientes, ya que de esto depende el correcto desempeño del controlador al generar la señal de patrón de voltaje VMOD. El control por voltaje es un control eficiente, dado que se ejerce un control sobre las corrientes del sistema sin necesidad de sensar estas variables, sin embargo, posee como desventaja ante el contro por corriente que no se ejerce un control directo sobre la corriente que se le entrega a la red. La implementación del Filtro LCL, permite que los armónicos producidos por las constantes conmutaciones de los IGBT`s de conversor, sean eliminados casi totalmente, sin embargo, bajo un control por corriente es posible llegar a una mejor sintonización de dicho filtro.. 55.

(56) BIBLIOGRAFÍA. Liserre, M. Teodorescu, R. Blaabjerg, F. “Stability of Photovoltaic and Wind Turbines Grid-connected Inverteres for a Large Set of Grid Impedances Values”.IEEE Transaction on Power Electronics. January 2006. Muhammad, Rashid. “Power Electronics Handbook”. Academic Press. 2001 Wekken, Ton van de. Wien, Fred. “Wind Power”. Power Quality and utilisation Guide. Section 8 – Distributed Generation. Kema Consulting. Octubre 2006. Delarue, Ph. Bouscayrol, A. “Modelling, control and simulation of an overall wind energy conversion system”. Renewable Energy 28 (2003). Acosta, Álvaro. “Métodos de Control de las Tecnologías FACTS”. Uniandes. 2005. Abril, Diego. “Diseño de Filtros para la Eliminación de Armónicos en Sistemas de Potencia Industriales y Comerciales”. Uniandes. 2003.. 56.

(57)