Modelamiento y control de una central micro-hidráulica

Abstract

Las Centrales Micro-Hidráulicas son pequeñas unidades hidroeléctricas de potencia no superior a 100 \emph{kW} y que, en presencia del recurso hidráulico adecuado, representan una interesante alternativa de generación eléctrica en lugares alejados de la red eléctrica dada su alta confiabilidad, bajos costos de operación e impacto ambiental menor. Sin embargo, existen dificultades técnicas que un proyecto micro-hidráulico debe resolver para operar exitosamente como generador aislado. Una de estas dificultades es la capacidad de entregar una buena calidad de suministro, para lo cual es necesario mantener en sus valores nominales la tensión y frecuencia eléctrica. Este problema ha sido tradicionalmente abordado en la forma de control de tensión y control de frecuencia por separado, bajo el supuesto que ambas variables son aproximadamente independientes, situación que es particularmente cuestionable en pequeños sistemas eléctricos autoabastecidos y sometidos a variaciones bruscas de carga. En este trabajo de tesis se propone una estrategia de control de tensión y frecuencia para una Central Micro-Hidráulica, basado en Control Predictivo No-lineal, y que busca optimizar la respuesta dinámica de la planta ante variaciones de carga. Se desarrolla un modelo fenomenológico completo de una Central Micro-Hidráulica de laboratorio, enfocado en reproducir el comportamiento electromecánico ante perturbaciones en la carga eléctrica. Se obtiene un modelo de orden tres que, desde el punto de vista del control, representa un sistema múltiple entrada múltiple salida (MIMO) no-lineal, en donde las variables controladas están fuertemente acopladas. Se propone una metodología para el cálculo de los parámetros del modelo basada en pruebas experimentales sencillas, y se aplica al modelo de la planta de laboratorio. El modelo se valida experimentalmente mediante pruebas en lazo abierto, comprobándose que reproduce satisfactoriamente la dinámica de la tensión y frecuencia tanto en régimen permanente, así como en condiciones transitorias de desbalance de potencia. Posteriormente, se desarrolla una estrategia de Control Predictivo No-lineal realimentado en el estado para el control de tensión y frecuencia de la Central Micro-Hidráulica de laboratorio, en donde se utiliza como modelo interno el modelo fenomenológico desarrollado, y se define como función de costo una suma ponderada de los errores cuadráticos de tensión y frecuencia. Además, se plantea una estrategia de seguimiento de error para compensar los errores de predicción del modelo, y se propone la aplicación de un Filtro Extendido de Kalman para la estimación del estado del sistema, el cual es parcialmente observado. La estrategia de control propuesta se implementa en la planta de laboratorio, utilizando rutinas provistas por MATLAB para la resolución numérica del problema de optimización. Se realizan pruebas de tomas y rechazos bruscos de carga, en distintos puntos de operación, obteniéndose siempre respuestas en lazo cerrado estables y con error permanente cero. El análisis de las respuestas en lazo cerrado permite comprobar que la capacidad de predicción de la salida de la planta en el cómputo de las entradas óptimas, así como la consideración de la característica no-lineal y multi-variable del sistema, permiten obtener mejores respuestas dinámicas ante perturbaciones. Se mide la pérdida de precisión del modelo conforme se aumenta el horizonte de predicción, y se analiza el efecto de ésto en la calidad del control. Finalmente, se comparan la respuesta en lazo cerrado de la estrategia de control propuesta con la de dos lazos proporcional integral (PI) independientes para la tensión y frecuencia, obteniéndose siempre mejores respuestas dinámicas en términos de la función de costo y, en general, en términos de tiempo de estabilización y sobreoscilación máxima.