Diseño de estrategias de control predictivo para generación eólica utilizando una máquina de inducción de doble excitación

Abstract

En esta tesis se desarrollan y evalúan tres estrategias de control predictivo distintas en un generador de inducción de doble excitación (DFIG), que son: descentralizado, centralizado y distribuido. En la estrategia de control predictivo descentralizada el conversor back-to-back es regulado mediante dos controladores predictivos, uno para el lado rotor y el otro para el lado red, y mediante un controlador PI que mantiene el balance del voltaje en el DC-link. En la estrategia de control predictivo centralizado todo el conversor es regulado mediante un único controlador predictivo. Por último en la estrategia de control distribuido el sistema es regulado mediante dos controladores predictivos que comunican sus acciones de control. Para evaluar las estrategias de control planteadas se desarrolla un simulador que captura la dinámica de un generador doblemente alimentado mediante el uso del software Matlab-Simulink. Los controladores se programan de acuerdo a las estrategias de control implementadas y son aplicados en el simulador del generador. Se evalúa el desempeño de cada uno de estos, en base a los siguientes criterios de comparación: THD, error de seguimiento de las corrientes, error de seguimiento del voltaje de DC-Link, tiempo de ejecución del programa de cada controlador y frecuencia de switching. Se analiza también el desempeño de estas estrategias de control bajo condiciones de operación de estrés en la red, es decir, se somete el aerogenerador a una falla trifásica que implica una caída de la tensión de la red en un 70%. A partir de los resultados se concluye que es posible implementar las tres estrategias de control propuestas en el DFIG. Además se observa que el valor de la función de costos resulta ser mínimo en la estrategia de control centralizada seguida por la distribuida para presentar un menor desempeño en la estrategia de control descentralizada. En cuanto al error de seguimiento el voltaje del DC-Link es mejor para el caso centralizado, seguido por el distribuido, observándose el peor desempeño en el caso de descentralizado, con sobreniveles en torno al 4% cuando se cambia el punto de operación. Este resultado se debe a que en el caso centralizado el controlador encuentra un óptimo global, en cambio en el descentralizado los óptimos son locales. En general, los resultados de la estrategia de control distribuido son bastante similares a los obtenidos mediante la estrategia de control centralizado, con la diferencia de que se resuelve el problema de optimización dentro del tiempo de muestreo. Al analizar la distorsión armónica se observa que la frecuencia se encuentra distribuida a lo largo de todo el espectro lo que en aplicaciones reales complica el dimensionamiento de los filtros para armónicos y aumenta su costo, por lo que recientemente se han estudiado estrategias de control predictivo moduladas que utilizan una fase de modulación antes de conectarse a las compuertas de los IGBT's. Como consecuencia los armónicos se centran en torno a múltiplos de la frecuencia de la señal portadora. Por último al analizar el comportamiento de las estrategias propuestas en presencia de una caída de tensión en la red se producen sobrecorrientes en los enrollados del rotor que el convertidor lado rotor no es capaz de controlar. Además durante la contingencia es necesario utilizar un chopper para disipar el exceso de energía.