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1. Introducción

Existen tres tipos principales de sistema de conversión electromagnética usadas actualmente con turbinas de viento [1] como se muestra en la Figura 1. El primero de ellos utiliza un generador de inducción asíncrono de jaula de ardilla; en este caso, la velocidad del rotor y la velocidad del estator son diferentes, por esta razón es necesario tener una caja multiplicadora o de engranajes para igualar las velocidades. Además, el deslizamiento del generador varía según la cantidad de energía generada, la cual no es constante, pero estas variaciones de velocidad son en orden de 1%, por lo tanto se considera como una turbina de velocidad constante o velocidad fija. En realidad, el diseño danés, o de velocidad constante, regularmente se combina con un control por pérdida de la energía aerodinámica.

El generador de inducción doblemente alimentado es otro tipo de generador que necesita un caja multiplicadora y además que el devanado de estator del generador esta acoplado a la red.

El último tipo de la clasificación es el aerogenerador de transmisión directa. En este caso la turbina de viento trabaja sin una caja multiplicadora. El aerogenerador tiene un generador síncrono multipolo o un generador con rotor de imanes permanentes y usando un convertidor de potencia es posible acoplarlo directamente a la red.

Hay dos métodos para conectar turbinas de viento a generadores para generar energía, como se muestra en la Figura 2. El método más común es el multiplicador de velocidad mecánica o caja de engranajes. En la primera configuración, la potencia mecánica es transmitida a la máquina eléctrica con una velocidad alta. Este método es el más usado por su ventaja de la estabilidad del sistema.

Una alternativa es acoplar el generador directamente a la turbina sin el multiplicador. Este diseño tiene sus ventajas y es atractivo porque reduce los costos de mantenimiento y elimina el elemento débil de la conversión de energía: el multiplicador de velocidad.

El aerogenerador de transmisión directa es económicamente viable porque elimina un número de fallas y una fuente adicional de ruido al quitar un elemento y resulta en un alto desempeño [2].

2. Clasificación general de generadores síncronos

El generador síncrono tiene dos elementos principales: el campo o rotor y la armadura o estator, este último tiene tres devanados como se observa en la Figura 3.

Actualmente, existen dos tipos de generadores síncronos que han sido utilizados en la industria de las turbinas de viento: el generador síncrono de rotor devanado y el generador síncrono de imanes permanentes, WRSG y PMSG por sus siglas en inglés, respectivamente [3].

3. Generador síncrono de rotor devanado WRSG

La velocidad del generador de rotor devanado está determinada por la frecuencia y dicha frecuencia depende del número de polos del rotor. El devanado del rotor es excitado con corriente directa utilizando anillos deslizantes y escobillas. También se utiliza sin escobillas y conectado a un rectificador de potencia.

La eficiencia de los generadores de transmisión directa es menor que la de turbogeneradores convencionales y también son más pesados. Los generadores de transmisión directa son diseñados con un gran diámetro para mejorar la eficiencia y reducir el peso de las partes activas [4].

La estructura de los modelos de turbinas de viento de velocidad variable con generador síncrono de transmisión directa y de aerogeneradores con velocidad constante son iguales. Además, de acuerdo a la literatura se menciona que el modelo del rotor así como la velocidad del rotor y los controladores de ángulo de paso son idénticos a los usados a los generadores de inducción doblemente alimentados [3].

En la Figura 4 se muestra la estructura de un aerogenerador de transmisión directa utilizando un generador síncrono.

4. Generador síncrono de imanes permanentes PMSG

El generador es una pieza central de un aerogenerador. El uso de imanes permanentes basado Neodimio tiene potencialmente altas eficiencias [5]. Estos generadores son predominantes en el mercado debido a su diseño modular y relativamente bajos requerimientos de mantenimiento [6].

De acuerdo a [6] los aerogeneradores modernos que son generalmente diseñados con generadores eléctricos de imanes permanentes y acoplamiento directo entre rotor y generador tienen las siguientes topologías más comunes:

- Generador de flujo axial con núcleo de aire.

- Generador de flujo axial con núcleo de hierro toroidal.

- Generador de flujo axial con núcleo de hierro ranurado

- Generador de flujo radial con núcleo de hierro ranurado.

- Generador de flujo transversal con núcleo de hierro ranurado.

En cada topología mencionada arriba, el tipo de flujo se refiere a la dirección de las líneas de flujo magnético cruzando el entrehierro entre los polos con respecto a la flecha rotatoria del generador. Las líneas de flujo alcanzan el núcleo de hierro y cambian de acuerdo a la geometría del núcleo. Las topologías más usadas en la industria son los generadores de flujo axial con núcleo de hierro ranurado y los generadores de flujo radial con núcleo de hierro ranurado. En la Tabla 1 se muestra una comparación entre las diferentes topologías.

Ventajas y desventajas de las turbinas de viento con transmisión directa y las turbinas de otras tecnologías

En el generador de imanes permanentes el número de polos no incrementa las pérdidas de la excitación como sucede en los generadores síncronos eléctricamente excitados.

En general algunas de las ventajas de los generadores de imanes permanentes de transmisión directa son: producción de energía en un pequeño porcentaje mayor si se compara con otros sistemas de generación con caja multiplicadora. Por otro lado, como desventajas el costo de los materiales ya que este tipo de generador necesita mejoras en los materiales (por defectos metalúrgicos) y la amortiguación de las vibraciones son las más representativas [7].

Las turbinas de viento manufacturadas por Enercon, Kenersys, Aeronautica y MTorres presentan ventajas técnicas, por ejemplo: invulnerabilidad a problemas derivados de perturbaciones de voltaje debidas a fallas en la red como resultado del uso de un convertidor o por pérdidas en el cobre del generador [8].

6. Control en aerogeneradores de transmisión directa

Los sistemas de control de aerogeneradores tienen numerosos sensores, actuadores, hardware y software. La principal función del hardware y software es procesar las señales de entrada de los sensores y generar la señal de salida para los actuadores que pueden ser hidráulicos o eléctricos, el control del torque del generador, los contactores del generador, los interruptores para activar los frenos de la flecha, entre otros [9].

La información técnica de los aerogeneradores acerca del control dice que la velocidad del rotor debe ser controlada debido a tres razones:

1. Capturar eficientemente más energía.

2. Proteger el rotor, el generador y el equipo de electrónica de potencia de sobrecargas a altas velocidades de viento.

3. En caso de que el generador sea desconectado accidentalmente.

En el libro Wind and Solar Power Systems de Mukund [10], el autor indica que los requerimientos de control de velocidad del rotor tiene cinco regiones, esto se muestra en la Figura 5 y se detalla a continuación:

1. Velocidad de corte a la cual la turbina comienza a producir energía.

2. Constante máxima Cp región donde la velocidad del rotor varía con la variación del viento para operar a TSR constante correspondiente al máximo valor de Cp.

3. Durante vientos altos, la velocidad de rotor es limitada al valor superior basado en el límite de diseño de los componentes del sistema. En la región de velocidad constante, Cp es menor que el valor máximo de Cp y la potencia se incrementa a tasas más bajas que en la primera región.

4. A velocidades de viento aún más altas, como durante una ráfaga, la máquina es operada a potencia constante para proteger el generador y la electrónica de sobrecargas.

5. Velocidad de separación. Más allá de cierta velocidad de viento, el rotor es apagado con el propósito de proteger las aspas, el generador y los demás componentes del sistema.

6.1. Control aerodinámico

El control aerodinámico del ángulo de ataque de las aspas es fundamental para determinar la cantidad de fuerza y torque generado por la turbina de manera similar a un aeroplano. Existen tres métodos para controlar este ángulo: regulación pasiva por pérdida, regulación activa por pérdida y control de ángulo de paso [11].

El control pasivo por pérdida aerodinámica emplea la reducción del coeficiente de sustentación y asocia incremento en el coeficiente de arrastre para colocar un tope a la potencia de salida a medida que aumenta la velocidad del viento, sin la necesidad de cualquier cambio en la geometría del aspa [9]. En aerogeneradores de accionamiento directo de imanes permanentes la geometría del rotor induce la parada y la potencia entregada por el rotor está limitada por las condiciones del viento [12].

6.1.2. Regulación activa por pérdida

El libro The Modeling and control of Wind Turbine muestra que en este tipo de control se tienen aspas con un mecanismo de control de paso ajustable para cuando la velocidad del viento excede el valor nominal, las aspas son controladas hacia el viento para reducir la energía capturada y así pueda permanecer en su valor nominal mediante el ajuste de ángulo de ataque de las aspas [13].

La velocidad del rotor es limitada para controlar la salida de potencia. Hay numerosos modos posibles de controlar la velocidad del rotor de la turbina con control de velocidad activo [14].

6.1.3. Control de ángulo de paso

El comportamiento aerodinámico de una turbina de viento puede ser controlado activamente variando el ángulo de las aspas alrededor de su eje longitudinal [15].

El control activo de ángulo de paso reduce el ángulo de ataque y por lo tanto el coeficiente de sustentación. Las principales ventajas del control activo de ángulo de paso son: el incremento de la energía capturada, la facilidad de frenado aerodinámico y la reducción de las cargas extremas cuando la turbina se apaga [9]. Cuando hay velocidades del viento en el sitio, los efectos del control de ángulo de paso regulan la energía eólica extraída de manera que no se excedan los límites de diseño de turbina [16]. El error entre la potencia de referencia y potencia medida en la salida de PMSG se envía al controlador PI para calcular el valor del ángulo de paso. Este sistema se muestra en la Figura 6.

6.2. Control lineal

El controlador más comúnmente usado en todos los equipos y procesos es el controlador PI o Proporcional-Integral. La acción de control es la suma de dos acciones, una es proporcional al error (la diferencia entre el valor deseado y el valor actual de la variable que se desea controlar) y la segunda es equivalente a la integral del error. La acción integral es utilizada para garantizar que el error en estado estable tenderá a cero, si no lo hace, el término integral hará que la acción de control continúe incrementándose. La parte proporcional es mayormente responsable a cambios rápidos en la variable controlada [9]. La principal idea es controlar la velocidad del generador variando la carga resistiva como entrada [17].

El control por ubicación de polos encuentra una ganancia K para retroalimentar los estados del sistema y para ubicar los polos en lazo cerrado en el lugar seleccionado [18], [19].

6.3. Control no lineal

Un tipo de estrategia de control no lineal es el control de modo deslizante que es un control robusto no lineal retroalimentado. Este puede ser utilizado en control de turbinas de viento. El control de modo deslizante puede ser utilizado en el diseño de observadores de estado, implementación de algoritmos avanzados de máquinas de corriente alterna por ejemplo como en control vectorial (Field Oriented Control en inglés) y en control directo de torque (Direct Torque Control en inglés) que requieren información de la posición del rotor y la velocidad.

Para ser específico, la posición del ángulo es utilizado para coordinar la transformación, mientras que la velocidad que se necesita en el control de velocidad de lazo cerrado como señal retroalimentada. Los métodos convencionales están basados en un transductor montado en la flecha del rotor. Sin embargo la presencia de tales sensores eléctricos incrementa los costos del sistema y la complejidad del hardware. Hay gran número de métodos de autosensado de la posición del rotor propuestas en la literatura, y los observadores de modos deslizantes (SMO, por sus siglas en inglés) es uno de los métodos más atractivos, los cuales han sido introducidos para estimar los parámetros de las máquinas de corriente alterna y su robustez a la variación de los parámetros donde la interferencia externa ha sido verificada [20]. Con la aplicación de SMO como base para el autosensado de la posición del rotor en control autosensado de la posición del rotor se pueden eliminar sensores.

6.4. Control inteligente

Algunas estrategias de control que han sido empleadas en turbinas de viento como técnicas de inteligencia artificial son lógica difusa, redes neuronales artificiales, computación evolucio-naria, etcétera. Actualmente, estas técnicas son propuestas y utilizadas en turbinas de viento con transmisión [21].

La operación con velocidad variable en turbinas de viento con transmisión directa puede incrementar la captura de energía y reducir el ruido, las pérdidas de potencia y mejorar la eficiencia. Gran cantidad de sistemas de control de turbinas de viento necesitan equipos de medición para adquirir la información en tiempo real pero los sensores incrementan el costo y reducen la confiabilidad de todo el sistema. Las redes neuronales artificiales son utilizadas cuando se requiere mapeo de entrada-salida no lineal variante en el tiempo y obtener resultados en tiempo real en diferentes condiciones de operación y seleccionando diferentes algoritmos de aprendizaje, arquitectura de red, etcétera.

El uso de otras arquitecturas tiene el objetivo de proporcionar un alto desempeño, mayor eficiencia y mejor control.

Modelo del aerogenerador con generador síncrono de rotor devanado

En el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias se diseñó un sistema de control de un aerogenerador con un generador síncrono de rotor devanado que incluye el control de la orientación de la góndola, la turbina de viento, la excitación del generador, el rectificador y el inversor de potencia. En esta primera etapa este sistema es de control de ángulo de paso pero utilizando un modelo de generador síncrono de rotor devanado modelado en MatLab-Simulink a partir del modelo mostrado en la Figura 7.

7. Conclusiones

El objetivo de este artículo es presentar algunas estrategias de control de turbinas de viento de transmisión directa. La mayoría de las estrategias de control desde el control clásico hasta el control inteligente es aplicado para generadores de imanes permanentes pero es importante conocer sus ventajas y desventajas técnicas, económicas y elementos ecológicos durante el diseño y considerar especialmente nuevas estrategias de control para turbinas de viento conectadas a generadores síncronos de rotor devanado.

Agradecimiento

Al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias.

Referencias

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[3] T. Ackerman, Wind power in power system, Ed. John Wiley& Sons, USA/UK, 2012.

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[17] M. Allagui, B. Q. Othman, & J. B. Hasnaoui, "Explotation of pitch control to improve the integration of a direct drive wind turbine to the grid," Journal Electric Systems JES , pp. 179-190, 2013.

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