Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 07-05-2022, Aprobado tras revisión: 08-07-2022
Forma sugerida de citación: Freire, A.; Toapanta, L.; Quinatoa, C. (2022). “Control orientado de voltaje del sistema de generación
de energía eólica conectado a la red”. Revista Técnica “energía”. No. 19, Issue I, Pp. 61-70
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.517
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Voltage oriented control of the grid-connected wind power generation system
Control orientado de voltaje del sistema de generación de energía eólica
conectado a la red
A.S. Freire
1
L.M. Toapanta
1
C.Q. Caiza
1
1
Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
E-mail: armando.freire2833@utc.edu.ec; miguel11celtic@gmail.com; carlos.quinatoa4@utc.edu.ec
Abstract
In this work, the behavior of primary wind power
disturbances in grid-connected wind power
generation systems is analyzed by simulating the
voltage oriented control (VOC) of a 2 MW type 4
wind turbine using Matlab/Simulink. In the VOC
the currents and voltages are controlled by
transforming the stationary abc axes of the grid, in a
rotating synchronous frame of dq0 axes using Park's
transform, in this way a phase locked loop (PLL)
control is used for phase synchronization of the grid
with the voltage source converter (VSC) by adjusting
the modulation index and phase angle, a voltage
control (external loop) where the voltage signals are
taken from the direct current bus Vcd that serves as
reference to the current output signals on the d-axis
and a tuning of 0 on the q-axis for the limitation of
reactive power delivery to the grid, a current control
(internal loop) that takes the reference signals Idq
and together with the current signals from the
inverter output, the active and reactive power
control is performed by means of a decoupled
feedback. As a result, the reference Vdq signals are
obtained for the switching of the IGBT's by means of
vector space pulse width modulation (SVPWM)
delivering at the inverter output the maximum
amount of active power delivered by the wind
turbine, maintaining the state variables such as
voltage and frequency for the grid connection, by
means of a stable voltage oriented control to wind
input fluctuations.
Resumen
En este trabajo se analiza el comportamiento de las
perturbaciones de energía primaria del viento en los
sistemas de generación eólica conectados a la red,
mediante la simulación del control orientado de
voltaje (COV) de un aerogenerador tipo 4 de 2 MW
utilizando Matlab/Simulink. En el COV las
corrientes y voltajes son controladas transformando
los ejes estacionarios abc de la red, en un cuadro
síncrono giratorio de ejes dq0 utilizando la
transformada de Park, de esta manera se utiliza un
control de lazo bloqueado de fase (PLL) para la
sincronización de fases de la red con el convertidor
de fuente de voltaje (VSC) ajustando el índice de
modulación y el ángulo de fase, un control de voltaje
(lazo externo) donde se toman las señales de voltaje
de la barra de corriente directa Vcd que sirve de
referencia a las señales de salida de corriente en el
eje d y una sintonización de 0 en el eje q para la
limitación de entrega de potencia reactiva a la red,
un control de corriente (lazo interno) que toma las
señales de referencia Idq y juntamente con las
señales de corriente de la salida del inversor, se
realiza el control de potencias activa y reactiva
mediante una retroalimentación desacoplada. Como
resultado se obtienen las señales Vdq de referencia
para la conmutación de los IGBT´s por medio de la
modulación por ancho de pulso de espacio vectorial
(SVPWM) entregando a la salida del inversor la
máxima cantidad de potencia activa entregado por
el aerogenerador, manteniendo las variables de
estado como voltaje y frecuencia para la conexión a
la red, mediante un control orientado de voltaje
estable a fluctuaciones de entradas del viento.
Index terms Grid-connected inverter, voltage
control, direct current, current control, power
factor, active power, reactive power.
Palabras clave Inversor conectado a la red, control
de voltaje, corriente directa, control de corriente,
factor de potencia, potencia activa, potencia
reactiva.
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de energía eléctrica han sufrido una
evolución desde sus orígenes hasta la actualidad, tanto en
lo que se refiere a medios de generación, transporte,
distribución y utilización, como a materiales empleados,
estrategias de operación, nuevas aplicaciones y fuentes
de energía, principalmente. En los últimos años, la
energía no convencional ha ido tomando fuerza
obteniendo iniciativas a lograr una mayor eficiencia en
todos los aspectos relacionados con la energía, lo cual,
unido a la creciente preocupación por el medio ambiente,
ha reactivado el interés por las llamadas energías
renovables. Una de ellas es la energía eólica, conocida
como una fuente de energía producida por el viento, este
tipo de generación busca desarrollar su eficiencia y
producción por medio de estudios enfocados a su
desarrollo, gracias al avance de nuevas tecnologías como
el diseño de turbinas, el control de accionamientos
mecánicos y la incorporación de la electrónica de
potencia.
La tecnología de energía eólica conectada a la red es
la tecnología de más rápido crecimiento en el mundo
actual. Sin embargo, la eficiencia y el rendimiento de los
sistemas eólicos todavía están en desarrollo. La
tecnología eólica produce una salida de potencia en
corriente directa DC; se necesita un inversor para
convertir la energía eléctrica DC de la fuente de energía
eólica en energía eléctrica de corriente alterna CA. El
inversor conectado a la red, el voltaje y la frecuencia de
salida deberían ser los mismos que los del voltaje y la
frecuencia de la red.
La práctica actual de los inversores eólicos se basa
principalmente en la topología del inversor de fuente de
voltaje (VSI) e inversor de fuente de corriente (CSI).
Mediante el uso de un simple circuito de control, el VSI
puede conseguir un alto factor de potencia. Por lo tanto,
los inversores de tipo control de corriente son más
populares.
En este documento, un estudio completo de un
controlador trifásico se presenta el inversor conectado a
la red. Para ello, se modela y simula el sistema de
conexión a la red por generación eólica mediante la
plataforma de simulación Matlab/Simulink. Este
documento es organizado de la siguiente manera: la
teoría de las tres fases, el inversor conectado a la red y la
estructura del sistema se discuten en la Sección 2, esto
consiste en el modelo matemático de control del inversor
del lado de la red. El controlador de corriente y voltaje es
diseñado en la Sección 3. Además, se explica el método
COV para los inversores de energía conectados a la red
en la sección 4. La simulación y el experimento del
inversor utilizado se detalla en la Sección 5. Por último,
el resumen de los resultados obtenidos en la sección 6 y
las conclusiones previstas en la sección 7.
2. DESCRIPCIÓN Y MODELADO DEL
SISTEMA
La Fig. 1, indica el diagrama de bloques que involucra
diferentes partes del sistema de conversión de energía
eólica (WECS), se utiliza el modelo tipo 4. El objetivo
sensible de esos sistemas es idéntico: convertir la energía
cinética del viento en electricidad e insertar esta energía
a la red [1].
Figura1: Sistema de generación de energía eólica de velocidad
variable
La potencia mecánica de la turbina generada por el
viento es:
(1)
donde ρ es la densidad del aire, A es el área de barrido
por las aspas, V es velocidad del viento, Cp es el
coeficiente de potencia, λ es la velocidad de punta y β es
el ángulo de inclinación de la pala.
El valor máximo de Cp está definido por el límite de
Betz, el cual indica que una turbina solo podrá extraer un
59% de la potencia de una corriente de aire [2]. En
realidad, los rotores de las turbinas de viento tienen un
Cp máximo entre el rango de 25% a 45%.
La siguiente expresión es generalmente utilizada para
determinar el Cp en la mayoría de las simulaciones de
aerogeneradores [3]:
(2)
Siendo
[4]:
(3)
En [5] se puede encontrar un modelo que se utiliza
frecuentemente y que está dado por los siguientes valores
de Cp constantes: c1= 0.517 6; c2= 116; c3= 0.4; c4= 5;
c5= 21; c6= 0.006 8.
La potencia mecánica se transforma a eléctrica por
medio de un generador síncrono de imanes permanentes
y la salida al lado del generador conectado a un
rectificador. De la Fig. 2, el condensador de la barra de
corriente directa, la relación entre el voltaje y la corriente
se define como:
(2)
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Freire et al. / Control orientado de voltaje del sistema de generación de energía eólica conectado a la red
Figura 2: Diagrama vectorial del sistema basado
donde C es la capacitancia del condensador, V
cd
es el
voltaje cd del capacitor, I
cdg
es la corriente de salida del
rectificador a la barra de corriente directa, I
cd
es la
corriente de salida de la barra V
cd
a la red.
El voltaje de la barra de corriente directa se utiliza
para el control en el lado de la red. En la Fig. 3 muestra
un control trifásico de modulación por ancho de pulso en
espacio vectorial (SVPWM) por medio de controladores
PI conectado a la red.
El sistema de control consiste de un condensador en
la barra de enlace cd, un inversor de fuente de voltaje VSI
trifásico, un filtro inductor, la barra de salida a la red y un
controlador digital.
El VSI trifásico, por medio del voltaje de entrada de
corriente directa convierte en un voltaje sinusoidal por
medio de señales de conmutación apropiadas para
obtener un voltaje desfasado a 120 grados por medio del
SVPWM.
Figura 3: Inversor trifásico SVPWM conectado a la red en un
sistema de energía eólica
El Control orientado al voltaje es una técnica de
control clásica utilizada en los convertidores VSI debido
a su simplicidad en la implementación [6], las variables
de la fase espacial de VSI se proyectan en un marco dq
que gira sincrónicamente, por lo que el sistema debe ser
desplazado a esta nueva referencia.
Esta técnica se utiliza tanto en sistemas trifásicos
como monofásicos, según [7] “Si el marco dq está
orientado de tal manera que el eje d está alineado en el
vector de voltaje de la red, el control se llama control
orientado al voltaje (COV)”. La Fig. 4 es el diagrama
vectorial del sistema basado en la orientación del voltaje
de la red.
Figura 4: Diagrama vectorial del sistema basado en la orientación
del voltaje de la red
Donde
w es la velocidad angular del marco dq que es igual a
la frecuencia angular de la red;
id, iq corrientes del eje d y q, respectivamente;
ud, uq voltajes del eje d y q, respectivamente.
La salida de voltajes del VSI trifásico en el marco de
referencia síncrono, basado en la orientación del voltaje
de la red, se obtiene la siguiente ecuación:
(4)
Donde:
R es la resistencia equivalente del inductor, L el filtro
inversor equivalente del inductor, ω es la velocidad
angular;
: Voltaje a la salida del convertidor en ejes d
y q, respectivamente;
: Voltaje en el lado de red en ejes d y q,
respectivamente;
: Corriente en el lado de red en ejes d y q,
respectivamente.
En el marco dq, la potencia activa (P) y reactiva (Q)
de un VSI trifásico conectado a la red, está dado por:
(5)
(6)
Debido a que la velocidad angular en el marco dq se
ajusta a la frecuencia angular de la red, las cantidades
transformadas se convierten en variables de tiempo-
invariante en estado estable, simplificando el diseño del
controlador. Esto se logra mediante un control de lazo
bloqueado por fase (PLL) [8] cuyo diagrama de bloques
se muestra en la Fig. 5. La entrada al bloque PLL es el
voltaje variable sinusoidal y la salida es el ángulo de fase
para la transformación abc-a-dq.
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 5: Diagrama de bloque del PLL
El controlador orientado por voltaje (COV) está
formado por un bloque integrador con reset, cuya función
es anular el resultado de la integración de la señal de
frecuencia angular ωnom, cuando se alcance el límite de
2π radianes. De esta forma se genera en la salida un
ángulo de sincronismo θdq variable entre 0 y 2π radianes
[9].
En la Fig.5, el voltaje se regula a cero usando un
controlador PI a lazo cerrado. La regulación de la
componente del eje q del voltaje a cero, por consiguiente,
(5) (6) puede reescribirse como (7) (8) respectivamente.
(7)
(8)
La potencia activa depende de la corriente del eje d,
que es proporcional y puede ser controlada por la
corriente del eje d, y la potencia reactiva depende de la
corriente del eje q [7].
Además, para lograr el flujo de corriente fundamental
del factor de potencia unitario, la componente del eje q
del vector de corriente de mando se sintoniza a cero.
3. DISEÑO DEL CONTROLADOR
Según [10], la estrategia del COV garantiza una
rápida respuesta transitoria y un alto rendimiento estático
a través del bucle de control de la corriente.
Como se muestra en la Fig. 5, la entrada al bloque
PLL es el voltaje de la red variable sinusoidal y la salida
es el ángulo de rotación del vector de voltaje o también
denominado ángulo de fase, que sirve para realizar las
transformaciones abc a dq0 o viceversa, ya sean para
voltajes como corrientes.
Existe un acoplamiento cruzado entre las
componentes del eje d y del eje q. Sin embargo, el
acoplamiento cruzado puede afectar al rendimiento
dinámico del controlador. Por lo tanto, es muy importante
desacoplar los dos ejes para mejorar el rendimiento
dinámico [11].
Se puede adoptar el método de control de
desacoplamiento por compensación de retroceso. El
diagrama de control del método de desacoplamiento se
muestra en la Fig. 6.
Figura 6: Control desacoplado de corriente
En la Fig. 6, id* e iq* son la corriente de referencia
del eje d y del eje q, respectivamente; vd* y vq* son las
salidas del controlador de corriente del eje d y del eje q,
respectivamente.
La ecuación de control de desacoplamiento viene
dada por:
(9)
(10)
El acoplamiento cruzado puede ser desacoplado por
(7)(8). Por lo tanto, las corrientes del eje d id y las del eje
q iq pueden ser controladas independientemente por la
corriente de referencia id * y iq *, respectivamente, de tal
manera que se controla la potencia activa y reactiva desde
la sintonización de sus referencias.
Para cumplir el código de red, uno de ellos, es
inyectar potencia a la barra infinita con un factor de
potencia cercano a la unidad, para lo cual la corriente
reactiva en el eje q se sintoniza a un valor de cero.
En consecuencia, se utilizan reguladores PI para
lograr una rápida respuesta dinámica y cero errores de
estado estacionario. El diagrama del controlador de
corriente se muestra en la Fig. 7.
Figura 7: Diagrama de bloques del controlador de corriente
En el diagrama, Ta es el período de conmutación, τ la
constante de tiempo, Ti es la constante de tiempo
integral, kp y ki son los parámetros proporcionales e
integrales, respectivamente; id*/iq* son las señales de
corriente de referencia en el eje d y q, respectivamente;
id/iq son las señales de corriente en el eje d y q,
individualmente y R es la resistencia del inductor.
El modelo utilizado en la Fig. 7 corresponde al
modelo de ajuste del módulo óptimo (criterio de valor
absoluto óptimo) se utiliza a menudo en la sintonización
convencional de los controladores analógicos. Cuando el
sistema controlado tiene una constante de tiempo
dominante y otra menor, la forma estándar de la función
de transferencia del sistema de control para el módulo
óptimo se logra cancelando la mayor constante de
tiempo, mientras que la ganancia de bucle cerrado debe
ser mayor que la unidad para tan alta frecuencias como
sea posible [12].
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Freire et al. / Control orientado de voltaje del sistema de generación de energía eólica conectado a la red
Este método es ampliamente utilizado debido a su
simplicidad y rapidez de respuesta [13]. Donde se busca
del diagrama de bloques que el término (1+Ti*s) sea
igual al termino (1+τs), se define entonces que τ=Ti.
Se obtiene entonces la función de transferencia del
sistema en lazo abierto:
(11)
La ganancia del controlador se obtiene con la función
de transferencia en lazo cerrado:
(12)
Luego:
(13)
Siendo:
(14)
(15)
(16)
(17)
Donde,
es el periodo de switcheo y
es la
frecuencia de switcheo por los conmutadores.
El controlador de voltaje de cd se discute como el
control Outer Loop o controlador de lazo externo.
Este control permite sincronizar el voltaje del lado de
la barra de corriente directa, mediante el control
desacoplado de corriente, para de esta manera por medio
de un valor de referencia
que ajusta el controlador
PI, de esta manera inyecta la máxima cantidad de
potencia, mediante la conmutación accionada por medio
de voltaje del inversor.
En la Fig. 8, se observa el diagrama de control de
voltaje.
Figura 8: Control outer loop
Para determinar la referencia de voltaje CD apropiada
, uno debe tener en cuenta los transitorios del sistema
y las posibles variaciones de voltaje de la red [14], para
el máximo
.
Donde,
corresponde al voltaje del capacitor.
Para el cálculo del voltaje del capacitor, previamente
es necesario saber a qué nivel de voltaje se va conectar el
inversor, para lo cual se utiliza lo siguiente:
(19)
Donde,
corresponde al voltaje línea – línea
de la red y m es el índice de modulación el cual puede
alcanzar como valor máximo de 1.
El voltaje de salida del inversor esta dado por la
siguiente ecuación.
(20)
4. INTEGRACIÓN A LA RED
Los sistemas electrónicos de potencia se utilizan con
frecuencia para la conversión de energía eléctrica a nivel
de aerogenerador, a nivel de parque eólico o a ambos, y
dentro del aerogenerador se utilizan convertidores
electrónicos de potencia para controlar los flujos de
energía activa y reactiva constantes y dinámicos hacia y
desde el generador eléctrico [15], [16].
Los convertidores utilizados por lo general en la
conmutación en el VSI están dados por los siguientes
tipos de interruptores (ver Tabla 1).
Tabla 1. Interruptores: valores nominales y características
máximas [17]
Datos
Voltaje
a
(V)
Corriente
a
(A)
Frecuencia
de
conmutación
b
(kHz)
Requisitos
del
convertidor
Interruptor
GTO
6 000
4 000
0.2-1
Alto
BJT
1 700
1 000
0.5-5
Mediano
MOSFET
1 000
28
5-100
Bajo
IGBT
6 000
1 200
0.2-20
Bajo
a. Máxima potencia de salida; b. Rango de operación.
Al utilizar un sistema back to back, compuesto por
convertidores accionador por IGBT´s, el flujo de
potencia es bidireccional como se puede observar en la
Fig. 9.
Figura 9: Aerogenerador de velocidad variable – flujos de
potencia activa y reactiva
(18)
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Cuando la potencia activa se entrega desde la red al
circuito de cd, el inversor funciona en un modo
rectificador (Pg > 0) y cuando la potencia se transfiere
desde el circuito de cd a la red (Pg < 0), el inversor está
en modo de inversión [14].
Figura 10: Diagrama de desfases y factor de potencia
5. SIMULACIÓN
Para la simulación, el modelo se basa en las
características de potencia de la turbina en estado
dinámico.
Tabla 2. Parámetros de la turbina
Parámetros
Valores
Potencia mecánica nominal
2.00 MW
Potencia base del generador
2.04 MVA
Velocidad del viento
12 m/s
Potencia mecánica nominal
1.0 p.u.
Velocidad rotacional base
1.0 p.u.
Ángulo de inclinación
0°
Diámetro
80 m
RPM mínimos
10.2 rpm
RPM nominal
22 rpm
Velocidad mecánica del rotor
2.3 rad/s
Área del rotor
5 026.54 m
2
Densidad del aire
1 225 kg/m
3
La transferencia de potencia depende de la velocidad
del viento como se presenta en la tabla 3, los valores de
lamba, coeficiente de potencia y la capacidad de la
turbina, en la cual a una velocidad de 12 m/s proporciona
la potencia nominal por la turbina a 2 MW con un ángulo
de inclinación (
Tabla 3. Parámetros calculados a distintas velocidades del viento
Velocidad
del viento
(m/s)
Lambda
Lambda
prima
Coeficiente
de potencia
Potencia de
la turbina
(MW)
6
15.33
15.29
0.43
0.29
7.2
12.77
12.74
0.48
0.55
8.4
10.95
10.91
0.49
0.89
9.6
9.58
9.54
0.46
1.26
10.8
8.51
8.48
0.42
1.64
12
7.66
7.63
0.38
2.01
La simulación emplea la máquina síncrona de imanes
permanentes por su ventaja de excitación interna, en la
Fig. 11, muestra la entrada de viento tipo escalón, que
sirve como referencia para la generación de 2 MW por
unidad.
(a)
(b)
(c)
Figura 11: Potencia activa generada p.u. a una entrada de viento
tipo escalón (a); tipo rampa (b); tipo aleatorio (c)
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Freire et al. / Control orientado de voltaje del sistema de generación de energía eólica conectado a la red
5.1. Control en el lado de la red
Tabla 4: Parámetros en el lado de red
Parámetros
Valores
Barra de corriente directa
Vcd= 2 000 V
Vcd ref=1 155 V
C= 1 000 μF
Línea equivalente
R= 2 Ω
L= 0.2 mH
Barra de salida del convertidor
V=1 225 V
f= 60 Hz
Tiempo de simulación
0.5 s
Tiempo discreto
1e-6 s
5.2. Control Lazo Bloqueado de Fase (PLL)
Para el control de lazo se determinan las señales de
voltaje de la red en el eje dq0, por medio de un control a
lazo cerrado se toma la frecuencia de trabajo de la red y
se la compara con un valor de referencia de 2* π *f.
(a)
(b)
Figura 12: Esquema de control PLL sincronizado con la red (a) y
ángulo de fase vs la onda de voltaje (b)
El resultado del lazo cerrado que es implementado
para la sincronización de la velocidad angular permite
que el sistema trabajé a una frecuencia de 60 Hz y a una
velocidad angular de 2* π *f = 377 aproximadamente.
Figura 13: Frecuencia estable a 60 Hz
5.3. Controlador de corriente (Inner Loop)
El control vectorial de corrientes que circula del
inversor a la red, se realiza mediante el siguiente esquema
de lazo interno.
Figura 14: Esquema de control inner loop
En la Fig. 14, muestra el esquema de control inner
loop que tiene como variables de entrada Vd, Vq, Id, Iq,
que son calculadas por parte del bloque de la
transformada de Park utilizando el ángulo (Wt) de la
sincronización con la red, además de la Id_ref y Iq_ref
que son valores dados por el investigador o también
pueden ser calculados que se presentarán más adelante.
Las variables de Vd* y Vq*, se acoplan a un
modulador por ancho de pulso en vector espacial
mediante la transformada de Clarke de dq0 a para
convertir la señal por medio del bloque SVPWM de
segundo nivel, el cual es encargado de enviar los pulsos
al inversor.
5.4. Controlador de voltaje (Outer Loop)
Figura 15: Esquema de control outer loop
En la Fig. 15, se muestra el control outer loop que
tiene como entrada Q*, es el valor con respecto a la
cantidad de potencia reactiva de referencia a suministrar
a la red, la división entre la referencia y la calculada da
como resultado la corriente Iq de referencia.
Además, para obtener la corriente Id de referencia se
realiza un lazo de control abierto, mediante la diferencia
Vcd de la barra de corriente directa, el Vcd calculado
anteriormente, da como resultado una corriente de
referencia en el eje Id que entrará juntamente con el eje
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Iq al control interno Inner Loop.
Para minimizar el valor de Q por medio del control
Outer Loop se tomó un valor de referencia 0 y el valor de
Vq=0 por tal razón las ecuaciones quedarían de la
siguiente manera mostrada en lenguaje de una función
empleadas por el programa.
Tabla 5: Constantes de control en lado de la red
Inner Loop (Modulus Optimum)
Kp
Ki
0.005 8
20 000
Outer Loop
Kp
Ki
0.8
200
5.5. Control orientado de voltaje (VOC)
En la Fig. 16, se muestra el control en el lado de la
red que este compuesto por el inversor, transformador
elevador, línea de transmisión, filtro y la barra infinita.
El VOC está constituido por un PLL, control Inner
Loop y control Outer Loop que se detallaron
anteriormente y permite en conjunto el control de la
potencia activa y reactiva por medio de los controladores
PI y los valores de referencia de P*, Q*, Id_ref y Iq_ref.
Figura 16: Control en el lado de red
6. RESULTADOS
6.1. Enlace Vcd
Figura 17: Señal de enlace del Vcd
En la Fig. 17, muestra la señal del enlace Vcd del back
to back, el cual tiene un valor de referencia de 1 155 V,
tiende a estabilizarse de acuerdo con el valor del Vcd
anteriormente calculado de 2 000 V, que llega cuando la
índice modulación es igual a 1.
6.2. Control de potencia activa y reactiva
Corriente: En la Fig. 18, se muestra las corrientes en
el eje dq en el lado de red, que permite manipular por
medio de los controladores PI, que son utilizadas en el
control inner y outer loop respectivamente.
Figura 18: Señales de corriente abc a dq
El comportamiento de las señales de corriente en el
eje dq, se deben al control desacoplado inner loop, la cual
es descrita anteriormente y se puede detallar que el valor
de Iq=0.
Voltaje: En la Fig. 19, se muestra los voltajes en el eje
dq en el lado de red, que intervienen en conjunto con
señales de las corrientes dq, en los controles inner y outer
loop respectivamente.
Figura 19: Señal voltaje abc a dq
Las señales de voltaje y corriente en el eje dq
permiten calcular los valores de potencia activa y
reactiva, considerando que la señal Iq=0 y además que la
variable Vq=0, no se emplea para el cálculo mencionado
anteriormente y por tal razón el valor de la potencia
reactiva tiende a ser 0, ver Fig. 20 y Fig. 21.
(a)
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Freire et al. / Control orientado de voltaje del sistema de generación de energía eólica conectado a la red
(b)
(c)
Figura 20: Señales de potencia entregadas a la red por el convertidor orientado de voltaje (COV) a una entrada de viento tipo escalón
(a); tipo rampa (b); tipo aleatorio (c)
Figura 21: Señales generadas por el control orientado de voltaje (COV) entregados a la red ante una entrada de viento tipo escalón.
7. CONCLUSIONES
La configuración empleada en la simulación es el
aerogenerador tipo D o tipo 4, debido a que presenta una
mayor eficiencia de conversión de energía eólica al
controlar la potencia activa y reactiva suministrada,
utilizando una turbina eólica de 2 MW con control de
pitch angle de (=0), que es el más utilizado para
velocidades variables ya que permite captar la mayor
potencia mecánica por la turbina, además está conectado
mediante un generador síncrono de imanes permanentes
por accionamiento directo (sin caja de engranajes), para
lo cual se implementa un control back to back
compuestos por un rectificador e inversor accionado por
IGBT´s, capaz de permitir el flujo de potencia
bidireccionalmente con la red.
La configuración elegida se simula mediante el
software Matlab/Simulink implementando un control
PLL, donde sincroniza el ángulo de fase dado por la
velocidad angular, para mantener un voltaje y frecuencia
cercano al nominal, además de un control INNER LOOP,
que modifica las corrientes de potencia activa y reactiva
Idq del sistema, conjuntamente con el control OUTER
LOOP que aporta con señales de referencia Vdq,
obtenida de la barra de corriente directa, de manera que
el inversor entrega la máxima cantidad de potencia activa
por el aerogenerador, cumpliendo el código de red.
Los resultados arrojados en la simulación presentan
un valor de potencia activa de 1.7 MW aproximadamente
con signo (-) en la señal, significado que está
suministrando a la red, mientras que la potencia reactiva
es aproximadamente a 0, cumpliendo el código de red
establecido en los sistemas de energía eólica al entregar
a la red, un factor de potencia igual o cercano a la unidad
manteniendo el voltaje y frecuencia dentro de su valor
nominal, entregando la máxima cantidad de potencia
activa a la red.
AGRADECIMIENTOS
Nuestro sincero reconocimiento y gratitud a la
Universidad Técnica de Cotopaxi por abrirnos las puertas
de la Institución, para podernos formar como
profesionales, impartiendo conocimientos de vital
importancia para nuestro desempeño en el campo
profesional, a mi gloriosa y grande carrera de Ingeniería
Eléctrica.
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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91, 2013.
[17] T. Ackermann, Wind Power in Power Systems
Edited by.
Armando Freire Freire.- Nació en
Latacunga, Ecuador en 1994. Curso
sus estudios secundarios en el
Instituto Tecnológico Ramón Barba
Naranjo. Recibió su título de
Ingeniero Eléctrico de la
Universidad Técnica de Cotopaxi
en 2020. Actualmente desempeña
el cargo de operador de la subestación eléctrica Novacero
planta Lasso y cursa sus estudios de cuarto nivel en la
Universidad Técnica de Cotopaxi en la carrera de
electricidad mención en sistemas eléctricos de potencia.
Sus campos de investigación están relacionados con las
energías renovables, calidad de energía, coordinación de
protecciones, mantenimiento y operación de equipos de
potencia.
Luis Toapanta Rocha.- Nació en
Quito, Ecuador en 1995. Curso sus
estudios secundarios en el Colegio
Técnico Industrial Miguel de
Santiago. Recibió su título de
Ingeniero Eléctrico de la
Universidad Técnica de Cotopaxi
en 2020. Actualmente se labora en
el área de mantenimiento y proyectos eléctricos. Sus
campos de investigación están relacionados a las energías
renovables.
Carlos Quinatoa Caiza.- Nació en
Tanicuchi, Ecuador en 1988.
Colegio. Gral. Marco Aurelio
Subía. Recibió su título de
Ingeniero Eléctrico de la
Universidad Técnica de Cotopaxi
en 2012, y el de Magister en
Ingeniería Eléctrica en la
Universidad Nacional de San Juan (Argentina) en 2014.
Ha desarrollado su carrera profesional en diversas
instituciones del Sector Eléctrico Ecuatoriano y
actualmente se desempeña como docente a tiempo
completo en la Universidad Técnica de Cotopaxi. Sus
campos de investigación están relacionados con el
despacho económico.
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