Mejora de la eficiencia y de las prestaciones dinámicas en procesadores electrónicos de potencia para pequeños aerogeneradores sincrónicos operando en régimen de velocidad variable

Abstract

Mejora de la eficiencia y de las prestaciones dinámicas en procesadores electrónicos de potencia para pequeños aerogeneradores sincrónicos operando en régimen de velocidad variable ResumenEn la tesis se presenta un estudio sobre los sistemas de conversión de energía eólica (SCEE) de pequeña y mediana potencia operando a velocidad variable, realizándose un análisis del estado de la técnica en cuanto a las diferentes topologías existentes, además del modelado de cada uno de los elementos y su efecto sobre la integración entre el convertidor de potencia, generador eléctrico y la turbina eólica. Igualmente se estudian las principales técnicas de estimación de velocidad y posición de rotor aplicada a los generadores sincrónicos de imanes permanentes, demostrando que la técnica del estimador simplificado de Kalman presenta el mejor desempeño en esta aplicación. También se estudian las técnicas de control vectorial aplicado a generadores sincrónicos de imanes permanentes, concluyendo que la técnica Id=0 es la que presenta mejor rendimiento. De igual manera, se estudian las estrategias de control para convertidores de potencia backto-back, donde los lazos de control de corriente, velocidad y potencia se diseñan teniendo en cuenta las características dinámicas de la turbina eólica, con el fin de sintonizar los lazos de control con la mejor respuesta dinámica posible. Otro aspecto importante tratado en esta tesis, es la estructura de control variable adoptada, la cual se modifica en función de la región en la que opere el aerogenerador. La estructura utiliza un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), y un lazo lineal de regulación de potencia, pasando de uno a otro dependiendo del punto de operación. Otra contribución destacada de la tesis es la propuesta de un nuevo algoritmo (MPPT), obtenido a partir del conocido Perturbar y Observar (P&O), con el cual se logra reducir el estrés mecánico del conjunto turbina-generador, lo que se refleja en un previsible aumento de la vida útil del GSIP. Por otra parte, se ha llevado a cabo un estudio experimental del comportamiento estático del conjunto convertidor de potencia-generador eléctrico, que ha permitido identificar, de manera efectiva, las prestaciones del sistema en función del punto de operación. Además, se ha llevado a cabo un estudio analítico de la corriente de los condensadores de la DC-Link del convertidor, que ha permitido efectuar una propuesta de optimización mediante la sincronización de las señales portadoras de los moduladores PWM correspondientes a las etapa rectificadora e inversora, respectivamente. La consecuencia práctica es que se pueden reducir las pérdidas en los condensadores, o lo que puede ser más interesante para el diseño, se pueden implementar las etapas de potencia con un número reducido de condensadores. Todos los aspectos tratados en esta tesis han sido comprobados experimentalmente, realizando ensayos con condiciones ambientales simuladas mediante un emulador eólico experimental construido a tal efecto. Por su parte, la eta...