departamento de ingeniería eléctrica control directo de potencia de inversores trifásicos ante ...

107 Pages·2006·2.06 MB·Spanish

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

CONTROL DIRECTO DE POTENCIA DE INVERSORES
TRIFÁSICOS ANTE PERTURBACIONES DE RED.
APLICACIÓN A LA GENERACIÓN EÓLICA

PROYECTO FIN DE CARRERA

AUTOR: FERNANDO JOSÉ DE SISTERNES JIMÉNEZ
DIRECTOR: Dr. JOSÉ LUIS RODRÍGUEZ AMENEDO

MADRID 2005
Control Directo de Potencia de Inversores Trifásicos ante Perturbaciones de Red.

Índice General

AGRADECIMIENTOS 3

RESUMEN 4

ABSTRACT 5

INTRODUCCIÓN 12

1. Planteamiento del problema y objetivos 13

2. Descripción de la planta 17

2.1 Ecuaciones eléctricas...............................................................................17
2.2 Potencia transferida..................................................................................21

3. Regulación de la planta 26

3.1 Esquema de regulación............................................................................26
3.2 Diseño de reguladores..............................................................................27
3.3 Respuesta del sistema...............................................................................31

4. Control del inversor 34

4.1 Sinusoidal PWM modulation...................................................................34
4.2 Six-step operation....................................................................................38
4.3 Space Vector PWM modulation..............................................................41

5. El control directo de potencia 47

5.1 Descripción del método............................................................................47
5.2 Esquema de control..................................................................................52

6. Resultados 54

6.1 Modelos del sistema con SIMULINK.....................................................54
6.2 Comportamiento ante falta monofásica...................................................56
6.2.1 SVPWM.......................................................................................58
6.2.2 CDP..............................................................................................59
6.3 Comportamiento ante falta bifásica.........................................................61
6.3.1 SVPWM.......................................................................................62
6.3.2 CDP..............................................................................................64
6.4 Comportamiento ante falta trifásica.........................................................65
Fernando José de Sisternes Jiménez 2
Control Directo de Potencia de Inversores Trifásicos ante Perturbaciones de Red.
6.4.1 SVPWM.......................................................................................67
6.4.2 CDP..............................................................................................68
6.5 Tablas de resultados.................................................................................70

7. Conclusiones 72

Anexo A: Transformaciones de ejes.............................................................75
Anexo B: Muestreo del fasor de tensión......................................................80
Anexo C: Modelo de la planta con SVPWM................................................82
Anexo D: Código fuente SVPWM.................................................................87
Anexo E: Modelo de la planta con CDP......................................................95
Anexo F: Código fuente CDP......................................................................96

Bibliografía........................................................................................................103

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Agradecimientos

Quisiera expresar mi más sincero agradecimiento a todas las personas sin cuyo apoyo,
colaboración y paciencia, este Proyecto Fin de Carrera y la finalización de la carrera
Ingeniería Industrial jamás hubiera sido posible

A mis padres, D. Luis Fernando de Sisternes Acebedo y Dña. María del Carmen
Jiménez Ramos por la educación y valores en los que he crecido, los cuales llevo con
orgullo.

A mi familia y amigos, en especial a mi hermana , por no haber tenido en cuenta
todos aquellos momentos en los que por presiones de exámenes u otras circunstancias
no he sabido comportarme como se merecen.

A D. Jesús Fernández S.M. por la mentalidad analítica e imborrables valores que
supo transmitir a sus alumnos.

A D. Jiabing Wang (University of Sheffield) cuya aportación, plasmada en las
notas de clase de la asignatura Motion Control and Servo Drives Systems, ha sido
crucial para comprender los fundamentos teóricos sobre los que gran parte de este
proyecto está basado.

A D. Alberto Ceña Lázaro por haberme dado la oportunidad de conocer el sector
eólico en su globalidad y por transmitirme de manera indirecta su visión constructiva y
efectiva de afrontar los problemas.

A D. Isaac Joaquín Sánchez Gómez, D. Jesús Gimeno Sarciada, D. Ignacio de
Pedro Castillo, D. Carlos Alberto Pérez Lillo y muchos otros que no menciono pero de
los que no me olvido, por su compañía y amistad a lo largo de todos estos años de
carrera.

Finalmente, quisiera agradecer a D. José Luis Rodríguez Amenedo por su gran
generosidad al compartir sus extensos conocimientos sobre este áera, de lo cual estoy
tremendamente orgulloso y por lo que le estaré por siempre agradecido. También quiero
hacer mención a su inagotable paciencia, así como a sus contínuos ánimos y apoyo
hacia mi persona a lo largo de todo el desarrollo de este proyecto.

A todos ellos, sinceramente, muchas gracias.

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Resumen

El magnífico desarrollo experimentado por el sector de la energía eólica en España
durante los últimos años, llegando a cubrir el 6 % de la demanda nacional de
electricidad, necesita de elementos y nuevas técnicas de control que faciliten en la
medida de lo posible la integración de los parques eólicos en el sistema eléctrico
nacional.

Ante el requerimiento del operador del sistema de que los parques eólicos adapten sus
sistemas para adecuar su respuesta ante huecos de tensión, surge la necesidad de
optimizar el control de éstos. Con este fin, se fija el objetivo de este Proyecto Fin de
Carrera en simular el comportamiento ante huecos de tensión de un novedoso método
de control denominado Control Directo de Potencia (CDP).

Actualmente, la técnica comunmente empleada para controlar el convertidor que enlaza
aerogeneradores asíncronos doblemente alimentados (GADA) y síncronos, con el
transformador de conexión a red, es la denominada Space Vector PWM (SVPWM).
Este método, cuyo comportamiento es bien conocido, es el que implementan los
principales fabricantes de aerogeneradores en sus sistemas.

Aún conociendose sus teóricas ventajas, el empleo del CDP es todavía escaso debido
fundamentalmente a los satisfactorios resultados obtenidos con el SVPWM, al no
conocer de manera precisa cuál es su comportamiento en servicio y al requerir el CDP
de una mayor frecuencia de conmutación.

Con el avance en el campo de los dispositivos semiconductores y en lo que a su
frecuencia de conmutación se refiere, la diferente frecuencia demandada por ambos
métodos no es un verdadero impedimento, debiéndose optar siempre por el método que
ofrezca unas mejores prestaciones. Es por esta causa por la que en este proyecto se va a
simular el comportamiento del CDP frente a los huecos de tensión monofásicos,
bifásicos y trifásicos más severos que están contenidos en la envolvente huecos
tipificada en el P.O.12.2, demostrando así de una manera cuantitativa las muchas
ventajas del CDP frente al SVPWM.

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Abstract

The awesome development experienced by the spanish wind energy industry during
past years, reaching a 6 % coverage of the national demand for electricity, needs new
devices and control techniques that facilitate as much as possible the integration of wind
farms in the national power system.

In view of the requirement of the grid operator for wind farms to adapt their systems to
adecuate their response to voltage dips, it comes up the necessity to optimize its control.
With this purpose, the target of this Final Research Project has been set up in simulating
the response of a new control technique called Direct Power Control (DPC).

Currently, the commonly used technique to control the converter which joins doubly fed
asynchronous wind turbines and synchronous wind turbines with the connection-to-grid
transformer, is the so-called Space Vector PWM (SVPWM). This method, whose
behaviour is well known, is the one implemented by wind turbine constructors in their
systems.

Although its theoretical assets are known, the use of DPC is not so widespread yet,
basically due to the satisfactory results obtained with SVPWM, the imprecise
knowledge of its operating behaviour and the requirement of a greater switching
frequency for the CPD.

Considering the advance in the field of semiconductor devices and all the concerned to
its switching frequency, the different frequency required by both methods does not
signify a trully barrier, having always to choose the method that offers the best
performance. It is for this reason why this project is going to deal with the behaviour of
the CPD among the most severe one-phase, two-phase and three-phase voltage dips
contained in the voltage dips covering, specified in the Operational Procedure 12.2,
demonstrating then, in a cuantitative manner, the many advantages of the CPD over the
SVPWM.

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Introducción

Desde comienzos del siglo XX, la humanidad ha comenzado a tener consciencia de las
repercusiones del imparable desarrollo industrial que ha acontecido a escala global a lo
largo de los últimos siglos, y de los incesantes cambios que se están produciendo a
causa de esto en nuestro entorno. Estas repercusiones se manifiestan en un creciente
aumento de la temperatura global del planeta, producido por el llamado efecto
invernadero, ocasionando así un cambio climático en el que ya estamos inmersos.

El efecto invernadero

La Tierra recibe energía del Sol en forma de radiación electromagnética, la superficie
terrestre recibe radiación ultravioleta (UV) y radiación visible y emite radiación
terrestre en forma de radiación infrarroja. Estos dos grandes flujos energéticos deben
estar en balance, afectando la atmósfera a la naturaleza de este balance. Los gases de
efecto invernadero (vapor de agua, CO , metano, oxidos de nitrógeno, ozono y
2
clorofluorocarburos) permiten que la radiación de onda corta solar penetre sin
impedimento pero absorben la mayor parte de la emisión de ondas largas terrestres. Por
ello la temperatura global promedio es de 288K o 15°C , 33 grados más alto que si no
tuviera atmósfera. Este efecto es lo que se conoce como "Efecto Invernadero".

Fig. I.1: Origen del efecto invernadero

A causa del masivo aumento de emisiones de gases de efecto invernadero, nuestro
planeta se está calentando. Los últimos 10 años han sido los más calurosos desde que se
llevan registros y los científicos anuncian que en el futuro serán aún más calientes. A
medida que el planeta se calienta, los casquetes polares se derriten. Además, el calor del
sol cuando llega a los polos es reflejado de nuevo hacia el espacio. Al derretirse los
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casquetes polares, menor será la cantidad de calor que se refleje, lo que hará que la
tierra se caliente aún más. El calentamiento global también ocasionará que se evapore
más agua de los océanos. El vapor de agua actúa como un gas invernadero,
produciéndose así un mayor calentamiento. Esto contribuye al llamado "efecto

amplificador".

Debido a los efectos potenciales en la salud humana y en la economía, y debido a su
impacto en el ambiente, el calentamiento global es motivo de gran preocupación.
Disminución de la capa de nieve, elevación de los niveles de los mares y cambios
meteorológicos son consecuencias del calentamiento global que pueden influir en las
actividades humanas y en los ecosistemas. . Según las previsiones presentadas por la
Secretaría de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático
(UNFCCC) la temperatura mundial puede aumentar entre 1,4ºC y 5,8ºC y el nivel del
mar puede subir entre 9 y 88 cm. Conforme el clima se haga más cálido la evaporación
se incrementará. Esto causará un aumento de las precipitaciones lluviosas y más
erosión. Se piensa que esto podría resultar en un tiempo meteorológico más extremo
conforme progrese el calentamiento global.

El calentamiento global modificará la distribución de la fauna y floras del planeta.
Algunas especies pueden ser forzadas a emigrar de sus habitats para evitar su extinción
debido a las condiciones cambiantes, mientras otras especies pueden extenderse. Pocas
de las ecorregiones terrestres pueden esperar no resultar afectadas. Ello conllevará la
extensión de enfermedades de las que algunos de estos animales son portadores. Tal es
el caso de la Malaria, el Dengue o la Fiebre Amarilla, cuyos vectores son ciertas
especies de mosquitos que habitan principalmente en zonas tropicales.

Otro punto posible de discusión está en cómo incidirían los efectos del calentamiento
global en el equilibrio económico humano norte-sur. Si produciría un aumento de la
desertización de los países áridos y semiáridos añadido a un clima más benigno en los
países fríos o si el efecto sería diferente.

Declaración de Río

La Declaración de Río sobre medioambiente y desarrollo sostenible (3-14 de junio de
1992), dentro de la conferencia llevada a cabo por Naciones Unidas sobre
medioambiente y desarrollo, declara que “el derecho al desarrollo debe ser ejercido de
manera que equitativamente se satisfagan las necesidades de desarrollo y
medioambientales de las generaciones presentes y futuras. [...] Con el fin de lograr un
desarrollo sostenible, la protección medioambiental debe constituir una parte integral
del proceso de desarrollo y no debe ser considerada aisladamente de éste”. Este
compromiso entre desarrollo y medioambiente implica reducir de una manera drástica el
impacto que tienen sobre el medioambiente todas las actividades llevadas a cabo por el
hombre.

Protocolo de Kyoto

El Protocolo de Kyoto sobre el cambio climático fue auspiciado por la ONU dentro de
la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) y
firmado en 2002 por la Unión Europea. Tiene como objetivo que los países
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industrializados reduzcan sus emisiones un 8% por debajo del volumen de 1990, ya que
los que están en vías de desarrollo no tienen ninguna restricción, como es el caso de
China, India o Brasil, por citar los más contaminantes. Su nombre formal en inglés es
Kyoto Protocol To the United Nations Framework Convention on Climate Change.

El 11 de diciembre de 1997, los países industrializados se comprometieron en la ciudad
de Kyoto a ejecutar un conjunto de medidas para reducir los gases de efecto
invernadero. Los gobiernos signatarios pactaron reducir en un 5,2% de media las
emisiones contaminantes entre 2008 y 2012, tomando como referencia los niveles de
1990. El acuerdo entró en vigor el 16 de febrero de 2005 después de la ratificación por
parte de Rusia el 18 de noviembre de 2004.

Tabla I.1: Evolución de la emisión de gases de efecto invernadero en la UE (Fuente:
EUROSTAT)

El objetivo principal es luchar contra los efectos del cambio climático. Según las cifras
de la ONU, se prevé que la temperatura media de la superficie del planeta aumente entre
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1,4 y 5,8ºC de aquí a 2100, a pesar de que los inviernos son más frios y violentos.
"Estos cambios repercutirán gravemente en el ecosistema y en nuestras economías",
señala la Comisión Europea sobre Kyoto.

El compromiso será de obligatorio cumplimiento cuando lo ratifiquen los países
industrializados responsables de, al menos, un 55% de las emisiones de CO . Con la
2
ratificación de Rusia en marzo de 2005, después de conseguir que la UE pague la
reconversión industrial rusa, así como la modernización de sus instalaciones, en especial
las petroleras, el protocolo ha entrado en vigor. Por su parte, el gobierno de Estados
Unidos, se niega a ratificar el protocolo.

Con la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto, un total de 35 países industrializados
(la Unión Europea de los 15, Canadá, Noruega, Islandia, Japón, Nueva Zelanda, Rusia,
Bulgaria, República Checa, Estonia, Hungría, Letonia, Polonia, Rumania, Eslovaquia,
Suiza, Liechtenstein, Lituania, Eslovenia, Croacia y Ucrania) están obligados
jurídicamente a cumplir los objetivos establecidos para reducir o limitar las emisiones
de seis gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano, óxido nitroso,
hidrofluorocarburos, perfluorocarburos y hexafluoro de azufre) entre los años 2008 y
2012. Estados Unidos, lejos de ratificar el protocolo, y responsable del 36,1% de las
emisiones totales a la atmósfera, presentó un plan nacional alternativo basado en
medidas voluntarias por parte de la industria. Tampoco se han sumado a esta iniciativa
Australia ni Mónaco, que suman los dos el 2% del total de emisiones. Está previsto que
las negociaciones internacionales sobre un segundo periodo de compromiso relativo al
Protocolo de Kyoto para después de 2012 se establezcan durante el año 2005.

150
140
España
130 compromiso España
UE
120 compromiso UE
%
110
100
90
80
año 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
base
año

Fig. I.2: Emisiones de CO . Evolución española y europea (Fuente: MMA, INE)
2

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