Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay)
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El concepto de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) ha sido ampliamente utilizado en sistemas fotovoltaicos durante años, pero su implementación en turbinas eólicas es relativamente más reciente. Su función es optimizar continuamente la carga de la turbina para que, a cualquier velocidad del viento, se extraiga la máxima cantidad de energía posible. Esta tarea requiere una integración precisa entre el control del convertidor electrónico y el comportamiento mecánico de la turbina.
Conceptos básicos de MPPT para turbinas eólicas
El principio detrás del MPPT en una turbina eólica se basa en el hecho de que, para cada velocidad del viento, existe una velocidad de giro óptima del rotor que maximiza el par y, por ende, la potencia generada. Si el rotor gira más rápido de lo necesario, el arrastre de las palas aumenta, reduciendo el par disponible. Por el contrario, si gira más lento, disminuye la sustentación de las palas, afectando negativamente al par.
Una forma práctica de visualizar este punto de máxima eficiencia es mediante el concepto de Relación de Velocidad de Punta (TSR, por sus siglas en inglés), que es el cociente entre la velocidad de las puntas de las palas y la velocidad del viento. Mantener un TSR óptimo es crucial para maximizar la eficiencia aerodinámica del rotor.
A continuación se muestran las curvas velocidad-potencia de una turbina y los puntos óptimos para cada velocidad del viento.
Control del convertidor electrónico para MPPT
El papel del convertidor electrónico es fundamental en el seguimiento del MPPT. El convertidor ajusta la carga que el geenrador percibe, lo que afecta directamente al par generado por el rotor. Este ajuste continuo permite que la turbina alcance el equilibrio dinámico en cada velocidad del viento, operando siempre cerca del punto de máxima potencia.
El control se realiza mediante los siguientes pasos clave:
1. Medición de parámetros eléctricos y mecánicos: El convertidor generalmente no mide directamente la velocidad del rotor (RPM). En cambio, utiliza un parámetro proporcional, como la frecuencia de la tensión generada por el alternador. En algunos casos, se utiliza la tensión rectificada del alternador como proxy.
2. Uso de tablas MPPT preprogramadas: El convertidor almacena una tabla que relaciona la tensión (o frecuencia) del generador con la potencia de salida óptima del inversor. Estas tablas se desarrollan específicamente para cada modelo de turbina y se cargan en el convertidor mediante software especializado.
3. Interpolación para puntos intermedios: La tabla MPPT generalmente incluye varios puntos (hasta 16 en algunos sistemas). El convertidor interpola entre estos puntos para determinar la carga óptima en condiciones específicas.
4. Control dinámico de la carga: A medida que el viento varía, el convertidor ajusta la carga para equilibrar el par del rotor con el par generado por el alternador, manteniendo así el TSR en su rango óptimo.
Estrategias avanzadas de control para maximizar el rendimiento del MPPT
Modelado del comportamiento de la turbina:
Un modelo matemático que relacione la velocidad del viento, el TSR y la potencia generada permite predecir con mayor precisión los puntos óptimos de operación, ajustando las tablas MPPT en función de las características específicas de la turbina.
Control predictivo basado en inteligencia artificial:
Algoritmos de aprendizaje automático pueden adaptarse a las condiciones específicas del entorno, como turbulencias o cambios bruscos en el viento, para ajustar dinámicamente la curva MPPT en tiempo real.
Implementación de controladores PID y técnicas avanzadas:
Los controladores proporcionales-integrales-derivativos (PID), combinados con técnicas de control adaptativo, pueden mejorar la estabilidad del sistema y reducir oscilaciones alrededor del punto de máxima potencia.
Sensores avanzados y análisis de datos:
Sensores de alta precisión y el análisis en tiempo real de parámetros como el ángulo de ataque de las palas o la velocidad del viento pueden ofrecer información adicional al convertidor para ajustes más precisos.
Importancia de una curva MPPT bien diseñada
La precisión de la tabla MPPT afecta directamente la capacidad de la turbina para alcanzar su máxima eficiencia. Aunque derivar una curva inicial es relativamente sencillo (usando datos como el diámetro del rotor y las características del alternador), optimizarla para maximizar la producción de energía requiere mediciones experimentales.
En la práctica, la curva MPPT no sigue una relación cúbica perfecta entre la potencia y la velocidad del viento debido a las ineficiencias del sistema. Más bien, se aproxima a una relación entre cuadrática y cúbica, dependiendo de la eficiencia del rotor y del alternador.
Consideraciones finales sobre el control del convertidor para MPPT
El control de los convertidores electrónicos en el contexto del MPPT para turbinas eólicas es un proceso dinámico y multifacético. Los avances en el diseño de convertidores, como el uso de materiales semiconductores de última generación (carburo de silicio o nitruro de galio), están mejorando la eficiencia y la velocidad de respuesta de estos sistemas.
Un convertidor bien diseñado no solo optimiza la producción de energía, sino que también contribuye a prolongar la vida útil de la turbina, al reducir tensiones mecánicas y eléctricas en el sistema. Con tecnologías emergentes como el control predictivo y la inteligencia artificial, el MPPT en turbinas eólicas tiene el potencial de alcanzar nuevos niveles de precisión y eficiencia.
Fuentes:
Abdullah, Majid & Yatim, Abdul Halim & Tan, Chee Wei & Rahman, Saidur. (2012). Review of maximum power point tracking algorithms for wind energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 16. 3220-3227.
Chatterjee, Kalyan & Kumar, Dipesh. (2016). A review of conventional and advanced MPPT algorithms for wind energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 55. 957-970.
