Autores:
Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante UPM y Profesor Visitante Universidad París-Saclay)
Carlos Veganzones Nicolás (Profesor Titular UPM)
Tiempo de lectura: 9 minutos
Las turbinas eólicas modernas dependen de sistemas avanzados de control para maximizar su eficiencia y estabilidad. En particular, las turbinas que utilizan generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG, Doubly Fed Induction Generators) requieren estrategias sofisticadas de control en su convertidor del lado del rotor (RSC, Rotor Side Converter). Este convertidor es crucial para gestionar la interacción entre el generador y la red eléctrica, y permite optimizar la captura de energía mediante el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT, Maximum Power Point Tracking).
El MPPT es una técnica que permite a la turbina operar en el punto óptimo de potencia en función de las condiciones del viento. En una turbina eólica, la potencia extraída del viento depende de la velocidad del viento y de la velocidad del rotor. Para cada velocidad del viento, existe una velocidad óptima del rotor que maximiza la potencia generada. El MPPT ajusta continuamente la velocidad del generador y la potencia eléctrica inyectada en la red para asegurarse de que la turbina esté operando en este punto óptimo. Si la turbina no sigue el MPPT, puede operar fuera del punto de máxima eficiencia, desperdiciando energía potencial del viento.
Las estrategias de control en el convertidor del lado del rotor (FOC, VOC, DTC y DPC) son las herramientas que permiten implementar el MPPT de manera efectiva. Su función es gestionar el flujo de energía entre el rotor del generador y la red eléctrica, controlando variables como la corriente, la tensión, el par y la potencia para mantener la turbina en el punto óptimo de operación.
En este artículo exploraremos las principales estrategias de control del RSC en turbinas eólicas DFIG: control orientado al flujo (FOC), control orientado a la tensión (VOC), control directo del par (DTC) y control directo de la potencia (DPC). Cada una de estas técnicas ofrece ventajas específicas y desempeña un papel fundamental en la operación eficiente de las turbinas eólicas.
1. Control orientado al flujo (FOC, Flux Oriented Control)
El control orientado al flujo es una de las estrategias más utilizadas para gestionar el RSC en turbinas DFIG. Esta técnica se basa en el principio de controlar las corrientes del rotor en un marco de referencia síncrono, alineando el flujo magnético con una de las componentes del vector de corriente. Esto permite un control preciso del par electromagnético y de la potencia activa/reactiva generada por el DFIG.
Al controlar directamente el par, el FOC permite ajustar la velocidad del rotor para que coincida con la velocidad óptima determinada por el algoritmo de MPPT. Si la velocidad del viento cambia, el FOC puede aumentar o disminuir el par para mantener el generador en el punto de máxima eficiencia.
Principio de funcionamiento:
En el FOC, se descompone la corriente del rotor en dos componentes ortogonales:
- Componente directa (d): Controla el flujo magnético.
- Componente cuadratura (q): Controla el par electromagnético.
Al mantener constante el flujo en la componente d, se simplifica el control del par, permitiendo una regulación independiente de la potencia activa y reactiva. El FOC requiere un sistema de transformación de coordenadas de Park, que convierte las señales de corriente del sistema trifásico en un sistema de coordenadas d-q. Esta transformación facilita el control vectorial del generador.
Ventajas:
- Control preciso del par y la potencia.
- Respuesta dinámica rápida.
- Operación eficiente incluso en condiciones de carga variable.
Desafíos:
- Requiere mediciones precisas de las corrientes y la posición del rotor.
- Sensible a variaciones en los parámetros del generador, lo que puede afectar el rendimiento en condiciones de operación fluctuantes.
2. Control orientado a la tensión (VOC, Voltage Oriented Control)
El control orientado a la tensión es similar al FOC, pero en lugar de basarse en el flujo, se orienta en torno a la tensión del generador. Esta técnica se utiliza para controlar la potencia activa y reactiva inyectada en la red, garantizando que la tensión en los terminales del generador se mantenga dentro de límites específicos.
El VOC regula la potencia reactiva y activa del sistema, lo cual es fundamental para controlar la velocidad del rotor en función del punto MPPT. Ajustando la tensión del rotor, se controla indirectamente el par y la velocidad del generador, optimizando la extracción de energía del viento.
Principio de funcionamiento:
En VOC, se descompone la tensión en componentes directas y cuadratura en un marco de referencia síncrono. Al igual que en el FOC, se aplican transformaciones d-q, pero aquí el objetivo principal es regular la tensión del generador y asegurar la estabilidad de la tensión en la conexión a la red.
Ventajas:
- Proporciona un control robusto de la tensión, lo que mejora la estabilidad de la red.
- Adecuado para aplicaciones en las que la regulación de tensión es crítica, como en redes con alta penetración de energía eólica.
Desafíos:
- Requiere un modelo preciso del sistema eléctrico para obtener un rendimiento óptimo.
- Puede ser más complejo de implementar que el FOC debido a la necesidad de sincronización precisa con la tensión de red.
3. Control directo del par (DTC, Direct Torque Control)
El control directo del par es una técnica que permite controlar directamente el par electromagnético y el flujo del generador sin necesidad de un bucle de regulación de corriente. En lugar de utilizar transformaciones de coordenadas, el DTC regula la corriente del estator seleccionando directamente los estados de conmutación del inversor.
El DTC ajusta el par en tiempo real, lo que permite cambiar rápidamente la velocidad del rotor para seguir el MPPT. La capacidad del DTC para reaccionar rápidamente a los cambios en las condiciones del viento lo convierte en una herramienta eficaz para mantener la turbina en su punto óptimo de operación.
Principio de funcionamiento:
El DTC se basa en la estimación del par y el flujo a partir de las medidas de tensión y corriente del estator. Utiliza un comparador de histéresis para mantener el par y el flujo dentro de límites predefinidos. Cuando el par o el flujo se desvían de los valores de referencia, el controlador selecciona un nuevo vector de tensión para corregir la desviación.
Ventajas:
- Respuesta dinámica muy rápida, ideal para aplicaciones que requieren cambios de carga frecuentes.
- No requiere transformaciones de coordenadas complejas.
Desafíos:
- Las fluctuaciones en el par pueden ser más pronunciadas que en el FOC.
- La precisión del control depende de la calidad de las estimaciones del par y el flujo, lo que puede verse afectado por el ruido en las mediciones.
4. Control directo de la potencia (DPC, Direct Power Control)
El control directo de la potencia es una estrategia similar al DTC, pero en lugar de controlar directamente el par, se centra en la potencia activa y reactiva. El DPC ajusta los estados de conmutación del inversor del lado del rotor para mantener la potencia dentro de los límites deseados.
El DPC ajusta la potencia eléctrica generada para asegurar que la turbina opere en el punto de máxima potencia. Al controlar la potencia activa, el DPC puede ajustar la velocidad del rotor en función de la referencia del MPPT, asegurando que la turbina esté siempre capturando la máxima energía del viento.
Principio de funcionamiento:
El DPC mide la potencia activa y reactiva en tiempo real y la compara con las referencias establecidas. Utiliza un comparador de histéresis para determinar si se deben aplicar correcciones, seleccionando los estados de conmutación adecuados para ajustar la potencia. Esta estrategia es especialmente útil para garantizar que la energía inyectada en la red sea estable y de alta calidad.
Ventajas:
- Respuesta rápida y precisa en la regulación de la potencia.
- Capacidad para compensar fluctuaciones rápidas en la carga o en la velocidad del viento.
Desafíos:
- Sensibilidad a variaciones en la red, lo que puede requerir un ajuste fino de los parámetros del controlador.
- La implementación puede ser más compleja debido a la necesidad de algoritmos avanzados para la estimación de la potencia en tiempo real.
Importancia de estas estrategias en el MPPT
Todas estas estrategias de control (FOC, VOC, DTC y DPC) desempeñan un papel crucial en el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) en turbinas eólicas DFIG. El MPPT establece la velocidad óptima del rotor en función de la velocidad del viento para maximizar la potencia extraída. En resumen, las estrategias de control del convertidor del lado del rotor (RSC) son las que permiten implementar este ajuste en tiempo real:
FOC y VOC: Ajustan la corriente o la tensión del rotor para controlar el par electromagnético, lo que permite regular la velocidad del generador según el punto de máxima potencia.
DTC y DPC: Controlan directamente el par o la potencia activa, permitiendo ajustes rápidos para seguir el MPPT, especialmente en condiciones de viento variable.
El MPPT es esencial para garantizar que la turbina opere a su máxima eficiencia, extrayendo la mayor cantidad de energía posible del viento. Los controladores ajustan la velocidad del rotor y la potencia inyectada en la red en función de las condiciones del viento, lo que permite optimizar la captura de energía y mejorar la estabilidad operativa.
Conclusión
El control del convertidor del lado del rotor (RSC) en turbinas eólicas DFIG es un aspecto crítico para maximizar la eficiencia y garantizar la estabilidad en la generación de energía eólica. Estrategias como el control orientado al flujo (FOC), el control orientado a la tensión (VOC), el control directo del par (DTC) y el control directo de la potencia (DPC) ofrecen diferentes enfoques para gestionar la interacción entre el generador y la red. Cada técnica tiene sus propias ventajas y desafíos, y la elección de la estrategia adecuada depende de las condiciones operativas y los requisitos específicos del sistema. A medida que la tecnología eólica sigue avanzando, estas estrategias de control desempeñarán un papel fundamental en la optimización de la generación de energía y la integración de fuentes renovables en la red eléctrica.
Fuentes:
Wu, Yuan Kang & Yang, Wu-Han. (2016). Different Control Strategies on the Rotor Side Converter in DFIG-based Wind Turbines. Energy Procedia. 100. 551-555.
