"Aportaciones a la mejora de los sistemas de control electrónico aplicados en la generación minieólica aislada mediante la utilización de técnicas de almacenamiento energético"

Abstract

Una instalación de generación minieólica aislada permite realizar un suministro energético de baja potencia a partir de la energía capturada del viento, mediante una turbina y un generador eléctrico. Sin embargo, la irregularidad del viento provoca discontinuidad en el servicio e inestabilidad en la energía producida. La integración conjunta de sistemas de generación eólica junto con sistemas de almacenamiento de energía, permite reducir el impacto que causa la variabilidad del viento sobre la continuidad del servicio. El sistema de almacenamiento cede energía cuando el sistema de generación no logra suministrar la demanda de la carga, mientras que cuando la energía generada excede la demanda, el sistema de almacenamiento almacena el excedente. La presente Tesis Doctoral trata acerca de este tipo de sistemas híbridos abordando diferentes aspectos técnicos, con el fin de mejorar las prestaciones de los mismos. Se pretende de esta manera contribuir, mediante el avance de la tecnología aplicada a los sistemas de generación a partir de fuentes renovables, a una mayor proliferación de estos sistemas de generación, lo que a su vez redundará en la reducción del impacto medioambiental que los sistemas de generación de energía a partir de fuentes fósiles producen. El sistema planteado consta de un sistema de almacenamiento dual, basado en la utilización de baterías y supercondensadores. Esta dualidad ofrece la posibilidad conocida de realizar una gestión independiente de las dinámicas rápidas y lentas en el sistema. Pero además permite plantear las diferentes hipótesis de partida de la investigación. Mediante el estudio de las diferentes técnicas de control de los convertidores, se espera contribuir a la mejora de las características eléctricas del sistema, mediante la reducción del rizado del bus de continua. Por otra parte, la capacidad de almacenamiento del sistema permitirá contribuir a la estabilidad del conjunto actuando como elemento regulador de carga, y a la seguridad del aerogenerador, actuando como freno eléctrico en ayuda del breaker del sistema en situaciones de viento turbulento o en fuertes rachas. El sistema propuesto en esta Tesis ha sido validado mediante simulaciones. El emulador de la turbina eólica se comporta de forma cercana a la realidad ya que el modelo de la turbina se ha obtenido a partir de un método experimental aplicado en turbinas reales. Los resultados obtenidos demuestran el buen funcionamiento del sistema desarrollado y contrastan las hipótesis de partida de la investigación.

A standalone small wind turbine installation allows a low power energy supply to be made from the energy captured from the wind, by means of a turbine and an electric generator. However, the irregularity of the wind causes discontinuity in the service and instability in the energy produced. The joint integration of wind generation systems together with energy storage systems reduces the impact of wind variability on the continuity of the service. The storage system yields energy when the generation system fails to supply the demand for the load, while when the generated energy exceeds the demand, the storage system stores the excess. This Doctoral Thesis deals with this type of hybrid systems addressing different technical aspects, in order to improve the performance of them. It is intended in this way to contribute, through the advancement of the technology applied to the generation systems from renewable sources, to a greater proliferation of these generation systems, which in turn will result in the reduction of the environmental impact that the systems of power generation from fossil sources produce. The proposed system consists of a dual storage system, based on the use of batteries and ultracapacitors. This duality offers the known possibility of performing an independent management of the fast and slow dynamics in the system. But it also allows to raise the different starting hypotheses of the investigation. Through the study of the different control techniques of the converters, it is expected to contribute to the improvement of the electrical characteristics of the system, by reducing the DC bus ripple. On the other hand, the storage capacity of the system will contribute to the stability of the assembly acting as a load regulating element, and to the safety of the wind turbine, acting as an electric brake in aid of the system breaker in turbulent wind situations or in strong gusts. The system proposed in this Thesis has been validated through simulations. The wind turbine emulator behaves in a way that is close to reality since the turbine model has been obtained from an experimental method applied to real turbines. The results obtained demonstrate satisfactory performance of the developed system and contrast the starting hypothesis of the investigation.

Una instal·lació de generació minieòlica aïllada permet realitzar un subministrament energètic de baixa potència a partir de l'energia capturada del vent, mitjançant una turbina i un generador elèctric. No obstant això, la irregularitat del vent provoca discontinuïtat en el servei i inestabilitat en l'energia produïda. La integració conjunta de sistemes de generació eòlica juntament amb sistemes d'emmagatzematge d'energia, permet reduir l'impacte que sobre la continuïtat del servei causa la variabilitat del vent. El sistema d'emmagatzematge cedeix energia quan el sistema de generació no aconsegueix subministrar la demanda de la càrrega, mentre que quan l'energia generada excedeix la demanda, el sistema d'emmagatzematge emmagatzema l'excedent. La present tesi doctoral tracta sobre aquest tipus de sistemes híbrids abordant diferents aspectes tècnics, per tal de millorar les prestacions dels mateixos. Es pretén d'aquesta manera contribuir, mitjançant l'avanç de la tecnologia aplicada als sistemes de generació a partir de fonts renovables, a una major proliferació d'aquests sistemes de generació, el que al seu torn redundarà en la reducció de l'impacte mediambiental que els sistemes de generació d'energia a partir de fonts fòssils produeixen. El sistema plantejat consta d'un sistema d'emmagatzematge dual, basat en la utilització de bateries i supercondesadores. Aquesta dualitat ofereix la possibilitat coneguda de realitzar una gestió independent de les dinàmiques ràpides i lentes en el sistema. Però a més permet plantejar les diferents hipòtesis de partida de la investigació. Mitjançant l'estudi de les diferents tècniques de control dels convertidors, s'espera contribuir a la millora de les característiques elèctriques del sistema, mitjançant la reducció de l'arrissat del bus de contínua. D'altra banda, la capacitat d'emmagatzematge del sistema permetrà contribuir a l'estabilitat del conjunt actuant com a element regulador de càrrega, i la seguretat de l'aerogenerador, actuant com a fre elèctric en ajuda del breaker del sistema en situacions de vent turbulent o en fortes ratxes. El sistema proposat en aquesta Tesi ha estat validat mitjançant simulacions. L'emulador de la turbina eòlica es comporta de forma propera a la realitat ja que el model de la turbina s'ha obtingut a partir d'un mètode experimental aplicat en turbines reals. Els resultats obtinguts demostren el bon funcionament del sistema desenvolupat i contrasten les hipòtesis de partida de la investigació.