Contribuciones a la mejora de la eficiencia energética mediante convertidores electrónicos trifásicos de generación y compensación aplicados en sistemas de generación minieólica

Abstract

[ES] La presente tesis se enmarca en el campo de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables, la mejora de la calidad del suministro eléctrico y de la estabilidad de redes de baja potencia como las micro redes y las redes inteligentes. Estas redes se basan en la integración de generadores distribuidos, entre ellos los basados en sistemas de generación de energía eólica. Dichos sistemas de generación se conectan a la red por medio de convertidores electrónicos con una potencia limitada, esta característica provoca que las redes con alta integración de generadores distribuidos se vean afectadas en mayor medida por problemas de calidad del suministro, debido a su baja corriente de cortocircuito. Con la finalidad de mantener la calidad del suministro eléctrico debe cumplirse que el sistema conste de tensiones senoidales, de frecuencia fundamental y simétricas; y de cargas que consuman corrientes senoidales de frecuencia fundamental, equilibradas y en fase con las tensiones. Cuando alguna de estas condiciones no se cumple, se producen fenómenos que disminuyen la eficiencia del sistema y degradan la calidad del suministro, estos fenómenos pueden ser mitigados mediante el uso de compensadores activos conectados en serie o en paralelo al sistema eléctrico. Los compensadores activos conectados en paralelo generan las corrientes ineficientes demandadas por las cargas, permitiendo que por la red transiten únicamente las corrientes eficientes, mejorando el rendimiento del sistema. Las corrientes que deben ser inyectadas por el convertidor son calculadas a partir de una teoría de la potencia eléctrica que permita una correcta identificación de las componentes ineficientes consumidas por la carga. Una compensación global puede llevarse a cabo siempre que el límite de potencia de los convertidores lo permita, si las ineficiencias son mayores que la capacidad de un convertidor se puede considerar la compensación parcial o bien la compensación selectiva de los fenómenos ineficientes. Los convertidores electrónicos utilizados para la conexión de los generadores distribuidos a la red tienen la misma topología que los compensadores activos, dando paso al desarrollo de sistemas híbridos de generación y compensación. Dada la naturaleza intermitente de las fuentes de energía renovables, los sistemas de generación basados en éstas no hacen uso de la potencia nominal del convertidor en todo momento, por lo que la diferencia entre la potencia activa inyectada y la potencia nominal del convertidor puede ser utilizada para la compensación de ineficiencias. En la presente tesis se plantea el estudio de los sistemas híbridos de generación y compensación basados en sistemas de minieólica, con la finalidad de optimizar el uso de la potencia disponible en el convertidor de conexión a red para ayudar a mejorar la calidad del suministro y la estabilidad del sistema. El sistema propuesto abarca el control del sistema de generación de minieólica, la transferencia de energía a la red y la compensación de ineficiencias, optimizando el aprovechamiento del convertidor de conexión a red. Se propone la utilización de técnicas de control borroso para la búsqueda del punto de máxima potencia del aerogenerador y el control de la tensión del bus DC; así como la aplicación de técnicas de control no lineal para la estimación de la velocidad de giro de la turbina eólica. En la conexión a red se presenta un algoritmo de optimización del aprovechamiento de la potencia disponible en el inversor para la compensación de potencias ineficientes en forma selectiva, resultando un sistema de generación y compensación. Se presentan los resultados de simulación que ayudan a validar el sistema; así como los resultados experimentales de los subsistemas que han sido implementados. Se finaliza con las conclusiones, aportaciones, líneas de trabajo futuro y las publicaciones derivadas de la presente tesis doctoral

[CA] La present tesi s'emmarca en el camp de la generació d'energia elèctrica a partir de fonts renovables, la millora de la qualitat del subministrament elèctric i de l'estabilitat de xarxes de baixa potència com les micro xarxes i les xarxes intel·ligents. Aquestes xarxes es basen en la integració de generadors distribuïts, entre ells els basats en sistemes de generació d'energia eòlica. Aquests sistemes de generació es connecten a la xarxa per mitjà de convertidors electrònics amb una potència limitada, aquesta característica provoca que les xarxes amb alta integració de generadors distribuïts es vegen afectades en major mesura per problemes de qualitat del subministrament, a causa de la seua baixa corrent de curtcircuit. Amb la finalitat de mantindre la qualitat del subministrament elèctric ha de complir-se que el sistema conste de tensions sinusoïdals, de freqüència fonamental i simètriques; i de càrregues que consumisquen corrents sinusoïdals de freqüència fonamental, equilibrades i en fase amb les tensions. Quan alguna d'aquestes condicions no es compleix, es produeixen fenòmens que disminueixen l'eficiència del sistema i degraden la qualitat del subministrament, aquests fenòmens poden ser apaivagats mitjançant l'ús de compensadors actius connectats en sèrie o en paral·lel al sistema elèctric. Els compensadors actius connectats en paral·lel generen els corrents ineficients demandades per les càrregues, permetent que per la xarxa transiten únicament els corrents eficients, millorant el rendiment del sistema. Els corrents que han de ser injectades pel convertidor són calculades a partir d'una teoria de la potència elèctrica que permeta una correcta identificació de les components ineficients consumides per la càrrega. Una compensació global pot dur-se a terme sempre que el límit de potència dels convertidors ho permeta, si les ineficiències són majors que la capacitat d'un convertidor es pot considerar la compensació parcial o bé la compensació selectiva dels fenòmens ineficients. Els convertidors electrònics utilitzats per a la connexió dels generadors distribuïts a la xarxa tenen la mateixa topologia que els compensadors actius, donant pas al desenvolupament de sistemes híbrids de generació i compensació. Donada la naturalesa intermitent de les fonts d'energia renovables, els sistemes de generació basats en aquestes no fan ús de la potència nominal del convertidor en tot moment, per la qual cosa la diferència entre la potència activa injectada i la potència nominal del convertidor pot ser utilitzada per a la compensació d'ineficiències. En la present tesi es planteja l'estudi dels sistemes híbrids de generació i compensació basats en sistemes de minieòlica, amb la finalitat d'optimitzar l'ús de la potència disponible en el convertidor de connexió a xarxa per a ajudar a millorar la qualitat del subministrament i l'estabilitat del sistema. El sistema proposat abasta el control del sistema de generació de minieòlica, la transferència d'energia a la xarxa i la compensació d'ineficiències, optimitzant l'aprofitament del convertidor de connexió a xarxa. Es proposa la utilització de tècniques de control borrós per a la cerca del punt de màxima potència de l'aerogenerador i el control de la tensió del bus DC; així com l'aplicació de tècniques de control no lineal per a l'estimació de la velocitat de gir de la turbina eòlica. En la connexió a xarxa es presenta un algorisme d'optimització de l'aprofitament de la potència disponible en l'inversor per a la compensació de potències ineficients en forma selectiva, resultant un sistema de generació i compensació. Es presenten els resultats de simulació que ajuden a validar el sistema; així com els resultats experimentals dels subsistemes que han sigut implementats. Es finalitza amb les conclusions, aportacions, línies de treball futur i les publicacions derivades de la present tesi doctoral.

[EN] This thesis is part of the field of electric power generation from renewable sources, the improvement of power quality and the stability of low power networks such as microgrids and smart grids. These networks are based on the integration of distributed generators, including those based on wind power generation systems. These generation systems are connected to the grid by means of electronic converters with limited power; this feature causes networks with high integration of distributed generators to be affected to a greater extent by power quality problems, due to their low short circuit current. In order to maintain the quality of the electrical supply, the system must consist of sinusoidal, fundamental frequency and symmetric voltages; and loads that consume sinusoidal currents of fundamental frequency, balanced and in phase with the voltages. When any of these conditions is not met, phenomena occur that decrease the efficiency of the system and decrease the power quality, these phenomena can be mitigated by the use of active compensators connected in series or in parallel to the electrical system. The active compensators connected in parallel generate the inefficient currents demanded by the loads, allowing only the efficient currents to pass through the network, improving the performance of the system. The currents that must be injected by the converter are calculated based on an electric power theory that allows a correct identification of the inefficient components consumed by the load. A global compensation can be carried out whenever the power limit of the converters allows it, if the inefficiencies are greater than the capacity of a converter it can be considered partial compensation or selective compensation of inefficient phenomena. The electronic converters used for the connection of the generators distributed to the grid have the same topology as the active compensators, giving way to the development of hybrid generation/compensation systems. Given the intermittent nature of renewable energy sources, generation systems based on these do not make use of the nominal power of the converter at all times, so the difference between the active power injected and the nominal power of the converter can be used for inefficiencies compensation. In the present thesis the study of generation and compensation hybrid systems based on small wind energy systems is proposed, with the purpose of optimizing the use of the available power in the grid-connected converter to help to improve the power quality and the stability of the system. The proposed system covers the control of the small wind energy system, the transfer of energy to the grid and the compensation of inefficiencies, optimizing the use of the grid-connected converter. The use of fuzzy control techniques is proposed for the maximum power point tracking of the wind turbine and the control of the DC bus voltage; as well as the application of nonlinear control techniques for estimating the speed of rotation of the wind turbine. In the grid side, an algorithm for optimizing the use of the available power in the inverter is presented for the compensation of inefficiencies selectively, resulting in a generation/compensation system. The simulation results that help validate the system are presented; as well as the experimental results of the subsystems that have been implemented. It ends with the conclusions, contributions, lines of future work and publications derived from this doctoral thesis.