Simulador de Generador Eólico Doblemente Alimentado

Abstract

[EN] This work begins in a laboratory of the Instituto de Ingeniería Energética (IIE) of the UPV to launch a wind simulator with a doubly-fed generator (DFIG) of 11 kW. The published works dealing with this type of wind turbine models work mostly with wound rotor generator on two axes that ignore the iron losses. This paper presents an equivalent circuit model for the steady state study considering the losses in the stator iron and iron losses variables rotor is proposed. These losses are significant in small machines, which power are less than 30 kW [22]. It is found that the equivalent iron loss resistances can be located either in parallel to the magnetizing reactance, or in circuit terminals. The model allows having a practical expression to the electromechanical power. An iterative procedure is proposed for the generated electric power. The procedure uses known models of wind turbines from scientific literature. Reactive power consumed by the stator to optimize the efficiency of the wind turbine is obtained, which allows determining the appropriate battery capacitors for these machines. It is noted that the connection of this battery to the stator before connecting to the grid can improve the synchronization because reduces the required rotor voltage. An alternative synchronization method first connects the stator to the grid, then allows the current to stabilize and finally connects converter. This method is useful for prototyping simulators because it allows operating the switch that connects the stator to the grid manually. Electronic converter switches act faster than a conventional switch, which, for synchronization with a strong changing wind, may be advantageous for small wind turbines with low inertia. An advantage of these generators is the use of reduced power converters (approx. 1/3 of the generator electric power), Li [27]. The proposed model determines the maximum speed of the generator that provides greater efficiency with an adequate power converter. Converter electronic components are very sensitive to over currents and over voltages. Therefore a controller that prevents operation in extreme conditions is required. These types of conditions are presented in the transients and the proposed dynamic models allow analyzing the most common transients in wind turbines. The generator dynamic model also includes the iron losses by equivalent resistances at the terminals of the circuit, which links to the steady state model which determines the initial conditions. In dynamic calculations conversion factors designed to simplify power calculations are used. A simple direct power control regulator model is proposed. It uses the targets of stator active power (Ps*) and stator reactive power (Qs*). This model with the other proposed dynamic models using Simulink (Matlab) allows analyzing the behavior under various conditions of normal operation: connection of converter with stator open, synchronization, synchronization to MPP transition or wind variation. The E.ON.Netz 2006 standard is compared with the procedure of Resolution 4/10/2006 12.3 of the General Secretariat of Energy and the response to a voltage sag is analyzed. The assembled prototype simulator consists of an induction motor squirrel cage and wound rotor generator, both of 600 W. The motor that simulates the turbine is fed with a variable frequency drive. A custom inverter has been developed to feed the generator rotor that is powered directly from the DC bus of the variable frequency drive and, therefore, a regenerative rectifier is not required. The prototype which incorporates five current sensors, three voltage sensors and a quadrature encoder with index has allowed verify some of the results obtained with the models presented.

[ES] Este trabajo se inicia en un laboratorio del Instituto de Ingeniería Energética (IIE) de la UPV para poner en marcha un simulador eólico con un generador doblemente alimentado (DFIG) de 11 kW. Los trabajos publicados que abordan este tipo de aerogeneradores trabajan mayoritariamente con modelos de generador de rotor bobinado en dos ejes que no contemplan las pérdidas en el hierro. En este trabajo se propone un modelo de circuito equivalente para el estudio en régimen permanente que contempla las pérdidas en el hierro del estator y las pérdidas variables en el hierro del rotor. Estas pérdidas son significativas en máquinas de pequeño tamaño, de potencia inferior a 30 kW [22]. Se comprueba que las resistencias equivalentes a las pérdidas del hierro pueden ubicar indistintamente junto a la reactancia magnetizante, o bien, en bornes del circuito. El modelo permite obtener una expresión práctica para la potencia electromecánica. Se propone un procedimiento iterativo para obtener la potencia eléctrica generada. El procedimiento utiliza modelos de comportamiento de la turbina eólica contrastados. Se determina la potencia reactiva consumida por el estator que optimiza la eficiencia del aerogenerador, lo que permite dimensionar la batería de condensadores apropiada para estas máquinas. Se observa que la conexión de esta batería al estator antes de la conexión a la red puede mejorar las condiciones de sincronización al reducir la tensión de rotor necesaria. Un método de sincronización alternativo consiste en conectar primero el estator a la red, dejar que se estabilice la corriente y conectar en convertidor. Este método es útil para prototipos de simuladores, pues permite maniobrar manualmente el interruptor que conecta el estator a la red. Los conmutadores electrónicos del convertidor actúan con mayor rapidez que un interruptor convencional, lo que, para la sincronización con un viento fuerte racheado, puede ser ventajoso para aerogeneradores pequeños de baja inercia. Una ventaja de estos generadores es el uso de convertidores de potencia reducida (aprox. 1/3 de la potencia eléctrica del generador), Li [27]. El modelo planteado determina la velocidad máxima del generador que proporciona mayor eficiencia con una potencia del convertidor adecuada. Los componentes electrónicos del convertidor son muy sensibles a sobre corrientes y sobretensiones. Así, se requiere un controlador que evite el funcionamiento en condiciones extremas que se dan en los transitorios. Los modelos dinámicos propuestos permiten analizar los transitorios más usuales. El modelo dinámico de generador también contempla las pérdidas en el hierro mediante resistencias equivalentes en bornes de los circuitos, lo cual enlaza con el modelo de régimen permanente y permite determinar las condiciones iniciales. En los cálculos dinámicos se utilizan conversiones con factores orientadas a simplificar los cálculos de potencia. Se propone un modelo de regulador simple y en Simulink de Matlab se analiza el comportamiento en diversas condiciones de funcionamiento normal: turbina con generador desconectado de la red, conexión con estator o rotor abierto, sincronización, paso a carga, régimen de viento variable. Se analiza la respuesta a un hueco de tensión y se compara el estándar E.ON.Netz 2006 con el procedimiento 12.3 de la Resolución 4/10/2006 de la Secretaria General de Energía. El prototipo de simulador montado consta de un motor de inducción de jaula de ardilla y un generador de rotor bobinado, ambos de 600 W. El motor que simula la turbina se alimenta con variador de frecuencia. Se ha desarrollado un inversor para alimentar el rotor del generador que se alimenta directamente desde el embarrado de continua del variador y no se requiere un rectificador regenerativo que genere corriente continua. El prototipo incorpora 5 sensores de corriente, 3 de de tensión y un encoder en cuadratura con índice que ha permitido contras

[CA] Aquest treball s'inicia en un laboratori de l'Institut d'Enginyeria Energètica (IEE) de la UPV per posar en marxa un simulador eòlic amb un generador doblement alimentat (DFIG) de 11 kW. Els treballs publicats que aborden aquest tipus d'aerogeneradors treballen majoritàriament amb models de generador de rotor bobinat en dos eixos que no contemplen les pèrdues en el ferro. En aquest treball es proposa un model de circuit equivalent per a l'estudi en règim permanent que contempla les pèrdues en el ferro de l'estator i les pèrdues variables en el ferro del rotor. Aquestes pèrdues són significatives en màquines de mida petita, de potència inferior a 30 kW [22]. Es comprova que les resistències equivalents a les pèrdues del ferro poden situar-se indistintament al costat de la reactància magnetitzant, o bé, en borns del circuit. El model permet obtenir una expressió pràctica per a la potència electromecànica. Es proposa un procediment iteratiu per obtenir la potència elèctrica generada. El procediment utilitza models de comportament de la turbina eòlica contrastats. Es determina la potència reactiva consumida per l'estator que optimitza l'eficiència de l'aerogenerador, el que permet dimensionar la bateria de condensadors apropiada per a aquestes màquines. S'observa que la connexió d'aquesta bateria a l'estator abans de la connexió a la xarxa pot millorar les condicions de sincronització en reduir la tensió de rotor necessària. Un mètode de sincronització alternatiu consisteix a connectar primer el estator a la xarxa, deixar que s'estabilitzi el corrent i connectar a convertidor. Aquest mètode és útil per a prototips de simuladors, ja que permet maniobrar manualment l'interruptor que connecta l'estator a la xarxa. Els commutadors electrònics del convertidor actuen amb més rapidesa que un interruptor convencional, que, per a la sincronització amb un vent fort a ratxes, pot ser avantatjós per aerogeneradors petits de baixa inèrcia. Un avantatge d'aquests generadors és l'ús de convertidors de potència reduïda (aprox. 1/3 de la potència elèctrica del generador), Li [27]. El model plantejat determina la velocitat màxima del generador que proporciona major eficiència amb una potència del convertidor adequada. Els components electrònics del convertidor són molt sensibles a sobre corrents i sobretensions. Així, es requereix un controlador que eviti el funcionament en condicions extremes que es donen en els transitoris. Els models dinàmics proposats permeten analitzar els transitoris més usuals. El model dinàmic de generador també contempla les pèrdues en el ferro mitjançant resistències equivalents en borns dels circuits, la qual cosa enllaça amb el model de règim permanent i permet determinar les condicions inicials. En els càlculs dinàmics s'utilitzen conversions amb factors orientades a simplificar els càlculs de potència. Es proposa un model de regulador simple i en Simulink de Matlab s'analitza el comportament en diverses condicions de funcionament normal: turbina amb generador desconnectat de la xarxa, connexió amb estator o rotor obert, sincronització, pas a càrrega, règim de vent variable. S'analitza la resposta a un buit de tensió i es compara l'estàndard E.ON.Netz 2006 amb el procediment 12.3 de la Resolució 4/10/2006 de la Secretària General d'Energia. El prototip de simulador muntat consta d'un motor d'inducció de rotor curtcircuitat i un generador de rotor bobinat, tots dos de 600 W. El motor que simula la turbina s'alimenta amb variador de freqüència. S'ha desenvolupat un inversor per alimentar el rotor del generador que s'alimenta directament des del embarrat de contínua del variador i no es requereix un rectificador regeneratiu que generi corrent continu. El prototip incorpora 5 sensors de corrent, a 3 sensors de tensió i un encoder en quadratura amb índex que ha permès contrastar alguns dels resultats obtinguts teòricament.