Modelado y control de una turbina de viento usando lógica difusa y modos deslizantes

Abstract

This thesis presents the modeling of wind turbines in fixed speed and variable speed configuration; including a two-mass model to represent the turbine's drive-train, a doubly fed induction generator (DFIG) and a power converter in a topology known as back to back which is composed by a three-phase controlled rectifier (Rotor Side Converter) and a three-phase inverter (GSC). Therefore this converter needs two control schemes (RSC and GSC controller) working together. This work proposes the application of a fuzzy logic control algorithm to deal with the maximum power regulation task by means of the pitch to feather method in order to protect the system from electrical overloads and excessive mechanical stress caused by speeds above the rated speed of the turbine. With the aim of improving the power factor of the generated power; sliding modes controllers are proposed for the back to back converter to achieve decoupled control of active and reactive power. An important feature of this control technique is that the controllers developed have robustness against grid's voltage variations. The performance of the developed controllers for each part of the system as well as for the whole integrated system is tested by simulation under the Matlab/Simulink environment using reference values of a 1.5 MW wind turbine.

La presente tesis aborda el modelado de turbinas de viento en sus configuraciones de velocidad fija y velocidad variable incluyendo un modelo de dos masas para representar la transmisión mecánica de la turbina, un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG por sus siglas en ingles) y un convertidor de potencia tipo back to back, el cual está formado por un rectificador controlado (conocido como convertidor del lado del rotor) y un inversor (comúnmente llamado convertidor del lado de la red). Se propone la aplicación de algoritmos de control basados en lógica difusa para la tarea de regulación de potencia máxima bajo el método de control de ángulo de paso con el fin de proteger el sistema de sobrecargas, tanto eléctricas como mecánicas, cuando se presentan velocidades de viento por encima de la velocidad nominal de la turbina. Con el objetivo de mejorar el factor de potencia de la energía generada, se proponen controladores con modos deslizantes aplicado al convertidor de potencia back to back, obteniendo con estos un control independiente de potencia activa y reactiva. Una característica importante de estos controladores es que presentan robustez ante variaciones de voltaje en la red eléctrica. El desempeño de los controladores desarrollados se prueba mediante esquemas de simulación en Simulink para cada parte del sistema de forma independiente, así como para el sistema integrado tomando como referencia valores de una turbina con potencia nominal de 1.5 MW.