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VII Curso de MATLAB/Simulink en Ingeniería: Aplicación a la Energía Eólica Dr. MARIO J. DURAN

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador Universidad de Málaga, 20-21 y 27-28 de Noviembre de 2015

¿Qué tipo de Generador Eléctrico modelamos?

 Los generadores eléctricos más populares son las de inducción y los síncronos de imanes permanentes. En este curso se opta por un generador síncrono de imanes permanentes (PMSG).

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Cómo modelamos el PMSG?

 El PMSG tiene como entrada las tensiones en componente directa y cuadratura (Vdq) proporcionada por el convertidor y la velocidad () proporcionada por el sistema mecánico y las salidas son las corrientes inyectadas (idq) y el par eléctrico generado (Te) 

Vdq

Te

idq

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Cuáles son las ecuaciones del PMSG?  Las ecuaciones que usamos son:

did 1 ud  elec Lqiq  Rid   dt Ld Salidas

Entradas

1 uq  elec Ld id  Riq  elec m   dt Lq

diq

3 Te  P miq  Ld  Lq id iq  2 Paso a pulsación eléctrica

Entradas: ud, uq, elec

elec    P

Salidas: id, iq, Te

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Cómo implementamos esto en MATLAB/Simulink?  Esto se implementa en Simulink como una caja “negra”, que es un subsistema con las entradas y salidas definidas anteriormente:

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Qué tipo de control usamos para el Generador?

 Aunque existen muchos tipos de control, usaremos el más extendido en la industria basado en controladores PI.  Se usa un bucle externo de velocidad (lento) y bucles internos de corriente (rápidos)

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Cuál es el esquema de control?  Esquema de control c

Convertidor

c'

 T

PMSG

a'

Enlace dc

3

a

iabc

I

C

b' b



iq*



 

 





vq*

iq



 id 

id*

dq

dq

PWM

vd* abc

abc Filtro Paso bajo

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Cuál es el esquema de control?  Esquema de control 2

3

1

4

1

5

 n  n   i  i  k   i  i  e  i  i  k   i  i  e 



iq*  k pn  n*t  nt  kin 

2

vq*  k pt

3

vd*  k pf

* q

* d

*

t

t

4

ed  Lqiqelec

5

eq  melec  Ld id elec

*

q

d

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

it

if

q

* d

q

q

d

d

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Cómo se modela el convertidor?  Por ahora consideraremos que el convertidor es ideal y proporciona la tensión resultante del control vd  vd* vq  vq*

 En la realidad la tensión la proporciona un algoritmo de modulación PWM, pero eso lo veremos en un capítulo posterior

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_1: Arranque de un generador síncrono de imanes permanentes. Descripción: En esta simulación se arranca un generador síncrono de imanes permanentes en vacío.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Transformadas de Clarke y Park  El paso de variables directa/cuadratura (dq) a variables de fase (abc) se hace mediante las transformadas de Clarke y de Park: Clarke

Park

0  ia   1 i   2  cos  sin   i   b  i  3 ic  cos2  sin2   



Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

2 3

i  cos   sin  id    i         sin  cos   iq 

   elec dt

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Transformadas de Clarke y Park  Que en simulink se implementan como dos bloques con las entradas y salidas que se muestran:

 Donde a es la velocidad en rad/s del sistema de referencia giratorio, que en este caso, al ser síncrono, coincide con la velocidad eléctrica del generador elec

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_2: Arranque de un generador síncrono de imanes permanentes. Tensiones y corrientes de fase. Descripción: Se parte de la simulación del Ejemplo 6_1 y se implementan las transformadas de Clarke y Park para mostrar las tensiones y corrientes de fase durante el arranque del generador

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Funcionamiento del generador en carga

 Una vez que el aerogenerador está arrancado, se puede simular el aerogenerador en carga haciendo que empiece a soplar viento a partir de un momento dado.

 Si se pone una rampa de viento, al principio el viento no es suficiente para generar un par positivo en las aspas, pero a partir de una determinada velocidad del viento (cut-in), el viento aplica un par al eje que hace que este empiece a entregar potencia a la red.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_3: Funcionamiento en carga de un generador síncrono de imanes permanentes.

Descripción: Se parte de la simulación del Ejemplo 6_2 y en el segundo 12 se hace que el viento aumente su velocidad con una rampa hasta la velocidad nominal de 11.8 m/s.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Para que sirve el pitch?

 El ángulo pitch (), que hasta ahora hemos mantenido en valor nulo sirve para reducir el par que aplica el viento cuando la velocidad del viento es demasiado grande.

 Este control del ‘pitch’ se hace de forma automática mediante controladores en bucle cerrado, pero se puede ejemplificar su funcionamiento variando dicho ángulo de forma manual.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_4: Funcionamiento en carga de un generador síncrono de imanes permanentes. Variación del ‘pitch’. Descripción: Se parte de la simulación del Ejemplo 6_3 pero en este caso se hace que la velocidad del viento aumente hasta 14.5 m/s. se añade un controlador manual del ángulo del ‘pitch’ que podemos variar en tiempo real mientras transcurre la simulación.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Inclusión de ruidos en las mediciones

 Si queremos hacer que nuestra simulación se aproxime más al caso real, podemos incluir ruido en las mediciones y filtros que eliminen dicho ruido.  Cualquier aparato de medida incluye un determinado error y un determinado ruido que puede afecta a los lazos de control

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_5: Funcionamiento en carga de un generador síncrono de imanes permanentes. Ruido en las medidas. Descripción: Se parte de la simulación del Ejemplo 6_4 pero en este caso se hace una distinción entre las corrientes de fase reales ia, ib, ic y las corrientes de fase medidas que tienen un cierto ruido iam, ibm, icm.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Análisis de armónicos

 Además de utilizar los “scopes” y crear figuras, se pueden ver los espectros de las formas de onda y calcular la distorsión armónica.  Para ello, y aunque también se podría programar “a mano”, resulta muy práctico el uso de bloques procedentes de los toolboxes de Simulink.

 En este caso veremos el PowerGui de la toolbox SimPowerSystems.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_6: Funcionamiento en carga de un generador síncrono de imanes permanentes. Cálculo del espectro y el THD. Descripción: Se parte de la simulación del Ejemplo 6_5 pero en este caso se usa el bloque PowerGui de la toolbox SimPowerSystems para calcular el THD y visualizar el espectro de las corrientes.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Representaciones en 3D

 El hecho de hacer las simulaciones desde el archivo p_GenCon.m nos permite con facilidad hacer simulaciones en cascada cambiando los parámetros que desemos.

 Si se desea ver el efecto de un parámetro sobre algunas variables que evolucionan con el tiempo, resulta práctico el uso de represnetaciones en 3D.  MATLAB dispone de varios comandos, pero aqui únicamente veremos un ejemplo con el comando “surf”.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Ejemplo

 Ejemplo 6_7: Funcionamiento en carga de un generador síncrono de imanes permanentes. Representación gráfica en 3D. Descripción: Se parte de la simulación del Ejemplo 6_6 pero en este caso en lugar de hacer una única simulación, se realiza una tanda de simulaciones en serie y los resultados se representan en gráficos 3D.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Qué hemos aprendido?

 De este capítulo hemos aprendido lo siguiente:  Implementación de ecuaciones diferenciales en variable de estado.  Funcionamiento en vacío y en carga de aerogenerador.  Cambiar parámetros de forma manualen tiempo real durante la simulación.  Representar espectros y calcular armónicos.

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Qué hemos aprendido?

 De este capítulo hemos aprendido lo siguiente:    

Hacer simulaciones en cascada. Simular rtuidos en las medidas. Hacer representaciones gráficas en 3D. Comandos MATLAB:  Surf  Axis  Colorbar

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

¿Qué hemos aprendido?

 De este capítulo hemos aprendido lo siguiente:  Bloque Simulink:  Surf  Axis  Colorbar  PID controller  PowerGui  Contour  Contourf

Capítulo 6: Simulación del Control del Generador

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Noviembre, 2015 VII Curso MATLAB/Simulink

Manos a la obra !! Dr. MARIO J. DURAN

VII Curso de MATLAB/Simulink en Ingeniería: Aplicación a la Energía Eólica Universidad de Málaga, 20-21 y 27-28 de Noviembre de 2015