Diseño y desarrollo de estrategias de control orientadas a sistemas de estructura variable para su aplicación en generadores asíncronos doblemente alimentados

Résumé

El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral consiste en proponer y explorar la viabilidad de estructuras de control alternativas a la topología de control vectorial convencional aplicada al generador asíncrono doblemente alimentado (DFIG) conectado a la red, que mejoren la dinámica de su respuesta y confieran una gran robustez frente a perturbaciones e incertidumbres paramétricas y no-modeladas, para su aplicación en el seguimiento de la curva de potencia óptima. Asimismo, se pretende analizar el estado de las técnicas que permiten prescindir de sensores mecánicos, al objeto de incorporar las a priori más viables a las estrategias de control diseñadas, para su evaluación conjunta.Como punto de partida, se ha llevado a cabo un estudio bibliográfico con el fin de identificar los diferentes métodos de control aplicados al DFIG y su propósito. Conjuntamente, y debido al cometido que se pretende atribuir al algoritmo a diseñar, se ha estimado conveniente exponer ciertos conceptos básicos sobre la aerodinámica de la turbina, necesarios para la comprensión de las diferentes técnicas adoptadas para el seguimiento del punto óptimo de potencia (MPPT). Además, se han identificado los principales algoritmos de observación aplicados al DFIG para su control ¿sensorless¿.Posteriormente, se han desarrollado sendos modelos matemáticos del generador para dos modos de funcionamiento: desconectado y conectado a la red. El primero de ellos se precisa para diseñar el controlador que ha de sincronizar la máquina con la red para su posterior conexión. El segundo se utiliza en el diseño del algoritmo de control encargado de obtener la máxima potencia posible en generación.A continuación, se propone la aplicación de dos estrategias basadas en el control en modo deslizante (SMC) para la consecución de los objetivos de sincronización y control de potencia propuestos: SMC de primer (1-SMC) y segundo órdenes (2-SMC). Si bien el primer método confiere al sistema una gran robustez y una dinámica de altas prestaciones, origina una frecuencia de conmutación variable de los transistores del convertidor, lo que dificulta el diseño del filtro de corriente alterna, así como el del propio convertidor. Por lo que al 2-SMC respecta, además de preservar las características deseables del SMC, disminuye el efecto de ¿chatter¿ y da lugar a una frecuencia de conmutación fija. Asimismo, con el fin de estudiar la viabilidad de complementar las técnicas de control propuestas con alguna estrategia de observación para control ¿sensorless¿, se analizan y se adaptan dos de las identificadas en la bibliografía cuya dependencia paramétrica no parece, en principio, determinante.Mediante ensayos de simulación, se comprueba el funcionamiento de ambas estrategias de control, su robustez, y el comportamiento de las mismas como integrantes de estructuras ¿sensorless¿ fundamentadas en los algoritmos de observación seleccionados como más viables.Sobre la base del exhaustivo estudio de simulación llevado a cabo, se selecciona, de entre los propuestos, el esquema considerado como más apropiado de cara a su implementación industrial, y se evalúa experimentalmente sobre un prototipo de DFIG de 7 kW.Las conclusiones extraídas durante el desarrollo de esta Tesis, junto con las referencias de apoyo y las publicaciones a las que ha dado lugar la labor de investigación realizada, ponen fin a este documento.