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Este artículo presenta de manera resumida diferentes estrategias de diseño de controladores robustos para la mitigación de las cargas en aerogeneradores

Mitigación de cargas en aerogeneradores con técnicas de control robusto

Asier Díaz de Corcuera, investigador en IK4-Ikerlan y premio Eolo a la innovación 201408/07/2014
Los aerogeneradores de nueva generación que se están construyendo poseen una capacidad y un tamaño considerables, ya que tienen potencias tan elevadas como 5-7 MW, una altura de torre de 100 metros y diámetros de rotor de entre 120 y 130 metros. Pero dada la competitividad existente en el ámbito de los aerogeneradores para alta mar (off-shore), se espera que para el año 2020 se produzcan dispositivos aún mayores, con diámetros de unos 200 metros. Obviamente, los problemas habitualmente asociados a estos sistemas, como las vibraciones en el multiplicador, el acoplamiento electro-mecánico, los problemas relacionados con la electrónica de potencia, la integración en la red, etc., con aerogeneradores de mayor tamaño serían aún más graves, ya que se producirían acoplamientos palas-torre y diversos efectos aeroelásticos.

La nueva generación de aerogeneradores de grandes dimensiones plantea nuevos retos en cuando a su diseño ya que se deben aplicar nuevas técnicas de control y se han de emplear controladores adaptados a las nuevas necesidades. La tendencia actual en las estrategias de control considera que deben ser multivariables y multiobjetivo, de forma que puedan tomar en consideración las numerosas especificaciones de diseño impuestas.

Una de las especificaciones más importantes es la mitigación de las cargas mecánicas en los componentes, de forma que pueda incrementarse su vida útil. Esto puede lograrse por medio del propio diseño de los componentes, por ejemplo, utilizando nuevos materiales y reduciendo el peso, pero en cualquier caso debería mejorarse el control, ya que los diseños son más esbeltos y tienen modos estructurales poco amortiguados. Además, la naturaleza de los aerogeneradores no es en absoluto lineal, lo que implica que las prestaciones de los controladores que se diseñen deben ser robustas.

El control clásico de aerogeneradores de velocidad variable, el más utilizado hoy en día, está basado en el control de la velocidad del rotor y del par del aerogenerador, de forma que se extraiga del viento la mayor energía posible. Dicho control depende de la zona de funcionamiento, que estará determinada por la velocidad media del viento reinante. Por lo que respecta a los controladores utilizados, suelen estar constituidos por controladores PI en serie con un cierto número de filtros ‘notch’. En la zona ‘above rated’, cuando el aerogenerador está trabajando a potencia nominal, la planta varía dependiendo del viento y un solo controlador PI no es adecuado para todos los puntos de funcionamiento: la solución suele ser aplicar la técnica ‘Gain-Scheduling’, donde las ganancias proporcional e integral del algoritmo PI se varían dependiendo del punto de funcionamiento. Este tipo de controlador, aunque largamente utilizado en los aerogeneradores comerciales, tiene grandes limitaciones en cuanto al control de las cargas mecánicas de los componentes y por lo tanto en la optimización de la vida útil de dichos componentes.

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Asier Díaz de Corcuera, investigador en IK4-Ikerlan, analiza los resultados obtenidos al aplicar diferentes técnicas de control robusto en mitigar las cargas mecánicas en los aerogeneradores.

Este artículo presenta de manera resumida diferentes estrategias de diseño de controladores robustos para la mitigación de las cargas en aerogeneradores. Son controladores multivariable y multiobjetivo de la velocidad y del par de los aerogeneradores, considerando tanto el control colectivo como el individual del ángulo de ‘pitch’ de las palas. Dichos controladores están basados en la reducción de la norma H∞ y en técnicas de ‘Gain-Scheduling’ para reducir las cargas mecánicas sin afectar a la producción de energía eléctrica. Para ello, se desarrolló el modelo completo no-lineal de un aerogenerador en el paquete comercial GH Bladed, aerogenerador basado en la turbina de 5 MW definida en el proyecto europeo ‘upwind’. Tras un proceso de linealización del modelo en dicho paquete, se obtiene una familia de modelos lineales, para todos los puntos de funcionamiento. Dicha familia es utilizada para el diseño de los controladores robustos. Los controladores diseñados se validaron en GH Bladed, analizando en detalle las cargas en los diferentes componentes, tanto para fatiga como para algunos casos estratégicos de extremas. Los diferentes controladores robustos se han comparado entre sí y con un controlador clásico de partida denominado C1 y basado en los lazos de control utilizados en los aerogeneradores actuales.

Las nuevas estrategias de control que se proponen para mejorar las prestaciones de C1 son:

C2: Esta estrategia de control se basa en dos controladores H multivariables. El controlador H de par resuelve dos de los objetivos de control propuestos: reducir el efecto del viento en el tren de potencia, y reducir el efecto del viento en las vibraciones laterales de la torre. El controlador de pitch, aparte de regular la extracción de potencia nominal, también reduce las vibraciones adelante-atrás de la torre.

C3, C4, C5: Manteniendo los objetivos de control de C2, las estrategias de control C3 y C4 mejoran la regulación de potencia conseguida con C2 ya que se basan en la interpolación de varios controladores H diseñados en diferentes puntos de operación para que el controlador se adapte al punto de funcionamiento real del aerogenerador. C5, en cambio, mejora la regulación de potencia mediante la síntesis de un complejo controlador LPV (Linear Parameter Varying) capaz de considerar la adaptación a las no-linealidades del aerogenerador en el propio diseño del controlador.

C6, C7: Estas estrategias de control proponen la inclusión de un nuevo lazo de control IPC (Individual Pitch Control). Éste consiste en el envío de una consigna independiente de ángulo de pitch a cada pala con idea de satisfacer varios objetivos de control mediante el diseño de novedosos controladores multivariables basados en la reducción de la norma H: alineamiento del plano del rotor para reducir las vibraciones en las palas debidas a la diferencia de viento que existe a lo largo del área de barrido de los grades rotores actuales, reducción de las vibraciones laterales de la torre y mitigación de la influencia del viento en las vibraciones estructurales de las palas.

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Los controladores diseñados se validaron en GH Bladed, analizando en detalle las cargas en los diferentes componentes, tanto para fatiga como para algunos casos estratégicos de extremas.

Conclusiones

Este artículo resume los resultados obtenidos al aplicar diferentes técnicas de control robusto en mitigar las cargas mecánicas en los aerogeneradores. Los diferentes controladores robustos desarrollados se comparan con un control clásico de referencia C1. Los resultados están tomados básicamente del trabajo [3]. Entre las conclusiones se pueden mencionar las siguientes:

En las estrategias denominadas C1, C2, C3, C4 y C5, sólo se necesitan los sensores normalmente disponibles en los aerogeneradores: sensor de velocidad del rotor y acelerómetros en la parte superior de la torre. Cuando se utiliza el control IPC, se necesitan sensores del par flector en las raíces de las palas.

  • En un controlador clásico tipo C1, la sintonía del controlador PI en un punto de operación determinado está muy limitada en las prestaciones que pueden obtenerse, una vez que se fija un determinado margen de estabilidad. Esta limitación es muy importante en los controladores ‘Gain-Scheduling’ construidos a partir de una estructura PI.
  • El controlador robusto H∞ (C2) mitiga cargas respecto al de referencia C1, aunque es bastante conservador por tratarse de un controlador LTI fijo para toda la zona de potencia nominal ‘above rated’. Los resultados se mejoran considerando tres controladores H∞ para toda la zona e interpolando entre ellos. Se han presentado dos esquemas de interpolación, obteniendo los controladores C3 y C4, con análogos resultados a nivel de mejora respecto a C2, pero asegurando o no, según el proceso de diseño seguido, la estabilidad en todos los puntos intermedios de operación.
  • El control LPV (controlador C5) desarrollado mejora la regulación de la velocidad del generador porque la función de sensibilidad de salida se optimiza para los diferentes puntos de operación debido a la adaptación paramétrica. Este efecto de adaptación tiene gran importancia en la mitigación de cargas en casos de extremas, pero tiene menor importancia en el caso de cargas de fatiga. De todas formas, con la señal paramétrica de adaptación utilizada (ángulo de ‘pitch’) en el controlador diseñado, no se obtienen muy buenos resultados ante entradas de viento tipo ráfagas. Los resultados podrían mejorarse utilizando otra variable más rápida, como por ejemplo el error de la velocidad del generador.
  • Los controladores robustos IPC (incluidos en las estrategias de control C6 y C7) satisfacen los objetivos propuestos: reducir las cargas asimétricas que aparecen en el rotor debido a su desalineamiento y mitigar las cargas en la torre. Además, la calidad de la potencia eléctrica con estas estrategias es mejor que con el controlador robusto base C2, porque no se utiliza el par del generador para amortiguar las vibraciones laterales de la torre.
  • Todas las estrategias de control robusto desarrolladas mejoran la mitigación de cargas respecto a un controlador clásico de referencia. En general, el efecto de incrementar el ancho de banda de la función de sensibilidad de salida de la regulación de velocidad del generador afecta en gran manera a la mitigación de cargas en los casos de extremas. En definitiva, la consigna de ángulo de ‘pitch’ responde más rápidamente para regular la velocidad del generador. Los resultados con cada estrategia de control presentada son diferentes, pero sin embargo, como puede verse en la descripción realiza, el nivel de complejidad de síntesis es también diferente.
  • Las estrategias de control propuestas se han validado en simulación en GH Bladed en casos de producción normal y en casos de vientos extremos.
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El proyecto fue reconocido con el premio ‘Eolo a la innovación 2014’ concedido por la Asociación Empresarial Eólica.

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