Aportaciones a los sistemas de control de convertidores trifásicos para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables

Resumen

El consumo de energía es un indicador que refleja el nivel de evolución y progreso de una determinada sociedad. En la medida que las fuentes de energía de las que ésta se abastece se van agotando aparece el concepto de "crisis energética". En la actualidad, el modelo económico, a nivel mundial, está basado en un crecimiento continuo, el cual exige y provoca una inevitable demanda creciente de energía. Es una certeza incuestionable, que el periodo de las fuentes de energía de tipo fósil y nuclear está llegando a su fin y, en consecuencia, salvo que en los próximos años se descubran y desarrollen métodos alternativos para obtener energía, la creciente demanda de nuestra sociedad actual no podrá ser abastecida. Según el estudio presentado en The BP Statistical Review of World Energy 2007, la vida útil esperada de las reservas de petróleo en Oriente Medio es de 79,5 años, la de Latinoamérica de 41,2 años y la de Norteamérica de tan sólo 12 años. En cuanto al uranio se estima un tiempo de vida de 85 años, según el estudio presentado en Uranium: Resources, Production and Demand, conocido como "Red Book". Por otro lado, el uso y abuso de las energías convencionales actuales están provocando graves problemas medioambientales, de repercusiones todavía impredecibles, como son la contaminación, el aumento de los gases de efecto invernadero y la destrucción de la capa de ozono. La transición desde las energías convencionales hacia las energías alternativas es un cambio que deberá producirse necesariamente durante el presente siglo. Pero incluso, aún en el supuesto de que nuestra sociedad completara con éxito dicha transición, no sería posible continuar con el actual modelo económico basado en el crecimiento perpetuo puesto que, como cualquier recurso natural, las energías renovables tendrán un límite máximo de explotación. Surge, por tanto, el concepto de "desarrollo sostenible" basado fundamentalmente en los siguientes conceptos: - Uso de fuentes de energía renovable en lugar de energías convencionales. - Fomento del autoconsumo. - La reducción del consumo, haciendo un uso más racional de las necesidades energéticas, y reduciendo el consumo de los equipos conectados a la red. - Aumento del rendimiento y la calidad del suministro de los equipos para inyección a red eléctrica de los sistemas de generación. En este sentido, la Unión Europea ha fijado el plan Europa 2020 con el objetivo de reducir las emisiones de CO2 un 20% para el año 2020. También pretende que el 20% de la energía final consumida sea obtenida a partir de fuentes renovables, es decir, básicamente a partir de energía eólica, energía solar, energía hidráulica, biomasa, energía geotérmica o energía mareomotriz, entre otras. Se estima que la energía eólica será la mayor contribuyente al objetivo 2020 y aportará un 12% de dicha energía de origen renovable. En general, las instalaciones productoras basadas en energías renovables son inversiones de coste elevado, con un tiempo de vida media aproximado de 25 años que resultan amortizables, en promedio según la normativa actual, en un periodo de tiempo que puede oscilar entre 7 y 10 años. Las empresas del sector productor energético cumplen un doble cometido; por un lado, creación de empleo y riqueza basado en su rentabilidad económica y, por otro lado, la contribución para lograr un futuro sostenible. Para que este tipo de empresas puedan amortizar su instalación en el menor tiempo posible y cumplir con su doble cometido, los convertidores electrónicos de potencia empleados, en especial, los inversores para inyección a red, deben reunir, como mínimo, las siguientes características: - Fiabilidad: El inversor debe garantizar un correcto funcionamiento ante cualquier circunstancia, a muy largo plazo, con una tasa de averías baja. - Rendimiento: Actualmente se fabrican inversores para inyección a red con rendimientos cercanos al 99%. Un ligero incremento de dicho rendimiento implica un aumento cuantioso en los beneficios obtenidos, a lo largo de 20 a 25 años. - Calidad del suministro: Los productores están obligados a entregar y recibir la energía en condiciones técnicas adecuadas, de forma que no se causen trastornos en el normal funcionamiento del sistema. Actualmente, los inversores para inyección a red representan un campo en desarrollo donde muchos investigadores están centrando sus esfuerzos, tanto desde el punto de vista de nuevas topologías de potencia como en las aportaciones en el terreno del control. La presente Tesis Doctoral se ha centrado fundamentalmente en aportar soluciones, desde el punto de vista del control, a las necesidades actuales planteadas por el uso creciente de los inversores para inyección a red eléctrica. La búsqueda de la excelencia de los controles de corriente para inversores de inyección a red fue el punto de partida de la presente investigación. Cuando comenzamos a plantearnos cómo debía ser el control de un inversor, lo primero que apreciamos fue que los modelos dinámicos del inversor, que eran los de su filtro de salida, eran lineales y cuasi-invariantes. Estas son condiciones muy favorables para el control, para reunir velocidad y estabilidad. Por eso, sabiendo que podíamos ser ambiciosos con el control, nos interesamos por los controles predictivos. Además el inversor está, en principio, sometido a una única perturbación (la tensión de la línea), que además es medible. Eso reforzaba la idea del control predictivo, que incluye un término feed-forward que cancela esta perturbación. Por el mismo motivo, los sistemas que son lineales y prácticamente invariantes son fácilmente "estimables" mediante observador (también invariante), y como se necesitaba una estimación de valor futuro en el control predictivo, pensamos que lo ideal era combinar la ley predictiva con un observador. El análisis de esa combinación arrojó resultados muy esperanzadores, pues se mejoraba la estabilidad en comparación con el control predictivo convencional, sin perderse velocidad. Posteriormente se desarrolló una segunda versión del control extrapolado al marco de referencia síncrono. Finalmente, en una tercera y última versión, se sumó la idea de un ajuste adaptativo para eliminar el error de corriente. El resultado fue un novedoso control de corriente que, actualmente, responde a todas las necesidades de los inversores de inyección a red. El control propuesto, en su versión definitiva, ha sido probado sobre un inversor trifásico de inyección a red de 10 kVA de potencia. Los resultados obtenidos demuestran que el control desarrollado ofrece la mayor velocidad de respuesta posible, altos margenes de estabilidad (gran robustez frente a variaciones en los parámetros del filtro de salida y frente al retardo computacional), alta precisión en cuanto al nivel de amplitud y de fase de las corrientes inyectadas, control independiente de la potencia activa y reactiva generada, alta calidad de las corrientes inyectadas a la red con bajos factores de distorsión armónica, y alta fiabilidad frente a anomalías en la tensión de la red de suministro. Para comprobar la funcionalidad del control y sus prestaciones en una aplicación cercana a la realidad, se ha optado por emplear la energía eólica como fuente de energía renovable y un aerogenerador de velocidad variable con generador de inducción como sistema de generación eólica. Para realizar las pruebas de laboratorio, se ha desarrollado un emulador de aerogenerador de velocidad variable basado en dos motores de inducción acoplados mecánicamente. El primer motor permite simular el movimiento de las aspas del aerogenerador por la acción del viento y el segundo motor es el generador de inducción propiamente dicho. Como circuito de acondicionamiento de potencia se ha utilizado una topología ''back to back'', donde el convertidor del lado de la red eléctrica es el inversor de inyección a red, cuyo control es el objetivo principal de esta Tesis Doctoral. No obstante, el convertidor del lado del aerogenerador y su control también han sido tratados y desarrollados en esta Tesis.