Research ethics and methodological challenges 36

El bloque de potencia del generador tiene dos señales de entradas: el par extraído del viento por el rotor; y el par que debería recoger el rotor para seguir la estrategia de control. Esta última entrada viene calculada desde la unidad de control.

Las salidas del bloque del generador son la velocidad de rotación del rotor, ya que el generador DFIG es capaz de controlarlo gracias a su electrónica; y la potencia generada que es transmitida a la red. A continuación se muestra el modelo de Simulink del bloque del generador.

Figura 63. Esquema del bloque del Generador.

A continuación se va a dividir la anterior figura en dos para poder apreciar cada elemento de una forma más nítida.

Figura 65. Esquema parcial del bloque Generador (2/2).

Empezando por la figura 63 se puede observar que el par captado por la turbina 𝑇𝑟 se resta

al par de referencia 𝑇𝑟(𝑟𝑒𝑓). Y ello resultado en el cálculo de un par inducido en el rotor

𝑇𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙. Este par inducido alimenta al rotor y es, al fin y al cabo, el control de par que

nos permite controlar la velocidad de giro del rotor. El sentido de realizar esta resta de ambos pares se va a explicar indicando cómo se comporta el rotor en los dos tramos de control del aerogenerador:

• Primer tramo de control (por debajo de la velocidad nominal del viento): en este tramo el objetivo es seguir la curva de máximo coeficiente de potencia. El par de referencia 𝑇𝑟(𝑟𝑒𝑓) ha sido calculado con una variación de la ecuación (14):

𝑇𝑟(𝑟𝑒𝑓)= 1 2· 𝑅 3_{∗ 𝜋 · 𝜌 ·} 𝑣𝑤 2 𝜆𝑜𝑝𝑡 · 𝐶𝑝𝑚á𝑥 ( 49)

Que se obtiene utilizando la ecuación (13), que relaciona el tip speed ratio con la velocidad del viento y con la velocidad angular del rotor.

La expresión que calcula el par extraído por el rotor es la expresión de la ecuación (14), como ya se vio en el anterior apartado de este capítulo. Si se observa la ecuación se comprobara que:

i. Si disminuye 𝜔𝑟 por debajo del valor de rotación que supone un valor óptimo

de landa (𝜆𝑜𝑝𝑡) aumenta el valor del par extraído del viento. En ese momento

se produce una diferencia entre 𝑇𝑟(𝑟𝑒𝑓) y 𝑇𝑟, siendo este último más alto. Esto

provoca que 𝑇𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙.sea positivo, por lo que se inducirá un par con ese

valor en el rotor del generador con objeto de aumentar la velocidad de rotación del rotor 𝜔𝑟. De este modo la turbina vuelve al rango de funcionamiento donde

ii. Si aumenta 𝜔𝑟 por encima del valor de rotación que supone un valor óptimo de

landa (𝜆𝑜𝑝𝑡) disminuye el valor del par extraído del viento. En este caso

provocaría que 𝑇𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙.sea negativo, induciendo por tanto un par en el

rotor del generador que tiende a frenar el mismo, provocando así que el 𝜔𝑟

disminuya. De este modo se vuelve a valores óptimos del tip speed ratio alcanzando el máximo coeficiente de potencia.

• Segundo tramo de control (por encima de la velocidad nominal del viento): en este tramo el objetivo es mantener la velocidad de rotación del rotor en la nominal. La explicación hecha en los puntos “i” y “ii” en el primer tramo de control también sirve para comprender el porqué de la elección de los signos para el control de este tramo. Tanto si se aumenta como si se disminuye 𝜔𝑟 el comportamiento es el mismo que en

el anterior tramos explicado.

Ahora bien, debido a la inercia eléctrica del generador, al tiempo de respuesta del control del generador y a las limitaciones de electrónica, no es posible inducir el par requerido instantáneamente. Por eso se introduce el bloque de Control par, que es una forma de modelar esos retrasos e inercias.

Figura 66. Esquema del bloque Generador/Control par.

Para controlar el retardo simulado de la electrónica y la inercia 𝑡 del conjunto del generador se utiliza un control PID. El tiempo 𝑡 se conoce como tiempo de establecimiento y es el tiempo en segundos que tarda el sistema en alcanzar el 63% del valor final.

La salida de este bloque será por tanto el 𝑇𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙, que es al final el par que se induce

en el generador. El cual determinará cómo varía la velocidad de rotación de la turbina. Más adelante este par pasa a través de la Transfer Fcn1. Este bloque representa la ecuación (48), donde 𝐷(𝜔) se ha supuesto una función lineal de la forma: 𝐷(𝜔) = 𝐷 · 𝜔. Es decir, la fricción con los cojinetes produce un par que tiende a frenar el giro del rotor y este par es una función lineal proporcional a la velocidad de giro del rotor.

Este par inducido en el rotor se ha utilizado para controlar la velocidad de giro de la turbina, por lo que ha sido consumido por el sistema. Por esa razón se resta al par extraído del viento 𝑇𝑟 el par utilizado en el control del rotor 𝑇𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙. El par resultante es el par destinado a

la generación eléctrica del aerogenerador 𝑇𝑒 𝑛𝑒𝑡𝑜.

Continuando con la figura 64, a la salida de la Transfer Fcn1 obtenemos el valor de 𝜔̇. Con este valor de aceleración angular somos capaces de calcular la velocidad de rotación del rotor a través de un integrador (representado como 1

𝑠). Pero este integrador debe tener un valor

inicial de velocidad de rotación de giro de la turbina, el cual es representado por el bloque de 𝜔

Después se añade un bloque de saturación para evitar que la velocidad de rotación pase a valores negativos, lo cual no tendría sentido en la simulación. El valor de la velocidad de rotación de la turbina es enviado al bloque de Turbina para actualizar los valores del par extraído del viento.

En paralelo de multiplica ese valor de 𝜔𝑟 por el par de generación eléctrica neto 𝑇𝑒 𝑛𝑒𝑡𝑜,

calculando así la potencia producida por el generador DFIG. Sin embargo al transformar la electricidad a los valores nominales de la red de distribución eléctrica se pierde algo de potencia en el proceso. Por tanto, a su paso por los transformadores, estas pérdidas de potencia se tienen en cuenta a través de un rendimiento (rend_trans), cuyo valor está definido en el archivo.m de Matlab.

En paralelo a ambos outputs se encuentra una línea de bloques que sirve para diferenciar entre la potencia generada por el estátor y la generada por el rotor, calculadas a partir de las ecuaciones (44) y (45), respectivamente.