Desarrollo de un controlador predictivo para la interconexión a la red eléctrica de un sistema de generación distribuida utilizando convertidores multinivel.

Quiñonez Quiñonez, Iván Eduardo (2016) Desarrollo de un controlador predictivo para la interconexión a la red eléctrica de un sistema de generación distribuida utilizando convertidores multinivel. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

A causa del agotamiento de los combustibles fosiles, el daño medioambiental ocasionado por la quema de los mismos para la producci´on de energıa electrica, ası como el constante incremento de la carga en los sistemas electricos de potencia, se ha impulsado el uso de energıas renovables para la generación de energía eléctrica a nivel mundial. Entre las fuentes de energía renovables se encuentran: hidráulica, solar térmica, solar fotovoltaica, eólica, geotermica, mareomotriz y la biomasa, siendo la energía eólica la mas competitiva con respecto a las fuentes convencionales de generación de energía eléctrica. Para esto, se han desarrollado sistemas de conversión de energía eólica con diferentes arreglos entre turbinas eólicas y generadores eléctricos, los cuales presentan distintas características de operación con base a su construcción. Aunado a esto, el desarrollo de la electrónica de potencia ha impulsado la construcción y uso de sistemas cada vez mas eficientes en cuanto al proceso de conversión y transferencia de energía se refiere. Esto se debe a que actualmente la mayoría de los dispositivos empleados para el control y acondicionamiento de la energía eléctrica contienen elementos semiconductores que son operados de forma controlada. Dentro de los dispositivos acondicionadores de energía eléctrica se encuentran los convertidores estáticos de potencia, los cuales están conformados por interruptores (semiconductores de potencia) que son conmutados por efecto de un controlador. Sin embargo, un problema presente para el uso de estos dispositivos en sistemas de conversión de energía eólica, es el nivel de tensión de operación del sistema, ya que el convertidor se ve limitado al nivel de tensión de bloqueo que sus dispositivos semiconductores son capaces de soportar en condiciones normales de operación. Por otra parte, dentro de las estrategias de control mas difundidas para el dice ˜no del controlador del convertidor se tienen: las del tipo lineal con controladores proporcional-integral y moduladores de ancho de pulsos, ası como las basadas en el control por histeresis, que son del tipo no lineal. No obstante, las técnicas lineales requieren de modelos linealizados para un punto de operación del sistema, ası como la sintonizacion de las ganancias y constantes de tiempo para los controladores PI, lo cual limita un tanto la operación del sistema. Mientras tanto, los métodos basados en histeresis presentan un buen seguimiento de los valores de referencia, sin embargo, en algunos casos este seguimiento se alcanza a costa de un elevado numero de conmutaciones en los dispositivos semiconductores, lo que se traduce en perdidas de energía por conmutación. Por lo anterior, el control predictivo basado en modelo con conjunto finito de estados surge como una técnica de control del tipo no lineal que se adecua perfectamente a la naturaleza híbrida de los convertidores (sistema lineal - no lineal), ya que en su aplicación se emplean las entradas del sistema (estados de comunicación del convertidor) para predecir el comportamiento de la variable de control, con base a un modelo en tiempo discreto que es generado a partir del modelo exacto del sistema. Aunado a ello, se diseña una función de costo para evaluar el conjunto de valores generados (predichos) por cada una de las entradas, y ası seleccionar la entrada que minimiza el valor de la función. Es por esto que en este trabajo se propone el uso de un arreglo back-to-back de convertidores multinivel del tipo NPC, de 5-niveles, para transferir la energía eléctrica desde un generador sıncrono de imanes permanentes accionado por una turbina eólica de 3 alabes, hacia la red electrica. Asimismo, la aplicacion del control predictivo basado en modelo con conjunto finito de estados tanto para el control directo de la corriente, e indirectamente de la potencia, para cada convertidor en ambos lados del sistema, ası como para el control de las variables internas del convertidor (tensiones de los condensadores).

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