EMULADOR DE TURBINA EÓLICA.

Cuando se realiza el diseño de un convertidor electrónico de potencia para una aplicación eólica, después de realizar las simulaciones oportunas, es necesario hacer pruebas experimentales de laboratorio, antes de hacer las pruebas finales de campo empleando una turbina eólica. En la fase intermedia de pruebas de laboratorio, se necesita algún tipo de sistema que emule el funcionamiento de la turbina eólica. Los diseñadores de accionamientos para turbinas eólicas, suelen emplear motores de corriente continua, de inducción de jaula de ardilla o de imanes permanentes. En todos los casos, se controla el motor para que su comportamiento reproduzca las curvas de potencia de la turbina eólica. Para ello se emplea un control basado en microprocesador, que toma como variables de entrada la velocidad el viento y la velocidad de giro de la turbina, y, a partir de ellas, establece la referencia de par del motor que emula a la turbina. El estado de la técnica de los sistemas de emulación es tal que el motor de corriente continua es el más empleado. En [1] se realiza la emulación de la turbina mediante un motor de corriente continua, alimentado por un convertidor AC/DC de tiristores. A partir de la velocidad del giro y de la velocidad del viento, se calcula el par mecánico de la turbina y se introduce como referencia en el controlador del motor de CC, que tiene un sensor de par. En [2] se utiliza un accionamiento comercial de un motor de corriente continua con control de par. Se almacenan las características de par de una turbina en función de la velocidad del viento, la velocidad de giro y el ángulo de paso. Dicho par es la referencia de par del accionamiento del motor de CC. En [3] el par del motor se estima en función de la corriente medida y se introduce al controlador de par, para emular las curvas de potencia de la turbina. En los sistemas de emulación se emplean también motores de corriente alterna. En [4] se utiliza un motor de imanes permanentes, controlado vectorialmente para reproducir el par mecánico de la turbina. Para la realimentación se emplea un sensor de par en el eje. El control se realiza mediante PC y los disparos se generan mediante una FPGA. Se tienen en cuenta las variaciones de velocidad del viento desde la parte inferior a la superior del rotor, y la sombra de la torre de la turbina. En [5] se utiliza un motor de inducción como emulador de turbina. A partir de la velocidad del viento y la velocidad de la turbina, se obtiene el par de la turbina, que se introduce como referencia al regulador del motor de inducción. [1] Shibashis Bhowmik, Rene Spee, Johan H. R. Enslin, Performance Optimization for Doubly Fed Wind Power Generation Systems, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 35, NO. 4, JULY/AUGUST 1999. [2] M. Chinchilla, S. Arnaltes, J. L. Rodriguez-Amenedo, Laboratory set-up for Wind Turbine Emulation, 2004 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). [3] Mohammad Monfareda, Hossein Madadi Kojabadib, Hasan Rastegara, Static and dynamic wind turbine simulator using a converter controlled de motor, Renewable Energy 33 (2008) 906-913 (Available online at www.sciencedirect.com). [4] Dale S. L. Dolan, P. W. Lehn. Real-Time Wind Turbine Emulator Suitable for Power Quality and Dynamic Control Studies, International Conference on Power Systems Transients (IPST05). Montreal, Cañada, June 19-23, 2005, Paper No. IPST05-074. [5] Hossein Madadi Kojabadi, Liuchen Chang, Tobie Boutot, Development of a Novel Wind Turbine Simulator for Wind Energy Conversión Systems Using an Inverter-Controlled Induction Motor, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 19, NO. 3, SEPTEMBER 2004. Descripción de la invención El problema que trata de solucionar esta invención se produce en la fase de diseño de los sistemas de control de los generadores de las turbinas eólicas. Las fases del diseño serían, de forma consecutiva, la simulación, las pruebas de laboratorio y las pruebas de campo. Las primeras se realizan mediante ordenador, las segundas utilizan máquinas eléctricas para emular a la turbina eólica y las terceras emplean ya la turbina eólica. En las pruebas de laboratorio se necesita algún elemento que emule el comportamiento de la turbina eólica y, en concreto, sus curvas de potencia (ver Figura 2). La potencia mecánica de la turbina eólica es función de la velocidad de giro y de la velocidad del viento. Para cada velocidad del viento, la potencia máxima se genera para un valor de velocidad de giro diferente. 2 ES 2 353 088 A1 La invención trata de dar solución al problema de la emulación de las curvas de potencia mecánica de la turbina, para la realización de ensayos de laboratorio. Consiste en un motor de corriente continua controlado desde el inducido, una resistencia y una fuente de tensión variable, todos ellos conectados en serie (Figura 1). La variación de la tensión de corriente continua se va a encargar de provocar variaciones similares a las que produce la variación de la velocidad del viento en una turbina eólica. Las curvas de potencia del motor de corriente continua, para varios valores de la tensión VDC se pueden ver en la Figura 4. Para cada valor de la tensión de corriente continua, hay una curva de potencia mecánica del motor, con una forma similar a las de una turbina eólica. La tensión de alimentación en el emulador se puede considerar equivalente a la velocidad del viento en la turbina real. La diferencia de nuestra invención respecto del estado de la técnica, consiste en que nuestra invención reproduce la forma de las curvas de potencia de una turbina mediante un emulador en lazo abierto, mientras que los emuladores existentes actualmente trabajan en lazo cerrado. Nuestra invención presenta de forma intrínseca unas curvas de potencia similares a las de una turbina, por lo que no necesita la presencia de un sistema realimentado. La técnica actual utiliza motores de diferentes tipos (corriente continua, jaula de ardilla, imanes permanentes), que trabajan de forma intrínseca a velocidad constante, y que sólo mediante la introducción de un sistema de control que realimenta el par y la velocidad de giro, consigue reproducir las curvas de potencia de la turbina. Al trabajar en lazo abierto, nuestra invención es un sistema más sencillo, no presenta problemas de interacción entre los dos lazos de control (emulador de turbina y generador) y es más rápido. Nuestra invención permite simular, mediante la. variación de la tensión de alimentación VDC, las variaciones de la velocidad del viento (como se puede ver en la Figura 2) y las variaciones del ángulo de paso de las palas (como se puede observar al comparar las gráficas de la Figura 2 y la Figura 3, que tienen una diferencia de ángulo de paso de 5 grados). Breve descripción de la invención La invención consiste en un emulador de turbinas eólicas, para la realización de pruebas de sistemas de control del generador de la turbina en un entorno de laboratorio. Permite emular en lazo abierto las curvas de potencia mecánica de la turbina, ya que para cada tensión de entrada VDC, la curva de potencia en función de la velocidad de giro tiene forma de parábola invertida. Al variar la tensión de entrada VDC se obtienen curvas de potencia parecidas a las de la turbina; cuando la tensión VDC aumenta, el valor máximo de la potencia es mayor y la velocidad de giro a la que se obtiene ese valor máximo es mayor. La invención consiste en la conexión en serie de los siguientes elementos eléctricos: una fuente de tensión en corriente continua de valor variable, una resistencia de potencia y un motor de corriente continua con excitación independiente. La característica técnica más novedosa de la invención es la emulación de las curvas de la turbina en lazo abierto, ya que intrínsecamente tiene un comportamiento similar, a diferencia del estado de la técnica, donde la emulación se realiza mediante un sistema de control en lazo cerrado. Explicación de las figuras Figura 1. Esquema eléctrico del emulador de la turbina. Consta de: (1) fuente de tensión en corriente continua, que puede ser un rectificador o un convertidor conmutado continua-continua, (2) señal de control de la fuente de tensión en corriente continua, (3) resistencia de potencia y (4) motor de corriente continua con excitación independiente. Figura 2. Curvas de potencia mecánica de una turbina eólica para un ángulo de paso de 0 grados. En el eje a se representa la velocidad de la turbina en per unit de la velocidad nominal del generador, en el eje b se representa la potencia mecánica de la turbina en per unit de la potencia mecánica nominal. Las curvas se representan para diversos valores de la velocidad del viento. Figura 3. Curvas de potencia mecánica de una turbina eólica para un ángulo de paso de 5 grados. En el eje a se representa la velocidad de la turbina en per unit de la...

1. Emulador de turbina eólica, para pruebas de sistemas de control del generador eléctrico asociado a la turbina, caracterizado porque está compuesto por una fuente de tensión en corriente continua (1), una señal de control de la tensión en corriente continua (2), un resistencia de potencia (3) y un motor de corriente continua con excitación independiente (4), conectados en serie. 2. Emulador de turbina eólica, según la reivindicación 1, que permite emular en lazo abierto las curvas de potencia mecánica de la turbina. 3. Emulador de turbina eólica, según la reivindicación 1, en el que la excitación del motor de corriente continua puede ser constante o variable. 4. Emulador de turbina eólica, según la reivindicación 1, en el que la fuente de tensión continua puede realizarse mediante un rectificador (constituido normalmente por tiristores) o mediante un convertidor conmutado continuacontinua. 5. Emulador de turbina eólica, según la reivindicación 1, caracterizado porque la variación de la tensión en corriente continua va a permitir simular las variaciones de la velocidad del viento y/o del ángulo de paso de las palas. 6. Emulador de turbina eólica, según la reivindicación 1, caracterizado porque, asociado a la fuente de tensión en corriente continua, tiene algún tipo de memoria o de procesador encargado de introducir las variaciones de tensión de acuerdo a las condiciones de la turbina que se desean simular. 7. Emulador de turbina eólica, caracterizado porque incluye una señal que controla el valor de la tensión en corriente continua VDC, bien mediante la variación de la señal de disparo de los tiristores, bien mediante el control del ciclo de servicio de un convertidor conmutado continua-continua. 8. Emulador de turbina eólica, según la reivindicación 7, caracterizado porque la señal de control puede ser constante, para simular una velocidad del viento constante y un ángulo de las palas constante, o variable, para simular las variaciones de la velocidad del viento y/o del ángulo de paso. 6 ES 2 353 088 A1 7 ES 2 353 088 A1 8 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA