Contribuciones al control multiobjetivo de aerogeneradores para eficiencia energética y reducción de cargas estructurales
- Autores: Manuel Lara Ortiz
- Directores de la Tesis: Juan Garrido Jurado (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2024
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Matilde Santos Peñas (presid.), Luis Manuel Fernández-Ahumada (secret.), Manuel Gil Ortega Linares (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Computación Avanzada, Energía y Plasmas por la Universidad de Córdoba
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis: Desde hace varios años, la Unión Europea está dedicando considerables esfuerzos a disminuir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero dada la preocupación por los riesgos del cambio climático. Teniendo en cuenta que cerca del 30% de estas emisiones generadas por el hombre son debidas a la producción de electricidad, hoy día hay un gran impulso de las energías renovables, donde la eólica tiene un papel protagonista al ser una de las fuentes que ha experimentado un mayor crecimiento en las últimas décadas. Para que esta energía sea más competitiva es necesario reducir sus costes de producción y mantenimiento. Desde el punto de vista de control, esto se puede conseguir haciendo funcionar los aerogeneradores con una mayor eficiencia en la generación de energía capturada del viento y mejorando su fiabilidad y vida útil mediante la reducción de las diferentes cargas estructurales a las que se ven sometidos. Obtener mayor energía y reducir vibraciones en las estructuras pueden ser objetivos contrapuestos por lo que es difícil desarrollar algoritmos de control que garanticen ambas metas. Además, el hecho de que los aerogeneradores sean sistemas no lineales con múltiples salidas a controlar y sometidos a una perturbación intermitente y variable en dirección y magnitud como el viento, dificulta aún más el diseño de tales sistemas de control. Contribuciones a la mejora del control de estos sistemas supone un alto impacto tanto económico como medioambiental, por lo que estos temas no solo despiertan gran interés en la literatura especializada, sino que, además, son de gran importancia para la sociedad.
2.Contenido de la investigación: Esta tesis doctoral, formada como compendio de cuatro publicaciones, investiga el diseño de controladores multivariables multiobjetivo aplicados en aerogeneradores de eje horizontal y tres palas con estructura monopilote operando en la región nominal y cuyo propósito es conseguir una mayor eficiencia energética y reducir diferentes cargas estructurales. El ajuste de los parámetros de los esquemas de control propuestos se trata como un problema de optimización multiobjetivo que se resuelve mediante algoritmos genéticos, los cuales permiten identificar de manera precisa frentes de Pareto independientemente de los objetivos y las funciones de restricción establecidas. A través de los frentes de Pareto calculados se obtienen diferentes soluciones óptimas de los parámetros de los controladores. Estas soluciones se analizan utilizando métodos de toma de decisiones multicriterio para evaluar las diferentes alternativas con el fin de obtener la solución óptima más satisfactoria. El procedimiento de optimización sigue un enfoque basado en múltiples simulaciones realizadas con la combinación de MATLAB/Simulink, donde se implementan los controladores, y FAST u OpenFAST, donde se simulan los modelos no lineales de la turbina eólica y las condiciones de viento y olas.
3.Conclusión: En el primer trabajo desarrollado se propone una estructura de control manipulando exclusivamente el ángulo de paso de las palas o pitch. La estructura combina un controlador proporcional-integral (PI) adaptativo para el control de pitch colectivo (CPC), un control feedforward (FF) adaptativo para compensar la perturbación de la velocidad del viento en el CPC, y un control activo de amortiguamiento frontal de la torre (TFC). Mediante la combinación y diseño óptimo simultáneo de los diferentes lazos de control se busca el compromiso entre la regulación de la velocidad angular del generador, la cual está relacionada con la potencia generada, y las oscilaciones frontales en la torre. El controlador resultante mejora en torno a un 90% el seguimiento de referencia de la velocidad angular del generador y, en torno a un 40% la mitigación de las oscilaciones frontales de la torre respecto a un controlador de referencia clásico usado en la literatura.
En el segundo trabajo, se consideran las oscilaciones laterales de la torre además de los dos objetivos anteriores. Se propone una estructura de control basada en un controlador PI para el CPC que regula la velocidad angular de la turbina, junto con un TFC, que genera una componente adicional de pitch, y un control activo de amortiguamiento lateral de la torre (AGTC), que produce una componente extra de par electromagnético del generador. La combinación de todos estos bloques de control (Full control) obtiene mejores resultados que usando solo algunos de ellos por separado. En comparación con el CPC solo, el Full control consigue reducir los desplazamientos frontales en torno a un 30% y los laterales, un 50%, sin afectar a la regulación de la potencia generada.
Mientras que los dos primeros trabajos se aplican a una turbina eólica de 5 MW instalada en tierra, en el tercer y cuarto trabajo se considera una turbina de 15 MW anclada en la costa y, por tanto, también sometida al oleaje. En estos dos últimos trabajos se utiliza un CPC de referencia prediseñado que regula la velocidad de la turbina. El tercer trabajo estudia el compromiso entre las cargas laterales de la torre debidas principalmente a las olas, los momentos de torsión en el eje de la turbina y la fluctuación de la potencia generada. El esquema de control propuesto combina un CPC prediseñado y un AGTC con un filtro paso-banda opcional. Los esquemas AGTC diseñados consiguen reducir la fatiga de los momentos laterales en la base de la torre con el inconveniente de aumentar la fatiga del momento de torsión del eje. El uso de un filtro bien ajustado en el AGTC consigue reducir la fatiga de los momentos de torsión manteniendo similar o menor fatiga en los momentos laterales respecto al AGTC sin filtro. Además, el uso de filtro en AGTC consigue una reducción de la tasa de variación del par electromagnético de más de un 70%.
Por último, el cuarto trabajo se centra en minimizar las cargas en las palas a través de diferentes esquemas adaptativos de control individual del ángulo de pitch (IPC) combinados con un CPC prediseñado. Los esquemas IPC comparados consideran tres aspectos: inclusión o no de offset de azimut, controladores proporcionales o integrales, y ganancias idénticas o diferentes. Los resultados demuestran que todos los esquemas IPC propuestos consiguen disminuir la fatiga provocada en las palas en al menos un 30% sin afectar significativamente al desempeño del CPC. El esquema IPC con mejor desempeño es aquel con dos controladores integrales idénticos óptimos y un offset de azimut óptimo.
