ES2270675A1 - Metodo y dispositivo para el control de la potencia activa y reactiva de maquinas asincronas doblemente alimentadas. - Google Patents
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Abstract
Método y dispositivo para el control de la potencia activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas. El método comprende las siguientes fases: a) Adquisición periódica de las consignas de potencia activa y reactiva del estator y de la corriente y tensión del estator, así corno la posición angular del eje del rotor. b) A partir de las medidas de las corrientes y tensiones del estator, se calcula la potencia activa y reactiva instantánea del estator y el ángulo del vector de tensión respecto de unos ejes estacionarios con el estator. c) A partir de las consignas de potencia activa y reactiva y de sus valores instantáneos se obtiene el error de potencia activa y reactiva. d) Se obtiene el valor de un ángulo que relaciona el error de potencia con el incremento necesario en el flujo del rotor y por tanto, la tensión a aplicar. e) Con el valor del ángulo obtenido se entra en una tabla que nos da directamente el valor de tensión a aplicar al rotor.
Description
Método y dispositivo para el control de la
potencia activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente
alimentadas.
El método objeto de la invención permite
controlar las potencias activa y reactiva del estator de una
máquina asíncrona doblemente alimentada de aplicación, por ejemplo,
en el control de turbinas eólicas equipadas con generador asíncrono
doblemente alimentado, utilizadas por la mayoría de fabricantes de
turbinas eólicas.
En concreto, el método de la invención permite
controlar la potencia activa y reactiva del estator de la máquina
asíncrona sin necesidad de conocer ninguno de los parámetros
físicos de la máquina, de manera que el control realizado es muy
robusto.
Con este método, la puesta a punto de la máquina
es muy rápida, y con un tiempo de ejecución del control muy
reducido, lo que permite que el dispositivo de hardware (DSP, FPGA,
etc.) utilizado para implementar el control realice tareas de
control y monitorización adicionales.
Además, el método objeto de la invención permite
realizar el control de la máquina sin necesidad de medir las
corrientes del rotor.
El método más ampliamente utilizado para el
control en máquinas asíncronas doblemente alimentadas, es el
conocido como control vectorial, cuyo fundamento se resume a
continuación:
En primer lugar, se obtienen las consignas de
las tres componentes de la corriente del rotor a partir de las
potencias activa y reactiva de referencia del estator. Este primer
paso ya supone un inconveniente puesto que para pasar de potencia a
corriente se requiere la utilización de parámetros físicos de la
máquina como por ejemplo la inductancia de magnetización, la
inductancia del estator y del rotor y las resistencias del estator
y el rotor. Además, estos parámetros dependen de las condiciones de
operación de la máquina y de la temperatura, por lo que deben
estimarse de forma continua.
En algunas implementaciones las corrientes de
referencia se obtienen a partir de las potencias a través de
controladores PID. En este caso no se requieren parámetros físicos
de la máquina, pero es necesario sintonizar correctamente los
parámetros de ganancia de los PID.
Después se obtienen las corrientes instantáneas
del rotor y se comparan con las corrientes de referencia obtenidas
anteriormente para calcular las señales de error correspondientes y
se aplican como entrada de sendos controladores PID. Este es un
segundo inconveniente, ya que también hay que ajustar las
ganancias de estos controladores
PID.
PID.
Las salidas de los controladores PID se utilizan
como coordenadas del vector de referencia de tensión del
rotor.
Por ultimo, el vector de referencia de tensión
se transforma en las tres tensiones trifásicas de referencia
correspondientes. Estas tres tensiones se utilizan como entrada a
un módulo PWM que compara la tensión de cada fase con una banda
triangular para generar los impulsos de disparo del convertidor
conectado al rotor. Otra alternativa consiste en utilizar un
modulador vectorial para obtener las consignas de disparo al
convertidor conectado al rotor. En ambos casos se actúa sobre la
tensión del rotor variando el flujo magnético generado,
consiguiendo el ajuste necesario en las potencias del estator.
Otro método diferente para el control de la
máquina asíncrona doblemente alimentada es el denominado DTC
(Direct Torque Control) que, en lugar de modulación PWM o
vectorial, utiliza unas tablas para calcular el vector de tensión
del rotor, pero el inconveniente estriba en que necesita utilizar
varias tablas para determinar el signo del error de la potencia
activa, detectar si opera en subsincronismo o supersincronismo y
realizar la estimación de la posición del flujo del rotor, con lo
cual resulta un método bastante complejo.
Además, este método utiliza unas bandas de
histéresis para comparar potencias de referencia y potencias
reales. Esto supone que hay que ajustar la anchura de las bandas de
histéresis y además hace que el sistema opere a frecuencia
variable.
El método de control objeto de la invención
permite realizar el control de una máquina asíncrona doblemente
alimentada sin necesidad de estimar ningún parámetro de la máquina
ni el flujo del rotor ya que se basa en encontrar el error de las
potencias activa y reactiva del estator y utilizarlas como
coordenadas de un vector, con la particularidad de que la
coordenada angular de este vector se utiliza como entrada de una
tabla de la que se obtiene el vector de tensión a aplicar al rotor
para conseguir la variación en el flujo de éste para que compense
las desviaciones obtenidas en la potencia suministrada por el
estator.
Para ello, se necesitan únicamente dos de las
tres tensiones del estator de la máquina, dos de las tres
corrientes del estator de la máquina y la posición angular del eje
del rotor, sin necesidad de medir las corrientes del rotor. Para la
medida de las corrientes y tensiones del estator se utilizan
sensores de corriente y tensión convencionales, mientras que la
medida de la posición del eje del rotor se puede realizar de forma
directa utilizando un encoder o bien por estimación de su posición,
a través de cualquiera de los diversos métodos conocidos
actualmente para este fin.
El cálculo del error de la potencia activa y
reactiva del estator se realiza mediante un procesador digital de
señal que además incorpora la tabla que permite obtener el vector
de tensión del rotor. Este procesador se encuentra conectado al
convertidor del rotor para activar y desactivar los transistores de
potencia correspondientes.
En concreto, el método de la invención comprende
las siguientes fases:
- a)
- Adquisición periódica de las consignas de potencia activa y reactiva del estator y de la corriente y tensión del estator, así como la posición angular del eje del rotor.
- b)
- A partir de las medidas de las corrientes y tensiones del estator, se calcula la potencia activa y reactiva instantánea del estator y el ángulo del vector de tensión respecto de unos ejes estacionarios con el estator.
- c)
- A partir de las consignas de potencia activa y reactiva y de sus valores instantáneos se obtiene el error de potencia activa y reactiva.
- d)
- Se obtiene el valor de un ángulo que relaciona el error de potencia con el incremento necesario en el flujo del rotor y por tanto, la tensión a aplicar.
- e)
- Con el valor del ángulo obtenido se entra en una tabla que nos da directamente el valor de tensión a aplicar al rotor.
La ventaja principal de este método frente al
método de control vectorial radica en que no depende de ningún
parámetro físico de la máquina, por lo que es extremadamente
robusto. En los métodos de control vectorial se debe incorporar
mecanismos de estimación de los parámetros de la máquina, que hacen
más complicada y lenta su ejecución, consumiendo muchos recursos de
la DSP que realiza las tareas de control. Tampoco requiere la
sintonización de ningún parámetro de control, como por ejemplo
ganancias de los PID, por lo que su puesta en funcionamiento es muy
rápida.
Otra ventaja del método es su sencillez ya que
el número de operaciones a realizar es muy pequeño. De esta
manera, la DSP de control dispone de más tiempo para realizar un
número mayor de tareas adicionales.
La ventaja principal de este método frente al
método de control DTC radica en que no es necesario estimar el
sector donde se ubica el flujo del rotor, liberándolo de una tarea
más y reduciendo las posibilidades de error del algoritmo. Otra
ventaja importante es que el método de la invención opera a
frecuencia fija, a diferencia del método DTC, que opera con
frecuencia variable debido a que utiliza una banda de histéresis y
dependiendo del tiempo que tarde la potencia en superar las bandas
de histéresis la frecuencia de conmutación es variable. Otra
ventaja adicional es que no es necesario determinar si trabaja en
supersincronismo o en subsincronismo ni si el error de potencia
activa es positivo o negativo.
Otra ventaja muy importante del método de
control propuesto es que no necesita medir las corrientes del
rotor. Esto hace que se eliminen sensores de corriente, con lo que
el sistema, al tener menos componentes, reduce las posibilidades de
fallo y el coste del mismo.
Una ventaja adicional, muy importante, es que el
algoritmo carece de parámetros ajustables, y por lo tanto su
puesta en marcha es inmediata. Los algoritmos de control vectorial
requieren el ajuste de las ganancias de los controladores PID, y el
algoritmo DTC requiere ajustar la banda de histéresis de los
errores en la potencia activa y reactiva.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Presenta un esquema general del
sistema completo de control de una máquina asíncrona doblemente
alimentada (MADA), habiéndose incluido una línea quebrada que
corresponde a la parte del esquema general de la máquina
correspondiente al control de potencia objeto de la invención.
Figura 2.- Presenta un esquema de los
componentes del convertidor del rotor que actúa para variar la
tensión de la máquina asíncrona doblemente alimentada.
Figura 3.- Representa un esquema del método de
control vectorial de una máquina asíncrona doblemente
alimentada.
Figura 4.- Presenta un esquema de método de
control objeto de la invención.
El método de la invención se describe de forma
esquemática en la figura 4 y se describirá a continuación en
detalle.
El dispositivo de control está compuesto por un
procesador digital de señal y una FPGA o dispositivo similar que, a
través de unos convertidores analógico- digitales, adquiere de forma
periódica las medidas de corriente y tensión del estator (Vsa,
Vsb, Isa, Isb). También se obtienen las consignas de potencia
activa y reactiva del estator (Ps* y Qs*) que provienen de un
dispositivo digital y por tanto se obtienen a partir de un bus de
comunicaciones con el exterior u otros circuitos digitales
encargados de generar las consignas. Es necesario también obtener
la posición angular del eje del rotor (\theta_{r}) que se
determina partir de una señal de encoder normalizada. La posición
angular del eje del rotor también podría obtenerse por
estimación.
Con los valores adquiridos se realizan las
siguientes operaciones:
- 1)
- De la medida de las corrientes de la fase A y B (Isa, Isb) y de las tensiones de las fases A y B (Vsa, Vsb) del estator el procesador digital de señal calcula la potencia activa y reactiva instantáneas del estator (Ps, Qs) y el ángulo del vector de tensión respecto de los ejes estacionarios respecto al estator (\theta_{S}), de acuerdo con las siguientes fórmulas:
P_{S} \ = \
2(V_{Sa}I_{Sa} \ + \ V_{Sb}I_{Sb}) \ + \ V_{Sb}I_{Sa} \ + \
V_{Sa}I_{Sb}
Q_{S} \ = \
\sqrt{3}(V_{Sb}I_{Sa} \ - \
V_{Sa}I_{Sb})
\theta_{S} \ =
\ arcsin \ \left(\frac{1}{\sqrt{1 \ +
\frac{\sqrt{3}V^{2}_{Sa}}{(V_{Sa} \ + \
2V_{Sb})^{2}}}}\right)
- Para evitar consumir tiempo la función arcsin se obtiene de una tabla en lugar de calculando la función.
- 2)
- Se obtiene el error de potencia activa y reactiva, a partir de los valores de las consignas de referencia de potencia activa (Ps*) y reactiva (Qs*) y de las potencias activa (Ps) y reactiva (Qs) instantáneas obtenidas en la fase anterior.
\Delta Ps \ =
\ Ps\text{*} \ - \ Ps
\Delta Qs \ =
\ Qs\text{*} \ - \
Qs
- 3)
- El procesador digital de señal obtiene un ángulo e definido por la siguiente expresión:
\theta \ = \
arcsin\left(\frac{-\Delta Q_{S}}{\sqrt{(\Delta Q_{S}{}^{2} \ + \
\Delta
P_{S}{}^{2})}}\right)
- Para evitar consumir tiempo la función arcsin se obtiene de una tabla en lugar de calculando la función.
- 4)
- Al ángulo \theta definido anteriormente se le resta el ángulo de posición del eje (\theta_{r}) del rotor y se le suma el ángulo del vector de tensión (\theta_{S}) obtenido anteriormente para calcular el ángulo (\theta_{R}).
\theta_{R} \ =
\ \theta \ - \ \theta_{r} \ + \
\theta_{S}
El valor del ángulo \theta_{R} previamente
definido es utilizado para determinar la tensión que debe aplicar
el convertidor de potencia CRT al rotor de la máquina.
\newpage
La tabla 1 muestra la tensión aplicada al rotor,
dependiendo del valor del ángulo \theta_{R}, lo cual
corresponde a un estado concreto de los transistores del convertidor
de potencia del rotor o CRT. Mediante la utilización de drivers
standard, que ofrecen multitud de fabricantes, el procesador
digital de señal activa los semiconductores definidos por la tabla
previa, aplicando la tensión deseada en el rotor.
| Ángulo | Vector de Tensión | Estado de los Semiconductores |
| aplicada al rotor | ||
| 90º \geq \theta_{R} > 30º | T1, T3 y T2 encendidos, | |
| V_{d}e^{j\tfrac{\pi}{3}} | T4, T5 y T6 apagados | |
| 150º \geq \theta_{R} > 90º | T4, T3 y T2 encendidos, | |
| V_{d}e^{j\tfrac{2\pi}{3}} | T1, T5 y T6 apagados | |
| 210º \geq \theta_{R} > 150º | T4, T3 y T5 encendidos, | |
| V_{d}e^{j\pi} | T1, T2 y T6 apagados | |
| 270º \geq \theta_{R} > 210º | T4, T6 y T5 encendidos, | |
| V_{d}e^{j\tfrac{4\pi}{3}} | T1, T2 y T3 apagados | |
| 330º \geq \theta_{R} > 270º | T1, T6 y T5 encendidos, | |
| V_{d}e^{j\tfrac{5\pi}{3}} | T2, T3 y T4 apagados | |
| \theta_{R} > 330º o | T1, T6 y T2 encendidos, | |
| \theta_{R}\leq 30º | V_{d}e^{j0} | T3, T4 y T5 apagados |
En la figura 2 se representa esquemáticamente el
convertidor de potencia utilizado (CRT), donde se han representado
los transistores T1 a T6 y Vd es la tensión de alimentación
del convertidor CRT. Lo más habitual es utilizar
IGBT-s como semiconductores en el convertidor CRT,
pero se podría utilizar cualquier semiconductor con propiedades
similares, BJT, MOSFET, GTO etc.
Claims (7)
1. Método de control de potencia activa y
reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas,
caracterizado porque se basa en captación de dos de las tres
tensiones del estator de la máquina (Vsa, Vsb), dos de las tres
corrientes del estator de la máquina (Isa, Isb) y la posición
angular del eje del rotor (\theta_{r}), para obtener el error
de las potencias activa y reactiva del estator (\DeltaPs,
\DeltaQs), exclusivamente a partir de las citadas dos tensiones
del estator de la máquina, de las citadas dos corrientes del
estator de la máquina y de la posición angular del eje del
rotor.
2. Método de control de potencia activa y
reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas según
reivindicación 1, caracterizado porque comprende las
siguientes fases:
- a)
- Adquisición periódica de las consignas de potencia activa (Ps*) y reactiva del estator (Qs*) y de las corrientes (Isa, Isb) y tensión (Vsa, Vsb) del estator, así como la posición angular del eje del rotor (\theta_{r}).
- b)
- A partir de las medidas de las corrientes (Isa, Isb) y tensiones (Vsa, Vsb) del estator, se calcula la potencia activa (Ps) y reactiva (Qs) instantáneas del estator y el ángulo del vector de tensión respecto de unos ejes estacionarios con el estator (\theta_{s}).
- c)
- A partir de las consignas de potencia activa (Ps*) y reactiva (Qs*) y de sus valores instantáneos (Ps, Qs) se obtiene el error de potencia activa y reactiva (\DeltaPs, \DeltaQs).
- d)
- Se obtiene el valor de un ángulo (\theta_{R}) que relaciona el error de potencia con el incremento necesario en el flujo del rotor y por tanto, la tensión a aplicar.
- e)
- Con el valor del ángulo obtenido (\theta_{R}) se entra en una tabla que nos da directamente el valor de tensión a aplicar al rotor (Va, Vb, Vc).
3. Dispositivo para el control de potencia
activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas,
caracterizado porque está compuesto por sensores de tensión
e intensidad conectados al estator para la obtención de las
corrientes y tensiones del estator (Vsa, Vsb, Isa, Isb), medios
para la medida de la posición del eje del rotor (\theta_{r}) y
un procesador digital que, a través de unos convertidores
analógicos digitales, adquiere los valores medidos por los sensores
de tensión e intensidad del estator y por los medios de medida de
la posición del rotor, para calcular el error de las potencias
activa y reactiva del estator, estando la salida del procesador
digital conectada al convertidor (CRT) conectado al rotor.
4. Dispositivo para el control de potencia
activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas
según reivindicación 3, caracterizado porque el procesador
digital de señal incorpora una tabla de simple entrada que
relaciona el error de las potencias activa y reactiva del estator
con las tensiones del rotor (Va, Vb, Vc) para obtener las consignas
de disparo de los semiconductores (T1 a T6) del convertidor del
rotor (CRT).
5. Dispositivo para el control de potencia
activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas
según reivindicación 3, caracterizado porque el procesador
digital de señal se conecta, a través de un bus de comunicaciones,
con un dispositivo digital que genera las consignas de potencia
activa y reactiva del estator (Ps*, Qs*).
6. Dispositivo para el control de potencia
activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas
según reivindicación 3, caracterizado porque los medios de
medida de la posición del rotor están constituidos por un
encoder.
7. Dispositivo para el control de potencia
activa y reactiva de máquinas asíncronas doblemente alimentadas
según reivindicación 3, caracterizado porque los medios de
medida de la posición del rotor están basados en métodos de
estimación de posición.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200402665A ES2270675B1 (es) | 2004-11-05 | 2004-11-05 | Metodo y dispositivo para el control de la potencia activa y reactiva de maquinas asincronas doblemente alimentadas. |
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2270675A1 true ES2270675A1 (es) | 2007-04-01 |
| ES2270675B1 ES2270675B1 (es) | 2008-04-01 |
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ID=38319258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200402665A Expired - Fee Related ES2270675B1 (es) | 2004-11-05 | 2004-11-05 | Metodo y dispositivo para el control de la potencia activa y reactiva de maquinas asincronas doblemente alimentadas. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2270675B1 (es) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2403128A3 (en) * | 2010-05-27 | 2018-03-28 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Wind power converter system with grid side reactive power control |
-
2004
- 2004-11-05 ES ES200402665A patent/ES2270675B1/es not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (6)
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| BOGALECKA, E. POWER CONTRL OF A DOUBLE FED INDUCTION GENERATOR WITHOUT SPEED OR POSITION SENSOR. Fith European conference on Power Electronics and Applications, 1993. 13-16 Septiembre 1993 páginas 224-228, vol. 8. Brighton UK. \\ A 2 * |
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| EP2403128A3 (en) * | 2010-05-27 | 2018-03-28 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Wind power converter system with grid side reactive power control |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2270675B1 (es) | 2008-04-01 |
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20070401 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2270675B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180809 |