Convertidor híbrido multinivel para sistema de conversión de energía eólica con un generador de imanes permanentes dual trifásico

Abstract

DEBIDO al incremento en el uso de energía a nivel mundial y los problemas medioambientales que se han producido por la utilizaci´on de combustibles f´osiles; las energ´ıas renovables no convencionales (ERNC) se han vuelto cada vez m´as importantes. El desarrollo de la tecnolog´ıa en conjunto con la disminuci´on de costos, las han hecho cada vez m´as competitivas a nivel industrial. Dentro de estas, la energ´ıa e´olica es la que presenta el mayor crecimiento en capacidad instalada a nivel mundial. Con el fin de capturar una mayor cantidad de energ´ıa y reducir los costos kWh, actualmente se est´an desarrollando turbinas e´olicas con una capacidad de multi-MW, en donde se utilizan t´ıpicamente generadores sincr´onicos de imanes permanentes o rotor devanado con un alto n´umero de polos y varios devanados trif´asicos, los cuales en la mayor´ıa de los casos operan en baja tensi´on (690[V]). A la vez, por el lado de la red el´ectrica la utilizaci´on de convertidores multiniveles operando en media tensi´on se ha vuelto interesante, debido a la mejora en eficiencia y la calidad de la energ´ıa inyectada a la red. En el presente trabajo se propone una nueva configuraci´on para un sistema de conversi´on de energ´ıa e´olica. Se utiliza un generador sincr´onico de imanes permanentes dual trif´asico y un convertidor de potencia h´ıbrido que sirve de interfaz entre el generador y la red. Cada uno de los dos grupos de devanados trif´asicos del generador alimenta un rectificador puente de diodos seguido por un convertidor DC-DC boost, los cuales se conectan a uno de los capacitores del enlace DC del convertidor multinivel de punto neutro enclavado de tres niveles (3L-NPC), ´el que finalmente es conectado al red . De esta forma se logra operar en baja tensi´on al lado del generador y en media tensi´on a lado de la red. Para el sistema se propone un esquema de control sencillo. En donde el sistema al lado del generador (generador, puente de diodos y convertidor DCDC boost) se controla de forma independiente al sistema al lado de la red (DC-link, 3L-NPC y red). Para el sistema conectado al generador, se controla la velocidad de giro y la corriente que circula por las inductancias de los convertidores DC-DC boost, la cual es proporcional al torque el´ectrico de la m´aquina. Esto se logra mediante un control en cascada compuesto por un PI y un control on-off por hist´eresis. La referencia de la velocidad de giro del generador es dada por el seguimiento del punto de m´axima potencia (MPPT) basado en la raz´on de la velocidad punta. Para el sistema conectado a la red se usa control orientado por voltaje (VOC), en donde se controla la potencia activa y reactiva inyectada a la red (componentes d y q de la corriente de red respectivamente), mediante el 3LNPC. El control de potencia activa se utiliza de lazo interno para mantener balanceado el enlace DC, a trav´es un lazo externo de voltaje. La nueva topolog´ıa propuesta es modelada y simulada. Posteriormente se realiza el dise˜no y construcci´on del convertidor de potencia conectado a la red. Finalmente su desempeño es validado mediante resultados experimentales.