Investigación sobre el Conversor de Frecuencia de Excitación para Aerogeneradores de Velocidad Variable y Frecuencia Constante

1 Introducción​
La energía eólica es una fuente de energía renovable con un potencial de desarrollo significativo. En los últimos años, la tecnología eólica ha atraído la atención extensa de académicos en todo el mundo. Como una dirección clave para el desarrollo de la energía eólica, la tecnología de velocidad variable y frecuencia constante (VSCF) emplea el sistema eólico de doble alimentación como una solución optimizada. En este sistema, los devanados del estator del generador se conectan directamente a la red, mientras que el control VSCF se logra regulando la frecuencia, amplitud, fase y secuencia de fase del suministro de energía al devanado del rotor. Dado que el convertidor solo transmite la potencia de deslizamiento, su capacidad puede reducirse significativamente.

Actualmente, los sistemas eólicos de doble alimentación utilizan principalmente convertidores AC/AC o AC/DC/AC. Los convertidores AC/AC han sido reemplazados en gran medida por los convertidores de fuente de voltaje AC/DC/AC debido a sus armónicos de salida altos, factor de potencia de entrada bajo y exceso de dispositivos de potencia. Aunque se han explorado los convertidores matriciales para sistemas de doble alimentación, su estructura compleja, requisitos elevados de resistencia a la tensión y control de entrada/salida no desacoplado limitan su adopción en aplicaciones eólicas.

Este estudio desarrolla un sistema eólico de doble alimentación de fuente de voltaje AC/DC/AC controlado por dos DSP. El convertidor del lado de la red adopta el control vectorial orientado al voltaje, y el convertidor del lado del rotor utiliza el control vectorial orientado al flujo del estator. Los experimentos confirman que el sistema soporta flujo de potencia bidireccional, regulación independiente del factor de potencia de entrada/salida, distorsión armónica baja, operación estable en un rango amplio y generación de energía de alta calidad a partir de fuentes de energía inestables como el viento.

​2 Configuración del Sistema​
Como se muestra en la Figura 1, el sistema consta de cinco partes:

• Generador de doble alimentación (generador de inducción de rotor bobinado)
• Convertidor bidireccional PWM AC/DC/AC de fuente de voltaje (rectificador/inversor trifásico back-to-back utilizando módulos IPM)
• Controlador dual-DSP (DSP de punto fijo TMS320LF2407A + DSP de punto flotante TMS320VC33)
• Dispositivo de protección de conexión a la red (contactores de rotor/estator)
• Aerogenerador de velocidad variable virtual (motor DC + sistema de control de velocidad de tirodones SIEMENS SIVOREG)

​Detalles Clave​

• Conexión del convertidor: Lado de la red a través de inductancias trifásicas; lado del rotor a través de anillos de deslizamiento/cepillos a los devanados del rotor del generador.
• Roles de los DSP duales: LF2407A maneja el intercambio de datos, generación de PWM y señales de la red; VC33 ejecuta los algoritmos principales; la RAM de doble puerto permite la compartición de datos en tiempo real; CPLD procesa la decodificación de direcciones.
• Protección de la red: En caso de fallos, desconectar primero el contactor del estator y bloquear el PWM; luego, después de un retraso, abrir el contactor del rotor.

​3 Control Vectorial para el Generador de Doble Alimentación​
​3.1 Principios de Control​
En el marco de rotación sincrónico (eje d alineado con el flujo del estator), el modelo del generador de doble alimentación es:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd​=Rs​isd​+dtdψsd​​−ωs​ψsq​
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq​=Rs​isq​+dtdψsq​​+ωs​ψsd​
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd​=Rr​ird​+dtdψrd​​−ωslip​ψrq​
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq​=Rr​irq​+dtdψrq​​+ωslip​ψrd​

​Ecuaciones de flujo:​​
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd​=Lm​ims​+Ls​isd​=Lm​ims​
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq​=−Lm​irq​
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd​=Lr​ird​+Lm​isd​
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq​=Lr​irq​+Lm​isq​

​Ecuación de par:​​
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te​=−Ls​np​Lm​ims​irq​​

Despreciando la caída de tensión por resistencia del estator, el flujo del estator satisface:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Estrategia de control:​​

• Corriente de excitación generalizada constante del estator imsi_{ms}ims​ → Par electromagnético Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Para un factor de potencia unitario, la corriente de excitación se suministra completamente por el rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Después de la compensación de desacoplo de avance, regular urdu_{rd}urd​ y urqu_{rq}urq​ para controlar el flujo y el par del rotor, respectivamente.

​3.2 Control de la Red​

• Conexión suave a la red:
1. Cuando la velocidad del viento alcanza el valor de corte, la turbina impulsa el generador a la velocidad mínima.
2. Activar el convertidor para igualar la tensión del estator a la de la red (amplitud, fase, frecuencia).
3. Sincronización automática al cumplirse las condiciones de conexión a la red.
• Desconexión: Descargar gradualmente hasta el estado sin carga antes de desconectar. Debe operarse dentro del rango de velocidad permitido.

​4 Control Vectorial del Rectificador del Lado de la Red​
En el marco de rotación sincrónico de dos fases (eje d alineado con la tensión de la fase A), el modelo del rectificador PWM es:
ud=Ldiddt+Rid−ωsLiq+sdudc{u_d = L\frac{di_d}{dt} + R i_d - \omega_s L i_q + s_d u_{dc}}ud​=Ldtdid​​+Rid​−ωs​Liq​+sd​udc​
uq=Ldiqdt+Riq+ωsLid+squdc{u_q = L\frac{di_q}{dt} + R i_q + \omega_s L i_d + s_q u_{dc}}uq​=Ldtdiq​​+Riq​+ωs​Lid​+sq​udc​
Cdudcdt=32(sdid+sqiq)−iload{C\frac{du_{dc}}{dt} = \frac{3}{2}(s_d i_d + s_q i_q) - i_{\text{load}}}Cdtdudc​​=23​(sd​id​+sq​iq​)−iload​

​Ecuaciones de potencia:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Lógica de control:​​

• Tensión de la red constante → Regular idi_did​ para controlar la potencia activa; iqi_qiq​ para la potencia reactiva.
• Ecuaciones de control con compensación de tensión:
  ud∗=(R+Lddt)id−ωsLiq+ud{u_d^* = (R + L\frac{d}{dt})i_d - \omega_s L i_q + u_d}ud∗​=(R+Ldtd​)id​−ωs​Liq​+ud​
  uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗​=(R+Ldtd​)iq​+ωs​Lid​

​5 Resultados Experimentales​
​Verificaciones Clave:​​

• Conexión suave a la red confiable en un amplio rango de velocidades;
• Regulación independiente del factor de potencia (el lado del estator y el de la red alcanzan la unidad);
• Capacidad de flujo de potencia bidireccional del convertidor AC/DC/AC que cumple con las demandas de generación.

​6 Conclusión​
Este estudio desarrolla un sistema eólico de doble alimentación de fuente de voltaje AC/DC/AC basado en dos DSP. Combinado con el control vectorial orientado al voltaje del lado de la red y el control vectorial orientado al flujo del estator del lado del rotor, los experimentos demuestran:

1. El sistema logra flujo de potencia bidireccional y regulación independiente del factor de potencia de entrada/salida;
2. Los armónicos bajos y el alto factor de potencia aseguran la calidad de la energía;
3. La conexión/desconexión suave a la red reduce el estrés mecánico/eléctrico;
4. Aplicabilidad a instalaciones eólicas de gran escala de clase megavatios.