Sistema de control activo para la estabilidad de potencia en aerogeneradores de baja potencia

Abstract

En esta tesis se propone el desarrollo de un sistema de control activo para controlar la salida de potencia de un aerogenerador de eje horizontal (HAWT) de baja potencia cuando opera a velocidades del viento por encima de la velocidad de viento nominal del aerogenerador. El sistema está compuesto por una veleta articulada activa (AAV) a cargo de la orientación del aerogenerador, la cual es accionada por un actuador eléctrico que cambia el ángulo de la AAV para mantener una salida de potencia constante. En comparación con los sistemas de regulación pasiva de potencia más utilizados en los HAWTs de baja potencia, los sistemas activos permiten un mejor control, por lo tanto, una mayor estabilidad de la potencia suministrada y permite un frenado controlado en cualquier condición de viento o durante fallas del sistema. El sistema de control fue diseñado y simulado utilizando el software MATLAB, y luego fue construido y evaluado en condiciones de laboratorio. Para el diseño del control, se determinó la función de transferencia (TF) entre el ancho de pulso (PWM) y el ángulo de la AAV ($\theta$) mediante pruebas de laboratorio utilizando la herramienta PIDTurner de MATLAB. Para la simulación, se determinó la relación entre la salida de potencia y el ángulo de la AAV utilizando la descomposición vectorial de la velocidad del viento y el área del rotor del viento. Se realizaron pruebas de respuesta simuladas de tipo escalon, rampa, senoidal y a pasos de velocidad del viento (V) empleando una técnica de control proporcional-integral-derivativo (PID).Los resultados obtenidos demuestran que una veleta activa es capaz de regular y frenar el aerogenerador, implementando una técnica de control PID. Se lograron tiempos de estabilización (ts) de 6.7 s en la respuesta a escalón, 2.8 s en la respuesta a rampa, y un frenado total del aerogenerador en 3.2 s. In this thesis, the development of an active control system is proposed to regulate the power output of a low-power horizontal-axis wind turbine (HAWT) when operating at wind speeds above the turbine’s nominal wind speed. The system consists of an active articulated vane (AAV) responsible for orienting the wind turbine, driven by an electric actuator that adjusts the AAV’s angle to maintain a constant power output. Compared to the more commonly used passive power regulation systems in low-power HAWTs, active systems allow for better control, achieving greater stability in the supplied power and enabling controlled braking under any wind condition or during system failures. The control system was designed and simulated using MATLAB software and subsequently built and evaluated under laboratory conditions. For control design, the transfer function (TF) between the pulse width (PWM) and the AAV angle ($\theta$) was determined through laboratory tests using MATLAB’s PIDTuner tool. For simulation, the relationship between power output and the AAV angle was established using vector decomposition of the wind speed and rotor area. Simulated response tests including step, ramp, sinusoidal, and wind speed step responses (V) were conducted using a proportional-integral-derivative (PID) control technique. The results obtained demonstrate that an active vane can regulate and brake the wind turbine, implementing a PID control technique. Stabilization times (ts) of 6.7 s for step response, 2.8 s for ramp response, and a complete stop of the wind turbine in 3.2 s were achieved.