Técnica mejorada de control reactivo aplicada a centrales undimotrices con accionamiento directo mediante generadores lineales

Resumen

La frecuencia a la cual las olas del mar excitan a los WECs (Wave Energy Converters) puede variar enormemente, pero el ancho de captura del dispositivo es limitado. Los absorbedores puntuales tienen un ancho de captura estrecho, por lo que se debe controlar el movimiento recÍproco del WEC, al objeto de que trabaje adecuadamente en un amplio rango de frecuencias del oleaje. Tradicionalmente las condiciones convencionales de control óptimo de los dispositivos WEC se han considerado como aquellas que maximizan la potencia absorbida en el sistema oscilante. Estas condiciones implican intercambios bidireccionales de energía entre el sistema oscilante y el sistema extractor de potencia (máquina eléctrica), por lo que a este tipo de estrategias de control se les conoce como estrategias de control reactivo. El objetivo de esta tesis radica en integrar las pérdidas en el cobre del generador en el proceso de optimización. De esta forma se busca maximizar, no la energía entregada al sistema de extracción de potencia, sino al convertidor primario, y por ende, incrementar la potencia inyectada en la red eléctrica. Entre las diferentes pérdidas que se producen en un generador lineal, las pérdidas en el cobre son las que suponen el volumen de pérdidas más significativo. Por consiguiente, tanto el modelo como la estrategia de control propuesta deben: Incorporar las pérdidas en el modelo hidrodinámico de un absorbedor puntual, de manera que se pueda cuantificar la energía eléctrica entregada a los convertidores de potencia. Desarrollar un estrategia de control que permita maximizar la energía eléctrica entregada por el generador lineal a los convertidores electrónicos de potencia. La metodología utilizada para alcanzar los objetivos propuestos ha sido: Establecer un modelo de la instalación, en donde se refleje el oleaje, el sistema oscilante, el generador lineal y la electrónica de potencia utilizada. Implementar la estrategia de control reactivo convencional para la instalación modelada, que permita maximizar la energía transferida al sistema de extracción de potencia. Desarrollar una estrategia de control mejorada que permita maximizar la energía transferida al convertidor primario. A partir de las condiciones óptimas anteriores, obtener una estrategia de control causal sub-óptima. En esta tesis se aborda el problema del gobierno de un absorbedor puntual de accionamiento directo mediante un generador lineal, aplicando una estrategia mejorada de la técnica del control reactivo. La nueva estrategia de control propuesta en esta tesis considera las pérdidas en el cobre del generador lineal. En el trabajo desarrollado, en primer lugar se ha conseguido relacionar las pérdidas en el cobre del generador con las características hidrodinámicas del sistema oscilante. De esta forma, ha sido posible establecer las condiciones óptimas de extracción de energía del oleaje considerando estas pérdidas. Las condiciones óptimas obtenidas resultan no causales, por lo que se ha propuesto una estrategia de control sub-óptima a partir de las condiciones anteriores. Tras las simulaciones realizadas, se han comprobado las ventajas de la nueva estrategia aplicada sobre el generador lineal de imanes permanentes, habitualmente utilizado en los sistemas de conversión de energía de las olas. El modelo desarrollado permite calcular, y por lo tanto cuantificar, no la energía capturada por el sistema oscilante, sino la que se transfiere desde el generador lineal hacia el convertidor de potencia. De esta forma, en la tesis se pone de manifiesto que el control reactivo convencional puede ser ineficiente si se tienen en cuenta las pérdidas en el cobre del generador lineal. A diferencia del proceso de optimización del control reactivo convencional, donde se busca maximizar la potencia absorbida por el sistema oscilante, la estrategia propuesta busca maximizar la potencia transferida desde el generador lineal al convertidor electrónico. La estrategia de control ha sido simulada en una plataforma donde se han incorporado los parámetros de la instalación real de Lisekyl (Universidad de Uppsala). Los resultados obtenidos muestran cómo, al aplicar la estrategia de control propuesta, los intercambios de potencia reactiva a través del generador lineal también son menores que aplicando el control reactivo convencional, lo que significa que: Disminuyen las pérdidas en el generador, con lo que se incrementa la eficiencia de conversión y por lo tanto, de la instalación. Disminuye el tamaño del convertidor de potencia, con lo que se reduce la inversión necesaria. Aumenta la amplitud del ancho de banda donde el WEC puede extraer potencia del mar, con lo que se incrementa el número de ubicaciones marinas donde el WEC se puede situar. Estas mejoras aumentan a medida que el punto de operación del WEC se aleja de la frecuencia natural del sistema oscilante. Por otro lado, las simulaciones realizadas muestran cómo, al emplear la técnica de control propuesta, se consigue por una parte reducir la potencia absorbida por el sistema oscilante mientras que por otra se incrementa de manera significativa la potencia entregada al convertidor de potencia. A su vez, también se consigue reducir sensiblemente el ratio entre la potencia pico y la potencia medida, relajándose de esta forma las condiciones de operación a las que están sometidos todos los equipos que integran el sistema extractor de potencia. Adicionalmente, aplicando el control reactivo propuesto, se obtienen ventajas mecánicas en cuanto al diseño del WEC, ya que se reduce la velocidad máxima del sistema oscilante, con todas las ventajas mecánicas que esto conlleva en cuanto a diseño del dispositivo WEC y vida útil de sus componentes, especialmente los que integran el sistema oscilante. Se reduce la carrera (amplitud) máxima del sistema oscilante, lo que conlleva una reducción en el tamaño del dispositivo oscilante y, consecuentemente, ahorro de material en guías, elementos deslizantes, perfilería, etc. Finalmente, señalar que con la formulación desarrollada se ha podido comprobar cómo el control reactivo convencional es una particularización del control reactivo mejorado propuesto en esta tesis, que se obtiene al despreciar las pérdidas en el generador lineal.