El modelo predictivo de aerogeneradores ayuda al cliente a diseñar sistemas de control eficaces

El desafío

La energía eólica es una fuente limpia de energía renovable. como tal, la generación de energía eólica representa uno de las muchas e importantes nuevas tecnologías verdes que se están desarrollando para hacer frente al cambio climático del siglo XXI.

Un cliente del sector energético necesita desarrollar modelos predictivos de sistemas de generación de energía eólica. Los modelos serán utilizados para desarrollar estrategias de control que permitan mantener una producción estable y predecible a pesar de los cambios impredecibles y altamente variables en las condiciones del viento. El sistema tiene que adaptarse rápidamente a los cambios en la velocidad y dirección del viento para cambiar la dirección de la góndola (la carcasa que contiene los componentes de generación de energía) y el ángulo de ataque de las palas de la hélice respecto a la dirección y velocidad del viento.

Un sistema de generación de energía mediante turbina eólica es intrínsecamente multi-dominio: convierte la energía mecánica del movimiento de la hélice impulsada por el viento en energía eléctrica para el consumo. Entre los retos en el modelado de un sistema multi-dominio está la integración sin problemas entre las diferentes partes del sistema general. Por ejemplo, el perfil del viento, que por lo general se caracteriza mediante una tabla de medidas con datos de velocidad y dirección, necesita ser aplicado al modelo dinámico de la pala de la hélice a través de coeficientes de resistencia. A su vez, el modelo dinámico de la parte mecánica de la hélice debe ser acoplada al generador eléctrico para la generación de energía. Por último, un conjunto de controlaores debe ser diseñado e implementado para regular la potencia de salida.

La solución

MapleSim, una herramienta moderna y de alto rendimiento para el modelado físico, es particularmente adecuado para el modelado de un sistema multidominio, como la turbina de viento, donde los componentes mecánicos, bloques de señal, controladores y componentes eléctricos tienen que trabajar conjuntamente, sin fisuras, para un correcto funcionamiento. En In MapleSim, es sencillo construir un modelo mecánico de la torre del generador, la hélice, la góndola, y un controlador de posición en la góndola que responda a la velodidad/dirección del viento medidas previamente y proporcionadas en una hoja de cálculo Excel®. El modelo se crea con tan solo arrastrar y soltar los componentes adecuados en el área de dibujo y conectándolos entre sí.

Figura 1. Modelo de turbina de viento en MapleSim

En este ejemplo concreto, el modelo mecánico está diseñado utilizando componentes multicuerpo, con una junta de revolución para respresentar el movimiento de la góndola alrededor del eje vertical. La dirección a la que se encara la góndola es controlado por un motor eléctrico, conectado primero a una caja de velocidades de amplio radio, y después a la junta de revolución. Este sistema de control lee la dirección del viento desde el archivo de datos. Este valor se compara con la dirección real de la góndola y entonces el controlador aplica la tensión necesaria para que el motor alinee la góndola a la dirección del viento. El momento de torsión aplicado por el viento en la pala se calcula en base a los datos del perfil del viento (velocidad y dirección), así como del ángulo relativo entre entre la dirección del viento y la orientación de la pala de la hélice. Se utiliza un segundo controlador regular la velocidad rotacional de la hélice al ajustar el ángulo de inclinación de las aspas (el ángulo de ataque). El objetivo es mantener la potencia de salida (proporcional a la velocidad angular de la hélice) tan estable como sea posible bajo la influencia de varias condiciones de carga del viento.

Para demostrar la eficacia de un modelo de MapleSim para estudiar el comportamiento de un sistema de turbina de viento, a continuación se muestra el resultado de una simulación del sistema con una condición de carga de viento variable. De los resultados, se puede observar que el ángulo de la pala cambia en respuesta a los cambios en la velocidad y dirección del viento. Esto da lugar a una velocidad de la pala relativamente constante, lo que se traduce en una potencia de salida prácticamente constante de 300 kW, tal y como se deseaba.

Figura 2. Simulación dadas varias condiciones de viento.

Debido a que el modelo del aerogenerador está completamente parametrizado, puede ser fácilmente actualizado para diferentes configuraciones y condiciones de trabajo. Además, como los diferentes componentes son modulares, los distintos modelos de componentes se pueden ajustar fácil y rápidamente de forma independiente. Esta flexibilidad representa un enorme ahorro de tiempo y costes para la investigacion y el desarrollo.