Control y modelado para la generación eólica de gran escala
DOI:
https://doi.org/10.15517/1yyy0w23Palabras clave:
Control predictivo, energía eólica, generación, modelado, turbinas eólicas.Resumen
La energía eólica es una gran alternativa para los países verdes y emergentes, como Costa Rica, en su búsqueda de fuentes de energía limpias. Con el objetivo de reducir los costos del sistema de control en parques eólicos, este trabajo propone un modelo no lineal para un aerogenerador de 5 MW, el cual se compara con un modelo existente de una turbina comercial. Los resultados obtenidos muestran que el modelo reproduce con suficiente fidelidad la dinámica del sistema. Además, se muestra mediante simulaciones la viabilidad de implementar un controlador predictivo para manipular el ángulo de paso y, con este, regular la velocidad del generador, garantizando el cumplimiento de los estándares de variaciones de potencia. En este sentido, el controlador demuestra que es una solución óptima y prometedora para el lazo cerrado ante perturbaciones estocásticas en la velocidad del viento.
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Referencias
[1] J. Lee y F. Zhao, “Global Wind Report 2024”, Global Wind Energy Council, Bruselas, Bélgica, 2024.
[2] V. Benfica y A. Marques, “Technological and financial development as drivers of Latin America’s energy transition”, Renewable Energy, vol. 237, Art. no. 121664, dic. 2024, doi: 10.1016/j.renene.2024.121664.
[3] Ministerio de Ambiente y Energía, “Plan Nacional de Descarbonización 2018-2050”, Gobierno de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2018.
[4] P. O. Girot y I. A. Delgado, “Política Nacional de Adaptación ante el Cambio Climático 2018-2030”, Gobierno de Costa Rica, 2018.
[5] The Wind Power, Wind Energy Market Intelligence, “Costa Rica Production capacities”. (2023). Distribuido por The Wind Power. https://www.thewindpower.net/country_en_29_costa-rica.php
[6] K. Torres-Castro, C. Torres-Quirós y G. Richmond-Navarro, “Microgeneración de energía eólica en un entorno boscoso en Costa Rica: estudio de caso”, Tecnología en Marcha, vol. 34, no. 3, pp. 61-69, jun. 2021, doi: 10.18845/tm.v34i3.5063.
[7] Banco Centroamericano de Integración Económica, “La Cruz de Guanacaste es la zona con mayor potencial para la generación de energía eólica marina en Costa Rica, con Controlador Fluctuación promedio Vr (%) Fluctuación máxima Vr (%) Potencia RMS (MW) Potencia Promedio (MW) Desviación estándar (MW) MPC 0,2001 6,51 3,7206 3,5935 1,9564 PID 1,6844 59,4817 3,6804 3,6606 3,8127 cluye estudio apoyado por el BCIE y Corea”. https://www.bcie.org/novedades/noticias/articulo/la-cruz-de-guanacaste-es-la-zona-con-mayor-potencial-para-la-generacionde-energia-eolica-marina-en-costa-rica-concluye-estudioapoyado-por-el-bcie-y-la-republica-de-corea (accesado en nov. 18, 2024).
[8] J. A. Roca, “Costa Rica, líder mundial en energías renovables, considera la expansión de la energía eólica marina”, El periodico de la energía, sep. 2021. [En línea]. Disponible en: https://elperiodicodelaenergia.com/costa-rica-lider-mundial-en-energias-renovables-considera-la-expansion-de-la-energia-eolica-marina/
[9] G. Richmond-Navarro, G. Murillo-Zumbado, J. F. Piedra-Segura y P. Casa nova-Treto, “Estado actual de la investigación sobre turbinas eólicas en Costa Rica”, Tecnología en Marcha, vol. 32, no. 2, may. 2019, doi: 10.18845/tm.v32i2.4349.
[10] Coopeguanacaste, “Parques de Generación Eléctrica”. https://coopeguanacaste.com/parques-de-generacion-electrica/ (accesado en nov. 27, 2024).
[11] Dirección de Desarrollo, Departamento Proyectos de Generación, “Proyectos eólicos”, Compañia Nacional de Fuerza y Luz, San José, Costa Rica, oct. 2004.
[12] A. L. Loría-García, E. M. Villalobos-Granados y C. Piedra-Santamaría, “Modelo de toma de decisiones de mantenimiento basado en la predicción de vida útil para componentes de sistemas eólicos en Costa Rica”, Tecnología en Marcha, vol. 30, no. 3, oct. 2017, doi: 10.18845/
tm.v30i3.3279.
[13] R. Matarrita-Chaves, G. Richmond-Navarro, G. Murillo-Zumbado y M. Jiménez-Ceciliano, “Estimación de la rentabilidad de una turbina eólica comercial de pequeña escala en Costa Rica”, Tecnología en Marcha, vol. 35, no. 7, pp. 5-18, jul. 2022, doi: 10.18845/tm.v35i7.6329.
[14] G. Richmond-Navarro, G. Murillo-Zumbado y P. Marin-Guillen, “Modelo dinámico de la velocidad del viento en una zona boscosa tropical”, Tecnología en Marcha, vol. 35, no. 2, pp. 3-15, mar. 2022,doi: 10.18845/tm.v35i2.5465.
[15] S. Fadaei, F. F. Afagh y R. G. Langlois, “A Survey of Numerical Simulation Tools for Offshore Wind Turbine Systems”, Wind, vol. 4, no. 1, pp. 1-24, ene. 2024, doi: 10.3390/wind4010001.
[16] S. Miller. Wind Turbine Model. (2025). MathWorks. Accesado en: 11 may., 2025. [En línea]. Disponible en: https://github.com/mathworks/Simscape-Wind-Turbine/releases/tag/24.2.3.5
[17] S. M. Muyeen, R. Takahashi, T. Murata y J. Tamura, “A Variable Speed Wind Turbine Control Strategy to Meet Wind Farm Grid Code Requirements”, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 25, no. 1, pp. 331-340, feb. 2010, doi: 10.1109/TPWRS.2009.2030421.
[18] T.-T. Nguyen, T. Vu, T. Ortmeyer, G. Stefopoulos, G. Pedrick y J. MacDowell, “Real-time Modeling of Offshore Wind Turbines for Transient Simulation and Studies”, IECON 2021 – 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Toronto, ON, Canadá, 2021, 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/IECON48115.2021.9589222.
[19] S.-h. Hur, “Modelling and control of a wind turbine and farm”, Energy, vol. 156, pp. 360-370, ago. 2018, doi: 10.1016/j.energy.2018.05.071.
[20] J. Baruah, P. Venkaiah, N. Kumar, B. K. Sarkar y N. Alom, “Offshore Wind Turbine Pitch Control with Aeroelastic Effect”, 2022 IEEE IAS Global Conference on Emerging Technologies (GlobConET), Arad, Rumanía, 2022, pp. 875-880, doi: 10.1109/GlobConET53749.2022.9872444.
[21] J. Zhang, L. Liu, Y. Liu, Y. Zhu y J. Yan, “Research on Robust Model Predictive Control Strategy of Wind Turbines to Reduce Wind Power Fluctuation”, Electric Power Systems Research, vol. 213, Art. no. 108809, dic. 2022, doi: 10.1016/j.epsr.2022.108809.
[22] A. Routray y S.-h. Hur, “Power regulation of a wind farm through flexible operation of turbines using predictive control”, Energy, vol. 313, Art. no. 133917, 2024.
[23] Y. Guo, H. Gao, Q. Wu, J. Østergaard, D. Yu y M. Shahidehpour, “Distributed coordinated active and reactive power control of wind farms based on model predictive control”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 104, pp. 78-88, ene. 2019, doi: 10.1016/j.ijepes.2018.06.043.
[24] Dorsett Controls. Modular Process Controller (MPC). Accesado: 28 nov., 2023. [En línea]. Disponible en: https://dorsettcontrols.com/modular-process-controller-mpc/
[25] C.-K. Chang y S.-G. Zheng, “Combined predictive feedforward and feedback control for blade pitch of wind turbine”, 2021 International Automatic Control Conference (CACS), Chiayi, Taiwan, 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/CACS52606.2021.9639044.
[26] Y.-s. Reddy y S.-h. Hur., “Comparison of Optimal Control Designs for a 5 MW Wind Turbine”, Applied Sciences, vol. 11, no. 18, Art. no. 8774, sep. 2021, doi: 10.3390/app11188774.
[27] L. Munteanu, A. L. Bratcu, N. A. Cutululis y E. Ceanga, “WECS Modelling”, en Optimal Control of Wind Energy Systems. Londres, Reino Unido: Springer, 2008.
[28] MATLAB. (R2023a). MathWorks.
[29] B. Leithead, “Exemplar Wind Turbines. Durham: Theme X Workshop”, Durham, Reino Unido, jul. 2007.
[30] E. F. Camacho y. C. Bordons, Model predictive control, 2.a ed. Londres, Reino Unido: Springer, 2007.
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