Sistema de Control para Aerogeneradores Empleando Lógica Difusa

Abstract

Los sistemas de conversión de energía eólica han evolucionado de forma considerable en su tamaño, capacidad y diseño, a pesar de esto no se ha logrado obtener el sistema ideal, debido al comportamiento del viento, el cual varía tanto geográficamente como temporalmente, convirtiéndose en una variable estocástica que dependiendo de su dirección afecta el rendimiento del sistema eólico. El principal reto en estos sistemas es posicionar el aerogenerador de manera que el viento haga contacto con sus aspas de manera perpendicular, para obtener así el mayor aprovechamiento eólico. En este trabajo se plantea como objetivo principal regular el nivel de potencia entregado por un aerogenerador de eje horizontal, considerando el problema de no linealidad del viento. Para tal fin, se diseña un controlador que permite a las palas del rotor girar alrededor de su eje longitudinal (variar el ángulo de paso) aprovechando al máximo la captación de energía proveniente del viento. La investigación propone el uso de lógica difusa, esto brinda la posibilidad (a diferencia del control convencional) de utilizar un sistema de control basado en un conjunto de reglas de actuación, especificadas mediante descriptores lingüísticos.

Full text

Sistema de Control para
Aerogeneradores Empleando Lógica
Difusa
Maximiliano Bueno López, Diego Felipe Barrero Leal, Sandra Yomary Garzón Lemos
Grupo de Investigación AVARC. Universidad de la Salle Bogotá, Programa de Ingeniería en Automatización.
Sede Centro, Cra 2 No 10-70 piso 7 bloque C., Bogotá D.C.-Colombia. Tel. (571) 353 5360 Ext. 2522
mbueno@ lasalle. edu. co ,dbarrero37@ unisalle. edu. co ,sygarzon@ unisalle. edu. co
2015 Published by DIF U100ci@http: // nautilus. uaz. edu. mx/ difu100cia
Resumen
Los sistemas de conversión de energía eólica han evolucionado de forma considerable en su tamaño, capacidad y
diseño, a pesar de esto no se ha logrado obtener el sistema ideal, debido al comportamiento del viento, el cual
varía tanto geográficamente como temporalmente, convirtiéndose en una variable estocástica que dependiendo
de su dirección afecta el rendimiento del sistema eólico. El principal reto en estos sistemas es posicionar el
aerogenerador de manera que el viento haga contacto con sus aspas de manera perpendicular, para obtener así
el mayor aprovechamiento eólico. En este trabajo se plantea como objetivo principal regular el nivel de potencia
entregado por un aerogenerador de eje horizontal, considerando el problema de no linealidad del viento. Para tal
fin, se diseña un controlador que permite a las palas del rotor girar alrededor de su eje longitudinal (variar el ángulo
de paso) aprovechando al máximo la captación de energía proveniente del viento. La investigación propone el uso
de lógica difusa, esto brinda la posibilidad (a diferencia del control convencional) de utilizar un sistema de control
basado en un conjunto de reglas de actuación, especificadas mediante descriptores lingüísticos. Los resultados
obtenidos permiten avanzar en el tema de energías renovables en Colombia y posicionar a la Universidad de La
Salle como un referente en este tema.
Palabras clave: Aerogeneradores,, Control difuso,, Energias renovables.
1. Introducción
L
os sistemas de generación eólica (SGE) aprove-
chan la energía proveniente del viento para pro-
ducir energía eléctrica lo que implica que sea una
energía renovable. De acuerdo con [
9
]; el consumo de
energía en el mundo aumenta considerablemente, y la
disponibilidad de los recursos naturales decrece con la
misma velocidad, hasta llegar al punto de que no se
tengan los recursos suficientes para satisfacer toda la
demanda que la sociedad impone; por ello, en el futuro
será indispensable el desarrollo de nuevas formas de
energía amigables con el medio ambiente. Acorde con
el informe realizado a la Unidad de Planeación Minero
Energética (UPME) por [
5
], la energía eólica tiene la
ventaja de ser una fuente de energía que no genera
DIF U100 ci@. Revista electrónica de Ingeniería y Tecnologías, Universidad Autónoma de Zacatecas http://nautilus.uaz.edu.mx/difu100cia

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emisiones de dióxido de carbono u otro residuo conta-
minante ayudando a contrarrestar el efecto invernadero
y el cambio climático. Tecnológicamente, los sistemas
de conversión de energía eólica han evolucionado de
forma considerable, aunque aún no se ha logrado obte-
ner el sistema ideal debido a la no linealidad y cambios
repentinos de la velocidad del viento, que varía tanto
geográficamente como temporalmente. Sin embargo,
se han desarrollado diferentes estrategias de control
de la potencia, que tienen como objetivo aprovechar al
máximo el potencial energético del viento para producir
energía. Así, lo que se pretende es aumentar la capaci-
dad de captar la energía eólica en los aerogeneradores
por parte de la turbina, controlando la incidencia de la
velocidad de entrada a la misma, esto se logra al variar
la posición de la góndola del aerogenerador según la
adquisición de las variables medidas. Estas variables
serán la velocidad del viento y la dirección del mismo.
2. GENERALIDADES SOBRE SISTEMAS DE CON-
VERSIÓN DE ENERGÍA EÓLICA
Un Sistema de Conversión de Energía Eólica (SCEE)
se define en [
3
] como el encargado de convertir la ener-
gía cinética del viento en energía eléctrica con las ca-
racterísticas necesarias para su utilización, ya sea en el
almacenamiento de energía o en la inyección a la red
eléctrica. Este proceso de conversión a energía eléc-
trica de los aerogeneradores se resume en la Figura
1.
Figura 1. Esquema de conversión de energía eólica [11]
Los SCEE son clasificados de acuerdo a los diferen-
tes tipos de turbinas en dos categorías: de eje horizontal
y de eje vertical. [
14
]. Un aerogenerador está compues-
to por la góndola, las palas del rotor, buje, multiplicador,
generador eléctrico y el sistema de control. La Figura 2
muestra cada una de estas partes.
La aerodinámica de las palas en una turbina de vien-
to aporta un conocimiento importante para entender el
principio de funcionamiento de un aerogenerador, el
cual está ligado a unos conceptos fundamentales como
fuerza de sustentación, velocidad específica y ángulo de
paso. De acuerdo con la guía de aplicaciones técnicas
para plantas eólicas [
1
]; las aspas de los aerogenerado-
res son diseñadas con una geometría particular con el
fin de producir, en presencia de viento circulante, una
diferencia de presiones entre la parte superior e inferior
del ala.
Figura 2. Principales partes de un aerogenerador.
La fuerza de sustentación en las palas de la turbina
es la responsable de provocar la rotación característica
en las turbinas de eje horizontal, incidiendo directamen-
te sobre el par del rotor de la máquina y se calcula
mediante la ecuación (1).
Fuerza S u stentaci ´on =0.5ρS CLV2(1)
donde
ρ
es la densidad del fluido,
V
es la velocidad del
viento,
S
es el área de referencia del cuerpo (también
llamado "superficie alar") y
CL
es el coeficiente de
sustentación, que depende directamente del ángulo de
ataque del viento.
De acuerdo a la ecuación (1), si se incrementa el
ángulo de incidencia sobre las aspas se obtendrá una
mayor fuerza de sustentación y un mayor par, de aquí
la importancia de manipular este ángulo de incidencia
para las especificaciones de potencia que demanda el
aerogenerador.
La velocidad especifica (que se denota con la sigla
λ
),
se define como la relación entre la velocidad tangencial
en el extremo de la pala (
u
) y la velocidad del viento
sobre las aspas (
V
), que se pueden observar en la
expresión para la velocidad específica es la siguiente:
λ=u
V
=ωr
V(2)

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donde
r
es el radio del rotor y
ω
Velocidad angular de
rotación (rad/seg).
3. TEORÍA DE CONTROL APLICADA EN AEROGE-
NERADORES
El principal objetivo para el control de potencia en
aerogeneradores es maximizar la captura de energía
proveniente del viento considerando las restricciones de
operación como potencia nominal, velocidad nominal
y velocidad de desconexión (condicionar la potencia
generada para cumplir los estándares de interconexión).
Esto considera también las cargas mecánicas excesivas
sobre el aerogenerador producto de fluctuaciones
bruscas sobre el sistema.
El objetivo de control estará enfocado en la regulación
de potencia, por ello es importante conocer que un ge-
nerador eólico sigue la curva de potencia que se aprecia
en la Figura 3, la cual es característica de cada máquina
y es obtenida por los fabricantes en laboratorios con
condiciones especiales para su elaboración y se en-
cuentra normalizada según la IEC-61400 [
2
]. El primer
objetivo se encuentra en la región 2, que corresponde
a maximizar la extracción de energía eólica donde las
velocidades del viento son bajas y las cargas estructu-
rales también son relativamente pequeñas. El segundo
objetivo, en la región 3, con velocidades de viento altas
y con un crecimiento de las cargas estructurales, es
limitar dichas cargas pero manteniendo la producción
de potencia eléctrica, por lo que es necesario limitar
la potencia a un valor nominal. Si se superan las ve-
locidades de viento de la región 3, el sistema deberá
hacer un paro forzado de la máquina, protegiéndola de
cargas aerodinámicas excesivamente altas que puedan
generar daño a los equipos y a las personas [10].
Figura 3. Potencia generada en un aerogenerador en función de la
velocidad del viento [3].
3.1. Métodos de control implementados en gene-
radores eólicos
Existen varias estrategias de control que han sido
aplicadas en el campo de aerogeneradores. En el es-
tudio desarrollado por [
17
] aplicaron una combinación
entre el control adaptativo y el control no lineal para
regular la velocidad del rotor, lo cual es necesario pa-
ra aumentar la eficiencia de generación de potencia.
En [
15
] presentaron el desarrollo del control del ángu-
lo de paso a través de control adaptativo usando un
regulador de auto sintonía que tiene un método de iden-
tificación de mínimos cuadrados. En [
12
] se propuso un
método de control que trabaja en un amplio rango de
velocidades conmutando entre 5 controladores
H∞
que
fueron acondicionados apropiadamente por medio de la
aproximación de observadores.
3.2. Control Difuso aplicado en aerogeneradores
El control por lógica difusa emula la forma en que un
ser humano toma a través de una serie de reglas. En
los Sistemas de Conversión de Energía Eólica debido a
que no se tiene un sistema lineal, las estrategias con-
vencionales de control no tendrán un funcionamiento
ideal, así pues la técnica de control difusa es idónea
para trabajar en estos tipos de sistemas. En [
16
] se pre-
senta un controlador difuso para controlar el momento
de rotación del rotor aerodinámico y el momento inver-
so del generador. Se realizaron simulaciones y fueron
comparadas con las realizadas por un controlador PID
obteniendo mejores resultados. En [
4
] se presenta un
control basado en lógica difusa para un SCEE con un
SCIG conectado a la red eléctrica y que tenía como
objetivo mantener constante la velocidad del generador
para diferentes velocidades del viento. En [
8
] diseñó
un controlador difuso que controla la extracción de la
energía eólica, aplicado al control del ángulo de paso.
La velocidad está regulada por otro controlador difuso
que actúa sobre el torque del generador de modo que
siga el valor de referencia generado por un estimador
óptimo de la velocidad angular.
4. MODELO DEL SISTEMA DE CONVERSIÓN DE
ENERGÍA EÓLICA
La turbina del SCEE es el elemento clave para com-
prender el proceso de conversión de la energía prove-
niente del viento en potencia mecánica en el rotor del
aerogenerador y a partir de allí finalmente obtener la
potencia eléctrica generada inyectada a la red, debido
a esto se debe tener claro el modelo dinámico de la

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turbina en función de la velocidad del viento que llegan
al sistema y a partir de este estudiar la estrategia de
control adecuada para cumplir con un nivel de potencia
eléctrica demandada.
4.1. Caracterización de la potencia disponible en
el viento
Para generar potencia eléctrica en la turbina eólica
debe existir primero una transformación de la energía
cinética del viento en energía mecánica de rotación. En
[
6
] se afirma que en una masa de flujo de aire constante
de área circular, que pasa a través del área del disco de
una turbina, el flujo de la masa de aire es función de la
densidad del aire
ρ
y de su velocidad
v
. El modelo del
rotor es definido por la potencia aerodinámica obtenida
desde la energía cinética del viento, por lo que se parte
de que la energía cinética en el aire de un objeto de
masa (
m
), moviéndose con una velocidad (
v
) está dada
por la ecuación (3).
E=1
2mv2(3)
Por lo tanto, la potencia del aire en movimiento se
obtiene derivando la ecuación (3), asumiendo que la
velocidad del viento (
v
) se obtiene mediante la ecuación
(4)
Pv=dE
dX
=1
2˙mv2(4)
donde
˙m
es el flujo de masa del aire por segundo. A su
vez, el flujo de masa del aire por segundo se expresa
por medio de la ecuación (5).
˙m=ρAv (5)
donde
ρ
es la densidad del aire,
A
es el área que es
atravesada por el aire y ves la velocidad del viento.
Sustituyendo la ecuación (5) en (4) se tiene
Pviento =1
2ρAv3(6)
Debido a que
A
es el área que barren las palas de la
turbina, es posible expresarla como:
A=πr2(7)
donde
r
corresponde al radio del rotor. De este modo,
al reemplazar en la potencia del viento se tiene que,
finalmente la potencia en la turbina está dada por ec.
(8)
Pviento =1
2ρπr2v3(8)
4.2. Potencia útil para generación de energía eléc-
trica
La potencia útil para el aerogenerador será aquella
potencia transferida por el viento a la turbina, sin embar-
go, la energía cinética del aire no puede ser convertida
en energía mecánica en su totalidad debido a que en las
etapas de conversión, el aire se frena. En una turbina
eólica ideal, la velocidad del viento se reduce según la
ley de Betz, la cual indica que solo es posible conver-
tir el 59 % de la energía cinética del viento en energía
mecánica [
3
]. La potencia útil para la turbina se puede
calcular considerando las pérdidas por unidad de tiem-
po, de energía cinética del viento al pasar por la hélice,
esto se observa en la ecuación (9),
Putil =(−∆Ek)
∆t
=(Ek1−Ek2)
∆t
=(1
2mv2
1−1
2mv2
2)
∆t(9)
donde ∆
Ek
Corresponde a la diferencia entre la energía
cinética antes y después de atravesar las aspas (Ek1y
Ek2
) respectivamente,
v1
Es la velocidad que se dirige
hacia las aspas (antes de la hélice),
v2
Es la velocidad
del viento después de atravesar las aspas.
Reemplazando el flujo de masa de aire (
m
) en la
ecuación (9) se tiene
Putil =1
2ρAv(v2
1−v2
2) (10)
La potencia transferida al rotor de la turbina eólica
se reduce a un producto entre la potencia obtenida
del viento por un coeficiente; este valor es llamado
coeficiente de potencia,
Cp
. El coeficiente de potencia
se puede interpretar como el rendimiento que presenta
el rotor eólico y depende fundamentalmente de la
velocidad del viento, de la velocidad de giro de la
turbina y del ángulo de paso de las palas [7].
El coeficiente de potencia depende del ángulo de
paso de pala,
β
, y el coeficiente de velocidad específica
de rotación,
λ
. El coeficiente
Cp
como función de
λ
y
β
,
viene dado por la ecuación (11).
Cp(λ, β)=c1 c2
λi
−c3β−c4!e−C5
λi+c6(11)
con
c1
=0
.
5176,
c2
=
,
116,
c3
=0
.
4,
c4
=5,
c5
=21
yc6=0.0068.
El máximo valor de
Cp
está limitado de igual manera
por La ley de Betz. La Figura 4muestra la relación entre

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la velocidad específica y el ángulo de ataque con el
coeficiente de potencia en una turbina de viento, que a
su vez, representa el desempeño de la turbina eólica
para la extracción de la máxima potencia.
Figura 4. Coeficiente de potencia en función de la velocidad especí-
fica y el ángulo de paso de las palas. [13]
5. DISEÑO DEL CONTROLADOR DIFUSO
El creciente desarrollo tecnológico de las últimas dé-
cadas ha permitido la implementación de sistemas de
control inteligente que emulan el comportamiento del
ser humano para tomar decisiones complejas con una
precisión mayor que los sistemas de control conven-
cionales. El controlador debe ser capaz de responder
frente a las variaciones que presenten las variables de
entrada las cuales son velocidad del viento obtenida
del modelo (
Vviento
), señal de error de potencia (∆
P
) y
variación de error de potencia (
δ
(∆
P
)). De este modo
con las variables de entrada ya establecidas se proce-
dió a aplicar el conjunto de reglas IF-THEN utilizando el
Toolbox de lógica difusa disponible en matlab siguiendo
la estructura de control mostrada en la Figura 5.
Figura 5. Estrategia de control difuso sobre el aerogenerador.
6. RESULTADOS DEL CONTROLADOR OBTENI-
DOS MEDIANTE SIMULACIÓN
En esta sección se exponen los resultados obtenidos
para el sistema de generación eólica estudiado, los
cuales se pueden sintetizar en tres partes principales.
6.1. Velocidad del Viento
Es conveniente mencionar que la función propuesta
de velocidad del viento utilizada plantea un mayor re-
to para el controlador diseñado. En múltiples trabajos
consultados se observa que la velocidad del viento es
constante por intervalos de tiempo. La Figura 6muestra
el modelo del viento empleado como entrada en las
pruebas realizadas al controlador.
Figura 6. Velocidad estocástica del viento.
6.2. Modelo de la Turbina Eólica
La turbina debe lograr seguir la curva de potencia
para diferentes velocidades del viento y en cada etapa
tener ciertos comportamientos como se ve en la Figura
7. En la región I (desconexión) las velocidades de
viento son tan bajas que el aerogenerador no es capaz
de arrancar, por lo tanto no se considera. En la región II
(bajas velocidades entre 5
−
10
m/s
) la turbina eólica
debe llegar a su valor de potencia nominal lo más rápido
posible a medida que incrementa la velocidad del viento.
El controlador tiene como variable de entrada la velo-
cidad del viento en (
m/s
) y el error de potencia, como
variable de salida se utiliza el ángulo de paso en grados.
Se optó por tomar funciones de pertenencia ya es-
tablecidas de un controlador Mandani propuesto por
[
18
]. Para cada una de las variables se proponen nueve
conjuntos difusos: negativo amplio (NL), negativo medio
amplio (NML), negativo medio (NM), negativo pequeño
(NS), cero (ZE), positivo pequeño (PS), positivo medio
(PM), positivo medio amplio (PML), positivo amplio (PL).
Para la velocidad del viento se tomaron tres conjuntos
difusos que corresponden a positivo pequeño (PS), po-
sitivo medio (PM), positivo amplio (PL). Para la función
de pertenencia de error de potencia (∆
P
) se tomaron 5
conjuntos difusos (NL, NS, ZE, PS, PL) como se puede
apreciar en la Figura 8.
En cuanto a la función de pertenencia de variación
de error de potencia (
δ
(∆
P
)), se pueden identificar 5
conjuntos difusos (NL, NS, ZE, PS, PL), los cuales son
representados en la Figura 9.

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Figura 7. Comportamiento de la turbina para cada región.
Figura 8. Función de pertenencia de error de potencia (∆P).
Figura 9. Función de pertenencia de variación de error de potencia
(δ(∆P)).
En lo que respecta al diseño del controlador, se selec-
cionó una variable de entrada que es la correspondiente
a la velocidad del viento, ya que esta variable es función
directa de la potencia de salida del aerogenerador. Así
pues, logrando variar el ángulo de paso respecto a
las velocidades que se tengan a la entrada, se estará
manipulando directamente la potencia de salida.
De acuerdo a la curva de potencia del aerogenerador,
hay dos regiones clave donde debe actuar el control y
con base a ello se han creado los conjuntos difusos.
En la Tabla 1se presentan el conjunto de reglas
empleado.
La principal función del controlador es garantizar que
la turbina eólica siga siempre la curva de potencia; en
caso de presentarse bajas velocidades del viento se
debe mantener un ángulo de paso fijo a cero grados
con el fin de capturar toda la energía proveniente del
viento hasta su valor nominal. En la segunda región el
control del ángulo de paso debe tratar de mantener el
nivel de potencia nominal para el cual fue diseñado y
como se ve en la Figura 10, el control busca seguir la
potencia de referencia de 1.5MW.
En la Figura 11 puede verse que en la región que
se desea maximizar la potencia de salida, el ángulo de
paso es igual a cero y conforme la velocidad del viento
va creciendo, el ángulo de paso también debe aumentar
para disminuir el ángulo de ataque en las aspas del
aerogenerador haciendo que éste entre en el estado de
pérdida de la sustentación y logre reducir la potencia
en la salida. Para velocidades muy elevadas, las palas
giran tan rápido que se convierten en una pared frente
al viento incidente de manera que este, en lugar de
cruzarlas, las esquiva, con la consiguiente anulación de
la potencia extraída.
Figura 10. Curva de potencia seguida por el controlador.
Figura 11. Variación del ángulo de paso para alcanzar la curva de
potencia.
Es posible observar en la Figura 11 que el controlador
diseñado es estable, esto basándose en la definición
de estabilidad de un sistema no lineal, la cual establece
que ante una entrada acotada, la salida también debe
serlo.
7. CONCLUSIONES
El trabajo presentado permite demostrar que la poten-
cia de salida de un aerogenerador puede ser llevada a
un valor de salida constante a pesar de las variaciones
en la velocidad del viento. El control difuso utilizado en
sistemas de energía renovables es una buena opción
para extraer máxima potencia de estos.

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Tabla 1. Reglas difusas Mandani.
Vm PS PM PL
δ∆P/∆PNL NS ZE PS PL NL NS ZE PS PL NL NS ZE PS PL
NL NL NML NM NM PS NL NM NM NS PS NML NM NS NS PS
NS NL NM NS PS PM NML NM NS PS PM NML NM NS ZE PS
ZE NML NS ZE PS PML NM NS ZE PS PM NM NS ZE PS PM
PS NM NS PS PM PL NM NS PS PM PML NS ZE PS PM PML
PI NS PM PM PML PL NS PS PM PM PL NS PS PS PM PML
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