Estrategias de control no lineal para la regulación de corriente y estabilización de voltaje DC para un aerogenerador operando en una microred Translated title: Non-linear control strategies for current regulation and DC voltage stabilization for a wind turbine operating in a microgrid

Abstract

Resumen: La generación de energía eléctrica a partir de energías renovables, en especial eólica, se encuentra ocupando cada vez más una mayor participación en el mercado energético a nivel mundial. Debido a la alta dinámica del viento, se presentan variaciones en la magnitud de voltaje y frecuencia del sistema que dificulta integrar estos generadores al sistema eléctrico. Varios trabajos proponen diferentes estrategias de control implementadas en sistemas electrónicos de potencia para solventar este problema. Estos sistemas primero rectifican el voltaje variable del generador creando un acople de corriente directa (DC) y luego convierten el resultado en voltaje con magnitud y frecuencia constante. Los controladores más usados son de tipo proporcional integral derivativo (PID), los cuales presentan un buen desempeño en zonas de operación lineal. Sin embargo, existen propuestas no lineales que presentan amplias ventajas frente a los PIDs, sobre todo en sistemas con dinámicas rápidas y no lineales. En el presente trabajo se implementan controladores PIDs lineales y se proponen dos estrategias de control no lineales, una con una estructura PID y otra con control de modo deslizante (SMC), para regular el suministro de corriente y voltaje en aerogeneradores conectados a un sistema electrónico de potencia. En los controladores propuestos se implementó una ganancia no lineal que se calcula en función del error del sistema y se comparó su desempeño con el de los controladores PIDs lineales. Los resultados mostraron mejoras notables en la velocidad de estabilización del sistema y reducción de oscilaciones ante variaciones repentinas de referencia y perturbaciones externas. Para probar el desempeño de los controladores se simuló una micro red enlazada a una barra infinita en Simulink.

Translated abstract

Abstract: The generation of electrical energy from renewable energies, especially wind, is taking greater participation in the energy market worldwide. Due to the high wind dynamics, there are variations in the system's frequency and voltage, making it challenging to integrate these generators into the electrical system. Several works propose different control strategies implemented in electronic power systems to solve this problem. These systems first rectify the generator's variable voltage, creating a direct current (DC) link and then transforming it into voltage with constant magnitude and frequency. The most common controllers are PID (proportional integral derivative), which have a good performance in linear operation areas. However, there are non-linear proposals with broad advantages over PIDs, especially in systems with fast and non-linear dynamics. In this study, linear PID controllers are implemented. Two non-linear control strategies are proposed, one with a PID structure and the other with sliding mode control (SMC), to regulate the current and voltage supply in wind turbines connected to electronic system power. A non-linear gain was implemented in the proposed controllers, which is calculated based on the system error; their performance was compared with linear PID controllers. The results showed notable improvements in the system's stabilization speed and reduction of oscillations in the face of sudden reference variations and external disturbances. A micro-network linked to an infinite bar was simulated in Simulink to test the controllers' performance.