Control de sistemas no lineales por modos deslizantes de segundo orden

Abstract

La generación de energía a partir del viento se ha convertido en un tema de alta prioridad en muchas regiones del mundo en las últimas décadas, durante las cuales ha crecido en forma continua la capacidad eólica instalada. La incorporación de sistemas de control avanzado en los sistemas de conversión de energía eólica (SCEE) fue uno de los principales cambios tecnológicos responsables del uso eficiente y de la reducción del costo de la energía eólica. Desde el punto de vista del control, esta tarea es especialmente desafiante debido a numerosas características particulares de los SCEE tales como la naturaleza altamente no lineal de las turbinas eólicas, la variabilidad e intermitencia del viento y la habitual escasez de medidas online confiables del mismo, la incertidumbre en los modelos aerodinámicos y eléctricos del sistema, entre otros. En esta Tesis se proponen nuevas soluciones basadas en Modos Deslizantes de Segundo Orden (2-MD) para controlar SCEE de velocidad variable basados en generadores de inducción doblemente alimentados en configuraciones con recuperación de potencia de resbalamiento. En particular se diseñan, analizan y evalúan por simulación diversos controladores basados en algoritmos 2-MD para dos topologías de SCEE, una de una entrada y una salida (SISO) y otra de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). El objetivo principal en todos los casos consiste en maximizar la potencia de conversi´on del SCEE, manteniendo un adecuado desempeño mec´anico y mejorando el comportamiento en cuanto al efecto de chattering. De manera global, los resultados obtenidos permiten estudiar, analizar y evaluar la viabilidad y las características de la aplicación de los 2-MD SISO y MIMO a estos sistemas. Las estrategias propuestas son simples, muy robustas y de implementación relativamente sencilla.

Power generation from wind has become a matter of high priority in many regions of the world over the last decades, during which the installed wind capacity has been growing steadily. The incorporation of advanced control techniques into wind energy conversion systems (WECS) has been one of the major technological changes responsible for the improvement regarding efficiency and cost reduction of energy. These tasks are a particularly challenging control problem due to the special features of WECS such as the highly nonlinear nature of wind turbines, the variability and intermittency of the wind, the usual scarcity of reliable measures of it, and the uncertainty in the aerodynamic and electrical models of the system among other reasons. This Thesis proposes new solutions based on Second Order Sliding Mode (2-SM) to control variable-speed WECS based on doubly-fed induction generators in configurations with slip power recovery. In particular, several controllers based on 2-SM algorithms are designed, analysed and evaluated for two WECS topologies, one of them with single input and single output (SISO) and the other with multiple inputs and multiple output (MIMO). The main aim in all cases is to maximize the power conversion of the WECS, maintaining an adequate mechanical behaviour and reducing the chattering effect. Globally, the results allow us to study, analyse and evaluate the feasibility and characteristics of the application of the 2-MD SISO and MIMO to these systems. The proposed strategies are simple, very robust and of relatively simple implementation.