En este trabajo se propone la implementación de un banco de ensayos para sistemas de generación eléctrica (generadores eléctricos, incluyendo sus controles y cargas) de uso en turbinas eólicas. Este banco de ensayos permite emular la dinámica de una turbina conectada al generador. Esto se consigue a través del control de par de una Máquina de Corriente Continua (M CQ en función de un perfil de viento predeterminado. El control de par se realiza a través de la simulación en tiempo real de la característica y de la dinámica de la turbina (incluyendo inercia, rozamiento, etc ). El objetivo de este banco es realizar ensayos de rendimiento y determinar la respuesta dinámica del control de diferentes tipos de generadores.Tema: Energía eólica, geotermia y otras energías no convencionales.Asociación Argentina de Energía Sola

Bossio, Guillermo Rubén

De Angelo, C.

Forchetti, D.

García, G.

Leidhold, R.

SEDICI - Repositorio de la UNLP

BANCO PARA EMULACIÓN DE TURBINAS EÓLICAS
Bossio G., De Angelo C., Forchetti D., García G., Leidhold R.
Grupo de Electrónica Aplicada (GEA)
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Río Cuarto 
Ruta Nacional #36 Km. 601 - TE: 058-676255 - Fax: 058-676246 
E-mail: gea@ing.unrc.edu.ar
RESUMEN
En este trabajo se propone la implementación de un banco de ensayos para sistemas de generación eléctrica (generadores 
eléctricos, incluyendo sus controles y cargas) de uso en turbinas eólicas. Este banco de ensayos permite emular la dinámica 
de una turbina conectada al generador. Esto se consigue a través del control de par de una Máquina de Corriente Continua 
(M CQ  en función de un perfil de viento predeterminado. El control de par se realiza a través de la simulación en tiempo 
real de la característica y de la dinámica de la turbina (incluyendo inercia, rozamiento, etc ). El objetivo de este banco es 
realizar ensayos de rendimiento y determinar la respuesta dinámica del control de diferentes tipos de generadores.
INTRODUCCIÓN
Durante los últimos años, el avance de la tecnología ha permitido mejorar el rendimiento de los sistemas de generación 
eólica. Esto se ha conseguido debido al uso de nuevos materiales y equipos de control y conversión de energía, como por 
ejemplo el logrado mediante el desarrollo de nuevos perfiles de hélices de paso variable. Además, el uso de conversores 
estáticos (electrónica de potencia) permite trabajar a velocidad variable y obtener el mejor rendimiento en función de la 
velocidad del viento, ofreciendo así energía en Corriente Alternada (CA) de frecuencia y tensión constantes. Esto, 
finalmente, se traduce en una mejor captura de la energía contenida en vientos de baja velocidad. En algunos casos ha 
permitido, a través del uso de turbinas de velocidad variable, duplicar el rendimiento de las mismas en términos de 
kWh/m2de área barrida por año (Ramos, 1994).
El futuro de la energía eólica es prometedor. Se estima que en la mitad del próximo siglo la producción de energía en 
parques eólicos podrá suplir mas del 10% del consumo de energía en el mundo, según estudios realizados por el World 
Wacht Institute. Esto ya es una realidad en algunas regiones del planeta como el norte de Alemania y Dinamarca (Wind 
Stats, 1996).
Se calcula que en Argentina existen entre 2,5 a 3 millones de habitantes sin posibilidad de acceso a los sistemas 
convencionales de distribución de energía. En respuesta a esta realidad, se ha creado el “Programa de Abastecimiento 
Eléctrico de la Población Rural Dispersa de Argentina”. Este indicador muestra la importancia que tiene en nuestro país el 
desarrollo de tecnologías destinadas a la generación eléctrica en regiones aisladas. Por otro lado, ha quedado demostrado 
que la única fuente de energía no convencional competitiva debido a su costo es la eólica (Jayadev, 1995).
Existen muchos trabajos con diferentes propuestas para implementar sistemas de generación eólica usando diferentes tipos 
de generadores, controladores, etc. Por otro lado, debido al creciente interés en este tipo de generación, se están creando 
normas que regulan las características de los distintos componentes del sistema (Germanischer Lloyd, 1994)
Una vez construidos los prototipos experimentales, para evaluar las propuestas realizadas, normalmente, es necesario 
realizar una validación experimental a través de ensayos.
Para esto, una opción es instalar un sistema completo (incluyendo torre, sistema de direccionamiento, controles, etc.) y 
“esperar que la naturaleza provea diferentes perfiles de viento” para analizar el comportamiento del sistema ante las 
diferentes situaciones de funcionamiento (viento y carga).
Cuando lo que se quiere ensayar es solo el sistema de generación, una opción más racional (no dependiente de los 
caprichos climatológicos) es crear un laboratorio de ensayos que emule el comportamiento de la turbina ante diferentes 
perfiles de viento y condiciones de carga. Este es el objetivo de este trabajo.
SISTEMA PROPUESTO
En este trabajo se propone la implementación de un banco de ensayos para sistemas de generación eléctrica (generadores 
eléctricos, incluyendo sus controles y cargas) para uso en turbinas eólicas. Este banco de ensayos permite emular la 
dinámica de una turbina conectada al generador.
La dinámica de la hélice se simula a través del control de par de una Máquina de Corriente Continua (MCC) en función 
de un perfil de viento predeterminado. El control de par se realiza a través de la simulación en tiempo real de la 
característica y dinámica de la turbina (incluyendo inercia, rozamiento, etc.).
Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vo l.l N£ 2, 1997 169
El objetivo de este banco es realizar ensayos de rendimiento y determinar la respuesta dinámica del control de diferentes 
tipos de generadores
El sistema consta básicamente de dos bloques funcionales:
• Módulo de Simulación de la Turbina;
• Actuador;
descriptos, sucintamente, a continuación.
figura 1
MÓDULO DE SIULACIÓN DE LA TURBINA
La función del Simulador de la Turbina es calcular, en función de un perfil de viento predeterminado, el valor instantáneo 
del par que sería transferido por una turbina al eje del generador.
Las entradas de este módulo son: el perfil de viento y la velocidad del eje del generador. La curva de viento puede ser 
adquirida a través de mediciones realizadas por una estación anemométrica o propuesta según algún criterio. La velocidad 
instantánea del generador es medida a través de un sensor óptico incremental.
Este módulo contiene las ecuaciones y los parámetros necesarios para calcular, en tiempo real, el par motor que la turbina 
generaría. La salida del módulo es la referencia del par motor que debe ser entregado al eje del generador.
A partir de la realimentación de velocidad se calcula la razón entre la velocidad lineal del viento y la velocidad angular del 
eje (TSR - Tip Speed Ratio), y a través de la curva característica de la hélice (dada por el fabricante), se obtiene el 
coeficiente de potencia (Cp).
De la ecuación (Ramos, 94):
1 2 ,
P  =  - * 7T * p * t p * D  * U
donde:
p es la masa específica del aire,
CP es el coeficiente de potencia,
D es el diámetro de la hélice en m, 
u es la velocidad del viento en tn/s,
se obtiene la potencia suministrada por la turbina.
Mediante la velocidad sensada se determina el par instantáneo “teórico”, debiendo considerarse entonces la dinámica de la 
hélice y del actuador (motor de CC), para obtener la referencia del par a ser aplicado en el eje del generador.
170 Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vo l.l N° 2, 1997
MÓDULO ACTUADOR
Este módulo es el encargado de suministrar al generador el par indicado por el Módulo de Simulación de la Turbina. Está 
compuesto por las siguientes partes:
• Controlador de Par Motor,
• Electrónica de potencia,
• Máquina de Corriente Continua,
como se muestra en la figura 2.
figura 2
Controlador de Par
El controlador es el encargado de generar los comandos necesarios para que el motor siga la referencia de par entregada por 
el Módulo de Simulación. Para ello mide el par mediante una celda de carga acoplada al motor, la compara con la 
referencia y genera la señal de control correspondiente, referencia de corriente de armadura del MCC.
Este módulo, basado en un microcontrolador Intel 8031 de 8 bits, cuenta con conversores analógico-digital para adquirir los 
valores de corriente de armadura del MCC y el par, salidas digitales para comandar la electrónica de potencia y 
protecciones.
El sistema se comunica con una PC por medio de un protocolo serial RS 232 por el cual recibe la referencia de par y 
devuelve las magnitudes necesarias para la supervisión del ensayo (velocidad, corriente de armadura de la MCC, etc.).
De esta forma se puede hacer que la MCC aplique al generador un par variable establecido, tanto positivo (acción como 
motor) como negativo (acción como generador), de forma tal que se pueda ver la respuesta de éste y de sus sistema de 
control ante tales variaciones.
Máquina de Corriente Continua
Se utiliza como actuador del banco, una MCC de 5 kW capaz de imprimir en los generadores los requerimientos de par 
instantáneos especificados por la simulación.
El motor posee un acople de tipo universal que permite acoplar diferentes tipos de generadores.
El montaje de la MCC es de tipo basculante para permitir la medición de par desarrollado a través de una celda de carga. 
Electrónica de Potencia
La interface entre el MCC y el Controlador se realiza a través de un circuito de electrónica de potencia que permite 
manejar la corriente que alimenta al motor. El mismo esta constituido principalmente por un puente en configuración H 
formado por módulos de transistores de tipo IGBTs (1200V, 100A)
Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vo l.l N2 2, 1997 171
MEDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS
Se cuenta con sensores e interfaces que permiten medir y adquirir los datos necesarios para analizar los resultados de los 
ensayos.
Estos datos son almacenados y luego visualizados en la pantalla de una PC. Para la adquisición de datos se utiliza una placa 
Lab PC+ de National Instruments dedicada a esta tarea y diversos dispositivos auxiliares capaces de adaptar las señales del 
sistema.
Dentro de los dispositivos auxiliares se cuenta con:
• Sensores de corriente basados en el efecto Hall,
• Sensores de Tensión basados en el efecto Hall,
• Sensor de posición basado en un encoder óptico,
• Sensor de par, basados en una plataforma basculante para maquina de CC y celda de carga.
Para la medición de tensiones y corrientes estos dispositivos cuentan con aislación galvánica.
Los sensores de corriente, tensión, y par son de tipo analógico y su entrada se realiza a través de los conversores A/D de la 
placa. Las entradas restantes permiten medir otros parámetros de interés según el tipo de ensayo.
El encoder óptico incremental se halla conectado a un circuito electrónico que convierte la señal del mismo en posición y 
velocidad a través de un formato digital de 16 bits. Esta información se adquiere a través de cualquiera de los tres puertos 
de 8 bits disponibles en la placa antes mencionada.
ESTADO ACTUAL DEL PROYECTO
Actualmente el sistema se halla en la etapa de experimentación.
Se pretende ensayar diferentes tipos de generadores y controles, comparando las diferentes respuestas dinámicas de los 
controladores de tensión y frecuencia.
También se pretende realizar ensayos de rendimiento en términos de los kWh/m2de área barrida por una turbina eólica ante 
diferentes perfiles de viento y diferentes cargas eléctricas. Esto requiere conocer perfectamente el modelo de la citada 
turbina.
Este sistema permite realizar ensayos con un alto grado de repetitividad en cuanto a condiciones de viento, carga, etc.
La implementación modular del sistema también permitiría emular turbinas hidráulicas para generación eléctrica, 
simplemente modificando el modelo para la simulación de la fuente de energía.
De los datos obtenidos de los ensayos podrá hacerse una proyección de la energía anual, diaria, etc., extraible del sistema. 
De esta manera, se podrá estimar correctamente la amortización, utilidad, costo unitario, etc., de los sistemas ensayados 
conocidas las características de una turbina y el perfil de viento real de una determinada región.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo contó con el apoyo financiero de las siguientes instituciones: Fundación Antorchas, la Secretaría de Ciencia y 
Técnica y el Dpto. de Electricidad y Electrónica de la Universidad Nacional de Río Cuarto y CONICET.
Los autores desean agradecer también la colaboración del Ing. Carlos Maffrand, del Ing. Dídimo Zárate y del Sr. Alejandro 
Cejas.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Germanischer Lloyd, Rules and Regulations (1994), Regulation for the Certification of Wind Energy Conversión Systems, 
WindEnergy, Part I, Chapter 1-10.
Jayadev, J. (1995), Hamessing the wind, IEEE Spectnm.
Ramos, A. L. (1994), Optimizado de Sistemas de Conversao de Energía Eólica, Presentación de tesis, Universidad Federal 
da Paraíba.
Milborrow, D. (1994), Offshore Wind Plans and Developments, Wind Stats Newsletter
172 Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol.l N° 2, 1997


Spanish

Banco para emulación de turbinas eólicas

De Angelo, Cristian Hernán

Forchetti, Daniel Gustavo

García, Guillermo

Leidhold, Roberto

Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

BANCO PARA EMULACIÓN DE TURBINAS EÓLICASBossio G., De Angelo C., Forchetti D., García G., Leidhold R.Grupo de Electrónica Aplicada (GEA)Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Río Cuarto Ruta Nacional #36 Km. 601 - TE: 058-676255 - Fax: 058-676246 E-mail: gea@ing.unrc.edu.arRESUMENEn este trabajo se propone la implementación de un banco de ensayos para sistemas de generación eléctrica (generadores eléctricos, incluyendo sus controles y cargas) de uso en turbinas eólicas. Este banco de ensayos permite emular la dinámica de una turbina conectada al generador. Esto se consigue a través del control de par de una Máquina de Corriente Continua (M CQ  en función de un perfil de viento predeterminado. El control de par se realiza a través de la simulación en tiempo real de la característica y de la dinámica de la turbina (incluyendo inercia, rozamiento, etc ). El objetivo de este banco es realizar ensayos de rendimiento y determinar la respuesta dinámica del control de diferentes tipos de generadores.INTRODUCCIÓNDurante los últimos años, el avance de la tecnología ha permitido mejorar el rendimiento de los sistemas de generación eólica. Esto se ha conseguido debido al uso de nuevos materiales y equipos de control y conversión de energía, como por ejemplo el logrado mediante el desarrollo de nuevos perfiles de hélices de paso variable. Además, el uso de conversores estáticos (electrónica de potencia) permite trabajar a velocidad variable y obtener el mejor rendimiento en función de la velocidad del viento, ofreciendo así energía en Corriente Alternada (CA) de frecuencia y tensión constantes. Esto, finalmente, se traduce en una mejor captura de la energía contenida en vientos de baja velocidad. En algunos casos ha permitido, a través del uso de turbinas de velocidad variable, duplicar el rendimiento de las mismas en términos de kWh/m2de área barrida por año (Ramos, 1994).El futuro de la energía eólica es prometedor. Se estima que en la mitad del próximo siglo la producción de energía en parques eólicos podrá suplir mas del 10% del consumo de energía en el mundo, según estudios realizados por el World Wacht Institute. Esto ya es una realidad en algunas regiones del planeta como el norte de Alemania y Dinamarca (Wind Stats, 1996).Se calcula que en Argentina existen entre 2,5 a 3 millones de habitantes sin posibilidad de acceso a los sistemas convencionales de distribución de energía. En respuesta a esta realidad, se ha creado el “Programa de Abastecimiento Eléctrico de la Población Rural Dispersa de Argentina”. Este indicador muestra la importancia que tiene en nuestro país el desarrollo de tecnologías destinadas a la generación eléctrica en regiones aisladas. Por otro lado, ha quedado demostrado que la única fuente de energía no convencional competitiva debido a su costo es la eólica (Jayadev, 1995).Existen muchos trabajos con diferentes propuestas para implementar sistemas de generación eólica usando diferentes tipos de generadores, controladores, etc. Por otro lado, debido al creciente interés en este tipo de generación, se están creando normas que regulan las características de los distintos componentes del sistema (Germanischer Lloyd, 1994)Una vez construidos los prototipos experimentales, para evaluar las propuestas realizadas, normalmente, es necesario realizar una validación experimental a través de ensayos.Para esto, una opción es instalar un sistema completo (incluyendo torre, sistema de direccionamiento, controles, etc.) y “esperar que la naturaleza provea diferentes perfiles de viento” para analizar el comportamiento del sistema ante las diferentes situaciones de funcionamiento (viento y carga).Cuando lo que se quiere ensayar es solo el sistema de generación, una opción más racional (no dependiente de los caprichos climatológicos) es crear un laboratorio de ensayos que emule el comportamiento de la turbina ante diferentes perfiles de viento y condiciones de carga. Este es el objetivo de este trabajo.SISTEMA PROPUESTOEn este trabajo se propone la implementación de un banco de ensayos para sistemas de generación eléctrica (generadores eléctricos, incluyendo sus controles y cargas) para uso en turbinas eólicas. Este banco de ensayos permite emular la dinámica de una turbina conectada al generador.La dinámica de la hélice se simula a través del control de par de una Máquina de Corriente Continua (MCC) en función de un perfil de viento predeterminado. El control de par se realiza a través de la simulación en tiempo real de la característica y dinámica de la turbina (incluyendo inercia, rozamiento, etc.).Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vo l.l N£ 2, 1997 169El objetivo de este banco es realizar ensayos de rendimiento y determinar la respuesta dinámica del control de diferentes tipos de generadoresEl sistema consta básicamente de dos bloques funcionales:• Módulo de Simulación de la Turbina;• Actuador;descriptos, sucintamente, a continuación.figura 1MÓDULO DE SIULACIÓN DE LA TURBINALa función del Simulador de la Turbina es calcular, en función de un perfil de viento predeterminado, el valor instantáneo del par que sería transferido por una turbina al eje del generador.Las entradas de este módulo son: el perfil de viento y la velocidad del eje del generador. La curva de viento puede ser adquirida a través de mediciones realizadas por una estación anemométrica o propuesta según algún criterio. La velocidad instantánea del generador es medida a través de un sensor óptico incremental.Este módulo contiene las ecuaciones y los parámetros necesarios para calcular, en tiempo real, el par motor que la turbina generaría. La salida del módulo es la referencia del par motor que debe ser entregado al eje del generador.A partir de la realimentación de velocidad se calcula la razón entre la velocidad lineal del viento y la velocidad angular del eje (TSR - Tip Speed Ratio), y a través de la curva característica de la hélice (dada por el fabricante), se obtiene el coeficiente de potencia (Cp).De la ecuación (Ramos, 94):1 2 ,P  =  - * 7T * p * t p * D  * Udonde:p es la masa específica del aire,CP es el coeficiente de potencia,D es el diámetro de la hélice en m, u es la velocidad del viento en tn/s,se obtiene la potencia suministrada por la turbina.Mediante la velocidad sensada se determina el par instantáneo “teórico”, debiendo considerarse entonces la dinámica de la hélice y del actuador (motor de CC), para obtener la referencia del par a ser aplicado en el eje del generador.170 Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vo l.l N° 2, 1997MÓDULO ACTUADOREste módulo es el encargado de suministrar al generador el par indicado por el Módulo de Simulación de la Turbina. Está compuesto por las siguientes partes:• Controlador de Par Motor,• Electrónica de potencia,• Máquina de Corriente Continua,como se muestra en la figura 2.figura 2Controlador de ParEl controlador es el encargado de generar los comandos necesarios para que el motor siga la referencia de par entregada por el Módulo de Simulación. Para ello mide el par mediante una celda de carga acoplada al motor, la compara con la referencia y genera la señal de control correspondiente, referencia de corriente de armadura del MCC.Este módulo, basado en un microcontrolador Intel 8031 de 8 bits, cuenta con conversores analógico-digital para adquirir los valores de corriente de armadura del MCC y el par, salidas digitales para comandar la electrónica de potencia y protecciones.El sistema se comunica con una PC por medio de un protocolo serial RS 232 por el cual recibe la referencia de par y devuelve las magnitudes necesarias para la supervisión del ensayo (velocidad, corriente de armadura de la MCC, etc.).De esta forma se puede hacer que la MCC aplique al generador un par variable establecido, tanto positivo (acción como motor) como negativo (acción como generador), de forma tal que se pueda ver la respuesta de éste y de sus sistema de control ante tales variaciones.Máquina de Corriente ContinuaSe utiliza como actuador del banco, una MCC de 5 kW capaz de imprimir en los generadores los requerimientos de par instantáneos especificados por la simulación.El motor posee un acople de tipo universal que permite acoplar diferentes tipos de generadores.El montaje de la MCC es de tipo basculante para permitir la medición de par desarrollado a través de una celda de carga. Electrónica de PotenciaLa interface entre el MCC y el Controlador se realiza a través de un circuito de electrónica de potencia que permite manejar la corriente que alimenta al motor. El mismo esta constituido principalmente por un puente en configuración H formado por módulos de transistores de tipo IGBTs (1200V, 100A)Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vo l.l N2 2, 1997 171MEDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOSSe cuenta con sensores e interfaces que permiten medir y adquirir los datos necesarios para analizar los resultados de los ensayos.Estos datos son almacenados y luego visualizados en la pantalla de una PC. Para la adquisición de datos se utiliza una placa Lab PC+ de National Instruments dedicada a esta tarea y diversos dispositivos auxiliares capaces de adaptar las señales del sistema.Dentro de los dispositivos auxiliares se cuenta con:• Sensores de corriente basados en el efecto Hall,• Sensores de Tensión basados en el efecto Hall,• Sensor de posición basado en un encoder óptico,• Sensor de par, basados en una plataforma basculante para maquina de CC y celda de carga.Para la medición de tensiones y corrientes estos dispositivos cuentan con aislación galvánica.Los sensores de corriente, tensión, y par son de tipo analógico y su entrada se realiza a través de los conversores A/D de la placa. Las entradas restantes permiten medir otros parámetros de interés según el tipo de ensayo.El encoder óptico incremental se halla conectado a un circuito electrónico que convierte la señal del mismo en posición y velocidad a través de un formato digital de 16 bits. Esta información se adquiere a través de cualquiera de los tres puertos de 8 bits disponibles en la placa antes mencionada.ESTADO ACTUAL DEL PROYECTOActualmente el sistema se halla en la etapa de experimentación.Se pretende ensayar diferentes tipos de generadores y controles, comparando las diferentes respuestas dinámicas de los controladores de tensión y frecuencia.También se pretende realizar ensayos de rendimiento en términos de los kWh/m2de área barrida por una turbina eólica ante diferentes perfiles de viento y diferentes cargas eléctricas. Esto requiere conocer perfectamente el modelo de la citada turbina.Este sistema permite realizar ensayos con un alto grado de repetitividad en cuanto a condiciones de viento, carga, etc.La implementación modular del sistema también permitiría emular turbinas hidráulicas para generación eléctrica, simplemente modificando el modelo para la simulación de la fuente de energía.De los datos obtenidos de los ensayos podrá hacerse una proyección de la energía anual, diaria, etc., extraible del sistema. De esta manera, se podrá estimar correctamente la amortización, utilidad, costo unitario, etc., de los sistemas ensayados conocidas las características de una turbina y el perfil de viento real de una determinada región.AGRADECIMIENTOSEste trabajo contó con el apoyo financiero de las siguientes instituciones: Fundación Antorchas, la Secretaría de Ciencia y Técnica y el Dpto. de Electricidad y Electrónica de la Universidad Nacional de Río Cuarto y CONICET.Los autores desean agradecer también la colaboración del Ing. Carlos Maffrand, del Ing. Dídimo Zárate y del Sr. Alejandro Cejas.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASGermanischer Lloyd, Rules and Regulations (1994), Regulation for the Certification of Wind Energy Conversión Systems, WindEnergy, Part I, Chapter 1-10.Jayadev, J. (1995), Hamessing the wind, IEEE Spectnm.Ramos, A. L. (1994), Optimizado de Sistemas de Conversao de Energía Eólica, Presentación de tesis, Universidad Federal da Paraíba.Milborrow, D. (1994), Offshore Wind Plans and Developments, Wind Stats Newsletter172 Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol.l N° 2, 1997

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