Diagnóstico de fallas en sistemas de generación basados en GIRB

Abstract

Los sistemas de generación que usan fuentes de energía renovables son de vital importancia para la resolución de los problemas energéticos de nuestro país y del mundo. La utilización del generador de inducción con rotor bobinado permite implementar sistemas de generación de velocidad variable requiriendo un menor dimensionamiento en la electrónica de potencia y pudiendo entregar una mayor potencia en rangos de velocidad super-sincrónicas. El funcionamiento de estos sistemas de generación puede verse afectado por problemas en la red a la que está conectado y por fallas en los elementos que componen dicho sistema. Estas fallas degradan considerablemente el desempeño del sistema de generación y de la calidad de energía entregada en la red. Además, el funcionamiento sostenido en el tiempo del sistema bajo condiciones de falla, puede producir riesgo para otros componentes del mismo y para las personas. Por esta razón, la operación del sistema sebe ser capaz de adaptarse a condiciones desfavorables minimizando los efectos producidos por problemas en la red y proporcionando la posibilidad de diagnosticar fallas en los elementos de dicho sistema. A lo largo de esta Tesis se propone un control de potencia activa y reactiva del generador que minimiza las oscilaciones en el par cuando la red presenta tensiones desbalanceadas y/o contenido armónico. Esta estrategia requiere de los valores instantáneos de la magnitud y fase del flujo de estator, los cuales son obtenidos mediante un observador. Luego se propone una estrategia de diagnóstico de fallas por llave abierta en el convertidor del rotor que utiliza un enfoque basado en geometría diferencial para obtener un banco de observadores que genera señales que son utilizadas para detectar y aislar cada falla del convertidor. Esta estrategia se aplica también para diagnosticar fallas en el convertidor de la red. Además, se propone una estrategia de control no lineal para el convertidor de la red basada en asignación de interconexión y amortiguamiento, la cual combina la propiedad de pasividad de los sistemas Hamiltonianos con puertos con control por interconexión y control basado en energía. Esta estrategia permite seguir trayectorias de corriente y tensión de referencia asegurando la convergencia del error a cero. Por último, se propone una estrategia de control para la inyección de corrientes sinusoidales de secuencia positiva a la red aún en condiciones de tensión de red desbalanceada o con fallas en el convertidor del rotor. Esta estrategia utiliza el control no lineal del convertidor de la red propuesto en esta Tesis para inyectar las corrientes de compensación. A lo largo del desarrollo de esta tesis se muestran resultados de simulación que permiten validar las estrategias de control y diagnóstico de fallas propuestas. Finalmente se desarrollan conclusiones y trabajos futuros.

Generation systems with renewable energy sources are very important to solve energy problems in Argentina and around the world. The double fed induction generator allows to implement variable angular frequency generation systems with converters rated at about 30 % of the generator rating and while providing higher power in super-synchronous operation. Grid problems and faults in the components of the system can affect the operation of the generation system. These faults degrade the performance of the generation system and the quality of the energy injected to the grid. Also, if the fault operation is maintained on the time, it can damage another systems components and can be risky for people. Therefore, the operation of the system must be able to adapt to these unfavorable conditions minimizing the produced effects and also to provide faults diagnosis in the elements of system. In this thesis an active and reactive power control with minimization of torque oscillations under unbalanced and distorted grid conditions is proposed. The strategy require information about the phase and magnitude of the stator flux which are obtained by an observer. Besides, a open switch fault diagnosis strategy for the rotor side converter is proposed. This strategy is based on a geometric approach and allows to construct an observer bank used to generate signals for detection and isolation of each fault. The same strategy is used to detect and isolate open switch faults on the gride side converter. Also, a non linear passivity-based control is proposed to operate the grid side converter. This strategy allows to track voltage and currents references while ensuring the convergence of the error to zero. Finally, a grid positive-sequence currents injection control strategy is proposed. This approach uses the proposed passivity-based control strategy and it works under unbalanced and distorted grid conditions and during fault on the rotor side converter. To prove and validate the proposed control and fault diagnosis strategies, simulations results are obtained along this thesis. Finally, conclusions and future works are presented.