Los sistemas de generación de energía eléctrica eólicos se presentan como una alternativa para solucionar en parte los problemas de contaminación ambiental, esta tesis se desarrolla con la intención de diseñar un control difuso eficiente de una turbina eólica. Para cumplir con este objetivo, primero se definen las características de los componentes de un aerogenerador y se indica el potencial energético eólico de nuestro país, luego se desarrolla el modelo matemático no lineal de un aerogenerador de características específicas: turbina de eje horizontal de tres palas, generador eléctrico tipo jaula de ardilla (potencia nominal 0.66 MW), actuador del ángulo de paso β (ángulo de rotación de la pala de la turbina de viento, alrededor de su eje longitudinal) y se realizan las simulaciones del sistema modelado en el programa Simulink de MATLAB. Se realizó una revisión de la teoría del control difuso, antes de diseñar un controlador difuso basado en el modelo no lineal obtenido previamente. En el diseño del controlador de la potencia de un aerogenerador mediante la variación del ángulo de paso β, se presentan las funciones de pertenencia y la base de reglas difusas del controlador. Para hacer el controlador difuso más eficiente, se diseña una ganancia a la salida del controlador que minimice la integral del error cuadrático. Se desarrollaron simulaciones en Simulink del controlador difuso y el controlador convencional PID de la potencia generada por el aerogenerador y se mostró que el sistema con el controlador difuso, presenta una menor amplitud de las oscilaciones durante el transitorio y un menor valor de la integral del error cuadrático. / Tesis

Tesis por compendio / [ES] Las averías inesperadas en las máquinas eléctricas rotativas pueden provocar tiempos de inactividad no programados, que pueden tener como consecuencia grandes pérdidas económicas. Esto aplica a las máquinas eléctricas rotativas en general y en particular a los aerogeneradores eólicos, cuya instalación y necesidades de mantenimiento han experimentado un gran crecimiento en los últimos años. Su mantenimiento predictivo evitaría las averías inesperadas y el aumento de costes que se pueden derivar de un mantenimiento preventivo, mediante la medida continua, on-line, de las variables que indican el estado del aerogenerador. Junto con ello, es necesario el desarrollo de técnicas de diagnóstico fiables que necesitan del testeo en aerogeneradores trabajando bajo diferentes condiciones de fallo. Como los ensayos destructivos para el estudio de defectos o fallos no es económicamente factible, se han desarrollado modelos de máquinas eléctricas rotativas trabajando en condiciones de fallo. Así, estos modelos permiten extraer las características de las corrientes de las máquinas bajo condiciones de fallo reduciendo el número de pruebas destructivas. A partir del compendio de artículos científicos y presentaciones en congreso de esta tesis doctoral se han desarrollado las diferentes etapas de implementación del banco de ensayos. En primer lugar, se exploran las diferentes técnicas de modelado de las máquinas eléctricas rotativas mediante una revisión exhaustiva de la literatura técnica disponible hasta el momento. Por otro lado, se pretenden desarrollar técnicas de modelado para ser implementadas en sistemas de prototipado rápido para realizar el diagnóstico online de la máquina. Sin embargo, los modelos analíticos como el presentado, debido a las simplificaciones que se asumen, no pueden modelar con precisión las no idealidades y las no idealidades propias de las máquinas de inducción defectuosas. Los modelos basados en métodos numéricos son más completos, pero requieren una gran capacidad computacional y largos tiempos de simulación. Además, su implementación en sistemas de prototipado rápido, resulta en una tarea muy compleja hasta el momento. Por esta razón, se opta por desarrollar un método de modelado basado en un enfoque híbrido analítico-numérico, que puede ayudar en el desarrollo de pruebas de técnicas de diagnóstico de fallos para ser implementados en dispositivos embebidos, así como para entrenar a sistemas expertos para evaluar la condición de la máquina. No obstante, este modelo desarrollado todavía requiere de importantes capacidades de memoria y tiempos de cómputo, por lo que se aporta un método para optimizar el cálculo de las inductancias de la máquina eléctrica. El estudio de esta técnica, además de una publicación en revista, ha resultado en dos presentaciones en congreso. Por otro lado, se ha optimizado el modelo analítico, aportando un nuevo método basado en el álgebra tensorial que además permite adaptar el modelo híbrido a diferentes tipos de defectos. Finalmente, como alternativa a las técnicas de diagnóstico tradicionales que se basan en el análisis de corriente a través de la transformada de Fourier (FFT), cuyo uso está limitado al diagnóstico en régimen estacionario, así como a las técnicas tiempo-frecuencia que permiten el diagnóstico de fallos bajo condiciones de régimen transitorio pero a un elevado coste computacional, este trabajo presenta una combinación de técnicas de diagnóstico que proporciona alta resolución espectral en todo el rango de carga de la máquina a bajo coste computacional y requisitos de memoria. Para la validación de las técnicas de modelado y la técnica de diagnóstico presentadas se ha implementado un banco de ensayos versátil con la capacidad de reproducir cualquier condición de funcionamiento. / [CA] Les averies inesperades de les màquines elèctriques rotatives poden provocar temps no programats de inactivitat, que esdevindrien en greus pèrdues econòmiques. Aquest raonament és cert per a màquines elèctriques rotatives en general i per als aerogeneradors en particular, la instal·lació dels quals i necessitats de manteniment han experimentat un gran creixement al llarg dels últims anys. El manteniment predictiu evitaria les averies inesperades i el augment de costos derivats de un manteniment preventiu, mitjançant el anàlisi continu i en línia de les magnituds que indiquen l'estat de l'aerogenerador. A més, seria necessari desenvolupar tècniques de diagnosi fiables a través de proves realitzades en aerogeneradors treballant amb distintes condicions de fallada. La realització d'assajos destructius per a l'estudi de defectes o averies no és econòmicament factible. Per tant, s'han desenvolupat models de màquines elèctriques rotatives treballant en condicions de fallada. D'aquesta manera, aquest model permeten extraure les característiques de les corrents absorbides/generades per les màquines en condicions de fallada i permeten reduir el nombre de proves destructives. A partir d'un compendi d'articles científics i presentacions en congrés d'aquesta tesi doctoral s'han desenvolupat les diferents etapes de implementació del banc de proves. En primer lloc s'exploren les diferents tècniques de modelat de màquines elèctriques rotatives mitjançant una revisió exhaustiva de la literatura tècnica disponible fins a la data. D'altra banda, es pretén desenvolupar tècniques de modelat per se implementades en sistemes de prototipat ràpid per realitzar la diagnosi en línia de la màquina. En aquest cas, la primera tècnica de modelat desenvolupada en la tesis es basa en mètodes analítics, obtinguin-se un model molt ràpid que simplifica el procés de càlcul dels paràmetres del model de la màquina elèctrica i és capaç de representar qualsevols tipus i nombre de fallades de simetria del rotor. No obstant això, els models analítics, como el presentat, no poden modelar amb precisió les no idealitats i no linealitats pròpies de les màquines de inducció amb fallada. El models basats en mètodes numèrics son més complets però requereixen una gran capacitat computacional i llargs temps de simulació. A més, la seua implantació en sistemes de prototipat ràpid resulta una tasca complexa i en molts casos inassolible. Per aquesta raó s'ha optat per desenvolupar un mètode de modelat basat en un plantejament híbrid analític-numèric, que pot ajudar al desenvolupament de sistemes per provar tècniques de diagnosi de fallades per se implantats en dispositius embeguts així com per entrenar a sistemes experts per avaluar la condició de la màquina. No obstant això, aquest model encara requereix de importants capacitats de memòria i temps de computació, per tant, en aquesta tesis, s'aporta un mètode per optimitzar el càlcul de les inductàncies de la màquina elèctrica. L'estudi d'aquesta tècnica, a més d'una publicació en revista, ha resultat en dos presentacions en congres. En altra publicació s'ha optimitzat el model analític mitjançant un mètode basat en l'àlgebra tensorial que permet adaptar el model híbrid a altres tipus de fallada. Finalment, com alternativa a les tècniques de diagnòstic tradicionals basades en el anàlisi de la corrent amb la transformada ràpida de Fourier (FFT) limitades al diagnòstic en règim estacionari, així como a les tècniques basades en l'anàlisi temps-freqüència que permeten la diagnosis en règim transitori per a un elevat cost computacional, aquest treball presenta una combinació de tècniques de diagnosi que proporciona alta resolució espectral en totes les zones de treball de la màquina amb un baix cost computacional i de memòria. Per a la validació d'aquestes tècniques de modelat i la tècnica de diagnosi presentada s'ha implementat un banc d'assajos versàtil i amb la capacitat de reproduir qualsevols condició de funcionament. / [EN] Unexpected breakdowns in rotating electrical machines components can lead to unscheduled downtimes and consequently to large economic losses. This relates to electrical machines in general and particularly to wind turbines, whose installation and maintenance needs have raised significantly in recent years. Predictive maintenance would avoid unexpected breakdowns and the associated increased costs from preventive maintenance, by online condition monitoring of the machine. In addition, the development of reliable diagnostic techniques is needed, which requires the testing of wind turbines working under various fault conditions. As destructive testing for fault research purposes is not economically feasible, several rotating electrical machines models running under fault conditions have been developed to investigate the characteristics of faulty machines and have allowed reducing the number of destructive tests. The different stages of the implementation of the test bench have been developed from the compendium of scientific papers and conference presentations of this doctoral thesis. Firstly, the different modeling techniques for rotating electrical machines are explored through an exhaustive review of the technical literature available so far. Moreover, it is aimed at developing modeling techniques valid to be implemented in rapid prototyping systems to perform online diagnosis of the machine. The first modeling technique developed in this thesis is based on analytical methods, obtaining a very fast model which greatly simplifies the process of calculating the parameters of the electrical induction machine model. This model can reproduce any kind and number of rotor asymmetry faults. However, analytical models as the presented one, due to the simplifications assumed, cannot accurately model the inherent non-idealities and non-idealities within faulty induction machines. Models based on numerical methods are more complete but require high computational effort and long simulation times. Moreover, their implementation in rapid prototyping systems is challenging so far. For this reason, a modeling method based on a hybrid analytical- numerical approach is developed, which can contribute to the development of testing fault diagnosis techniques to be implemented in embedded devices, as well as to train expert systems to evaluate the state of the machine. However, this model still requires a significant memory capacity and computation time, so it is provided a method to optimize the computation of the coupling para- meters of the machine. The study of this technique has resulted in a journal publication and two conference presentations. Particularly, it is studied the correct implementation of the modelling technique to obtain a reliable fault diagnosis and it is compared with another method of parameter reduction pro- posed in the technical literature. Besides that, the analytical model has been optimized, providing a new method based on tensor algebra, which also allows the hybrid model to be adapted to different types of defects. Finally, this work shows a combination of diagnostic techniques providing high spectral resolution over the entire machine load range at low computational cost and with negligible memory requirements. This provides an alternative to the traditional diagnostic techniques based on current analysis using Fourier transform (FFT), whose implementation is limited to the diagnosis in the steady state, as well as time-frequency techniques, which allow fault diagnosis under transient regime conditions at high computational cost. For the validation of the presented modeling techniques and diagnostic technique, a versatile test bench has been implemented. This test bench allows to reproduce any operating condition of the machine. / Terrón Santiago, C. (2022). Desarrollo e implementación de un banco de ensayos virtual de aerogeneradores para diferentes regímenes de funcionamiento y condiciones de fallo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183782 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La Unión Europea plantea una serie de retos en el GREEN DEAL para conseguir un escenario donde sus miembros sean climáticamente neutros en 2050. Para ello se plantean unas acciones entre las que destaca la descarbonización del sector de la energía. Por otra parte, se ha puesto como objetivo conseguir una capacidad de energía eólica de 1200 GW en 2050, desde los 190 GW que se tenía en 2019. El cierre de centrales eléctricas basadas en grandes generadores síncronos junto con el aumento en la construcción de centrales eléctricas con fuentes basadas en electrónica de potencia como parques eólicos o plantas fotovoltaicas, hace necesario la incorporación de controladores grid forming en energías renovables basadas en electrónica de potencia. La integración de estrategias de control grid forming en turbinas eólicas debe considerar las funciones de reparto de potencia activa y reactiva (control droop en generadores síncronos), así como un sistema de protección ante faltas que permita una recuperación rápida cuando se despeja la falta. Por otra parte, en la transición de los actuales parques eólicos grid following que funcionan como fuentes de corriente a parques eólicos grid forming que funcionan como fuentes de tensión se debe considerar que ambas tecnologías van a coexistir conjuntamente por mucho tiempo. Por tanto, se hace necesario el estudio de estabilidad de parques eólicos con ambas tecnologías, así como el estudio de cuanta generación grid forming es necesaria para mantener el parque eólico estable en cualquier situación. Además, el uso de parques eólicos grid foming permite diferentes aplicaciones como la energización de redes eléctricas después de un apagón desde estos parques eólicos, o el uso de diodos rectificadores en enlaces HVDC para la conexión de parques eólicos marinos. Para facilitar el estudio y diseño de aerogeneradores grid forming, en la presente tesis se propone una técnica de agregación de aerogeneradores tipo-4. Esta técnica permite reducir la complejidad del parque eólico para su estudio y análisis. Esta tesis incluye las siguientes contribuciones: Para el funcionamiento de aerogeneradores grid forming en paralelo con aerogeneradores grid following se propone un método de diseño analizando la estabilidad del sistema completo. Además, se propone una estrategia de control ante faltas para asegurar una recuperación rápida y segura. Se propone el uso de técnicas de control H∞ para la sintonización de controladores grid forming. El uso de estas técnicas para el diseño de controladores puede mejorar la robustez de los controladores, así como el rendimiento de estos. Considerando la aplicación de la energización de redes HVAC desde parques eólicos, se ha propuesto como llevar a cabo dicha maniobra a partir de parque con aerogeneradores grid forming y grid following. Los resultados obtenidos validan el funcionamiento de la operación. Además, muestran que la cantidad de generación grid forming está relacionada con la dimensión de cargas que tienen que aguantar dichas turbinas más que con la estabilidad del sistema con un porcentaje bajo de generación grid forming. Finalmente, se han propuesto estrategias de protección para la integración de parque eólicos en redes malladas HVDC utilizando rectificadores de diodos. Los parques eólicos grid forming pueden ayudar a gestionar faltas disminuyendo los requisitos en las protecciones necesarias en el enlace HVDC. Esto permite una reducción del coste de la instalación, además de aumentar la robustez del sistema. / [CA] La Unió Europea planteja uns reptes al GREEN DEAL per a aconseguir un escenario on els seus membres siguen climàticament neutrals al 2050. Per a aconseguir aquest objectiu es plantegen unes accions entre les quals destaca la de descarbonitzar el sector energètic. D'altra banda, s'ha posat com a objectiu aconseguir una capacitat d'energia eòlica de 1200 GW al 2050, des dels 190 GW que es tenia al 2019. El tancament de centrals elèctriques basades en grans generadors síncrons juntament amb l'augment en la construcció de centrals elèctriques basades en electrónica de potència com a parcs eòlics o plantes fotovoltaiques, fa necessari la incorporació de controladors grid forming en energies renovables que es basan en electrònica de potència. La integració d'estratègies de control grid forming per a turbines eòliques ha de considerar les funcions de repartiment de potència activa i reactiva, així com un sistema de protecció davant faltes que permeta una recuperació ràpida quan s'aïlla la falta. D'altra banda, en la transició dels actuals parcs eòlics grid following que funcionen com a fonts de corrent a parcs eòlics grid forming que funcionen com a fonts de tensió, s'ha de considerar que totes dues tecnologies coexistiran conjuntament per molt de temps. Per tant, es fa necessari l'estudi d'estabilitat d'un parc eòlic amb totes dues tecnologies, així com l'estudi del percentatge de generació grid forming necessari per a mantindre el parc eòlic estable en qualsevol situació. A més, l'ús de parcs eòlics grid foming permet diferents aplicacions com l'energització de xarxes elèctriques després d'una apagada des d'aquests parcs eòlics, o l'ús de díodes rectificadors en enllaços HVDC per a la connexió de parcs eòlics marins. Per a facilitar l'estudi i disseny d'aerogeneradors grid forming, en la present tesi es proposa una tècnica d'agregació d'aerogeneradors tipus-4. Aquesta técnica permet reduir la complexitat del parc eòlic per al seu estudi i anàlisi. La present tesi inclou les següents contribucions: Per al funcionament d'aerogeneradors grid forming en paral¿lel amb aerogeneradors grid following es proposa un mètode de disseny analitzant l'estabilitat del sistema complet. A més, es proposa una estratègia de control davant faltes per a assegurar una recuperació ràpida i segura. Es proposa l'ús de tècniques de control H∞ per a la sintonització de controladors grid forming. L'ús d'aquestes tècniques per al disseny de controladors pot millorar la robustesa dels controladors, a mé del rendiment d'aquestos. Considerant l'aplicació de l'energització de xarxes HVAC des de parcs eòlics, s'ha proposat com dur a terme aquesta maniobra a partir d'un parc eòlic amb aerogeneradors grid forming i grid following. Els resultats obtinguts validen el funcionament de l'operació. A més, mostren que la quantitat de generació grid forming està més relacionada amb la dimensió de les càrregues que ha d'aguantar el parc eòlic, que amb l'estabilitat del sistema que permet un menr percentatge de generació grid forming. Finalment, s'han proposat estratègies de protecció per a la integració de parcs eòlics marins en xarxes multi-punt HVDC utilitzant rectificadors de díodes. Els parcs eòlics grid forming poden ajudar a gestionar faltes disminuint els requisits de les proteccions necessàries en l'enllaç HVDC. Això permet una reducció del cost de la instal¿lació, a més d'augmentar la robustesa del sistema. / [EN] The European Union GREEN DEAL aims to make its 27 members climate-neutral by 2050. The decarbonization of the energy sector stands out as one of the proposed actions. To achieve that goal, the target for wind power generation is set at 1,200 GW in 2050, from the 190 GW that was had in 2019. The closure of power plants based on large synchronous generators and the increase of power electronics based generation such as Wind Power Plants (WPPs) or photovoltaic plants, leads to the use of grid forming controllers for power electronics based renewable energy. Grid forming control strategies for wind turbines generators (WTGs) must consider active and reactive power sharing control (droop control in synchronous generators) as well as a protection system that allows a quick recovery after fault clearance. Moreover, a transition from the conventional grid following WPPs to new grid forming WPPs is required. The transition must consider the parallel operation of both technologies for a long time. Thus, it is necessary to study the stability of Wind Power Plants with both technologies, as well as the study of how much grid forming generation is required to keep a mixed grid forming and grid following WPP stable in any situation. In addition, the use of grid forming WPPs allows different applications such as the energization of HVAC and HVDC grids after a blackout from these WPPs, or the use of diode rectifiers in HVDC links for the off-shore WPPs connection. An aggregation technique for type-4 WTGs has been proposed in this thesis in order to facilitate the study and design of grid forming WPPs. The aggregation technique allows to reduce the WPP complexity for its study and analysis. The main contributions of this theses are: A design methodology has been proposed for the parallel operation of grid forming and grid following WTGs. Including the stability analysis of the complete system. Additionally, a fault control strategy is proposed to ensure a fast and safe recovery. The use of H∞ control techniques is also proposed for grid forming controller tuning. Using H∞ control techniques for controller design may improve the robustness of the controllers as well as the performance of the controllers. A procedure to carry out black start operation of HVAC grid from mixed grid forming and grid following WPPs has been proposed. The obtained results validate that the procedure works as expected. Moreover, the results show that the amount of grid-forming generation usually is determined by the load size steps as stability limits are usually less stringent. Finally, protection strategies have been proposed for the integration of off-shore WWPs in multi-terminal HVDC grids using diode rectifiers. Grid forming WPPs are able to help managing faults. Their use allow lower requirements of the HVDC protection equipment, leading to overall cost reduction and an increment of the system robustness. / Martínez Turégano, J. (2022). Grid Forming Wind Power Plants: Black start operation for HVAC grids and Diode Rectifier-based Wind Power Plant integration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181529 / TESIS / Compendio