Modelado y análisis del Generador Eólico Tipo 4

Abstract

Esta Tesis de Máster presenta el modelado y análisis de un aerogenerador Tipo IV conectado a una red con inercia configurable mediante un convertidor back-to-back y un filtro L. Para mejorar la estabilidad del sistema y la gestión de potencia reactiva, se incorpora un compensador síncrono en el punto de conexión común (PCC).

El aerogenerador incluye un generador síncrono de imanes permanentes (PMSG), desacoplado completamente de la red, lo que permite un control preciso de las potencias activa y reactiva. El sistema se modela en Matlab/Simulink en el dominio del tiempo discreto y en ejes síncronos (dq), con reguladores PI para corriente, velocidad, tensión del bus de continua y potencia.

El compensador síncrono opera sin aporte mecánico, regulando la tensión mediante un regulador automático (AVR) estándar. Su inclusión mejora notablemente la capacidad de respuesta ante huecos de tensión, al inyectar la potencia reactiva necesaria y evitar la saturación de los controladores del aerogenerador.

Las simulaciones demuestran que el aerogenerador Tipo IV funciona correctamente en condiciones normales, pero puede presentar limitaciones ante perturbaciones graves. La presencia del compensador permite una recuperación de tensión más rápida y estable, especialmente en redes débiles (SCR < 3).

El modelo propuesto constituye una solución robusta y flexible para la integración de energía eólica en redes eléctricas modernas. Como líneas futuras se plantea el desarrollo de algoritmos avanzados de control, incluyendo droop control, emulación de inercia virtual y funcionalidades de grid-forming.

This Master's Thesis presents the modeling and analysis of a Type IV wind turbine generator integrated into a power system with configurable inertia. The turbine is connected to the grid via a full-scale back-to-back converter and an L-type filter. To enhance system stability and reactive power management, a synchronous compensator is added at the Point of Common Coupling (PCC).

The Type IV configuration, which includes a permanent magnet synchronous generator (PMSG), offers full decoupling from the grid and enables precise control of active and reactive power. The system is modeled in Matlab/Simulink using discrete-time domain techniques and synchronous reference frames (dq axes). Control strategies include PI regulators with anti-windup for current, speed, DC bus voltage, and power flow.

The synchronous compensator operates without mechanical input, regulating voltage through an IEEE-standard Automatic Voltage Regulator (AVR). Its inclusion significantly improves the system’s Fault Ride-Through (FRT) capability by injecting reactive power during voltage sags and preventing controller saturation.

Simulation results demonstrate that the Type IV turbine performs optimally under normal conditions but may struggle during grid faults. The addition of the compensator ensures faster and smoother voltage recovery, enhancing system resilience in weak grid scenarios (SCR < 3).

The proposed model proves to be a robust and flexible solution for integrating wind energy into modern power systems. Future work includes advanced control algorithms such as droop control, virtual inertia emulation, and grid-forming functionalities to further improve dynamic performance and grid support capabilities.