Contribuciones al control multiobjetivo de aerogeneradores para eficiencia energética y reducción de cargas estructurales

Abstract

Desde hace varios años, la Unión Europea está dedicando considerables esfuerzos a disminuir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero dada la preocupación por los riesgos del cambio climático. Teniendo en cuenta que cerca del 30% de estas emisiones generadas por el hombre son debidas a la producción de electricidad, hoy día hay un gran impulso de las energías renovables, donde la eólica tiene un papel protagonista al ser una de las fuentes que ha experimentado un mayor crecimiento en las últimas décadas. Para que esta energía sea más competitiva es necesario reducir sus costes de producción y mantenimiento. Desde el punto de vista de control, esto se puede conseguir haciendo funcionar los aerogeneradores con una mayor eficiencia en la generación de energía capturada del viento y mejorando su fiabilidad y vida útil mediante la reducción de las diferentes cargas estructurales a las que se ven sometidos. Obtener mayor energía y reducir vibraciones en las estructuras pueden ser objetivos contrapuestos por lo que es difícil desarrollar algoritmos de control que garanticen ambas metas. Además, el hecho de que los aerogeneradores sean sistemas no lineales con múltiples salidas a controlar y sometidos a una perturbación intermitente y variable en dirección y magnitud como el viento, dificulta aún más el diseño de tales sistemas de control. Contribuciones a la mejora del control de estos sistemas supone un alto impacto tanto económico como medioambiental, por lo que estos temas no solo despiertan gran interés en la literatura especializada, sino que, además, son de gran importancia para la sociedad. Esta tesis doctoral, formada como compendio de cuatro publicaciones, investiga el diseño de controladores multivariables multiobjetivo aplicados en aerogeneradores de eje horizontal y tres palas con estructura monopilote operando en la región nominal y cuyo propósito es conseguir una mayor eficiencia energética y reducir diferentes cargas estructurales. El ajuste de los parámetros de los esquemas de control propuestos se trata como un problema de optimización multiobjetivo que se resuelve mediante algoritmos genéticos, los cuales permiten identificar de manera precisa frentes de Pareto independientemente de los objetivos y las funciones de restricción establecidas. A través de los frentes de Pareto calculados se obtienen diferentes soluciones óptimas de los parámetros de los controladores. Estas soluciones se analizan utilizando métodos de toma de decisiones multicriterio para evaluar las diferentes alternativas con el fin de obtener la solución óptima más satisfactoria. El procedimiento de optimización sigue un enfoque basado en múltiples simulaciones realizadas con la combinación de MATLAB/Simulink, donde se implementan los controladores, y FAST u OpenFAST, donde se simulan los modelos no lineales de la turbina eólica y las condiciones de viento y olas.