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ENERGÍA EÓLICA
TEORÍA Y CONCEPTOS
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Investigador Titular “A”
INSTITUTO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE LA UNAM
CAPEV 15 - 2013
11 de septiembre de 2013
Temixco, Morelos, MÉXICO
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Contenido de la presentación
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Conceptos básicos de potencia eléctrica
Transformadores
Máquinas eléctricas
Convertidores de potencia
Equipo eléctrico auxiliar
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Electrónica de potencia moderna y sistemas conversores
Muchos tipos de turbinas de viento, tales como sistemas de turbina de viento de
velocidad variable, utilizan sistemas electrónicos de potencia como interfaces.
Dado que la turbina eólica funciona a la velocidad de rotación variable, la
frecuencia eléctrica del generador varía y por lo tanto, debe ser disociada de la
frecuencia de la red. Esto puede lograrse mediante un sistema de convertidor de
electrónica de potencia. Incluso en un sistema de velocidad fija donde las turbinas
de viento se pueden conectar directamente a la red, se utilizan tiristores como
sistemas para que su interconexión a la red no sea brusca.
La electrónica de potencia ha cambiado rápidamente durante los últimos 30 años y
ha aumentado el número de aplicaciones, debido principalmente a los avances de
dispositivos semiconductores y la tecnología de microprocesadores. Para ambos
casos, un mayor rendimiento recibe constantemente para la misma área de silicio,
y al mismo tiempo continuamente está cayendo el precio de los dispositivos. Son
tres cuestiones que son de interés en el uso de un sistema electrónica de potencia:
fiabilidad, eficiencia y costo. En este momento el costo de dispositivos
semiconductores de potencia está disminuyendo a 2-5% cada año para el mismo
rendimiento de salida.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
El único dispositivo de alimentación que ya no está en desarrollo (Fig. 2.1) es el
transistor bipolar basado en el silicio debido a que los dispositivos MOS-gated son
preferibles en el sentido de fácil control. La tensión o la actual capacidad de
transporte de los componentes también continuamente está aumentando.
Además, importantes avances de investigación está ocurriendo para cambiar el
material de silicio a carburo de silicio. Esto puede aumentar drásticamente la
densidad de potencia de convertidores de potencia, pero transistores de carburo
de silicio basado sobre una base comercial, con un precio competitivo, aún tardará
algunos años para aparecer en el mercado.
Generación
eléctrica de los aerogeneradores
Aspectos eléctricos
Generador
Conexión con tiristores a carga completa
Generador
Configuración con tiristores para suavizar la conexión
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Convertidores electrónicos de potencia son construidos por dispositivos
electrónica de potencia, para manejo, protección y circuitos de control. Un
convertidor, dependiendo de la topología y la aplicación, puede permitir ambas
direcciones de flujo de potencia y puede funcionar como interfaz entre el
generador, la carga y la red eléctrica. Hay dos tipos diferentes de convertidores :
grid commutated y self commutated converter systems. El grid commutated
converters son principalmente tiristor convertidores, de pulso de 6 o 12 o más.
Este tipo de convertidor produce armónicos de entero que en general requiere de
filtros de armónicos. Los tiristores no son capaces de controlar la potencia reactiva
y consumen energía reactiva inductiva.
Self commutated converter systems son convertidores principalmente de ancho de
pulso modulado (PWM), donde IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) son
ampliamente utiulizados. Este tipo de convertidor puede controlar tanto la
potencia activa como la potencia reactiva. Eso significa que la demanda de
potencia reactiva puede ser entregada por un PWM-converter. La conmutación de
alta frecuencia de un convertidor PWM puede producir armónicos y interarmonics. En general estos armónicos están en el rango de algunos kHz. Debido a
las frecuencias altas, los armónicos son relativamente fáciles de ser eliminado por
filtros de pequeño tamaño.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
La figura 2.2 muestra un convertidor de potencia electrónico típico, se compone
de semiconductores tales comoIGBTs.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
En la
figura 2.3
muestra las formas de
onda de los diferentes
modos de operación.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Sistema Eléctrico
El sistema eléctrico de un aerogenerador incluye todos los componentes para
convertir energía mecánica en energía eléctrica así como los elementos auxiliares
eléctricos y todo el sistema de control. Junto al tren mecánico, el sistema eléctrico,
por tanto, constituye el segundo subsistema esencial en una turbina de viento.
En una turbina de viento, el convertidor de energía mecánica a eléctrica, es el
generador, como en una planta de energía convencional, es el punto focal para
todos los componentes anteriores en la cadena funcional (figura 9.1). Sus
propiedades características son las más importantes para una turbina de viento.
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En principio, una turbina de viento para la generación de energía eléctrica puede
ser equipada con cualquier tipo de generador. Para que la demanda de corriente
eléctrica de la red sea compatible se pueden utilizar inversores, incluso si es un
generador de corriente alterna, o de corriente directa.
Generadores de corriente directa tienen la ventaja de ser operables a velocidades
variables. Generadores de corriente directa de alta potencia no son usados
comúnmente hoy en día. Las razones tales como un conmutador de alto
mantenimiento y su relativamente alto costo. Turbinas de viento muy pequeñas
que sólo se utilizan para recargar baterías son de las pocas aplicaciones que
continúan con la generación de corriente directa. Sin embargo, no son aptas para
turbinas de viento más grandes. Turbinas de viento actual, por lo tanto, tienen
generadores de tres fases AC, o alternadores, similares a los utilizados en plantas
de energía convencionales.
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Generador síncrono y asíncrono
Desde el punto de vista de su principio físico de operación, las máquinas de
tres fases pueden ser construidas como generadores síncronos o asíncronos (o
inducción). Ambos equipos tienen el mismo diseño básico con respecto al
devanado de tres fases del estator. La diferencia radica en la manera en que el
campo eléctrico es generado en el rotor.
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Generador síncrono
Máquinas sincrónicas eléctricas tienen un rotor que está excitado con corriente
directa a través de aros de deslizamiento (figura 9.2). Una tensión alterna se genera
en la operación como generador o bien aplicado a energía eléctrica al estator se
tiene un funcionamiento como de motor. Las corrientes que fluyen en el estator
devanado y tienen frecuencia f y generan el campo llamados de armadura. El
devanado del rotor, a través del cual fluye la corriente directa, genera el campo de
excitación, que está girando a velocidad síncrona. La velocidad de la máquina
síncrona está determinada por la frecuencia del campo giratorio y el número de
pares de polos del rotor. La velocidad n del rotor de una máquina sincrónica es:
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Los
generadores
sincrónicos
se
construyen como máquinas de rotor
cilíndrico
o
como
Polo-saliente.
Generadores de rotor cilíndrico con sólo
unos cuantos pares de polos y un rotor
con un diámetro pequeño son
adecuados para altas velocidades de
rotación. En grandes plantas de energía
se utilizan como generadores de
turbina, impulsados por turbinas de
vapor a una velocidad de 1000 a 3000
rpm. Máquinas de Polo-saliente, con un
mayor número de pares de Polo y
proporcionalmente mayor diámetro, son
utilizados
en
combinación
con
hidroturbinas en 60 a 750 rpm, (40
pares de Polo son necesarios). En
aerogeneradores de eje horizontal,
máquinas de polo-saliente se utilizan
como una regla (fig. 9.3).
Para la frecuencia de la red europea
de 50 Hz, se obtiene una velocidad de
1500 revoluciones con dos pares de
Polo. En los Estados Unidos con una
red de 60 Hz, la velocidad de rotación
es revoluciones de 1800.
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La dirección de rotación y la velocidad del rotor de una máquina síncrona están
siempre sincrónicos con la rotación del campo giratorio del estator. Así, no es
ningún movimiento relativo (deslizamiento) entre la velocidad del rotor y la
velocidad síncrona del campo giratorio del estator. En su lugar, el rotor se gira hacia
adelante o hacia atrás, en comparación a su posición de ralentí, por el ángulo de
carga llamado (ángulo de desplazamiento de rotor), cuando entra o sale potencia
mecánica. El tamaño del ángulo de carga una medida del nivel de carga. Cuando la
energía es liberada (se tiene operación de generador) y tiene un valor positivo, y
cuando se consume energía tiene un valor negativo (funcionamiento de motor)
(fig. 9.4). El ángulo de carga es equivalente al tiempo de entrega o retraso de la
tensión de la red en comparación con la tensión del rotor.
La característica de par de una máquina sincrónica está representada como una
función del ángulo de carga. Un punto de funcionamiento estable sólo es posible
en si ϑ = −180◦ to +180◦. El par más alto (par de extracción) se alcanza a ϑ = 90◦. De
acuerdo con el estándar VDE (Asociación de alemán ingenieros eléctricos), el punto
de funcionamiento nominal debe ser a ϑ = 30◦. Normalmente, el par de extracción
tiene dos veces el valor del par nominal. La característica de par puede verse
influenciada de manera limitada, variando la tensión de la excitación del rotor.
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La eficiencia de máquinas sincrónicas es generalmente mayor que en máquinas de
inducción. En la práctica, esta diferencia es relativamente pequeña (1 a 2%), al
menos en grandes máquinas. La eficiencia aumenta como aumenta la potencia,
como ocurre en otras máquinas. La eficacia en función de la carga es de particular
interés con respecto a su uso en turbinas de viento (fig. 9.5).
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Junto a la eficiencia, la masa del generador es de importancia para el diseñador,
particularmente en aerogeneradores de eje horizontal, donde el generador se
encuentra a la cabeza de la torre. La masa del generador está influida
considerablemente por el nivel de velocidad a una determinada potencia nominal
(fig. 9,6). Cuanto más rápido se gira el generador, es más ligero y, como regla
general, es más rentable. Con respecto a su aplicación en una turbina de viento, sin
embargo, esto no, implica que un generador de rotación tan rápido como sea
posible es la solución más económica. Un generador de velocidad alta hace que la
complejidad y el costo de la caja de engranes aumente. La tarea es encontrar la
combinación óptima de generador y la relación de transmisión.
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En la máquina de inducción (o máquina asincrónica), un campo eléctrico es
inducido por un movimiento relativo (deslizamiento) entre el rotor y el campo
giratorio del estator que produce un voltaje a través del rotor. La interacción del
campo magnético asociado del rotor con el campo del estator da como resultado el
par actuando sobre el rotor (fig. 9,7).
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El rotor de un generador de inducción puede ser diseñado como un rotor jaula de
ardilla o con anillos de deslizamiento adicionales (fig. 9,8). El rotor de anillo
deslizante permite que el rotor pueda ser excitado exteriormente. Cambiando la
resistencia eléctrica en el circuito de rotor, puede alcanzar una mayor
deslizamiento y con ello una gama amplia de velocidades para el acoplamiento
directo a una red eléctrica de frecuencia fija. Si se utiliza un inversor en el circuito
de rotor, es posible lograr la operación de velocidad variable en operación paralela
de la red.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Un hecho importante para el funcionamiento de una máquina de inducción en el
modo de generador es que el rotor debe ser alimentado con una corriente de
magnetización para la generación y el mantenimiento de su campo magnético. Esta
demanda de potencia reactiva depende de la potencia activa. En paralelo a la
operación de la red, se puede tomar la potencia reactiva de la misma red. En
operación de aislamiento o no conectado a la red, se debe proporcionar
compensación del factor de potencia de la forma de condensadores. La velocidad
síncrona del rotor de un generador de inducción depende de la frecuencia de la
red y el número de pares de polo:
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Para dos polos pares, utilizados con frecuencia, se tiene una velocidad síncrona de
1500 rpm y se tiene una frecuencia de f = 50 Hz. Considerando que una red de 60
Hz (como en los Estados Unidos) se requiere una velocidad de generador de 1800
rpm. En el funcionamiento del motor, la velocidad del rotor mecánica es unos
pocos por ciento por debajo de este valor y en la operación de generador es de
unos pocos por ciento por encima de éste, debido al deslizamiento.
El deslizamiento s es de:
La velocidad del rotor es de:
El par de la máquina asincrónica es una función del deslizamiento. En
consecuencia, su par se especifica como la dependencia del deslizamiento (fig.
9,9).
Cuando el deslizamiento es s = 0 y s = ∞, la máquina no produce par, o no puede
absorber par, respectivamente. Mientras tanto, el par exhibe un máximo. Según
VDE 0530, la relación entre el par de extracción MK y par nominal MN debe ser al
menos de 1.6 en operación de red.
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La eficiencia eléctrica de los generadores de inducción es una función del
deslizamiento nominal. En turbinas más grandes en el rango de megawatts, el
deslizamiento nominal es inferior al 1 % (Fig. 9.10). La eficiencia asociada de
aproximadamente 96 a 97% no es mucho menor que en un generador sincrónico
comparable. Debido a la absorción de corriente reactiva de la red, el factor de
potencia cos ϕ es aproximadamente 0.87. Pequeños generadores de inducción en
el rango de potencia de kilovatios tienen una eficiencia mucho más pobre, con
valores proporcionalmente más altos para el deslizamiento nominal.
En contraste con una máquina de DC, es muy difícil hacer que cambie su velocidad.
Es posible influir en la velocidad dentro de un rango muy estrecho mediante el
aumento de la tensión de la terminal. Mediante la conexión de resistencias
externas el circuito de rotor, la velocidad puede variar por lo menos en una
dirección mediante el aumento de deslizamiento. Esto, sin embargo, requiere un
rotor de anillo de deslizamiento. La velocidad de rotación de un rotor de jaula de
ardilla se puede cambiar en pasos por medio de la reconexión de polos. Esto
requiere que el bobinado del estator deba contar con dos bobinas separadas con
diferentes números de pares de polos, una versión que ocasionalmente se utiliza
en generadores de inducción para turbinas de viento
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Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Criterios de evaluación para generadores eléctricos en aerogeneradores
Una breve análisis de las propiedades fundamentales de los generadores síncronos
y de inducción muestra que ambas versiones realmente pueden ser utilizado sin
problemas cuando se combinan con una unidad motriz que proporciona un par de
conducción constante a una velocidad fija. parte de simples generadores síncronos
o de inducción, sistemas de generador de velocidad variable con inversores se
utilizan cada vez más en turbinas de viento. Estos sistemas pueden aplicarse sobre
la base de cualquier tipo de generador.
Antes de examinar los diferentes sistemas eléctricos en mayor profundidad, es útil
compilar un "catálogo" de criterios de evaluación que puede utilizarse para evaluar
los diferentes sistemas de generador en el contexto de las diferentes condiciones
de funcionamiento, por ejemplo, en paralelo con la red a o en aislamiento no
conectados.
Los criterios de evaluación más importantes que se aplican a los generadores
eléctricos o sistemas de generación con respecto a su idoneidad para el uso en
aerogeneradores pueden resumirse a través de las siguientes características:
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Acoplar directamente el generador a la frecuencia fija de red fuerza al generador a
presentar una velocidad constante. Por otro lado, en el rotor de la turbina de
viento se quiere seguir las variaciones en la velocidad del viento. Entre estos está el
tren mecánico de la turbina de viento. Altas cargas dinámicas sobre los
componentes mecánicos y severas fluctuaciones en la salida de energía eléctrica
son las consecuencias.
Sólo se puede lograr la reducción de las cargas dinámicas permitiendo a la
velocidad del rotor de viento en un grado de libertad con respecto a la frecuencia
de la red, independientemente de cómo esto se realiza, mecánica o
electricamente. Una pregunta decisiva es qué cantidad de la variabilidad de la
velocidad se requiere para decisivamente reducir el nivel de carga dinámica.
Responder a esta pregunta requiere el examen de toda una serie de propiedades
del sistema de la turbina de viento, tales como el diseño de rotor aerodinámico,
control de ángulo de paso, si está disponible, control del generador, por citar sólo
los más importantes.
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Rango de velocidad
Si bien es cierto que una elasticidad de velocidad de 2 a 3% es suficiente para
reducir claramente las cargas dinámicas, esto no es suficiente para obtener la
variabilidad de la velocidad en el sentido de que una operación orientada al viento
requiere un rango de velocidad de aproximadamente 40 a 100% de la velocidad
nominal. Un rango de velocidad de esta medida sólo se puede lograr con un
generador de velocidad variable y un inversor. Sin embargo, los costos de inversor y
la disminución de la eficiencia son factores a considerar.
Control
Aparte de control de potencia de salida, por ángulo de paso, también es
conveniente disponer de un segundo control en la parte eléctrica. Si es posible
influir en el par del generador, un modo de velocidad variable de operación del
rotor puede implementarse en operación paralela de la red.
Los sistemas de velocidad variable controlados generador/inversor suavizan casi
completamente la salida de energía eléctrica dentro de los límites de velocidad
dada.
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Simulaciones por ordenador, así como valores empíricos de funcionamiento
práctico sugieren que con una velocidad "elasticidad" de sólo 2% al 3%, se puede
lograr una mejora duradera.
Aparte de la acoplamiento de velocidad, el comportamiento dinámico de la red
también está influenciado por la amortiguación de cualquier fluctuación de
velocidad del generador sobre la frecuencia de la red. Generadores de inducción
tienen características de amortiguación mucho mejores que los generadores
sincrónicos. Son, por lo tanto, también dinámicamente menos problemática con
respecto a su respuesta oscilatoria, aparte de la velocidad desplazamiento. En el
caso donde se utiliza un generador sincrónico, es necesario un dispositivo
mecánico adicional en el tren mecánico, por ejemplo un afluido de acoplamiento.
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Potencia reactiva
El requisito de potencia reactiva del sistema generador es un tema central
principalmente en operación aislada, evitando el uso de un generador de
inducción, por regla general. En operación en paralelo a la red, las características
de potencia reactiva no pueden dejarse fuera de consideración, al menos en el
caso de las grandes turbinas o de un gran número de turbinas. Los servicios
públicos cobran altos pagos por el suministro de potencia reactiva a la red. Con los
generadores de inducción se debe compensar el consumo de potencia reactiva
mediante la conexión de condensadores. En generadores sincrónicos el factor de
potencia "cos ϕ“, pueden ser controlados por la regulación de la tensión en los
terminales. En el caso de los sistemas de generador con el inversor, el requisito de
potencia reactiva del inversor debe tenerse en cuenta.
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Perturbaciones de red
Incluso la potencia reactiva de la red representa una perturbación indeseable.
Además, deben tenerse en cuenta otras interferencias con la red. Entre ellos se
encuentran las altas corrientes cuando se está conectado un generador de
inducción, o armónicos en la corriente que se alimenta de la red. Armónicos como
estos pueden ser generados en pequeña medida por el generador mismo, pero en
mucho mayor medida están asociados con el uso de convertidores estáticos. Las
señales de alta frecuencia pueden interferir con los sistemas de control de rizo en
las red interconectadas. Sin embargo, ellos pueden ser filtradas más fácilmente que
las oscilaciones de baja frecuencia. La carga de armónicos en la red fue un criterio
de evaluación al menos para algunos de los sistemas de generador de velocidad
variable con inversores antiguos. Inversores modernos generan una corriente
alterna que está casi completamente libre de armónicos.
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Synchronisation
Sincronizar el generador con la red presenta problemas totalmente diferentes para
los dos diseños de generador. Sincronizar un generador sincrónico con la red
plantea dificultades considerables para una turbina de viento. En la práctica, sólo
se puede hacer mediante un inversor adicional o elasticidad de velocidad y
amortiguación en el tren motriz. Generadores de inducción, están conectados a la
red por medio de un arreglo de "conexión suave" utilizando tiristores. El objetivo
es reducir los llamados “switch-on transient”. Es, sin embargo, mucho más fáciles
de conectar generadores de inducción a la red.
Desconexión de carga
Una desconexión repentina de carga, por ejemplo debido a un fallo de la red o una
falla eléctrica, siempre es un momento crítico para una turbina de viento. La
pérdida del generador par requiere una acción inmediata de los sistemas de freno
de rotor con el fin de evitar que el rotor se “desboque”.
Es relativamente fácil de implementar un "freno eléctrico" en un generador
sincrónico. Tras la falla de la red, la turbina eólica simplemente debe conmutarse a
una resistencia óhmica. En principio, esto también es posible con generadores de
inducción, pero entonces la corriente magnetizante del rotor se debe mantener,
por ejemplo, por medio de retroalimentación del rotorfeed. Esto es mucho más
complicado conseguir y por lo tanto, no se hace en la mayoría de los casos.
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Eficiencia
La diferencia en la eficiencia eléctrica de generadores sincrónicos y generadores de
inducción es pequeña, al menos cuando el deslizamiento nominal de los
generadores de inducción es pequeño. La discusión de la eficiencia eléctrica, por lo
tanto, se centra en la cuestión de cómo la eficacia de los sistemas de velocidad
variable generador/inversor está relacionada con el acoplamiento directo de la red
de los generadores.
Hasta hace poco, sólo era posible construir sistemas de inversor con relativamente
poca eficiencia. Electrónica de potencia moderna, sin embargo, ha cambiado esta
situación en los últimos diez años.
Si la eficiencia global del sistema esta compuesta entonces por la eficiencia
aerodinámica del rotor, la eficiencia mecánica del tren motriz que incluye la caja de
engranes en su caso, los acoplamientos entre partes mecánicas y eléctricas, la
eficiencia de los sistema de control de carga eléctrica y el sistema de orientación
del aerogenerador.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
En los últimos años, se ha
desarrollado
aún
más
y
simplificado el generador de
inducción doblemente alimentado.
Hoy en día, se ofrece como sistema
generador estándar y se utiliza en
muchos aerogeneradores grandes
(fig. 9.24).
I
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Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Generador
un alternador síncrono de producción en serie con una tensión de salida de 690 Volt
El alternador de 4 polos tiene una velocidad nominal de 1500 rpm.
Inversor
El inversor con enlace de AC-DC-AC también consta de componentes estándar, pero
con arreglo especializado. El rectificador está en la góndola y el inversor está en la
base de la torre.
Control y supervisión del sistema
Las funciones de control para el control de potencia, velocidad y los sistemas de
control y monitoreo de operación se combinan en una unidad de control
centralizada. Además, el sistema de generador/inversor tiene un sistema de control
interno que está integrado en el inversor.
Fuente de alimentación para el sistema de control
Las funciones de instrumentación y control requieren un suministro de voltaje de
control de DC (24 V).
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Distribución de media tensión para los servicios auxiliares
La alimentación eléctrica para las numerosas unidades auxiliares como bombas,
actuadores, etc. requiere su propio sistema de suministro a nivel de bajo voltaje,
220/400 V (110/400 V).
Transmisión de potencia
En la turbinas actuales, cables de torsión flexibles libremente suspendidos se
utilizan en la zona superior de la torre. Ángulos de torsión de hasta 500 o 600
grados son utilizados. Sin embargo, por razones de seguridad, un conmutador
automático de "untwisting" es necesario cuando se alcanza el límite permisible de
ángulo.
Transformador
La mayoría de los aerogeneradores comerciales de hoy en día tienen su propio
transformador eléctrico que cambia el voltaje de salida del generador de (690 V o 6
kV) a nivel de media tensión (20 kV).El transformador se aloja en la base de la torre
o en la góndola.
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Compensación de potencia reactiva
En turbinas de viento con generadores de inducción, potencia reactiva debe ser
compensada de conformidad con los requisitos del generador. Esto requiere la
prestación de los condensadores correspondientes en el sistema eléctrico. Además,
el inversor emite armónicos que deben ser filtrados.
Dispositivos de seguridad eléctrica y protección de relámpago
Los dispositivos de seguridad eléctrica incluyen principalmente el sistema de
protección de relámpago, las luces de advertencia para aviones y un sistema de
detección de incendios. Como el tamaño de las turbinas de viento se ha
incrementado, un sistema de protección antirrayos se considera indispensable y
esto se asocia con una importante instalación eléctrica.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Los aerogeneradores están sujetos a diversas cargas mecánicas. El efecto de la
torre, el efecto de distorsión del viento, el efecto giroscópico y el impacto de las
variaciones de velocidad de viento repentino ponen cargas de fatiga alta en la
turbina y en el tren motriz. La turbina debe ser bien diseñada para estas cargas.
La mayoría de las investigaciones sobre el diseño de la turbina se centra en la
estimación de las cargas en el lado del tren motriz de la turbina. Pero también en
el lado de generador del tren motriz son posibles fuentes para presentar pares de
torsión fluctuantes debido al hecho de que el par electromagnético del generador
es función del tipo de generador, y más o menos dependiente de la voltaje y la
frecuencia de la red. La calidad de la potencia se deteriora, por ejemplo, por las
fluctuaciones de voltaje o caídas de tensión, que puede llevar a fluctuaciones de
torques electromagnético, causando fuertes cargas en el tren motriz. Cabe señalar
que, hasta hace poco, la turbinas de viento eran considerados como 'cargas
negativas", es decir, como dispositivos de producción de energía, pero que no eran
suministrados por el operador de la red. La turbina puede ser conectada o
desconectada, de acuerdo con sus propias necesidades. Esto permite fáciles
protocolos de seguridad, tales como la desconexión automática en caso de una
perturbación de voltaje de red, a fin de evitar que la turbina presente exceso de
velocidad o de otros comportamientos inestables.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Sin embargo, como la cantidad relativa de energía eólica en algunos sistemas de
energía (por ejemplo, Dinamarca, Alemania, España) aumentó drásticamente en la
última década, los operadores del sistema de la red eléctrica han emitido requisitos
de conexión, especificando cuantitativamente las circunstancias en que una
turbina de viento está permitida para desconectarse (por ejemplo, la duración de
un interrupción de voltaje) e integrase al red (incremento de potencia reactiva).
Estas circunstancias tienden a ser bastante graves. La perturbación causanda por la
desconexión o conexión de varios 100 MW de energía eólica en la tensión
conduciría a una amplia falla de la red.
Por lo tanto una turbina eólica y la granja eólica en su totalidad debe ser capaz de
evitar un mal funcionamiento de la red eléctrica por variaciones de volta, potencia
reactiva, variaciones de frecuencia, entre otros. La turbina deberá asimismo
contribuir a la operación de la red de alimentación para mejorar la calidad de la
energía, mediante el suministro de servicios auxiliares.
Para el diseño mecánico de un aerogenerador, Esto implica que puede tener que
hacer frente a las fluctuaciones de la severas del par, tienen su origen en el lado del
generador del tren motriz, con la obligación de permanecer en operación. Hasta
ahora, se ha hecho mucha investigación para evaluar las cargas mecánicas
originarias en el lado de turbina del tren motriz debido a las características de
velocidad del viento, aerodinámica de turbina y eigenvalores mecánicos.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Aspectos generales de los sistemas eléctricos de potencia
Se examinan brevemente algunos aspectos básicos de transporte de energía
eléctrica pertinentes para la discusión de los generadores de la turbina de viento
Three phase system
En la mayoría de los casos, la electricidad es transportado por medio sistema de
un CA de tres fases. En la figura 1 se muestra un sistema típico de tres fases. Hay
tres conductores de fase (A, B, C) y un conductor neutro (N). El sistema es
suministrado por una fuente de voltaje equilibrada de tres fases, es decir
Note that AC magnitudes are always
denoted by their RMS-value. The ratio
between a wave’s amplitude and its
RMS value is √2 for perfect sine waves.
Electrical
quantities
are
often
normalized by their rated values.
Normalized quantities are denoted by
[p.u.] (‘per unit’).
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Un sistema balanceado de tres fases de voltaje implica que|UAN| = |UBN| = |UCN|,
con una diferencia de fase de exactamente 120 ° entre ellos. La suma de los
voltajes de fase es cero. La corriente en cada fase se calcula usando la ley de Ohm,
(en la notación de fasor):
y Análogamente para las otras dos corrientes de fase. ZA, ZB y ZC, las impedancias
en cada fase, están determinadas por la naturaleza de la carga eléctrica en cada
fase: pueden ser reales o complejos. Para cargas equilibradas, éstas son iguales.
En el caso general de impedancias complejas, Hay una diferencia de fase entre el
voltaje y la corriente en una fase, usualmente denotado por‘φ’.
Para una carga equilibrada, suministrada por un sistema equilibrado de tres fases
de voltaje, la suma de las corrientes en las tres fases es cero, y el conductor
neutro en la figura 1 se puede dejar de largo como si éste condujera una
correinte ceroo.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Para los cálculos con los sistemas eléctricos de potencia, y cuando pueden
suponerse que se tienen voltajes y cargas balanceadas, es suficiente con
considerar sólo una sola fase y el conductor neutro (puede incluso haber sido
omitidos en el sistema real). Los valores calculados para las otras dos fases de las
corrientes son los mismos como en la primera fase, pero con defase de 120 ° 240°
respectivamente. La figura 2 muestra el equivalente monofásico de la figura 1. La
figura 3 se muestra un diagrama de fasor para un sistema de tres fases.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
El voltaje de la fase de un sistema es la tensión entre una fase y el conductor
neutro. El voltaje de línea es la tensión entre dos conductores de fase. Cada línea
de voltaje puede ser escrito como la diferencia entre dos voltajes de fase. Voltajes
de fase y línea difieren por un factor √3 en la amplitud y 30 ° en el ángulo de fase
(figura 4). En su mayoría, es el voltaje de línea que se denota en la placa de
identificación de equipos eléctricos de tres fases. El voltaje de línea siempre se
puede medir físicamente como la tensión entre dos conductores de fase, incluso
si el conductor neutro no está disponible.
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Potencia activa y reactiva
La potencia aparente S para un sistema de tres fases es un número complejo,
dado por:
Uf y If indican la voltaje de fase y la corriente del sistema respectivamente,
mientras Ul y II denote line voltage and line current. El símbolo * denota el
conjugado. El factor 3 (o √3) es necesario porque la potencia total es la suma de
la potencia en cada una de las tres fases. La potencia activa P y la potencia
reactiva Q son respectivamente:
Aspectos eléctricos de los aerogeneradores
Acoplamiento de punto de común y Potencia de corto circuito
Para analizar la interacción entre turbinas eólicas y la red, es importante conocer
las características del punto de acoplamiento comunes (PCC), i.e. el punto de red
en la que la instalación de energía del viento es conectada (junto con otros
usuarios de la red en esa ubicación). Jurídicamente hablado, es el punto donde las
competencias del operador de la red terminan y comienzan competencias del
operador de las turbinas eólicas.
La red, vista desde el PCC, puede ser modelada como una fuente de tensión fija en
serie con una impedancia ZGRID. El modelo equivalente monofásico se muestra en
la figura 5. La figura muestra, como ejemplo, una carga conectados en paralelo a la
turbina. Dependiendo de su comportamiento, una carga puede ser modelada
como una impedancia, una fuente de corriente (figura 5) o un modelo más
detallado. También la turbina se representa como una fuente de corriente.
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Un aspecto importante es la potencia de red en el PCC de cortocircuito. Es la
potencia aparente que podría fluir a través de un cortocircuito en el PCC (Figura
6). De acuerdo con las ecuaciones anteriores, y suponiendo que la carga y la
turbina tienen una influencia insignificante en la potencia de cortocircuito, el valor
de Ssc (para una fase) se puede escribir como:
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Se desprende (2,8) que|Ssc| es inversamente proporcional con ZGRID. El voltaje
en el PCC durante la operación normal de la red y de y la ley de Ohm se tiene:
De (2,9) se desprende que, el ZGRID menor (es decir, la mayor|Ssc|), cuanto más
baja sea la influencia de la carga y la corriente de la turbina en UPCC. Por lo tanto
la más alta potencia de corto circuito en PPC implica que variando la carga o
corrientes del aerogenerador (e.g. debido la acción de a una carga de
conmutación) causar sólo pequeños disturbios en el voltaje en el PCC, y un
usuario de red no debe temer por perturbaciones de la tensión causadas por otros
usuarios de la red en el mismo PCC. La potencia de cortocircuitar es por lo tanto,
una indicación de que tan cómo fuerte es la red. Para una determinada carga
(generador), conectado a un nodo dado, 'la robustez de la red' se define como el
la potencia de cortocircuito dividida por la potencia nominal de la carga
(generador).
En general, la potencia de cortocircuito en un determinado PCC es mayor cuando
la red tiene una mayor enmallado cerca del PCC como un enmallado crea muchos
posibles caminos paralelos para las corrientes, se reduce el ZGRID. Parques eólicos
a menudo están instalados en las zonas rurales o en alta mar, requiriendo una sola
line de potencia lejos del enmallado de red. Esto incrementa el ZGRID y disminuye
la robustez de la red.
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Por lo tanto, es importante que las turbinas de viento sean capaces de controlar su
corriente generada hasta un cierto grado, a fin de causar menos perturbaciones
de la red y mantener a una constante «calidad de potencia» y también a ser
menos sensibles a las perturbaciones de voltaje externos de la red.
La fuente de tensión ideal proporciona una tensión perfectamente equilibrada en
las tres fases, una onda sinusoidal con frecuencia y magnitud constante. Cuando
no se cumplen estas condiciones, se dice que la 'calidad de la potencia' de la red
está deteriorada.
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Harmonic Distortion
Distorsión armónica (figura 7) es la desviación periódica de la tensión (o corriente)
de la forma de onda sinusoidal ideal. La distorción armónica se produce cuando las
frecuencias de múltiplos enteros de la frecuencia fundamental se agregan a la
tensión fundamental (o corriente) en forma de onda. La distorsión armónica puede
ser causada por la electrónica de potencia en dispositivos tales como
rectificadores, variadores de velocidad y otros. Puede llevar a un mal
funcionamiento de equipos y de calentamiento excesivo de motores,
transformadores y cables.
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Voltage Unbalance
Desequilibrio de voltaje (figura 8) es la diferencia en la fase a neutro o
magnitudes de fase a fase de voltaje o ángulos de fase del sistema de las tres
fases. Una de las principales causas de tensión desequilibrio es la distribución
desigual de cargas monofásicas, que puede cambiar continuamente a través de
un sistema de distribución de tres fases.
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Transitorios
Los transitorios (figura 9) son las desviaciones súbitas y significativas de tensión
normal o de los niveles de carga, suelen tener una duración corta (μs o ms). Que
normalmente son causados por descargas electrostáticas, rayos, entre otros.
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Voltage Dips and Swells
A voltage dip (Figure 10) is a decrease in voltage values for a short duration.
Causes of voltage dips are short circuits on the electric power system and motor
starting. Voltage dips may be further classified according to the depth of the dip
and the occurrence of the dip in one, two or three phases.
A voltage swell (Figure 11) is an increase in voltage values for a short duration.
Voltage swells lasting longer than a certain time duration, e.g. two minutes, are
classified as overvoltages. Voltage swells and overvoltages are commonly caused
by large load changes and power-line switching.
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Frequency Variations
Normal utility power in Europe is supplied at 50 Hz. In large interconnected utility
systems such as the European one, the frequency is extremely stable and
deviations are seldom a problem. However, in smaller power systems, especially
those supplied by on-site generators, frequency deviations (Figure 12) can cause
equipment to malfunction: it may affect the behaviour of frequency-steered
power electronic devices and clocks.
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Flicker
El parpadeo (figura 13) consiste en cambios de amplitud de voltaje periódicos
pequeños, que se producen en las frecuencias entre 0.5 Hz y 25 Hz. Es causada por
cargas fluctuantes o generadores fluctuantes, como turbinas de viento. Especialmente
el «efecto de la torre» en turbinas de viento crea una la ligera disminución en la par
mecánico (y, por lo tanto, producción de energía) cada vez que una de las palas pasa al
frente de la torre. Parpadeo es rara vez perjudicial para equipos electrónicos, pero es
molesto porque causa cambios notables en los niveles de iluminación como
relampagueo.
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Modelación de aerogeneradores en software de simulación de sistema de
alimentación
Modelos de turbina de viento generalmente consisten por lo general los siguientes
elementos:
- Modelo de velocidad del viento: principalmente utiliza una serie de tiempo de los
valores de la velocidad de viento medidos. También se pueden generar las
velocidades de viento como señales de estocásticas, basadas en una función de
densidad espectral de potencia.
- Modelo aerodinámico de la turbina: principalmente una fórmula aproximada
para el coeficiente de rendimiento CP, en función de la velocidad del viento, la
velocidad de la turbina y el diseño de la turbina. Para los modelos más detallados,
puede utilizarse el BEM (módulo Element Method).
- Modelo para el acoplamiento de eje y la caja de cambios
- Modelo de generador, que contiene las ecuaciones diferenciales de voltaje y
ecuaciones de flujo, principalmente en un marco de referencia de rotor o estátorflujo orientado (d, q), así como la ecuación de par y movimiento.
- Modelos para los dispositivos electrónica de potencia.
-Modelos para el control
-Relays de protección.
- Modelo de red: para la evaluación de la conducta de la turbina de viento, es
suficiente modelar la red como una fuente de tensión con potencia de
cortocircuito.
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