Clasificación de los aerogeneradores de
acuerdo a su operación y control
Aerogeneradores
de velocidad fija.
El generador de inducción de jaula de ardilla necesita absorber potencia reactiva
para mantener el campo magnético entre el estator y el rotor, para lo cual utiliza un
banco de capacitores.
Se utiliza un arrancador suave basado en tiristores para arrancar el sistema y no
causar perturbaciones en la red en el momento de arrancar el generador
Esta topología de máquina funciona sobre y cerca de la velocidad síncrona donde
la frecuencia es impuesta por la red eléctrica.
Este tipo de aerogeneradores están conectadas directamente a la red y es
difícil evitar una desconexión debido a la alta corriente que fluye a través del
generador durante un hueco de tensión.
Aerogeneradores de velocidad
limitada con resistencia rotórica
ajustable
el rotor del generador de inducción es de tipo bobinado con resistencia externa.
El valor de dicha resistencia se la puede controlar a través de equipos electrónicos
permitiendo que el generador sincrónico aumente su rango de velocidad sobre el 10 %.
el estator todavía se encuentra conectado directamente a la red por lo cual en el
momento que existe alguna falta en la red eléctrica el aerogenerador se
desconecta inmediatamente.
Aerogeneradores de velocidad
variable basados en máquina de
inducción doblemente alimentada
Se tiene un generador de inducción de rotor bobinado (WIRG) 2 en donde el estator está conectado
directamente a la red eléctrica mientras que el rotor está alimentado a través de un convertidor de
potencia (AC-DC-AC)
Este convertidor de potencia permite controlar la máquina en un rango de velocidad más amplio
(típicamente de -40% a + 30%) que las topologías de velocidad limitada
Utilizando el convertidor, se puede realizar un control de potencia activa y reactiva adecuado en la máquina
para optimizar la extracción de energía eólica como también de soporte de voltaje/frecuencia en la red.
El estator sigue conectado directamente a la red, el funcionamiento de este tipo de máquinas durante faltas
en la red no permite gestionar una operación adecuada
el generador necesita de anillos deslizantes, los cuales con el tiempo causan fallas de
funcionamiento de la máquina
Aerogeneradores de velocidad variable
basados en convertidor de plena
potencia
El generador a utilizarse puede ser sincrónico o de inducción de jaula de ardilla. En
cualquier de estos generadores se acopla un convertidor de potencia al estator para
conectarlo a la red. Las ventajas de utilizar este tipo de aerogenerador es que se tiene un
amplio rango de velocidades y además se puede satisfacer los requerimientos de los
operadores de red debido a que se puede controlar la potencia activa y reactiva.
Generador de inducción con rotor de jaula de
ardilla
El generador está totalmente aislado de la red, por lo que la velocidad es
totalmente controlable.
La potencia reactiva necesaria para el funcionamiento de la máquina puede
ser suministrada por el convertidor del lado de la máquina.
Uno de los principales inconvenientes es la eficiencia relativamente baja del
sistema global, teniendo en cuenta el generador, la caja multiplicadora y las
pérdidas del convertidor de potencia
Generador síncrono con rotor bobinado
(WRSG)
Consiste de un rotor de excitación de corriente continua que se conecta a la red a través
de un convertidor de potencia (AC-DC)
A través del convertidor DC, el flujo del rotor puede controlarse para diferentes propósitos:
estrategias de debilitamiento de campo para operaciones de alta velocidad, técnicas de
minimización de pérdidas, entre otras.
El control de excitación se realiza mediante un convertidor, que está situado fuera del rotor y
conectado a los devanados de la máquina comúnmente a través de anillos deslizantes
Generador síncrono con magneto permanente
(PMSG)
Este tipo de generador proviene de la idea de sustituir la excitación del rotor bobinado por
imanes, eliminando así las pérdidas de excitación. Las posibilidades de PMSG de aislarse de la
red a través del convertidor son equivalentes a la WRSG. Los rotores PMSG también pueden
construirse con un gran número de polos. Sin embargo, PMSG son más pequeños y más ligeros
cuando se incluye un gran número de polos que el equivalente WRSG, por lo tanto, esta topología
logra una mayor densidad de potencia
Generador síncrono con magneto permanente (PMSG)
Multifase.
Tiene un estator que puede tener dos o más conjuntos de bobinas trifásicas con aislamiento.
Cada estator se conecta a un convertidor de tres fases con el fin de controlar la potencia
que fluye a través de cada uno de ellos.
Estas estructuras redundantes reducen la cantidad de potencia que fluye a través de cada convertidor,
en comparación con una sola fase trifásica, disminuyendo la tensión sufrida por la electrónica de potencia.
Análisis de
aerogeneradores
Metodología de análisis
primero se considera la potencia adquirida a través de las palas del aerogenerador
luego se realiza un análisis de la máquina.
el voltaje del estator (Us) y su frecuencia angular se
mantienen constantes de acuerdo al giro del rotor.
Rs (Resistencia del estator) y Rr (Resistencia del rotor.
Xls (reactancia del estator) y Xlr (reactancia del rotor)
velocidad angular de sincronismo
El deslizamiento irá cambiando de acuerdo a
la velocidad angular según el giro del rotor que
depende de la variación del viento y es igual a:
ω es igual a la velocidad angular mecánica del aerogenerador.
pérdidas en rotor
potencia mecánica
Par de la máquina
Parques
eólicos
Clasificación de parques
eólicos
Parques eólicos terrestres.
Área
geografica
Para la instalación de parques eólicos a nivel
territorial se considera factores importantes como
la velocidad y perfil del viento, el terreno y los
obstáculos presentes.
Efecto colina
paso estrecho entre montañas causa un
aumento de velocidad de manera significativa.
Efecto túnel
Las elevaciones del terreno pueden
ocasionar un aumento de velocidad
Si la pendiente de este terreno es suave caso
contrario puede formar una zona de turbulencias
Efecto estela
Cuando el viento pasa a través de la turbina, se
produce una estela de viento bastante turbulenta que
puede afectar al próximo aerogenerador
Limitaciones
limitaciones del medio ambiente
el impacto del ruido que pueda tener
sobre poblaciones aledañas
l impacto visual.
Parques eólicos
marinos
Ventajas
Recurso eólico: el perfil de viento
presenta una velocidad más
constante y un perfil más laminar.
Área: presenta menos obstáculos físicos para la
instalación de aerogeneradores y no existe limitaciones de
espacio.
Ambiental: menor impacto visual y de
ruido.
Desventajas
Complejidad: debido a su ubicación se necesita plataformas, turbinas, cables, subestaciones, sistemas de dragado, y
obra civil más compleja que instalaciones terrestres. Además, para el mantenimiento y operación se necesita el
traslado del personal en barco o helicóptero.
Materiales: los equipos a utilizarse deben soportar las características
medioambientales como humedad y salinidad.
Costos: la instalación, operación y mantenimiento de este tipo de
parques llega a ser el doble que un parque eólico terrestre.
la instalación de parques eólicos marinos puede afectar a mamíferos marinos,
peces, pájaros y el fondo marino.
Topología de interconexiones
de parques eólicos
Radial
Los aerogeneradores se conectan en
configuración de hilo a un solo punto de
interconexión
En cada fila el número máximo de aerogeneradores que se
pueden conectar a un alimentador se determina por la
potencia de cable y la potencia nominal de los generadores.
Anillo
El sistema más simple es el que conecta entre si todos los últimos aerogeneradores
de cada fila y el más complejo es el que conecta cada punto final de cada fila con la
línea de generación.
Anillo
unilateral
Anillo
multilateral
Estrella
Se tiene un sistema colector central en donde
se conecta cada uno de los aerogeneradores.
Sistemas de transmisión
para parques eólicos.
(HVAC- High Voltage
Alternating Current
En este sistema la distancia de una turbina
a otra o la distancia de la planta eólica con
una subestación conlleva a grandes pérdidas
en los cables.
Al final de cada línea se utiliza compensadores de potencia
reactiva y así mantener el voltaje en sus valores estándar.
A mayor voltaje se puede transmitir mayor
potencia pero a una distancia limitada
HVDC- high voltaje
direct current
Las pérdidas producidas en
el sistema no dependen en
la longitud del cable.
A más de los costos de instalación este tipo de
tecnología presenta algunas ventajas. Control de
potencia activa y reactiva, posibilidad de operar a otro
valor de frecuencia y aislamiento de perturbaciones
Si se compara los costos de un sistema de transmisión
HVAC con un sistema HVDC se observa que hay una
distancia mínima en la cual los sistemas HVDC pueden
ser económicamente competitivos.
Para las conexiones HVDC existen
actualmente dos opciones técnicas
HVDC
Basado en un convertidor conmutado por
corriente LCC (line-commutated converter)
Basado en un convertidor de fuente de
tensión VSC (voltage source converter)
Es la tecnología más apropiada para
aplicaciones multiterminales, ya que utiliza una
tensión DC común, lo que facilita la construcción
y el control de las conexiones en paralelo.
Componentes del parque
eólico
Cables
consisten en tres cables
agrupados con un solo
revestimiento y aislamiento.
tres cables individuales, uno por
fase, separados a una cierta
distancia entre ellos.
Transformador
son necesarios para incrementar el
voltaje de los cables (usualmente
de 10-36 kV a 110-150 kV) con el fin
de reducir las pérdidas de cable
de transmisión.
Conmutador
Los principales propósitos de los aparatos
de conmutación en el lado de media tensión
(colector de red en alta mar) son proteger
tanto los equipos de turbinas eólicas como
los componentes de conjuntos de parques
eólicos, conectar varias turbinas eólicas en
anillo o radial y finalmente controlar la
conexión y desconexión de turbinas eólicas
Operación y control de aerogeneradores y parques
eólicos
Aspectos de integración a la red eléctrica
Requerimientos internos del parque
Arranque y parada:
Frecuencia
Control de potencia activa
Control de potencia reactiva
Requerimientos del parque
Soporte de voltaje
En el caso que se produzca huecos de tensión el parque eólico debe proveer la
respuesta necesaria en un tiempo determinado para la correcta operación.
Control de potencia activa
Se requiere que la planta eólica tenga tres tipos de control de potencia activa:
control de rampa, reducción de potencia, y control de reservas.
Soporte de frecuencia
se incluye una reserva de potencia activa para responder rápidamente en el momento necesario
aumentando la potencia en caso de baja frecuencia.
Estructura general de control
Control del parque eólico
Permite la integración de la central eólica a la red principal de acuerdo con los requerimientos de la red
Control de potencia activa
Control de potencia reactiva
Mantener los valores de tensión en el punto de
conexión del parque eólico con la red eléctrica
como también en la red ac interna del parque.
Control del aerogenerador
Control mecánico
Busca optimizar la extracción de
potencia eólica de acuerdo a las
características del viento
Control del convertidor de potencia
El convertidor del lado del generador regula la
corriente para obtener el par necesario
requerido por el control mecánico, así como la
potencia reactiva intercambiada con el
generador.
El control del convertidor del lado de la
red regula la tensión del bus de DC a
un valor deseado y la potencia reactiva
a un punto de consigna definido.
Generación eólica
En el sector eléctrico
Los primeros aerogeneradores capaces de
producir electricidad fueron desarrollados en
Dinamarca por Paul La Cour en 1891
El primer aerogenerador de corriente alterna fue
diseñado por Johannes Juul en Dinamarca,
Actualmente, el aerogenerador Haliade de rotor de 150 m ofrece una
capacidad total de 6 MW y es ideal para parques eólicos marinos
Curva de potencia de un aerogenerador
Ejemplo de caracteristícas principales de un aerogenerador
Capacidad total instalada en distintos países.
Generación eólica terrestre y marina
Costos comparativos entre distintas tecnologías
Capacidad instalada anual de parques eólicos terrestres y marinos a nivel
europeo