INTRODUCCIN A LA

GENERACIN ELICA

ESEP

Curso 2014

Msc. Ing. Ignacio Afonso

Introduccin

INTRODUCCIN

Topologas

Introduccin

V80 2MW Introduccin

Topologas

V90 3MW Introduccin

Topologas

Topologas

V112 3MW

E-82 Introduccin

Topologas

IMPSA Introduccin

Topologas

Tamaos

PESOS

Aerogenerador 2MW

Una pala: entre 6 aprox.

Generador: entre 5 toneladas aprox.

Multiplicadora: 13 toneladas aprox.

Total gndola: entre 62 ton.

Total rotor: entre 38 ton.

Total aprox. Sobre la torre: 100 ton.

Introduccin

AEROGENERADORES DE VELOCIDAD FIJA

Utilizados fuertemente en los 80 y 90

Aerogeneradores de velocidad fija

Caractersticas ms comunes:

Generador:

Jaula de ardilla.

En algunos casos con mltiples bobinados

estatricos.

Potencias mximas aprox. 1500kW

Velocidad de giro del generador impuesta

por:

Nmero de polos de la mquina.

Frecuencia de la red

Control aerodinmico:

Entrada en prdida.

Aerogeneradores de velocidad fija

Ventajas: Bajo costo

Robustos (muy poco mantenimiento)

Constructivamente simples

Desventajas: Pueden generar solo para vel. superiores a la de sincronismo.

Necesitan una caja multiplicadora.

No tienen un buen control sobre la potencia activa generada.

Mala calidad de energa producida.

El generador siempre consume reactiva.

Aerogeneradores de velocidad fija

Introduccin

AEROGENERADORES DE VELOCIDAD VARIABLE

VENTAJAS

Permiten generar a velocidades distintas a la de sincronismo.

Mayor aprovechamiento de la energa disponible.

Filtran la variaciones de potencia debido a variaciones en el viento.

Disminuyen las cargas mecnicas sobre las palas y la torre.

Aerogeneradores de velocidad variable

DESVENTAJAS

Mayor costo.

Construccin compleja.

Menos robusto.(del punto de vista

mantenimiento)

Aerogeneradores de velocidad variable

Caractersticas

Pequeos deslizamientos :

Permite variaciones de velocidad hasta un

10% por encima del sincronismo.

23s

extRs

e URR

sT

CONTROL DE DESLIZAMINETO

MEDIANTES RESISTENCIAS ROTRICAS

VARIABLES

Aerogeneradores de velocidad variable Resistencias rotricas

Implementacin Restato variable.

Resistencia electrnica

Aerogeneradores de velocidad variable Resistencias rotricas

OptiSlip

Resumen resistencia rotrica variable

Desarrollados a principios de los 90

Necesitan compensacin de reactiva.

Necesitan un arrancador suave.

A mediana y gran escala actualmente en desuso.

Aerogeneradores de velocidad variable Resistencias rotricas

CONTROL DE DESLIZAMIENTO

MEDIANTE RECUPERACIN DE ENERGA

Aerogeneradores de velocidad variable Recuperacin de energa

GENERADOR DOBLEMENTE

ALIMENTADO (DFIG)

Aerogeneradores de velocidad variable DFIG

4/20/2014 23

DFIG COMPONENTES GONDOLA TRANSFORMADOR

GENERADOR MULTIPLICADORA

EJE PRINCIPAL Y BANCADAS

SISTEMA HIDRULICO

24

DFIG COMPONENTES TRANSFORMADOR

GENERADOR DOBLEMENTE

ALIMENTADO

Caractersticas:

Rotor y estator bobinados.

Genera a tensin y frecuencia constantes en un

margen aprox. -30% +50% respecto a la velocidad de

sincronismo.

Permite controlar tanto potencia activa como reactiva

generada.

Electrnica de potencia de escala media (20% y 30%

de la pot. nominal de la mquina).

Aerogeneradores de velocidad variable DFIG

Convertidor AC/DC - DC/AC Convertidor conectado al generador:

Se encarga de realizar el control vectorial de la

mquina. El mismo permite controlar la potencia

activa generada as como el factor de potencia.

Controla amplitud, frecuencia y fase de la tensin

aplicada al rotor.

Frecuencia: frotrica+fmecnica = festatrica

Permite la circulacin de la potencia desde y hacia el

rotor.

Aerogeneradores de velocidad variable DFIG

Convertidor conectado a la red:

No es parte del control de pot. de la mquina.

Permite la regulacin del factor de potencia.

Mantiene constante la tensin en el bus de

continua.

Convertidor AC/DC-DC/AC

Aerogeneradores de velocidad variable DFIG

Balance de potencias segn g

Rgimen supersncrono (g0)

Prot entrante a la mquina

Pest saliente a la mquina

Aerogeneradores de velocidad variable DFIG

Generadores sncronos

Aerogeneradores de velocidad variable Gen. sncronos

4/20/2014 30

COMPONENTES GENERADOR SINCRNICO - FULL CONVERTER

COMPONENTES GENERADOR SINCRNICO - FULL CONVERTER

Generadores sncronos Caractersticas:

Control sobre potencia activa y reactiva.

Control sobre la frecuencia.

Toda la potencia que genera la mquina atraviesa el

convertidor.

Convertidor ms costoso.

Mayores prdidas en el convertidor.

En general mejores prestaciones que los doblemente

alimentados.

Aerogeneradores de velocidad variable Gen. sncronos

Generadores sncronos Caractersticas:

Segn diseo pueden prescindir de caja

multiplicadora. (mquinas multipolares)

Coste ms elevado.

Aerogeneradores de velocidad variable Gen. sncronos

Generadores sncronos de

Imanes Permanentes

Caractersticas extras: No tienen prdidas por efecto Joule en el rotor.

No necesita anillos rozantes.

Menor tamao (reduccin del paso polar)

Coste de imanes elevado.

Manipulacin de imanes compleja.

Peligro de desmagnetizacin por temperatura.

No hay control sobre la excitacin.

Aerogeneradores de velocidad variable Gen. sncronos

Introduccin

OPERACIN DE AEROGENERADORES DE

VELOCIDAD VARIABLE

Operacin de aerogeneradores

Control de Velocidad-Potencia

Operacin de aerogeneradores

Introduccin

SISTEMA DE CONTROL AERODINMICO

PARA QU?

Proteger al aerogenerador ante vientos

elevados.

Regular la potencia generada por el

mismo.(control lento)

Sistemas de control aerodinmico

COMO?

Modificando el ngulo de ataque de las palas

Dos formas:

De forma pasiva

Entrada en prdida aerodinmica.

De forma activa

Control de cambio de paso

(variando el ngulo de la pala en direccin al viento)

Prdida aerodinmica activa

(variando el ngulo de la pala en sentido contrario)

Sistemas de control aerodinmico

Entrada en prdida aerodinmica.

COMO?

ngulo de paso fijo(sintonizado segn el emplazamiento).

Sobretiro en potencia generada.

Genera mayores cargas mecnicas.

La curva de potencia puede cambiar con las estaciones.

(Temp. DensidadPot. )

Utilizado en mquinas de vel. fija.

Cambio de paso/pitch.

COMO?

ngulo de paso variable.

Permite limitar la velocidad de giro.

Permite ampliar el rango de velocidades de viento en el cual la

mquina opera.

Mejora el desempeo en los arranques y paradas.

La mquina podra compensar la variacin en la densidad del aire.

Entrada en prdida activa.

ngulo de paso variable.

Permite limitar la velocidad de giro.

Permite ampliar el rango de velocidades de viento en el cual la

mquina opera.

Exige mecnicamente ms a la mquina.

COMO?

Funciones:

Ajustar el ngulo de las palas

segn la velocidad del viento, la

potencia y la estrategia de

control.

Sistema primario de frenado.

En ciertos modelos limitar cargas

mecnicas debido a cargas no

simtricas en el rotor.

Velocidad mxima: aprox.

10/seg (parada de

emergencia)

Sistema de Pitch

Pitch individual :

Detecta las cargas mecnicas en cada pala.

Estima el momento de Tilt y el momento de Yow

Determina el ciclo de pitch a cumplir por cada pala.

Sistema de Pitch

Sistema de Pitch

Tpico comportamiento del sistema de Pitch individual.

Variaciones habituales entre 2 y 5

Introduccin

SISTEMA DE CONTROL DE YAW

Sistema de Yaw Funcin:

Mantener la turbina enfrentada a la direccin del viento.

Desenrollar los cables.

El sistema de Yaw registra la posicin de la gndola respecto a 0.

Para giros menores o iguales de 1.8 vueltas el sistema funciona normalmente. (no necesita desenrollar)

Si el aerogenerador no esta produciendo y el sistema de Yaw registra un giro entre 1.8 y 3.8 vueltas comienza a desenrollar.

Si el aerogenerador esta produciendo espera a alcanzar los 3.8 vueltas detiene el sistema de Yaw y comienza a desenrollar.

Tiempo estimado: 0.42/seg aprox. 14 minutos 1 vuelta

Funciones y caractersticas constructivas Sistema de Yaw

Funciones y caractersticas constructivas Sistema de Yaw

Sistema de Yaw

Introduccin

CAPACIDADES ACTUALES

Y

GRID CODES

Huecos de tensin

Definicin (REE, P.O. 12.3):

Es una disminucin brusca de la tensin seguida de su restablecimiento despus de

un corto lapso de tiempo. Por convenio, un

hueco de tensin dura entre 10ms y 1

minuto.

Origen:

A nivel de la red de transmisin los huecos de

tensin son consecuencia de la ocurrencia de

un cortocircuito.

Como se ve un HdT

(Registro oscilogrfico)

Clculo del valor RMS

54

Recuperacin instantnea de la tensin.

Sobretensin luego de despejada la

falta

Recuperacin debido a la

inyeccin de Q.

Aprox. de la curva calculada por el

rel

Huecos de tensin

Por que soportar el hueco?

En los 90 se exiga la desconexin.

Actualmente deben permanecer

conectados durante ciertos huecos de

tensin.(mayor cantidad de

aerogeneradores, cambio de tecnologas)

Evitar problemas de estabilidad, tanto

transitoria como de tensin..

Capacidad de soportar huecos de tensin

Full Converter DFIG

57

Interpretaciones curva LVRT

Dos interpretaciones

Evolvente

Tabla de tiempos

58

Andamiento de la tensin

Desconexin

Interpretaciones curva LVRT

Envolvente

59

Aqu comienza a contar el tiempo asociado a U2

Interpretaciones curva LVRT

Tabla de tiempos

Aqu comienza a contar el tiempo asociado a U1

U1

U2 No hay

desconexin

Inyeccin de reactiva durante el

hueco

Efecto del hueco de tensin

sobre el DFIG Ante la ocurrencia de un hueco de tensin aparecen sobretensiones

importantes en el rotor del generador, debidas principalmente a la

aparicin de corrientes de secuencia inversa y la aparicin de un flujo natural en la mquina.

La aparicin de altas tensiones en el rotor de la mquina puede

llevar a una saturacin del convertidos, aumentando la posibilidad de

dao del mismo.

El hueco genera dificultades en el control, ya que el estator es

controlado a travs del rotor.

El aumento de la tensin y la corriente rotrica puede provocar daos en el convertidor.

Soluciones para la proteccin

del DFIG durante HdT Corriente desmagnetizante

Esta tcnica de control consiste en inyectar una

corriente adecuada en el rotor, de forma tal que

reduzca la FEM inducida en el mismo.(desmagnetice

la mquina)

La corriente inyectada debe solo disminuir el flujo

asociados a la secuencia inversa y el flujo natural de

la mquina.

Mediante un control en el marco de referencia dq es

posible controlar la corriente del rotor de forma de:

desmagnetizar la mquina y controlar la potencia

activa intercambiada por el estator.

Soluciones para la proteccin

del DFIG durante HdT CROWBAR

La funcin del crowbar es controlar la tensin

aplicada sobre el convertidor del rotor durante el

comienzo del hueco.

Para ello cortocircuita de forma controlada el rotor del

DFIG, regulando de esta manera la tensin aplicada

sobre el convertidor del rotor y acelerando el

transitorio asociado al flujo natural.

Soluciones para la proteccin

del DFIG durante HdT CROWBAR

El crowbar va a actuar durante los primeros

milisegundos, controlado la sobretensin inicial.

Durante este lapso de tiempo no ser posible

controlar la inyeccin de potencia reactiva del

aerogenerador.

Por tal motivo las exigencias de inyeccin de

potencia reactiva durante los huecos de tensin

comienzan del orden de 80ms - 150ms luego del

comienzo del hueco.

Soluciones para la proteccin

del DFIG durante HdT BRAKING CHOPPER

La funcin del chopper es controlar la tensin en el

bus de continua.

No limita la corriente por el convertidor.

De utilizarlo solo es necesario sobredimensionar el

convertidor, para que pueda manejar la corriente.

Control durante HdT

Full Converter

La mquina queda desacoplada de la red, con lo cual no es afectada por la componentes de secuencia inversa.

Al producirse un hueco de tensin el aerogenerador ve reducida su capacidad de inyectar potencia activa en forma proporcional a la profundidad del hueco.

La potencia mecnica capturada por el rotor se mantendr constante.

La potencia se acumular o bien en forma de energa cintica en el rotor, o bien en el capacitor del bus de continua del convertidor.

Control P(f)

Desviacin de frecuencia (p.u.)

con APC

Desviacin de frecuencia (p.u.)

sin APC

Control P(f)

Curvas P-Q

Capacidades actuales

Full Converter

DFIG

Regulacin de reactiva

Posibilidades:

Control de la potencia reactiva en el nodo de

conexin.

Control de potencia reactiva en cada mquina.

Tipos de control:

cos(fi)=constante

Q fija

Consigna de tensin

Dentro de estos controles se puede priorizar la pot.

activa o la reactiva.

Capacidades actuales Regulacin de reactiva

Regulacin de reactiva

Capacidades actuales Regulacin de reactiva

Regulacin de reactiva Control en WEC o PoC

Capacidades actuales Regulacin de reactiva

El incremento de la penetracin de la generacin elica en el sistema elctrico puede cambiar la dinmica del mismo, debido a las caractersticas propias de estos generadores.

Uno de los principales aspectos a analizar es la capacidad de soportar huecos de tensin de los parques, ya que los mismos pueden provocar la desconexin masiva de generacin elica.

La instalacin de parques elicos a gran escala puede traer cambios importantes en la gestin de potencia activa de un sistema elctrico, con el consecuente riesgo de la aparicin de problemas de estabilidad en tensin.

Especial cuidado debe tenerse cuando se cuenta con lneas con compensacin serie, en donde se pueden darse oscilaciones subsncronas a causa de la generacin elica.

ESTABILIDAD & GENERACIN

ELICA

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Gracias por su atencin