Estado del arte en generadores eléctricos utilizados en turbinas

Estado del arte en generadores eléctricos
utilizados en turbinas eólicas
23 de mayo de 2008
Sistemas electromecánicos y máquinas eléctricas
Instituto Balseiro
Lucas Muñoz
Resumen
Las turbinas eólicas actuales que se conectan a la red producen hasta 5 MW
de energı́a eléctrica y tienen rotores de hasta 100 metros de diámetro. A diferencia de otras formas de generación de energı́a, estos aparatos trabajan con
una fuente de potencia que fluctúa en el tiempo debido a las ráfagas, por lo
que se debe diseñar cuidadosamente el sistema de control y la resistencia a la
fatiga de los componentes. Por otra parte se requieren robustez y confiabilidad.
Esto implica especificaciones de diseño muy particulares y da lugar al desarrollo de tecnologı́as diversas y sofisticadas en las áreas de máquinas eléctricas,
electrotecnia, electrónica, control, y otras. En el presente trabajo se introducen
los diferentes tipos de generadores eléctricos y conexiones utilizadas en esta
aplicación y las tendencias actuales.
Introducción
En la década de 1950 apareció uno de los primeros aerogeneradores de gran
potencia en Gedser, Dinamarca, ver figura 1. Este tenı́a 200kW de potencia y
entregaba una potencia muy costosa en relación a otros tipos de generación.
En adelante, esta forma de producir energı́a eólica estuvo en constante evolución. El concepto mas usado siempre fue un aparato tripala de eje horizontal
alimentando una red trifásica. Los paı́ses con industrias eólicas más importantes
son Dinamarca, España, Alemania y Estados Unidos. Durante las últimas dos
décadas la potencia de las turbinas eólicas aumentó hasta superar los 3MW.
Se han probado y desarrollado diferentes conceptos. Entre las modificaciones
y evoluciones mas importantes en el área de control se encuentran la implementación de paso variable de las palas (cambio del ángulo de incidencia) y el
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Figura 1: Aeroturbina hecha en Gedser, Dinamarca (1950). Imagen extraı́da de
[1]
control por entrada en pérdida aerodinámica de las palas. Los conceptos asociados a máquinas eléctricas utilizadas sufrieron grandes cambios creándose nuevas
alternativas. Desde 1993 algunos fabricantes reemplazaron los tradicionales generadores asincrónicos por los sincrónicos mientras que otros fabricantes implementaron generadores asincrónicos con rotor bobinado en lugar del rotor de
jaula. Los desarrollos eléctricos incluyen el uso de electrónica de potencia, con
lo que se logra, entre otras cosas, una velocidad de operación del rotor variable. Debido a la rápida evolución de la electrónica de potencia, que ofrece tanto mayor potencia transmitida como menor precio/kW, la implementación de
dicha electrónica se encuentra en aumento. Actualmente se evalúan activamente
nuevos conceptos.
Tipos de aerogeneradores y sus particularidades
A la hora de generar energı́a eléctrica por medio de la potencia del viento
existe una gran variedad de configuraciones posibles que se diferencian en las
caracterı́sticas eléctricas, electrónicas y mecánicas.
Desde el punto de vista del generador se pueden diferenciar los asincrónicos
(AG) de los sincrónicos (SG). A su vez los primeros pueden tener rotor
de jaula o rotor bobinado, mientras que los segundos pueden usar imanes
permanentes o rotor bobinado.
Por otra parte, se pueden distinguir las configuraciones que poseen cajas
multiplicadoras y las que no las tienen. Las primeras aumentan la velocidad de giro de las palas, que es del orden de 15 RPM para turbinas grandes,
(ver [6]) para utilizar generadores rápidos, de pocos polos y compactos.
Este tipo de generadores resultan atractivos pero implican el aumento de
complejidad del sistema debido a la caja multiplicadora. Por el contrario,
los aerogeneradores sin caja multiplicadora tienen generadores de varios
polos, más grandes y lentos.
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Otra importante distinción es la que existe entre la conexión directa y
la indirecta. En la primera el generador entrega corriente trifásica con la
frecuencia de la red, mientras que en el segundo caso el generador entrega
frecuencia variable y esta debe ser rectificada y convertida en corriente
trifásica mediante un dispositivo denominado conversor de frecuencia. Un
conversor de frecuencia tradicional (en ingles ”drive”por su uso tı́pico en
alimentación de motores de velocidad variable) consiste de: un rectificador
(AC a DC), un almacenador de energı́a, y un inversor (DC a AC de frecuencia controlable. En la figura 2 se observa el camino de la energı́a
para un generador eólico con conexión indirecta a la red. Existen tipos de
conexión que rectifican parte de la potencia generada, para compensar la
potencia reactiva o para excitar el inductor.
Por último, un dato importante es el tipo de control de potencia, es decir,
el método por el cual se controla la potencia recogida del viento por las
palas. Este punto es importante no solo para regular la patencia eléctrica
entregada sino también para garantizar la integridad del conjunto generador ante los perı́odos de vientos excesivamente fuertes. El método de
entrada en pérdida (”stall control”) consiste en la reducción de la potencia
recogida por las palas debida a una entrada en pérdida aerodinámica de
las mismas, mientras que el método de control del ángulo de paso (”pitch
control”) consiste en la regulación por cambio del ángulo de paso de las
palas.
Algunos de los criterios con los que se eligen las caracterı́sticas recientemente mencionadas son el peso de los materiales activos, aplicabilidad de la
electrónica de potencia, consideraciones de protecciones y aspectos de servicio y
mantenimiento. Las nuevas tecnologı́as relacionadas a electrónica de potencia,
automatización y control hacen posible diseños innovadores.
Figura 2: conversión de la energı́a en un aerogenerador con conección indirecta.
Imagen de [1]
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En la figura 3 se pueden ver las configuraciones mas utilizadas en aerogeneradores de una amplia gama de potencias y tipos y en el cuadro 1 se especifican
las caracterı́sticas de dichas configuraciones. Estas ocho posibilidades establecen
la electrónica utilizada, el tipo de transmisión mecánica, y el sistema de control de potencia. Constituyen las opciones mas utilizadas, sin embargo existen
muchas variantes de las mismas.
Figura 3: Configuraciones estándar usando generador asincrónico (AG) y generador sincrónico (SG). Dependiendo de la configuración particular, el término
”power converter”indica la presencia de diferentes componentes electrónicos que
pueden ser: arrancador suave (a), variador de la resistencia del rotor (c), rectificador (e: conectado al estator o f, g, h: conectado al rotor) y conversor de
frecuencia (b, d, e, g y h)
En lo que sigue se ampl’ian las caracter’isticas de los aerogeneradores de la
figura 3 y el cuadro 1:
a) Utilizado como concepto convencional en generadores de gran potencia. El
banco de capacitores compensa la potencia reactiva y el arrancador suave
proporciona una conexión suave a la red (”soft starting”). Esto último
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Configuración
”Power
Converter”
Multipolo o
caja reductora
Control de
potencia
Comentarios
a
arrancador suave
caja
multiplicadora
entrada en pérdida
una o dos velocidades
posibles
b
conversor de
caja
entrada en pérdida
velocidad variable
frecuencia
multiplicadora
c
control de resistencia del rotor
caja
multiplicadora
ángulo de paso
velocidad variable
en un rango
d
conversor de
frecuencia
caja
multiplicadora
ángulo de paso
velocidad variable
e
conversor de
frecuencia
multipolo
entrada en pérdida
o ángulo de paso
velocidad variable
f
rectificador
caja
multiplicadora
entrada en pérdida
o ángulo de paso
velocidad constante
g
rectificador y
conversor de
frecuencia
caja
multiplicadora
entrada en pérdida
velocidad variable
h
rectificador y
conversor de
frecuencia
multipolo
entrada en pérdida
velocidad variable
o constante
Cuadro 1: Especificaciones de las configuraciones mostradas en la figura 3. Extraı́do de [3]
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es importante ya que si se conectara el aerogenerador a la red con un
seccionador existirı́a una repentina caı́da de tensión en la red debido a
la energı́a necesaria para magnetizar el generador. Esto se soluciona utilizando grandes tiristores que conectan el generador progresivamente, ver
figura 4.
b) En este concepto se reemplazan el arrancador suave y y el banco de capacitores por un conversor de frecuencia que puede ser total o parcial:
1. Si es total, convierte toda la corriente y la velocidad del generador
es independiente de la frecuencia de la red.
2. El conversor de frecuencia parcial tiene una capacidad de 20-30 %
de la potencia nominal del generador por lo que en caso de vientos
fuertes se conecta en forma de ”bypass”para compensar potencia
reactiva. En este caso la velocidad del generador está dada por
la frecuencia de la red y el resbalamiento.
c) Esta configuración usa un rotor bobinado de resistencia variable, con este
método se puede controlar el resbalamiento en un rango de 10 % (frente a
un 1 % de resbalamiento de los generadores con rotor de jaula). El hecho
de que el generador aumente o disminuya ligeramente su velocidad al fluctuar el par torsor es una propiedad mecánica muy útil. Esto significa que
habrá menor desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor máximo). Otra ventaja de este sistema es una mejor calidad de potencia, ya que
las fluctuaciones de la potencia de entrada son absorbidas por la variación
del resbalamiento y se entrega una potencia eléctrica mas uniforme. Para
evitar los problemas relacionados a la utilización de anillos rozantes que
acarrean las resistencias fuera del rotor se emplea en aparatos modernos
las resistencias y la electrónica de control correspondiente en el rotor. La
señal de control es comunicada por un medio óptico.
d) Otra configuración emplea un generador de doble alimentación (ver [5]). Un
conversor de frecuencia controla directamente las corrientes en los bobinados del rotor. Esto permite el control de la salida del generador. Este
concepto es atractivo por dos razones:
1. Velocidad variable en un rango mas amplio que en el caso c)
2. Mas barato que la configuración que utiliza un conversor de frecuencia total.
e) Esta configuración con generador de imanes permanentes y sin caja multiplicadora es tı́pica en aerogeneradores pequeños (tı́picamente con potencias
menores a 1 kW) usados para cargar baterı́as a través de un rectificador.
Un concepto prometedor de este tipo es el ”WINDFORMER”sugerido por
la empresa ABB: generador multipolo, produce 3.5MW de potencia, entrega corriente continua (rectificada) de 21kV. Se pretende combinar este
concepto con lı́neas de corriente continua (HVDC-light based grid), mas
adelante se explicará con mas detalles.
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f ) Este concepto utiliza excitación externa mediante el rectificado de la potencia
extraı́da (con el ”Power Converter”). No es muy atractivo por las siguientes
razones:
1. La necesidad de un circuito de excitación
2. La necesidad de anillos rozantes.
g) Esta configuración se diferencia de la anterior por el uso de un conversor de
frecuencia que permite la velocidad variable del rotor.
h) Usando un generador multipolo se logra una velocidad más lenta y se prescinde de la caja multiplicadora, lo que reduce la complejidad e incrementa
la confiabilidad del sistema.
Figura 4: tiristores usados para la conexión suave a la red. Imagen de [1]
Caso de estudio - WINDFORMER
La empresa ABB está desarrollado el generador eléctrico WINDFORMER,
un modelo sincrónico de alto voltaje multipolo de imanes permanentes especialmente diseñado para aplicaciones en turbinas eólicas. El concepto tiene bobinas
estatoricas conformadas por cables de alto voltaje. Ya se mencionó en la sección ”Tipo de aerogeneradores y sus particularidades”que el WINDFORMER
pertenece al grupo e) dentro de los mostrados en la figura 3. La utilización
de imanes permanentes en un generador de gran cantidad de polos reduce las
pérdidas en el rotor significativamente y hace posible la eliminación de la caja
multiplicadora. La idea de ABB es combinar la tecnologı́a de WINDFORMER
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con la tecnologı́a HVDC-light (hight voltage direct current light based grid o
redes eléctricas de alta tensión corriente continua, explicadas mas adelante).
Esto implica un nuevo concepto que involucra no solo el diseño del generador
sino también el de la granja eólica incluyendo la conexión a la red. Las ideas
principales del WINDFORMER son:
Proveer un diseño mecánico simple, sin caja multiplicadora, lo que hace a
una mayor confiabilidad, y menor requerimientos de mantenimiento.
Electrónica de potencia del aerogenerador simple y de pocas pérdidas:
rectificadores de diodos.
Explotar las virtudes de la tecnologı́a HVDC-light, obteniendo una red
interna en la granja simple y buena interfase con la red externa.
El mayor inconveniente involucrado es el costo de todo el sistema y la incerteza
del funcionamiento del mismo a largo plazo, ya que usa conceptos nuevos, nunca
antes probados.
Las redes eléctricas de alta tensión y corriente continua HVDC-light están
siendo implementas para granjas eólicas que poseen un gran numero de aerogeneradores. En la figura 5 se puede ver un concepto de este tipo de conexión
en granjas. Cada turbina entrega corriente continua (rectificada) por lo que no
necesita funcionar a velocidad constante. Esto conlleva un mayor rendimiento,
ya que el control de la turbina elige la velocidad que aprovecha la mayor cantidad de potencia posible. El conversor DC/AC (indicado por CS en la parte
izquierda de la figura) no se encuentra dentro de cada turbina, sino que maneja
la totalidad de la potencia de la granja.
Figura 5: Una forma de conexión de las turbinas en un parque eólico, cada
turbina tiene un conversor AC/DC, las lı́neas del parque son del tipo HVDClight y la conexión a la red externa se realiza a través de un conversor DC/AC.
Ambos conversores se denotan por CS.
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Referencias
[1] http://www.windpower.org
[2] http://www.invap.net/indus/eolica/contemporaneas.html
[3] Conceptual survey of Generators and Power Electronics for Wind Turbines,
L. H. Hansen, L. Helle, F. Blaabjerg, E. Ritchie, S. Munk-Nielsen, H. Bindner, P. Srensen and B. Bak-Jensen, 2001
[4] http://www.sciencedirect.com/
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Doubly-fed electric machine
[6] http://www.gepower.com/prod serv/products/wind turbines/en/downloads/ge 36b rochure new.pdf
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