Comportamiento en el dominio del tiempo de diferentes tecnologías de AG cuando se conectan a la red

Instituto superior Politécnico José
Antonio Echeverría
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergéticas
Tarea de Metodología de la Investigación
“Comportamiento en el dominio del
tiempo de las diferentes tecnologías de
AG cuando se conectan a la red”
Autor(es): René Antonio López Corzo. Grupo: E-31
Rafael Quintana Cruz. Grupo: E-31
Número: 24
Tutor: Ms.C. Ing. Ariel Santos Fuente fría.
La Habana, Abril de 2012
“Año 54 de la Revolución”
Número: 13
Resumen
El agotamiento de los combustibles fósiles producto de su consumo desmedido y el daño
provocado en el medio ambiente por la emisión de gases nocivos a la atmósfera provocó que a
finales de la década de los 90 el mundo comenzara a buscar alternativas para la generación de
electricidad. Una de esas alternativas fue la utilización de fuentes energéticas renovables. La
energía eólica ha sido sin lugar a dudas la de mayor auge, con miles de parques eólicos
instalados y con capacidades que pueden llegar hasta los cientos de MW. Conocer el
comportamiento en el dominio del tiempo de los sistemas eléctricos cuando se conectan
generadores eólicos es un asunto de vital importancia. En el presente trabajo se definirán los
tipos de aerogeneradores más utilizados, analizándose su comportamiento cuando se conectan
a una red eléctrica teniéndose en cuenta el funcionamiento de cada tecnología, y el tipo de
análisis realizado. Se ponen ejemplos de sistemas eléctricos reales con la introducción de la
generación eólica donde se analizan en el dominio del tiempo parámetros del sistema, tales
como la tensión y la frecuencia.
Abstract
The reckless consume of fossil fuel provoke that in a near future is coming to an end, in the
other hand the damage in the environment because green house gases cause that the world
search for an alternative sources to produce energy. The most used in the last few years is the
wind energy, with thousands of wind farms with installed capacity over a hundreds of
megawatts. The behavior of wind turbine in time domain is an important matter to maintain
system stability. In this work is defined the different technologies of wind turbines, and is
analyzed the behavior of every one when are connected to the grid. In the present work is
analyzed voltage and system frequency when wind turbine is connected to the grid using
different examples.
Índice
Introducción……………………………………………………………………………1
Objetivo General………………………………………………….………….….……2
Objetivos Específicos………………………………………………..………….…..2
Preguntas de Investigación……………………………………………..…….……2
Tipo de investigación……………………………………………………..…….……3
Justificación de la investigación……………………………………….…….…...3
Viabilidad………………………………………………………………..………….…..3
Alcance…………………………………………………………………..……...….…..3
Hipótesis………………………………………………………………..…….…..….…3
Los AG………………………………………………………………………..…….…..3
Partes componentes………………………………………………………………….4
Tipología de Aerogeneradores…………………………….………………..……..5
Características del funcionamiento de los generadores eólicos…..…..…8
Variaciones de frecuencia……………………………………………….….……..9
Estabilidad de tensión……………………………………………………..………..9
Simulaciones en el dominio del tiempo……………………………..………..10
Comparación de los AG…………………………………………………..……….15
Conclusiones………………………………………………………………..………15
Recomendaciones…………………………………………………………..……..16
Anexos………………………………………………………………………..………17
Bibliografía……………………………………………………………….………….18
Introducción
El creciente consumo de los combustibles fósiles, en los últimos años, y el daño ocasionado al
medio ambiente producto a la emisión de gases nocivos, principalmente los que se originan al
quemar dichos combustibles, ha traído como resultado que la humanidad se hiciera cargo de
dichos problemas y empezara a buscar soluciones con el fin obtener una energía eléctrica ¨más
sana y limpia ¨ a partir de fuentes alternativas. Algunas de estas soluciones consistió en
aprovechar los recursos renovables del planeta, tales como lo son: la energía del sol, del viento,
del agua, etc. Y para de esta forma contribuir al ahorro de combustible y el cuidado del planeta.
Con este modelo energético como premisa el hombre puso a la tecnología en función de
obtener máquinas y equipos más eficientes y adaptables a la necesidad vigente de adquirir una
mayor energía eléctrica producida con la misma intensidad del recurso natural.
La energía renovable con un mayor avance en este sentido ha sido sin duda la energía eólica,
el desarrollo energético actual demuestra y coloca a la misma como, la fuente de energía de
mayor crecimiento dinámico en los últimos años. Gracias a los avances actuales de la
tecnología se han logrado construir generadores eólicos de hasta 6 MW, en la Figura1 se
observan los modelos y la capacidad nominal de las turbinas eólicas instaladas más grandes
del planeta, siendo la mayor de ellas la Enercon-126, instalada en Emden, Alemania esta última
es capaz de generar más de 7 MW, entregando la energía necesaria para abastecer
anualmente a 5 mil hogares de cuatro personas cada uno [1].
En una zona determinada por la cual exista un flujo de viento relativamente constante, implica la
instalación de varios generadores eólicos con el fin de un mayor aprovechamiento del mismo,
esto es lo que se conoce como Parques Eólicos, estos pueden tener una capacidad nominal
pequeña, como el Parque Eólico Los Canarreos, ubicado en La Isla de la Juventud, con una
capacidad de 1,65 MW, compuesto por 6 aerogeneradores de 275 kW cada uno de la firma
VERGNET [2], o el de Gibara 1, en la provincia de Holguín, que cuenta con 6 aerogeneradores
de tecnología GAMESA con una capacidad total de 5,1 MW [3]. La capacidad de estos Parques
Eólicos también puede ser grande, en ocasiones llegando a ser más de 700 MW, como lo
evidencia el caso de los dos Parques Eólicos ubicados en Estados Unidos, el de Roscoe,
Texas, con capacidad de 781,5 MW distribuida entre sus 627 turbinas [4], y el de Horse Hollow
que con sus 291 aerogeneradores de la firma Siemens alcanza una capacidad total de 735 MW
[5].
Para poder conectar estos Parques Eólicos a la red eléctrica se tienen que tomar en cuenta
ciertas normas y regulaciones establecidas, con el objetivo de mantener dentro de los límites los
parámetros del sistema y que desde el punto de vista de la calidad de la energía no se generen
problemas. Sabido es que cada país presenta sus propias normas adecuadas al tipo de sistema
y características especiales del mismo, por ejemplo: la VDEW plantea que los cambios bruscos
de tensión (en % de la tensión nominal en el punto de conexión) no puede sobrepasar al 2 %,
mientras que la Eltra (Dinamarca)
plantea un 3% como límite, en cuanto a regulación de
tensión en el punto de conexión [6].
Sin embargo producto a la variación casual del viento la potencia generada en este instante
puede variar de forma brusca, y se pueden ver afectados parámetros como la tensión y
frecuencia del sistema que a su vez pueden llevar al mismo a la inestabilidad, es entonces este
uno de los principales problemas de la Energía Eólica y el principal de este trabajo. ¿Cómo
influye en los parámetros del sistema la conexión de diferentes tecnologías de aerogeneradores
a la red eléctrica? Para conocer como varían estos parámetros se pueden realizar varios
análisis, uno de los análisis más utilizados para analizar el comportamiento de la energía eólica
después de conectarla a la red son las simulaciones en el dominio del tiempo.
Objetivo General
Analizar la influencia de las diferentes tecnologías de aerogeneradores (AG) sobre los
parámetros de la red basándose en simulaciones en el dominio del tiempo.
Objetivos Específicos
Definir las diferentes tecnologías de AG.
Analizar el comportamiento en el dominio del tiempo de la tensión cuando se conectan al
sistema diferentes tecnologías de AG.
Analizar el comportamiento en el dominio del tiempo de la frecuencia cuando se conectan al
sistema diferentes tecnologías de AG.
Comparar el comportamiento en el dominio del tiempo de las diferentes tecnologías de AG.
Preguntas de Investigación
¿Qué le sucede a los niveles de tensión de la red cuando se conectan diferentes tipos de AG?
¿Qué le sucede a la frecuencia de la red cuando se conectan diferentes tipos de AG?
¿Cómo se utilizan las simulaciones en el dominio del tiempo para el análisis del comportamiento
de los AG?
¿Cuál es la mejor tecnología de AG desde el punto de vista de su comportamiento en el
dominio del tiempo?
Tipo de investigación
Esta investigación es del tipo descriptiva y correlacionar porque se describe el comportamiento
en el domino del tiempo de los diferentes parámetros analizados y se relacionan los mismos
con el tipo de AG y las diferentes perturbaciones en el sistema.
Justificación de la investigación
Existen muchos tipos y modelos de aerogeneradores, y se necesita conocer el comportamiento
de los parámetros de la red eléctrica a la que estos se vayan a conectar. Con tal premisa se
inicia la realización de este trabajo. Por otra parte el estudio planteado ayudará, entre otros
aspectos, a conocer la relación existente entre la tensión y la frecuencia de una red eléctrica
contra las posibles perturbaciones que se puedan presentar en un parque eólico mientras este
esté conectado a dicha red.
Viabilidad
En la presente investigación se pretende realizar una revisión bibliográfica para el tema. Debido
al tiempo dado para la realización de la investigación, con las fuentes bibliográficas que pueden
ser consultadas sobre el tema y con la conformación de un equipo de trabajo formado por dos
estudiantes de 3er año la investigación es perfectamente viable de hacer. Logrando los
resultados esperados.
Alcance
Con el presente trabajo se desea conformar una revisión bibliográfica sobre la aplicación de las
simulaciones en el dominio del tiempo para conocer el comportamiento de los parámetros de la
red eléctrica una vez conectados diferentes tipos de AG.
Hipótesis
A través de las simulaciones en el dominio del tiempo se observa que los AG de velocidad
variable tienen un mejor comportamiento sobre los parámetros de la red.
Los AG
Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento
(turbina eólica).la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento,
proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión
mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que
convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica.
Partes componentes
Un aerogenerador está compuesto por los siguientes componentes: góndola, palas, buje, caja
multiplicadora, generador, convertidor y sistema de control.
Góndola: la góndola se encuentra en la cima de la torre y contiene todos los componentes
fundamentales del aerogenerador, entre ellos el generador eléctrico y la caja multiplicadora.
Palas del aerogenerador: mediante las palas se transforma la energía cinética lineal del viento
en energía mecánica rotacional. Pueden ser de paso fijo (su ángulo de paso no varía) o de paso
variable (pueden variar el ángulo de paso para modificar la potencia transmitida con las
variaciones de la velocidad del viento).
Buje: sostiene a las palas y está acoplado al eje de alta velocidad.
Caja multiplicadora (Transmisión): adapta la velocidad para el eje del generador. El uso de este
componente depende del tipo de generador.
Generador: es el encargado de convertir la energía mecánica en energía eléctrica, puede ser
sincrónico o asincrónico. El generador se encuentra sobre una torre a una altura determinada
(de 40 a 60 metros del suelo), estas pueden ser tubulares o de celosía. Además los
aerogeneradores cuentan con un sistema de refrigeración para enfriar el generador y el aceite
del multiplicador, y algunos tienen un sistema de orientación para ubicar el aerogenerador en el
sentido del mejor aprovechamiento de la energía del viento.
Convertidor: convierte los parámetros de salida del generador a la tensión y frecuencia de la
red. El uso del convertidor está en dependencia del tipo de tecnología usada. En caso de no
haberlo se utiliza un transformador interno encargado de la misma función.
Sistema de control: puede estar ubicado en la base de la torre, en la góndola y/o en el buje del
rotor. Es el encargado del monitoreo de los parámetros del aerogenerador y controla el
funcionamiento del mismo.
Tipología de Aerogeneradores
En la actualidad existe toda una enorme variedad de modelos de aerogeneradores, diferentes
entre sí tanto por la potencia proporcionada, como por el número de palas o incluso por la
manera de producir energía eléctrica (aisladamente o en conexión directa con la red de
distribución convencional). Pueden clasificarse, pues, atendiendo a distintos criterios:
1) Por la posición del aerogenerador
a) Eje Vertical
Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al
suelo. Son también llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación
inglesa "vertical axis wind turbines". Existen tres tipos de estos aerogeneradores:
a.1) Darrieus
Consisten en dos o tres arcos que giran alrededor del eje.
a.2) Panemonas
Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su rendimiento es bajo.
a.3) Sabonius
Dos o más filas de semicilindros colocados opuestamente.
b) Eje horizontal
Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño en los últimos
años. Se los denomina también "HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación
inglesa "horizontal axis wind turbines". Dentro de esta misma clasificación existen otras
clasificaciones que a continuación se nombrarán.
b.1) Por el número de palas
b.1.1) Una pala
Al tener sólo una pala estos aerogeneradores precisan un contrapeso en el otro extremo para
equilibrar. La velocidad de giro es muy elevada. Su gran inconveniente es que introducen en el
eje unos esfuerzos muy variables, lo que acorta la vida de la instalación.
b.1.2) Dos palas
Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por
supuesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en
parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida.
Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual.
b.1.3) Tres palas
La mayoría de los aerogeneradores modernos tienen este diseño, con el rotor mantenido en la
posición corriente arriba, usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. Este
diseño tiende a imponerse como estándar al resto de los conceptos evaluados. La gran mayoría
de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño.
b.1.4) Multipalas
Con un número superior de palas o multipalas. Se trata del llamado modelo americano, debido
a que una de sus primeras aplicaciones fue la extracción de agua en pozos de las grandes
llanuras de aquel continente.
b.2) Por la posición del equipo con respecto al viento
b.2.1) A barlovento
Las máquinas corriente arriba tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los
diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. Con mucho la mayoría
de los aerogeneradores tienen este diseño.
b.2.2) A sotavento
Las máquinas corriente abajo tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre.
La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación,
si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento
pasivamente.
2) Desde el punto de vista de conexión a la red
a) Velocidad fija (Tipo A)
Dispone de un sistema de control que mantiene constante la velocidad de su turbina y su
potencia de salida. Debido a su velocidad fija, estos generadores presentan problemas de
sobrecargas mecánicas y de fluctuaciones de la potencia eléctrica generada causados por las
variaciones de la potencia del viento.
b) Velocidad variable (Tipo B, C, D)
El tipo B usa generador de inducción con rotor bobinado y control de potencia por la variación
del ángulo de paso. El devanado del rotor está directamente conectado con una resistencia
variable que es controlada de manera externa, variando dicha resistencia se controla el
deslizamiento y por ende la potencia de salida.
Tipo C doblemente alimentado en el cual el devanado del estator está directamente conectado
a la red, y al devanado del rotor está conectado un convertidor Back to Back. El termino
doblemente alimentado se refiere al hecho de que la tensión del estator es aplicada desde la
red y la del rotor es inducida por el convertidor, el cual compensa las diferencias entre la
frecuencia mecánica y eléctrica inyectando al rotor corriente con una frecuencia variable, esto
hace que el generador opere a velocidad variable, aunque con un rango limitado de operación.
En el aerogenerador Tipo D el control de potencia se realiza por la variación del ángulo de paso,
y el generador está conectado a la red a través de un convertidor, la particularidad es que dicho
convertidor está diseñado para el 100 % de la capacidad del generador. Sin embargo, las
pérdidas producidas por el convertidor cuando el generador trabaja a potencias cerca de la
potencia nominal son grandes comparadas con las del Tipo C.
La integración de los parques eólicos a la red eléctrica no es un problema sencillo. Se han
realizado numerosos estudios relacionados con el impacto que puede traer variaciones de la
tensión y frecuencia sobre los sistemas eléctricos, entre los que se encuentran los relacionados
con los estudios de estabilidad ante cambios del flujo del viento donde estos parques se
encuentran instalados.
Características del funcionamiento de los generadores eólicos
La característica principal de funcionamiento de un aerogenerador su curva de potencia, que
nos da la relación de su potencia eléctrica de salida en función de la velocidad del viento.
El comportamiento medio de la curva de potencia puede ser dividida en cuatro regiones
características en función de la velocidad del viento tal como se detalla en la tabla siguiente:
Región de Rango
operación
de Característica operativa
Velocidad
típica (m/s)
Región 1
0-4
Vientos demasiados débiles para producir potencia eléctrica
Región 2
4-12
Producción de electricidad creciente con la velocidad del
viento
Región 3
12-20
Producción de electricidad constante al valor de placa
Región 4
20-25
Sin producción eléctrica. Los vientos son demasiados
energéticos para justificar aumentar resistencias y costos para
un pequeño número de horas al año. La turbina permanece
parada.
En el siguiente gráfico se observa el comportamiento de la potencia generada por algunos
modelos de aerogeneradores en función de la velocidad del viento. Puede observarse que su
comportamiento se corresponde con la clasificación característica señalada anteriormente.
Tienen una velocidad inicial donde comienza a entregar potencia, cercana a los 4 a 5 m/s,
alcanzan su potencia nominal a los 15 - 16 m/s y tienen una velocidad máxima admisible de
operación, que para algunos equipos es de 25 m/s y otros se detienen al alcanzar los 20 m/s.
Variaciones de frecuencia
Las variaciones de frecuencia pueden provocar en los PE una distorsión en los filtros
armónicos; alteraciones en el funcionamiento de los que utilicen convertidores electrónicos, y de
ellos los que utilizan la frecuencia como referencia; cambios en la velocidad de giro de los
generadores eléctricos. Si estas variaciones son pequeñas los sistemas de regulación se
encargan de corregirlas, pero si son altas entonces el operador debe encargarse de restituir el
equilibrio.
Si el PE está conectado a una red potente entonces no hay muchos problemas, ya que la
frecuencia es bastante estable. Sin embargo si es autónomo o está conectado a una red débil
se producen fluctuaciones elevadas de frecuencia, por lo que es aconsejable usar
aerogeneradores de velocidad variable.
Estabilidad de tensión
La estabilidad de tensión es la habilidad del sistema eléctrico para mantener las tensiones
prácticamente constantes en todos los nodos de la red, ya sea en condiciones normales de
trabajo o después de que ocurra alguna perturbación. El sistema se haría inestable si ante la
ocurrencia de una perturbación determinada, como pueden ser un incremento en la demanda o
algún cambio en las condiciones del sistema si la tensión disminuye de manera progresiva e
incontrolable. El factor principal que puede provocar un estado inestable de la tensión es la
incapacidad del sistema para compensar las variaciones de potencia reactiva.
Simulaciones en el dominio del tiempo
La realización de simulaciones en el dominio del tiempo es una herramienta utilizada para
analizar el comportamiento del sistema antes y después de la integración de AG. Las
simulaciones se realizan para las condiciones más críticas de trabajo a las que puede estar
sometido el sistema, o sea, la ocurrencia de algún tipo de falla.
Mediante simulaciones, realizadas por diferentes autores de la bibliografía consultada, en
disímiles sistemas donde se conectan parques eólicos a la red eléctrica, se pretende analizar el
comportamiento de parámetros tales como tensión y frecuencia frente a variaciones de la
velocidad del viento. Teniendo en cuenta que los tipos de AG de estos parques son diferentes
de acuerdo a su clasificación a la hora de ser conectados a la red se pretende llevar a cabo una
comparación entre los mismos, los de velocidad variable y velocidad fija. Para ello se expondrán
posteriormente ejemplos relacionados con lo anterior dicho.
En [7] se analiza el comportamiento de un sistema con AG Tipo C ante una falla de cortocircuito
trifásico entre los nodos 1 y 2 de la figura 2. Debido a la distancia que existe entre el punto de
fallo del sistema y las turbinas eólicas la tensión en los terminales variará a diferentes escalas
con respecto a la tensión nominal (220 kV). La falla provoca una caída de la frecuencia de 50
Hz hasta 48.96 Hz y luego se estabiliza a 49.2 Hz.
En [8] se lleva a cabo un análisis comparativo entre los sistemas eólicos con generador de Tipo
A y Tipo C. La base para la comparación es el comportamiento del generador en el sistema
sujeto a diferentes perturbaciones tales como: valles y huecos de tensión, cortocircuitos, rachas
de viento y desconexión de carga. Esta comparación se hace sobre la base de un caso de
estudio concreto en la zona de Santa Lucía, Camagüey, lugar donde se tiene previsto instalar
un parque eólico de 30MW.
_____ Tipo C _____ Tipo A
109.9
16
109.8
GAJA
GADA
109.7
109.6
Tensión (kV)
Velocidad del viento (m/s)
14
12
109.5
109.4
10
109.3
109.2
8
109.1
6
109
43
44
45
47
46
60
55
50
45
40
50
49
48
Tiempo (s)
Tiempo (s)
Tensión en la barra del sistema 110kV ante una
racha de viento
Racha de viento
GAJA
GADA
780
GAJA
GADA
112
760
740
110
720
108
Tensión (kV)
Tensión (V)
700
680
660
106
104
640
102
620
600
100
580
98
44.8
44.6
45
45.6
45.4
Tiempo (s)
45.2
45.8
46
46.2
44.9
46.4
45.1
45.2
45.3
Tiempo (s)
45.4
45.5
45.6
45.7
45.8
Tensión en el punto de conexión del parque
eólico al sistema, barra parque eólico 110kV
ante un cortocircuito
Tensión en la barra del parque eólico 690 V
ante un hueco de tensión
780
45
GAJA
GADA
GAJA
GADA
110.5
760
740
110
720
109.5
Tensión (kV)
Tensión (V)
700
680
660
109
640
108.5
620
600
108
580
107.5
45
45.1
45.2
45.3
45.4
45.5
45.6
Tiempo (s)
Tensión en la barra del parque eólico 690 V
ante un cortocircuito
45
45.1
45.2
45.3
45.4
45.5
Tiempo (s)
Tensión en la barra del sistema 110kV
ante un cortocircuito.
Como se puede evidenciar en las graficas anteriores un AG de tipo C se comporta mucho mejor
que uno tipo A ya que el mismo es capaz de controlar la potencia reactiva y de esta forma los
parámetros que varían en la red eléctrica, ante las diferentes situaciones simuladas por los
autores, no se salgan de los límites establecidos. Trayendo esto como beneficio que la calidad
de la energía se vea menos afectada.
En [9] donde se conectan a la red de distribución 8 turbinas eólicas de velocidad fija y 8 de
velocidad variable, la simulación somete al sistema a una caída total de la tensión en el punto
de conexión, y se realiza el análisis estando conectadas en un primer momento solamente las
turbinas de velocidad fija y en un segundo
momento las 16 turbinas, los resultados para la
tensión en el punto de conexión se muestran en
la
Figura
8.
comportamiento
Se
observa
cuando
las
velocidad variable ayudan a
un
mejor
turbinas
de
la regulación de
tensión del sistema a sobrepasar la falla, estando solamente las de velocidad fija la oscilación
de la tensión es grande y no logra alcanzar la estabilidad que se obtiene estando los 16
aerogeneradores conectados.
En la Isla de Penghu, en Taiwán, se realizó un estudio sobre la futura conexión de Parques
Eólicos con aerogeneradores de velocidad variable [10], y entre los aspectos principales que se
analizó en dicho estudio fue el comportamiento ante fallas. Cuando la capacidad del Parque
Eólico es de 400 MW y ocurre un cortocircuito a tierra en uno de los nodos cercanos al parque
la tensión en el nodo de conexión sobrepasa momentáneamente el límite permitido y se
observan algunas oscilaciones en la tensión transitoria de recuperación, y cuando se limpia la
falla la tensión no se estabiliza al mismo nivel que tenía antes de ocurrir el cortocircuito. En esta
primera simulación el Parque Eólico no tiene ningún dispositivo extra que lo ayude en el
transcurso de la falla. En una segunda simulación se le incluyen técnicas para mejorar el
funcionamiento durante la falla, y el resultado es que la tensión no presenta oscilaciones
durante la recuperación y se establece al mismo nivel que tenía antes de la falla. Otras técnicas
utilizadas se encuentran en [11, 12, 13].
En [14] se hace un análisis, al aumentar la velocidad del viento, sobre la conexión a un sistema
débil de aerogeneradores de velocidad fija sin compensación de reactivo, el sistema cuenta con
dos cargas de 50 MW y de 6 MW, y la potencia eólica instalada es de 9 MW. El estudio
demuestra que los aerogeneradores van saliendo de funcionamiento uno tras otro producto de
que el sistema no tiene el reactivo suficiente para suplir el consumo de las turbinas lo que hace
que las protecciones actúen para evitar que el sistema se haga inestable por tensión
provocando una inestabilidad temporal en la tensión del sistema.
Tensión sin
compensación de
reactivo
Sin embargo, cuando el viento varía, la potencia de salida también varía, y el consumo de
reactivo del rotor sufre variaciones, por lo que los bancos de condensadores tienen que ser
variables, de lo contrario el factor de potencia va siendo cada vez peor. Sobre este mismo
sistema se realiza un análisis con compensación de reactivo.
Tensión con
compensación de
reactivo
Esto trae como conclusión que este tipo de aerogeneradores necesita una compensación
aparte. La más utilizada es poner un banco de condensadores, para mejorar el factor de
potencia en atraso con el que entregan los generadores eólicos potencia a la red.
En el sistema débil de 9 nodos analizado en [15] se observa como la introducción de la energía
eólica provoca una variación en la frecuencia del sistema por encima de los límites permitidos,
tal y como se muestra en la Figura 7, donde se refleja la frecuencia antes y después de la
inserción de los AG a la red.
En la Figura se muestra para el sistema estudiado en [16] que ante la variación de una carga la
mejor respuesta se obtiene para AG de velocidad fija.
Otros dos ejemplos donde se comparan las respuestas ante cambios en la frecuencia de AG de
velocidad fija y velocidad variable se encuentran en [17, 18].
Sin embargo la respuesta de los AG de velocidad variable ante los cambios en la frecuencia
puede mejorarse a través de un lazo de control. Algunos ejemplos de controles para mejorar la
inercia de este tipo de AG se encuentran en [19, 20, 21].
Comparación de los AG
En los AG de velocidad fija los bancos de condensadores aunque sean variables entregan un
valor fijo de reactivo que mejora el factor de potencia, pero que no hace un seguimiento de la
potencia reactiva en todo momento, la potencia reactiva consumida por los AG de velocidad
variable es mucho menor que los de velocidad fija, debido al control de reactivo por los
dispositivos electrónicos integrados. Al aumentar la velocidad del viento la potencia activa
entregada por el aerogenerador aumenta, sin embargo la potencia reactiva se mantiene
prácticamente constante y cercana a cero, con el objetivo de obtener un factor de potencia
unitario en todo momento.
Con respecto a las variaciones en la frecuencia la respuesta de los AG de velocidad fija a estos
cambios se puede considerar positiva, ya que debido al diseño mecánico el AG posee una
respuesta inercial natural ante la pérdida de un generador o la variación brusca de una carga.
El generador eólico de velocidad variable tiende a ser más tolerante en su funcionamiento ante
una falla, ya que puede variar la velocidad y ajustar la excitación debido al control ejercido por el
convertidor.
Conclusiones
Después de analizar los ejemplos y de estudiada la bibliografía consultada para confeccionar el
presente trabajo, se puede llegar a las siguientes conclusiones:
•
La conexión de los AG produce una variación en la tensión y la frecuencia en la red.
Estas pueden ser en mayor o menor medida en dependencia de la capacidad del
Parque Eólico conectado. También tiene una gran influencia el tipo de tecnología
utilizada. Los AG de velocidad fija provocan una mayor variación en la tensión del
sistema al no tener dispositivos para el control de la potencia reactiva, no siendo así
para los AG de velocidad variable, que gracias al convertidor back to back controlan los
parámetros de salida.
•
Las simulaciones en el dominio del tiempo son una herramienta eficiente para el análisis
del comportamiento de los AG cuando se conectan a la red. Las simulaciones permiten
analizar diferentes perturbaciones que son extremadamente importantes para conocer
como varían los parámetros de la red en presencia de los AG. Además de que permite
realizar una amplia gama de simulaciones bajo diferentes condiciones en el tiempo
deseado.
Recomendaciones
Como en toda investigación, o en este caso, revisión bibliográfica siempre surgen aspectos
importantes para trabajos futuros, por lo que se recomienda lo siguiente:
1. Realizar un trabajo de investigación sobre el comportamiento de los AG en el dominio
del tiempo cuando estos se conectan específicamente a una red débil.
2. Realizar un análisis en el dominio del tiempo en el sistema eléctrico cubano o en parte
del mismo, para estudiar el comportamiento de las diferentes tecnologías de AG bajo
las condiciones reales de nuestro sistema eléctrico.
Anexos
Figura 1
Figura 2
Bibliografía
[1] New Record: World’s Largest Wind Turbine (7+ Megawatts), February 3, 2008,
http://www.metaefficient.com/news/new-record-worlds-largest-wind-turbine-7-megawatts.html
[2] Ariel Santos Fuentefria, Machel Zamora Lara. Estudio preliminar del sistema híbrido (SH)
diesel – eólico de la Isla de la Juventud. Trabajo de Diploma para optar por el título de Ingeniero
Electricista. Junio del 2007. Ciudad de La Habana, Cuba
[3] Avanza puesta en marcha de parque eólico de Gibara. Periódico Juventud Rebelde. 12 de
Febrero del 2008.
http://www.juventudrebelde.cu/cuba/2008-02-12/avanza-puesta-en-marcha-de-parque-eolicode-gibara/
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