Key words Gestión de la red, Automatización de la Distribución, Redes Eléctricas Inteligentes

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1 Title PAPER Revisión de diferentes soluciones para soportar los huecos de tensión (LVRT) en distintas tipologías de aerogeneradores Registration Nº: (Abstract) Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Río Cuarto Ruta Nacional 36 Km 601-Río Cuarto-Córdoba-Argentina Tel.: /171 Authors of the paper Name Country Leonardo Sanchez Argentina Juan Carlos Gómez Targarona Argentina Key words Gestión de la red, Automatización de la Distribución, Redes Eléctricas Inteligentes 1. RESUMEN En los últimos años, se ha investigado y trabajado mucho en la generación de energía eléctrica a través de fuentes renovables. Teniendo a los aerogeneradores como principal alternativa a los combustibles fósiles. Habiendo incrementado sus dimensiones y potencia con el transcurso del tiempo. Sin embargo, este crecimiento vino acompañado de nuevos desafíos. Debido a la mayor penetración de este tipo de generación en las redes de transmisión y distribución, se produce un impacto negativo sobre la estabilidad del sistema eléctrico ante una eventual falla. Lo que afecta en mayor medida a las redes débiles. Tiempo atrás, cuando ocurría una falla en el sistema, los operadores de parque desconectaban sus máquinas del sistema. Pero en la actualidad, existen nuevos códigos de red como el danés y el alemán donde especifican claramente la curva de subtensión vs. tiempo que deben soportar dichos parques ante los huecos de tensión (LVRT). Ante una falla, los mismos deben permanecer conectados a la red, comportándose como un generador convencional, ayudando a mantener la estabilidad del sistema. Este requerimiento, compromete seriamente a la electrónica de potencia de los diferentes esquemas de los convertidores actuales. Ante lo cual, varios grupos de investigación han presentado distintas soluciones que se adaptan a las configuraciones actuales como son el generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) y los generadores full scale converter. En el presente trabajo se llevó a cabo una revisión de las diferentes tecnologías y esquemas desarrollados para mejorar la capacidad de soportar las fallas y los huecos tensión del sistema sin tener que desconectarse de la red, aportando potencia y estabilidad. Abarcando casos como la compensación shunt como por ejemplo el STATCOM, la compensación de voltaje en serie como el DVR y la Crowbar activa y pasiva entre otros. 1 / 6

2 2. INTRODUCCIÓN PAPER Según datos del Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC), en su informe Balance 2012, se alcanza la cifra de 282 MW de potencia acumulada a nivel mundial, y la eólica podría superar los MW de potencia total acumulada a finales de 2013 [1]. Se espera que este crecimiento se siga manteniendo impulsado por políticas ambientalistas de los diferentes países y consensos mundiales que presionan por encontrar alternativas viables a las fuentes de energía fósil y contaminante que han derivado en la situación delicada que se avecina donde prima encontrar recursos energéticos que sean renovables y no contaminen el medio ambiente. Es así como en las últimas décadas se ha invertido mucho esfuerzo, estudio y dinero en estas alternativas, siendo la energía eólica una de las principales opciones. Existiendo ya prototipos de 10 MW, algo impensable varios años atrás [2][3]. Esta penetración de la generación distribuida al esquema clásico de red eléctrica conlleva nuevos desafíos. Ya que cada vez tienen mayor peso en la estabilidad del sistema eléctrico la suma de todos estos parques ya sean eólicos, solares o de alguna otra fuente, aumentando gradualmente el porcentaje que representan en el total de la generación de un determinado país. reactiva que responden a las demandas de los códigos de red antes mencionados. Donde de acuerdo al estado de la red, se ordenan las prioridades para mantener la estabilidad de la máquina y de la red. Para ejemplificar esto, se han tomado los requerimientos de tolerancia para huecos de tensión de parques mayores a 1,5 MW en Dinamarca. En la figura N 2 se observan definidas tres áreas, en la primera, zona A, el aerogenerador debe soportar huecos de un 90% de forma indefinida. El área B demanda que la máquina quede conectada a la red, otorgando el máximo valor de tensión posible a través de la entrega de potencia reactiva controlada a la red. Por último, la zona C permite que el aerogenerador se desconecte. 3. PROBLEMÁTICA Años atrás, ante un inconveniente en la red, estos parques eran desconectados del sistema sin afectar a la estabilidad del servicio. Hoy en día está acción no es recomendable para aquellos países que poseen alta penetración de éstas tecnologías. Tal es el caso de Dinamarca, España, Alemania o Estados Unidos, que ya poseen su propio código de red para parques eólicos donde se especifica una curva de subtensión vs. tiempo que deben soportar dichos parques ante los huecos de tensión (LVRT). Si ocurre una falla, los generadores deben permanecer conectados al igual que el caso de los generadores convencionales y ayudar a mantener la estabilidad en el sistema, aportando corriente reactiva a la red. (Ver figura N 1) [4]. Es por eso que se ha trabajado y se sigue trabajando en todos los componentes de los aerogeneradores para poder cumplir este requisito. Las configuraciones de los generadores de hoy en día, ya sea doblemente alimentado (DFIG) o generador full scale converter, poseen un control de potencia activa y Figura N 2 Requerimientos de tolerancia para huecos de tensión de parques mayores a 1,5 MW [5]. A través de la gráfica, se puede observar que el hueco a soportar puede ser de hasta un 20% durante 0,5 s. Por otro lado, en la figura Nº 3, se observa como el principal objetivo en el área A es entregar la máxima potencia activa posible a la red. Teniendo un lazo de control de potencia reactiva que mantenga el factor de potencia en el rango de 0,95 inductivo y capacitivo. En cambio, en el área B ya el escenario es bajo falla, cambia la prioridad y ahora lo importante es mantener la potencia reactiva, la máquina debe responder a la curva de la figura Nº 3 inyectando corriente reactiva. Ayudando de esta manera a mantener la estabilidad de la tensión, dando una relación de un 2% de corriente por cada 1% de reducción de tensión y llegando al punto de 50% de tensión donde la entrega de corriente es del 100%. Por último, en la zona C no existen requerimientos ya que el parque puede desconectarse de la red. 2 / 6

3 PAPER Figura N 3 Requerimientos de potencia reactiva I Q, durante las caídas de tensión para parques mayores de 1,5 MW [5]. Para lograr este sustento, las máquinas full converter elevan la tensión de su enlace DC del convertidor ante la falla. El desbalance que se genera entre la potencia mecánica y la eléctrica hace que el generador se acelere. Si esto dura demasiado, produce severos perjuicios por la sobrecorriente, dañando el convertidor de potencia y sacando de funcionamiento a las máquinas del parque. Toda esta situación se vuelve más severa si la red es débil ya que produce la inestabilidad del sistema. El desafío entonces, es lograr mantener bajo control el puente DC del convertidor. Para lo cual existen diferentes alternativas algunas de las cuales se implementan de manera conjunta. 4. SOLUCIONES PARA SOPORTAR LOS HUECOS DE TENSIÓN (LVRT) El primer método a revisar es el control del ángulo de paso de las palas. Este control reacciona ante la detección del hueco de tensión, pero debido a que la constante de tiempo que maneja este sistema es muy grande por depender de las inercias mecánicas de las palas, el método sirve para huecos prolongados y ayuda a la estabilidad de la red luego de la perturbación [6] [7]. Uno de los métodos más populares es el circuito crowbar el cual posee diferentes configuraciones y componentes, adaptándose a la tecnología a la cual pertenece el aerogenerador. Aunque su principal objetivo es disipar la energía sobrante evitando el sobre voltaje y la sobre corriente. Muchos buscan su combinación con otros métodos o ideas nuevas que 3 / 6 aprovechen dicha energía y no se desperdicie en calor. Además de reducir las oscilaciones que produce aplicar el método [6][7][8][9][10][11]. Un método diferente es utilizar amplificadores magnéticos, que son una compensación en serie que trabaja como una inductancia variable [12]. Otra opción es utilizar sistemas de almacenamiento de energía (ESS) que conforman el aerogenerador o en otros casos transformar la energía, como por ejemplo el uso de los volantes para sustentar y sobrellevar el hueco. Sumando otra arma contra los LVRT, estas tecnologías como el ECS (sistema capacitor de energía) buscan solucionar dichos problemas, agregando que tienen un ciclo de vida casi sin límites con muy bajas pérdidas, rapidez, eficiencia, control de potencia activa y reactiva. El problema con esta tecnología nueva es su elevado costo por el momento. En este grupo entran también las baterías de diferentes tecnologías, capacitores y supercapacitores [6][7][10][13][14][15][16][17][18][19]. ESS Figura N 4 Sistema de almacenamiento de energía (ESS). Otra técnica es a través de los controles del convertidor, ya sea del lado de la red o del generador, los dos ayudan al propósito final de tratar de sobrellevar los huecos de tensión. El puente DC del rectificador puede ser aliviado si se le quita carga a la máquina por lo que del lado del generador se controla el torque y del lado de la red se bloquea la salida de potencia. Existe también, casos donde se puede encontrar un circuito impulsor en el lazo DC, que ayuda a dichos controles [6]. Por otro lado, se encuentran el conjunto de soluciones que se pueden agrupar dentro de lo que se denomina FACTS (Sistema de Transmisión Flexible de Corriente Alterna), que están compuestos por diferentes esquemas de componentes estáticos de electrónica de potencia. Dichos FACTS ayudan con la potencia reactiva y el nivel de tensión en el punto de acoplamiento común (PCC). A su vez, se pueden clasificar estas soluciones

4 PAPER en paralelo y serie. Los primeros ayudan con la inyección de corriente reactiva y los segundos con el nivel de tensión. Dentro del primer grupo encontramos: STATCOM y SVC: El primero significa por sus siglas en inglés, compensador síncrono estático. Dicho compensador ha sido estudiado en muchos trabajos, donde además se ha comparado con los SVC, del inglés también, sus siglas significan compensador de reactivo. El primero es un inversor auto conmutado que transforma tensión DC en tensión AC trifásica. Dando además flexibilidad de amplitud, frecuencia y ángulo. El segundo compensador inyecta o absorbe de la red potencia reactiva variable. La ventaja de éste último es que ayuda significativamente con los huecos de tensión sin elevar mucho los costos. Pero el STATCOM ayuda en la estabilidad del sistema inyectando corriente reactiva independientemente del estado de tensión de la red. Además de ser mas rápido, más pequeño, tiene mayor rendimiento a igual hueco de tensión que un SVC, sumado a que tiene un ancho de banda de funcionamiento mayor y mayor capacidad de corriente a menores valores de tensión. Sin mencionar que posee un control de armónicos [6][13][20][21]. SDBR (resistencia para el frenado dinámico): este sistema se activa ante la falla, busca disipar la energía sobrante para que no se embale el generador. Este principio tiene poca aplicación ante factores de potencia bajos. SSSC (Compensador estático síncrono en serie): Esta tecnología se basa en aplicar una fuente de tensión en serie. Lo que busca es crear en el enlace DC una tensión igual y opuesta a la caída producida por la falla. También produce un cambio en la impedancia del sistema de transmisión, limitando la corriente pero hay que tener cuidado con esta alternativa, ya que pueden producirse altas corrientes. No obstante, posee un rango de funcionamiento mayor que la siguiente tecnología. TCSC (Capacitor en serie controlado por tiristor): Justamente se regula el ángulo de disparo del tiristor para controlar la impedancia e incrementarla apenas ocurre una falla. El problema es que no soporta mucha sobrecorriente. DVR (Restauración dinámica del voltaje): En este caso, se tiene un conversor trifásico que inyecta tensión al ocurrir una falla. La particularidad de este método, es que entrega la diferencia de tensión que existe entre el valor pre-falla y el existente durante la misma [6][13][22]. MERS: Dicho sistema inyecta tensión capacitiva cancelando la caída reactiva. Esta tecnología proviene de Tokio y tiene un amplio rango de funcionamiento. Se conecta entre la red y el transformador principal del parque. Posee un pequeño capacitor e IGBT s que funcionan a frecuencia de red, tienen bajas pérdidas pero se necesitan cuatro por fase lo que encarece la solución. No obstante, existen nuevas tecnologías que hacen que se miren con buenos ojos esta opción, ya que entre otras ventajas esta la reducción de costos. Los MERS pueden ser utilizados además para mejorar el perfil de tensión del parque [6][13][23]. Figura N 5 Configuración del STATCOM. Por otro lado, entre los compensadores en serie existen muchos tipos y configuraciones entre los cuales se pueden mencionar los siguientes: 4 / 6

5 PAPER que salgan de funcionamiento las fuentes de energía presentes en el sistema [6]. 5. CONCLUSIÓN PARQUE MERS Figura N 6 Compensación MERS (1 Fase). RED SFCL (limitadores de corriente): Las constantes investigaciones buscando soluciones a los problemas que se van presentando para el desarrollo de las nuevas tecnologías, hacen posible el nacimiento de, por ejemplo, los superconductores de alta temperatura que permiten limitar las altas corrientes durante las fallas. Un problema serio con el que hace tiempo se pelea. Estos dispositivos permiten soportar dicho inconveniente, actúan de forma rápida y sin pérdida de energía, aportando mayor eficiencia al sistema [13]. Compensaciones en serie y en paralelo combinadas: Existen sistemas que mezclan, por ejemplo, STATCOM con SSSC unidos con un puente DC. Dicha combinación permite entregar tanto potencia activa como reactiva, buscando una mayor flexibilidad en los compensadores y respondiendo cada vez mejor ante los LVRT, mejorando los transitorios y evitando Luego de realizar la revisión bibliográfica y exponer las distintas soluciones existentes ante los LVRT para diferentes configuraciones de los aerogeneradores actuales; cabe mencionar, que así como cada empresa prefieren el tipo de configuración para sus máquinas, cada solución propuesta para sobrellevar los huecos de tensión que se producen ante diferentes contingencias de la red, tiene su lado positivo. No obstante, a medida que las distintas investigaciones directas o indirectas al tema van descubriendo nuevas tecnologías, se van abriendo nuevas puertas y soluciones a las problemáticas. Dando como resultado, que automáticamente una u otra solución o inclusive una nueva forma de resolver el inconveniente o un conjunte de ellas, se transforma en la favorita de los fabricantes, operadores de red y demás actores del sistema. Obteniendo nuevos beneficios, mayor eficiencia, menores costos, mayor competitividad entre otros. Al descubrirse nuevos materiales que soporten mayores corrientes o que se pueda almacenar mayor energía, con ciclos de vida útil más largos o inclusive que dichos componentes sean más ecológicos, producirán que la generación distribuida con recursos renovables sean cada vez más una realidad. 6. ANEXO Figura N 1 Hueco de tensión de la red vs. Tiempo de los códigos de red de diferentes países [4]. 5 / 6

6 7. BIBLIOGRAFÍA PAPER [1] Global Wind Energy Council (GWEC), Global Wind Report 2012, Abril de Disponible en <http://www.gwec.net> [2] SeaTitan 10 MW. Disponible en <http://www.amsc.com> [3] SWAY ST10. Disponible en <http://www.sway.no> [4] F. Iov, A. D. Hansen, P. Sørensen and N. A. Cutululis, Mapping of grid faults and grid codes, Tech. Rep. Risø-R-1617(EN), Risø Nat. Lab., Tech. Univ. Denmark, Roskilde, Denmark, Jul [5] Energinet, Technical regulation for wind power plants with a power output greater than 11 kw, Septiembre Disponible en < [6] R.A. Ibrahim, M. S. Hamad, Y.G. Dessouky and B. W. Williams. A review on Recent Low Voltage Ride- Through Solutions for PMSG Wind Turbine, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, [7] Marwa Ezzat, Mohamed Benbouzid, S.M. Muyeen and Lennart Harnefors. Low-Voltage Ride-Through Techniques for DFIG-Based Wind Turbines: State-ofthe-Art Review and Future Trends, Industrial Electronics Society, IECON th Annual Conference of the IEEE, Noviembre [8] Lu Zhang, Xinmin Jin, Liangyu Zhan. A Novel LVRT Control Strategy of DFIG based Rotor Active Crowbar, Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2011 Asia-Pacific, Marzo [9] Jean Momeau, Chad Abbey and Geza Joos, Effect of Low Voltage Ride Through Technologies on Wind Farm, Electrical Power Conference, IEEE Canada. Octubre [10] Chi Jin, Peng Wang, Enhancement of Low Voltage Ride-Through Capability for Wind Turbine Driven DFIG with Active Crowbar and Battery Energy Storage System, Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE, Julio [11] G. Joós, Wind Turbine Generator Low Voltage Ride through Requirements and Solutions, Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE, Julio [12] R. A. Ibrahim, M. S. Hamad, Y.G. Dessouky and B. W. Williams, Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2012 IEEE, Septiembre [13] GONG Wenming, WANG Yun, HU Shuju, XU Honghua, A Survey on Recent Low Voltage 6 / 6 Ride-Through Solutions of Large Scale Wind Farm, Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2011 Asia-Pacific, Marzo [14] Wenliang Wang, Baoming Ge, Daqiang Bi, Ming Qin and Wei Liu Energy Storage based LVRT and Stabilizing Power Control for Direct-Drive Wind Power System Power System Technology (POWERCON), 2010 International Conference, Octubre [15] Gayathri, T, Ananth, D.V.N. ; Kumar, G.V.N. ; Sivanagaraju, G. Enhancement in Dynamic and LVRT Behaviour of an EFOC Controlled DFIG with Integrated Battery Energy Storage System, India Conference (INDICON), 2013 Annual IEEE. [16] Chad Abbey and Géza Joos, Short-term Energy Storage for Wind Energy Applications, Industry Applications Conference, Fourtieth IAS Annual Meeting. Conference Record of the [17] Chad Abbey and Géza Joos Supercapacitor Energy Storage for Wind Energy Applications, Industry Applications, IEEE Transactions on (Volume:43, Issue: 3 ), junio [18] Gayathri Nair S and Nilanjan Senroy Wind Turbine with Flywheel for Improved Power Smoothening and L VRT Power and Energy Society General Meeting (PES), 2013 IEEE. [19] Geza JoosWind, Turbine Generator Low Voltage Ride through Requirements and Solutions Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE. [20] LI Huan-ping, YANG Jin-ming, The Performance Research of Large Scale Wind Farm Connected to External Power Grid, Power Electronics Systems and Applications, PESA rd International Conference. [21] Marta Molinas, Jon Are Suul, and Tore Undeland, Low Voltage Ride Through of Wind Farms With Cage Generators: STATCOM Versus SVC, Power Electronics, IEEE Transactions, May [22] Ahmad Osman Ibrahim, Thanh Hai Nguyen, Dong- Choon Lee and Su-Chang Kim, A Fault Ride-Through Technique of DFIG Wind Turbine Systems Using Dynamic Voltage Restorers, IEEE Transactions On Energy Conversion, September Turbine Systems Using Dynamic Voltage Restorers [23] Jan Arild Wiik, Olav Jakob Fønstelien and Ryuichi Shimada A MERS type Series FACTS Controller for Low Voltage Ride Through of Induction Generators inwind Farms, Power Electronics and Applications, EPE '09. 13th European Conference.

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