CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES DE LAS TURBINAS EÓLICAS

Transcripción

1 CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES DE LAS TURBINAS EÓLICAS

2 Comportamiento en una Granja Eólica Estela de la turbina Turbulencia Déficit de velocidad Consecuencia de la estela de la turbina Pérdidas de conjunto Curvas de potencia de la granja eólica Fluctuaciones de potencia suavizadas

3 Estela de una Turbina Eólica El déficit de velocidad detrás de las turbinas reduce la producción de energía en esa dirección La turbulencia re-energiza el flujo de viento La turbulencia se incrementa en la estela de las turbinas

4 Dado que un aerogenerador produce energía a partir de la energía del viento, el viento que abandona la turbina debe tener un contenido energético menor que el que llega a la turbina.

5 Esto se deduce directamente del hecho de que la energía ni se crea ni se destruye. Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De hecho, habrá una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta y ralentizada, si se compara con el viento que llega a la turbina (la expresión estela proviene, obviamente, de la estela que deja un barco tras de si). Realmente puede verse la estela tras un aerogenerador si se le añade humo al aire que va a pasar a través de la turbina, tal y como se ha hecho en la imagen. (esta turbina en particular fue diseñada para girar en sentido contrario al de las agujas del reloj, algo inusual en los aerogeneradores modernos). En los parques eólicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de las turbinas, cada una de ellas suele estar separada del resto una distancia mínima equivalente a tres diámetros del rotor. En las direcciones de viento dominante esta separación es incluso mayor.

6 Pérdidas de Conjunto (Array) Pérdidas de conjunto producción de energía reducida debido al déficit de velocidad causado por las turbinas que se anteponen al viento Las pérdidas de conjunto son función de: Espaciamiento entre turbinas Características de operación de la turbina Tamaño de la turbina y de la granja eólica Intensidad de turbulencia Distribución de las direcciones de viento

7 Ejemplo de Pérdida de Conjunto Turbine Array Downwind Spacing Prevailing Wind Crosswind Spacing Wind Turbine Wind Farm Nomenclature

8 Tal y como se vio en la sección anterior sobre el efecto de la estela, cada aerogenerador ralentizará el viento tras de sí al obtener energía de él para convertirla en electricidad. Por tanto, lo ideal sería poder separar las turbinas lo máximo posible en la dirección de viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexión de los aerogeneradores a la red eléctrica aconseja instalar las turbinas más cerca unas de otras. Como norma general, la separación entre aero- generadores en un parque eólico es de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes. En este dibujo se han situado 3 filas de cinco turbinas cada una siguiendo un modelo totalmente típico. Las turbinas (los puntos blancos) están separadas 7 diámetros en la dirección de viento dominante y 4 diámetros en la dirección perpendicular a la de los vientos dominantes.

9 Array Losses, % Ejemplo de Pérdida de Conjunto Wind from all directions Turbulence Intensity = Wind from one direction Turbulence Intensity = Crosswind Spacing/Rotor Diameter Pérdidas de conjunto típicas pueden ser de 5-10 % El número de turbinas y su ubicación deben ser seleccionados para optimizar la economía del proyecto

10 Curva de Potencia de la Granja Las turbinas que enfrentan al viento arrancan antes que las otras Las turbinas que enfrentan al viento producen su potencia nominal antes que las otras La curva de potencia de la granja eólica es diferente del de las turbinas individuales Eólica Percent of rated power Single turbine Wind farm Wind speed, m/s 20 24

11 Fluctuaciones de Potencia Suavizadas en una Granja Eólica Cada turbina recibe vientos levemente diferentes, suavizando las fluctuaciones de potencia El suavizar las fluctuaciones de potencia depende de: El espaciamiento y el número de turbinas Las características del viento Power, kw Turbine Power Power, kw Total Wind Farm Power Time, sec Turbina individual Sec Time, sec Granja eólica (4 turbinas)

12 Efecto de atenuación de las variaciones de tensión en parques eólicos con el aumento del número de aerogeneradores

13 La operación de conexión y desconexión en un parque eólico puede generar variaciones de tensión con una frecuencia cerca del rango de frecuencia de flicker. Para cuantificar el impacto del flicker durante la operación de conexión según la potencia de cortocircuito y la potencia nominal del generador, se ha establecido un factor de flicker de arranque Flicker en funcionamiento continuo La generación de flicker por parte de un parque eólico en funcionamiento continuo es causada por: La variación del viento estocástico: el espectro de potencia de viento contiene una variación de 10 % con una frecuencia entre 1 hasta 10 Hz; esta variación puede transmitirse a la potencia eléctrica generada.

14 La variación del viento debido a ráfagas de viento: la amplitud de las ráfagas puede alcanzar 20% de la velocidad media con una duración hasta 30s. Efecto sombra de las torres: las torres provocan el efecto sombra cada vez que una pala pasa a estar alineada con la torre; el par medio disminuye hasta un 30% con una frecuencia de 1-1,5 Hz. Las diferentes contribuciones del viento a lo largo de las palas: puesto que la velocidad de viento puede variar entre la punta más baja y la punta más alta de las palas, pudiendo causar una fluctuación de par con una frecuencia de 0,3-0,5 Hz y una amplitud de algunos porcentajes del par nominal. Oscilaciones en el sistema mecánico Intensidades y tensiones armónicas del convertidor de frecuencia Todos estos fenómenos causan variaciones de la potencia activa generada por el parque eólico y por tanto provocan unas variaciones de tensión en el rango de frecuencias donde aparece el flicker. Además, la emisión de flicker depende, otra vez, de factores externos como la potencia de cortocircuito y el ángulo de fase de la impedancia.

15 CONEXIÓN ELÉCTRICA DE UN PARQUE EÓLICO La tensión de los aerogeneradores es menor de 1000 V Esto obedece a Mas de un aspecto: 1.-Las normas de seguridad son exigentes con valores de tensión mayor a este valor. 2.- como se utilizan cables colgantes es mejor con menor tensión 3.- Los generadores tienen menor costo. Sin embargo esto obliga al uso de transformadores que pueden estar en la Misma torre del aerogenerador o cercano. En los actuales parques se Conecta cada generador a un transformador y no varios a uno solo (sistema Antiguo). Cuando se trata de un parque eólico de gran porte se requieren dos niveles de transformación. El primero eleva la tensión desde BT a MT (13.2 o 33 kv), agrupando varios generadores para cada transformador. El segundo nivel centraliza para una subestación cercana las líneas de MT y eleva a AT. Desde ésta SE se llevarán las líneas de AT para ser distribuidas utilizando una SE de distribución. El gráfico de la siguiente diapositiva permite ver un sistema:

16 El análisis de la integración de las turbinas eólicas a la red eléctrica existente se inicia con la elección de la turbina eólica por ser la fuente de energía a conectar al sistema. El comportamiento de la turbina en cuanto a su velocidad de rotación y la forma en que dicha velocidad pueda variar determina el aprovechamiento del recurso eólico (por la variación de la velocidad específica), el impacto por la interconexión del aerogenerador a la red eléctrica y a las solicitaciones mecánicas a las que se ve sometido. Las configuraciones son: Velocidad Constante (variación < 2%) Prácticamente constante Variable Descripción Tipo de Generador Generador asíncrono directamente conectado a la red, una variante es utilizar un generador asíncrono con dos devanados (6 polos para velocidad baja y 4 polos para velocidad de viento mayor) (Variación < 10%) - Generador asíncrono con resistencias en el rotor con el fin de permitir mayor deslizamiento. Generador asíncrono doblemente alimentado ó generador síncrono (multipolos sin caja multiplicadora) excitado mediante convertidor o con rotor de imanes permanentes.

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18 Un parque eólico presenta características diferentes a las de un turbogenerador aislado: 1. pérdidas de conjunto por efecto estela 2. fluctuaciones de potencia suavizada 3. Puede producir fenómenos de armónicas y flickeo. La fortaleza de la red es entonces importante para la viabilidad eléctrica del parque. La tensión generada por los aerogeneradores es B.T. (generalmente 0.69 (kv) por lo que la interconexión entre los equipos se efectúa mediante transformadores de 0.69/20 (kv) por ejemplo (en los Países latinoamericanos puede ser de 0.69/13.2 kv). La Subestación transformadora que conecta el parque a la red eléctrica generalmente eleva desde M.T. (media tensión) a A.T. (alta tensión), por ejemplo 20/120 (kv) (en Países latinoamericanos de 13.2/132 kv).

19 Dos parámetros referidos a la variación de tensión por unidad se valoran en el flicker (ecuación (11) 20 Scc > Q): Pst (corta duración) se calcula sobre un período de 10 minutos, y el Plt (larga duración) se calcula para 12 valores de Pst en un período de 2 horas. Se deben analizar las variaciones de la tensión en conexión y el flicker durante la operación de conexión y en funcionamiento continuo. Márgenes de tensión a respetar variables Nível Ptos frontera eventual porcentajes Tipo de análisis tensión Vn -2,5%<Vn<5% -6,25<Vn<8,75 10% durante 95% tiempo (depende de la norma) flujo de cargas Comportamiento del sistema frente a contingencias (análisis de contingencias) Fallo simple Fallo de doble circuito No se producen cortes de mercado, sin sobrecargas, los transformadores no se sobrecargan mas del 10% en invierno y 0% en verano, las tensiones se mantienen dentro de los puntos frontera. No se producen cortes de mercado, se admite un 15% de sobrecarga, se admite sobrecarga en transformadores hasta el 20% en inverno y 10% en verano.

20 Variación de tensión durante la conexión Frecuencia máxima de conexión: 3 por minuto Límite de la caída de tensión: 2% - Flicker Análisis en funcionamiento continuo y durante las operaciones de conexión Calidad de suministro Los generadores de inducción con conexión directa quedan exceptuados (no tienen convertidores) Los generadores con convertidores deben cumplir las normas vigentes. Capacidad térmica de la línea descripción La potencia total de instalación conectada no superará el 50% de la capacidad de la línea en el punto de conexión y del transformador si estuviera conectado a uno Potencia máxima evacuable descripción La potencia máxima evacuable en cada punto de conexión no superará el 5% de la potencia mínima de cortocircuito en dicho punto sin aportar nuevas instalaciones. Pmax = Scc/20 (MVA) Potencia máxima evacuable descripción Factor de potencia adecuado a las normas Tipo de análisis flujo de cargas Tipo de análisis análisis de cortocircuito Tipo de análisis Flujo de cargas