Generadores para turbinas eólicas

Transcripción

1 Energías Alternativas ENTREGA 1 Generadores para turbinas eólicas La generación eólica se ha desarrollado notoriamente en los últimos tiempos del punto de vista tecnológico, resultado de las políticas energéticas desarrolladas por diversos países. Estos adelantos tecnológicos han permitido mitigar los aspectos adversos de la energía eólica, como pueden ser la contaminación acústica, contaminación visual y estabilidad de las redes entre otros. Este desarrollo tecnológico anteriormente mencionado, ha conducido al desarrollo de distintos tipos de generadores para turbinas eólicas, así como la optimización del control de las mismas. Este artículo tiene como objetivo principal, mostrar las distintas tecnologías de generadores para turbinas eólicas, sus ventajas y desventajas frente a otras y sus mecanismos de control en sus rasgos generales. Elaborado por Diego Oroño, Martín Sapio, Gustavo Terzano y Andrés Vázquez, Facultad de Ingeniería, UdelaR, Instituto de Ingeniería Eléctrica, Uruguay. Distintas tecnologías de generadores El generador es uno de los elementos principales de una turbina eólica, en base a este se dimensionan los restantes elementos del sistema de supervisión y control. Se elige usar generadores de corriente alterna debido a su peso, ya que el uso de generadores de corriente continua implicaría elevados pesos, lo que tendría como consecuencia dimensiones excesivas de la góndola. Otras ventajas que presentan los generadores de corriente alterna frente a los de corriente continua son los menores costos de mantenimiento y su disponibilidad en el mercado. A grandes rasgos los generadores síncronos se caracterizan por la necesidad de mantener la velocidad del rotor constante para poder generar a potencia constante. Esto produce esfuerzos mecánicos importantes sobre el siste- ma de trasmisión y oscilaciones en la potencia mecánica. Por ello, es menester el uso de un convertidor de electrónica de potencia para conectar el generador a la red de forma de eliminar estas contingencias. Por otro lado, los generadores asíncronos, permiten pequeñas variaciones en la velocidad sin necesidad de variar la frecuencia, esto permite el aprovechamiento de la energía cinética disponible en pequeñas ráfagas de viento. A continuación se presentan las dos grandes familias de generadores, dentro de la cuales aparecen múltiples variantes. Generadores asíncronos Estos generadores tienen como principal ventaja, que pueden mantener la frecuencia constante en sus bornes con pequeñas variaciones en la velocidad de giro. Por otro lado estas máquinas tienen la necesidad de consumir energía reactiva, hecho por el cual el so de las mismas, requiere de compensación de reactiva. En la figura 1, se puede apreciar el consumo de reactiva en función de la potencia activa generada. Una posible solución para compensar este hecho es la colocación de bancos de capacitores de pasos variables, u otra solución podría ser un control de reactiva mediante un compensador estático compuesto por tiristores o filtros activos con IG- BT, lo cual implicaría un costo adicional. Otro factor a tener en cuenta en los generadores asíncronos, es que la conexión de los mismos a la red implica picos de corrientes elevados, los cuales podrían disparar las protecciones. Para mitigar este efecto, se emplea en algunas configuraciones un arrancador suave para el arranque de estas máquinas, teniendo como precaución desconectar los capacitores durante el arran- 16

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3 Energías Alternativas que, debido al importante contenido armónico estos proporcionarían. Otra desventaja de los generadores asíncronos, es la necesidad del uso de una caja multiplicadora, la cual introduce pérdidas mecánicas en el aerogenerador así como el encarecimiento del mantenimiento, sobrecostos en la estructura y mayor contaminación acústica. p.u. 1 η 0,8 0,6 0,4 cos ϕ Q S /Q Sn A continuación se presentarán las tecnologías basadas en aerogeneradores de velocidad fija y velocidad variable. 0,2 a. Aerogeneradores de velocidad fija Generador síncrono de rotor bobinado. Generador de imanes permanentes. b. Aerogeneradores de velocidad variable Generador asíncrono con control de deslizamiento mediante resistencia rotórica. Generador asíncrono con control de deslizamiento con recuperación de energía. Generador doblemente alimentado (DFIG). Generador asíncrono de jaula de ardilla ,5 1 1,5 P S /P Sn Figura 1. Rendimiento, factor de potencia y evolución de reactiva según carga Gearbox Pitch Stall Active Stall Induction generator Reactive compensator Figura 2. Configuración de un aerogenerador de velocidad fija Grid Aerogeneradores de velocidad fija Este tipo de generador se usa directamente conectado a la red, ver fig. 2. Como se menciona anteriormente estos generadores generan a frecuencia constante impuesta por la red, admitiendo pequeñas variaciones en la velocidad del rotor asociadas al deslizamiento eléctrico de la máquina. Las principales desventajas que presenta esta configuración son: los esfuerzos dinámicos de la caja de trasmisión ante ráfagas de viento, un control lento sobre la potencia suministrada a la red y la necesidad de un arrancador de estado sólido. En contrapartida presenta la gran ventaja de su costo y fiabilidad. Aerogeneradores de velocidad variable La elección de los generadores de velocidad variable se ha hecho más habitual en los últimos tiempos debido a las fluctuaciones de potencia activa y reactiva en los sistemas de velocidad fija, hecho que se corresponde a la variabilidad de la velocidad del viento. Esta tecnología permite un mejor aprovechamiento del recurso eólico, debido a que mantiene al aerogenerador en el punto óptimo de funcionamiento para distintas velocidades de viento. Esta estrategia de control es conocida como Maximun Power Tracking, la misma es posible debido a los avances tecnológicos de la electrónica de potencia y microcontroladores. Como se ha mencionado anteriormente, se puede decir que la principal ventaja de estos aerogeneradores, es el aprovechamiento óptimo del recurso eólico, junto con la reducción de las cargas del sistema mecánico. A continuación se presentan las distintas tecnologías y métodos de control de aerogeneradores de velocidad variable. Control de deslizamiento mediante resistencia rotórica Esta configuración mostrada en la figura 3, consta de un control sobre el desliza- miento de la máquina de inducción de rotor bobinado, el cual se logra cambiando la resistencia vista del rotor de la máquina. El principal objetivo de esta configuración es mantener constante la potencia activa a la salida del aerogenerador, para lograr esto ante ráfagas de viento, se cambia la resistencia vista del rotor, de manera que el exceso de potencia se disipe en estas resistencias del rotor, lo que hace que esta configuración no sea la más eficiente. Este tipo de control permite operar al generador hasta un 10% por encima de su velocidad nominal. En capítulos posteriores se desarrollará esta configuración más detalladamente. Control de deslizamiento con recuperación de energía Este sistema presentado en la figura 4, actualmente en desuso, es conocido como el método de Sherbius estático. Esta configuración es una variante más efi- 18

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5 Energías Alternativas Pitch Gearbox Wounded Rotor Induction generator Resistance control with PE Ω - + Ω P Ω RV Reactive compensator Figura 3. Configuración de control de deslizamiento mediante reostato rotórico U DCR U DCI I I R R - + RC Sensor Grid que se conecta a un convertidor de frecuencia electrónico, el cual cumple el papel de intermediario entre la máquina y la red. Esta configuración permite una generación a tensión y frecuencia constante para un rango de fi30% (2) entorno de la velocidad de sincronismo. Esta configuración muchas veces consta de un convertidor de frecuencia compuesto por dos convertidores AC=DC reversibles. El control que implementa esta configuración consiste en regular el par electromagnético y el factor de potencia del generador para un amplio rango de velocidades, tanto para velocidades subsíncronas como supersíncronas. Los convertidores que se encargan de conectar el rotor del generador y la red, son los encargados de regular el flujo de potencia activa y reactiva intercambiada entre la máquina y la red, así como mantener la tensión en el bus de continua constante. Figura 4. Configuración de control de deslizamiento con recuperación de energía CG Figura 5. Configuración doblemente alimentado DFIG ciente que el control de deslizamiento mediante resistencia rotórica, sustituyendo el reóstato por un puente rectificador de diodos, bus de continua, y por último un inversor, el cual es el encargado de inyectar la potencia extraída del rotor a la red. Control CR mayor potencia eléctrica generada. Este método presenta la limitante, de no poder generar a velocidades inferiores de la de sincronismo, lo que se traduce en no poder aprovechar el recurso eólico a bajas velocidades de viento. A modo de resumen, se puede decir que esta configuración realiza un control de la energía inyectada a la red símil a la realizada por una máquina sincrónica, a diferencia que en este caso se admiten variaciones en la velocidad de giro de las máquinas. Vale aclarar que los convertidores que conectan la máquina y la red, tienen un porte de aproximadamente entre un 20% y 30% de la potencia nominal de la máquina, lo que reduce los costos significativamente comparado con uno para una máquina sincrónica y velocidad variable. Por estas razones, este tipo de configuración es una de las más utilizadas actualmente, a priori la misma permite un máximo aprovechamiento del recurso eólico, junto con una minimización del efecto producido por variaciones de la velocidad del viento. Continuará... Es notoria la mayor eficiencia de este método debido a que en lugar de disipar la energía en las resistencias del rotor, la inyecta en la red, obteniéndose una Generador asíncrono doblemente alimentado (DFIG) El DFIG, ver figura 5, consta de un generador asíncrono de rotor bobinado, (1) Rango dependiente de la capacidad de los convertidores 20

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