Autor: Diez Martínez, Marta. Director: Rouco Rodríguez, Luis. Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.

Transcripción

1 MODELO DE GENERADORES EÓLICOS ASÍNCRONOS DOBLEMENTE ALIMENTADOS PARA ESTUDIOS DE ESTABILIDAD DE PEQUEÑA PERTURBACIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS Autor: Diez Martínez, Marta. Director: Rouco Rodríguez, Luis. Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Ante el imparable incremento de la demanda de energía eléctrica, así como del creciente interés social por la conservación del medio ambiente, el futuro de la producción implica el concepto de generación distribuida, optimizando recursos y minimizando pérdidas, sin olvidar el respeto a nuestro entorno. Todo esto hace que las energías renovables sean fundamentales de cara al futuro. La estabilidad de sistemas de energía eléctrica se ocupa del estudio de la capacidad del sistema eléctrico de alcanzar un punto de equilibrio estable tras la ocurrencia de una perturbación. La estabilidad aborda un aspecto del comportamiento dinámico de los sistemas de energía eléctrica. Los sistemas eléctricos son, probablemente, uno de los sistemas dinámicos más grandes y complejos creados por el hombre. La escala de tiempo de los fenómenos dinámicos y transitorios presentes en los sistemas eléctricos es muy amplia: desde los microsegundos de las sobretensiones debidas a la caída de un rayo hasta los minutos de la variación de la demanda a lo largo del día. La estabilidad aborda los fenómenos que se encuentran en la escala de segundos. El problema de la estabilidad de sistemas de energía eléctrica es muy complejo. Por ello se han establecido clasificaciones para poder caracterizar de forma precisa los diferentes fenómenos que pueden encontrarse en la realidad. Los problemas de estabilidad se clasifican en: estabilidad de ángulo y estabilidad de tensiones estabilidad de gran perturbación y estabilidad de pequeña perturbación estabilidad de corto plazo y estabilidad de largo plazo

2 La estabilidad de ángulo está interesada en la capacidad de los generadores de funcionar en sincronismo. La estabilidad de tensiones se ocupa, por el contrario, en la capacidad de los generadores de alimentar las cargas a niveles de tensión aceptables. Se dice que una perturbación es grande cuando las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinámico del sistema no se pueden linealizar. Por el contrario, una perturbación es pequeña cuando las ecuaciones se pueden linealizar alrededor de un punto de funcionamiento. La estabilidad de corto plazo presta atención a aquellas dinámicas dominadas por los generadores y sus sistemas de control primario (reguladores de tensión y de carga velocidad). La estabilidad de largo plazo considera que las dinámicas dominantes son las de las fuentes de energía primaria de los generadores (calderas, reactores nucleares, circuitos hidráulicos de las centrales hidroeléctricas etc.) y de los controles automáticos de generación y el control de tensiones. Cuando en estudios de estabilidad de sistemas eléctricos se habla de estabilidad de pequeña perturbación se refiere al problema de oscilaciones poco amortiguadas de los rotores de los generadores en el margen de frecuencias comprendido entre 0,1 y 2 Hz. Las oscilaciones de los rotores se traducen en oscilaciones de las potencias por líneas y transformadores y de las tensiones de los nudos. El problema de estabilidad de pequeña perturbación, es, de forma precisa, un problema de estabilidad de ángulo, de corto plazo y de pequeña perturbación. Este proyecto fin de carrera sirve de base para el estudio del problema de la estabilidad de pequeña perturbación en un caso específico: en presencia de generación eólica. La Unión Europea ha establecido como objetivo que el 12% del consumo de energía primaria sea proporcionado con fuentes de energía renovables. El cumplimiento del Protocolo de Kioto proporciona un impulso adicional al desarrollo de las fuentes de energía renovable. Para lograr este objetivo, se han concebido, diversas políticas de promoción de las energías renovables. La que ha resultado más exitosa ha sido aquella en la que se fija un precio de remuneración de la energía eólica. Esta ha sido la política adoptada en Alemania y España, que son los dos países europeos con mayor potencia eólica instalada.

3 En el desarrollo de las tecnologías de generación eólica se ha avanzado de forma muy significativa en el desarrollo de turbinas eólicas y generadores eléctricos. En el campo de las turbinas, y de las palas, los modelos comerciales alcanzan ya una potencia de 2MW. En el ámbito de los generadores eléctricos se ha pasado de las máquinas de inducción de jaula de ardilla con muy limitadas capacidades de control a máquinas síncronas multipolares con regulación de velocidad del rotor y control de potencia reactiva. Para el estudio de estabilidad de pequeña perturbación de sistemas eléctricos, el objetivo de este proyecto es la construcción de un modelo de generador asíncrono doblemente alimentado. Este tipo de aerogeneradores pueden generar una tensión de valor eficaz y frecuencia constante aunque su eje gire a velocidad variable. Para ello se alimenta el rotor de la máquina con un convertidor de frecuencia con el que se consigue por un lado regular la amplitud, frecuencia y fase de la tensión aplicada al rotor, lo cual permite realizar un control vectorial de la máquina para regular el par electromagnético y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades de giro, tanto por encima como por debajo de la velocidad de sincronismo. También se logra realizar una regulación independiente de las potencias activa y reactiva, lo que permite extraer o inyectar la potencia activa generada en el rotor de la máquina y controlar la potencia reactiva intercambiada entre este convertidor y la red. Por estas razones el generador asíncrono de doble alimentación es uno de los sistemas más utilizados en aerogeneradores de velocidad variable, suponiendo el 60% de los aerogeneradores utilizados en nuestro país.

4 WIND DOUBLY-FED ASYNCHRONOUS GENERATORS MODEL FOR STUDIES OF SMALL DISTURBANCE STABILITY OF ELECTRICAL SYSTEMS With the unstoppable increase of the demand of electric power, as well as the increasing social interest for the environment conservation, the future of the production implies the concept of distributed generation, optimizing resources and minimizing losses, without forgetting the respect for our environment. All this make the renewable energies fundamental for the future. The electric power system stability studies the capacity of the electrical system to reach stable equilibrium after the occurrence of a disturbance. The stability approaches an aspect of the dynamical behavior of the electric power systems. The electrical systems are, probably, one of the biggest and complex dynamical systems created by men. The scale of time of the dynamical and transitory phenomena in the electrical systems is very wide: from the microsecond of the overtensions due to the fall of a lightning, up to the minutes of the variation of the demand throughout the day. The stability approaches the phenomena in the scale of seconds. The problem of the electric power system stability is very complex, so, classifications have been established to be able to characterize precisely the different phenomena that can appear in the real system. The problems of stability are qualified in: angle stability and tension stability great disturbance stability and small disturbance stability short term stability and long term stability The angle stability studies the capacity of generators to work in synchronism. The tension stability studies the capacity of generators to feed the charges to acceptable levels of tension. A disturbance is a great disturbance when the differential equations that describe the dynamical behavior of the system cannot be linearized. On the other hand, a disturbance is small distubance when the equations can be linearized in the range of a working point.

5 The short term stability studies the dynamics dominated by the generators and their primary control systems (tension and load speed regulators). The long term stability considers that the dominating dynamics are the ones of the primary energy sources of the generators (boilers, nuclear reactors, hydraulic circuits of the hydroelectric head plants etc.) and of the automatic controls of generation and the tension control. When in studies of stability of electrical systems we refer to small disturbance stability we refer to the problem of little muffled oscillations of the generator s rotor in the margin of frequencies included between 0,1 and 2 Hz. The rotor oscillations are converted in power oscillations by lines and transformers. The problem of small disturbance stability is an angle stability, a short term and a small disturbance problem. This project is used as base for the study of the problem of small disturbance stability in presence of wind generation. The European Union has established as an aim that the 12 % of the primary energy has to be provided by renewable sources of energy. The fulfillment of the Kioto s Protocol provides an additional impulse to the development of the sources of renewable energy. To achieve this aim diverse promotion politics have been conceived for the renewable energies. The one that has turned out to be more successful involves a fixed price of remuneration of the wind power. The two european countries with most wind power installed, Germany and Spain, have adopted this politic. In the development of the technologies of wind generation scientist have been made very important advances in the construction of wind turbines and electrical generators. In the field of turbines, and of spades, the commercial models reach already a power of 2MW. In the electrical generators area, we have gone from the squirrel-cage induction motor with very limited capacities of control to synchronous multipolar machines with speed regulation of the rotor and reactive power control. For the study of small disturbance stability of electrical systems, this project is aimed to develop a doubly-fed asynchronous generator model. This type of wind generators can generate a constant effective value tension and frequency though it s axis turns to variable speed. For it the rotor of the machine is fed from a frequency convertor that manages to regulate the frequency and phase of the tension applied to the rotor,

6 which allows a vectorial control of the machine to regulate the electromagnetic torque and the power factor of the generator in a wide margin of speeds of the draft, above and below from the synchronism speed. It is also possible an independent regulation from the active and reactive powers, which allows to extract or to inject the active power generated in the rotor of the machine and to control the reactive power interchanged between this convertor and the net. For these reasons the doublyfed asynchronous generator is one of the systems most used in wind generators of variable speed, reaching up to 60 % of the wind generators used in our country.