SISTEMA ELÉCTRICO DE CONEXIÓN A RED COMPACTO CON CONVERTIDOR DE CUATRO CUADRANTES

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1 SISTEMA ELÉCTRICO DE CONEXIÓN A RED COMPACTO CON CONVERTIDOR DE CUATRO CUADRANTES Autora: Hernández Lorente, Virginia. Director: Talavera Martín, Juan Antonio. Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Las grandes cantidades de energía no renovable que se consumen en el mundo actual tienen un gran impacto medio ambiental. Con demandas energéticas cada vez más exigentes, hay que plantear una alternativa de cambio hacia un futuro más limpio y sostenible. En este proyecto se van a diseñar los circuitos de potencia de una turbina eólica marina de última generación. La energía eólica es una de las más relevantes hoy en día por el reducido impacto que tiene en el medioambiente y por el hecho de utilizar el viento para generar la energía, que es un recurso inagotable. Esta energía renovable ha ido creciendo no sólo en potencia instalada sino también en la capacidad de generación de los aerogeneradores. La necesidad de vientos de mayores velocidades y más estables ha propiciado el desarrollo de sistemas eólicos ubicados en mar, es decir, sistemas eólicos offshore. Este proyecto se centra en el estudio del sistema eléctrico de conexión a red para un aerogenerador marino de 5MW de capacidad. Se ha precisado contactar con diferentes fabricantes para valorar distintas alternativas, optimizando el diseño tecnológico de los equipos sin olvidar la valoración económica. El esquema que se ha seguido en el diseño se muestra en la Ilustración 1.

2 Ilustración 1: Esquema unifilar de conexión a red En primer lugar, el generador utilizado en el diseño es un generador síncrono de imanes permanentes. Esto plantea un problema en su conexión a red debido a la variabilidad de tensión y velocidad obtenida. Con esta variabilidad, no se puede conectar el generador directamente a la red ya que precisa unos valores de tensión y frecuencia estables. La solución vendrá dada por un convertidor de potencia que permita la conexión del generador a la red optimizando la generación de potencia a velocidades de viento bajas. Se trata de un convertidor full-power de cuatro cuadrantes lo que permitirá que el convertidor trabaje en cuatro zonas de funcionamiento diferenciadas. Esto es un aspecto de gran importancia ya que aunque nuestro generador ceda energía al convertidor, es posible que durante otras maniobras como en caso de mantenimiento, se comporte como motor. El convertidor elegido en el diseño ha sido del fabricante ABB que utiliza dos subconvertidores acoplados. El uso de dos subconvertidores en lugar de un único subconvertidor ofrece numerosas ventajas explicadas en profundidad en el proyecto. El convertidor cuenta con numerosas entradas y salidas desde y hacia PLC. Una de estas será la que permitirá establecer si el convertidor actúa con control de par o de velocidad, utilizándose el control de velocidad sólo durante mantenimiento. Los transformadores de potencia son equipos indispensables en el sistema eléctrico. Tendremos que analizar cual representa la mejor alternativa para nuestro generador offshore. Las características diferenciadoras de cara a elegir el modelo adecuado para el diseño serán el mantenimiento necesario o el riesgo de incendio. Puesto que el aerogenerador a diseñar es offshore, se tenderá a una alternativa que requiera un bajo mantenimiento. Se tiende por tanto a transformadores secos encapsulados al vacío que se

3 ajustan mejor al diseño debido a sus características constructivas. Se ha optado por un transformador del fabricante ABB con una potencia de 6MVA. Además contaremos con otro transformador del fabricante ABB que permitirá conectar el circuito eléctrico principal con los sistemas de control de paso y de orientación. Este sistema de control será el encargado de, entre otras cosas, llevar el aerogenerador a parada ante situaciones de riesgo o para el mantenimiento del aerogenerador. Para proteger a los transformadores se incluirán celdas equipadas con interruptores automáticos. Se optará por dos celdas de línea y dos de protección del fabricante TiPem. Estos interruptores estarán conectados mediante pletinas de cobre a media tensión. Las pletinas admiten a igual elevación de temperatura, intensidades de corriente mucho más fuertes que las barras desnudas o los cables. El fabricante elegido para las pletinas es Wöhnelec. Las pletinas normalizadas de cobre utilizadas para la conexión de los interruptores soportan tensiones muy altas, esto producirá un campo eléctrico entre ellas. Se ha estudiado el campo eléctrico que se produce entre las barras de cobre, para concluir posteriormente qué geometría de las barras resulta más adecuada para mi diseño asegurándonos de que no se supera la rigidez dieléctrica del aire en la configuración. Para este estudio se ha utilizado el programa ANSYS. La configuración final por la que se ha optado se muestra en la Ilustración 2. Ilustración 2: Configuración pletinas en ANSYS

4 Se incluirá en el diseño un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) que permitirá alimentar las cargas críticas del circuito eléctrico como los sistemas de control o el convertidor ante algún fallo crítico. Tras comparar los diferentes modelos de SAIs, se va a optar por una configuración de doble conversión u online. Se trata de la versión más avanzada. Aquí la batería y el inversor están permanentemente siendo utilizados y por tanto tendrá un tiempo de respuesta muy corto ante el fallo de red. El sistema de alimentación ininterrumpida es del fabricante Zigor. Además, se han especificado los diferentes cables a utilizar para conectar los diferentes elementos del circuito eléctrico de acuerdo con el Reglamento Electrotécnico. Todo sistema eléctrico debe contar con un sistema de protección que se encargue de detectar y despejar defectos, sobrefuncionamientos o malfuncionamientos. El proyecto evaluará las distintas funciones de protección que sean necesarias para proteger el generador, el convertidor y el transformador y se elegirán los relés necesarios para estas funciones de protección. Además se estudiarán los distintos transformadores de tensión o de intensidad necesarios para conectar estos relés de protección. Una vez evaluados y elegidos los diferentes equipos que forman el sistema eléctrico del aerogenerador, se ha realizado un análisis económico de los costes. El coste final obtenido es de ,95.

5 COMPACT ELECTRICAL SYSTEM CONNECTED TO THE NETWORK WITH CONVERTER IN FOUR QUADRANTS Author: Hernández Lorente, Virginia. Director: Talavera Martín, Juan Antonio. Collaboring institution: ICAI Universidad Pontificia Comillas. ABSTRACT The amount of non-renewable energy that is now being consumed in the world has a great environmental impact. With a very demanding energy demand, there is a need for a change towards a more sustainable and clean future. Wind energy is one of the best ways of generating energy, due to the low impact on the environment and due to the fact that it uses an infinite resource to generate electricity, the wind. Wind energy and wind turbines have not only grown in installed power but also in its generating capacity. The need of higher speed and more stable winds has resulted in the development of wind turbines located off-land, also known as offshore wind turbines. This project is based on the study and design of the electric circuits of an offshore wind turbine with a rated power of 5MW. In order to develop this dissertation, contact with suppliers and manufacturers of equipment has been made in order to compare and contrast different alternatives optimizing the technological design without forgetting the costs implied. The diagram that has been followed is shown in the Figure 1. Figure 1: Electric circuit diagram

6 The generator used in the design is a permanent magnet synchronous generator. This represents a problem in itself as the connection to the grid cannot be made due to the unstable voltage and frequency obtained. To solve this problem, a full-power converter has been used. This will allow the connection to the grid optimizing energy generation at very low speeds. It s a full-power converter in four quadrants which will allow functioning in the four different quadrants. This is a very important aspect of the converter as although the generator gives energy to the converter, during specific maneuvers such as maintenance, it can work as a motor. The converter included in the design is manufactured by ABB and uses two subconverters. The use of two subconverters instead of a single one offers numerous advantages that have been studied in the project. The converter has many signals that connect it to the PLC. One of them will establish if the converter has a direct torque control or a speed control. The last one mentioned is only used during maintenance. Power transformers are basic elements on any electrical design. We will need to analyze which transformer represents the best fit for our design. The offshore wind turbines main drawback is the access difficulty. Costs derived from accessing offshore wind turbines are very high this makes us tend towards a low maintenance design such as dry type vacuum cast coil transformers. These transformers have a low fire risk as well as low maintenance necessary. The transformer included in the design is manufactured by ABB and has a rated power of 6MVA. Furthermore, another transformer is included in the design. This second transformer is used to connect to the pitch control system. Among its functions, this system is mainly responsible for stopping the turbine if an error occurred. To protect the transformers circuit-breakers will be used. Two feeders and two fuse protection cubicles are needed. These circuit-breakers will be connected with copper bars as these bars admit higher currents than insulated conductors. The chosen manufacturer is Wöhnelec. Copper bars support very high voltages. This will produce an electric field between the bars. The electric field has been studied in the dissertation using the program ANSYS to conclude which geometry was more adequate for the design making sure that the

7 dielectric strength of the air was not surpassed. The final chosen geometry is shown in the Figure 2. Figure 2: ANSYS final geometry An uninterruptable power supply (UPS) is included in the design too. This equipment will power loads that are critic in the functioning of the system. After comparing the different UPS available, the one adequate to the design is the on-line UPS. The manufacturer of the this power supply is Zigor. Moreover, the different cables used to connect all the equipment in the design have been calculated according to the electrotechnical regulations and the cables manufacturers General Cable catalogue and prices. Every electric design must include electric protection to detect and eliminate errors or malfunctions. The dissertation will study the different protection functions necessary to protect the generator, converter and transformer. The relays necessary to implement these protection functions will also be chosen. Furthermore, voltage and current transformers necessary to connect the relays will be studied. Once all the system and equipment has been studied, an economic analysis has been done to evaluate the costs implied in the design. The final cost obtained for the design has been ,95.