Energía eólica

Tecnología de los aerogeneradores.
1. Componentes de un aerogenerador
2. Clasificación de los aerogeneradores de acuerdo a su operación y control
  1. Aerogeneradores de velocidad fija.
    1. 1. El generador de inducción de jaula de ardilla necesita absorber potencia reactiva para mantener el campo magnético entre el estator y el rotor, para lo cual utiliza un banco de capacitores.
      2. Se utiliza un arrancador suave basado en tiristores para arrancar el sistema y no causar perturbaciones en la red en el momento de arrancar el generador
      3. Esta topología de máquina funciona sobre y cerca de la velocidad síncrona donde la frecuencia es impuesta por la red eléctrica.
      4. Este tipo de aerogeneradores están conectadas directamente a la red y es difícil evitar una desconexión debido a la alta corriente que fluye a través del generador durante un hueco de tensión.
  2. Aerogeneradores de velocidad limitada con resistencia rotórica ajustable
    1. 1. el rotor del generador de inducción es de tipo bobinado con resistencia externa.
      2. El valor de dicha resistencia se la puede controlar a través de equipos electrónicos permitiendo que el generador sincrónico aumente su rango de velocidad sobre el 10 %.
      3. el estator todavía se encuentra conectado directamente a la red por lo cual en el momento que existe alguna falta en la red eléctrica el aerogenerador se desconecta inmediatamente.
  3. Aerogeneradores de velocidad variable basados en máquina de inducción doblemente alimentada
    1. 1. Se tiene un generador de inducción de rotor bobinado (WIRG) 2 en donde el estator está conectado directamente a la red eléctrica mientras que el rotor está alimentado a través de un convertidor de potencia (AC-DC-AC)
      2. Este convertidor de potencia permite controlar la máquina en un rango de velocidad más amplio (típicamente de -40% a + 30%) que las topologías de velocidad limitada
      3. Utilizando el convertidor, se puede realizar un control de potencia activa y reactiva adecuado en la máquina para optimizar la extracción de energía eólica como también de soporte de voltaje/frecuencia en la red.
      4. El estator sigue conectado directamente a la red, el funcionamiento de este tipo de máquinas durante faltas en la red no permite gestionar una operación adecuada
      5. el generador necesita de anillos deslizantes, los cuales con el tiempo causan fallas de funcionamiento de la máquina
  4. Aerogeneradores de velocidad variable basados en convertidor de plena potencia
    1. El generador a utilizarse puede ser sincrónico o de inducción de jaula de ardilla. En cualquier de estos generadores se acopla un convertidor de potencia al estator para conectarlo a la red. Las ventajas de utilizar este tipo de aerogenerador es que se tiene un amplio rango de velocidades y además se puede satisfacer los requerimientos de los operadores de red debido a que se puede controlar la potencia activa y reactiva.
      1. Generador de inducción con rotor de jaula de ardilla
        El generador está totalmente aislado de la red, por lo que la velocidad es totalmente controlable.
        La potencia reactiva necesaria para el funcionamiento de la máquina puede ser suministrada por el convertidor del lado de la máquina.
        Uno de los principales inconvenientes es la eficiencia relativamente baja del sistema global, teniendo en cuenta el generador, la caja multiplicadora y las pérdidas del convertidor de potencia
      2. Generador síncrono con rotor bobinado (WRSG)
        Consiste de un rotor de excitación de corriente continua que se conecta a la red a través de un convertidor de potencia (AC-DC)
        A través del convertidor DC, el flujo del rotor puede controlarse para diferentes propósitos: estrategias de debilitamiento de campo para operaciones de alta velocidad, técnicas de minimización de pérdidas, entre otras.
        El control de excitación se realiza mediante un convertidor, que está situado fuera del rotor y conectado a los devanados de la máquina comúnmente a través de anillos deslizantes
      3. Generador síncrono con magneto permanente (PMSG)
        Este tipo de generador proviene de la idea de sustituir la excitación del rotor bobinado por imanes, eliminando así las pérdidas de excitación. Las posibilidades de PMSG de aislarse de la red a través del convertidor son equivalentes a la WRSG. Los rotores PMSG también pueden construirse con un gran número de polos. Sin embargo, PMSG son más pequeños y más ligeros cuando se incluye un gran número de polos que el equivalente WRSG, por lo tanto, esta topología logra una mayor densidad de potencia
      4. Generador síncrono con magneto permanente (PMSG) Multifase.
        Tiene un estator que puede tener dos o más conjuntos de bobinas trifásicas con aislamiento.
        Cada estator se conecta a un convertidor de tres fases con el fin de controlar la potencia que fluye a través de cada uno de ellos.
        Estas estructuras redundantes reducen la cantidad de potencia que fluye a través de cada convertidor, en comparación con una sola fase trifásica, disminuyendo la tensión sufrida por la electrónica de potencia.
Análisis de aerogeneradores
1. Metodología de análisis
  1. primero se considera la potencia adquirida a través de las palas del aerogenerador
    1. luego se realiza un análisis de la máquina.
  2. 1. el voltaje del estator (Us) y su frecuencia angular se mantienen constantes de acuerdo al giro del rotor.
    2. Rs (Resistencia del estator) y Rr (Resistencia del rotor.
    3. Xls (reactancia del estator) y Xlr (reactancia del rotor)
    4. velocidad angular de sincronismo
    5. El deslizamiento irá cambiando de acuerdo a la velocidad angular según el giro del rotor que depende de la variación del viento y es igual a:
      1. ω es igual a la velocidad angular mecánica del aerogenerador.
    6. pérdidas en rotor
    7. potencia mecánica
    8. Par de la máquina
Parques eólicos
1. Clasificación de parques eólicos
  1. Parques eólicos terrestres.
    1. Área geografica
      1. Para la instalación de parques eólicos a nivel territorial se considera factores importantes como la velocidad y perfil del viento, el terreno y los obstáculos presentes.
        Efecto colina
        paso estrecho entre montañas causa un aumento de velocidad de manera significativa.
        Efecto túnel
        Las elevaciones del terreno pueden ocasionar un aumento de velocidad
        Si la pendiente de este terreno es suave caso contrario puede formar una zona de turbulencias
        Efecto estela
        Cuando el viento pasa a través de la turbina, se produce una estela de viento bastante turbulenta que puede afectar al próximo aerogenerador
    2. Limitaciones
      1. limitaciones del medio ambiente
      2. el impacto del ruido que pueda tener sobre poblaciones aledañas
      3. l impacto visual.
  2. Parques eólicos marinos
    1. Ventajas
      1. Recurso eólico: el perfil de viento presenta una velocidad más constante y un perfil más laminar.
      2. Área: presenta menos obstáculos físicos para la instalación de aerogeneradores y no existe limitaciones de espacio.
      3. Ambiental: menor impacto visual y de ruido.
    2. Desventajas
      1. Complejidad: debido a su ubicación se necesita plataformas, turbinas, cables, subestaciones, sistemas de dragado, y obra civil más compleja que instalaciones terrestres. Además, para el mantenimiento y operación se necesita el traslado del personal en barco o helicóptero.
      2. Materiales: los equipos a utilizarse deben soportar las características medioambientales como humedad y salinidad.
      3. Costos: la instalación, operación y mantenimiento de este tipo de parques llega a ser el doble que un parque eólico terrestre.
      4. la instalación de parques eólicos marinos puede afectar a mamíferos marinos, peces, pájaros y el fondo marino.
2. Topología de interconexiones de parques eólicos
  1. Radial
    1. Los aerogeneradores se conectan en configuración de hilo a un solo punto de interconexión
      1. En cada fila el número máximo de aerogeneradores que se pueden conectar a un alimentador se determina por la potencia de cable y la potencia nominal de los generadores.
  2. Anillo
    1. El sistema más simple es el que conecta entre si todos los últimos aerogeneradores de cada fila y el más complejo es el que conecta cada punto final de cada fila con la línea de generación.
      1. Anillo unilateral
      2. Anillo multilateral
  3. Estrella
    1. Se tiene un sistema colector central en donde se conecta cada uno de los aerogeneradores.
3. Sistemas de transmisión para parques eólicos.
  1. (HVAC- High Voltage Alternating Current
    1. En este sistema la distancia de una turbina a otra o la distancia de la planta eólica con una subestación conlleva a grandes pérdidas en los cables.
      1. Al final de cada línea se utiliza compensadores de potencia reactiva y así mantener el voltaje en sus valores estándar.
        A mayor voltaje se puede transmitir mayor potencia pero a una distancia limitada
  2. HVDC- high voltaje direct current
    1. Las pérdidas producidas en el sistema no dependen en la longitud del cable.
      1. A más de los costos de instalación este tipo de tecnología presenta algunas ventajas. Control de potencia activa y reactiva, posibilidad de operar a otro valor de frecuencia y aislamiento de perturbaciones
        Si se compara los costos de un sistema de transmisión HVAC con un sistema HVDC se observa que hay una distancia mínima en la cual los sistemas HVDC pueden ser económicamente competitivos.
        Para las conexiones HVDC existen actualmente dos opciones técnicas
        HVDC
        Basado en un convertidor conmutado por corriente LCC (line-commutated converter)
        Basado en un convertidor de fuente de tensión VSC (voltage source converter)
        Es la tecnología más apropiada para aplicaciones multiterminales, ya que utiliza una tensión DC común, lo que facilita la construcción y el control de las conexiones en paralelo.
4. Componentes del parque eólico
  1. Cables
    1. consisten en tres cables agrupados con un solo revestimiento y aislamiento.
    2. tres cables individuales, uno por fase, separados a una cierta distancia entre ellos.
  2. Transformador
    1. 1. son necesarios para incrementar el voltaje de los cables (usualmente de 10-36 kV a 110-150 kV) con el fin de reducir las pérdidas de cable de transmisión.
  3. Conmutador
    1. Los principales propósitos de los aparatos de conmutación en el lado de media tensión (colector de red en alta mar) son proteger tanto los equipos de turbinas eólicas como los componentes de conjuntos de parques eólicos, conectar varias turbinas eólicas en anillo o radial y finalmente controlar la conexión y desconexión de turbinas eólicas
Operación y control de aerogeneradores y parques eólicos
1. Aspectos de integración a la red eléctrica
  1. Requerimientos internos del parque
    1. Arranque y parada:
    2. Frecuencia
    3. Control de potencia activa
    4. Control de potencia reactiva
  2. Requerimientos del parque
    1. Soporte de voltaje
      1. En el caso que se produzca huecos de tensión el parque eólico debe proveer la respuesta necesaria en un tiempo determinado para la correcta operación.
    2. Control de potencia activa
      1. Se requiere que la planta eólica tenga tres tipos de control de potencia activa: control de rampa, reducción de potencia, y control de reservas.
    3. Soporte de frecuencia
      1. se incluye una reserva de potencia activa para responder rápidamente en el momento necesario aumentando la potencia en caso de baja frecuencia.
2. Estructura general de control
  1. 1. Control del parque eólico
      1. Permite la integración de la central eólica a la red principal de acuerdo con los requerimientos de la red
        Control de potencia activa
        Control de potencia reactiva
        Mantener los valores de tensión en el punto de conexión del parque eólico con la red eléctrica como también en la red ac interna del parque.
    2. Control del aerogenerador
      1. Control mecánico
        Busca optimizar la extracción de potencia eólica de acuerdo a las características del viento
      2. Control del convertidor de potencia
        El convertidor del lado del generador regula la corriente para obtener el par necesario requerido por el control mecánico, así como la potencia reactiva intercambiada con el generador.
        El control del convertidor del lado de la red regula la tensión del bus de DC a un valor deseado y la potencia reactiva a un punto de consigna definido.
Generación eólica
1. En el sector eléctrico
  1. Los primeros aerogeneradores capaces de producir electricidad fueron desarrollados en Dinamarca por Paul La Cour en 1891
    1. El primer aerogenerador de corriente alterna fue diseñado por Johannes Juul en Dinamarca,
      1. Actualmente, el aerogenerador Haliade de rotor de 150 m ofrece una capacidad total de 6 MW y es ideal para parques eólicos marinos
  2. Curva de potencia de un aerogenerador
    1. Ejemplo de caracteristícas principales de un aerogenerador
  3. Capacidad total instalada en distintos países.
2. Generación eólica terrestre y marina
  1. Costos comparativos entre distintas tecnologías
  2. Capacidad instalada anual de parques eólicos terrestres y marinos a nivel europeo

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