Generadores eléctricos en eólica
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GENERADORES ELÉCTRICOS EN APLICACIONES EÓLICAS
Sergio J. Ceballos -Mayo 2009
1. Generalidades.2. Tipos de generadores.3. Problemas.4. Mejoras posibles.5. Comportamiento ante huecos de tensión.6. Conclusiones.
1. GENERALIDADES
Generalidades
Cables
Generador
Electrónica de potencia
Transformador
Celdas de protección
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2
Las palas captan la energíacinética del viento, y latransforman en energíamecánica de giro (entre 15 y 30 rpm).
El multiplicador elevala velocidad de rotación desde hasta 1500 rpm
El eje lento transmiteel giro hasta elmultiplicador.
El generador transformala energía mecánica enenergía eléctrica, y lavierte a la red.
Generalidades Generalidades
El generador controla el par resistente, y por lo tanto la velocidad de giro.
Generador NORDEX
MADE AE52- 800 kW
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3
GeneralidadesABB 2,1 MW. Refrigeración aire
Gamesa G52- 850 kW
Caja Multiplicadora Generador Gamesa G52- 850 kW
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Generalidades
- Número de polos:
4 o 6 polos en aplicaciones con multiplicador ⇒Generadores de alta velocidad que permiten reducir tamaño y coste.
Multipolos.El ahorro se logra eliminando la caja multiplicadora.
• Directamente conectados a red.
- Compensación de reactiva- Arrancador suave
• Generadores con reguladores de velocidad
- Regulación por rotor ⇒ Variación del deslizamiento- Regulación por estator ⇒ Variación de la frecuencia
Generalidades
Generalidades
- Sistema de refrigeración:
- Circuito cerrado de refrigeración (IP54)
- Aire:Sencillez de mantenimientoSin peligro de fugas de agua que afecten al circuito eléctrico.
Generalidades
Circuito cerrado de refrigeración por circuito de agua.
- Equipo mas compacto
- Necesitan radiador en góndola
- Mejor rendimiento
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Potencia disponible del viento Potencia disponible del viento
Coeficiente Cp y límite de Betz
Máximo teórico (turbina ideal)
Generación del Par motor
Fuerzas sobre la pala
Generalidades
Control de potencia:
- Control por variación del ángulo de paso (pitch control). - Control por pérdida aerodinámica (stall control)- Control activo por pérdida aerodinámica (active stall control)
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6
Generalidades
Control por pitch
Control stall:
Curva real de potencia de un aerogenerador de velocidad y pasovariables
31
2
21 VRPV ρπ=
V
L
VRω
λ =
( ) Vpm PCP ⋅= βλ,
Curva de potencia de un aerogenerador de velocidad y paso fijos
θ = 0
θ = 45°
θ = 90°
COEFICIENTE DE POTENCIA0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.52 4 6 8 10 12
Cp(λ
,θ)
Coeficiente λ
θ = 15°
Energía disponible en el viento
31
2
21 VRPv ρπ=
( ) 233
5
2,
HpH
m
CRT ω
ληβλπρ
=
( ) 2, HH
m KT ωβλλ =
( ) 3, HH
m KP ωβλλ =
( ) 31
2,21 VRCP p
realrotor ρπβλ=
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7
Ejemplos
Alemania 1982, D=100m, P = 3MW
España 1989, D=60m, P = 1,2 MW
Control basado en par
Línea de velocidad de viento constante
Trate
4 m/s
6 m/s
8 m/s
10 m/s
12 m/s
14 m/s
16 m/sVelocidad constante
Prate
PmaxPar turbina
Par constante
Wmin Wrate Wmax Velocidad de giro
Línea de máximo coeficiente de potencia
2max H
Hm KT ωλ=
Control basado en potencia
( ) 3, HH
m KP ωβλλ =
ratedH
m PCTEP ==
Los dos modos de control son similares en el tramo de potencia óptima.
( ) max, pp CC =βλ
2max H
Hm KT ωλ=
3max H
Hm KP ωλ=
3max H
Hm KP ωλ=
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Diferencias en el tramo de potencia o par constantes
vV∆ mP∆
HmMAX
Hm TT =
Hω∆
- Funcionamiento a par cte. disminuye cargas de fatiga en el eje del generador. Aumenta cargas en la torre.
- Picos de potencia en el generador (sobredimensionamiento)
Diferencias en el tramo de potencia o par constantes
vV∆ Hω∆
HmMAX
Hm PP =
HT∆
- Cargas de fatiga repartidas entre torre y eje.- El generador puede estar menos sobredimensionado
Estrategia de control de par de la turbina
T1 T2
T3
01 1'
2 2'33'
2. TIPOS DE GENERADORES
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2. Tipos de generadores
• Asíncronos
§ Asíncronos doble devanado estatórico
§ Asíncronos con rotor bobinado (DFIG)
• Síncronos
§ Con multiplicador
§ Multipolos
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Evolución de los aerogeneradoresPaso variable,velocidad fija
Active stall
Prestaciones
Sencillez
Paso fijo,dos velocidades
P. variable,v. Variablesíncrono Multipolo
P. variable,v.variable
Paso fijo,velocidad fija
Tam
año
Cost
ede
l kW
inst
alad
o
Evolución de los aerogeneradores
Prestaciones
Sencillez
P. variable,v. variable
P. variable,v. Variable,síncrono
Multipolo
Tam
año
Cost
e de
l kW
inst
alad
o
Paso fijo,dos velocidades
1300 kW
600 kW
NORDEXNORDEX
500 kW
1500 kW
ENERCONENERCON
2000 kW
660 kW
VESTASVESTAS
2000 kW
600 kW
ENRONENRON
NEG NEG MICONMICON
600 kW
2300 kW
BONUSBONUS
600 kW
2000 kW
660 kWMADE
800 kW
Generadores asíncronos
Generadores asíncronos
[rpm]rotor del velocidad[rpm] síncrona velocidad
ntodeslizamie
==
=
−=
nns
nnns
s
s
s
abierto[V] circuito arotor elen inducidatensión Eoc [V]rotor elen inducidatensión E2
]estator[Hz al conectada fuente la de frecuenciafrotor[Hz] elen corrientesy tensioneslas de frecuenciaf2
2
2
==
==
⋅=⋅=
ocEsEfsf
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Generadores asíncronos Generadores asíncronos
Generadores asíncronos
- Generador más usado en eólica, en su forma de rotor bobinado o de jaula de ardilla.
- Muy fiable.
- Capacidad de sobrecarga
- El deslizamiento del rotor da ventaja en la conexión directa a red frente a los generadores síncronos.
- Sustituidos por configuraciones mas eficientes
Asíncronos de doble devanado
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SOFT START
Modulo de tiristores
AE- 460 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
Velocidad de Giro [rpm]
Par
[Nm
]
Large GeneratorSmall GeneratorDemanda de par
Cambio de generador
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Velocidad de Giro [rpm]
Cor
rient
e [A
]
Large GeneratorSmall GeneratorDemanda de corriente
MADE AE-61
Arranque generador 4 polos
18,6 m/s
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MADE AE-61
Arranque generador 6 polos
4,3 m/s
MADE AE-61
Cambio generador 6 polos a generador 4 polos
5,6 m/s
MADE AE-61
Cambio generador 4 polos a generador 6 polos
4,3 m/s
Generador de inducción doblemente alimentado
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Fuses
abc
Variableresistor
Short-circuit bar
GB
Asíncronos con devanado rotórico
Variación del deslizamiento con resistencias
CONTROLCIRCUIT
a
b
c
Asíncronos con devanado rotórico
Variación del deslizamiento mediante variación de resistencias rotóricas
RDReq )·1( −=
Statorwinding
Rotor mainwinding
Rotor Auxiliarywinding
ROTOR
Variableresistor
GBR
• Variación del deslizamiento mediante resistencias
– La variación del deslizamiento se usa como mecanismo de amortiguación de las variaciones de potencia cuando la máquina se encuentra regulando en velocidad.
– Sólo utilizable en ese momento ya que disipa potencia, y al regular velocidad ya estamos desperdiciando potencia del viento con el control de velocidad (la máquina está en potencia nominal)
Fuses
Transformer
cba
c’b’a’AC
AC
sf1 f1
f1
GB
DFIG con convertidor AC/AC
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(1-s)P
(1-s)P
sP
sPP
POWERCONVERTER
DFIG con convertidor AC/AC - Relación de potencias
Fuses
Transformer
cba
c’b’a’
Fuses
Transformer
CONTROLCIRCUIT
AC
AC
ωr
ir
is
us
OVERVOLTAGEPROTECTION
CIRCUIT
GB
Control del DFIG
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GENERADORES SÍNCRONOS
Síncrono con multiplicador
Síncronos con multiplicador
Sistema de excitación sin escobillas
Parte rotativa
25-50 Hz500-1000 V
Realimentación de tensión
Tarjeta de excitación
Alimentación externa.230 V.
Esquema convertidor de potencia
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MADE AE-52
Conexión aerogenerador
4,41 m/s
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MADE AE-52
Conexión aerogenerador
14,6 m/s
MADE AE-52
Desconexión aerogenerador
14,77 m/s
Generadores multipolo Generadores multipolo
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Generadores multipolo Generadores multipolo
Generadores multipolo Generadores multipolo - Montaje
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•Regulación de velocidad mínima•Transmisión mecánica
• Coste reducido• Robustez
Asíncrono de jaula de ardilla
• Tamaño• Flexibilidad de diseño y uso• Coste• Mantenimiento
• Alto margen de regulación• Alta eficiencia• Control sencillo
Multipolo
• Transmisión mecánica• Convertidor de potencia igual a la de la máquina
• Coste reducido• Alto margen de regulación• Desacople de la red•Alta eficiencia
Síncrono con multiplicador
•Margen de regulación limitado•Mantenimiento: anillos rozantes• Transmisión mecánica
• Coste reducido• Convertidor electrónico 20% potencia nominal de la máquina
Doblemente alimentado
DesventajasVentajas
Comparativa
GB dcV
Convertidor de potencia espalda contra espalda
Comparativa
• Ventajas
- Posibilidad de regulación de velocidad y de control de total de par.
- Valido para regulación de asíncronos de jaula de ardilla (también es valido para síncronos).
• Desventajas
- Coste muy elevado (son necesarios 12 interruptores de potencia)
- Para generadores de jaula de ardilla es necesario sobredimensionar o incluir batería de condensadores en bornas del generador para compensar corrientes reactivas
3. PROBLEMAS
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21
Fallo en cabeza de bobina generador síncrono
Problemas Fallo en cabeza de bobina generador síncrono
Fallo en zona intermedia en ranuras de refrigeración Fallo en zona intermedia en ranuras de refrigeración
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Tensión fase neutro Tensión fase tierra
• Los inversores introducen elevadas tensiones y derivadas de tensiones.
• Los generadores deben de estar preparados para soportarlas.
• Siempre que sea factible cortocircuitar el neutro del generador con tierra.
PROBLEMAS RELATIVOS A LA CORRIENTE DE ESTATOR
4. MEJORAS POSIBLES
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Disminución del rendimiento con la velocidad en generadores síncronos
90.00%
91.00%
92.00%
93.00%
94.00%
95.00%
96.00%
97.00%
98.00%
99.00%
100.00%
20% 40% 60% 80% 100%Potencia de salida(%)
Ren
dim
ient
o (%
)
20 Hz25 Hz30 Hz35 Hz40 Hz45 Hz50 Hz55 Hz
Pérdidas generador 2 Mw (carga parcial)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100Tensión de generación (V)
Pérd
idas
(w)
Pcu(600 kw)Pfe(600 kw)Ptot(600kw)
Aumento del rendimiento a baja carga.Se basa en:
• Disminuir tensión para una misma potencia de salida del generador implica disminuir pérdidas en el hierro y aumentar pérdidas en el cobre.
• Aumentar tensión implica aumentar pérdidas en el hierro y disminuir pérdidas en el cobre.
• Buscar puntos de funcionamiento óptimo: Excitación no lineal con la frecuencia.
Regulación en tensión
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
500.0 700.0 900.0 1100.0 1300.0 1500.0 1700.0Velocidad de giro (rpm)
Tens
ión
de g
ener
ació
n(V)
Regulación actual Regulación óptima
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24
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
P
Ren
dim
ient
o
Regulación optima Regulación actual
4. COMPORTAMIENTO ANTE
HUECOS DE TENSIÓN
Huecos de tensión Huecos de tensión
HUECO CUADRADOBajada de tensión: al 20 % de VnSubida instantánea: hasta el 80 % de VnRecuperación: en 15 s el 95 % de Vn
HUECO NORMALIZADOBajada de tensión: al 20 % de VnSubida (1 s): hasta el 80 % de VnRecuperación: en 15 s el 95 % de Vn
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25
Requerimientos de reactiva de P.O. 12.3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Tiempo [s]
Pot
enci
a R
eact
iva
[MV
Ar]
Generacion de Potencia Reactiva sin compensacion
4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Tiempo [s]
Pot
enci
a R
eact
iva
[MV
Ar]
Generacion de Potencia Reactiva sin compensacion
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tiempo [s]P
oten
cia
Act
iva
[MW
]
Generacion de Potencia Activa sin compensacion
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26
4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tiempo [s]
Pot
enci
a A
ctiv
a [M
W]
Generacion de Potencia Activa sin compensacion
Estrategias de compensación de huecos
1. Compensar el hueco con un DVRs (Dynamic Voltage Restorer)
2. Compensar la reactiva.2.1 Mediante compensador estático2.2 Mediante elementos pasivos
Hueco cuadrado.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
Potencia del generador
Time (sec)
Pmeas [kW]
0 0.8 1.6 2.4 3.2 4-800
-600
-400
-200
+0
+200
+400
+600
+800
+1000
+1200Pmeas
Q total y Q del compensador [kVAr]
Time (sec)
y
1 1.56 2.12 2.68 3.24 3.8-1000
-820
-640
-460
-280
-100
+80
+260
+440
+620
+800Qmeas Q_comp
Hueco cuadrado.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
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27
Ireact / Itotal (p.u.) - Erms (p.u.)
Time (sec) 1.4 1.51 1.62 1.73 1.84 1.95 2.06 2.17 2.28 2.39 2.5 +0
+0.1
+0.2
+0.3
+0.4
+0.5
+0.6
+0.7
+0.8
+0.9
+1Ireact / Itotal EaRMS_f
Hueco cuadrado.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
Intensidad inyectada por el compensador [A]
Time (sec) 1.5 1.72 1.94 2.16 2.38 2.6-2500
-2000
-1500
-1000
-500
+0
+500
+1000
+1500
+2000
+2500Ia_comp Ir_ref Ia_comp_RMS
Hueco cuadrado.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
Hueco normativa.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
Potencia del generador
Time (sec)
Pmeas [kW]
0 1.2 2.4 3.6 4.8 6-600
-420
-240
-60
+120
+300
+480
+660
+840
+1020
+1200Pmeas
Q total y Q del compensador [kVAr]
Time (sec)
y
1.9 2.44 2.98 3.52 4.06 4.6 +0
+90
+180
+270
+360
+450
+540
+630
+720
+810
+900Q_comp Qmeas
Hueco normativaPinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
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28
Intensidad inyectada por el compensador [A]
Time (sec) 2 2.44 2.88 3.32 3.76 4.2-1500
-1200
-900
-600
-300
+0
+300
+600
+900
+1200
+1500Ia_comp Ir_ref Ia_comp_RMS
Hueco normativa.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)
• Tipos de generadores más utilizados
• Nuevas tendencias en el diseño de máquinas.
• Mejoras posibles de implementar en generadores ya instalados. Mejoras a nivel parque eólico.
• Adaptación de máquinas y diseño de máquinas a las nuevas normativas de huecos en España y Europa.
• Posibilidad de integración con otras formas de energías renovables y convencionales.
CONCLUSIONES
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