INGENIERÍA ELÉCTRICA – SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
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Modelación y Diseño de Generación Eólica con
Simulación en estado Estacionario y Dinámico
de Máquinas Full Converter y DFIG.
Nuñez H.
Universidad Politécnica Salesiana.
hnuneza@est.ups.edu.ec
Abstract – La generación eólica es una alternativa para las generaciones a base de combustibles fósiles, en la actualidad las
generaciones renovales se han implementado a pequeña, mediana y gran escala pero de la misma forma que se va implementando
es muy importante estudiar las maquinas generadoras de energía eléctrica a base del viento es decir los tipos de generadores, para
este artículo se estudiara dos tipos más utilizados actualmente en los parque es eólicos como son el generador full converte o de
imanes permanentes y la maquina doblemente alimentada (DFIG), estas son máquinas que por la facilidad de las variables de
control que tienen son empleados en parques eólicos y para estos casos se estudiara los controladores, los principales
funcionamientos y los implementos adiciones a dichas máquinas. El modelamiento de la maquina (DFIG) para el análisis de
estabilidad del sistema de energía ha atraído una gran cantidad de intereses de investigación en los últimos años debido a las
amplias aplicaciones de DFIG en la generación de energía eólica, los modelos que desarrollan los fabricantes para este tipo de
turbinas no solo son aplicables, también se requiere de modelos sofisticados y realizados en distintos programas de simulación y
de la miasma manera sucede con las maquina full converter (FC)
Palabras claves: Simulación, parque eólico, máquina de inducción doblemente alimentada, máquina de imanes permanentes,
controlador, generación, estado estacionario, dinámico.
los sistemas eléctricos de potencia [3].
I. INTRODUCTION1
L
parques eólicos con los avances recientes en la
tecnología de turbinas eólicas (WT), aumentan los
niveles de penetración de la energía eólica, así como los
tamaños de las turbinas y parques eólicos (WP). Los WP a
gran escala emplean turbinas eólicas de velocidad variable
para aumentar la captura de energía, reducir las tensiones del
tren de transmisión y cumplir con los requisitos del código
de red [1]. Los convertidores de tamaño completo y el
generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) WT
entran en esta categoría [2].
OS
En el pasado, los códigos de red no incluían ningún tipo
de requerimiento para la integración de plantas eólicas, ya
que ésta era pequeña comparada con la gran inserción de
generación convencional. Sin embargo, el incremento de la
instalación de parques eólicos ha planteado serias
preocupaciones con respecto al impacto que este tipo de
generación intermitente pueda provocar en la estabilidad de
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“This work was supported in part by the U.S. Department of Commerce
under Grant BS123456”.
Con el objeto de cumplir con los códigos de red, los
fabricantes de generadores eólicos han detectado la
utilización de máquinas de inducción o sincrónicas
conectadas a la red mediante convertidores completos que
permiten un control total de la transferencia de potencia para
una operación a velocidad variable [4].
La configuración full converter puede o no considerar una
caja multiplicadora y diversos tipos de generadores pueden
ser empleados, entre ellos: generadores asincrónicos,
generadores sincrónicos típicos y sincrónicos de imanes
permanentes [4] [5]. Como toda la potencia generada es
transformada a través del convertidor, las características
específicas y la dinámica del generador de empleados quedan
afectados específicamente de la red [6].
Los generadores eólicos que se conectan a la red a través de
un convertidor completo se pueden modelar como
generadores estáticos ya que el comportamiento de un parque
T. C. Author is with the Electrical Engineering Department, University
of Colorado, Boulder, CO 80309 USA, on leave from the National Research
Institute for Metals, Tsukuba, Japan (e-mail: author@nrim.go.jp).
eólico (visto desde el lado de la red) está determinado por los
convertidores. Dependiendo de las señales que se conectan
al generador estático, este utiliza el modelo de fuente de
corriente o el de fuente de voltaje, para el presente trabajo se
ha considerado el modelo de fuente de voltaje y se toma
como señales de entrada la parte real e imaginaria del voltaje
de secuencia positiva [7].
El generador síncrono de imán permanente (PMSG) es un
dispositivo de conversión de energía con una alta eficiencia
de conversión y alta densidad de potencia. Además, su
estructura mecánica es rígida y su costo de mantenimiento es
bajo. Por lo tanto, se implementa ampliamente en
aplicaciones industriales y comerciales, como los sistemas de
energía eólica, sistemas de almacenamiento de energía de
volante, vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos
(HEV), electrodomésticos [7]. El motor síncrono interior de
imanes permanentes tiene una mayor capacidad de
generación de par, pero mayor ondulación de par debido a la
prominencia de inductancia. El motor síncrono de imanes
permanentes montado en superficie tiene una ondulación de
par más baja y casi no genera par de resistencia. Para
optimizar el rendimiento y minimizar la ondulación del par
se realizan algunos métodos de diseño de imanes [8].
Para lograr un buen rendimiento de la máquina y los
controles dinámicos, como el control de par directo, control
de velocidad, se adoptan de acuerdo con el propósito de
aplicación de un motor síncrono de imán permanente
(PMSM) [5] [7]. El rendimiento de generación de un PMSG
está determinado principalmente por el esquema de control
actual. La ondulación del par se puede reducir mediante la
eliminación de los armónicos de las corrientes de bobinado.
Por lo tanto, un método de control de corriente suficiente y
bueno puede mejorar la capacidad de generación de un
PMSG [9]. Los enfoques comunes de control de corriente
implementados en la literatura incluyen: Modulación de
ancho de pulso de comparación de rampa de frecuencia fija,
control de histéresis y control predictivo. El rendimiento
dinámico del control de frecuencia fija se ve extremadamente
afectado por los parámetros del controlador [8] [9].
Recientemente, las tendencias hacen que el PMSG con
una estructura de convertidor de potencia a gran escala sea
más atractivo para la turbina eólica con convertidores de
potencia a gran escala que presentan una clara ventaja de que
el convertidor desacopla el generador de la red. Por lo tanto,
las perturbaciones de la red no tienen un efecto directo en el
generador, lo que mejora el rendimiento de la turbina eólica.
Además, el convertidor de potencia a gran escala no solo
ofrece un alto grado de control sobre las variables del
sistema, sino que también es particularmente adecuado para
la incorporación y el control de la capacidad de
almacenamiento de energía eléctrica [10].
Fig. 1. Modelo le la máquina de full converter con FRC.
Los generadores de inducción alimentados(DFIG) son
ampliamente utilizado en los sistemas de energía eólica
actuales. El estator del DFIG está conectado a la red
directamente a través de un transformador de voltaje
compatible. Mientras tanto, el rotor está conectado a la red a
través de los convertidores consecutivos. Dado que los
convertidores solo manejan la potencia de deslizamiento del
DFIG, su capacidad de clasificación podría ser solo del 30%
al 40% de la potencia de generación [11].
Sin embargo, el sistema moderno de energía eólica exige que
las turbinas eólicas se mantengan conectadas a la red cuando
la red se hunda, es decir, se realicen recorridos de baja
tensión. Cuando cae el voltaje de la red, la interacción
electromagnética complicada en el DFIG induciría una
fuerza electromotriz del rotor muy alta, lo que da como
resultado la sobretensión o sobre corriente de los
convertidores del lado del rotor [10]. Para proteger el
convertidor y también lograr el recorrido de baja tensión con
éxito, la palanca o el circuito activo accione para la energía
de entrada.
A lo largo del tiempo se han desarrollado diversos
modelos matemáticos de los principales componentes de
diversos aerogeneradores, con el afán de conocer a fondo su
funcionamiento, determinar sus limitaciones y obtener
soluciones más cercanas a la realidad. Los modelos
matemáticos para los componentes aerodinámicos,
mecánicos, eléctricos y de control del aerogenerador con
DFIG son realizados tanto en software con cálculos
matemáticos, para determinar y controlar la velocidad
variable [12]. Estos modelos pueden ser incorporados en
programas desarrollados como dydsailent o Matlab, para
analizar el comportamiento del aerogenerador y su control
durante estado estable y estado transitorio, frente a
variaciones de viento y fallas de cortocircuito, mediante el
análisis de las principales variables [13].
Los aerogeneradores de velocidad variable requieren para
su simulación modelos matemáticos de los siguientes
componentes: viento efectivo sobre las hélices, acoplamiento
mecánico y control del ángulo de inclinación. Otros
componentes como la torre, el buje, la góndola, etc., no serán
considerados en el análisis por su poca influencia con la red
eléctrica [12] [14].
INGENIERÍA ELÉCTRICA – SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
Se han realizado investigaciones fructíferas en el
desarrollo de modelos de generadores eólicos genéricos o
simplificados para satisfacer las demandas de planificación
y operación del sistema de energía. Se construyó un modelo
DFIG detallado considerando los transitorios del rotor [9]. El
modelo genérico basado en la fuente actual se desarrolló para
generadores eólicos, también conocido como el modelo de
generador eólico genérico Tipo 3; Los impactos de
simplificar la complejidad del modelo para DFIG se
discutieron, analizó la validez de descuidar los transitorios
del estator y rotor de un DFIG para estudios de estabilidad
de señal pequeña; discutieron la importancia de modelar el
bucle de fase bloqueada en el análisis de estabilidad de señal
pequeña; desarrolló un nuevo modelo genérico para DFIG
cuyos parámetros necesitan ser identificados[15].
En consecuencia, los operadores de los sistemas de
transmisión de muchos países han hecho cumplir los
requisitos más estrictos sobre las grandes plantas de
generación. En este sentido, los modernos códigos de red no
solamente estipulan que las grandes plantas de generación
deben permanecer conectadas durante perturbaciones en la
red, sino que también deben contribuir al soporte de la
estabilidad del sistema tal como lo hacen las fuentes de
generación convencional. Esta habilidad de las turbinas
eólicas para permanecer conectadas durante fallas es
denominada capacidad. [13]
En el modelo de aerogenerador con configuración DFIG
se considera únicamente el convertidor del lado del rotor, así
como la mayoría de los elementos de control con los que
contaría un aerogenerador real; sin embargo [17], existen
diferentes variantes para este tipo de configuración y el
modelo aquí utilizado correspondiente a las estrategias de
control, si considera que cada fabricante desarrolla e
implementa características específicas y únicas para sus
sistemas de control [18].
El tamaño requerido para el convertidor en esta
configuración la hace muy atractiva económicamente. Su
principal desventaja es el uso de escobillas y la necesidad de
protección adicional en caso de faltas en la red. Un hueco de
tensión en la red produce un incremento de corriente en los
devanados del estator, y, debido al acoplamiento magnético
entre estator y rotor, esta corriente también fluirá por el rotor
y el equipo de potencia pudiendo llegar a destruirlo [18]. Por
esta razón, son incapaces de hacer frente directamente a los
huecos de tensión. Ello obliga a disponer de equipamiento
suplementario como el denominado “crowbar activo” [19].
El método del regulador lineal cuadrático (LQR) se ha
utilizado ampliamente en el control del sistema de potencia
debido a su simplicidad y robustez [15]. Este documento
propone un regulador lineal-cuadrático (LQR) para
amortiguar las oscilaciones debidas a los fenómenos SSI y
para garantizar el funcionamiento seguro del viento basado
en DFIG [16].
El generador de inducción doblemente alimentado DFIG,
se basa su funcionamiento en un generador asíncrono en el
que los bobinados del rotor son accesibles a través de anillos
giratorios y escobillas, constructivamente se trata de un
generador de inducción de rotor bobinado, con el rotor
conectado a la red eléctrica a través de equipos de electrónica
de potencia (convertidor back to back) [13]. Un convertidor
back to back consiste en un inversor y un rectificador
conectado a través de un capacitor que se encarga de
mantener el voltaje constante entre ellos [17].
Una ventaja importante de esta configuración de
generadores eólicos es la posibilidad de absorber y entregar
potencia reactiva, desde y hacia la red mediante el uso de
convertidores de potencia que hacen posible controlar los
flujos de potencia activa y reactiva de manera independiente
con lo que logra manejar el factor de potencia de las unidades
de generación (factor de potencia dinámica) [15] [17].
3
Fig. 1. Modelo le la máquina de inducción doblemente alimentada.
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H. Nuñez. (Y’1995-M’09). Estudiante de la
Carrera de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad Politécnica Salesiana. Su trabajo
está centrado en la investigación de mejoras
para generación renovable de electricidad.