Control y operación de turbinas eólicas y generadores eléctricos

Control de turbinas eólicas

Por un lado tengo un lazo de control del par eléctrico. En este lazo la velocidad de giro de la turbina es multiplicada por una constante de par para dar la máxima potencia. Esta constante corresponde a la relación que hay entre par y velocidad, y será la señal de referencia que se aplica como par eléctrico que irá a un convertidor de potencia y será el valor real del par eléctrico que se extrae de la turbina.

Por otro lado tenemos el control de velocidad que empezará a funcionar cuando nos pasemos de la velocidad de referencia nominal y estará en unidades pu y será 1. Cuando la velocidad de giro en unidades pu sobrepase 1 actuará el lazo de pitch. Se comparará la velocidad real con la velocidad de referencia y la señal de error que nos proporciona es la que se aplica al lazo de control que será un PI.

Por un lado tengo el control de seguimiento de máxima potencia. A partir de la velocidad del viento que se filtra se obtiene una referencia de control en unidades pu. Esta referencia de control se compara con la velocidad real de la turbina que coincide en unidades pu con la velocidad de giro del generador. La diferencia es un error que se introduce a un PI y la salida de este PI nos proporciona un par eléctrico.

El segundo es un control del pitch cuando superamos la potencia nominal, es decir, cuando la velocidad del viento está por encima de la nominal, empieza a funcionar este lazo. Empiezan a compararse la potencia de referencia con la potencia que nos proporciona la turbina y nos generará un error. Si el error es positivo, se genera una señal de pitch para compensar la extracción de potencia de forma que no superemos el valor nominal.

Ventajas de generadores síncronos frente a generadores asíncronos

Funcionan bien para redes aisladas, buena respuesta ante huecos de tensión, trabajan a la misma potencia nominal del generador, es decir, manejan toda la potencia del generador (turbina a plena potencia).

Ventajas de generadores asíncronos frente a generadores síncronos

No necesitan circuitos externos para su excitación y no tienen por qué girar a una velocidad fija, no hay regulación de tensión, pues esta viene impuesta por la red externa, controlan potencia activa y reactiva con bajos niveles de armónicos tanto del lado generador como de red, capacidad de entregar a la red una potencia superior a la nominal, son más económicos, manejan el 30% de la potencia nominal.

Velocidad fija

Ventaja: Simplicidad, fiabilidad y precio.

Desventajas: consumo alto de potencia reactiva, la calidad de energía es pobre y provoca variaciones de tensión, ante huecos de tensión deben desconectarse poniendo en riesgo la estabilidad del sistema.

Velocidad variable

Ventajas: permite regular la potencia reactiva y activa que se cede a la red facilitando la estabilidad de tensión de la red. Se mantiene el par del generador constante, ya que las variaciones que se producen por la velocidad del viento no se transmiten a la red, mejorando la calidad de energía que se entrega. Se trabaja para mantener y recuperarse de los huecos de tensión.

Desventajas: se pierde energía en el convertidor de potencia y debido al uso de electrónica de potencia se incrementa el coste.

Esquema de una turbina eólica

Corresponde a un generador de inducción doblemente alimentado, ya que por un lado se conecta el rotor a un convertidor back-to-back y el estator se conecta directamente a la red eléctrica. El convertidor alimenta al rotor, regula la amplitud, fase y frecuencia de tensión y permite hacer un control vectorial de la máquina en cada instante de la potencia activa y reactiva que se entrega a la red por el estator. La potencia típica del convertidor es:

Función del Crowbar

Es un circuito de protección de los devanados del rotor ante tensiones elevadas, para que las correspondientes corrientes no destruyan los IGBT del convertidor. Además, soporta menos corrientes a la hora de sobredimensionar el convertidor, siendo menos costoso. Filtro LCL para eliminar los armónicos de corriente y evitar una indeterminación. También se tendrá más atenuación a la frecuencia de conmutación y la corriente será más limpia. Filtro dV/dt elimina los picos de tensión y reduce la corriente de fugas.

Formas de operación de los convertidores

Grid forming: se comporta como fuente de tensión, se fija la tensión y la frecuencia, no se puede conectar directamente a la red. Grid following: se comporta como fuente de corriente, sigue a la red y va en paralelo a la red eléctrica. Grid supporting: su comportamiento es mixto, mezcla de los dos anteriores.

Microred eléctrica

Es un conjunto de sistemas de generación que pueden trabajar de forma conectada y desconectada de la red eléctrica, llevando un sistema de gestión propio. Se puede conectar y desconectar de la red (modo isla). Microredes AC son aquellas que tienen como línea de evacuación una línea AC para elementos de generación distribuida y permiten conectar aquellos sistemas que generan o consumen electricidad. Microredes DC tienen como línea de evacuación una línea DC y permiten conectar con la fuente de energía fotovoltaica. Elementos importantes: sistemas de energía con generación distribuida (solar, eólica), sistemas de almacenamiento de energía como baterías.

Función del droop

Con el droop se consigue que no haya indeterminación, de manera que corrige errores en régimen permanente en el lazo de control y con esta técnica de utilización del droop controlamos la frecuencia y la tensión, dando estabilidad a la red eléctrica.

Emulación de inercia en sistemas de generación distribuida

Consiste en que el par electromagnético y el par de carga deben tener una diferencia nula, de manera que en el sistema se tenga una frecuencia estable. Esto se debe a no tener sistemas de almacenamiento de energía elevados como los GW.

AVR

Es un controlador automático de tensión. Este sistema lo llevan todos los generadores convencionales para regular la tensión. También controla la potencia activa del rotor.

PLL

Es un sistema realimentado en el que podemos conectar la fase que evacua la potencia activa y la tensión que evacua la potencia reactiva. Con esta información del PLL se puede sincronizar con la red. La configuración grid following basado en un sincronizador es el que se usa en sistemas de generación distribuida.

ISLANDING en fotovoltaico

Es un fenómeno eléctrico que se produce cuando una fuente de generación distribuida continúa energizando una parte de la red eléctrica después de que se haya desconectado. Así garantiza seguridad y fiabilidad a los equipos.

Código de red

Conjunto de reglas que cada país pone en marcha para gestionar la energía procedente de fuentes no convencionales.

STS

Es un interruptor inteligente que funcionará en modo isla, es decir, que se autoconsuma y así poder conectarlo a la red cuando la tensión y frecuencia sean iguales, por el contrario ocasiona explosión.

Grid feeding

El condensador se puede quitar, interesa que una fuente tenga impedancia infinita y se consigue con el filtro. El PLL lo usamos para hacer las transformaciones de abc a alfa-beta-Dq. Tiene consignas Pref y Qref, no puede imponer tensión si no potencia activa y reactiva. En este convertidor se tiene la posibilidad de hacer control de droop, controlando la tensión y la frecuencia para estabilizar la red eléctrica.

Grid forming

La consigna es una tensión y una frecuencia y se mantiene en cualquier carga. También asegura que la impedancia equivalente de la fuente de corriente sea nula. Por otro lado tenemos el regulador de corriente que es un control primario y el regulador de tensión que, poniendo una consigna, fijamos la tensión y fijamos la frecuencia poniendo una consigna, y los Dq sirven para hacer lazos de control. Si hay 90º en la red y conecto este grid empieza con 0 y entrega la máxima potencia posible del convertidor.

Grid supporting

Se trabaja con este tipo de convertidores cuando se tiene varios generadores. Definir master (forming) y esclavo (resto de convertidores). Si está en modo isla y es el único que soporta conectar las energías renovables a la red eléctrica. Se puede hacer de dos maneras, mediante una modificación de grid forming, la P y Q sacamos el voltaje de referencia y la frecuencia, y la otra modificando grid feeding, se mide con el PLL la frecuencia y el voltaje de referencia, con estas consignas obtenemos P y Q.