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Parques Eólicos en Sistemas de Potencia Estabilidad de Sistemas Eléctricos de Potencia Curso 2016

Fernando Berrutti [email protected]

Contenido

Introducción: generación convencional – eólica Topología de parques eólicos Control de turbinas Aerogeneradores tipo 3: DFIG Aerogeneradores tipo 4: Full-load converter

Introducción

Generación convencional vs. Generación eólica Centrales convencionales

Parques eólicos

Pocas unidades de generación (10MW–100MW)

Decenas o centenas de unidades (1.5MW – 5MW)

Despachable, controlabilidad de fuente primaria dentro de determinados límites

No despachable, controlabilidad muy limitada de la potencia inyectada

Es posible regular la potencia activa y la velocidad de giro

La potencia activa sigue las fluctuaciones del viento

Unidades equipadas con regulador de tensión individual

Control central de producción de potencia reactiva

Emplazamiento adecuado respecto a red de transmisión

Emplazamiento dependiente del recurso eólico

Generadores sincrónicos

Cuatro tecnologías de generación distintas

Generación convencional vs. Generación eólica

Entradav - Viento

• •

Potencia activa Frecuencia Potencia reactiva Tensión

Control

RED

Control

G

G

RED

Entrada - Combustible - Agua

Potencia activa Frecuencia Potencia reactiva Tensión

La energía eólica no puede ser “confinada”. Esto impone importantes diferencias tecnológicas para optimizar la extracción de potencia.

Topología de parques eólicos

Esquemático parque eólico POI or

Nodo de connection to the grid interconexión

Estación Collector System Station colectora

Interconnection Línea deLine Transmission

conexión

Individual WTGs Aerogeneradores Feeders and Laterals (overhead Red deunderground) distribución interna and/or

Esquemático parque eólico CENTRO DE CONTROL

COMUNICACIÓN OPERADOR RED ELECTRICA

AC DC

N turbinas

BANCO FIJO CONDENSADORES

INTERCONEXION

N turbinas

¥ ESTACION COLECTORA

N turbinas

STATCOM

RED ELECTRICA

Representación en estudios eléctricos

Línea de conexión

Trafo estación colectora

Red distribución Interna (MT)

Equivalente trafos de aerogenerador W

Nodo Interconexión (AT)

-

Aerogenerador equivalente

Compensación local de potencia reactiva (si corresponde)

Compensación estática y/o dinámica de potencia reactiva

Modelo detallado hasta la estación colectora. Modelo agregado de red distribución interna y de aerogeneradores.

Representación en estudios eléctricos •

El modelo difiere en forma importante de las centrales convencionales: 1. El modelo representa decenas de aerogeneradores (se pondera el comportamiento del conjunto). 2. No se modela la interacción entre los diferentes aerogeneradores (enfoque desde operador de la red), a pesar que pueda ser necesario hacerlo en determinadas circunstancias (diseño del parque eólico).

Topologías de aerogeneradores Cuatro tipo de aerogeneradores Alimentador MT

v

Alimentador MT

GI

wt

Tipo 1: Generador de inducción de jaula de ardilla.

wg RWIG

AC DC

Tipo 2: Generador de inducción de rotor bobinado y resistencia rotórica variable.

Topologías de aerogeneradores wg

v

Ps DFIG Pr Vo

io

AC

AC Vc rf

Lf

Tipo 4: Full-load converter

Pt v

iC DC

DC

wt

Pc

Pr

wg SG

AC DC

Vo io

Pc iC DC AC Vc rf

Lf

Alimentador MT

wt

Alimentador MT

Tipo 3: Doubly-fed induction generator

Pt

Topologías de aerogeneradores • Generadores de velocidad variable 1. Velocidad de rotación del generador y la turbina están desacopladas de la frecuencia de la red.

2. Por este motivo necesitan la inclusión de convertidores electrónicos. 3. La inyección de potencia activa y reactiva dependen exclusivamente de los sistemas de control, no interactúan con la red.

Control de turbinas

Sistema de control de la turbina • Objetivos 1. Maximizar la captura de energía del viento. 2. Prevención de cargas transitorias excesivas sobre la turbina. 3. Cumplir con una determinada calidad de potencia.

Sistema de control de la turbina

Existe un valor óptimo de velocidad específica que depende tanto de la velocidad del viento como de la velocidad de la turbina.

Sistema de control de la turbina Se identifican tres regiones:

P REGION 3

Pnom

1.

Bajas velocidades, se varía la velocidad de la turbina P1-2 para obtener el óptimo.

2.

Velocidad media, la velocidad llega a su valor nominal.

REGION 2

REGION 1

Pmin v1-2

vcut-in

3.

Alta velocidad, se regula la potencia extraída mediante un aumento de b

vnom

vcut-out

wt variable

wt = wtnom

b=0

b variable

v

Modelado de parque eólico tipo 3 Doubly-fed induction generator

Tipo 3 - DFIG wt v

wg

Alimentador MT

Pt Ps DFIG Pr Vo AC DC

RSC

io

Pc iC DC AC Vc rf

Lf

GSC

GSC: Mantiene la tensión del bus DC constante RSC: Establece tensión en el rotor con amplitud y frecuencia variables de forma tal que: 1. Se extraiga la potencia Pord establecida por el control de la turbina. 2. Magnetizar el núcleo de la máquina e intercambiar potencia reactiva con la red. 3. Control desacoplado de potencia activa y reactiva.

Modelo de máquina de inducción

Modelo de máquina de inducción Transformada de Park

Modelo de máquina de inducción

Potencia activa y reactiva del estator se regulan por la corriente en eje directo y cuadratura del rotor.

Control del RSC wt v

wg

Alimentador MT

Pt Ps DFIG Pr Vo AC DC

RSC

io

Pc iC DC AC Vc rf

Lf

GSC

Impuesta por el convertidor (variable de control) Impuesta por la red

Control del RSC

Te_ref: dictaminado en forma individual por el sistema de control de la turbina del aerogenerador (en régimen de operación normal). Qs_ref: dictaminado por el centro de control del parque eólico.

DFIG – Modelo equivalente wt v

wg

Alimentador MT

Tipo 3: Doubly-fed induction generator

Pt

Ps DFIG Pr Vo AC

Lf

GSC

I = Ipcmd + j Iqcmd

Xs

+

+

-

iC AC Vc rf

RSC

ids+jiqs

Pc DC

DC

rs

io

Xm

idr+jiqr

Vs -

X”

I

Sistema de control de la turbina + Vs

• •

X”

II = Ipcmd + j Iqcmd

-

Ipcmd  Determinado por el control de la turbina Iqcmd  Determinado por el parque eólico

El aerogenerador se comporta en este sentido como una fuente estática de potencia activa cuya inyección depende exclusivamente de la velocidad del viento y las restricciones operativas de la turbina.

Control del GSC

Consigna del centro de control

Control de tensión/potencia reactiva

Representación de parque eólico

Validación aerogenerador – GE 1.5MW

Modelado de parque eólico tipo 4 Full-load converter

Full load converter Pt v

Pr

wg SG

AC DC

Vo io

Pc iC DC AC Vc rf

Lf

Alimentador MT

wt

Full load converter

Full load converter

Full load converter

Full load converter – Validación GE Cambio de límite corriente del convertidor en t = 0.1s

Restaurado luego de 4s.

Full load converter – Validación ABB