Generadores Eléctricos en turbinas eólicas .pdf - Instituto Balseiro
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Estado del arte <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eradores eléctricos<br />
utilizados <strong>en</strong> <strong>turbinas</strong> <strong>eólicas</strong><br />
Resum<strong>en</strong><br />
23 de mayo de 2008<br />
Sistemas electromecánicos y máquinas eléctricas<br />
<strong>Instituto</strong> <strong>Balseiro</strong><br />
Lucas Muñoz<br />
Las <strong>turbinas</strong> <strong>eólicas</strong> actuales que se conectan a la red produc<strong>en</strong> hasta 5 MW<br />
de <strong>en</strong>ergía eléctrica y ti<strong>en</strong><strong>en</strong> rotores de hasta 100 metros de diámetro. A difer<strong>en</strong>cia<br />
de otras formas de g<strong>en</strong>eración de <strong>en</strong>ergía, estos aparatos trabajan con<br />
una fu<strong>en</strong>te de pot<strong>en</strong>cia que fluctúa <strong>en</strong> el tiempo debido a las ráfagas, por lo<br />
que se debe diseñar cuidadosam<strong>en</strong>te el sistema de control y la resist<strong>en</strong>cia a la<br />
fatiga de los compon<strong>en</strong>tes. Por otra parte se requier<strong>en</strong> robustez y confiabilidad.<br />
Esto implica especificaciones de diseño muy particulares y da lugar al desarrollo<br />
de tecnologías diversas y sofisticadas <strong>en</strong> las áreas de máquinas eléctricas,<br />
electrotecnia, electrónica, control, y otras. En el pres<strong>en</strong>te trabajo se introduc<strong>en</strong><br />
los difer<strong>en</strong>tes tipos de g<strong>en</strong>eradores eléctricos y conexiones utilizadas <strong>en</strong> esta<br />
aplicación y las t<strong>en</strong>d<strong>en</strong>cias actuales.<br />
Introducción<br />
En la década de 1950 apareció uno de los primeros aerog<strong>en</strong>eradores de gran<br />
pot<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> Gedser, Dinamarca, ver figura 1. Este t<strong>en</strong>ía 200kW de pot<strong>en</strong>cia y<br />
<strong>en</strong>tregaba una pot<strong>en</strong>cia muy costosa <strong>en</strong> relación a otros tipos de g<strong>en</strong>eración.<br />
En adelante, esta forma de producir <strong>en</strong>ergía eólica estuvo <strong>en</strong> constante evolución.<br />
El concepto mas usado siempre fue un aparato tripala de eje horizontal<br />
alim<strong>en</strong>tando una red trifásica. Los países con industrias <strong>eólicas</strong> más importantes<br />
son Dinamarca, España, Alemania y Estados Unidos. Durante las últimas dos<br />
décadas la pot<strong>en</strong>cia de las <strong>turbinas</strong> <strong>eólicas</strong> aum<strong>en</strong>tó hasta superar los 3MW.<br />
Se han probado y desarrollado difer<strong>en</strong>tes conceptos. Entre las modificaciones<br />
y evoluciones mas importantes <strong>en</strong> el área de control se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran la implem<strong>en</strong>tación<br />
de paso variable de las palas (cambio del ángulo de incid<strong>en</strong>cia) y el<br />
1
Figura 1: Aeroturbina hecha <strong>en</strong> Gedser, Dinamarca (1950). Imag<strong>en</strong> extraída de<br />
[1]<br />
control por <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida aerodinámica de las palas. Los conceptos asociados<br />
a máquinas eléctricas utilizadas sufrieron grandes cambios creándose nuevas<br />
alternativas. Desde 1993 algunos fabricantes reemplazaron los tradicionales g<strong>en</strong>eradores<br />
asincrónicos por los sincrónicos mi<strong>en</strong>tras que otros fabricantes implem<strong>en</strong>taron<br />
g<strong>en</strong>eradores asincrónicos con rotor bobinado <strong>en</strong> lugar del rotor de<br />
jaula. Los desarrollos eléctricos incluy<strong>en</strong> el uso de electrónica de pot<strong>en</strong>cia, con<br />
lo que se logra, <strong>en</strong>tre otras cosas, una velocidad de operación del rotor variable.<br />
Debido a la rápida evolución de la electrónica de pot<strong>en</strong>cia, que ofrece tanto<br />
mayor pot<strong>en</strong>cia transmitida como m<strong>en</strong>or precio/kW, la implem<strong>en</strong>tación de<br />
dicha electrónica se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> aum<strong>en</strong>to. Actualm<strong>en</strong>te se evalúan activam<strong>en</strong>te<br />
nuevos conceptos.<br />
Tipos de aerog<strong>en</strong>eradores y sus particularidades<br />
A la hora de g<strong>en</strong>erar <strong>en</strong>ergía eléctrica por medio de la pot<strong>en</strong>cia del vi<strong>en</strong>to<br />
existe una gran variedad de configuraciones posibles que se difer<strong>en</strong>cian <strong>en</strong> las<br />
características eléctricas, electrónicas y mecánicas.<br />
Desde el punto de vista del g<strong>en</strong>erador se pued<strong>en</strong> difer<strong>en</strong>ciar los asincrónicos<br />
(AG) de los sincrónicos (SG). A su vez los primeros pued<strong>en</strong> t<strong>en</strong>er rotor<br />
de jaula o rotor bobinado, mi<strong>en</strong>tras que los segundos pued<strong>en</strong> usar imanes<br />
perman<strong>en</strong>tes o rotor bobinado.<br />
Por otra parte, se pued<strong>en</strong> distinguir las configuraciones que pose<strong>en</strong> cajas<br />
multiplicadoras y las que no las ti<strong>en</strong><strong>en</strong>. Las primeras aum<strong>en</strong>tan la velocidad<br />
de giro de las palas, que es del ord<strong>en</strong> de 15 RPM para <strong>turbinas</strong> grandes,<br />
(ver [6]) para utilizar g<strong>en</strong>eradores rápidos, de pocos polos y compactos.<br />
Este tipo de g<strong>en</strong>eradores resultan atractivos pero implican el aum<strong>en</strong>to de<br />
complejidad del sistema debido a la caja multiplicadora. Por el contrario,<br />
los aerog<strong>en</strong>eradores sin caja multiplicadora ti<strong>en</strong><strong>en</strong> g<strong>en</strong>eradores de varios<br />
polos, más grandes y l<strong>en</strong>tos.<br />
2
Otra importante distinción es la que existe <strong>en</strong>tre la conexión directa y<br />
la indirecta. En la primera el g<strong>en</strong>erador <strong>en</strong>trega corri<strong>en</strong>te trifásica con la<br />
frecu<strong>en</strong>cia de la red, mi<strong>en</strong>tras que <strong>en</strong> el segundo caso el g<strong>en</strong>erador <strong>en</strong>trega<br />
frecu<strong>en</strong>cia variable y esta debe ser rectificada y convertida <strong>en</strong> corri<strong>en</strong>te<br />
trifásica mediante un dispositivo d<strong>en</strong>ominado conversor de frecu<strong>en</strong>cia. Un<br />
conversor de frecu<strong>en</strong>cia tradicional (<strong>en</strong> ingles ”drive”por su uso típico <strong>en</strong><br />
alim<strong>en</strong>tación de motores de velocidad variable) consiste de: un rectificador<br />
(AC a DC), un almac<strong>en</strong>ador de <strong>en</strong>ergía, y un inversor (DC a AC de frecu<strong>en</strong>cia<br />
controlable. En la figura 2 se observa el camino de la <strong>en</strong>ergía<br />
para un g<strong>en</strong>erador eólico con conexión indirecta a la red. Exist<strong>en</strong> tipos de<br />
conexión que rectifican parte de la pot<strong>en</strong>cia g<strong>en</strong>erada, para comp<strong>en</strong>sar la<br />
pot<strong>en</strong>cia reactiva o para excitar el inductor.<br />
Por último, un dato importante es el tipo de control de pot<strong>en</strong>cia, es decir,<br />
el método por el cual se controla la pot<strong>en</strong>cia recogida del vi<strong>en</strong>to por las<br />
palas. Este punto es importante no solo para regular la pat<strong>en</strong>cia eléctrica<br />
<strong>en</strong>tregada sino también para garantizar la integridad del conjunto g<strong>en</strong>erador<br />
ante los períodos de vi<strong>en</strong>tos excesivam<strong>en</strong>te fuertes. El método de<br />
<strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida (”stall control”) consiste <strong>en</strong> la reducción de la pot<strong>en</strong>cia<br />
recogida por las palas debida a una <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida aerodinámica de<br />
las mismas, mi<strong>en</strong>tras que el método de control del ángulo de paso (”pitch<br />
control”) consiste <strong>en</strong> la regulación por cambio del ángulo de paso de las<br />
palas.<br />
Algunos de los criterios con los que se elig<strong>en</strong> las características reci<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te<br />
m<strong>en</strong>cionadas son el peso de los materiales activos, aplicabilidad de la<br />
electrónica de pot<strong>en</strong>cia, consideraciones de protecciones y aspectos de servicio y<br />
mant<strong>en</strong>imi<strong>en</strong>to. Las nuevas tecnologías relacionadas a electrónica de pot<strong>en</strong>cia,<br />
automatización y control hac<strong>en</strong> posible diseños innovadores.<br />
Figura 2: conversión de la <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong> un aerog<strong>en</strong>erador con conección indirecta.<br />
Imag<strong>en</strong> de [1]<br />
3
En la figura 3 se pued<strong>en</strong> ver las configuraciones mas utilizadas <strong>en</strong> aerog<strong>en</strong>eradores<br />
de una amplia gama de pot<strong>en</strong>cias y tipos y <strong>en</strong> el cuadro 1 se especifican<br />
las características de dichas configuraciones. Estas ocho posibilidades establec<strong>en</strong><br />
la electrónica utilizada, el tipo de transmisión mecánica, y el sistema de control<br />
de pot<strong>en</strong>cia. Constituy<strong>en</strong> las opciones mas utilizadas, sin embargo exist<strong>en</strong><br />
muchas variantes de las mismas.<br />
Figura 3: Configuraciones estándar usando g<strong>en</strong>erador asincrónico (AG) y g<strong>en</strong>erador<br />
sincrónico (SG). Dep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do de la configuración particular, el término<br />
”power converter”indica la pres<strong>en</strong>cia de difer<strong>en</strong>tes compon<strong>en</strong>tes electrónicos que<br />
pued<strong>en</strong> ser: arrancador suave (a), variador de la resist<strong>en</strong>cia del rotor (c), rectificador<br />
(e: conectado al estator o f, g, h: conectado al rotor) y conversor de<br />
frecu<strong>en</strong>cia (b, d, e, g y h)<br />
En lo que sigue se ampl’ian las caracter’isticas de los aerog<strong>en</strong>eradores de la<br />
figura 3 y el cuadro 1:<br />
a) Utilizado como concepto conv<strong>en</strong>cional <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eradores de gran pot<strong>en</strong>cia. El<br />
banco de capacitores comp<strong>en</strong>sa la pot<strong>en</strong>cia reactiva y el arrancador suave<br />
proporciona una conexión suave a la red (”soft starting”). Esto último<br />
4
Configuración ”Power Multipolo o Control de Com<strong>en</strong>tarios<br />
Converter” caja reductora pot<strong>en</strong>cia<br />
a arrancador suave caja <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida una o dos velocidades<br />
multiplicadora posibles<br />
b conversor de caja <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida velocidad variable<br />
frecu<strong>en</strong>cia multiplicadora o constante<br />
c control de resis- caja ángulo de paso velocidad variable<br />
t<strong>en</strong>cia del rotor multiplicadora <strong>en</strong> un rango<br />
d conversor de caja ángulo de paso velocidad variable<br />
frecu<strong>en</strong>cia multiplicadora<br />
e conversor de multipolo <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida velocidad variable<br />
frecu<strong>en</strong>cia o ángulo de paso<br />
f rectificador caja <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida velocidad constante<br />
multiplicadora o ángulo de paso<br />
g rectificador y caja <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida velocidad variable<br />
conversor de multiplicadora<br />
frecu<strong>en</strong>cia<br />
h rectificador y multipolo <strong>en</strong>trada <strong>en</strong> pérdida velocidad variable<br />
conversor de<br />
frecu<strong>en</strong>cia<br />
Cuadro 1: Especificaciones de las configuraciones mostradas <strong>en</strong> la figura 3. Extraído<br />
de [3]<br />
5
es importante ya que si se conectara el aerog<strong>en</strong>erador a la red con un<br />
seccionador existiría una rep<strong>en</strong>tina caída de t<strong>en</strong>sión <strong>en</strong> la red debido a<br />
la <strong>en</strong>ergía necesaria para magnetizar el g<strong>en</strong>erador. Esto se soluciona utilizando<br />
grandes tiristores que conectan el g<strong>en</strong>erador progresivam<strong>en</strong>te, ver<br />
figura 4.<br />
b) En este concepto se reemplazan el arrancador suave y y el banco de capacitores<br />
por un conversor de frecu<strong>en</strong>cia que puede ser total o parcial:<br />
1. Si es total, convierte toda la corri<strong>en</strong>te y la velocidad del g<strong>en</strong>erador<br />
es indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te de la frecu<strong>en</strong>cia de la red.<br />
2. El conversor de frecu<strong>en</strong>cia parcial ti<strong>en</strong>e una capacidad de 20-30 %<br />
de la pot<strong>en</strong>cia nominal del g<strong>en</strong>erador por lo que <strong>en</strong> caso de vi<strong>en</strong>tos<br />
fuertes se conecta <strong>en</strong> forma de ”bypass”para comp<strong>en</strong>sar pot<strong>en</strong>cia<br />
reactiva. En este caso la velocidad del g<strong>en</strong>erador está dada por<br />
la frecu<strong>en</strong>cia de la red y el resbalami<strong>en</strong>to.<br />
c) Esta configuración usa un rotor bobinado de resist<strong>en</strong>cia variable, con este<br />
método se puede controlar el resbalami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> un rango de 10 % (fr<strong>en</strong>te a<br />
un 1 % de resbalami<strong>en</strong>to de los g<strong>en</strong>eradores con rotor de jaula). El hecho<br />
de que el g<strong>en</strong>erador aum<strong>en</strong>te o disminuya ligeram<strong>en</strong>te su velocidad al fluctuar<br />
el par torsor es una propiedad mecánica muy útil. Esto significa que<br />
habrá m<strong>en</strong>or desgaste <strong>en</strong> la caja multiplicadora (m<strong>en</strong>or par torsor máximo).<br />
Otra v<strong>en</strong>taja de este sistema es una mejor calidad de pot<strong>en</strong>cia, ya que<br />
las fluctuaciones de la pot<strong>en</strong>cia de <strong>en</strong>trada son absorbidas por la variación<br />
del resbalami<strong>en</strong>to y se <strong>en</strong>trega una pot<strong>en</strong>cia eléctrica mas uniforme. Para<br />
evitar los problemas relacionados a la utilización de anillos rozantes que<br />
acarrean las resist<strong>en</strong>cias fuera del rotor se emplea <strong>en</strong> aparatos modernos<br />
las resist<strong>en</strong>cias y la electrónica de control correspondi<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el rotor. La<br />
señal de control es comunicada por un medio óptico.<br />
d) Otra configuración emplea un g<strong>en</strong>erador de doble alim<strong>en</strong>tación (ver [5]). Un<br />
conversor de frecu<strong>en</strong>cia controla directam<strong>en</strong>te las corri<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> los bobinados<br />
del rotor. Esto permite el control de la salida del g<strong>en</strong>erador. Este<br />
concepto es atractivo por dos razones:<br />
1. Velocidad variable <strong>en</strong> un rango mas amplio que <strong>en</strong> el caso c)<br />
2. Mas barato que la configuración que utiliza un conversor de frecu<strong>en</strong>cia<br />
total.<br />
e) Esta configuración con g<strong>en</strong>erador de imanes perman<strong>en</strong>tes y sin caja multiplicadora<br />
es típica <strong>en</strong> aerog<strong>en</strong>eradores pequeños (típicam<strong>en</strong>te con pot<strong>en</strong>cias<br />
m<strong>en</strong>ores a 1 kW) usados para cargar baterías a través de un rectificador.<br />
Un concepto prometedor de este tipo es el ”WINDFORMER”sugerido por<br />
la empresa ABB: g<strong>en</strong>erador multipolo, produce 3.5MW de pot<strong>en</strong>cia, <strong>en</strong>trega<br />
corri<strong>en</strong>te continua (rectificada) de 21kV. Se pret<strong>en</strong>de combinar este<br />
concepto con líneas de corri<strong>en</strong>te continua (HVDC-light based grid), mas<br />
adelante se explicará con mas detalles.<br />
6
f) Este concepto utiliza excitación externa mediante el rectificado de la pot<strong>en</strong>cia<br />
extraída (con el ”Power Converter”). No es muy atractivo por las sigui<strong>en</strong>tes<br />
razones:<br />
1. La necesidad de un circuito de excitación<br />
2. La necesidad de anillos rozantes.<br />
g) Esta configuración se difer<strong>en</strong>cia de la anterior por el uso de un conversor de<br />
frecu<strong>en</strong>cia que permite la velocidad variable del rotor.<br />
h) Usando un g<strong>en</strong>erador multipolo se logra una velocidad más l<strong>en</strong>ta y se prescinde<br />
de la caja multiplicadora, lo que reduce la complejidad e increm<strong>en</strong>ta<br />
la confiabilidad del sistema.<br />
Figura 4: tiristores usados para la conexión suave a la red. Imag<strong>en</strong> de [1]<br />
Caso de estudio - WINDFORMER<br />
La empresa ABB está desarrollado el g<strong>en</strong>erador eléctrico WINDFORMER,<br />
un modelo sincrónico de alto voltaje multipolo de imanes perman<strong>en</strong>tes especialm<strong>en</strong>te<br />
diseñado para aplicaciones <strong>en</strong> <strong>turbinas</strong> <strong>eólicas</strong>. El concepto ti<strong>en</strong>e bobinas<br />
estatoricas conformadas por cables de alto voltaje. Ya se m<strong>en</strong>cionó <strong>en</strong> la sección<br />
”Tipo de aerog<strong>en</strong>eradores y sus particularidades”que el WINDFORMER<br />
pert<strong>en</strong>ece al grupo e) d<strong>en</strong>tro de los mostrados <strong>en</strong> la figura 3. La utilización<br />
de imanes perman<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> un g<strong>en</strong>erador de gran cantidad de polos reduce las<br />
pérdidas <strong>en</strong> el rotor significativam<strong>en</strong>te y hace posible la eliminación de la caja<br />
multiplicadora. La idea de ABB es combinar la tecnología de WINDFORMER<br />
7
con la tecnología HVDC-light (hight voltage direct curr<strong>en</strong>t light based grid o<br />
redes eléctricas de alta t<strong>en</strong>sión corri<strong>en</strong>te continua, explicadas mas adelante).<br />
Esto implica un nuevo concepto que involucra no solo el diseño del g<strong>en</strong>erador<br />
sino también el de la granja eólica incluy<strong>en</strong>do la conexión a la red. Las ideas<br />
principales del WINDFORMER son:<br />
Proveer un diseño mecánico simple, sin caja multiplicadora, lo que hace a<br />
una mayor confiabilidad, y m<strong>en</strong>or requerimi<strong>en</strong>tos de mant<strong>en</strong>imi<strong>en</strong>to.<br />
Electrónica de pot<strong>en</strong>cia del aerog<strong>en</strong>erador simple y de pocas pérdidas:<br />
rectificadores de diodos.<br />
Explotar las virtudes de la tecnología HVDC-light, obt<strong>en</strong>i<strong>en</strong>do una red<br />
interna <strong>en</strong> la granja simple y bu<strong>en</strong>a interfase con la red externa.<br />
El mayor inconv<strong>en</strong>i<strong>en</strong>te involucrado es el costo de todo el sistema y la incerteza<br />
del funcionami<strong>en</strong>to del mismo a largo plazo, ya que usa conceptos nuevos, nunca<br />
antes probados.<br />
Las redes eléctricas de alta t<strong>en</strong>sión y corri<strong>en</strong>te continua HVDC-light están<br />
si<strong>en</strong>do implem<strong>en</strong>tas para granjas <strong>eólicas</strong> que pose<strong>en</strong> un gran numero de aerog<strong>en</strong>eradores.<br />
En la figura 5 se puede ver un concepto de este tipo de conexión<br />
<strong>en</strong> granjas. Cada turbina <strong>en</strong>trega corri<strong>en</strong>te continua (rectificada) por lo que no<br />
necesita funcionar a velocidad constante. Esto conlleva un mayor r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to,<br />
ya que el control de la turbina elige la velocidad que aprovecha la mayor cantidad<br />
de pot<strong>en</strong>cia posible. El conversor DC/AC (indicado por CS <strong>en</strong> la parte<br />
izquierda de la figura) no se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra d<strong>en</strong>tro de cada turbina, sino que maneja<br />
la totalidad de la pot<strong>en</strong>cia de la granja.<br />
Figura 5: Una forma de conexión de las <strong>turbinas</strong> <strong>en</strong> un parque eólico, cada<br />
turbina ti<strong>en</strong>e un conversor AC/DC, las líneas del parque son del tipo HVDClight<br />
y la conexión a la red externa se realiza a través de un conversor DC/AC.<br />
Ambos conversores se d<strong>en</strong>otan por CS.<br />
8
Refer<strong>en</strong>cias<br />
[1] http://www.windpower.org<br />
[2] http://www.invap.net/indus/eolica/contemporaneas.html<br />
[3] Conceptual survey of G<strong>en</strong>erators and Power Electronics for Wind Turbines,<br />
L. H. Hans<strong>en</strong>, L. Helle, F. Blaabjerg, E. Ritchie, S. Munk-Niels<strong>en</strong>, H. Bindner,<br />
P. Sr<strong>en</strong>s<strong>en</strong> and B. Bak-J<strong>en</strong>s<strong>en</strong>, 2001<br />
[4] http://www.sci<strong>en</strong>cedirect.com/<br />
[5] http://<strong>en</strong>.wikipedia.org/wiki/Doubly-fed electric machine<br />
[6] http://www.gepower.com/prod serv/products/wind turbines/<strong>en</strong>/downloads/ge 36brochure new.<strong>pdf</strong><br />
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