4.2 MODELADO DE GENERACIÓN EÓLICA 46
4.2.4 Generador asíncrono o de inducción 55
Las mayores ventajas de las turbinas eólicas con generadores de inducción es su construcción simple y sencilla (no tienen excitadores, reguladores de tensión, gobernadores o equipo de sincronización) [17].
Las desventajas de los generadores de inducción son las grandes corrientes de arranque, las cuales generalmente son reducidas por un controlador de tiristores, y su demanda de potencia reactiva [17].
Los generadores de inducción conectados directamente a la fuente se excitan desde el alimentador principal, y no son capaces de mantener las corrientes de corto circuito por un tiempo relativamente prolongado.
Los aerogeneradores asíncronos pueden ser de jaula de ardilla, de resistencia variable o doblemente alimentado. La figura 4.9 ilustra los distintos modos de conexión de un generador asíncrono con la red.
Figura 4.9. Conexión de generadores asíncronos [60]
Se tiene que considerar si se necesitarán bancos de capacitores para compensar la potencia reactiva consumida por el generador asíncrono y las armónicas que éste pueda provocar.
Compensación de potencia reactiva
Los generadores de inducción consumen potencia reactiva. Su consumo está en el orden del 35-40% de la potencia activa nominal incrementándose a cerca del 60% a potencia nominal [17].
Para determinar la compensación de potencia reactiva que requiere un grupo de generadores eólicos es importante notar que la producción de potencia reactiva en un cable es considerable y por ejemplo un cable de 40 km de longitud a 150 kV producirá alrededor de 100 Mvar, que es más o menos la potencia reactiva usada por un parque eólico de 150 MW con generadores de inducción. Será necesario instalar bancos de capacitores locales para suministrar la potencia reactiva faltante. Cuando la demanda de la turbina eólica es cero cuando está desconectada de la red en periodos con bajas velocidades de viento se tendrán que instalar reactores para compensar esta producción de potencia reactiva [17]. Para turbinas eólicas con sistemas PWM, como es el caso de los doblemente alimentados, la potencia reactiva puede ser controlada por el inversor. Estas turbinas eólicas pueden tener un factor de potencia de 1.00. Pero estos sistemas de inversor también dan la posibilidad de controlar el voltaje al controlar la potencia reactiva (generación o consumo de potencia reactiva) [17].
4.2.4.1 Modelo del generador de inducción doblemente alimentado (DFIG)
Para obtener el modelo del generador de inducción doblemente alimentado, se parte del modelo del generador de inducción. El modelo dinámico del generador de inducción usa los parámetros de estado estable definidos en el diagrama equivalente mostrado en la figura 4.10 [58].
Figura 4.10. Modelo general de un generador de inducción de jaula de ardilla [58]
El modelo está caracterizado por la resistencia de los devanados del estator Rs, la reactancia
de fuga del estator Xs, la reactancia de magnetización Xm y la impedancia del rotor Zrot. La
impedancia del rotor Zrot depende de la frecuencia y permite por lo tanto el modelado en un
amplio rango de velocidad/deslizamiento [58].
DIgSILENT proporciona un modelo d-q, expresado en el marco de referencia del rotor [58]:
= + + (4.17)
0 = + − +
donde u, i, y ψ son vectores espaciales para el voltaje, corriente y flujo, respectivamente. ωsyn es la velocidad síncrona, mientras que ωr es la velocidad angular del rotor.
Como el rotor está cortocircuitado en el generador de inducción de jaula de ardilla, el voltaje del rotor se pone en cero. Las ecuaciones de voltaje son usadas en DIgSILENT en cantidades en por unidad, como se muestra a continuación [58]:
= + !" " +
#
" (4.18)
0 = + − + 1
donde ωn es la frecuencia eléctrica nominal de la red.
La inercia del generador está modelada dentro del modelo construido de la máquina de inducción. La inercia del generador está especificada en la forma de una constante de tiempo de aceleración en el generador de inducción.
El modelo dinámico del generador de inducción se completa con la ecuación mecánica:
m e r T T
Jω• = − (4.19)
Donde J es la inercia del generador, Te es el par eléctrico, Tm es el par mecánico. La
ecuación mecánica puede ser relacionada con el par nominal [58]:
(
)
[
n n]
n n P s T = /ω 1− (4.20) donde: Tn es el par nominal sn es el deslizamiento nominaly por lo tanto la constante de tiempo de aceleración Tagpuede ser expresada como:
(
)
n n n ag P s J T 2 1− ω = (4.21)Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG)
El modelo del generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) en DIgSILENT, ilustrado en la figura 4.11, extiende al generador común de inducción con un convertidor PWM del lado del rotor en serie con la impedancia del rotor Zrot [58].
Figura 4.11. Máquina de inducción doblemente alimentada con un convertidor del lado del rotor. [58]
La figura 4.11 muestra el concepto general de un generador de inducción doblemente alimentado. La potencia mecánica generada por la turbina de viento es transformada en potencia eléctrica por un generador de inducción y es inyectada a la red principal mediante los devanados del estator y del rotor. El devanado del rotor está conectado a la red principal mediante un convertidor autoconmutado CA/CD permitiendo controlar el voltaje en los anillos rozantes de la máquina de inducción e magnitud y ángulo de fase. [61]
En contraste con un generador convencional de inducción, la potencia eléctrica de una máquina de inducción doblemente alimentada es independiente de la velocidad. Por lo tanto, es posible tener un generador eólico de velocidad variable permitiendo ajustar la velocidad mecánica con la velocidad del viento y de esta forma operar la turbina al punto aerodinámico óptimo para un cierto rango de velocidades de viento. [61]
El convertidor PWM insertado en el circuito del rotor permite un control flexible y más rápido de la máquina al modificar la magnitud y ángulo de fase de la salida de voltaje Uac
de CA del generador en el lado del rotor. Esto se hace al modificar el factor de modulación PWM. Basado en el balance de potencia entre el lado de CA y el de de CD del convertidor, la corriente y el voltaje de CD UDC pueden ser entonces calculadas. La relación CA-CD del
convertidor PWM es la siguiente (el voltaje de CA UAC está expresado como un voltaje de
línea-línea) [58]:
%&' = *√*√) ∗ +,- ∗ %.' (4.22)
%&'/ = √3
2√2∗ +,-/ ∗ %.'
donde PWMr y PWMi son los componentes real e imaginario del factor de modulación,
respectivamente.
Se asume que un puente estándar que consta de seis transistores construye al convertidor, y que se aplica una modulación de ancho de pulso senoidal. La relación entre las corrientes
de CA y de CD puede encontr [58]:
+&' = 2%&'3&'∗ 4 = %.'3.'
Durante las simulaciones en el los factores de modulación de entre el voltaje en CD y el volt Las ecuaciones del modelo de ecuaciones de una máquina de rotor [58].
El voltaje en por unidad del r voltaje en CD como se muestra
=*√*√) ∗ +,- ∗ 567 58"9: ;= √3 2√2∗ +,-;∗ %.' % <=
donde Urnom es el voltaje nomi Protección de corriente en el r
En el caso de fallas cerca del g riesgo de dañar el convertidor entonces protegido contra tale (cortocircuito). Si la corriente de bypass es insertado inmed (protección de crowbar) [58]. Mientras el convertidor del la generador de inducción norm arriba de la velocidad síncron rápidamente durante una fall usualmente durante una falla c Cortocircuitar el rotor con un punto de estancamiento a un consumo de potencia reactiva d
ntrarse al asumir que el convertidor PWM es libr
= +.'
el dominio del tiempo el convertidor está control de ancho de pulso PWMd y PWMq, los cuales defin
oltaje en CA en los anillos rozantes [58].
de la máquina doblemente alimentada se pueden de inducción normal al modificar las ecuaciones
l rotor que aparece en la ecuación de 4.24 está r stra [58]:
(4.25
minal del rotor.
el rotor
l generador, las corrientes del rotor se incrementan or del lado del rotor. El convertidor PWM del lad ales grandes corrientes del rotor mediante un circu te de rotor excede el valor máximo permitido, un ediatamente y el convertidor del lado del rotor
lado del rotor es cortocircuitado, el generador op rmal. Ya que la velocidad puede estar considera rona después de que ocurre una falla o la máqui alla, el punto de estancamiento de la máquina a conduciendo a un consumo muy grande de pote una resistencia adicional y una reactancia adicio un valor de velocidad mayor y reduce conside
a de la máquina [61]. ibre de pérdidas (4.23) trolado mediante finen la relación n obtener de las es de voltaje del (4.24) á relacionado al .25) tan y se corre el lado del rotor es rcuito de bypass un circuito R-L or es bloqueado opera como un erablemente por quina se acelera ina es excedido otencia reactiva. ional cambia el derablemente el
La protección de crowbar es usualmente removida después de un tiempo predefinido. Se pueden considerar criterios adicionales, tal como la magnitud del voltaje para aumentar la confiabilidad del sistema de protección de corriente del rotor [61].
En la implementación en DigSILENT PowerFactory, la protección de crowbar es una parte integral en el modelo de la máquina de inducción doblemente alimentada. Los criterios para insertar y remover el bypass del rotor pueden definirse en forma flexible usando el lenguaje de PowerFactory [61].