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Criterios para el diseño de parques eólicos

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Academic year: 2020

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica. TRABAJO DE DIPLOMA Titulo: “Criterios Autor: Yairel. Tutor: Dr.. para el diseño de parques eólicos”. Reyes Mendoza. Ignacio Pérez Abril. Consultante:. Dr. Leonardo Casas Fernández. Santa Clara, Cuba 2008 “Año 50 de la Revolución”.

(2) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad. ________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo dela dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ____________________ Firma del Autor. ______________________________ Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. _________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(3) Todos y cada uno de nosotros paga puntualmente su cuota de sacrificio consciente de recibir el premio en la satisfacción del deber cumplido, consientes de avanzar con todos hacia el nuevo hombre que se vislumbra en el horizonte. Ernesto Guevara.

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(5) A mi familia por su amor y paciencia, la que me a soportado todos estos años de estudios, en especial a mis abuelos Juan y Dulce a mis padres. Miriam y Rafael, a mi padrastro. Rolando, mi novia Yeimy por su apoyo, a Damaris, Tairy, Raúl, mi hermanos Raulito y Taimary y demás familiares, profesores y vecinos que hicieron posible este sueño. A todos Muchas Gracias.

(6) Tarea técnica Para el desarrollo de este trabajo diploma nos enfrascamos en diferentes aspectos y tareas como son: a). Búsqueda sobre el tema y costo de los equipos.. b). Evaluar la información disponible determinando los factores fundamentales a. tener en cuenta y los tipos de esquemas básicos. c). Describir las bases para el diseño óptimo de dichos circuitos.. Donde se realizó una serie de búsquedas sobre el tema de gran utilidad para nuestro conocimiento, por los estudios realizados a éstas, donde una muestra de estos son los siguientes: Estudiar las partes integrantes de un sistema eólico de energía y el funcionamiento de estos sistemas. Estudiar el diseño de sistemas de conexión de los parques eólicos. Los métodos existentes para la optimización de dichos sistemas Estructurando el trabajo de la siguiente forma: En el capítulo 1 se realiza una descripción sobre los diferentes tipos de energía, las ventajas del uso de sistemas eólicos para el medio ambiente, partes que lo integran y su clasificación atendiendo a sus componentes principales. En el capítulo 2, se describe las normas o requisitos para la interconexión de estos parques al sistema eléctrico de potencia y las conexiones más difundidas dentro de los mismos según el tipo de equipo a conectar. El Capítulo 3 se muestra los métodos de optimización desarrollados para la trasmisión de la potencia generada con un bajo nivel de pérdidas y sus componentes principales para su implementación. En la parte final del trabajo se proponen un conjunto de conclusiones útiles para los interesados en el tema. El aporte fundamental de este trabajo, además de la adquisición de conocimiento sobre el tema, es tener un soporte con la información meritoria sobre el tema ya que la información publicada esta muy dispersa en la actualidad sufriendo grandes cambios por la creciente utilización de estos emplazamientos generación de energía eléctrica. Firma del Autor. Firma del Tutor. para la.

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(8) RESUMEN En el trabajo se realiza un estudio sobre los aspectos fundamentales. para la. conexión de los parques eólicos al sistema, detallando básicamente sus principales componentes y conexiones. Basándonos en estudios y publicaciones en diversas entidades persiguiendo. el objetivo de establecer su máxima explotación. y más. económica del sistema. En primer lugar se realiza un estudio sobre los diferentes tipos de energía y su caracterización sobre los componentes que la forman. Se analizan las ventajas de los sistemas eólicos y se describen las partes que lo integran. Posteriormente se realiza un análisis de las principales conexiones atendiendo específicamente al tipo de generador según la categorización del viento y su conexión tanto individual como en conjunto en el parque eólico y sus principales normas o requisitos necesarios para su integración al sistema. Por último, se explica un diseño de circuitos del parque para la trasmisión, sus componentes básicos, con el objetivo de la disminución de las pérdidas para el funcionamiento más óptimo del sistema, definiendo algunos de los parámetros indispensables para su aplicación..

(9) INDICE Introducción....................................................................................... 1 Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica............................................... 3 1.1 ¿Qué se entiende por energía?............................................................................. 4 1.2 Fuentes de energía. .............................................................................................. 5 1.3 Energía Renovable............................................................................................... 6 1.4 Breve descripción de las energías renovables.................................................... 6 1.5 ¿Qué se entiende por energía eólica?.................................................................. 7 1.6 Que es un aerogenerador ................................................................................... 7 1.6.1 Partes que componen un aerogenerador...................................................... 8 1.7 Clasificación de los aerogeneradores.................................................................. 9 1.7.1 Clases de aerogenerador según la disposición del eje................................. 10 1.7.2 Tipos de aerogeneradores según el numero de aspas ................................ 11 1.7.3 Clasificación según el generador................................................................. 13 1.8 Centrales Eolo-Eléctricas.................................................................................... 15 Conclusiones del capítulo 1...................................................................................... 16 Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos..................................................... 17 2.1 Conexión de parques eólicos a la red eléctrica................................................... 18 2.2 Requisitos de conexión de un parque eólica a la red ....................................... 19 2.3 Normas en cuanto eficiencia energética y calidad de la energía..................... 21 2.4 Formas de conexión de un parque eólica a la red ............................................. 23 2.4.1 Generadores de inducción (velocidad fija)................................................... 23 2.4.2 Generador de inducción doblemente alimentado (velocidad variable ).... 24 2.4.3 Generador sincrónico multipolo (velocidad variable)................................. 25 2.4.4Generador sincrónico (velocidad variable )................................................. 25 2.4.5 Aerogeneradores con máquina de inducción doblemente alimentada y red de MT.................................................................................................................... 26 2.4.6 Aerogeneradores con máquina de inducción y compensación de reactiva centralizada................................................................................................................. 26 2.4.7 Aerogeneradores con control de velocidad individual a través de una red interna de corriente directa....................................................................................... 27 2.4.8 Aerogeneradores sin control de velocidad individual con una red interna de corriente directa.......................................................................................................... 28 2.5 Parques eólicos marinos (configuraciones generares )................................. 29 2.6 Comportamiento de los aerogeneradores en la red eléctrica........................... 32 Conclusiones del capítulo 2 ...................................................................................... 36 Capítulo 3 Métodos para explotación óptima........................................................ 3.1 Sistema de Transmisión...................................................................................... 3.2Transmisión de corriente alterna a alta tensión ............................................... 3.3 Transmisión de corriente directa a alto voltaje mediante un convertidor LCC (convertidor de conmutación lineal).............................................................. 3.4 Convertidor con fuente de voltaje (VSC) de alta tensión de corriente directa.......................................................................................................................... 3.5 Comparación........................................................................................................ 3.6 Cuestiones técnicas............................................................................................... 37 38 38 39 41 44 44.

(10) 3.6.1 Clasificación................................................................................................... 44 3.6.2 Comparación en cuanto a pérdidas............................................................. 45 3.6.3 Impacto en la red........................................................................................... 46 3.7 En cuanto a las cuestiones económicas............................................................. 47 3.8 Otros métodos de optimización ........................................................................ 48 3.8.1 Utilización de baja frecuencia..................................................................... 49 3.8.2Trasmisión a corriente directa con generadores AC ............................... 49 3.8.3 Trasmisión a corriente directa con generadores DC.............................. 50 3.9.0 Optimización de parques eólicos mediante Algoritmos Genéticos............. 51 3.9.1 Evaluación de la fiabilidad mediante Algoritmos Genéticos......................... 52 3.9.2 Estructura principal del sistema según AG.................................................. 53 3.9.3 Posible configuración según el análisis de AG:............................................... 54 Conclusiones del capítulo 3 ………………………………………………………… 55 Conclusiones Generales Recomendaciones Nomenclatura Bibliografía.

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(12) Introducción. INTRODUCCIÓN El uso de la energía para la humanidad ha enmarcado su continuo desarrollo y perfeccionamiento en nuestra historia. Sin embargo, el consumo y abastecimiento energético, en su planteamiento actual, comprometen el desarrollo de las generaciones futuras, ya que conllevan el agotamiento de los combustibles y generan problemas medioambientales de alcance mundial. No olvidemos que de la transformación, transporte y uso final de la energía se derivan importantes impactos medioambientales, entre los que destaca la generación de la mayoría de las emisiones de CO2. Para el uso correcto de estos recursos el hombre se ha visto en la necesidad de desarrollar y perfeccionar tanto los medios de explotación de la energía primaria, buscando una mayor eficiencia en su uso, como los medios de transporte de los mismos, a fin de disponer de ellos en el lugar y en la cantidad requerida en el momento necesario. Las fuentes de energía primaria de que dispone el hombre son de dos tipos, las agotables y las renovables. A la primera pertenecen los combustibles fósiles y los materiales radioactivos en tanto que a la segunda pertenecen todas aquellas fuentes de energía que dependen del sol como es el caso de la energía eólica, la hidráulica, las biomasas y la energía obtenida directamente de los rayos del sol. El objetivo del presente trabajo es sintetizar los aspectos más importante para el diseño y explotación óptima de los parques eólicos dado el continuo crecimiento que ha emprendido esta empresa con respecto a las demás, el cuál está estructurado de la siguiente forma: En el capítulo 1 se realiza una descripción sobre los diferentes tipos de energía, las ventajas del uso de sistemas eólicos para el medio ambiente, partes que lo integran y su clasificación atendiendo a sus componentes principales. En el capítulo 2, se describe las normas o requisitos para la interconexión de estos parques al sistema eléctrico de potencia y las conexiones más difundidas dentro de los mismos según el tipo de equipo a conectar. El Capítulo 3 se muestra los métodos de optimización desarrollados para la trasmisión de la potencia generada con un bajo nivel de pérdidas y sus componentes principales para su implementación. En la parte final del trabajo se llega a un grupo de conclusiones útiles para los interesados en el tema. El aporte fundamental de este trabajo, además de la adquisición de conocimiento sobre el tema, es tener un soporte con la información meritoria sobre el 1.

(13) Introducción. tema ya que la información publicada esta muy dispersa en la actualidad sufriendo grandes cambios por la creciente utilización de estos emplazamientos para la generación de energía eléctrica.. 2.

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(15) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN AL USO DE LA ENERGÍA EOLICA Actualmente las reservas energéticas constituyen preocupaciones para la humanidad, tanto desde el punto de vista de sus cantidades como desde el punto de vista nocivo para su supervivencia y de otras especies que ya comenzaron a sufrir en gran medida los efectos del medio en ese sentido. Así la humanidad ha visto cómo cada día se incrementan las especies que tienden a desaparecer; finalmente el hombre se ha visto en la obligación de tomar medidas para su protección. En los últimos años las campañas por la toma de conciencia de que, el hombre será la próxima especie en tender a extinguirse, han aumentado y se han creado organizaciones internacionales encargadas de velar por el cumplimiento y control de algunos lineamientos, a fin de disminuir los daños provocados por el uso indiscriminado de las reservas y fuentes de energía. Dándose pasos para buscar fuentes alternativas y menos dañinas a la salud y existencia de la humanidad, como la eólica para obtención de energía eléctrica . La utilización del viento para la generación de electricidad es una de las fuentes con mayor crecimiento a nivel mundial,. habiendo registrado un aumento anual del 40%. durante los últimos cinco años, esto ha traído. consigo que. la tecnología de los. aerogeneradores ha alcanzado un grado mayor de madurez durante los pasados quince años, como resultado de la competencia comercial, la producción masiva y el continuo éxito técnico en investigación y desarrollo. Las primeras preocupaciones respecto a que los aerogeneradores eran caros y poco confiables ya han sido disipadas. Los costos de proyectos de energía eólica han bajado siendo rentables por el alza del precio del petróleo y la disponibilidad técnica de las turbinas, se sitúa ahora sobre el 97 %, mas el tiempo necesario para construir un parque eólico es relativamente corto en comparación con centrales eléctricas convencionales. Gran parte de esta capacidad de generación está localizada en el mar, donde las altas velocidades medias del viento se traducen en una mayor producción de energía. La situación en el mismo también reduce el impacto sobre el medio ambiente local, dado que las turbinas están lo suficientemente alejadas para que no puedan ser vistas ni oídas. Estos utilizan estaciones de red ubicadas en tierra, fácilmente accesibles para los trabajos de. 3.

(16) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. mantenimiento y servicio. La estación de red controla individualmente la potencia de salida real y reactiva, lo que permiten conectar los parques eólicos incluso a una red débil. 3Diversos proyectos de desarrollo siguen en marcha con el objeto de producir unidades de mayor tamaño, de modo que hoy en día se puede considerar la eólica como una importante fuente de energía, con grandes parques eólicos que pueden suministrar cientos de megavatios. Esto se ve acompañado por la seguridad de que el sector de la energía eólica ha alcanzado en lo referido a sus sistemas de protecciones , con dispositivos que mide continuamente la velocidad del viento formando parte de la mayoría de los sistemas de control del aerogenerador. Cuando la velocidad del viento es lo suficientemente alta como para vencer la fricción del mecanismo de arranque del aerogenerador, entonces los controles permiten que el rotor se accione y comience a rotar produciendo así niveles bajos de electricidad. La velocidad del viento con la cual se alcanza la energía calculada se denomina velocidad del viento estimada. Al final si la velocidad del viento supera este valor, los sistemas de control automáticos desconectan la turbina para evitar daños a la maquinaria siendo más fiables 1.1 ¿Qué se entiende por energía? Antes de referirnos a los tipos de energía debemos comenzar describiendo el concepto de energía. El vocablo energía procede de las palabras griegas en, que significa contenido y ergon, trabajo. Así, al unir ambas palabras surge el término energía, que significa trabajo contenido en los cuerpos. El análisis conjunto de ejemplos sencillos en nuestra práctica nos lleva a arribar a las siguientes conclusiones. La energía se pone de manifiesto a través de los cambios en las propiedades de los cuerpos o de sus sistemas. Mientras mayores sean los cambios efectuados, mayor es la energía intercambiada. Existen tres procesos mediante los cuales se intercambia la energía entre los sistemas o de una parte de un sistema a otro. Es posible entonces decir que la energía caracteriza la capacidad de los sistemas para cambiar sus propiedades o las propiedades de otros sistemas, se produzcan los cambios. 4.

(17) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. mediante la realización de trabajo, el calentamiento o la radiación. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición, en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. Convendría puntualizar aquí, que la causa de los cambios, cualesquiera que estos sean, son las interacciones [10]. La energía es la medida más general del movimiento de la materia, en su capacidad de transformarse en otros tipos de movimiento. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante. La energía puede transformarse, no se puede crear ni destruir. Este concepto, conocido como principio de conservación de la energía, constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica [13]. 1.2 Fuentes de energía. Cuando nos referimos a la energía solar, la eólica, la nuclear, la eléctrica, etc., no estamos en presencia de nuevas formas de energía. En estos casos se hace referencia a los procesos a partir de los cuales se dispone de energía útil o de los elementos que participan en dichos procesos. Por ejemplo, cuando empleamos el término energía eólica lo que se indica es el nombre del elemento del cual procede la energía, que en última instancia se presenta en forma de energía cinética. Por eso lo correcto es decir que tanto la energía eólica como la eléctrica o la biomasa son fuentes de energía. Las fuentes de energía pueden clasificarse de acuerdo con su sitio de origen o con su carácter. De acuerdo con su origen se dividen en: 1. Las que se originan en las profundidades o en la corteza terrestre, que pueden ser geotérmica o nuclear, entendiéndose aquí los elementos radiactivos de donde ésta se “extrae”. 2. Las que tienen su origen fuera de la Tierra: gravitacional (debido a la interacción de la Luna y el Sol con nuestro planeta, se producen las mareas) y solar, que a la vez se subdivide en radiante: directa y almacenada tanto en la corteza como fotosintéticamente en la biomasa primaria; inducida: eólica, oleajes, corrientes oceánicas, hidroenergía; almacenada geológicamente en forma de combustibles fósiles: carbón mineral, petróleo y gas natural. De acuerdo con su carácter, las fuentes de energía pueden ser clasificadas como:. 5.

(18) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. 1. Permanentes, también denominadas renovables. 2. Temporales, o no renovables. Fuente. Origen. Mareomotriz, hidráulica. La posición que ocupan los cuerpos. Combustibles fósiles,. Los enlaces químicos moleculares,. Biomasa, elementos. Atómicos y nucleares.. Radiactivos Eólica, energía de las olas.. El movimiento.. Solar térmica y fotovoltaica La radiación. Tabla 1.1 Fuentes Primarias de Energía 1.3 Energía Renovable. Energía renovable también llamada energía alternativa o blanda, este término engloba una serie de fuentes energéticas que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. Estas fuentes serían una alternativa a otras tradicionales y producirían un impacto ambiental mínimo. Las energías renovables comprenden: la energía solar, la hidroeléctrica (se genera haciendo pasar una corriente de agua a través de una turbina), la eólica (derivada de la solar, ya que se produce por un calentamiento diferencial del aire y de las irregularidades del relieve terrestre), la geotérmica (producida por el gradiente térmico entre la temperatura del centro de la Tierra y la de la superficie), la hidráulica (derivada de la evaporación del agua) y la procedente de la biomasa (se genera a partir del tratamiento de la materia orgánica).[21] 1.4 Breve descripción de las energías renovables En la actualidad se ha comenzado a tomar conciencia de la necesidad de buscar nuevos recursos para generar electricidad. El problema de los recursos petroleros está determinando desarrollos sumamente negativos e inquietantes en los acontecimientos mundiales. La tasa de extracción de petróleo en el ámbito mundial debe alcanzar su nivel máximo en la presente década y luego empezará a bajar dramáticamente, no solo es este el hecho, sino que éstos combustibles fósiles traen consigo un proceso de deterioro del medio. 6.

(19) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. ambiente, baste mencionar, entre otras, la cantidad de CO2 producida en la combustión, principal responsable del efecto invernadero y del calentamiento global. Lo que implica que este recurso; en el cual basan muchos países su economía; próximamente comenzará a escasear y todo lo que se halla creado sobre esa base se vendrá abajo estrepitosamente. Las energías renovables son una solución real a este fenómeno energético que afronta nuestro planeta. Estas se describirán a continuación: 1.5 ¿Qué se entiende por energía eólica? La energía eólica es la energía cuyo origen proviene del movimiento de masa de aire es decir del viento. En la tierra el movimiento de las masas de aire se debe principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama viento geoestrofico. Para la generación de energía eléctrica a partir de la energía del viento a nosotros nos interesa mucho más el origen de los vientos en zonas especificas del planeta, estos vientos son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas que son debidas a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra, también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por ésta dependiendo si es de noche o de día. [13] 1.6 Que es un aerogenerador Un sistema conversor de energía eólica transforma la energía cinética del viento en un movimiento rotatorio que se utiliza según la aplicación del sistema eólico. Es decir, si se trata de un sistema de bombeo de agua, el equipo empleado se denominará aerobomba , si se acciona un dispositivo mecánico se denominará aeromotor, si se trata de un generador eléctrico, como es el caso que nos aplica, se denominará aerogenerador. Los aerogeneradores, o aeroturbinas, se clasifican en dos grandes bloques, según sean de eje horizontal o vertical. Y dentro del primer grupo se distinguen los de ejes paralelos a la dirección del viento de los perpendiculares. Los molinos convencionales, ya narrados por Don Miguel de Cervantes en su obra maestra, se clasifican dentro de los de eje horizontal y paralelos al viento. Ésta es la tipología que se considera en el presente estudio, aunque con. 7.

(20) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. la incorporación de grandes avances científicos y tecnológicos. Son las máquinas eólicas del siglo XXI que constituyen los modernos parques eólico- eléctricos. [51] por su capacidad de generación de una energía limpia. 1.6.1 Partes que componen un aerogenerador. Las partes integrantes de un aerogenerador son: La góndola: Contiene los componentes claves del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. Las palas del rotor: Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 1500 kW. cada pala mide alrededor de 40 metros de longitud y su diseño es muy parecido a la del ala de un avión. El buje: El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador. El eje de baja velocidad: Conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 1500 kW. el rotor gira muy lento, a unas 20 a 35 revoluciones por minuto (r.p.m.) El eje contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos. El multiplicador: Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad. El eje de alta velocidad gira aproximadamente a 1500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de. 8.

(21) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina. El generador eléctrico: Suele ser un generador asincrónico o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 2000 kW. El controlador electrónico: Es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción automáticamente detiene el aerogenerador y llama al ordenador del operario, encargado de la turbina, a través de un enlace telefónico mediante módem. La unidad de refrigeración: Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua. La torre: Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna de 1.500 kW. tendrá una torre de unos 60 metros Las torres pueden ser bien torres tubulares o torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja de las torres de celosía es que son más baratas. El mecanismo de orientación está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta. El anemómetro y la veleta: Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s.[49] 1.7 Clasificación de los aerogeneradores Los aerogeneradores se pueden clasificar atendiendo muchos aspectos, todos se originan atendiendo a sus componentes principales como numero de palas, disposición de estas, tipo de generador, etc., a continuación mostraremos los aspectos de los más difundidos. 9.

(22) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. .1.7.1 Clases de aerogenerador según la disposición del eje. 1. Aeromotores de eje horizontal. (Con el eje paralelo a la dirección del viento.) 2. Aeromotores de eje vertical. (Con el eje perpendicular a la dirección del viento.). Fig. 1.1 Aerogenerador de eje horizontal •. Fig. 1.2 Aerogenerador de eje vertical. Aeromotores de eje horizontal. Estos presentan el eje paralelo a la dirección del viento. Son las. máquinas más. difundidas, y con rendimiento superior a las demás. Incluyen aquellas de 1,2,3 o 4 palas, además de las típicas multipalas para el bombeo de agua.. Los aerogeneradores más significativos de eje perpendicular a la dirección del viento, son los de perfil oscilante y el sistema de captación con palas batientes. Estos sistemas se han estudiado ampliamente, también se construyeron prototipos de otras diversas formas; pero presentan más inconvenientes que ventajas; en especial necesitan sistemas de orientación igual a los de eje horizontal paralelo al viento. La recuperación de energía es en generalmente complicada y no presenta un buen rendimiento. •. Aeromotores de eje vertical.. Son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica, ya que son más sencillas que las de eje horizontal; no necesitan ningún sistema de orientación. Lo que constituye una ventaja constructiva. En funcionamiento las palas, los rodamientos y los ejes, no están sometidos a esfuerzos importantes por cambios. 10.

(23) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. de orientación. Son de fácil construcción. El rendimiento es mediocre (el rotor Savonius un 20% del límite de Betz). No se experimentó un gran desarrollo en estos aparatos. Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje vertical. 1.. Aeromotores avonius.. Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es levado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal. 2.. Aeromotores Darrieus .(patente/1931). Emplea la sustentación de las palas y están caracterizados por débil par de arranque y velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia. Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores haciéndolo mixto (Savonius-Darrieus). Este tipo de máquinas es susceptible de competir con los aeromotores rápidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; son objeto de estudio y desarrollo. 1.7.2 Tipos de aerogeneradores según el número de aspas . Unas de las primeras partes de los aerogeneradores según [50] son las aspas las cuales como se menciona anteriormente son las encargadas de entregarle energía mecánica al generador, ellas se pueden clasificar en: •. Multipala. •. Tripala. •. Bipala. •. Monopala. Esta variedad viene dada por la búsqueda de diseños que proporcionen una alta velocidad aumentando la misma a medida que disminuye el número de palas ya que éstos son más ligeros y por lo que poseen una menor inercia y por ende hace falta una menor fuerza para moverlas a la vez que la disminución del número de palas hace que éstas sean más baratas. Pero esto también tiene sus inconvenientes según [3] ya que por la alta velocidad que pueden desarrollar el eje del rotor con un diseño monopala o bipala se producen grandes esfuerzos dinámicos del mismo por lo que habría que buscar. 11.

(24) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. protecciones contra esto lo que encarecería la máquina. Es por ello que se llega a un compromiso entre esto y se escoge un término medio siendo el diseño tripala el más usado. •. Tripala. La mayoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor a barlovento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico "concepto danés", y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de Gedser. Otra de las características es el uso de un generador asincrónico. •. Bipala (oscilante/basculante). Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el costo de una pala y, por su puesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. Últimamente, varios fabricantes tradicionales de máquinas bipala han cambiado a diseños tripala. Las máquinas bipala y monopala requieren de un diseño más complejo, con un rotor basculante (buje oscilante), como el que se muestra en el dibujo, es decir, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. Así pues el rotor está montado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposición puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre. •. Monopala. Los aerogeneradores monopala existen y, de hecho, ahorran el costo de otra pala. Sin embargo, los aerogeneradores monopala no están muy extendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala también son aplicables, e incluso en mayor medida, a las máquinas monopala. Además de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y de intrusión visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseño bipala.. 12.

(25) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. 1.7.3 Clasificación según el generador . Otra de las partes que componen a un aerogenerador y una de las más importantes es el generador encargado de convertir la energía mecánica que recibe en eléctrica. De éstos han aparecido en el marcado a través de los tiempos diferentes tipos, desde los de corriente directa que son los más antiguos y ya menos usados, hasta los más modernos y usados a los cueles se referirán a continuación: Actualmente se presentan en los parques eólicos las siguientes tecnologías las cuales se dividen según [7] en: •. Generadores asincrónicos Jaula de ardilla Doblemente alimentado. •. Generador sincrónico, excitación con imanes permanentes (flujo radial). A continuación se realizara una breve descripción de los mismos •. Generador Jaula de ardilla:. Dicho generador tiene unas características de robustez y simplicidad aparte de un precio más bajo que los otros diseños, pero carece de regulación de frecuencia y de tensión e introduce en la red las variaciones de potencia de viento. Su comportamiento ante huecos de tensión produce una inestabilidad de aceleración del generador, y una vez despajada la falta, al absorber reactiva, produce una bajada de tensión que no ayuda a la recuperación de la misma en la red. Su uso, por lo tanto se circunscribiría a potencias pequeñas y medianas (turbinas de 10-250 KW, potencia máxima del parque de unos MW) en redes de tensiones inferiores. •. Doblemente alimentado:. Se trata pues de un ingenioso diseño según [7] que intenta acercar el generador asincrónico a su homólogo sincrónico, permitiendo un importante control de potencia reactiva, aunque no alcanza al control desarrollado por el sincrónico. Este generador es más caro que el anterior ya que se trata de un equipo generadorconvertidor más sofisticado con rotor devanado y anillos resonantes al que hay que añadir la electrónica de potencia. El diseño antes mencionado posee velocidad variable con un rango de variación de 1400-1750 r.p.m Además consta con un convertidor back- hot –back controlado por transistores IGBT, permitiendo este diseño controlar las dos corrientes del convertidor, una. 13.

(26) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. la del rectificador (lado del generador) y la otra la del inversor(lado de la red) permitiendo esto una mejor regulación de voltaje y frecuencia, regulando el primero mediante el inversor controlando la corriente y con ello la potencia reactiva y el segundo de los parámetros actuando sobre la parte del lado del generador es decir el rectificador lo cuál permite variar la potencia activa o que es o mismo la potencia de salida del generador. Unas de las desventajas de este ingenioso diseño son las pérdidas asociadas al sistema de control antes mencionado, que se diseña para un 30% de la potencia nominal de la máquina, obteniendo por tanto peores rendimientos. •. Sincrónicos :. Este generador es más caro que los dos tipos anteriores ya que posee un número elevado de polos tanto por el diseño mismo del generador como por la electrónica de potencia el cual posee un convertidor de la misma potencia del generador. A la salida del generador, el cual suministra corriente alterna de frecuencia variable siguiendo las variaciones de velocidad del viento, se acopla un convertidor electrónico formado por un rectificador y un inversor unidos por un enlace de corriente directa. La salida del inversor se hace a la frecuencia de la red. Toda la potencia captada por la turbina pasa por el convertidor que tiene que estar diseñado para soportar la potencia nominal de la misma, reafirmándose lo antes expuesto, que este diseño es más caro que los anteriores a la vez que aumentan las pérdidas producto a que aumenta la potencia que pasa por el convertidor. El generador sincrónico de excitación usual pueden regular frecuencia con menos problemas, actuando sobre la parte del convertidor del lado de las turbinas, sin embargo como es lógico, para subir frecuencia, el generador debe estar funcionando a una potencia inferior a la nominal o tener un parque con una potencia instalada mayor que la autorizada para el total del parque. En ambos casos, como ya hemos explicado, el parque no produce a su máxima potencia, no siendo rentable. La regulación de tensión es así mismo posible actuando sobre la parte del inversor. Si se quiere un amplio rango de regulación de tensión, se debe sobredimensionar el inversor. El control de reactiva por parte de esta máquina es el mejor de los estudiados, se puede actuar además tocando su excitación. Se regulará dicho parámetro según convenga, beneficiándose de los bonos actuales por la producción de un factor de potencia. 14.

(27) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. determinado. Además este generador posee un mejor comportamiento frente a estados transitorios y una mayor flexibilidad que los tipos anteriores. •. Sincrónico con imanes permanentes:. Es una máquina muy cara sobre todo debido a los materiales del rotor, los imanes permanentes, construidos con materiales que provienen de aleaciones de elementos de las tierras raras y que encarecen muchísimo la construcción de estas máquinas. Por otra parte este diseño tiene características análogas al modelo anterior aunque con este no se puede regular reactivo por la excitación ya que la misma es fija impuesta por los imanes permanentes, teniendo como contraparte que se ahorran las pérdidas por la excitación. Los convertidores encargados de rectificar y mejorar la calidad de onda de corriente para entregarla lo más sinusoidal posible al sistema también han experimentado un gran avance ya que la electrónica de potencia anda a pasos agigantados permitiendo a su ves disminuir el costo de los kW generados en los aerogeneradores haciendo esta tecnología mucho más viable y eficiente. A continuación se describen los principales circuitos de potencia que han sido o son utilizados en los aerogeneradores, así como otros que potencialmente podrían serlo. 1.8 Centrales Eolo-Eléctricas La aplicación más importante de la energía eólica es la generación de electricidad mediante el empleo de las aeroturbinas que acaban de ser analizadas en conjunto . Un proyecto eólico puede estar constituido de uno o dos aerogeneradores, si se trata de pequeños sistemas, o de varias decenas de ellos, para sistemas de gran potencia. Los primeros suelen corresponder a centrales de generación aislada, con aprovechamiento directo de la electricidad o bien con almacenamiento de energía en baterías, pero utilizando generalmente aerogeneradores de pequeña potencia. En el segundo caso, que viene siendo más habitual, el aprovechamiento del recurso eólico se realiza mediante conexión a red eléctrica de las aeroturbinas de gran potencia, constituyendo lo que se denomina parque eólico. Por otro lado, en el diseño de un parque eólico los aerogeneradores deben ser colocados de manera óptima y en función de diversas variables, como la ubicación de infraestructura existente (accesos y red eléctrica), la viabilidad económica, los impactos paisajístico-. 15.

(28) Capítulo 1 Introducción al uso de la energía eólica. ambientales y la producción de energía. En efecto, las turbinas han de situarse a cierta distancia las unas de las otras, en términos de aerodinámica, puesto que el paso del viento por las palas de un aerogenerador genera turbulencias en el mismo. Como norma general, y en la medida que la topografía lo permita, la separación entre aerogeneradores en un parque eólico es de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes. Los aerogeneradores más ofertados en el mercado actual constan de tres palas, pudiendo ser también de una o de dos. Esta mayor presencia se explica porque son más equilibrados, al mismo tiempo que generan una menor contaminación acústica. De este modo, la selección técnica de un aerogenerador suele basarse en la relación existente entre la potencia eléctrica que produce y el tamaño de sus componentes, rotor y torre. Conclusiones del capítulo 1. La energía eólica tiene el potencial de desempeñar un papel importante para el futuro no solo para pequeñas zonas de difícil conexión a la red , si no en grandes emplazamientos capaces de suministrar al país una energía confiable y limpia para nuestro planeta .Los últimos 12 años, la tecnología de turbinas eólicas ha alcanzado un nivel de alta fiabilidad y sofisticados implementos y aún el creciente mercado mundial nos conducirá a mayores mejoras, tales como las turbinas eólicas de más rendimiento o nuevas aplicaciones del sistema (por ejemplo, la construcción en alta mar de parques eólicos). Estas mejoras darán lugar a nuevas reducciones de los costos para la construcción de parques mayores, capases de competir con las plantas de combustibles fósiles convencionales de generación de energía , actualmente incontenible con su alza de los precios del petróleo .. 16.

(29)

(30) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.1. Introducción Los sistemas eléctricos de los países generalmente están basados en un sistema de generación concentrada donde la energía eléctrica se genera en grandes centrales eléctricas esparcidas a lo largo del territorio del país, y se distribuye a los consumidores por medio de líneas de distribución de alta tensión. No obstante, en los últimos años ha existido un resurgimiento en el interés sobre los sistemas de generación distribuida, debido a la necesidad de reducir las emisiones gaseosas de las centrales eléctricas tradicionales y el aumento continuo del costo del petróleo . Así, se pueden identificar motivos principales que han estimulado el crecimiento de estos pequeños sistemas eléctricos con el aprovechamiento de las energías renovables como fuentes de energía eléctrica. Dentro de ellas las instalaciones de energía eólica se han instalado en primer lugar de modo individual y, en los últimos años, por primera vez, también debido a las regulaciones administrativas y a las reglamentaciones de construcción, se instalan frecuentemente en parques eólicos. En este caso, un parque eólico es, en su unidad más pequeña, una disposición de por lo menos dos instalaciones de energía eólica, si bien normalmente son considerablemente más. A modo de ejemplo, se puede citar el parque eólico de Holtriem (Ostfriesland), en donde más de 50 instalaciones de energía eólica estás dispuestas en un grupo. Se espera que tanto el número de piezas como la potencia instalada de las instalaciones de energía eólica también crezcan de modo considerable en los próximos años. En la mayoría de los casos, el mayor potencial eólico se da en las regiones de la red de distribución con reducida potencia en cortocircuito y reducida densidad de población. Precisamente, en estos casos, se alcanzan rápidamente los límites técnicos de conexión a la red de las instalaciones de energía eólica, lo cual tiene como consecuencia que en estos emplazamientos no se puede instalar entonces más instalaciones con el objetivo de aumentar la potencia generada . Esto abre el desafío de caracterizar apropiadamente estas nuevas tecnologías y a la vez de estudiar su impacto en las actuales redes, tanto en el ámbito de transmisión, como de subtransmisión y distribución. En este contexto, el presente capítulo se enfoca a la caracterización de los esquemas básicos de conexión de centrales eólicas sincronizadas a la. 17.

(31) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. red dependiendo del tipo de generador involucrado y de la velocidad (fija o variable) a la cual funciona dicho sistema , las normas y requisitos a cumplir y los principales problemas que estos parques pueden ocasionar en la red . 2.1 Conexión de parques eólicos a la red eléctrica Las turbinas eólicas que operan en sistemas eléctricos de potencia se deben equipar con los dispositivos y sistemas pertinentes para su utilización óptima y seguridad , tanto de los trabajadores como del sistema .De estos equipos tienen gran importancia dentro el diseño eléctrico la selección de: a) Sección del generador b) Sección de BT c) Sección del transformador elevador MT/BT d) Sección de MT a)La configuración del aerogenerador depende de las tecnologías existente en el Mercado y su utilización se determinan según las características del lugar de la ubicación del parque en cuanto al terreno y características del viento [22]. Estos presentan en su configuración: •. Para generadores asincrónicos de jaula de ardilla esta parte incluye sólo el generador asincrónicos. •. Si es un generador asincrónicos doblemente alimentado habrá además un convertidor. •. Si es un generador asincrónico de rotor bobinado con resistencias en el rotor se tendrá la electrónica de potencia apropiada para variar la resistencia, etc.. b) La sección de BT comprende: el arrancador suave, los bancos de condensadores, los sistemas de protección, y los servicios auxiliares. •. El. arrancador suave se utiliza para suavizar la conexión y desconexión del. generador del sistema de potencia. •. El banco de condensadores se utilizan en generadores asíncronos de rotor bobinado o de jaula, para compensar la potencia reactiva consumida, con generador de inducción doblemente alimentado, la compensación de reactiva se realiza con el convertidor a través del control de la corriente del rotor.. 18.

(32) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. •. Los sistemas de protección de la red comprenden la sobrecorriente, subtensiones y sobretensiones, así como las protecciones de velocidad, temperatura, etc.. •. Los servicios auxiliares del aerogenerador comprenden los motores de los actuadores, bombas y ventiladores para los sistemas de lubricación y ventilación, y la alimentación de los sistemas de control y comunicaciones.. c) La sección del transformador elevador MT/BT, comprende el transformador elevador con los correspondientes sistemas de protección. d) En la sección de MT están los embarrados / buses, interruptores, seccionadores y transformadores de medida de tensión e intensidad para las protecciones. 2.2 Requisitos de conexión de un parque eólica a la red. La mayoría de los documentos analizados, de estas normativas, están todavía bajo revisión y probablemente sufrir algunos cambios en el futuro. La comparación reveló que las normas difieren considerablemente entre los países. Esto depende de las propiedades de cada sistema de poder, así como la experiencia, los conocimientos y la política del país donde procede el equipamiento [33] .En general, los nuevos reglamentos de interconexión de los aerogeneradores o parques eólicos tienden a plantear. los siguientes requisitos. separados por aspectos: 1-. Para mantener el funcionamiento de la turbina durante un fallo en la red : Se estipula ante esta perturbación los siguientes valores: •. Máxima frecuencia: 61 Hz., 0,1 s.. •. Mínima frecuencia: 57,5 Hz., 0,1 s.. •. Sobretensión: 105% Vn, 0,3 s.. 2 – Durante los huecos de tensión Mínima tensión: el parque eólico deberá mantenerse conectado ante huecos de tensión como los descritos en la figura siguiente:. 19.

(33) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. Donde se pueda elevar el límite inferior de la tensión, fijado en la figura en 0,0 (en partes por unidad) hasta un máximo de 0,2. Para ello será necesario analizar en la solicitud de asignación que otorga la tecnología seleccionada y declarada en la misma si no le es posible alcanzar las exigencias derivadas de la anterior figura. 3 - Para el funcionamiento del aerogenerador en el rango de 57-60 Hz (para redes); 4- Para el control de la potencia activa durante las variaciones de frecuencia (control activo de energía); 5-. Para el suministro o el consumo de potencia reactiva en función de los requisitos del sistema de poder (Control de potencia reactiva); 6- Para apoyar el control por el ajuste de tensión de la energía reactiva, sobre la base de mediciones de la red (Control de tensión). 7- Superar los límites de potencia o energía autorizados. 8- Alcanzar el nivel de eficiencia energética establecido para la instalación. 9- Cumplir las características individuales garantizadas para el aerogenerador. 10- Incumplimiento de las condiciones de explotación previstas respecto de la red eléctrica. 11- Mantenimiento inadecuado que afecte al buen funcionamiento del parque o ponga en riesgo a personas o bienes de terceros. 12- Incumplimiento de las condiciones impuestas en la declaración de impacto ambiental correspondiente, sin perjuicio de la aplicación de la normativa en materia de impacto ambiental. En general, la industria de la energía eólica está en condiciones de cumplir con el aumento. 20.

(34) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. de las necesidades esbozadas en nuevas normas de interconexión. Sin embargo, en algunos casos, esto puede aumentar los costos totales de un aerogenerador eólico. Dentro de las normas de interconexión de los parques los diferentes países lo han dividido de acuerdo a su ámbito de aplicación para su simplificación en: . Los parques eólicos o aerogeneradores conectados a redes con niveles de tensión por debajo de 110 kV; . Los parques eólicos o aerogeneradores conectados a redes con niveles de tensión por encima de 110 kV, donde los diversos documentos han sido publicados por normas emitidas por la IEC 61400-21 (IEC, 2001) [45] en cuanto a: Medición y Evaluación de la calidad de potencia Otra es la IEEE 519 (1992), IEEE con los Requisitos y métodos recomendados para el control de armónicos estas normas técnicas recogen elementos tan importantes para el desarrollo de la energía eólica y el mantenimiento de la condiciones de seguridad de las redes eléctricas como las condiciones de conexión y desconexión de parques eólicos. Asimismo se establecen las características de los sistemas de gestión telemática y las selecciones de las protecciones es sus distintos niveles , normas todas ellas aplicables tanto a parques eólicos existentes como aquellos de futura implantación .La calidad de la energía eléctrica entregada por cada turbina. se ajustara a los parámetros de calidad. exigidos en la normativa que le sea de aplicación donde en particular ,los parques eólicos deberán participar en el control de tensiones del sistema , operando con un factor de potencia entre 1 y 0.95 capacitivo o inductivo , según lo estipule desde el puesto de control del operador del sistema , adoptándose para ello las medidas de compensación que precisen. 2.3 Normas en cuanto a eficiencia energética y calidad de la energía. El objetivo principal de un sistema de poder es proporcionar al consumidor la electricidad necesaria en un momento dado a un costo razonable. Donde los siguientes requisitos son primordiales para ello [15]: •. El nivel de voltaje en el punto de conexión tiene que permanecer dentro de un margen aceptable, ya que la mayoría de los aparatos cliente (por ejemplo, equipos. 21.

(35) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. de iluminación, motores, ordenadores etc.) requieren un determinado rango de voltaje (por ejemplo, 10% mayor) para un funcionamiento fiable. •. Exigencia del cliente, el suministro de energía eléctrica debe estar disponible en exactamente el momento en que los consumidores lo necesitan con el fin de utilizar sus diversos aparatos (es decir, cuando un cliente accione los interruptores en un determinado dispositivo). •. La potencia consumida debe estar disponible en un razonable costo también. se refieren a la fiabilidad de la fuente de alimentación. Una mayor fiabilidad se traduce en costos superiores. Otro. de los documentos que éstas entidades. de la IEEE y. la IEC analizan. detalladamente es lo relacionado a la calidad de la energía donde se plantean una serie de argumentos y normas las cuáles sintetizamos a continuación : 1. Los parques eólicos y los aerogeneradores que lo componen deberán alcanzar unos niveles mínimos de eficiencia energética. 2.. Los aerogeneradores a instalar deberán ser nuevos y no haber sido puestos en producción con anterioridad a la puesta en marcha del parque eólico. Asimismo, deberán permitir la regulación de potencia a través de mecanismos adecuados.. 3.. Con independencia del rendimiento energético de la máquina también se tendrá en cuenta su comportamiento en sistemas eléctricos aislados y pequeños. En este sentido, el nivel de respuesta del aerogenerador debe garantizar:. •. Una óptima calidad de la energía eléctrica entregada a la red. Es decir, su índice de calidad será igual o superior al de la red, medido en el punto de interconexión.. •. Que las fluctuaciones que existan en la red eléctrica debido a sus condiciones intrínsecas sean soportadas, hasta un nivel técnicamente aceptable, por el aerogenerador sin que pierda su estabilidad respecto de la misma.. •. En el caso de que se produzcan desconexiones de parques eólicos, éstas se realizarán en escalones de potencia no superior a 5 megavatios.. Estos aspectos tienen gran influencia en el funcionamiento óptimo de los mismos parques, donde se plantearán más adelante los principales problemas que éstos pueden ocasionar a la red eléctrica.. 22.

(36) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.4 Formas de conexión de un parque eólica a la red. Se tienen distintas configuraciones de conexión dependiendo de los. generadores. eólicos utilizados y la disponibilidad de conexión de la red en el lugar preestablecido Un resumen con las configuraciones más usadas en la actualidad es la siguiente: 2.4.1. Generadores de inducción (velocidad fija). La Figura 1 presenta las principales componentes de un parque eólico típico con generadores de inducción. En éste caso la turbina opera a velocidad fija, transfiriendo la potencia generada directamente al sistema eléctrico.. Estos. generadores de inducción. tienen el inconveniente que demandan potencia. reactiva que debe ser abastecida ya sea por la red eléctrica, o a través de la instalación de equipos de compensación como bancos de condensadores o equipos de electrónica de potencia. De forma tal de mantener los costos lo más bajo posibles, generalmente la solución entregada por los bancos de condensadores shunt locales es la más utilizada. En algunas configuraciones, es necesaria una compensación reactiva especial en el límite del parque eólico definido por el punto de acoplamiento común o PCC1 por sus siglas en inglés, como por ejemplo compensación reactiva variable. En otros casos, los niveles de variaciones de voltaje en el PCC pueden demandar un transformador con cambiador de derivación bajo carga. Generalmente los condensadores son diseñados para proporcionar un factor de potencia bueno a una cierta velocidad de viento [1-2]. Las variaciones de la potencia activa y reactiva en los sistemas de velocidad fija debido a las variaciones en la velocidad del viento, son un importante problema de operación que ha hecho poco a poco más frecuente el uso de sistemas de velocidad variable. 23.

(37) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.4.2. Generador de inducción doblemente alimentado (velocidad variable ). La operación a velocidad variable presenta beneficios tales como el de reducir las fluctuaciones de voltaje en el PCC (antes mencionado) y el de un control independiente de la potencia activa y reactiva entregada a la red. Otro beneficio es que la velocidad del rotor puede ser ajustada en función de la velocidad del viento, de forma tal de mantener la relación entre la velocidad lineal de las aspas y la velocidad del viento (TSR2) en su valor óptimo. A ésta velocidad del viento (TSR), la eficiencia aerodinámica es máxima, lo que significa que la conversión de energía es a su vez maximizada. La mayor desventaja es la de un mayor costo de la turbina en comparación a las de operación a velocidad fija debido principalmente a la etapa inversora. Existen básicamente dos enfoques en los aerogeneradores de velocidad variable. Un primer enfoque es uno en el cual toda la potencia generada por la turbina debe pasar a través de un convertidor de frecuencia antes de ser entregada a la red. permitiendo, por. ende, un amplio rango de variación de velocidad. El segundo cuenta con un rango restringido de variación de velocidad en el cual sólo una fracción de la potencia de la turbina debe ser convertida [26]. La Figura 2 presenta las principales componentes de un parque eólico de velocidad variable con generador de inducción doblemente alimentado. La principal característica de la máquina es la de ser excitada tanto desde el estator como del rotor [26]. Esto se aprecia claramente en la Figura 2, donde los devanados del estator están directamente conectados a la red mientras que los del rotor se conectan a ésta mediante un convertidor de potencia bi-direccional. El convertidor del lado de la red trabaja siempre a la frecuencia de la red, mientras que el convertidor del lado del rotor lo hace a frecuencia variable dependiendo del punto de operación. Las variaciones de la velocidad de la turbina típicamente están en el rango de 10 ± a % 25 ± dependiendo de las dimensiones del convertidor representado. Con la finalidad de cubrir un amplio rango de operación, el generador de inducción doblemente alimentado está capacitado para trabajar como generador tanto en la zona con deslizamiento positivo (0 > s ) como negativo ( 0 < s ). Dado lo anterior, el convertidor electrónico en el lado del rotor debe poder operar con flujos de potencia en ambos sentidos, razón por la cual en estas configuraciones se usa un convertidor bi-direccional.. 24.

(38) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. Figura 2. Parque eólico con generador de inducción doblemente alimentado de velocidad variable 2.4.3. Generador sincrónico multipolo (velocidad variable). La Figura 3 muestra otro esquema típico de tecnología de velocidad variable con un convertidor que desacopla totalmente el generador de la red. Este esquema usa un generador sincrónico multipolo donde puede ser removida la caja de engranajes entre la turbina y el generador. Un problema con esta configuración es el tamaño relativamente grande del generador comparado con los generadores estándar.. 2.4.4 Generador sincrónico (velocidad variable) Finalmente, la Figura 4 muestra el mismo esquema de la figura anterior pero con un generador sincrónico clásico donde se debe incluir una caja de engranajes. En ambos casos, el convertidor se puede usar para controlar la potencia activa y reactiva en forma independiente.. 25.

(39) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.4.5. Aerogeneradores con máquina de inducción doblemente alimentada y red de MT. Esta estructura es muy común ya que los aerogeneradores se conectan a la red en forma modular, y poseen bancos de transformadores independientes.. 2.4.6. Aerogeneradores con máquina de inducción y compensación de reactiva centralizado. Esta estructura es también muy común en parques eólicos con máquinas de inducción de velocidad fija. La compensación de energía reactiva es centralizada e incluye la compensación de la reactiva generada por el transformador de interconexión. También existe la posibilidad de una combinación entre compensación individual y centralizada.. 26.

(40) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.4.7. Aerogeneradores con control de velocidad individual a través de una red interna de corriente directa.. La estructura de la Fig VII.3 se aplica a conceptos de turbinas con convertidor, con la diferencia de que las salidas de los aerogeneradores se rectifican y están conectados a través de una red de corriente directa a un ondulador centralizado; se utiliza para potencias elevadas para la disminución de pérdidas. Los parques eólicos situados en el mar utilizan estaciones de red ubicadas en tierra, fácilmente accesibles para los trabajos de mantenimiento y servicio donde ésta configuración es la más utilizada para ellos. La estación de red controla individualmente la potencia de salida real y reactiva, lo que permiten conectar los parques eólicos incluso a una red débil. Las variaciones de la velocidad del viento o la sombra producida por otros generadores. no producen. fluctuaciones en la tensión de red, que pudieran afectar a los usuarios próximos. Esta es una consideración importante, especialmente en el caso de las rede eléctricas débiles. El uso de un convertidor para controlar la tensión de corriente directa permite regular indirectamente la velocidad del generador y por tanto optimizar la producción de energía en el proceso.. 27.

(41) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.4.8. Aerogeneradores sin control de velocidad individual con una red interna de corriente directa.. Esta estructura se aplica a turbinas con convertidor, con la diferencia de que las salidas de los aerogeneradores están unidas con una red de media tensión. A la salida de dicha red se encuentra un rectificador centralizado transmitiéndose la energía eólica a través de una red de corriente directa a un ondulador centralizado. Puesto que todos los aerogeneradores están conectados a la misma red de media tensión, no es posible el control de la velocidad; se utiliza para potencias elevadas y en parques off-shore (ubicados en el mar).. 28.

(42) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. 2.5 Parques eólicos marinos (configuraciones generares) En el mar, el viento se encuentra con una superficie de rugosidad variable, las olas, y sin obstáculos como islas, islotes, etc., lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios, por lo que se pueden emplazar torres más bajas que en tierra. El viento en el mar es, por lo general, menos turbulento que en tierra, con lo que se amplía el periodo de trabajo útil de un aerogenerador. La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura que se producen sobre el mar a distintas altitudes de la atmósfera son inferiores a las de tierra adentro. El ambiente marino es ideal para instalar un aerogenerador; el viento en el mar es más fuerte y sobre todo más constante (sin turbulencia) que en tierra. Debido a que la superficie es casi plana y su rugosidad casi nula. Es posible instalar turbinas gigantes de 120 m de diámetro y 5 MW, mientras que en tierra las potencias son del orden de 2 MW. En contra tiene el carácter agresivo del ambiente marino (oxidación, humedades), así como un costo mucho mayor en cimentaciones. A continuación la figura muestra un diagrama de conexión de estos parque que en general las configuraciones que utilizan son aerogeneradores sin control de velocidad individual con una red interna de corriente directa y doblemente alimentado expuesto anteriormente, donde se trasmite la energía por redes de corriente directa. hasta la. subestación en tierra (transformador en la figura) estos están instalados en Dinamarca. 29.

(43) Capítulo 2 Generalidades sobre parques eólicos. En la actualidad los parques en el mar, se sitúan en aguas poco profundas, alejados de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares y de los espacios de interés natural u ornitológico. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características diferentes a los que llegan a tierra. El primer parque eólico marino, compuesto por 11 aerogeneradores, se construyó en Dinamarca en 1991 en el mar Báltico y, en 2002, tras la puesta en marcha de varios parques con distinta potencia, se inauguró el parque de Horns Rev, Fig VII.10, el más grande del mundo con 80 aerogeneradores y una potencia instalada de 160 MW. Tras años de uso de energía eólica marina en Dinamarca, aunque para ello se ha requerido una importante inversión económica, la producción de electricidad es más estable y un 20% superior a la energía eólica terrestre. La vida útil del parque, con un buen mantenimiento, se puede llegar a duplicar. En la actualidad el 50% del consumo eléctrico familiar danés proviene de este tipo de energía. En el resto de Europa destacan algunos proyectos, entre los que se encuentra la instalación en el Reino Unido de 3.000 aerogeneradores en sus costas este y oeste con capacidad para abastecer al 15% de la población británica.. 30.

Figure

Tabla 1.1 Fuentes Primarias de Energía
Fig. 1.1 Aerogenerador de eje horizontal             Fig. 1.2 Aerogenerador de eje vertical
Figura 2. Parque eólico con generador de inducción doblemente alimentado de velocidad  variable

Referencias

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