Modelado y control de un aerogenerador conectado a la red mediante un DFIG

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(1)MODELADO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR CONECTADO A LA RED MEDIANTE UN DFIG Trabajo Fin de Grado Enero 2018. Autor del trabajo: Adrián Rodrigálvarez Sibón. Tutor del trabajo: Jesús Félez Mindán.

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(3) Modelado y control de un aerogenerador. AGRADECIMIENTOS Gracias a todos mis amigos y compañeros que me han apoyado durante estos 4 años de sufrimiento, de alegrías y de esfuerzo. Con ellos todo esto ha sido más fácil y ameno. Han conseguido llevarme a través de esta carrera y mostrarme muchas puertas que estoy ansioso de abrir y de disfrutar. Por supuesto, gracias a todos los profesores que me he encontrado durante mis años de carrera. Todo ellos me han transmitido parte de sus conocimientos para ayudarme a convertirme en un ingeniero competente. Muchas veces se nos olvida que son la parte fundamental de nuestro éxito. El cariño y apoyo que han depositado mis padres durante toda mi vida merece ser tomada a parte. Gracias a ellos estoy donde estoy, soy como soy. Y me siento feliz y orgulloso de mí mismo por vosotros. Por todo ello, gracias de corazón. Agradezco a Jesús Félez la gran ayuda que me brindó en el comienzo de mi TFG, donde me sentía un poco perdido. Me ayudó a centrar las ideas en el comienzo y eso me encarriló para empezar con buen pie este proyecto. Agradecer también a Carlos Veganzones por haberme echado una mano en el modelado del DFIG. Me encontraba atascado y abrumado ante tantos factores que había que controlar y tener en cuenta al usar este tipo de generadores. Pero Carlos, con su experiencia, me guió hasta un modelado más simplificado de este generador, sin entrar en aspectos eléctricos (que no es el objetivo de este proyecto). Y, sobre todo, gracias a Christian. Mi mejor amigo que me ha acompañado desde que ambos teníamos 3 años y, que a pesar de separarnos en primaria, no hemos perdido el contacto y hemos seguido estando juntos en las malas y en las buenas. Gracias desde aquí hermano.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. i.

(4) Agradecimientos. ii. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(5) Modelado y control de un aerogenerador. RESUMEN La sostenibilidad del planeta es un tema que ha cobrado recientemente un gran impacto en nuestra sociedad. La sostenibilidad se refiere a la capacidad de satisfacer necesidades actuales sin perjudicar las condiciones de vida de generaciones futuras. Y el desarrollo sostenible es un término relacionado con este último, que se refiere al modo de conseguir esa sostenibilidad ambiental y económica. El hecho de que últimamente este tema esté en boca de todos es debido principalmente al crecimiento exponencial de la población. Este crecimiento supone un problema para el equilibrio ambiental, pues no es posible que se utilicen fuentes de energía fósiles para satisfacer todas las necesidades y que se pretenda mantener el planeta en unas condiciones que sean aptas para la vida de cualquier ser vivo. Una de las respuestas a cómo conseguir un desarrollo sostenible es aprovechando las energías renovables. Las energías renovables son fuentes inagotables de energía que no contaminan durante el aprovechamiento de las mismas. Una de estas fuentes de energía es el viento. Este proyecto trata sobre la principal herramienta para aprovechar la energía cinética del viento: los aerogeneradores. Actualmente los aerogeneradores son una tecnología con unas ciertas carencias en cuanto a la producción de energía eléctrica. El carácter aleatorio del viento complica la generación de energía eléctrica eólica, porque provocan situaciones desfavorables para la red de suministro como: picos de potencia y falta de uniformidad. Por ese motivo este trabajo se centra en ese aspecto: el control de un aerogenerador. Para poder realizar un sistema de control de un aerogenerador se utilizará un programa de software profesional como es Matlab. Concretamente se utilizará una herramienta de ese programa: Simulink. Simulink permite tratar señales de forma rápida, sencilla y esquematizada. Con esta herramienta se modelará un aerogenerador de gran potencia (4 MW) y se procederá al estudio de un sistema de control PID. El modelado del aerogenerador que se ha realizado en este proyecto se divide en tres partes: •. La turbina eólica: es la parte del aerogenerador encargada de recoger la energía del viento y transmitirla a un generador para la producción de electricidad.. •. El generador: es necesario un modelado del elemento más importante del aerogenerador, el generador. Con este elemento es posible transformar la energía cinética de la turbina en energía eléctrica. En este trabajo se va a utilizar un tipo especial de generador, el generador asíncrono doblemente alimentado (DFIG). Este generador permite al aerogenerador poder generar electricidad en un amplio rango de velocidades del viento, lo que dota de flexibilidad a la turbina eólica.. •. El sistema de control: es el objeto de este trabajo, conseguir un sistema de control capaz de manejar las condiciones de funcionamiento del aerogenerador y suavizar la generación de electricidad de forma que sea más fácil para las empresas de generación eléctrica adecuar la oferta a la demanda.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. iii.

(6) Resumen. La elección de este tipo de generador es porque incorporan un convertidor back to back en el circuito del rotor. Esto permite que la electricidad circule del rotor a la red o viceversa. Este tipo de controlador también permite controlar los parámetros eléctricos de la corriente que circula por el rotor. Por este motivo es posible conectar directamente el estátor a la red, porque independientemente del régimen de giro del rotor (subsíncrono, supersíncrono o síncrono), los parámetros eléctricos del rotor son controlados para generar en el estátor una corriente que posea la tensión y frecuencia propia de la red. Por lo tanto se consigue que el aerogenerador funcione para diferentes valores de velocidad de rotación de la turbina. Pero es necesario controlar ese giro de la turbina mediante dos sistemas: •. Control del par del generador: el par del generador se controla en el tramo por debajo de la potencia nominal del aerogenerador. El objetivo de este sistema es seguir una relación óptima entre la velocidad angular de giro del rotor y la velocidad del viento que asegura la máxima extracción de potencia del viento.. •. Pitch Control: o control del ángulo de ataque de las palas. Este sistema actúa cuando el aerogenerador funciona a su potencia nominal. El objetivo de este sistema es ir aumentando el ángulo de ataque de las palas a medida que aumenta la velocidad del viento. De esa forma el aerogenerador captura la misma potencia del viento a pesar de que la velocidad del viento siga aumentando.. Ambos sistemas se han modelizado como funciones de transferencia de primer orden. Que se caracterizan mediante 3 factores: la ganancia; el retraso; y el tiempo de establecimiento del 63%. Como estos sistemas por sí solos no responden correctamente a las solicitaciones del viento es necesario añadir unos controladores a cada uno de los sistemas. Es por ello que se prueba a añadir controladores PI o PID. En el caso del control del par del generador se aprecia que es suficiente con un control PI para que responda correctamente a las variaciones del viento. En cambio, para el Pitch Control se observa que un controlador PID no es el idóneo ya que no es capaz de mantener al aerogenerador en su valor de potencia nominal. Por esta razón es necesario buscar una alternativa de controlador que sea capaz de manejar el problema del Pitch Control. Una posible línea de mejora sería la implantación de un control predictivo por modelo (MPC). Este controlador es capaz de, según los valores de entradas y salidas del pasado, predecir el valor de las señales de salida futura, estimar los errores futuros a partir de ellos y calcular las señales de control necesarias para hacer frente a esos errores. Para concluir, se ha determinado que un control PID para el manejo del Pitch Control del aerogenerador de velocidad variable no es el ideal. Y que una posible línea de investigación y desarrollo es tratar de introducir un control predictivo por modelo y realizar simulaciones para comprobar que es un controlador idóneo para esta labor. Códigos UNESCO: • • • •. iv. 3301.17: Hélices rotatorias. 3301.18: Estabilidad y control. 3322.02: Generación de energía. 3322.03: Generadores de energía.. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(7) Modelado y control de un aerogenerador. Adrián Rodrigálvarez Sibón. v.

(8) Executive summary. EXECUTIVE SUMMARY The sustainability of the earth is a topic that has caused lately a great impact in our society. The sustainability is related to the capability of fulfilling the actual necessities without damaging the living conditions of future generations. Sustainable development is a concept related to the aforementioned issue, which refers to the way of achieving this environmental and economic sustainability. Nowadays this is a current topic due to the exponential growth of population. This growth means a problem for the environmental balance because is not possible to continuing to use fossil fuels in order to satisfy all the necessities and pretending keeping the earth in good conditions for living. One of the answers on how to achieve a sustainable development is utilize renewable energies. The renewable energies are unlimited sources that provide energy without polluting. One of these sources is the wind. This thesis is about the main tool to catch energy from wind: the wind turbines. Nowadays wind turbines are a technology with some shortcomings in terms of generating electricity. The random behaviour of wind makes difficult the generation of electricity from wind power because it creates adverse situations for the grid, like power spikes and lack of uniformity. For this reason this paper is focused on this matter: wind turbine’s control. To be able to build a control system of a wind turbine it will be used a professional software such as Matlab. In particular, it will be used a tool from that software: Simulink. Simulink allows to handle signals in a fast, easy and clear way. With this tool will be possible to model a wind turbine of great power (4 MW) and a PID control will be implemented. The model from the wind turbine that has been used in this thesis is split in three parts: •. Wind turbine: it is the part that is destined to catch the energy from wind and carry it to a generator in order to produce electricity.. •. The generator: it is necessary a model of the most important component of a wind turbine, the generator. With this element is possible to transform kinetic energy from the wind turbine into electricity. In this paper a special kind of generator is going to be used, the doubly fed induction generator (DFIG). This generator allows the wind turbine to produce electricity from a wide range of wind speeds, which makes the wind turbine more flexible.. •. The control system: is the main aim of this thesis, achieving a control system that is capable of handling the operation conditions of the wind turbine and smoothing the generation of electricity in the way it makes easier for electricity companies to equal supply and demand.. The choice of this kind of generator is because it is equipped with a back to back converter which process all the rotor power. This makes possible that electricity circulates to the grid from the rotor, or vice versa. For this reason is feasible connecting directly stator and grid, because whatever the rotor speed (sub synchronism, super synchronism or synchronism), the. vi. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(9) Modelado y control de un aerogenerador. electrical properties of the rotor are controlled in order to generate current on the stator with the same voltage and frequency as are on the grid. Hence, it is possible operating the wind turbine in a wide range of rotor speed. But it is necessary to control this rotor speed by two different systems: •. Control torque in the generator: the torque in the generator is controlled in the conditions below wind turbine’s nominal power. The aim of this system is to follow an optimum relation between the rotor speed and the wind speed that ensures the maximum extraction of power from the wind.. •. Pitch Control: this system works when the wind turbine is held in its nominal power. The objective of this system is increasing the pitch angle while wind speed is increasing too. In that way the wind turbine catches the same amount of power from the wind despite the fact that the wind speed is increasing.. Both systems have been modelled as first-order transfer functions. Which are characterized by 3 factors: the gain, the delay and the setup time of the 63%. As these systems by themselves doesn’t work properly, because of the behaviour of the wind, is necessary to add controllers to either systems. This is the reason why adding PI and PID controllers is used in this paper. In the case of controlling the torque in generator it is clear that a PI controller is enough to perform properly to the wind fluctuations. Instead, for the Pitch Control is seems that a PID controller is not capable of handling the system in order to keep wind turbine at nominal power. For this reason it is necessary looking for another alternative controller which will be capable of managing the problem of Pitch Control. One of this possible alternatives will be the implementation of a model predictive control (MPC). This control is able to, according to previously input and outputs on the past, predict the value of future outputs, and estimate the future errors. And calculate the control signals necessary for manage these errors. To conclude, it has been established that a PID controller in order to manage the Pitch Control system is not optimum. And that one possible aim of research and development is trying to introduce a model predictive control and run simulations to ensure that this controller is ideal for this task.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. vii.

(10) Executive summary. viii. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(11) Modelado y control de un aerogenerador. ÍNDICE AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................. i RESUMEN ............................................................................................................................ iii EXECUTIVE SUMMARY ....................................................................................................... vi ÍNDICE .................................................................................................................................. 1 1. ALCANCE Y OBJETIVOS DEL PROYECTO..................................................................... 4 2. TEORÍA DE LOS AEROGENERADORES ........................................................................ 7 2.1. ENERGÍA EÓLICA...................................................................................................... 7 2.1.1. GENERACIÓN EÓLICA EN ESPAÑA .................................................................. 7 2.1.2. DESVENTAJAS DE LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EÓLICA ............................11 2.1.3. VENTAJAS DE LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EÓLICA ...................................12 2.2. AEROGENERADORES .............................................................................................14 2.2.1 TIPOS DE AEROGENERADOR ...........................................................................14 2.2.1.1 SEGÚN LA ORIENTACIÓN DEL EJE DE ROTACIÓN ..................................14 2.2.1.2 SEGÚN LA ORIENTACIÓN RESPECTO AL VIENTO ...................................23 2.2.1.3 SEGÚN EL NÚMERO DE PALAS ..................................................................24 2.2.1.4 SEGÚN EL TIPO DE TORRE ........................................................................27 2.2.1.5 SEGÚN LA ZONA DONDE ESTÉN INSTALADAS ........................................28 2.2.1.5 SEGÚN EL TIPO DE GENERADOR ..............................................................30 2.2.2 PARTES DEL AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL ................................43 2.2.3 BASE MATEMÁTICA DE LA ENERGÍA EÓLICA .................................................49 2.2.3.1 ENERGÍA DEL VIENTO .................................................................................49 2.2.3.2. COEFICIENTE DE POTENCIA .....................................................................51 2.2.3.3. PERFIL DE VELOCIDAD DEL VIENTO ........................................................60 2.2.3.4. CAJA MULTIPLICADORA.............................................................................65 2.2.3.5. GENERADOR ASÍNCRONO DE DOBLE ALIMENTACIÓN (DFIG) ..............70 2.2.3.6. ESTRATEGIA DE CONTROL DEL AEROGENERADOR .............................74 3. MODELADO DEL AEROGENERADOR ...........................................................................79 3.1. MODELADO DEL BLOQUE DE VIENTO ...................................................................80 3.2. MODELADO DEL BLOQUE DE LA TURBINA ...........................................................81 3.3. MODELADO DEL BLOQUE DEL GENERADOR DFIG ..............................................83 3.4. MODELADO DEL BLOQUE DE CONTROL ...............................................................87 4. SIMULACIONES Y RESULTADOS ..................................................................................94 4.1. SIMULACIÓN CON VIENTO CRECIENTE HASTA PARADA DE AEROGENERADOR .........................................................................................................................................98. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 1.

(12) Índice. 4.2. VARIANDO LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN EL PRIMER TRAMO DE CONTROL .......................................................................................................................................101 4.3. VARIANDO LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN EL SEGUNDO TRAMO DE CONTROL .......................................................................................................................................103 4.4. VARIANDO LA VELOCIDAD DEL VIENTO ALREDEDOR DE SU VALOR NOMINAL .......................................................................................................................................105 5. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ........................................................................109 6. IMPACTO SOCIAL, ECONÓMICO Y AMBIENTAL.........................................................113 6.1. IMPACTO AMBIENTAL ...........................................................................................113 6.2. IMPACTO ECONÓMICO .........................................................................................114 6.3. IMPACTO SOCIAL ..................................................................................................116 7. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO.........................................................118 7.1. ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DEL PROYECTO (EDP)..........................118 7.2. DIAGRAMA DE GANTT ...........................................................................................118 7.3. PRESUPUESTO ......................................................................................................120 8. REFERENCIAS ..............................................................................................................123 9. ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................125 10. ANEXO I.......................................................................................................................128. 2. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(13) Modelado y control de un aerogenerador. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 3.

(14) Alcance y objetivos del proyecto. 1. ALCANCE Y OBJETIVOS DEL PROYECTO Este proyecto nace de las necesidades actuales de fomentar y perfeccionar las energías renovables. Ante una creciente concienciación de la sostenibilidad energética la energía eólica es una de las posibles soluciones a los problemas que acarrean el uso de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica. El uso de combustibles fósiles está generalizado en plantas de generación eléctrica, y su utilización conlleva problemas medioambientales como emisiones de gases invernaderos. El objetivo de este proyecto es diseñar un dispositivo de control para un aerogenerador de 4MW de 110 metros de diámetro de pala. Se va a utilizar la herramienta de Matlab: Simulink. Esta herramienta de trabajo es ideal para la simulación de sistemas de control y para el manejo de señales. Es una herramienta que se actualiza constantemente cada año introduciendo cada vez mayores posibilidades. Cuenta con elementos que simplifican mucho el esquematizado y funcionamiento de estructuras de control. Se simplifica además todo el cálculo matemático al introducir bloques de sistemas complejos como lo son los controladores. Además permite el uso conjunto del programa de compilación de Matlab junto con Simulink, lo que aumenta la flexibilidad y calidad de los proyectos realizados con esta herramienta. Por estas razones es el programa idóneo para el estudio y el desarrollo de este trabajo.. Figura 1. Simulink & Matlab. El alcance de este proyecto abarca el modelizado de la turbina eólica, del generador eléctrico y del control del aerogenerador. Se va a considerar un modelo de una sola vía y no un modelo de dos vías. La vía que se considera es generador  red eléctrica; y no la inversa. Por tanto durante el modelado no se van a considerar posibles situaciones donde se varíen las condiciones de la red, como por ejemplo: • • •. 4. Huecos de tensión. Sobretensiones. Bajada de tensión. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(15) Modelado y control de un aerogenerador • • •. Distorsión de la forma de onda. Transiciones. Etc.. Aun así estos problemas, aunque no frecuentes, sí son importantes y es necesario tenerlos en cuenta en el control de los aerogeneradores. La electrónica debe ser capaz de afrontar esta serie de problemas evitando los posibles daños que puedan aparecer en la turbina eólica o en el propio generador. Debido a la complejidad de estos fenómenos sería necesario un estudio igual de complejo y extenso que el que se ha realizado para el estudio del modelado en una vía. Por tanto no va a ser posible su implementación en este proyecto. El diseño de las palas de la turbina eólica es una factor importante en el diseño de un aerogenerador. Pero debido a que este diseño es tema aerodinámico no se va a entrar en esta faceta del proyecto de diseño. Tampoco se tratan temas constructivos (como el estudio de la cimentación) ni temas de emplazamiento (estudio del emplazamiento óptimo para el asentamiento de un parque eólico). En conclusión, el objetivo de este proyecto es realizar un control adecuado de los mecanismos de los que dispone un aerogenerador para controlar la potencia que se extrae del viento y evitar los problemas que puedan aparecer en la red de suministro eléctrico derivados de la generación eólica sin ningún tipo de regulación.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 5.

(16) Alcance y objetivos del proyecto. 6. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(17) Modelado y control de un aerogenerador. 2. TEORÍA DE LOS AEROGENERADORES 2.1. ENERGÍA EÓLICA 2.1.1. GENERACIÓN EÓLICA EN ESPAÑA La energía eólica es la energía renovable que más desarrollada se encuentra en la actualidad de entre todas las demás. En España la contribución de energía eólica a la red de suministro eléctrico es importante si tenemos en cuenta la cantidad de demanda que cubre. En la siguiente figura se muestra la potencia instalada en el territorio nacional.. Figura 2. Potencia instalada en España [1]. España siempre ha apostado fuertemente en lo referente a energía eólica, siendo uno de los líderes europeos al respecto. Aprovechando su situación geográfica y climática se ha dirigido hacia esta energía renovable disminuyendo de ese modo el número de instalaciones que suministran electricidad a la red nacional mediante otras fuentes no renovables como carbón y gas. La capacidad de generación de energía eléctrica eólica a finales de 2016 supone el 21,9% de la potencia nacional instalada. También supone el 47,3% de la potencia instalada nacional procedente de fuentes renovables, seguida de cerca de la energía hidráulica (35,5%). [1] España, a pesar de encabezar la generación eléctrica eólica europea, en los últimos años ha habido un retraimiento de la misma como se puede observar en la siguiente figura.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 7.

(18) Teoría de los aerogeneradores. Figura 3. Evolución de la potencia eléctrica eólica instalada desde 1998 hasta 2016 [2]. Las barras azules representan la potencia instalada en un determinado año en el territorio nacional. Las barras rojas corresponden a la potencia nueva introducida en un determinado año. Como puede apreciarse a habido un estancamiento en la instalación de puntos de generación eólica. En la figura 3 se puede observar la cantidad de energía eléctrica generada en cada años desde 2004 hasta 2016. La generación eólica ha crecido con la potencia instalada, lo cual es coherente. Pero a partir de 2013 no ha habido un aumento significativo de potencia instalada. Aun así la generación de energía eólica en esos años ha alcanzado valores dispares. Desde los 54.300 GWh generados en 2013 hasta los 47.300 generados en 2016. Este dato nos da una idea de cómo de imprevisible es la energía eólica ya que depende de un factor totalmente cambiante y que no es posible de controlar, como es el viento.. 8. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(19) Modelado y control de un aerogenerador. Figura 4. Generación eléctrica en España desde 2004 hasta 2016 [2]. Otro aspecto importante a tener en cuenta en la generación de electricidad para el suministro eléctrico es el conocido como factor de carga o factor de planta. El factor de carga refleja qué porcentaje de la potencia instalada ha sido utilizada para generar electricidad durante un período de tiempo, normalmente un año. Como dato orientativo las plantas de generación por carbón tienen un factor de carga del 55%, las hidráulicas de un 38% y las nucleares un 92%. E factor de carga de parques eólicos tiene un valor promedio del 37%. Concretamente en España el factor de carga en 2016 dividido en meses es el que se muestra en la siguiente figura.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 9.

(20) Teoría de los aerogeneradores. Figura 5. Factor de carga de las instalaciones eólicas en España en 2016 [2]. Como puede observarse el factor de carga de los parques eólicos de España es muy variable. Esto es debido a que depende sobre todo de: • • • •. Época del año Factores meteorológicos (borrascas, anticlicones) Horas de sol Etc. Todos estos factores afectan al viento que es utilizado para generar energía eléctrica. En los límites de borrascas y anticiclones se produce una gran cantidad de viento debido principalmente a la diferencia de presiones entre ambas. La época del año afecta directamente a la aparición con una mayor o menor frecuencia de estos frentes de borrascas y anticiclones. Cuanto mayor sea el número de horas de sol mayor es la contribución a que la superficie adquiera más temperatura, transfiriendo ese calor al aire que se encuentra próximo a la misma. Produciéndose así corrientes ascendentes y descendentes de convección del aire.. 10. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(21) Modelado y control de un aerogenerador. 2.1.2. DESVENTAJAS DE LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EÓLICA La variabilidad de la producción eólica se debe al factor de velocidad del viento, el cual es impredecible e incontrolable. Pero hay otros muchos factores que suponen una serie de desventajas en la producción eólica: •. • •. •. •. • •. Debido a la variabilidad de la producción de parques eólicos a veces es necesario suplir la demanda eléctrica aumentando la producción en otras instalaciones como las centrales térmicas. Los parques eólicos deben estar alejados de núcleos de población y de su área de futura expansión ya que entre otros aspectos producen contaminación acústica. Debido a que deben estar situados lejos de los núcleos de población la cantidad de infraestructuras (torres de tensión y cableado) necesaria es enorme, la cual supone también un impacto en el paisaje. La operatividad de un aerogenerador se sitúa entre un mínimo y un máximo de velocidad del viento. Por debajo o por encima de ese rango el aerogenerador no produce electricidad. Es necesario un mínimo de velocidad de viento para que el generador del aerogenerador se acople a la red de forma segura. Además, por encima de un cierto valor es necesario parar el aerogenerador para evitar efectos de ruido, vibraciones o tensiones en los materiales. La extensión requerida para instalar un parque eólico con una cierta potencia es mucho mayor que la necesaria para instalar una planta de carbón de la misma potencia. Esto supone un impacto en el paisaje enorme y es necesario la realización de un estudio de impacto ambiental para reducir sus efectos negativos. Suponen un peligro para la fauna aviar debido al giro de las palas. Los parques eólicos pueden entorpecer el itinerario migratorio de algunas aves. El estudio de emplazamiento y el estudio de diseño suponen alrededor de 4 años.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 11.

(22) Teoría de los aerogeneradores. 2.1.3. VENTAJAS DE LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EÓLICA A pesar de todos estos inconvenientes la producción eléctrica es una de las fuentes de energía más sostenibles. Presentan un gran número de ventajas: • • • • • •. Rebaja la emisión de gases de efectos invernaderos a la atmósfera al sustituir a otros tipos de generación eléctrica como el carbón y el gas. Se trata de una fuente inagotable de recursos. Contribuye al desarrollo sostenible. Supone un ahorro de dinero futuro si se tienen en cuenta que reducen los costes asociados a la reparación de daños ambientales. Vida útil del aerogenerador de hasta 25 años. Posibilidad de emplazamiento en mar o tierra.. Figura 6. Parque eólico offshore. • • •. 12. Al tratarse de una producción autóctona disminuye la dependencia de mercados exteriores. Rápido tiempo de construcción e instalación en parques eólicos en tierra (6 meses). Su instalación es compatible con otros usos del suelo como la producción agrícola.. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(23) Modelado y control de un aerogenerador. Figura 7. Uso agrícola del suelo cercano a un aerogenerador. • •. Facilidad de desmantelación, lo que permite recuperar totalmente la zona para otros usos o actividades. Genera más puesto de trabajo que cualquier otra planta de producción de igual potencia instalada.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 13.

(24) Teoría de los aerogeneradores. 2.2. AEROGENERADORES 2.2.1 TIPOS DE AEROGENERADOR Se puede distinguir diferentes tipos de aerogeneradores ateniendo a las siguientes características:. 2.2.1.1 SEGÚN LA ORIENTACIÓN DEL EJE DE ROTACIÓN a) Aerogeneradores de eje vertical: VAWT (Vertical Axis Wind Turbine). El eje de rotación de las palas es perpendicular al suelo donde apoya. Las principales ventajas de estos aerogeneradores es que no requieren un sistema de orientación de las palas para optimizar la generación eólica de electricidad. Ya que independientemente de la dirección del viento siempre produce la misma cantidad de energía.. Figura 8. Ejemplo de aerogenerador de eje vertical. Al no requerir un sistema de orientación se ahorra de este modo las altas tensiones en las palas que suelen aparecer en los aerogeneradores horizontales durante el movimiento de orientación de las palas. Otra ventaja de los aerogeneradores verticales es que al poder prolongar el eje de rotación de las palas hasta el suelo es posible colocar el generador eléctrico en la base del mismo. Esto facilita las labores de mantenimiento al disponer de una forma más accesible de la parte de generación del aerogenerador. A diferencia de los aerogeneradores de eje horizontal, donde el generador se coloca en la góndola (cubículo superior del aerogenerador, situado detrás del rotor).. 14. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(25) Modelado y control de un aerogenerador. Además por su diseño es capaz de soportar rachas de vientos y turbulencias intermitentes durante su funcionamiento. Pueden ser instaladas al nivel de suelo al no requerir mucho viento para producir electricidad (la velocidad de arranque suele rondar unos 10 𝑘𝑚/ℎ). Esto provoca que el rotor de este tipo de aerogeneradores sea muy silencioso al no alcanzar velocidades elevadas de rotación. Lo cual hace posible su instalación muy cerca de viviendas personales incluso dentro de núcleos urbanos. Adicionalmente, debido a que las palas alcanzan una menor velocidad debido a su diseño, es menos susceptible a romper con vientos fuertes.. Figura 9. Ejemplo de compatibilidad de VAWTs con la vida cotidiana. En general requieren pocos costes de mantenimiento y de instalación debido a que no es necesario que el aerogenerador alcance una altura excesiva para una generación aceptable de energía eléctrica. Al ser aerogeneradores más compactos es posible su instalación en lugares más restrictivos en cuestión de dimensiones. Además presentan un riesgo menor para las aves debido a su menor tamaño, menor masa y menor altura.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 15.

(26) Teoría de los aerogeneradores. Sin embargo también presentan una serie de inconvenientes generales. Es necesario que el aerogenerador se encuentre motorizado para poder arrancarlo. Debido a su diseño este tipo de aerogeneradores tienen más posibilidades de pararse (debido a la menor inercia de su rotor) y de caerse de su punto de anclaje. Por lo tanto no son especialmente idóneas para zonas con fuertes vientos. Por último, debido a su menor tamaño generan menos cantidad de energía que un aerogenerador de eje horizontal. Hay muchos tipos de aerogeneradores verticales, en los cuales destacan: i.. Aerogenerador Savonius: es el aerogenerador de eje vertical más simple. Consta de una serie de palas sin ningún perfil aerodinámico, simplemente se compone de un número determinado de palas en forma de semicilindro o superficie curvilínea.. Figura 10. VAWT tipo Savonius de 2 palas. Este tipo de aerogeneradores también se denominan de “resistencia”. Reciben este nombre ya que el rotor gira debido a la resistencia que ofrecen las palas al paso del viento. Esta técnica de funcionamiento es diferente al resto de aerogeneradores, los cuales aprovechan la fuerza de sustentación sobre las palas para llevar a cabo el giro del rotor. Los aerogeneradores Savonius pueden tener diferentes disposiciones de palas o características concretas. Por ejemplo pueden disponer de 3 palas. O incluso tener las palas dispuestas a lo largo de un perímetro circular recibiendo el nombre de “barril”.. 16. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(27) Modelado y control de un aerogenerador. Figura 11. Savonius de "barril", de dos palas y de tres palas. También puede haber un hueco entre el eje de rotación de las palas y las propias palas para permitir el paso del aire entre ellas y aprovechar así de una manera más eficaz la fuerza del viento.. Figura 12. Alzado de un aerogenerador Savonius con separación entre palas y eje. Las palas se encuentran unidas al eje a través de unos pequeños cilindros perpendiculares al mismo. Su pequeño tamaño reduce las perturbaciones del viento a su paso de una pala a otra. También es muy común encontrarse otro tipo de perfiles curvados que aprovechan algo la fuerza de sustentación que realiza el viento sobre la pala para hacer girar el rotor, complementando a la acción de giro llevada a cabo por la fuerza de resistencia. De esta forma se aumenta la eficiencia del aerogenerador. Es una variante del rotor de Savonius y se conoce como aerogenerador Windside.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 17.

(28) Teoría de los aerogeneradores. Figura 13. Ejemplo de aerogenerador Windside. Otra opción es disponer al aerogenerador de varios pisos de palas. Las palas de cada piso se encontrarán desfasadas un cierto ángulo respecto al piso superior. El ángulo de desfase será función del número de pisos. Con este desfase se consigue que en una revolución de rotor sea mayor el intervalo de ángulo en el que el rotor aprovecha la fuerza del viento.. Figura 14. Aerogenerador Savonius con división de pisos. Los aerogeneradores Savonius tienen una serie de características: • Alcanzan bajas velocidades de giro (como máximo unas 60 𝑟𝑝𝑚). • Tienen poca eficiencia debido a que son aerogeneradores de resistencia.. 18. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(29) Modelado y control de un aerogenerador. • • • • • •. ii.. Sólo pueden ser utilizados en vientos de poca fuerza y en un rango limitado. Necesidad de un control para mantener la velocidad en un rango donde la eficiencia sea aceptable. Palas fijas, lo que impide reducir la superficie aerodinámica para hacer frente a vientos más fuertes. Necesidad de una estructura que resista los vientos fuertes. Al alcanzar velocidades bajas el ruido que provoca es muy bajo. Para aplicaciones de baja potencia (suelen estar en potencias por debajo de 1𝑘𝑊).. Aerogenerador Darrieus: a diferencia de los anteriores este tipo de aerogeneradores son de “sustentación”. Esto se debe a que el las palas tienen un perfil de ala que es capaz de aprovechar la fuerza del viento para generar una fuerza vertical (de sustentación).. Figura 15. Aerogenerador con rotor Darrieus. Comparados con los aerogeneradores de “resistencia”, los aerogeneradores de “sustentación” tienen una mayor eficacia. Aunque presentan una gran desventaja frente a los aerogeneradores de Savonius, y es que no pueden ser arrancados por sí solos (a diferencia de. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 19.

(30) Teoría de los aerogeneradores. éstos últimos). Por lo tanto para ser arrancados deben disponer de una de las siguientes opciones: •. •. Sistema motorizado de arranque. Que puede tratarse del propio generador al que se cambia la polaridad para que funcione como motor y girar así el rotor hasta una cierta velocidad para luego volver a la conexión de generador; o utilizando un motor auxiliar conectado al propio eje. Acoplando al aerogenerador de rotor Darrieus un rotor de Savonius para poder arrancar el aerogenerador. Esta opción resta algo de eficiencia al conjunto pero simplifica el control.. Figura 16. Rotor Darrieus-Savonius (Taiwán, 2009) [3]. Existen diferentes variantes de aerogeneradores Darrieus. La primera de ellas es el rotor Darrieus que ha sido mostrado con anterioridad. Es el VAWT más extendido comercialmente y con más éxito debido a su gran eficiencia y la posibilidad de instalarlo en un espacio reducido. Para el diseño de las curvas de las palas se utiliza la curva de Troposkien [4], aunque también es posible usar la curva de catenaria. La siguiente variante es el rotor Darrieus H o “Giromill”. Trata de 3 o más palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales. Las palas van variando su orientación a medida que el rotor coge velocidad para poder aprovechar de un modo más óptimo la fuerza del viento.. 20. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(31) Modelado y control de un aerogenerador. Figura 17. Rotor tipo Darrieus H. La última variante de tipo Darrieus es el de rotor helicoidal. La diferencia con el resto radica en que las curvatura de las palas reduce los momentos flectores a los que están sometidas [5]. Esto es debido a que la pala recibe tanto viento de sotavento como de barlovento. Se puede ver el aspecto de la turbina en la figura 7. Las principales características de un aerogenerador con rotor Darrieus son las siguientes: • • • •. •. •. •. Aerogenerador que puede alcanzar velocidades de giro mayores que un rotor de Savonius (alrededor de 100 𝑟𝑝𝑚). Mayor eficiencia que el resto de aerogeneradores verticales pero menor que los HAWT. Se adapta a los cambios de dirección del viento. También puede aprovechar vientos con una cierta componente vertical de velocidad (a diferencia de los aerogeneradores con rotores de Savonius). Sólo pueden ser utilizados en vientos de poca fuerza y en un rango limitado, aunque es un rango más amplio que en las turbinas de Savonius. Necesidad de un sistema de freno para parar el rotor cuando las condiciones del viento no sean las idóneas para el funcionamiento del aerogenerador. Compatible para aplicaciones de mayor potencia (turbinas de gran altura pueden ofrecer más de 750𝑘𝑊 [5]).. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 21.

(32) Teoría de los aerogeneradores. • •. Capaz de trabajar con viento turbulentos. Poco ruidoso ya que las vibraciones se transmiten a la cimentación.. b) Aerogeneradores de eje horizontal: HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). El eje de rotación es paralelo al plano del suelo. Son los aerogeneradores más utilizados y en los cuales se va a centrar este proyecto. Más adelante se dedicará un apartado completo para entrar más en detalle en este tipo de aerogeneradores. En este apartado se introducirá brevemente algunas de sus características. Su eje de rotación sigue la dirección del viento. Son los mejor aprovechan las corrientes de aire y por lo tanto son los que mayor eficiencia pueden aportar al proceso de producción eléctrica. Un ejemplo de HAWT es el mostrado en las figuras 5 y 6.. 22. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(33) Modelado y control de un aerogenerador. 2.2.1.2 SEGÚN LA ORIENTACIÓN RESPECTO AL VIENTO Esta clasificación sólo tiene sentido para aerogeneradores de eje horizontal. Ya que como se ha explicado antes los aerogeneradores de eje vertical no necesitan un sistema de orientación con respecto al viento ya que, independientemente de la dirección del viento, reciben la fuerza del viento de forma perpendicular a su eje. Por tanto la siguiente clasificación solo es aplicable a los HAWT. Más adelante se entrará en detalle de cómo son capaces de orientar las palas en la dirección del viento. Por tanto, según el tipo de orientación, los aerogeneradores se clasifican en: •. •. A barlovento: el aire se encuentra antes con el rotor que con la torre. Tienen una mayor eficacia que los aerogeneradores a sotavento ya que no presentan una interferencia aerodinámica con la torre. Aunque tienen el inconveniente de no alinearse automáticamente con la dirección del viento, por lo que necesitan disponer de un elemento de orientación en la góndola. A sotavento: el aire se encuentra antes con la torre que con el rotor. No es necesario un sistema de orientación pues ya se alinean automáticamente con la dirección del viento, en cambio poseen una menor eficacia que los aerogeneradores a barlovento. Además presentan la posibilidad de disponer de un rotor más flexible para resistir los vientos fuertes. La orientación automática de la turbina a sotavento se produce debido a que las palas tienen una cierta conicidad respecto al eje de giro. Cuando cambia la dirección del viento, debido a la conicidad en las palas, se crea un momento que hace rotar todo el conjunto (rotor, góndola y buje) para alinearse con ella.. Figura 18. Aerogenerador a sotavento (izquierda) y a barlovento (derecha). Adrián Rodrigálvarez Sibón. 23.

(34) Teoría de los aerogeneradores. 2.2.1.3 SEGÚN EL NÚMERO DE PALAS Anteriormente ya se ha comentado diferentes variantes de aerogeneradores verticales en los que puede haber un número de palas diferentes. Pero en este apartado no se va a hablar de aerogeneradores de eje vertical, sino que se va a diferenciar a los HAWT según su número de palas. Hay diferencias significativas entre rotores con diferente número de palas. Según el número de palas los aerogeneradores son más convenientes para una serie de condiciones de operación que otros. A continuación se muestran las características del aerogenerador según el número de palas: •. Tripala: es el diseño más extendido en el mercado de la producción eólica pues el que mayores prestaciones ofrece. El rotor consta de 3 palas formando 120º entre cada una de ellas. Debido a las características de su momento de inercia presentan la ventaja de un giro más suave y uniforme. Todo ello minimiza los esfuerzos en las palas o la estructura. Es el diseño de rotor que menos velocidad necesita para producir la misma potencia eléctrica. Al ser la velocidad de rotación del aerogenerador menor la generación de ruido es menor. Además se prolonga la vida de los componentes y se reducen los costes por mantenimiento. Un ejemplo de generador tripala es el mostrado en las figuras 5 y 6.. •. Bipala: reduce el coste de masa y, por tanto, de material respecto al rotor tripala. Presenta el inconveniente de sufrir mayores esfuerzos dinámicos. Al tratarse de un número par de palas, en el instante que una de ellas pasa por la torre, ésta deja de recibir viento (término acuñado en inglés de “tower shadow”). Ello provoca una inestabilidad de momentos en el rotor que supone la aparición de grandes esfuerzos en la base de la pala opuesta, los cuales pueden llevar a su rotura. Por esta razón los aerogeneradores bipala presentan un rotor basculante que permite un cierto giro angular vertical del eje de rotación del rotor, reduciendo así los esfuerzos en las palas. Los generadores bipala deben alcanzar una velocidad de giro mayor que los tripala para producir la misma potencia eléctrica. Una mayor velocidad de giro del rotor supone un desgaste más acusado de ejes, cojinetes, rodamientos, etc, y además conlleva un aumento de los niveles de ruido.. 24. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(35) Modelado y control de un aerogenerador. Figura 19. Aerogenerador bipala con buje basculante. •. Monopala: presenta una reducción de masas y de coste respecto al rotor bipala. Si bien esta reducción de peso está más centrada en la caja multiplicadora y el generador que en el hecho de ahorrar un pala en el rotor. Esto se debe a que es necesario un contrapeso de la pala para evitar un funcionamiento inestable de la turbina que dé lugar a vibraciones o esfuerzos inesperados en la estructura, como por ejemplo cargas de fatiga. Aun así sí se ahorra en costes de fabricación al no ser necesario la fabricación de una segunda pala. Necesitan alcanzar incluso una velocidad mayor que los rotores bipala para igualar la potencia generada por un aerogenerador tripala. Ello conlleva un gran aumento del ruido producido por la turbina, que es del orden del doble que el rotor tripala.. Figura 20. Aerogenerador monopala en funcionamiento. El hecho de que el uso de los aerogeneradores tripala esté tan extendido es debido a que son los que presentan una mayor producción de energía y no acarrean los problemas de. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 25.

(36) Teoría de los aerogeneradores. generación de ruidos de las turbinas bipala y monopala (relacionado con su mayor velocidad de giro).. Figura 21. Coeficientes de potencia según tipo de aerogenerador [6]. En la figura 20 se puede observar cómo varía el coeficiente de potencia (que está relacionado con la eficiencia de la turbina) según el “tip-speed ratio” o velocidad de la punta de las palas. Este último término es la relación de la velocidad del extremo de la pala con la velocidad del viento. Como se observa en la figura, los HAWT son los que mayor coeficiente de potencia presentan. Dentro de ellos se puede observar que al aumentar el número de palas se tiende hacia zonas de mayor eficiencia. El hecho de que no existan generadores de alta potencia de un número de palas mayor que 3 es debido a los siguientes puntos: • •. •. Mayor número de palas supone un mayor coste inicial del proyecto La eficiencia que se gana al aumentar el número de palas cada vez es menos significativa y no compensa el aumento de gastos de fabricación e instalación de la turbina (pasar de 3 palas a 4 sólo aumenta el coeficiente de potencia en 0,5% aproximadamente). La opción más más económicamente rentable después del rotor tripala sería un aerogenerador de 4 palas. Pero en este caso aparecería el problema del tower shadow, lo que provocaría inestabilidad a la estructura y aparición de cargas de fatiga.. Por estas razones el tipo de aerogenerador más extendido en la producción eléctrica a través de la energía eólica es la del generador tripala. 26. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(37) Modelado y control de un aerogenerador. 2.2.1.4 SEGÚN EL TIPO DE TORRE Como se observa en la figura 17 puede haber dos tipos de torres en los aerogeneradores. Las torres en celosía y las torres tubulares. Las torres en celosía son una opción no muy común en las torres de aerogeneradores. Principalmente se usan en aerogeneradores a sotavento. Las torres en celosía en aerogeneradores a sotavento evitan que se produzcan las cargas cíclicas que aparecerían en la pala de un aerogenerador de torre tubular al pasar por detrás de la torre (tower shadow). Estas cargas cíclicas se deberían al hecho de que la velocidad incidente del viento en la zona de la torre es distinta a la del resto de área de recorrido de las palas. Las torres de celosía necesitan inspecciones periódicas para verificar la correcta sujeción de los distintos elementos de la misma. Esto supone unos gastos añadidos, por esa razón no es muy común el uso de torres de celosía en aerogeneradores a barlovento. Las torres tubulares son las más extendidas debido a la rigidez que aportan a la estructura para afrontar las grandes fuerzas del viento. Si bien el gasto de construcción y fabricación es el mayor de los tres tipos de torres.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 27.

(38) Teoría de los aerogeneradores. 2.2.1.5 SEGÚN LA ZONA DONDE ESTÉN INSTALADAS Según dónde se instalen podemos hablar de dos tipos de aerogeneradores: los aerogeneradores offshore, que se emplazan en el mar; o los aerogeneradores onshore, que son los que se emplazan en tierra firme. Hay muchos aspectos que diferencian a ambos tipos de aerogeneradores. Unos presentan una serie de ventajas e inconvenientes frente a otros. A continuación se va a comparar las características de una turbina offshore frente a una turbina onshore [7]. Ventajas de una turbina offshore frente a uno onshore: • •. • • • •. En el mar no existen obstáculos que reduzcan la velocidad del viento. Esto favorece que el viento circule a mayor velocidad. Hay menos turbulencia ambiental: hay menos cambios de fuerzas del viento que en tierra. Ello provoca que disminuya la fatiga que soporta el aerogenerador y, por lo tanto, aumente su vida útil. La frecuencia del viento en el mar es un 40% mayor que en tierra firme, por lo que los parques eólicos marinos son más productivos que los terrestres. La gran disponibilidad de espacio permite construir parques eólicos más grandes con un mayor número de aerogeneradores. Reduce el impacto visual sobre el paisaje al estar muy alejados de los centros urbanos. Deben estar, al menos, a 3 kilómetros de la costa. Al estar tan alejados de la costa el ruido que producen deja de ser un problema, por lo que se puede aumentar la velocidad de giro del rotor. Suponiendo una reducción de peso y de costes de fabricación. Esto es posible ya que si se aumenta la velocidad de giro del rotor, para producir la misma cantidad de energía, es necesario un menor par motor captado del viento. Es decir, se necesita menos área de barrido, lo que supone palas más pequeñas y consecuentemente menos material de construcción.. Aun así los parques eólicos marinos acarrean una serie de inconvenientes o desventajas frente a los parques eólicos terrestres: •. • •. •. • •. 28. La evaluación del sitio de emplazamiento y la etapa de diseño y autorización por parte de la entidad pública competente para autorizar la instalación de un parque eólico marino puede llevar alrededor de 4 a 6 años. Mientras que en tierra el tiempo de evaluación y diseño puede llevar menos de 6 meses. La construcción y montaje del parque eólico marino ocupa alrededor de 2 a 3 años, mientras que en tierra es alrededor de 1 año. No se disponen de infraestructuras eléctricas en el mar que conecten los parques eólicos marinos de producción eléctrica con las principales zonas de consumo (ciudades, industrias, etc.). La necesidad de instalar un cableado especial para el transporte de la electricidad hasta las infraestructuras eléctricas terrestres encarecen la instalación de un parque eólico. La tecnología necesaria para la cimentación de los aerogeneradores instalados en el mar también encarecen a los mismos. Las labores de mantenimiento e inspección son más complicadas debido a que es necesario trabajar en el mar.. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(39) Modelado y control de un aerogenerador. • •. Los costes iniciales asociados a la construcción de un parque eólico marino aumentan al aumentar la profundidad del terreno. Los aerogeneradores requieren una mayor separación entre ellos lo que implica un mayor coste de cableado. Esta separación es necesaria ya que, debido a la baja rugosidad del mar, las turbulencias del viento al pasar por una turbina permanecen durante una distancia mayor que en tierra firme. Si no se permitiera esta separación entre aerogeneradores las perturbaciones afectarían al resto de aerogeneradores produciendo esfuerzo de fatiga y reduciendo la vida útil de los mismos.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 29.

(40) Teoría de los aerogeneradores. 2.2.1.5 SEGÚN EL TIPO DE GENERADOR Dependiendo del tipo de generador que se utilice para la generación eléctrica en u aerogenerador la estrategia de control y los límites de funcionamiento serán diferentes. Por esta razón la elección de un generador adecuado en función de cómo se quiere aprovechar un aerogenerador determinado es muy importante. Los generadores se pueden dividir en generadores síncronos y en generadores asíncronos. Los generadores síncronos generan una corriente alterna con una frecuencia que es función de su régimen de giro. Mientras que los generadores asíncronos conectan su estátor directamente a la red, por lo que se impone la frecuencia de la corriente alterna que generan al aplicarse un par sobre su rotor. Debido a esta diferencia se puede decir que los generadores asíncronos se conectan directamente a la red eléctrica mientras que los generadores síncronos se conectan indirectamente a la red. Es decir, como la electricidad generada por un generador síncrono no tiene por qué tener las mismas características que la electricidad de la red (frecuencia), es necesario hacer pasar esa electricidad a través de una serie de componentes electrónicos que adecúan esa electricidad a la red. Se evita de ese modo problemas de acoplamiento a la red o de picos de tensión. Antes de comenzar la clasificación de los generadores es necesario saber que existen dos tipos de turbinas eólicas: las de velocidad constante y las de velocidad variable. Las diferencias entre ellas afectan a su estrategia de control, así como a la elección de generador que deben utilizar. Las turbinas de velocidad constante sólo pueden trabajar en un rango de velocidad muy limitado. En ese rango de funcionamiento la velocidad del rotor se mantiene constante debido a las necesidades de generación eléctrica correspondiente al circuito de aerogenerador, para poder suministrar esa electricidad a la red. Por otro lado, las turbinas de velocidad variable pueden trabajar en un rango de velocidades aún mayor ya que el aerogenerador produce potencia a diferentes velocidades del rotor (dentro de unos límites). La estrategia de control de estas turbinas, el esquema eléctrico y el generador que necesitan serán diferentes a los que son necesarios en una turbina de velocidad constante. Comenzando con los aerogeneradores asíncronos: a) Generador asíncrono de jaula de ardilla. Figura 22. Rotor de jaula de ardilla de una pequeña máquina de inducción. 30. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(41) Modelado y control de un aerogenerador. Es llamado así porque el rotor consta de dos partes. Primero consiste en un núcleo de hierro formado por placas separas por un espacio muy pequeño. Este núcleo cuenta con una serie de ranuras que han sido practicadas para introducir unas serie de barras de cobre o aluminio que están unidas en sus extremos a unos anillos, cerrando así un circuito eléctrico que posibilita que circule la corriente eléctrica por ella. Recibiendo el nombre de “jaula de ardilla” debido a esta estructura de barras unidas por anillos en los extremos.. Figura 23. Jaula de ardilla de un rotor de una máquina de inducción asíncrona [8]. La razón de por qué las barras de la jaula de ardilla del motor están levemente inclinadas y no siguen la dirección del eje de revolución del anillo es la siguiente: • •. Evita el ruido (zumbido electromagnético). Evita las vibraciones del motor.. El generador asíncrono de jaula de ardilla puede utilizarse para los dos tipos de turbina: las turbinas de velocidad constante, y las turbinas de velocidad variable. i.. Turbina de velocidad constante con generador de jaula de ardilla: El generador de jaula de ardilla usado para la generación de electricidad en aerogeneradores de velocidad constante es el modelo más antiguo que se empezó a usar en energía eólica. Este tipo de generador presenta la ventaja de tener la mayor fiabilidad, robustez y menor precio de entre el resto de generadores. Debido a la sencillez del rotor y a la ausencia de contactos rozantes (propio de los rotores bobinados). Esta máquina eléctrica sólo permite alrededor de 6% [9] de deslizamiento cuando se conecta directamente a la red. Esto es debido a que si se supera este rango de deslizamiento las características de la corriente generada en el estátor pueden variar con respecto a la de la red (frecuencia).. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 31.

(42) Teoría de los aerogeneradores. Pero esto supondría que sólo puede actuar en un rango muy pequeño de velocidades del viento, ya que la velocidad del viento no puede variar mucho para mantener la velocidad del rotor prácticamente constante. Para solucionar esto se suele aprovechar el efecto “stall” o entrada en pérdidas. Este efecto ocurre en las palas del rotor de la turbina. Consiste fundamentalmente en una disminución de la fuerza de sustentación aerodinámica que ejerce el viento en las palas. Esta pérdida de fuerza de sustentación provoca que el rotor baje su velocidad de giro. Las palas de la mayoría de aerogeneradores de velocidad constante están diseñadas con objeto de entrar en pérdidas a una cierta velocidad del viento. Esta pérdida va aumentando a medida que aumenta la velocidad del viento. De ese modo el rotor es capaz de mantenerse prácticamente a velocidad constante en un rango mayor de velocidades. El esquema eléctrico de un generador de jaula ardilla para un aerogenerador de velocidad constante es el siguiente.. Figura 24. Esquema eléctrico de un generador de jaula de ardilla en un aerogenerador de velocidad constante [9]. El rotor capta la energía eólica del viento dentro del rango de funcionamiento determinado por la velocidad del viento. La caja multiplicadora permite que la velocidad de giro del rotor del generador sea el adecuado, cercano al de sincronismo. El contactor o “triacs” sirve para la conexión eléctrica de la máquina eléctrica a la red. Evitando de ese modo su acoplamiento fuera del rango de funcionamiento con objeto de no producir picos de tensión u otros problemas que puedan afectar a la red.. 32. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(43) Modelado y control de un aerogenerador. El banco de capacitadores es necesario ya que la potencia reactiva producida por el aerogenerador no es controlable. En necesario disponer de este banco de capacitadores para corregir esta potencia reactiva y adecuarla a la red de suministro eléctrico. El transformador es necesario para la conversión de la tensión de la electricidad generada en el aerogenerador para poder ser distribuida a largas distancias hacia los núcleos o puntos de consumo. El rotor dispone de unas palas que aprovechan el efecto “stall” para ampliar el rango de velocidades del viento en el que la turbina puede trabajar y generar potencia. A partir de un valor nominal del viento este efecto comienza a producirse, de este modo el rango de funcionamiento comienza en la velocidad nominal que se ha establecido durante el diseño de las palas. El inconveniente de estos aerogeneradores es que es necesario que se paren o se desacoplen durante los huecos de tensión. Los huecos de tensión son reducciones bruscas de la tensión de la red eléctrica desde un 1 hasta un 90% de la tensión declarada. Pueden tener duraciones de entre 10 milisegundos hasta 1 minuto. Los huecos se pueden producir en una fase, en dos o en las tres fases a la vez. ii.. Turbina de velocidad variable con generador de jaula de ardilla: Un aerogenerador capaz de generar electricidad independientemente de la velocidad angular del rotor supone que el rango operativo de la turbina es mucho más amplio que el del anterior ejemplo. Es posible que el aerogenerador aporte energía a la red eléctrica por debajo de la velocidad de sincronismo. Esto se consigue gracias a un convertidor de tipo back to back, el cual permite controlar la potencia activa y reactiva que se suministra a la red. Y permite realizar esto a diferentes velocidades del rotor. Aunque obviamente la cantidad de energía extraída del viento bajará con la velocidad del propio viento. Aun así, debido a que toda la energía que transmite la turbina a la red pasa por este convertidor, los componentes del mismo deben ser capaces de soportar toda la potencia del aerogenerador. Este es un factor limitante ya que impide diseñar turbinas de gran potencia siguiendo este esquema.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 33.

(44) Teoría de los aerogeneradores. Figura 25. Esquema eléctrico de un generador de jaula de ardilla en un aerogenerador de velocidad variable [9]. El rotor capta la energía eólica del viento dentro del rango de funcionamiento determinado por la velocidad del viento, el cual es más amplio que en el caso anterior. La caja multiplicadora permite que la velocidad de giro del rotor del generador sea la más cercana posible a la de sincronismo para evitar un exceso de trabajo del convertidor back to back. En este caso no es necesario un contactor o “triacs” ya que el convertidor permite que la turbina esté acoplada a la red durante un rango de velocidades del rotor amplio. El banco de capacitadores también es necesario ya que permite al convertidor controlar la potencia reactiva de salida. El transformador es necesario para la conversión de la tensión de la electricidad generada en el aerogenerador para poder ser distribuida a largas distancias hacia los núcleos o puntos de consumo. Este caso difiere del anterior en la estrategia de control del anterior caso. Por debajo de un cierto valor de velocidad del viento el convertidor se encarga de controlar el par electromagnético del generador con objeto de mantener la velocidad del rotor en la relación óptima de velocidad de punta de pala que asegura la máxima extracción de potencia del viento. Por encima de ese cierto valor nominal de la velocidad del viento se lleva a cabo el control del “pitch angle” o ángulo de ataque de las palas. Este control consiste principalmente en que se disminuye el ángulo de ataque de las palas a medida que aumenta la velocidad del viento por encima de ese valor nominal. De esta forma se delimita la potencia máxima que puede ofrecer una turbina. Normalmente esta limitación viene del riesgo que supone manejar más potencia por parte del convertidor o bien para evitar alcanzar velocidades de rotación altas en el rotor, las cuales pueden llevar a problemas de ruido o incluso de desgaste o rotura.. 34. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(45) Modelado y control de un aerogenerador. b) Generador asíncrono con control de deslizamiento Este tipo de sistemas constituyen la tecnología más simple de generación eléctrica de turbinas de velocidad variable. Al contrario de lo que pasaba con el anterior ejemplo el rotor del generador se encuentra bobinado. Y en ellos se realiza un control de deslizamiento mediante la regulación de una resistencia que se encuentra conectada al circuito rotórico. Todo ello permite controlar el par electromagnético del generador de la turbina en un margen de velocidad comprendido entre la velocidad de sincronismo y alrededor de un 10% por encima de la misma (velocidad supersíncrona) sin necesidad de que se modifiquen ningún parámetro característico de la electricidad generada (como por ejemplo la frecuencia) Se puede aumentar el límite superior de velocidad de sincronismo siempre y cuando sea posible aumentar la resistencia a controlar en igual medida. Si bien hay que tener en cuenta que al aumentar la resistencia las pérdidas por calor en la misma son mayores, lo cual es necesario tener en cuenta para la conveniencia o no de instalar un sistema de refrigeración al generador. El rotor bobinado difiere del rotor de jaula de ardilla en que, en vez de estar constituido por barras de aluminio o cobre unidas en sus extremos por dos anillos, está constituido de una serie de conductores que están bobinados en una serie de ranuras situadas en la superficie del propio rotor. El número de polos del rotor debe coincidir con el número de polos del estátor.. Figura 26. Rotor bobinado de un pequeño generador asíncrono. Circuitando cada uno de los grupos de conductores bobinados se encuentran los anillos rozantes, los cuales se pueden observar que en la figura 25 aparecen a la izquierda del grupo de conductores bobinados. Cada anillo rozante corresponde a un grupo de conductores bobinados. En esta figura se observan tres anillos por tanto hay 3 grupos de conductores (3 polos).. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 35.

(46) Teoría de los aerogeneradores. Mediante estos anillos rozantes es posible acceder a los circuitos del rotor. Lo cual permite inyectar y extraer energía del rotor o modificar sus parámetros, como la resistencia del mismo. Pero surge un problema con los anillos rozantes. La forma en la que se accede al circuito rotórico cuando el generador está en funcionamiento es mediante el contacto de los anillos rozantes con las escobillas. Al estar el rotor girando a velocidades muy altas se va produciendo un desgaste de las escobillas. Por lo tanto este tipo de rotores requieren un mantenimiento extra comparado con los rotores de jaula de ardilla.. Figura 27. Anillos rozantes y sistema de portaescobillas con escobillas instaladas. El control del par electromagnético del generador se puede realizar de dos formas distintas: i.. Mediante resistencias rotóricas Este sistema permite controlar el par electromagnético conectando una serie de resistencias variables que permitirán modificar la resistencia total que presenta el circuito en el rotor. El conjunto de resistencias variables de denomina reóstatos y se encuentra conectado en estrella. Al modificar la resistencia rotórica es posible controlar la corriente que circula por el propio rotor y por tanto controlar el par electromagnético (dentro de un rango de velocidades de giro del rotor limitado).. 36. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(47) Modelado y control de un aerogenerador. Figura 28. Esquema del rotor controlado por reóstatos [10]. A continuación se muestra el esquema del conjunto con regulación mediante resistencias rotóricas. Un dato a tener en cuenta para el diseño es que un valor de resistencia más grande permite obtener un mayor rango de velocidades de generación de electricidad.. Figura 29. Esquema eléctrico de aerogenerador controlado por resistencias rotóricas [11]. Como se puede apreciar este esquema puede ser conectado a la red (o a un transformador) ya que las propiedades eléctricas de la electricidad generada con el aerogenerador son las correspondientes a la de la red (frecuencia, etc.). ii.. Con recuperación de la energía El sistema descrito en el apartado anterior se desperdicia la energía que se genera en el rotor del generador. Existe una variante que permite aprovechar la energía generada en el rotor para sacar mayor energía de la fuerza eólica del viento.. Adrián Rodrigálvarez Sibón. 37.