Estado del arte en generadores electricos

utilizados en turbinas eolicas

23 de mayo de 2008

Sistemas electromecanicos y maquinas electricasInstituto Balseiro

Lucas Munoz

Resumen

Las turbinas eolicas actuales que se conectan a la red producen hasta 5 MWde energıa electrica y tienen rotores de hasta 100 metros de diametro. A difer-encia de otras formas de generacion de energıa, estos aparatos trabajan conuna fuente de potencia que fluctua en el tiempo debido a las rafagas, por loque se debe disenar cuidadosamente el sistema de control y la resistencia a lafatiga de los componentes. Por otra parte se requieren robustez y confiabilidad.Esto implica especificaciones de diseno muy particulares y da lugar al desar-rollo de tecnologıas diversas y sofisticadas en las areas de maquinas electricas,electrotecnia, electronica, control, y otras. En el presente trabajo se introducenlos diferentes tipos de generadores electricos y conexiones utilizadas en estaaplicacion y las tendencias actuales.

Introduccion

En la decada de 1950 aparecio uno de los primeros aerogeneradores de granpotencia en Gedser, Dinamarca, ver figura 1. Este tenıa 200kW de potencia yentregaba una potencia muy costosa en relacion a otros tipos de generacion.

En adelante, esta forma de producir energıa eolica estuvo en constante evolu-cion. El concepto mas usado siempre fue un aparato tripala de eje horizontalalimentando una red trifasica. Los paıses con industrias eolicas mas importantesson Dinamarca, Espana, Alemania y Estados Unidos. Durante las ultimas dosdecadas la potencia de las turbinas eolicas aumento hasta superar los 3MW.Se han probado y desarrollado diferentes conceptos. Entre las modificacionesy evoluciones mas importantes en el area de control se encuentran la imple-mentacion de paso variable de las palas (cambio del angulo de incidencia) y el

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Figura 1: Aeroturbina hecha en Gedser, Dinamarca (1950). Imagen extraıda de[1]

control por entrada en perdida aerodinamica de las palas. Los conceptos asocia-dos a maquinas electricas utilizadas sufrieron grandes cambios creandose nuevasalternativas. Desde 1993 algunos fabricantes reemplazaron los tradicionales gen-eradores asincronicos por los sincronicos mientras que otros fabricantes imple-mentaron generadores asincronicos con rotor bobinado en lugar del rotor dejaula. Los desarrollos electricos incluyen el uso de electronica de potencia, conlo que se logra, entre otras cosas, una velocidad de operacion del rotor vari-able. Debido a la rapida evolucion de la electronica de potencia, que ofrece tan-to mayor potencia transmitida como menor precio/kW, la implementacion dedicha electronica se encuentra en aumento. Actualmente se evaluan activamentenuevos conceptos.

Tipos de aerogeneradores y sus particularidades

A la hora de generar energıa electrica por medio de la potencia del vientoexiste una gran variedad de configuraciones posibles que se diferencian en lascaracterısticas electricas, electronicas y mecanicas.

Desde el punto de vista del generador se pueden diferenciar los asincronicos(AG) de los sincronicos (SG). A su vez los primeros pueden tener rotorde jaula o rotor bobinado, mientras que los segundos pueden usar imanespermanentes o rotor bobinado.

Por otra parte, se pueden distinguir las configuraciones que poseen cajasmultiplicadoras y las que no las tienen. Las primeras aumentan la veloci-dad de giro de las palas, que es del orden de 15 RPM para turbinas grandes,(ver [6]) para utilizar generadores rapidos, de pocos polos y compactos.Este tipo de generadores resultan atractivos pero implican el aumento decomplejidad del sistema debido a la caja multiplicadora. Por el contrario,los aerogeneradores sin caja multiplicadora tienen generadores de variospolos, mas grandes y lentos.

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Otra importante distincion es la que existe entre la conexion directa yla indirecta. En la primera el generador entrega corriente trifasica con lafrecuencia de la red, mientras que en el segundo caso el generador entregafrecuencia variable y esta debe ser rectificada y convertida en corrientetrifasica mediante un dispositivo denominado conversor de frecuencia. Unconversor de frecuencia tradicional (en ingles ”drive”por su uso tıpico enalimentacion de motores de velocidad variable) consiste de: un rectificador(AC a DC), un almacenador de energıa, y un inversor (DC a AC de fre-cuencia controlable. En la figura 2 se observa el camino de la energıapara un generador eolico con conexion indirecta a la red. Existen tipos deconexion que rectifican parte de la potencia generada, para compensar lapotencia reactiva o para excitar el inductor.

Por ultimo, un dato importante es el tipo de control de potencia, es decir,el metodo por el cual se controla la potencia recogida del viento por laspalas. Este punto es importante no solo para regular la patencia electricaentregada sino tambien para garantizar la integridad del conjunto gen-erador ante los perıodos de vientos excesivamente fuertes. El metodo deentrada en perdida (”stall control”) consiste en la reduccion de la potenciarecogida por las palas debida a una entrada en perdida aerodinamica delas mismas, mientras que el metodo de control del angulo de paso (”pitchcontrol”) consiste en la regulacion por cambio del angulo de paso de laspalas.

Algunos de los criterios con los que se eligen las caracterısticas reciente-mente mencionadas son el peso de los materiales activos, aplicabilidad de laelectronica de potencia, consideraciones de protecciones y aspectos de servicio ymantenimiento. Las nuevas tecnologıas relacionadas a electronica de potencia,automatizacion y control hacen posible disenos innovadores.

Figura 2: conversion de la energıa en un aerogenerador con coneccion indirecta.Imagen de [1]

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En la figura 3 se pueden ver las configuraciones mas utilizadas en aerogener-adores de una amplia gama de potencias y tipos y en el cuadro 1 se especificanlas caracterısticas de dichas configuraciones. Estas ocho posibilidades establecenla electronica utilizada, el tipo de transmision mecanica, y el sistema de con-trol de potencia. Constituyen las opciones mas utilizadas, sin embargo existenmuchas variantes de las mismas.

Figura 3: Configuraciones estandar usando generador asincronico (AG) y gen-erador sincronico (SG). Dependiendo de la configuracion particular, el termino”power converter”indica la presencia de diferentes componentes electronicos quepueden ser: arrancador suave (a), variador de la resistencia del rotor (c), rec-tificador (e: conectado al estator o f, g, h: conectado al rotor) y conversor defrecuencia (b, d, e, g y h)

En lo que sigue se ampl’ian las caracter’isticas de los aerogeneradores de lafigura 3 y el cuadro 1:

a) Utilizado como concepto convencional en generadores de gran potencia. Elbanco de capacitores compensa la potencia reactiva y el arrancador suaveproporciona una conexion suave a la red (”soft starting”). Esto ultimo

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Configuracion ”Power Multipolo o Control de Comentarios

Converter” caja reductora potencia

a arrancador suave caja entrada en perdida una o dos velocidades

multiplicadora posibles

b conversor de caja entrada en perdida velocidad variable

frecuencia multiplicadora o constante

c control de resis- caja angulo de paso velocidad variable

tencia del rotor multiplicadora en un rango

d conversor de caja angulo de paso velocidad variable

frecuencia multiplicadora

e conversor de multipolo entrada en perdida velocidad variable

frecuencia o angulo de paso

f rectificador caja entrada en perdida velocidad constante

multiplicadora o angulo de paso

g rectificador y caja entrada en perdida velocidad variable

conversor de multiplicadora

frecuencia

h rectificador y multipolo entrada en perdida velocidad variable

conversor de

frecuencia

Cuadro 1: Especificaciones de las configuraciones mostradas en la figura 3. Ex-traıdo de [3]

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es importante ya que si se conectara el aerogenerador a la red con unseccionador existirıa una repentina caıda de tension en la red debido ala energıa necesaria para magnetizar el generador. Esto se soluciona uti-lizando grandes tiristores que conectan el generador progresivamente, verfigura 4.

b) En este concepto se reemplazan el arrancador suave y y el banco de capaci-tores por un conversor de frecuencia que puede ser total o parcial:

1. Si es total, convierte toda la corriente y la velocidad del generadores independiente de la frecuencia de la red.

2. El conversor de frecuencia parcial tiene una capacidad de 20-30 %de la potencia nominal del generador por lo que en caso de vientosfuertes se conecta en forma de ”bypass”para compensar potenciareactiva. En este caso la velocidad del generador esta dada porla frecuencia de la red y el resbalamiento.

c) Esta configuracion usa un rotor bobinado de resistencia variable, con estemetodo se puede controlar el resbalamiento en un rango de 10 % (frente aun 1 % de resbalamiento de los generadores con rotor de jaula). El hechode que el generador aumente o disminuya ligeramente su velocidad al fluc-tuar el par torsor es una propiedad mecanica muy util. Esto significa quehabra menor desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor maxi-mo). Otra ventaja de este sistema es una mejor calidad de potencia, ya quelas fluctuaciones de la potencia de entrada son absorbidas por la variaciondel resbalamiento y se entrega una potencia electrica mas uniforme. Paraevitar los problemas relacionados a la utilizacion de anillos rozantes queacarrean las resistencias fuera del rotor se emplea en aparatos modernoslas resistencias y la electronica de control correspondiente en el rotor. Lasenal de control es comunicada por un medio optico.

d) Otra configuracion emplea un generador de doble alimentacion (ver [5]). Unconversor de frecuencia controla directamente las corrientes en los bobi-nados del rotor. Esto permite el control de la salida del generador. Esteconcepto es atractivo por dos razones:

1. Velocidad variable en un rango mas amplio que en el caso c)2. Mas barato que la configuracion que utiliza un conversor de fre-

cuencia total.

e) Esta configuracion con generador de imanes permanentes y sin caja multipli-cadora es tıpica en aerogeneradores pequenos (tıpicamente con potenciasmenores a 1 kW) usados para cargar baterıas a traves de un rectificador.Un concepto prometedor de este tipo es el ”WINDFORMER”sugerido porla empresa ABB: generador multipolo, produce 3.5MW de potencia, en-trega corriente continua (rectificada) de 21kV. Se pretende combinar esteconcepto con lıneas de corriente continua (HVDC-light based grid), masadelante se explicara con mas detalles.

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f) Este concepto utiliza excitacion externa mediante el rectificado de la potenciaextraıda (con el ”Power Converter”). No es muy atractivo por las siguientesrazones:

1. La necesidad de un circuito de excitacion2. La necesidad de anillos rozantes.

g) Esta configuracion se diferencia de la anterior por el uso de un conversor defrecuencia que permite la velocidad variable del rotor.

h) Usando un generador multipolo se logra una velocidad mas lenta y se pre-scinde de la caja multiplicadora, lo que reduce la complejidad e incrementala confiabilidad del sistema.

Figura 4: tiristores usados para la conexion suave a la red. Imagen de [1]

Caso de estudio - WINDFORMER

La empresa ABB esta desarrollado el generador electrico WINDFORMER,un modelo sincronico de alto voltaje multipolo de imanes permanentes especial-mente disenado para aplicaciones en turbinas eolicas. El concepto tiene bobinasestatoricas conformadas por cables de alto voltaje. Ya se menciono en la sec-cion ”Tipo de aerogeneradores y sus particularidades”que el WINDFORMERpertenece al grupo e) dentro de los mostrados en la figura 3. La utilizacionde imanes permanentes en un generador de gran cantidad de polos reduce lasperdidas en el rotor significativamente y hace posible la eliminacion de la cajamultiplicadora. La idea de ABB es combinar la tecnologıa de WINDFORMER

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con la tecnologıa HVDC-light (hight voltage direct current light based grid oredes electricas de alta tension corriente continua, explicadas mas adelante).Esto implica un nuevo concepto que involucra no solo el diseno del generadorsino tambien el de la granja eolica incluyendo la conexion a la red. Las ideasprincipales del WINDFORMER son:

Proveer un diseno mecanico simple, sin caja multiplicadora, lo que hace auna mayor confiabilidad, y menor requerimientos de mantenimiento.

Electronica de potencia del aerogenerador simple y de pocas perdidas:rectificadores de diodos.

Explotar las virtudes de la tecnologıa HVDC-light, obteniendo una redinterna en la granja simple y buena interfase con la red externa.

El mayor inconveniente involucrado es el costo de todo el sistema y la incertezadel funcionamiento del mismo a largo plazo, ya que usa conceptos nuevos, nuncaantes probados.

Las redes electricas de alta tension y corriente continua HVDC-light estansiendo implementas para granjas eolicas que poseen un gran numero de aero-generadores. En la figura 5 se puede ver un concepto de este tipo de conexionen granjas. Cada turbina entrega corriente continua (rectificada) por lo que nonecesita funcionar a velocidad constante. Esto conlleva un mayor rendimiento,ya que el control de la turbina elige la velocidad que aprovecha la mayor can-tidad de potencia posible. El conversor DC/AC (indicado por CS en la parteizquierda de la figura) no se encuentra dentro de cada turbina, sino que manejala totalidad de la potencia de la granja.

Figura 5: Una forma de conexion de las turbinas en un parque eolico, cadaturbina tiene un conversor AC/DC, las lıneas del parque son del tipo HVDC-light y la conexion a la red externa se realiza a traves de un conversor DC/AC.Ambos conversores se denotan por CS.

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Referencias

[1] http://www.windpower.org

[2] http://www.invap.net/indus/eolica/contemporaneas.html

[3] Conceptual survey of Generators and Power Electronics for Wind Turbines,L. H. Hansen, L. Helle, F. Blaabjerg, E. Ritchie, S. Munk-Nielsen, H. Bind-ner, P. Srensen and B. Bak-Jensen, 2001

[4] http://www.sciencedirect.com/

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Doubly-fed electric machine

[6] http://www.gepower.com/prod serv/products/wind turbines/en/downloads/ge 36brochure new.pdf

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