Tesis Eolica

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN AEROGENERADOR MARINO

Autor: Ricardo Moreno Martínez

Director: Juan Antonio Talavera Martín

Madrid Mayo de 2013

1

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO

ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Ricardo Moreno Martínez, como alumno de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

(COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en

relación con la obra proyecto fin de carrera con título “Diseño del sistema eléctrico para un

aerogenerador marino”1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en

el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa

cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna

autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que

más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor

CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,

tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro

trabajo que deba ser objeto de evaluación académica

2

como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse

en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los

siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de

modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.

3

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad

asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza

ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior

de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia

privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la

responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

4

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en

caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a ……….. de …………………………... de ……….

ACEPTA

Fdo……………………………………………………………



DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN AEROGENERADOR MARINO

Autor: Ricardo Moreno Martínez

Director: Juan Antonio Talavera Martín

Madrid Mayo de 2013

DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN AEROGENERADOR

MARINO

Autor: Moreno Martínez, Ricardo.

Director: Talavera Martín, Juan Antonio.

Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

La necesidad de renovación del panorama energético mundial es una realidad. Con

demandas energéticas cada vez más exigentes y con países en vías de desarrollo con

un crecimiento energético exponencial, hay que plantear una alternativa de cambio

hacia un futuro más limpio y sostenible.

Las energías renovables son un gran paso en la dirección a seguir y año tras año se va

incrementando el interés por tomar parte activa en la generación de estos tipos de

energías. Pero si tuviésemos que destacar una entre todas, esa sería sin duda la energía

eólica. La energía eólica y los aerogeneradores han ido creciendo no sólo en potencia

instalada, sino en la capacidad de generación de los aerogeneradores. El desarrollo fue

tal que los aerogeneradores terrestres veían limitado su potencial no por limitaciones

tecnológicas, sino por condiciones de viento insuficientes. Esta situación es la que

propició el desarrollo de los sistemas eólicos ubicados en el mar, también conocidos

como offshore.

En estas ubicaciones, el potencial de generación es superior a los emplazamientos

terrestres gracias a vientos más estables y de mayor fuerza. De la mano de estas nuevas

ubicaciones, han surgido diferentes aproximaciones a la mejor manera de optimizar la

generación de las turbinas eólicas. Esta optimización viene dada tanto por el diseño

mecánico como por el diseño eléctrico.

Este proyecto se centra en el estudio del sistema eléctrico para un aerogenerador

marino de 5MW de capacidad, intentando optimizar el diseño tecnológicamente pero

sin dejar de lado la valoración económica. Se ha precisado, para ello, contactar con

diferentes fabricantes a la hora de comparar diversas alternativas de diseño así como

para determinar los costes asociados a algunos equipos.

El primer problema a tratar en el diseño viene dado por el generador que al ser de

imanes permanentes y estar en una configuración de conexión directa con el rotor del

aerogenerador trabajando a velocidades muy bajas, plantea un problema en su

conexión a la red. La solución vendrá dada por un convertidor de potencia completo

que no sólo permitirá acoplar el generador a la red para la evacuación de potencia y

optimizar el control de generación en velocidades bajas, sino que además posibilitará

la generación de potencia reactiva. Al procesar el convertidor la totalidad de la

potencia que es generada, se debe premiar el rendimiento en el diseño del mismo. Se

tratará entonces de un convertidor integrado por dos inversores con fuente de tensión

(VSC) integrados por IGBTs. Asimismo, se opta por un convertidor en configuración

de dos niveles back-to-back por ser el que mejor se ajusta al nivel de tensión de

generación (690V) y las necesidades del sistema. El convertidor que se ha incluido en

el diseño, ha sido fabricado por “ABB”.

Los transformadores de potencia son elementos básicos de cualquier sistema de

generación, pero también es preciso analizar cual representa la mejor alternativa de

cara a su colocación en un aerogenerador offshore. Los transformadores de gran

potencia, tienen muy buen rendimiento luego esta no será una característica

diferenciadora de cara a qué modelo elegir en el diseño. En esta ocasión, el análisis se

centra en torno la facilidad de acceso al emplazamiento, el mantenimiento del mismo y

el riesgo de incendio. Los costes de acceso a la ubicación del aerogenerador son

elevados y esto nos lleva a buscar una alternativa que requiera bajo mantenimiento y

sea adecuada para la instalación que se estudia. Se concluye entonces que los

transformadores secos encapsulados al vacío son los que mejor se ajustarán al diseño

gracias a sus características constructivas. Se ha dimensionado el transformador para

una potencia de 6 MVA teniendo en cuenta la posible demanda de reactiva de la red o

unas condiciones extraordinarias de generación que de manera puntual pudieran llegar

a los 6MW.

Otro de los aspectos importantes que se tratan en el diseño son los sistemas de control

de paso y orientación. La relevancia del sistema de control de paso es máxima pues es

el encargado no sólo de optimizar la potencia de manera constante, sino de llevar el

aerogenerador a parada ante situaciones de riesgo que puedan ocurrir. Este sistema

basado en motores eléctricos de jaula de ardilla controlados por un convertidor, será

considerado una carga crítica del sistema y por ello deberá estar respaldado por la

unidad de alimentación ininterrumpida. El sistema de orientación no es tan

determinante como el de paso pero sin duda es otro elemento importante a tratar en el

diseño. De manera análoga al sistema de control de paso, el control de orientación se

implementará mediante motores de inducción con rotor de jaula de ardilla y

controlador por convertidores. Los motores del diseño proceden del fabricante “VEM”

y los convertidores de la casa “ABB”.

Todo sistema eléctrico, debe contar con un adecuado sistema de protección que se

encargue de detectar defectos, sobrefuncionamientos o malfuncionamientos del

sistema y despejarlos. En el proyecto se evalúan las diferentes funciones de protección

a implementar para proteger el generador, transformador y motores del sistema. Se han

determinado los valores de arranque y ajustes de las diferentes funciones de protección

a implementar que han quedado recogidas en relés de protección procedentes del

fabricante “Eaton”. El ajuste de las funciones de protección depende de los

transformadores de intensidad y tensión de protección que también han sido

especificados en el diseño.

Se ha dimensionado un sistema de alimentación ininterrumpida para dar respaldo a lo

que se definen como cargas críticas del sistema. Tras comparar los diferentes modelos

de SAIs, se decide optar por una configuración de doble conversión u online. Las

cargas críticas del sistema incluyen los motores de control del paso y sus respectivos

convertidores para el control, así como el control del convertidor de potencia

completo. Se ha diseñado el SAI para que ante una caída de red sea capaz de alimentar

estas cargas durante diez minutos, tiempo adecuado para detener el aerogenerador. El

sistema de alimentación ininterrumpido procederá del fabricante “Newave”.

Además, se han especificado los diferentes cables a utilizar para interconectar los

elementos del sistema eléctrico de acuerdo con los catálogos y precios del fabricante

de cables “General Cable”. Se ha tenido que abordar un problema en esta parte del

diseño de cara a la alimentación de los motores del control de paso al estar éstos

ubicados en el buje y ser ésta una zona rotórica y tener que ser alimentados desde

cables provenientes de la góndola. La solución para abordar este inconveniente de

alimentación de los motores ha sido integrar un equipo conocido como colector que

permite salvar este problema al contar con un sistema de escobillas similar a los

existentes en motores de continua. El modelo que se ha incluido en el diseño, ha sido

fabricado por “Moog”.

Una vez evaluados y elegidos los diferentes sistemas para dar forma al sistema

eléctrico del aerogenerador, se ha realizado un análisis económico de los costes

asociados al diseño, obteniéndose un coste final de 520.626,47 €.

ELECTRICAL SYSTEM DESIGN FOR AN OFFSHORE WIND

TURBINE

ABSTRACT

The need for a radical change on the world’s understanding of energy is a must. With

ongoing growing energy consumption and developing countries having an exponential

energetic growth, there is a need for a change toward a cleaner and more

environmentally friendly future.

Renewable energies are indeed a big step on the right direction and year after year,

there is a growing interest regarding taking active part in this new ways of generating

energy. But if we had to choose one amongst the others without any kind of doubt, it

would be wind energy. Wind energy and wind turbines have not only grown in

installed power but also in overall generating capacity. Development has happened so

fast that inland wind turbines were limited in their generating potential not by

technology limitations but by insufficient wind conditions. This situation was the one

that pushed forward the development of wind turbines located off-land also referred to

as offshore wind turbines.

In these locations, energy potential is much greater that inland due to more stable and

strong winds. Thanks to these new locations for wind turbines, there are a growing

number of designs that try to achieve the best performance and optimize the wind

turbine’s generation. This optimization will depend on both a mechanical and an

electrical design.

This Project is based on the study and analysis of the electrical design for an offshore

wind turbine with a rated power of 5MW while trying to optimize the design bearing

in mind both technological and economic aspects. In order to develop this work, there

has been a need to contact several suppliers and manufacturers of equipment in order

to compare the different alternatives as well as finding out what some of the

equipment’s costs were.

The first problem to analyze in the design is given by the generator. Since it is a direct

driven permanent magnet synchronous generator and it will be working at very low

speeds, it represents a problem in order to connect it to the grid due to unstable voltage

and frequency. The way to solve this is by implementing in the system a power

converter that is not only going to allow feed the generated power to the grid and

optimizing the control of the generator at very low speeds but also controlling the

reactive power that is being fed to the grid. Since the power converter processes the

full energy that it is being generated, efficiency is going to be important in the design

of this equipment. This will lead to a power converter that consists of two voltage

source converters (VSC) with IGBTs as semiconductors. Furthermore, the power

converter will be in a back-to-back two level configuration that best adapts to the

generating voltage (690 V) and the system’s needs. The power converter that has been

included in the design is manufactured by “ABB”.

Power transformers are basic elements on any electrical design but it is also going to

be important to analyze which transformer will best fit the design of an offshore wind

turbine. High power transformers have a really good efficiency, so in this case, this

will not be the analysis point. If we consider an offshore wind turbine main drawbacks

are the access difficulty, any maintenance that needs to be done or fire hazard. Costs

derived from accessing the offshore wind turbines are high, so that leads us to look for

a low maintenance design that fits our system. Dry type Vacuum cast coil transformers

will be the ones that best adapt to the requirements of our wind turbine. The

transformer has been design for a rated power of 6 MVA considering the possibility of

a reactive power demand coming from the grid or a temporary generating condition of

6 MW.

Another relevant aspect that is discussed in the project is the pitch control and the yaw

drive. Pitch control is a very relevant system not only because it is the system in

charge of optimizing the power constantly but also of stopping the generator under

risky circumstances in order to prevent damages on the wind turbine. This system will

consist of squirrel-cage induction motors controlled by a frequency converter and will

be considered a critical element of the system so it will be fed from the uninterruptible

power supply. Yaw system is not as critical as the pitch system but it is indeed another

important element to discuss on the design. Similarly to the pitch control, the yaw

drive will consist of squirrel-cage induction motors controlled by a frequency

converter. The motors included in the design are manufactured by “VEM” and

converters are supplied from “ABB”

Every electrical system must have a protection system that takes care of detecting

faults, malfunctions or overloads of the system and getting rid of them. In the project,

the many different protection functions for the generator, transformer and motors are

studied. The turn-on values for the protection system have been determined and they

have been implemented through protective relays from the manufactures “Eaton”. The

turn-on value not only depends on the real magnitude but also on both the voltage and

current transformers that they are connected to. This current and voltage transformers

have also been determined for the design.

Since there are certain elements that are critical to the system, an uninterruptible power

supply has been implemented. After studying the different ways to implement a UPS,

the online or double conversion configuration has been adopted. Critical loads to be

fed by the UPS include the pitch control motors and frequency converters as well as

the power converter main control. The UPS has been chosen so that in case the grid

goes off, the UPS will be able to cover the power needs of the critical loads for a time

span of 10 minutes which should be enough time so that the pitch control system can

stop the wind turbine. The UPS’s manufactures is “Newave”

Moreover, the different cables to interconnect all of the equipment in the design have

been studied and calculated according to the cable’s manufacturer “General Cable”

catalogue and prices. There is a problem in the cabling design when trying to feed the

pitch control motors and frequency converters. That is that the hub, where the pitch

control is located, rotates but the nacelle does not. This implies that we will need to

use a slip ring to solve the problem. The way that a slip ring works is very close to the

way of working of brushes that can be found on a DC motor. The slip ring that has

been included in the design has been manufactured by “Moog”

Once all of the systems and equipment have been studied in order to configure the

electrical design, an economic analysis has been done to evaluate the costs associated

to the design. The final cost obtained for the design has been 520.626,47€.

ÍNDICE DE LA MEMORIA

I

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS



Índice de la memoria

Parte I Memoria .......................................................................................... 1

Capítulo 1 Introducción y motivación del proyecto ......................................... 2

1.1 Introducción ....................................................................................................2

1.2 Situación actual de la energía eólica ..............................................................4

1.3 Objetivos y metodología .................................................................................5

Capítulo 2 Generador ........................................................................................ 6

2.1 Introducción ....................................................................................................6

2.2 Generadores para turbinas eólicas ................................................................7

2.2.1 Generador de inducción doblemente alimentado .......................................................... 7

2.2.2 Generador síncrono de imanes permanentes ................................................................ 8

2.3 Detalles Técnicos ........................................................................................... 10

Capítulo 3 Convertidor de potencia ................................................................ 12

3.1 Condiciones de generación ........................................................................... 12

3.2 Introducción al convertidor ......................................................................... 13

3.2.1 Dispositivos de conmutación ..................................................................................... 16

3.2.2 Clasificación de los convertidores ............................................................................. 18

3.2.3 Niveles del convertidor ............................................................................................. 20

3.2.3.1 Convertidor de dos niveles ................................................................................. 20

3.2.3.2 Convertidor de tres niveles ................................................................................ 21

3.2.3.3 Convertidor multinivel ....................................................................................... 22

3.3 Componentes del convertidor ...................................................................... 23

3.3.1 Convertidor del lado del generador ............................................................................ 23

3.3.2 Bus de continua ......................................................................................................... 24

3.3.3 Convertidor del lado de red ....................................................................................... 25


II




3.3.4 Filtro de línea pasivo ................................................................................................. 25

3.3.5 Chopper de frenado ................................................................................................... 26

3.4 Método de control ......................................................................................... 27

3.4.1 Control de la potencia del generador ......................................................................... 27

3.4.2 Control de la potencia reactiva .................................................................................. 28

3.5 Detalles técnicos ............................................................................................ 28

Capítulo 4 Sistemas de control de potencia .................................................... 30

4.1 Control aerodinámico de la potencia ........................................................... 30

4.1.1 Control de potencia por pérdida aerodinámica ........................................................... 31

4.1.2 Control de potencia por variación del ángulo de paso ................................................ 32

4.1.3 Control activo por pérdida aerodinámica ................................................................... 32

4.2 Control de orientación .................................................................................. 33

4.3 Control de parada ......................................................................................... 35

4.4 Motores de sistemas de control de potencia ................................................ 35

4.4.1 Tipos de motor .......................................................................................................... 36

4.4.2 Nivel de tensión ........................................................................................................ 36

4.5 Detalles técnicos motores .............................................................................. 37

4.6 Detalles técnicos convertidores .................................................................... 38

Capítulo 5 Transformadores de potencia ....................................................... 40

5.1 Introducción .................................................................................................. 40

5.2 Posibles esquemas de configuración de los transformadores ..................... 40

5.2.1 Único transformador con dos devanados de BT ......................................................... 41

5.2.2 Transformador secundario en BT .............................................................................. 42

5.2.3 Transformador secundario en MT ............................................................................. 43

5.3 Potencia de los transformadores .................................................................. 44

5.4 Tipo de transformadores .............................................................................. 45

5.5 Elementos del transformador ....................................................................... 46

5.5.1 Devanado de baja tensión .......................................................................................... 46

5.5.2 Devanado de alta tensión ........................................................................................... 47

5.5.3 Núcleo magnético ..................................................................................................... 47


III




5.5.4 Proceso de encapsulado ............................................................................................. 47


5.7 Celdas ............................................................................................................. 51

5.7.1 Celda de línea............................................................................................................ 51

5.7.2 Celda de protección del transformador ...................................................................... 52

5.7.3 Detalles técnicos celda .............................................................................................. 54

Capítulo 6 Protecciones eléctricas .................................................................. 56

6.1 Introducción .................................................................................................. 56

6.2 Protecciones del convertidor de potencia .................................................... 56

6.2.1 Protección frente a sobrecargas térmicas ................................................................... 56

6.2.2 Protección frente a cortocircuitos en el cable del generador ....................................... 57

6.2.3 Protección frente a cortocircuitos dentro del convertidor ........................................... 57

6.2.4 Protección frente a faltas a tierra ............................................................................... 57

6.2.5 Protecciones frente a sobretensiones .......................................................................... 58

6.3 Protecciones del generador y transformador .............................................. 58

6.3.1 Protecciones frente a faltas a tierra ............................................................................ 59

6.3.1.1 Protección tierra en barras (64B) ........................................................................ 60

6.3.1.2 Protección de sobreintensidad de neutro del transformador (51N) ...................... 61

6.3.2 Protecciones frente a faltas entre fases ....................................................................... 62

6.3.2.1 Protección de distancia (21) ............................................................................... 62

6.3.2.2 Protección de sobreintensidad (51) .................................................................... 65

6.3.2.3 Protección diferencial del transformador (87T) .................................................. 66

6.3.3 Protecciones frente a sobrefuncionamientos .............................................................. 68

6.3.3.1 Protección contra sobrecarga del estator (49) ..................................................... 68

6.3.3.2 Protección de sobretensión (49) ......................................................................... 68

6.3.3.3 Protecciones de sobrefrecuencia y sobrevelocidad ............................................. 68

6.3.4 Protecciones frente a malfuncionamientos ................................................................. 69

6.4 Protecciones de motores ............................................................................... 69

6.4.1 Protección de tierra estator ........................................................................................ 70

6.4.2 Protección de sobreintensidad (51) ............................................................................ 71

6.4.3 Protección de sobrecarga (49) ................................................................................... 73

6.5 Sistemas de protección .................................................................................. 76

Capítulo 7 Transformadores de medida y protección .................................... 77


IV




7.1 Introducción .................................................................................................. 77

7.2 Transformadores de intensidad ................................................................... 77

7.3 Transformadores de tensión ......................................................................... 80

Capítulo 8 Sistema de alimentación ininterrumpida ..................................... 82

8.1 Introducción .................................................................................................. 82

8.2 Tipos de SAI .................................................................................................. 82

8.3 Cargas críticas ............................................................................................... 83


Capítulo 9 Cableado ........................................................................................ 85

9.1 Cableado de conexión entre generador y transformador........................... 85

9.2 Cableado de media tensión ........................................................................... 87

9.3 Cableado de baja tensión de transformador auxiliar ................................. 89

9.4 Cableado motores control de paso ............................................................... 90

9.5 Cableado motores control de orientación .................................................... 92

Bibliografía 94

Parte II Presupuesto económico ................................................................ 96

Capítulo 1 Presupuesto económico ................................................................ 97

1.1 Sumas parciales ............................................................................................. 97

1.1.1 Equipos ..................................................................................................................... 97

1.1.2 Cables ....................................................................................................................... 99

1.2 Presupuesto final ........................................................................................... 99

Parte III Anejos .......................................................................................... 100

Capítulo 1 Catálogos ..................................................................................... 101

1.1 Convertidor de potencia ............................................................................. 102

1.2 Motores de control de paso y orientación .................................................. 105

1.3 Convertidores de control de paso y orientación ........................................ 109


V




1.4 Transformadores de potencia .................................................................... 113

1.5 Celdas ........................................................................................................... 118

1.6 Sistema de protecciones .............................................................................. 121

1.7 Transformadores de medida ...................................................................... 127

1.8 Sistema de alimentación ininterrumpida .................................................. 132

1.9 Cableado ...................................................................................................... 134

1.10 Colector........................................................................................................ 139

ÍNDICE DE FIGURAS

VI




Índice de figuras

Figura 1. Potencia eólica offshore instalada anualmente y acumulada [22] ............ 4

Figura 2. Sistema de generación con generador de inducción doblemente

alimentado (DFIG) ................................................................................................... 8

Figura 3. Sistema de generación con generador síncrono de imanes permanentes

(PMSG) .................................................................................................................... 9

Figura 4.Característica de generación en vacío del generador .............................. 11

Figura 5. Esquema conceptual del convertidor ...................................................... 13

Figura 6. Esquema general de conexión del convertidor ....................................... 14

Figura 7. Comparativa de las características de los dispositivos semiconductores

............................................................................................................................... 16

Figura 8. Característica i-v tiristores ...................................................................... 17

Figura 9. Característica idealizada i-v transistor bipolar (BJT) ............................. 17

Figura 10. Convertidor alimentado con corriente (CSC) ....................................... 18

Figura 11. Convertidor alimentado con tensión (VSC) ......................................... 19

Figura 12. Característica de funcionamiento de inversores VSC .......................... 20

Figura 13. Convertidor de dos niveles ................................................................... 21

Figura 14. Convertidor de tres niveles ................................................................... 22

Figura 15. Filtro de línea LCL ............................................................................... 26

Figura 16. Sistema de control por variación del ángulo de paso basado en motores

eléctricos ................................................................................................................ 33

Figura 17. Único transformador con dos devanados de BT .................................. 41

ÍNDICE DE FIGURAS

VII




Figura 18. Transformador secundario en BT ......................................................... 42

Figura 19. Transformador secundario en MT ........................................................ 43

Figura 20. Transformador seco encapsulado al vacío ............................................ 46

Figura 21. Celda de línea ....................................................................................... 52

Figura 22. Celda de protección de transformador .................................................. 52

Figura 23. Funciones de celda compacta ............................................................... 53

Figura 24. Esquema de protecciones clásico de un generador [8] ......................... 58

Figura 25. Protección tierra en barras (64B) [8] .................................................... 60

Figura 26. Protección de sobreintensidad de neutro del transformador (51N) [8] 61

Figura 27. Protección de distancia (21) [8] ............................................................ 63

Figura 28. Zonas de actuación protección de distancia [8] .................................... 63

Figura 29. Protección de sobreintensidad (51) [8] ................................................. 65

Figura 30. Protección diferencial del transformador (87T) [8] ............................. 66

Figura 31. Curva característica de protección diferencial de transformador [8] ... 67

Figura 32. Protección tierra en barras (64B) en motores [8] ................................. 70

Figura 33. Protección de sobreintensidad (51) en motores [8] .............................. 71

Figura 34. Característica de arranque relé de sobreintensidad [8] ......................... 72

Figura 35. Protección de sobrecarga (49) en motores [8] ...................................... 73

Figura 36. Característica de calentamiento frente a sobrecargas [8] ..................... 74

Figura 37. Curva característica relé digital de sobrecarga [8] ............................... 74

Figura 38. Curvas de saturación de transformadores de medida y protección ...... 78

ÍNDICE DE TABLAS

VIII




Índice de tablas

Tabla 1. Detalles del generador síncrono de imanes permanentes ........................ 11

Tabla 2. Detalles técnicos convertidor ACS800-87LC ......................................... 29

Tabla 3. Detalles técnicos motores control de paso ............................................... 37

Tabla 4. Detalles técnicos motores control de orientación .................................... 38

Tabla 5. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de paso ........ 39

Tabla 6. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de orientación

............................................................................................................................... 39

Tabla 7. Detalles técnicos transformador de potencia principal ............................ 49

Tabla 8. Detalles técnicos transformador de potencia secundario ......................... 50

Tabla 9. Niveles de aislamiento celda compacta ................................................... 54

Tabla 10. Características función de línea ............................................................. 55

Tabla 11. Características función de protección de transformador........................ 55

Tabla 12. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo A)

............................................................................................................................... 79

Tabla 13. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo B)

............................................................................................................................... 80

Tabla 14. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo C)

............................................................................................................................... 80

Tabla 15. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo A) 81

Tabla 16. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo B) . 81

ÍNDICE DE TABLAS

IX




Tabla 17. Detalles técnicos unidad SAI ................................................................. 84

Tabla 18. Detalles cable ExZHellent XXI BT 0364424 ........................................ 86

Tabla 19. Detalles cable ExZHellent XXI MT 71783A1 ...................................... 88

Tabla 20. Detalles cable ExZHellent XXI BT 18051C8 ....................................... 90

Tabla 21. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656113.............................. 91

Tabla 22. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656107.............................. 92

Tabla 23. Sumas parciales equipos ........................................................................ 98

Tabla 24. Sumas parciales cables .......................................................................... 99

1




Parte I MEMORIA

Introducción y motivación del proyecto

2




Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN

DEL PROYECTO

1.1 INTRODUCCIÓN

El mundo actual consume una gran cantidad de energía y las expectativas de

futuro con países importante como China, India o Brasil alcanzando importantes

niveles de desarrollo no hará más que acentuar este consumo. Paralelamente, el

modelo tan instaurado de combustibles fósiles así como no renovables que ha

marcado gran parte del consumo energético de las últimas décadas, debe

irremediablemente pasar a un segundo plano cediendo protagonismo a nuevas

tecnologías energéticas con mayores expectativas de futuro. De igual manera, hay

que destacar el impacto ambiental que este tipo de energías no renovables tienen.

Las necesidades energéticas cada vez más importantes y la búsqueda de un

compromiso medioambiental hacen latente la necesidad de instaurarnos en un

modelo de energías renovables. La energía solar, eólica o geotérmica son sólo

algunos de estos ejemplos.

La energía eólica es, dentro del marco de las energías renovables, una de las más

relevantes a día de hoy impulsada tanto por el desarrollo que ha experimentado en

los últimos años como por el creciente interés por su implantación en los

diferentes países a lo largo de toda la geografía mundial. El mínimo impacto

ambiental en el que incurre la implementación de este tipo de energía, el avance

tecnológico que todavía le queda por experimentar y el hecho de generar energía a

partir de un recurso inagotable como es el viento, han convertido la energía eólica

en un estandarte de las energías renovables.


3




La energía eólica, a través de aerogeneradores, produce energía eléctrica. Esto se

consigue mediante la conversión de parte de la energía cinética que contiene el

viento en energía mecánica rotacional que es después transformada en energía

eléctrica.

La generación de energía a partir de aerogeneradores se puede ver limitada o bien

por las condiciones de viento de nuestro emplazamiento o por las limitaciones

constructivas de nuestro aerogenerador. Con el paso de los años y el avance de la

técnica, las limitaciones en la capacidad de generación de los aerogeneradores se

han visto reducidas pudiendo aprovechar cada vez más, vientos de mayor

intensidad.

Los primeros aerogeneradores estaban localizados en zonas interiores de tierra

firme. La tendencia actual es elegir emplazamientos costeros o mar adentro,

donde el potencial de generación es mucho mayor. Esto se debe a que el viento en

zonas de interior es muy turbulento a causa de los numerosos obstáculos que

encuentra a su paso mientras que en el mar encontramos un viento más estable y

de mayor fuerza que nos permite una mayor capacidad de generación.

Los costes de montaje e instalación de estos aerogeneradores marinos son

superiores con respecto a los terrestres, sin embargo, la capacidad de generación

así como las expectativas de vida útil son superiores en los aerogeneradores

marinos justificando así la mayor inversión económica necesaria.


4




1.2 SITUACIÓN ACTUAL DE LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica, y en particular la localizada offshore, sigue manteniendo unos

niveles de crecimiento que mejoran año tras año y cada vez representa una parte

más significativa en el mix energético de muchos países.

Figura 1. Potencia eólica offshore instalada anualmente y acumulada [22]

La potencia media de los aerogeneradores marinos instalados en 2012 fue de

4MW y, aunque no se espera que esta cifra crezca significativamente durante los

próximos dos años, muchas empresas lanzarán al mercado en el futuro próximo

hasta 38 nuevo modelos de aerogeneradores offshore. Casi el 75% de estos nuevos

modelos de aerogenerador tendrán una capacidad igual o superior a 5MW.


5




1.3 OBJETIVOS Y METODOLOGÍA

Este proyecto surge del interés por adentrarse en el mundo de la generación eólica

entrando en contacto directo con el funcionamiento del aerogenerador. La

finalidad de este proyecto es diseñar el sistema eléctrico de un aerogenerador

localizado offshore ya que, representa no sólo el futuro de la energía eólica sino

de una gran parte de la generación energética mundial.

El objetivo que se persigue con este proyecto es conocer a fondo el esquema

eléctrico de un aerogenerador llevando a cabo el diseño. Para ello, se estudiarán y

evaluarán las diferentes alternativas de diseño que mejor se adapten a los distintos

elementos del sistema sopesando la elección del diseño apoyándose tanto en una

base tecnológica como económica.

Para llevar a cabo el desarrollo del proyecto se deberá contactar de primera mano

con empresas y fabricantes a fin de obtener información sobre sus productos y

poder compararlos con los de la competencia y el resto de alternativas viables a

fin de determinar cuál se ajustará mejor a las necesidades particulares de este

proyecto.

En este proyecto se cubrirá el diseño de los elementos más importante, a saber, el

convertidor de potencia, los transformadores, los circuitos de control de paso, el

control de orientación y demás elementos relevantes de cara al sistema eléctrico.

Generador

6




Capítulo 2 GENERADOR

En este capítulo se pretenden evaluar las diferencias más significativas entre los

generadores más comúnmente utilizados para este tipo de aplicaciones que pueden

formar parte del diseño eléctrico.

Si bien el diseño constructivo del generador no es parte de este proyecto, el

generador es una parte vital de cualquier sistema de generación eléctrica y es

importante entender tanto las ventajas como los inconvenientes que aporta el

hecho de elegir un tipo de generador frente a otro de cara al diseño del resto del

sistema eléctrico.

2.1 INTRODUCCIÓN

El generador es un elemento clave de cualquier sistema eléctrico pues es la llave

para la generación de la energía eléctrica. Esta energía eléctrica se genera en base

a la transformación de una forma de energía, ya sea térmica, eólica, etc. en energía

mecánica que origina la rotación del rotor del generador para finalmente inducir

unas tensiones en el estator que, estando el circuito eléctrico cerrado, originarán la

circulación de unas corrientes dando lugar a una transmisión de potencia eléctrica

a través de la red a la que esté conectado.

Existen diferentes modelos de generador cada uno con unas cualidades que los

hacen más o menos adecuados para según a qué tipo de central o modelo de

generación se pretendan aplicar. Este proyecto se centra en el diseño del sistema

Generador

7




eléctrico para un aerogenerador localizado offshore y se tratarán los modelos de

generador que mejor se ajusten a este diseño.

2.2 GENERADORES PARA TURBINAS EÓLICAS

Se pueden encontrar muchos modelos de sistemas de generación para

aerogeneradores en función de que estén basados en velocidad fija o velocidad

variable, que sean de conexión directa o a través de multiplicadora, que presenten

convertidor de potencia total o parcial, etc. No se pretende llevar a cabo un

exhaustivo análisis de la multitud de modelos que se pueden utilizar en un

aerogenerador. Sin embargo, sí que se compararán las ventajas e inconvenientes

entre los dos modelos más representativos y de interés actual y futuro:

generadores de inducción doblemente alimentados y generadores síncronos de

imanes permanentes.

2.2.1 GENERADOR DE INDUCCIÓN DOBLEMENTE ALIMENTADO

El diseño que incluye un generador de inducción doblemente alimentado

conectado a través de una multiplicadora, es uno de los más usados en la

actualidad, especialmente en los diseños de grandes aerogeneradores. Este diseño

se basa en la conexión de un convertidor de potencia parcial en el rotor del

generador de manera que el convertidor se dimensiona para una potencia de

aproximadamente el 30% de la capacidad de generación del aerogenerador.

Mediante el control de la dirección del flujo de potencia activa del rotor, se

consigue un rango de velocidades de funcionamiento de en torno al 30% por

encima y por debajo de la velocidad de sincronismo. Además, de esta manera se

consigue aumentar la eficiencia al poder ceder la energía del rotor hacia la red en

lugar de disiparla.

Generador

8




Una gran ventaja de la elección de este diseño, es que supone un compromiso

entre la variabilidad de la velocidad y el coste del convertidor. Además, este

diseño cuenta con compensación de potencia reactiva.

Uno de los grandes inconvenientes asociados a este diseño, viene dado por la

presencia de la multiplicadora que supone unas necesidades de mantenimiento

elevadas y una generación de calor a causa de la fricción. Por otro lado, la

presencia de escobillas para poder establecer la conexión eléctrica con el rotor

también conlleva un mantenimiento. Además, en caso de producirse una falta en

la red eléctrica, se originarán elevados picos de corriente en el estator así como

elevados picos de par en la máquina.

Figura 2. Sistema de generación con generador de inducción doblemente alimentado (DFIG)

2.2.2 GENERADOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES

Un diseño puntero con gran interés de futuro es el que incluye un generador

síncrono de imanes permanentes para trabajar a bajas revoluciones. Este diseño se

Generador

9




trata de una aplicación de ataque directo, donde la turbina y el generador se

encuentran unidos mecánicamente sin la presencia de una multiplicadora.

Además, se requiere el uso de un convertidor para su conexión con la red

eléctrica. Esto conlleva unas ventajas inherentes derivadas de la eliminación de un

elemento mecánico como es la multiplicadora, con la consecuente reducción de

pérdidas así como eliminación de fallos asociados a este elemento.

Las ventajas más notables de este sistema son su robustez y simplicidad, unos

menores requerimientos de mantenimiento y un aumento en la eficiencia y

fiabilidad del sistema.

Sin embargo, este diseño también lleva asociados unos costes iniciales

considerablemente más elevados así como un generador de gran peso y diámetro

fruto de las necesidades constructivas de un generador síncrono de imanes

permanentes que pueda trabajar a muy bajas revoluciones.

Figura 3. Sistema de generación con generador síncrono de imanes permanentes (PMSG)

De cara al desarrollo del proyecto, se decide optar por un sistema con generador

síncrono de imanes permanentes. A pesar de suponer unos costes iniciales

superiores a otras alternativas, también confiere unas condiciones de fiabilidad y

bajo mantenimiento que lo hacen óptimo para una aplicación offshore. Si además

Generador

10




se tiene en cuenta los elevados costes en los que se ha de incurrir a fin de llevar a

cabo cualquier tipo de reparación en aerogeneradores de este tipo, una mayor

inversión inicial justifica el ahorro de costes a largo plazo derivados del concepto

de mantenimiento y reparaciones.

2.3 DETALLES TÉCNICOS

De acuerdo con las características constructivas del generador, a continuación se

pretenden recoger los detalles técnicos y de funcionamiento más relevantes de

cara al diseño.

El primer detalle importante del generador es la potencia nominal que es de 5

MW. Se ha determinado un rango de funcionamiento para el generador entre

velocidades del rotor de seis y doce revoluciones por minuto. La velocidad de

trabajo del generador, vendrá determinada por el número de polos con que haya

sido construida y a su vez, la frecuencia de trabajo. Dado que el diseño deberá

incluir un convertidor, podremos establecer unas condiciones de frecuencia del

lado del generador que nos permitan una reducción del número de polos. Se ha

decidido que el generador trabaje hasta un máximo de 36 Hz lo que supone:

El generador ha sido por tanto optimizado constructivamente para ajustarse a estas

velocidades requiriéndose un total de 360 polos. Dentro de este rango operacional

de velocidades, la tensión de generación en vacío variará linealmente. De acuerdo

con el diseño constructivo del generador, para una velocidad de 10 rpm, se

obtiene una tensión de 790.74 V.

Generador

11




Figura 4.Característica de generación en vacío del generador

A continuación, se presenta una tabla resumen con detalles técnicos del generador

en cuestión.

Generador síncrono de imanes permanentes

Potencia nominal de generación 5 MW

Tensión nominal de generación 690 V

Conexión de los bobinados Triángulo

Reactancia subtransitoria 0.68 pu

Diámetro 7 m

Longitud 1.6 m + 1.3 m

Rango operacional de velocidades 6 -12 rpm

Número de polos 360 polos

Tabla 1. Detalles del generador síncrono de imanes permanentes

Convertidor de potencia

12




Capítulo 3 CONVERTIDOR DE POTENCIA

Como se ha presentado en el capítulo anterior, el aerogenerador para el que se está

diseñando el sistema eléctrico cuenta con un generador síncrono de imanes

permanentes (PMSG). Si bien el uso de este tipo de generador frente a otras

alternativas, reporta unas ventajas tratadas anteriormente, también implica una

serie de inconvenientes de cara a la generación y la conexión con red que van a

ser condicionantes en el diseño del resto del sistema.

3.1 CONDICIONES DE GENERACIÓN

El uso de un generador de estas características, implica una variabilidad tanto del

valor de la tensión como del de la frecuencia según las diferentes condiciones del

viento. Además, al tratarse de un generador de imanes permanentes, no hay ni

posibilidad de controlar la excitación, ni posibilidad de instalar una excitatriz.

Se dispone, entonces, de unas magnitudes de tensión y frecuencia que van a ser

dependientes del punto de funcionamiento y no controlables por el generador.

Estas condiciones de generación, se presentan como incompatibles para la

conexión del generador con la red eléctrica, que precisa unos valores de tensión y

frecuencia estables. Se requiere, por tanto, incluir en el diseño un equipo que

permita salvar estas limitaciones procedentes del generador para su conexión a

red.

El convertidor de potencia va a ser el equipo que va a permitir abordar estos

inconvenientes al mismo tiempo que aportar otra serie de ventajas que se

procederán a analizar a continuación.


13




3.2 INTRODUCCIÓN AL CONVERTIDOR

La aparición de los convertidores de potencia y su consecuente aplicación en los

diseños de los sistemas de generación, ha sido posible como resultado del gran

avance que la electrónica de potencia ha experimentado en las últimas décadas.

Un convertidor de potencia se trata de un equipo integrado por semiconductores

con capacidades de conmutación forzada cuyo uso va a permitir desacoplar

completamente el generador de la red, de manera que el generador pueda operar

en todo su rango de velocidades al tiempo que se obtienen unas condiciones de

tensión y frecuencia adecuadas para la conexión y transmisión de potencia a la red

eléctrica.

Figura 5. Esquema conceptual del convertidor

El convertidor de potencia estará ubicado entre el generador y el transformador de

potencia elevador que conecta con la red, de manera que deberá estar

dimensionado para soportar una potencia por lo menos igual a la capacidad de

generación del aerogenerador. Estos convertidores están compuestos de un

convertidor de red, un convertidor de generador y un bus de continua que conecta

ambos. En el caso particular de los convertidores que conectan generadores de

imanes permanentes con red y que procesan la totalidad de la potencia generada,

se refiere a ellos como convertidores de potencia completos o Full-Power

converters.

Convertidor

de potencia

Energía

parámetros E1

(U1, f1)

Energía

parámetros E2

(U2, f

2)


14




Figura 6. Esquema general de conexión del convertidor

Si se consideran las condiciones nominales de funcionamiento para las cuales el

aerogenerador ha sido diseñado para funcionar, el flujo de potencia circulará

desde el generador hacia la red. Dado que se espera que durante gran parte de la

operatividad del aerogenerador, estas sean las condiciones de funcionamiento, y

para entender a grandes rasgos el modo de funcionamiento del convertidor, se

puede asemejar con el conjunto rectificador más inversor (AC-DC-AC).

Así, el punto de conexión entre el convertidor y el generador actuaría como un

rectificador convirtiendo la tensión alterna trifásica a continúa.

Consecuentemente, el punto de conexión del convertidor con el transformador de

distribución haría las veces de inversor, reconvirtiendo esa tensión continúa de

nuevo a alterna trifásica. Nótese que este proceso de conversión permite mantener

condiciones tanto de tensión como de frecuencia, completamente diferentes y

aisladas a ambos lados del equipo, esto es, entre el generador y la red.

La analogía del equipo con el conjunto rectificador más inversor que se ha hecho,

supone una simplificación desde el punto de vista funcional para unas condiciones

de funcionamiento concretas. Habrá determinadas condiciones de funcionamiento

del aerogenerador en que el flujo de potencia podrá ser de la red hacia el


15




generador y es por esto que se dice que el convertidor puede ser bidireccional. Si

la etapa de conexión del convertidor con el generador tuviese un funcionamiento

idéntico al de un rectificador, podría estar integrado por elementos de

conmutación pasiva como por ejemplo diodos. Sin embargo, esto imposibilitaría

el flujo de potencia inverso, desde la red al generador. Es por ello, que los equipos

que conforman el convertidor tanto del lado del generador como del lado de red,

están integrados por los mismos elementos semiconductores para permitirles

funcionar como inversores según las necesidades de funcionamiento demandadas

por el sistema de control. Por esto, es más correcto referirse a ambos como

inversores.

Las características y funcionalidades del convertidor, van más allá de la previa

analogía rectificador-inversor para condiciones nominales de generación sin

consumo de reactiva. El convertidor permite además una regulación de la potencia

reactiva tanto en el lado del generador como en el lado de la red, cuyo control

puede ser realizado de manera independiente. Otra ventaja asociada a este equipo

se manifiesta a la hora de llevar a cabo trabajos tanto de mantenimiento como de

reparación en el aerogenerador, permitiendo una rotación del eje para colocar las

palas en una posición favorable o necesaria para desempeñar los mencionados

trabajos.

Otra propiedad relevante asociada al uso de este tipo de convertidores es la rápida

capacidad para el control del flujo de la potencia. Mediante el control del flujo de

potencia hacia la red, se es capaz de mantener constante la tensión del bus de

continua, haciendo posible a su vez una reducción del tamaño del condensador

asociado a esta etapa pero sin llegar a afectar al rendimiento general del

convertidor. Además, el hecho de incluir en el diseño un convertidor de potencia

va a permitir al sistema tanto llevar a cabo compensación de potencia reactiva

como suavizar la conexión con la red eléctrica.


16




No obstante, la principal desventaja de la presencia de un convertidor de potencia

en el diseño será un sistema más complejo con el consecuente incremento de

costes.

3.2.1 DISPOSITIVOS DE CONMUTACIÓN

Los dispositivos de conmutación que forman el núcleo de funcionamiento del

convertidor pueden estar basados o bien en tiristores o bien en transistores. La

justificación de porqué elegir uno frente a otro viene dado principalmente por las

siguientes características:

Corriente máxima del dispositivo.

Tensión de bloqueo máxima.

Frecuencia de conmutación.

Figura 7. Comparativa de las características de los dispositivos semiconductores


17




Se puede considerar que los dispositivos semiconductores pertenecientes a la

familia de los tiristores son semi-controlados, pues se desconectan ante una

corriente inversa. Esta propiedad puede ser modificada a base de una elaborada

circuitería para el control de la puerta.

Figura 8. Característica i-v tiristores

La familia de dispositivos semiconductores basados en transistores, a diferencia

de los basados en tiristores, disponen de capacidad de corte integrada sin

necesidad de circuitería adicional.

Figura 9. Característica idealizada i-v transistor bipolar (BJT)


18




Los dispositivos de conmutación de los que estará formado el convertidor serán

transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) dada su elevada frecuencia de

conmutación y su capacidad media de potencia.

3.2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES

Los convertidores se pueden clasificar en dos grupos que son los convertidores

con fuente de tensión (Voltage Source Converters, VSC) y los convertidores con

fuente de corriente (Current Source Converters, CSC).

La principal diferencia entre ambos reside en el elemento que almacena la energía

en el bus de continua. Mientras que en los convertidores con fuente de tensión el

elemento almacenador se trata de un condensador, en los convertidores con fuente

de corriente, el almacenamiento de la energía se produce en una inductancia.

También existen diferencias en la manera en que se distribuyen los transistores y

diodos para que el principio operacional basado en las conmutaciones de los

transistores pueda ser el mismo.

Figura 10. Convertidor alimentado con corriente (CSC)


19




En los convertidores alimentados con corriente, los diodos y transistores se

encuentran dispuestos en una configuración serie y si bien esta disposición

confiere un diseño más robusto así como un determinado grado de protección

frente a cortocircuitos, también representa un nivel más elevado de pérdidas. Este

mayor nivel de pérdidas viene dado por las pérdidas que se producen en la

inductancia y por la circulación de la corriente tanto por el diodo como por el

transistor, combinando las pérdidas que se produzcan en ambos y reduciendo, por

tanto, el rendimiento total del convertidor.

Figura 11. Convertidor alimentado con tensión (VSC)

En los convertidores alimentados con tensión, los diodos están dispuestos en

paralelo con los transistores lo que representa un menor nivel de pérdidas con

respecto a la alternativa anterior. Además las pérdidas que se produzcan en el

condensador, también serán menores que las de la inductancia.

Si se tiene en cuenta que en este diseño se está tratando con un nivel de potencia

del orden de 5 MW, el rendimiento se presenta como algo crítico. Cada décima

porcentual que se reduzca el rendimiento, supondrá un gran impacto económico a

largo plazo. Priorizando entonces el rendimiento en el diseño, el convertidor a

utilizar estará integrado por convertidores alimentados en tensión, es decir, con un


20




condensador en la etapa de continua y con la disposición transistor-diodo aquí

presentada.

De acuerdo con el tipo de convertidor elegido para el diseño, la característica de

funcionamiento será la siguiente.

Figura 12. Característica de funcionamiento de inversores VSC

3.2.3 NIVELES DEL CONVERTIDOR

Podemos clasificar los convertidores en convertidores de dos niveles, de tres

niveles o multinivel. Cada uno de ellos resultará más adecuado para según qué

aplicación o nivel de tensión o potencia.

3.2.3.1 Convertidor de dos niveles

Los convertidores basados en dos niveles cuentan con seis transistores de manera

que mediante el control de la frecuencia de conmutación de los mismos, se puede

obtener una onda senoidal a la salida.


21




Figura 13. Convertidor de dos niveles

Como medida de seguridad para prevenir que ocurran cortocircuitos, dos

transistores de una misma rama no pueden conducir simultáneamente. En este tipo

de convertidores, los transistores deben ser capaces de bloquear la máxima tensión

del bus de continua.

3.2.3.2 Convertidor de tres niveles

Los convertidores de tres niveles cuentan con ciertas ventajas con respecto a los

de dos niveles que los hacen idóneos para su uso en aplicaciones de media

tensión. Sin embargo, requieren un total de doce transistores, el doble de los de un

convertidor de dos niveles.

Una de las ventajas de un convertidor de tres niveles es que los transistores

cambian de estado por pares de manera que la tensión del bus de continua será

siempre compartida entre dos transistores. Esto permite por tanto, poder mantener

un nivel de tensión más elevado en el bus continua pudiendo llegar hasta el doble

de la tensión de bloqueo de un único transistor.


22




Figura 14. Convertidor de tres niveles

3.2.3.3 Convertidor multinivel

Los convertidores multinivel son aquellos que cuentan con seis o más transistores

por rama. Conforme se aumenta el número de niveles del convertidor, se podrá

trabajar con mayores niveles de tensión. Esto hace que este tipo de convertidores

sean atractivos para aplicaciones en alta tensión.

Mediante el uso de este tipo de convertidores, se consigue además reducir el nivel

de armónicos. Sin embargo, el control de los mismos conlleva una alta

complejidad.

Para el diseño del sistema se opta por un convertidor de dos niveles dado que el

convertidor trabajará en baja tensión (690V) y el diseño de dos niveles implica un


23




menor coste y una mayor simplicidad desde el punto de vista del control del

mismo.

3.3 COMPONENTES DEL CONVERTIDOR

Una vez evaluadas las alternativas referentes a qué tipo de convertidor utilizar, se

ha optado por un convertidor de dos niveles en configuración back-to-back

integrado por dos convertidores con fuente de tensión (VSC) idénticos integrados

por IGBTs con diodos en antiparalelo, unidos por una etapa de continua.

A continuación se detallarán las funciones de los diferentes elementos que

componen el convertidor. Podemos diferenciar un total de cuatro etapas:

Convertidor del lado del generador.

Bus de continua (DC-Link).

Convertidor del lado de red.

Filtro de línea pasivo.

Se deberá además incluir en el diseño del convertidor y a modo de protección un

chopper de frenado de continua. Será el encargado de evitar que se produzcan

sobretensiones en el bus de continua.

3.3.1 CONVERTIDOR DEL LADO DEL GENERADOR

El convertidor del lado del generador (INU) es el encargado de regular el flujo de

potencia que se transmite desde el generador hasta el bus de continua del

convertidor.


24




Este convertidor es el que hace posible el control del par y la velocidad de giro del

generador. El control está basado en el método de control directo del par (DTC)

donde dos corrientes de fase del lado del generador y la tensión del bus de

continua son usadas para dicho control. La tercera corriente de fase del lado del

generador también es medida para ofrecer protección frente a faltas a tierra.

Además, este convertidor también permite la rotación del eje para su orientación a

una determinada posición permitiendo trabajos o reparaciones. En este caso, el

flujo de potencia circularía en la dirección opuesta a como lo hace en condiciones

normales de generación, es decir, desde el generador hacia la red.

3.3.2 BUS DE CONTINUA

El bus de continua es una parte determinante del convertidor. Esta etapa de

continua permite desacoplar las dos etapas que conecta. De esta manera se

consigue que el control tanto del convertidor del lado del generador como el

convertidor del lado de red sea independiente.

Además, evita la transferencia de posibles armónicos que desaparecen mediante la

conversión a continua. También permite minimizar las variaciones en el nivel de

tensión.

La tensión de trabajo por defecto del bus de continua será el valor de pico de la

tensión de línea aunque también puede ser ajustada para trabajar a otro nivel de

tensión superior, pero siempre por debajo del máximo permitido.

√ √


25




3.3.3 CONVERTIDOR DEL LADO DE RED

El convertidor del lado de red (ISU) genera a partir de la corriente continua del

bus de continua, corrientes trifásicas que son vertidas a la red eléctrica a través del

filtro de línea.

Este convertidor se encarga de mantener el nivel de tensión del bus de continua a

un valor igual al pico de la tensión de línea. El flujo de potencia puede circular

tanto del bus continua hacia la red como de manera inversa y es por eso que se

dice que es bidireccional.

√ √

Otra de las funciones de este convertidor es la del control de la potencia reactiva

cedida a la red. En función del ángulo de carga de la corriente, se podrá generar de

acuerdo con las condiciones de reactiva demandas por el operador de red. De este

modo, se hace innecesaria la presencia de bancos de condensadores que permitan

suministrar reactiva a la red.

El método de control de este convertidor también está basado en el método de

control directo del par (DTC) requiriendo de dos corrientes de línea del lado de

red y la tensión del bus de continua para el control del mismo.

3.3.4 FILTRO DE LÍNEA PASIVO

El filtro de línea del convertidor se encuentra localizado entre el convertidor del

lado de red y la red eléctrica. Se trata de un filtro pasivo LCL consistente en el

conjunto bobina-condensador-bobina. La función de este filtro es suprimir la


26




distorsión así como los armónicos de la tensión en alterna que ha sido generada

por el inversor del lado de red.

Figura 15. Filtro de línea LCL

3.3.5 CHOPPER DE FRENADO

El chopper de frenado se trata de un dispositivo que monitoriza el nivel de tensión

del bus de continua del convertidor. Cuando la tensión supera el límite

operacional del chopper, lo cual implica una sobretensión en el bus de continua, el

chopper de frenado conecta una resistencias al bus de continua a través de

transistores IGBTs de manera que en ellas se disipe el exceso de energía. De esta

manera, la tensión del bus de continua se reduce hasta valores de tensión normales

de funcionamiento, evitando así fallos en el convertidor.

La actuación del chopper de frenado es de vital importancia ante caídas de la red

de manera que si la tensión del generador en vacío (E0) está por encima del nivel

soportado por el convertidor, va a ser el dispositivo que va a proteger el

convertidor de primera mano a expensas de la actuación del resto de dispositivos

de protección.


27




3.4 MÉTODO DE CONTROL

El método de control del convertidor se basa en el control directo del par (DTC).

Este método está basado en el control del par y la velocidad, ambos directamente

relacionados con variables electromagnéticas del generador. Esto supone un

incremento significativo en la velocidad de respuesta del sistema de control ante

cambios que se produzcan en el par.

3.4.1 CONTROL DE LA POTENCIA DEL GENERADOR

La potencia del generador (P) puede ser controlada mediante el ajuste de la

velocidad de rotación del generador (ω) o el par (M).

En condiciones normales de funcionamiento, el convertidor controla el par del

generador en función del par de referencia establecido. De manera simultánea, el

viento hace rotar la turbina lo que produce un par opuesto en el eje del generador.

El viento marca la velocidad de rotación a la cual el convertidor se adapta.

Para llevar a cabo el control del par, se requieren dos corrientes del lado del

generador, la tensión del bus de continua así como el estado de los IGBTs del

inversor. La unidad de control calcula a partir de estos valores, el estado actual del

generador, esto es, los valores de flujo del estator y par. Estos valores son

comparados con valores de referencia introducidos en el ajuste del convertidor y

cada pocos microsegundos se envían señales a los IGBT del inversor de manera


28




que se determina las nuevas condiciones de conmutación para mantener o

alcanzar el estado de referencia.

3.4.2 CONTROL DE LA POTENCIA REACTIVA

El control de la potencia reactiva desde el convertidor hacia la red eléctrica

corresponde al convertidor del lado de la red. Partiendo de la tensión del

convertidor del lado de red (U2) y de la tensión de la propia red (U1) y teniendo en

cuenta la reactancia de acoplamiento (X) y en ángulo de carga (δ), tenemos que

las potencias activa y reactiva cedidas a la red son:


El convertidor elegido para incluir en el diseño procede del fabricante ABB. El

límite de potencia en los convertidores de baja tensión como el diseño de este

proyecto (690V) está en el rango de los 6MW.

En el caso particular de este proyecto y teniendo en cuenta que los bobinados del

generador han sido diseñados para poder operar con un factor de potencia

en condiciones de generación de potencia nominales, la potencia

aparente máxima generada será:


29




Al tratarse de un convertidor de potencia completo y que procesará la totalidad de

la potencia generada, deberá estar dimensionado como mínimo para esa

capacidad. El modelo concreto elegido para el diseño ha sido el ACS800-87LC.

Los convertidores para estos niveles de potencia tan elevados consisten en varios

módulos internos conectados en paralelo distribuidos en varias cabinas. Otra

característica determinante de los convertidores con potencias tan elevadas es que

no pueden ser refrigerados exclusivamente con aire y requieren de una unidad de

refrigeración líquida para disipar las pérdidas que se producen en el convertidor.

Convertidor ACS800-87LC

Potencia del generador 5100 kW

Corriente lado del generador 5015 A

Corriente lado de red 5066 A

Potencia aparente de red 6010 kVA

Configuración de módulos 9 + 11

Tensión del generador 0 a 750 V AC

Tensión de red 525 a 690 V AC ± 10%

Eficiencia ≥ 96.5%

Grado de protección IP54

Refrigeración Líquida

Flujo del refrigerante 435 l/min

Peso 7200 kg

Dimensiones 2 m x 4 m x 1.3 m

Tabla 2. Detalles técnicos convertidor ACS800-87LC

Sistemas de control de potencia

30




Capítulo 4 SISTEMAS DE CONTROL DE

POTENCIA

Los sistemas de generación eólica se caracterizan por depender de una fuente de

energía no constante como es el viento. Por ello, es importante incluir en el diseño

sistemas que permitan adaptar el aerogenerador a las condiciones cambiantes del

viento bien sea en velocidad o en dirección.

En este capítulo se tratarán los sistemas de control de potencia a incluir en el

diseño del aerogenerador de manera que se pueda optimizar la generación de

potencia ante las diferentes condiciones de viento. Asimismo, estos sistemas

también actuarán a modo de protección del aerogenerador cuando se superen las

condiciones máximas operacionales y se pueda poner en riesgo la integridad del

sistema.

4.1 CONTROL AERODINÁMICO DE LA POTENCIA

La energía cinética por unidad de tiempo o potencia de una masa de aire fluyendo

a través de un aerogenerador es:

Donde es la densidad del aire, es la superficie barrida por las palas del

aerogenerador y es la velocidad media del viento.


31




El aerogenerador, sólo es capaz de capturar una parte de esa potencia que viene

dada por el coeficiente de potencia , que se define como:

Se debe tener en cuenta además que la potencia extraíble no coincide con la

potencia que se entrega a la red pues hay que deducir de esta potencia las pérdidas

que se producen tanto en el generador como en el resto del sistema eléctrico.

Si se pretende entonces optimizar la potencia extraíble, hay que determinar qué

factores influyen en el nivel de potencia extraído. El coeficiente de potencia se

puede definir como una función dependiente de la velocidad específica del rotor

, que se define como el cociente entre la velocidad de la punta de la pala y la

velocidad del viento, y el ángulo o paso de la pala .

4.1.1 CONTROL DE POTENCIA POR PÉRDIDA AERODINÁMICA

Se trata del método de control de potencia más simple en el cual las palas del

aerogenerador son diseñadas de tal manera que cuando la velocidad del viento

supera las condiciones máximas de operación del aerogenerador, se genera un

flujo turbulento en la parte trasera de la pala. Este flujo reduce la fuerza de

sustentación de la pala reduciendo por tanto la potencia capturada y previendo

daños en el aerogenerador. En este sistema de control las palas se encuentran

unidas al buje.

Se trata de un método barato y sencillo para proteger el aerogenerador a altas

velocidades pero ineficiente para la optimización de la generación a bajas

velocidades.


32




4.1.2 CONTROL DE POTENCIA POR VARIACIÓN DEL ÁNGULO DE PASO

Este sistema permite controlar en todo momento el ángulo de orientación de las

palas. Puede estar basado en un mecanismo hidráulico o en motores ubicados en

el buje. En condiciones de viento por debajo de las nominales se ajusta el ángulo

de las palas al óptimo para capturar la máxima potencia. Una vez se ha alcanzado

una velocidad de viento que supera las condiciones nominales, el sistema se

encarga de intentar mantener la potencia generada cercana a su valor nominal,

reduciendo, por tanto, la potencia capturada. Cuando se prevén condiciones de

viento extrema, el sistema permite llevar las palas a bandera para no capturar

potencia y proteger así tanto la turbina como la estructura.

Este sistema conlleva tanto una complejidad como un coste más elevados debido a

la necesidad de mecanismos que actúen sobre las palas. Sin embargo, permite

aumentar la potencia generada a bajas velocidades.

4.1.3 CONTROL ACTIVO POR PÉRDIDA AERODINÁMICA

Este sistema opera de manera similar al control por variación del ángulo de paso

para velocidades por debajo de la nominal. Sin embargo, cuando éstas se superan,

el giro de las palas se realiza en el sentido opuesto al sistema previo, es decir, en

contra del viento de manera que se genere un flujo turbulento en la parte trasera

de la pala con la consecuente pérdida de carga y reducción de la potencia captura.

Para el sistema que se está diseñando, se decide optar por un control de potencia

por variación del ángulo de paso (pitch control) controlado a base de motores

eléctricos. El sistema consistirá en tres motores eléctricos de 37 kW controlados a

través de un convertidor y conectados a través de un sistema de engranajes. Los


33




motores serán operados de manera independiente de modo que el giro del resto de

las palas, no se vea condicionado por el fallo de alguno de los motores del

sistema. En el apartado 4.4 de este capítulo se evaluarán los motores a incluir en

el diseño de este sistema.

Figura 16. Sistema de control por variación del ángulo de paso basado en motores eléctricos

4.2 CONTROL DE ORIENTACIÓN

El control de orientación es que permite a través de unos motores rotar la góndola

y orientarla a una determinada posición. La góndola representa un alto tonelaje

que puede estar en el entorno de las 300 toneladas. Por ello, es importante

determinar cuándo debe actuar este sistema pues cada vez que actué supondrá un

consumo de potencia considerable en los motores que lo constituyen.

Si bien el control de orientación también influye en la potencia capturada del

viento, su influencia no es tan crítica como el control del paso. Al depender la

potencia captura del cubo de la velocidad del viento, pequeños cambios en la


34




velocidad del viento, supondrán grandes cambios en la potencia y es por ello que

el sistema de control aerodinámico de la potencia deberá actuar cada muy poco

tiempo haciendo pequeñas correcciones sobre el ángulo de las palas.

La actuación o no de este sistema se evaluará cada 10 minutos que será la

frecuencia con la que la veleta determine la dirección del viento. No es crítico,

como se ha comentado, que la velocidad de rotación de la góndola sea rápida.

Cuanta mayor velocidad de giro se desee, mayor será la potencia que deberán

tener los motores y, por tanto, supondrán un mayor coste en el diseño. Por ello, se

establece una velocidad de giro de 1 vuelta cada 10 minutos.

Además, se limita la capacidad de giro del sistema a un máximo de 4 vueltas hacia

un mismo lado. Si mediante el control de la orientación se llegase a alcanzar ese

límite, el sistema debería llevar el aerogenerador a parada, deshacer las vueltas y

volver a arrancar. Es importante tener en cuenta este máximo número de vueltas

de giro de la góndola permitidas, de cara al diseño de los cables que bajen desde

la góndola por la torre.

El sistema de control de orientación deberá actuar además en los arranques del

aerogenerador para orientar la góndola de cara al viento y favorecer al máximo las

condiciones de generación. Esta actuación debe ser debidamente justificada pues,

como se ha comentado anteriormente, conlleva un determinado consumo de

potencia que, al estar el aerogenerador parado, supondrá demandar esa potencia

de la red y por tanto incurrir en unos costes.

Este sistema estará constituido por un conjunto de 8 motores de 5.5 kW que

actuarán de manera simultánea sobre la corona de la góndola. Es importante que

la actuación de estos 8 motores esté sincronizada dado que de no ser así se

podrían producir situaciones en las que hubiese una desincronización en las

velocidades de giro que podrían acabar dañando alguno de los motores por estar


35




haciendo frente a un par excesivo. Los detalles técnicos sobre qué motores incluir

en el diseño, serán estudiados en el apartado 4.4 de este capítulo.

4.3 CONTROL DE PARADA

Bien sea por indicaciones del operador de red o bien para proteger el

aerogenerador ante situaciones de peligro como pueden ser situaciones

climatológicas extremas, habrá ocasiones en que se necesitará llevar el

aerogenerador a parada.

El sistema de control del paso, mediante la variación del ángulo de ataque podrá

reducir la capacidad de generación pero nunca podrá hacer efectiva una parada

mecánica. Por ello, el sistema debe contar con un sistema de frenado mecánico

sobre el rotor. Se puede referir a este freno como freno de parking. Este freno

estará preparado para detener la rotación en unas condiciones determinadas a

establecer por el sistema de control de paso. En ningún caso, este sistema se habrá

diseñado para ser capaz de llevar el aerogenerador a parada desde condiciones

nominales de funcionamiento.

4.4 MOTORES DE SISTEMAS DE CONTROL DE POTENCIA

Para el diseño de los sistemas de control de paso y control de orientación, se

necesitarán 3 y 8 motores respectivamente. A continuación se procederán a

analizar el tipo de motores a utilizar y el nivel de tensión adecuado para los

mismos.


36




4.4.1 TIPOS DE MOTOR

Los motores a incluir en el diseño de los sistemas de control de potencia pueden

ser motores de corriente continua o motores de inducción. Aquí se evaluaran las

ventajas de cara a la elección para el diseño.

Los motores de corriente continua son idóneos para aplicaciones de control de

velocidad gracias a su simple manejo. Desde el punto de vista constructivo los

motores de corriente continua no son especialmente robustos y requieren de

labores de mantenimiento en sus elementos más propensos a fallos como son las

escobillas. Desde un punto de vista económico, y comparando un motor de

corriente continua y uno de corriente alterna capaces de entregar el mismo par en

su eje, el motor de continua conlleva un coste más elevado.

Los motores de inducción se perfilan entonces como los candidatos a incluir en el

diseño. Pese a que el control de los mismos no sea tan sencillo como en los

motores de continua, los convertidores conectados en serie con cada uno de ellos

serán los encargados de llevar a cabo esta tarea. Cabe destacar una vez más los

elevados costes que supone el desplazamiento de los operarios hasta el

aerogenerador de manera que se debe buscar un diseño robusto y con baja tasa de

fallos y necesidades de mantenimiento. Por ello, dentro de los motores de

inducción, se opta por los de jaula de ardilla.

4.4.2 NIVEL DE TENSIÓN

Una vez decidido el modelo de motores a utilizar queda evaluar el nivel de tensión

de los mismos. Se van a considerar motores de dos niveles de tensión, 690V o

400V y se elegirá entre uno de ellos.


37




Si se opta por motores de tensión nominal de 690 V, podría prescindirse de un

transformador que adaptase el nivel de tensión, pues esta es la tensión de

generación del aerogenerador. Desde el punto de vista económico la diferencia en

costes de los motores para los dos niveles de tensión, no es significativa. Sin

embargo, el problema se presenta a la hora de elegir los convertidores donde el

cambio si es más representativo. Si se tiene en cuenta que se van a necesitar un

total de 11 de estos equipos, el incremento en coste justifica incluir en el diseño

un transformador para obtener un nivel de tensión de 400 V.

Se opta entonces por un nivel de tensión de 400 V para los motores y

convertidores encargados de controlarlos.

4.5 DETALLES TÉCNICOS MOTORES

Los motores elegidos para ambos diseños son motores de inducción trifásicos con

rotor de jaula de ardilla, un nivel de tensión de 400 V y 6 polos magnéticos. Los

motores son del fabricante alemán VEM.

Motores control de paso (Eficiencia IE3), IE3-W41R 250 M6

Potencia del motor 37 kW

Intensidad nominal 66.5 A

Rendimiento al 100% de carga 93.3 %

Factor de potencia 0.86

Grado de protección IP 55

Par mecánico 359 N·m

Tabla 3. Detalles técnicos motores control de paso


38




Motores control de orientación (Eficiencia IE2), IE2-W21R 132 MX6

Potencia del motor 5.5 kW

Intensidad nominal 12 A

Rendimiento al 100% de carga 86.1 %

Factor de potencia 0.77


Par mecánico 54 N·m

Tabla 4. Detalles técnicos motores control de orientación

4.6 DETALLES TÉCNICOS CONVERTIDORES

Para el control de los motores elegidos para el diseño de los sistemas de control de

paso y orientación, serán necesarios convertidores de frecuencia. El control de

estos convertidores estará conectado con el sistema central de control de manera

que reciban la orden de actuación conforme vaya siendo necesario.

Se necesitarán un total de 11 convertidores de nivel de tensión 400 V. Los

convertidores elegidos proceden del fabricante ABB.


39




Convertidor de frecuencia ACS550-01-072A-4

Tensión de alimentación trifásica 400 V

Potencia nominal 37 kW

Intensidad nominal 72 A


Alto 760 mm

Ancho 257 mm

Largo 284 mm

Peso 26 kg

Tabla 5. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de paso

Convertidor de frecuencia ACS550-01-012A-4

Tensión de alimentación trifásica 400 V

Potencia nominal 5.5 kW

Intensidad nominal 11.9 A


Alto 461 mm

Ancho 213 mm

Largo 234 mm

Peso 8 kg

Tabla 6. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de orientación

Transformadores de potencia

40




Capítulo 5 TRANSFORMADORES DE

POTENCIA

5.1 INTRODUCCIÓN

Como se ha concluido en el capítulo anterior, los motores para el control del paso

y para el control de orientación deberán ir alimentados a una tensión de 400 V.

Además se requiere de una tensión de 230 V para alimentar ciertos consumos

como las luminarias de la instalación o algunas entradas del convertidor.

Para poder cubrir los niveles de tensión requeridos en la instalación se puede optar

por diferentes diseños que suponen el uso de un único transformador con dos

devanados de baja tensión o dos transformadores de potencia independientes. A

continuación se procederá a evaluar estas configuraciones y se elegirá cual es la

más adecuada.

5.2 POSIBLES ESQUEMAS DE CONFIGURACIÓN DE LOS

TRANSFORMADORES

Se van a evaluar tres esquemas de conexión diferentes para obtener los niveles de

tensión necesarios para la instalación. Las configuraciones a evaluar serán: un

único transformador con dos devanados de baja tensión y dos diseños basados en

dos transformadores con el transformador secundario ubicado tanto en baja

tensión como en media.


41




5.2.1 ÚNICO TRANSFORMADOR CON DOS DEVANADOS DE BT

Figura 17. Único transformador con dos devanados de BT

Este primer esquema puede a priori parecer la mejor opción pues resulta la más

compacta desde un punto de vista de dimensiones, pero como veremos más

adelante se va a decidir optar por otro diseño que confiere un extra de seguridad

de cara al aerogenerador.

La alimentación de los motores de control de paso (400 V), que van a ser

elementos determinantes para poder frenar el aerogenerador, queda condicionada

a un posible fallo que se produzca en el único transformador. Si bien no es un

diseño inadecuado, se decide optar por otro diseño más consistente.


42




5.2.2 TRANSFORMADOR SECUNDARIO EN BT

Figura 18. Transformador secundario en BT

Este esquema conlleva el uso de dos transformadores. El transformador principal

será el encargado de elevar la tensión desde los 690 V de generación hasta los 20

kV de la llegada de línea de media tensión. El transformador secundario estará

conectado a la barra de generación (690 V) y, por tanto, tendrá una relación de

transformación de 690 V a 400V.

Analizando nuevamente el diseño de cara a la alimentación de los motores de

control de paso, no parece ser el más propicio. En este caso, habría dos

situaciones que ocasionarían la caída del suministro de potencia a los motores que

serían una falta que cortase el suministro de la red eléctrica o una avería en el

transformador principal.


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5.2.3 TRANSFORMADOR SECUNDARIO EN MT

Figura 19. Transformador secundario en MT

Como en el caso anterior, este esquema conlleva el uso de dos transformadores. El

transformador principal será el encargado de elevar la tensión desde los 690 V de

generación hasta los 20 kV de la llegada de línea de media tensión. El

transformador secundario estará conectado a la barra de llegada de línea (20 kV)

y, por tanto, tendrá una relación de transformación de 20 kV a 400V.

Este diseño ha sido el elegido para el sistema eléctrico de manera que los motores

de control de paso puedan estar siempre alimentados desde la red. Ningún sistema

es perfecto y este como los anteriores puede verse comprometido por fallos en el

transformador secundario o caídas de la red. No obstante, dada la relevancia de

algunos consumos del sistema, se contará también con un sistema de alimentación

ininterrumpida capaz de cubrir estos consumos durante una determinada franja de

tiempo.


44




5.3 POTENCIA DE LOS TRANSFORMADORES

De acuerdo con lo analizado anteriormente, se va a necesitar de dos

transformadores de potencia en el sistema. Uno de ellos será el transformador de

distribución elevador que conecte a la red eléctrica y el otro será el que alimente

el resto de consumos del sistema.

El transformador de distribución principal será el que eleve el nivel de tensión

respecto a los 690 V de generación hasta los 20 kV de la red eléctrica de media

tensión que llega hasta el aerogenerador y transfiera la potencia generada a la red.

Gracias al convertidor de potencia incluido en el diseño, no sólo se evacuará

potencia activa hacia la red sino que, dependiendo del control del inversor del

lado de red, se podrá estar también cediendo potencia reactiva. Por ello, este

transformador debe estar sobredimensionado con respecto a las condiciones

nominales de generación de potencia. Se dimensionará este transformador para

una potencia máxima de 6 MVA.

El transformador secundario según el diseño elegido deberá tener una relación de

tensiones de 20 kV a 400V. Los consumos a alimentar desde este transformador

serán los sistemas de control de paso y control de alimentación, el alumbrado, los

ventiladores de refrigeración y demás servicios auxiliar. Para que el transformador

sea capaz de cubrir el consumo de todos estos consumos, se ha optado por un

transformador de una potencia de 250 kVA.


45




5.4 TIPO DE TRANSFORMADORES

Aunque para la mayoría de las aplicaciones se utilizan transformadores en baño de

aceite mineral, para el diseño offshore se utilizarán transformadores de tipo seco

encapsulados al vacío.

Las principales ventajas que ofrece un transformador de este tipo son:

Insensibles a la humedad.

Diseño compacto.

Autoextinguibles.

Arden con dificultad.

Bajo mantenimiento.

Mínimas descargas parciales.

Buena resistencia a los cortocircuitos.

Gran inercia térmica.

Menores gastos de instalación.

Como se puede ver a partir de estas ventajas, una de las grandes diferencias con

los transformadores en baño de aceite mineral es la minimización del riesgo de

incendio y unos muy bajos niveles de mantenimiento. El mantenimiento de estos

transformadores puede quedar limitado a una revisión anual de los mismos.

Todo ello los hace muy adecuados para su utilización en un diseño para un

aerogenerador, donde la dificultad de inmediato acceso al emplazamiento puede

suponer un riego considerable para el resto del sistema de, por ejemplo, llegarse a

producirse un incendio del mismo. Además, los costes a incurrir para acceder al

aerogenerador son elevados y se pretenden reducir, dentro de lo posible, a base de

componentes de bajo mantenimiento y elevada robustez y consistencia.


46




5.5 ELEMENTOS DEL TRANSFORMADOR

A continuación se detallan las características constructivas de los elementos que

forman parte de un transformador seco encapsulado al vacío.

Figura 20. Transformador seco encapsulado al vacío

5.5.1 DEVANADO DE BAJA TENSIÓN

Los devanados de baja tensión se conforman de dos bandas, una que puede estar

hecha de aluminio o cobre y otra aislante que es impregnada con resina. Una vez


47




llevado a cabo el bobinado del devanado, éste se introduce en un horno de modo

que adquiere una extrema compactación, haciéndolo capaz de soportar los

esfuerzos dinámicos asociados a un cortocircuito.

5.5.2 DEVANADO DE ALTA TENSIÓN

Los devanados de alta tensión consisten en un disco conductor formado por un

aislamiento de doble capa y un conductor de cinta de cobre o aluminio. Estos

devanados se encuentran colados al vacío con resina epoxi. Este diseño confiere a

los devanados una alta resistencia frente a esfuerzos eléctricos permitiéndoles

soportar sin problemas regímenes transitorios.

5.5.3 NÚCLEO MAGNÉTICO

Las uniones del núcleo magnético se realizan a través de capas de forma

escalonada de manera que se minimicen los ruidos a la par que se optimiza el

rendimiento. Con el fin de garantizar el adecuado entrelazado de las láminas así

como la precisión dimensional, el acero se corta longitudinalmente, de forma

secuencial y se automatiza el escalonamiento.

5.5.4 PROCESO DE ENCAPSULADO

El encapsulado se trata de un proceso de gran importancia para la fabricación de

estos equipos. Debe llevarse a cabo a fin de poder garantizar las características

mecánicas adecuadas así como el nivel de aislamiento para el que haya sido

diseñado cada transformador.


48




Primero, los devanados son colocados en un horno en el que son precalentados y

se mantienen en su interior hasta que el molde ha adquirido la temperatura de

encapsulado. Paralelamente, se lleva a cabo la preparación de la resina epoxi.

Estos dos elementos se combinan en el momento previo a realizar el encapsulado.

Los devanados, que ya han alcanzado la temperatura de encapsulado, son llevados

a la cámara de vacío para, una vez alcanzadas las condiciones de vacío, verter la

resina en los moldes. De esta manera se consigue que la viscosidad de la resina

cuando es vertida en los moldes sea muy pequeña y se consigue reducir al

máximo las descargas parciales gracias a que la resina se reparte cubriendo todos

los huecos.

Una vez terminado este proceso de colado, las bobinas se llevan al horno de

endurecimiento donde la resina se seca y endurece, confiriendo al transformador

sus características mencionadas.


Los transformadores elegidos para el diseño, son transformadores de tipo seco

encapsulados al vacío de la casa ABB. Las potencias de estos dos

transformadores, como se ha expuesto anteriormente, serán de 6 MVA y de 250

kVA.


49




Transformador ABB RESIBLOC 6 MVA

Nivel de aislamiento 24 kV

Potencia 6000 kVA

Tensión de baja 690 V

Tensión de alta 20 kV

Pérdidas en vacío 10400 W

Pérdidas en carga a 75ºC 30510 W


Tensión de cortocircuito 8 %

Potencia acústica 83 dB

Largo 2690 mm

Ancho 1500 mm

Alto 2850 mm

Peso 7200 kg

Material de AT Aluminio

Material de BT Aluminio

Tabla 7. Detalles técnicos transformador de potencia principal


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Transformador ABB Eco-Dry 250 kVA

Nivel de aislamiento 24 kV

Potencia 250 kVA

Tensión de baja 400 V

Tensión de alta 20 kV

Pérdidas en vacío 320 W


Tensión de cortocircuito 4 %

Potencia acústica 70 dB

Largo 1350 mm

Ancho 800 mm

Alto 1300 mm

Peso 1860 kg

Material de AT Aluminio

Material de BT Aluminio

Tabla 8. Detalles técnicos transformador de potencia secundario


51




5.7 CELDAS

Las celdas se tratan de envolventes metálicas que contienen los elementos de

unión y maniobra de los circuitos eléctricos de MT, principalmente embarrado,

elementos de corte y equipos de medida, en caso de que apliquen al diseño.

Las celdas a incluir en el diseño serán de envolvente metálica, con aislamiento en

hexafluoruro de azufre (SF6). Las celdas pueden ser de tipo modular, con una

única función por celda, siendo necesario conectar varias celdas para lograr el

esquema eléctrico requerido o celdas compactas, que reúnen en una sola cuba

varias funciones.

Se optará para el diseño de una celda compacta que ofrece reducidas dimensiones

haciéndola adecuada para su ubicación en la góndola. Además, una vez la

envolvente se llena de hexafluoruro de azufre, queda sellada de manera

permanente ofreciendo una vida útil de hasta treinta años y sin requerimientos de

mantenimiento de sus partes activas.

Los tipos de celdas que se deberán incluir en el diseño serán: celda de línea y

celda de protección. No aplica al diseño la inclusión de una celda de medida pues

se está desarrollando el diseño eléctrico a nivel del aerogenerador. Está unidad

correspondería al centro de transformación del parque eólico.

5.7.1 CELDA DE LÍNEA

Se trata de una celda equipada con interruptor seccionador no automático (capaz

de abrir el circuito a carga nominal y mantener la distancia de aislamiento), cuya

función es conectar los cables de acometida con el embarrado general.


52




Figura 21. Celda de línea

5.7.2 CELDA DE PROTECCIÓN DEL TRANSFORMADOR

Se trata de una celda equipada con interruptor automático o fusibles y

seccionador, cuya función es proteger al transformador.

Figura 22. Celda de protección de transformador


53




Para transformadores de potencia igual o superior a 1000 kVA se utiliza

únicamente interruptor automático. Este tipo de celdas pueden ser equipadas con

equipo de motorización lo que posibilita el mando remoto de la instalación.

Al contar el aerogenerador con dos transformadores que deben ser protegidos

desde la llegada de línea, se requerirán dos celdas de protección del transformador

que serán de interruptor automático. Asimismo, se incluirán dos celdas de línea de

cara a posibles ampliaciones o futuras interconexiones con otros sistemas.

Por tanto, la celda compacta estará formada por cuatro funciones, dos de línea y

dos de protección de transformador.

Figura 23. Funciones de celda compacta


54




5.7.3 DETALLES TÉCNICOS CELDA

A la hora de determinar la celda adecuada al diseño, se deberán elegir en función

de la intensidad asignada. De acuerdo con nuestro sistema, esta podrá ser:

√

√

Si se eligiese una celda de 200 A, el diseño sería adecuado. Sin embargo, el

fabricante ofrece celdas de interruptor automático para una intensidad de como

mínimo 400 A. Por ello se elige la celda de este valor. El fabricante de celdas

elegido para el diseño ha sido Schneider Electric.

Celda compacta RM6-2I2D4X

Tensión asignada 24 kV

Nivel de aislamiento a frecuencia

industrial (50 Hz) 50 kV

Nivel de aislamiento onda de choque 125 kV

Tabla 9. Niveles de aislamiento celda compacta


55




Función de línea

Intensidad asignada 400 A

Intensidad admisible de corta

duración (kA ef. / 1s) 16 kA

Poder de cierre del interruptor y del

seccionador (kA cresta) 40 kA

Tabla 10. Características función de línea

Función de protección de transformador

Intensidad asignada 400 A

Intensidad admisible de corta

duración (kA ef. / 1s) 16 kA

Poder de corte en cortocircuito

(kA ef.) 16 kA

Poder de cierre (kA cresta) 40 kA

Tabla 11. Características función de protección de transformador

Protecciones eléctricas

56




Capítulo 6 PROTECCIONES ELÉCTRICAS

6.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se pretenden determinar las protecciones eléctricas necesarias

para proteger los elementos del sistema eléctrico, esto es, el generador,

convertidor, transformadores y motores. Se estudiarán las funciones de protección

y sus ajustes.

6.2 PROTECCIONES DEL CONVERTIDOR DE POTENCIA

El convertidor elegido en el diseño incluye de fábrica una serie de protecciones de

cara al generador y para proteger el propio equipo.

Para evitar un deterioro acelerado del aislamiento del generador, el convertidor

cuenta con filtros ⁄ que protegen el sistema de aislamiento del generador y

reducen las corrientes de los cojinetes.

6.2.1 PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS TÉRMICAS

De acuerdo con el equipo elegido, el propio convertidor cuenta con un sistema de

protección del mismo convertidor y de los cables de potencia que conectan tanto


57




con el transformador como con el generador de manera que no se requieren

elementos adicionales para proteger frente a este sobrefuncionamiento.

6.2.2 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS EN EL CABLE DEL

GENERADOR

El convertidor protege el generador y el cable que conecta con el generador en

caso de producirse un cortocircuito. De acuerdo con esto, no se requieren

elementos de protección frente a esta situación de falta.

6.2.3 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS DENTRO DEL

CONVERTIDOR

El convertidor está equipado con fusibles internos que limitan el daño ocasionado

al convertidor ante una falta de este tipo y que además también protegen a los

equipos colindantes. De acuerdo con esto, no se requieren elementos de

protección frente a esta situación de falta.

6.2.4 PROTECCIÓN FRENTE A FALTAS A TIERRA

Tanto el convertidor del lado del generador como el convertidor del lado de red,

están equipados con elementos de protección internos frente a faltas a tierra, para

proteger el convertidor frente a faltas de este que puedan producirse en el propio

convertidor, el generador o el cable que conecta con el generador. El

funcionamiento de esta función de protección no es obligatorio y puede ser

desactivada, aunque no es recomendable hacerlo.


58




6.2.5 PROTECCIONES FRENTE A SOBRETENSIONES

Como se estudió en el apartado 3.3.5 se deben incluir choppers de frenado en

paralelo con cada uno de los módulos del lado del generador de manera que

proteja la etapa de continua frente a las sobretensiones que se puedan producir.

Estos equipo sólo entrarán en funcionamiento una vez se haya sobrepasado el

límite máximo de tensión continua admisible.

6.3 PROTECCIONES DEL GENERADOR Y TRANSFORMADOR

El generador para el que se está diseñando el sistema eléctrico cuenta con una

característica de diseño poco habitual desde el punto de vista de la generación y es

con devanados del estator conectados en triángulo.

Figura 24. Esquema de protecciones clásico de un generador [8]


59




La figura anterior muestra un esquema de protecciones clásico para sistemas de

generación. Como se puede apreciar, muchas de las funciones de protección

dependen para su arranque y actuación de la corriente que circula por el neutro del

generador. Muchas de estas funciones, por tanto, no van a ser aplicables a nuestro

esquema de protecciones de generador. Esto es porque, al estar conectado en

triángulo, no habrá neutro y de donde tomar la corriente para el funcionamiento de

todas esas funciones de protección.

Se pretenden evaluar las protecciones del generador y el transformador

conjuntamente dado que existen algunas funciones de protección que vigilarán

ambos equipos. Los tipos de defectos que vigilará el sistema de protecciones

serán:

Cortocircuitos

o A tierra.

o Ente fases.

Sobrefuncionamientos.

Malfuncionamientos.

6.3.1 PROTECCIONES FRENTE A FALTAS A TIERRA

Los defectos a tierra son las faltas más habituales en los sistemas y conllevan una

sobreintensidad por la fase en falta y unas sobretensiones en las fases sanas. Es

importante que se despejen estas faltas pues de no hacerlo, pueden derivar en

faltas entre fases, llegando a ser todavía más severas.


60




6.3.1.1 Protección tierra en barras (64B)

Esta protección vigila faltas fase tierra en las barras de tensión de generación. En

condiciones normales sería protección de respaldo de la protección tierra-estator,

pero al no poder incluir esta última en el diseño, se tratará de una protección

principal.

Figura 25. Protección tierra en barras (64B) [8]

El funcionamiento de esta protección se basa en medir la tensión homopolar en

barras mediante un transformador de tensión. Este transformador puede ser:

Transformador de medida YNyn, midiendo entre el neutro y tierra.

Transformador de medida YN-Triángulo abierto

El arranque de la protección se basa en un relé de sobretensión de manera que

cuando se produzca una falta a tierra y el valor de la tensión homopolar pase a ser

distinto de cero, el relé detectará que la tensión supera el umbral de arranque y

actuará.

Para el ajuste de la protección, se utilizará un transformador de tensión de

protección de relación de transformación √ ⁄ : √ ⁄ . El ajuste se


61




establecerá para una tensión del 5% de la nominal de manera que la protección

arrancará cuando la tensión homopolar sea superior a este valor. El valor de ajuste

del relé será por tanto:

√

El tiempo de actuación de la protección será de 500 ms.

Las actuaciones a llevar a cabo por el sistema serán desacoplar el grupo de manera

que la corriente pase a ser 0 y posteriormente llevar el grupo a parada.

6.3.1.2 Protección de sobreintensidad de neutro del transformador

(51N)

Esta función de protección vigilará la corriente en el neutro de la estrella del

transformador, controlando que no supere un determinado valor. En el caso de que

la protección detecte que se ha sobrepasado el umbral de arranque del relé de

sobreintensidad, actuará.

Figura 26. Protección de sobreintensidad de neutro del transformador (51N) [8]


62




El ajuste de esta protección dependerá de la puesta de a tierra del neutro y deberá

configurarse de manera que el valor de arranque de la protección quede por

debajo de la mínima corriente de falta esperable. Asimismo, la temporización de

esta protección debe ser coordinada con las protecciones de salida de línea que no

son objeto de estudio en este proyecto.

6.3.2 PROTECCIONES FRENTE A FALTAS ENTRE FASES

Las faltas entre fases son muy graves pues originan elevadas sobrecorrientes que

producen daños en aislamientos y chapas magnéticas, además poder llegar a

ocasionar esfuerzos mecánicos y torsión en los devanados.

6.3.2.1 Protección de distancia (21)

Esta función de protección vigila la impedancia de fase tomando medidas tanto de

la tensión como de la corriente. Su finalidad es detectar faltas que se produzcan

entre fases, huecos de tensión y energizaciones accidentales y aunque también

puede ser configurada para detectar falta a tierra, su correcto funcionamiento no

está garantizado. Por ello limitaremos su actuación a defectos entre fases.

Como se ha dicho, se requieren tanto el valor de la tensión como el valor de la

corriente de manera que la función de protección pueda evaluar la impedancia.


63




Figura 27. Protección de distancia (21) [8]

En condiciones habituales, esta función sería una función de respaldo de la

protección diferencial del generador. En el caso particular de este diseño, al no

haber neutro, no se puede implementar la función de protección diferencial y, por

tanto, la función de distancia será una protección principal. Se encargará de

proteger el embarrado de generación y hasta el 80-90% del transformador

principal.

Figura 28. Zonas de actuación protección de distancia [8]


64




Como se aprecia en la figura previa, la protección de distancia tendrá dos zonas

con diferentes ajustes y tiempos de actuación.

La protección de primera zona, vigilará por tanto 10.32Ω hacia atrás y el 85% de

la reactancia del transformador hacia delante, es decir, 0.86Ω. El tiempo de

actuación de primera zona será de 200 ms.

No se determina el alcance de la segunda zona dado que depende de la línea de

salida de la que no se tienen datos por no ser parte del diseño a tratar en este

proyecto

Las actuaciones a llevar a cabo ante la actuación de esta protección serán

desacoplar el grupo de manera que la corriente pase a ser 0 y posteriormente

llevar el grupo a parada.


65




6.3.2.2 Protección de sobreintensidad (51)

Detectará sobreintensidades que se produzcan en los devanados del estator. Estas

sobrecorrientes podrán venir dadas por faltas entre fases del devanado o por faltas

externas.

Figura 29. Protección de sobreintensidad (51) [8]

El funcionamiento de esta protección se basa en un relé de sobreintensidad que

puede incluir memoria de tensión cuando se aplica a máquinas autoexcitadas. El

arranque de la función de protección se suele establecer entre un 1.1 y un 1.3 de la

intensidad nominal.

√

Esta protección será respaldo de la función de protección de línea al ser menos

selectiva en la detección de faltas y se temporizará para un tiempo de actuación de

1 o 2 segundos.


66




6.3.2.3 Protección diferencial del transformador (87T)

Detectará faltas entre fases internas al transformador. Será una protección

principal del transformador y necesitará de un relé monofásico por cada fase. Esta

protección no actuara ante falta externas al transformador.

Figura 30. Protección diferencial del transformador (87T) [8]

Cuando se produce una falta interna al transformador, el aporte de corriente

vendrá por ambos lados del transformador, produciéndose un cambio en la

dirección habitual de la corriente de uno de los lados. El bobinado diferencial que

vigila en todo momento la diferencia entre las corrientes de entrada y salida al

transformador, detectará el cambio en la dirección de la corriente y actuará.

Ante una falta externas, se producirá un aumento de la corriente pero será el

incremento será proporcionalmente igual a ambos lados del transformador de

manera que la corriente diferencial seguiría siendo reducida y el relé no debería

actuar. Sin embargo, si la falta fuese a producirse muy próxima al transformador,

el aumento de la corriente podría ser tal que alguno de los transformadores de

intensidad se saturase, no reflejando la corriente que realmente hay en el primario

e induciendo a un disparo indebido. Para evitar que esto ocurra, la función de


67




protección cuenta con una pendiente de frenado que insensibiliza a la protección

ante este tipo de problemas.

Figura 31. Curva característica de protección diferencial de transformador [8]

Se incluye, además, un bloqueo ante presencias de elevado nivel de segundo

armónico que aparecen a causa de la corriente de magnetización del transformador

durante el transitorio de inserción. Estas son corrientes puramente diferenciales

pues sólo aparecen en el lado del transformador desde el que se está energizando y

ocasionarían un disparo intempestivo.

Se ajunta la función de protección para un arranque de una corriente diferencial

del 20% de la corriente nominal, esto es:

√

La función de protección actuará de manera instantánea desconectando el

transformador de la red.


68




6.3.3 PROTECCIONES FRENTE A SOBREFUNCIONAMIENTOS

En este apartado se incluyen protecciones como:

Sobrecarga del estator.

Sobrefrecuencia.

Sobretensión.

Sobrevelocidad.

6.3.3.1 Protección contra sobrecarga del estator (49)

No es necesario incluir en el diseño esta función de protección ya que, como se ha

visto, el convertidor de potencia ya cuenta con protección que se encargarán de

evitar que se sobrecarguen los devanados del rotor.

6.3.3.2 Protección de sobretensión (49)

El convertidor puede tolerar hasta un incremento de un 10% sobre la tensión de

generación nominal. En caso de que se produjeran sobretensiones, las propias

protecciones del convertidor se encargarían de evitar que este valor creciese por

encima del límite marcado. Se considera innecesario, por tanto, incluir en el

diseño esta función de protección.

6.3.3.3 Protecciones de sobrefrecuencia y sobrevelocidad

Una vez más estos parámetros van a estas controlados por otros elementos del

sistema y no se contempla incluir protecciones para estos casos como pueda ser

necesario, por ejemplo, en una turbina que esté conectada directamente a la red.


69




6.3.4 PROTECCIONES FRENTE A MALFUNCIONAMIENTOS

Las tres funciones de protección a tratar en este apartado, en un generador clásico,

serían:

Protección de secuencia inversa.

Protección de potencia inversa.

Protección de energización accidental.

El estudio de cualquiera de estas funciones de protección está de más pues estos

malfuncionamientos no van a tener lugar en el sistema que aquí se estudia. El

hecho de estar trabajando con un generador de imanes permanentes conectado a la

red a través de un convertidor, no sólo aporta grandes ventajas desde el punto de

vista de la optimización de la generación sino que además también permite

eliminar ciertas funciones de protección que se presentan como innecesarias

gracias a la presencia de este equipo.

6.4 PROTECCIONES DE MOTORES

Las protecciones de los motores deben ser capaces de detectar y despejar defectos

para proteger los motores. Los motores son máquinas bastante simples y con un

control bastante sencillo, por ello se contemplan menos funciones de protección

que para, por ejemplo, un generador.

Si bien en motores tradicionales el punto más crítico era el arranque del motor,

gracias al avance de la electrónica de potencia y a la inclusión en los diseños de

convertidores de frecuencia para regular los motores, se ha conseguido que el

arranque sea menos problemático.


70




Aquí se tratarán las protecciones de motores más importantes a incluir que serán

la protección de tierra estator, la protección de sobreintensidad y la protección de

sobrecarga.

6.4.1 PROTECCIÓN DE TIERRA ESTATOR

La protección de tierra estator se implementará a través de una función de

protección de tierra en barras. Esta protección vigila faltas fase tierra en las barras

de tensión de los motores.

Figura 32. Protección tierra en barras (64B) en motores [8]

El arranque de la protección se basa en un relé de sobretensión de manera que

cuando se produzca una falta a tierra y el valor de la tensión homopolar pase a ser

distinto de cero, el relé detectará que la tensión supera el umbral de arranque y

actuará.

Para el ajuste de la protección, se utilizará un transformador de tensión de

protección de relación de transformación √ ⁄ : √ ⁄ . El ajuste se

establecerá para una tensión del 5% de la nominal de manera que la protección


71




arrancará cuando la tensión homopolar sea superior a este valor. El valor de ajuste

del relé será por tanto:

√

El tiempo de actuación de la protección será de 500 ms y deberá desconectar el

motor.

6.4.2 PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD (51)

Detectará sobreintensidades que se produzcan en los devanados del estator del

motor. Estas sobrecorrientes podrán venir dadas por faltas entre fases del

devanado o por faltas externas.

Figura 33. Protección de sobreintensidad (51) en motores [8]

El funcionamiento de esta protección se basa en un relé de sobreintensidad de

manera que se ajusta para que detecte sobrecorrientes pero permitiendo un tiempo

de actuación para permitir el arranque del motor. A continuación se muestra la


72




característica de arranque que tradicionalmente se usa en esta función de

protección.

Figura 34. Característica de arranque relé de sobreintensidad [8]

Sin embargo, dado que el control del arranque de nuestros motores va a estar

controlado por convertidores, reduciremos el tiempo de actuación de la protección

ya que no se esperan picos de corrientes en el arranque.

Para los motores de control de paso,

√

Para los motores de control de orientación,

√


73




Los ajustes obtenidos para el arranque de la protección de sobreintensidad de los

motores de control de paso y de orientación tendrán un tiempo de actuación de 1 s

y si pasado ese tiempo, se siguen cumpliendo las condiciones de arranque, es

decir, la intensidad es superior al ajuste del relé, el motor en cuestión deberá ser

desconectado.

6.4.3 PROTECCIÓN DE SOBRECARGA (49)

Esta función de protección vigila las sobrecargas térmicas que se puedan producir

en los devanados del estator de los motores por intensidades de fase superiores al

valor nominal.

Figura 35. Protección de sobrecarga (49) en motores [8]

Si el motor se encuentra funcionando en condiciones de explotación de

funcionamiento nominal o sobrecarga transitoria, no se alcanzarán temperaturas

peligrosas. Sin embargo, frente a sobrecargas admisibles permanentes se alcanzan

temperaturas que no son peligrosas pero que si provocan un envejecimiento de los

aislantes. Asimismo, cuando se produzcan sobrecargas peligrosas, sí se alcanzarán


74




temperaturas peligrosas. Éstas deterioran los aislamientos y pueden incluso llegar

a perforarlos favoreciendo la aparición de nuevos defectos.

Figura 36. Característica de calentamiento frente a sobrecargas [8]

Para implementar esta función de protección se pueden utilizar relés de imagen

térmica o relés digitales de sobrecarga. Aquí se estudiará la implementación de un

relé digital de sobrecarga.

Para el funcionamiento del relé, se le llevan las corrientes de fase y el relé integra

la energía disipada en los devanados comparándola con su curva característica y

vigilando que no se superen determinados valores.

Figura 37. Curva característica relé digital de sobrecarga [8]


75




El valor de arranque de esta protección debe ser un valor superior a la corriente

nominal esperable en los devanados y al a vez inferior al ajuste establecido en la

función de sobreintensidad.

Para los motores de control de paso,

√

Para los motores de control de orientación,

√

Nótese que la temporización de esta protección será muy alta y responderá a la

curva de manera que cuanto mayor sea la corriente, menor será el tiempo de

actuación. No obstante, cuando se superen las condiciones de arranque, el relé

mandará una señal de alarma para que el operador pueda corregir las condiciones

de explotación y despejar la sobrecarga sin que la protección deba llegar a actuar

desconectando el motor.


76




6.5 SISTEMAS DE PROTECCIÓN

Una vez evaluadas las funciones de protección y establecidos los ajustes de

arranque y temporización, se han elegido los relés de protección del fabricante

Eaton.

El sistema estará compuesto por un relé de protección del generador EGR-4000,

dos relés de protección de transformador ETR-4000 y un total de 11 unidades de

relés de protección de motor EMR-3000.

Transformadores de medida y protección

77




Capítulo 7 TRANSFORMADORES DE MEDIDA Y

PROTECCIÓN

7.1 INTRODUCCIÓN

Los transformadores de medida están diseñados para alimentar contadores, relés

de protección, instrumentos de medida y dispositivos similares. Podemos

distinguir dos tipos de transformadores de medida:

Transformadores de intensidad.

Transformadores de tensión.

7.2 TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD

En condiciones normales de funcionamiento, la intensidad que circule por el

secundario del transformador será prácticamente proporcional a la intensidad que

esté circulando por el primario a excepción del desfase angular que pueda ser

introducido por el transformador. Sin embargo, cuando se originan corriente de

magnitud varias veces la corriente nominal, esta relación se mantendrá o no en

función de que el transformador sea de medida o de protección.

Dentro de los transformadores de intensidad, se pueden distinguir transformadores

de medida de precisión o transformadores de protección. A pesar de que el

principio de funcionamiento de ambos es similar, las características de diseño de

uno u otro los harán más adecuados para según qué aplicaciones. La gran


78




diferencia entre estos dos modelos de transformador reside en su precisión así

como su nivel de saturación.

Figura 38. Curvas de saturación de transformadores de medida y protección

La figura anterior muestra las curvas de saturación para un transformador con

núcleo de medida y uno con núcleo de protección. Como se puede apreciar, el

transformador de núcleo de medida satura a un nivel de intensidad mucho menor

que el de núcleo de protección.

Los transformadores de protección son diseñados para saturar a valores de

corrientes de varias veces la intensidad nominal que pueden ir desde 5 hasta 20

veces. No se requiere que estos transformadores cuenten con una clase de

precisión muy buena dado que su finalidad es alimentar los equipos de protección

y garantizar una reproducción fiel de los valores del primario para que las

protecciones puedan actuar en consecuencia.


79




Los transformadores de medida son diseñados buscando un alto valor de precisión

en los valores del secundario respecto a los valores que verdaderamente hay en el

primario. Estos transformadores se usan en aplicaciones donde conocer los

verdaderos valores del primario es importante como en contadores.

En el diseño que aquí se expone no se prevé a priori la necesidad de

transformadores de medida de precisión. Sin embargo, y como ya se aplicó en el

capítulo anterior, la implementación de las funciones de protección requerirá de

transformadores de protección para adaptar los valores de corriente del primario a

unos adecuados para el relé de protección.

Como se analizó en el capítulo anterior en el estudio de los sistemas de

protección, se requerirán hasta un total de 3 transformadores de intensidad de

protección diferentes. Los transformadores elegidos son del fabricante italiano

Revalco.

Transformador de intensidad de protección TARPD2/P

Clase 5P10

Potencia de precisión 2 VA

Corriente nominal de primario 200 A

Corriente de secundario 5 A

Peso 0.5 Kg

Tabla 12. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo A)


80




Transformador de intensidad de protección TARPD2/P

Clase 5P10




Peso 0.5 Kg

Tabla 13. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo B)

Transformador de intensidad de protección TARP12/P

Clase 5P20




Peso 2 Kg

Tabla 14. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo C)

7.3 TRANSFORMADORES DE TENSIÓN

En condiciones normales de funcionamiento, la tensión que aparezca en el

devanado secundario del transformador será prácticamente proporcional a la

tensión del devanado primario a excepción del desfase angular que pueda ser

introducido por el transformador.


81




Para el caso de los transformadores de tensión, se requerirán transformadores de

tensión monofásicos y de dos relaciones de transformación diferentes como se

pudo observar al estudiar las protecciones. De igual manera que para los

transformadores de intensidad, el suministrador de los equipos será Revalco.

Transformador de tensión de protección TVRN6

Clase 3P


Tensión nominal de primario

√

Tensión de secundario

√

Peso 2 Kg

Tabla 15. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo A)

Transformador de tensión de protección TVRN6

Clase 3P


Tensión nominal de primario

√

Tensión de secundario

√

Peso 2 Kg

Tabla 16. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo B)

Sistema de alimentación ininterrumpida

82




Capítulo 8 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN

ININTERRUMPIDA

8.1 INTRODUCCIÓN

Un sistema de alimentación ininterrumpida o SAI, también comúnmente referido

como UPS, tiene como función proporcionar un suministro de energía en unas

condiciones de tensión estables y continúas a expensas de las perturbaciones que

pueda haber en la red de suministro. Este sistema alimentará equipos y consumos

cuyo funcionamiento es de vital importancia para el conjunto del sistema.

8.2 TIPOS DE SAI

Se pueden distinguir hasta tres tipos diferentes de configuraciones para un sistema

de alimentación ininterrumpida. Estos son:

SAI offline o standby.

SAI interactivo.

SAI online o de doble conversión.

En un SAI offline la carga está directamente alimentada desde la red a través de

un interruptor. En caso de un fallo en el suministro, el interruptor cambia al

circuito de alimentación del SAI y se comienza a drenar la energía acumulada en

las baterías haciéndola pasar por un inversor para obtener una tensión alterna.


83




El SAI interactivo tiene un funcionamiento similar al esquema offline pero

incluye un autotransformador que le permite soportar subtensiones durante un

determinado período de tiempo mediante el control de los bobinados del

autotransformador. Cuando se producen elevadas sobretensiones o una caída de la

red, se conectará la batería para alimentar el suministro.

El SAI online o de doble conversión es la versión más tecnológicamente avanzada

y destaca por tener un tiempo de transferencia cero entre el paso del suministro de

la energía desde la red a desde las baterías. De este modo, se consiguen evitar

huecos de tensión en el cambio del suministro. El sistema consta de un conjunto

rectificador-inversor con el grupo de baterías entre medias de ambos. En todo

momento, la potencia que alimenta las cargas críticas es procesada por este

sistema de manera que se reducen al mínimo las fluctuaciones en el nivel de

tensión. Ante una caída de la red, nunca se producirá una falta de suministro, dado

que la potencia pasará a ser suministrada desde las baterías de manera inmediata.

8.3 CARGAS CRÍTICAS

Las cargas críticas de este sistema van a ser los motores y convertidores del

control de paso y la circuitería de control del convertidor de potencia. Ante

cualquier incidencia en el aerogenerador, debemos poder siempre garantizar que

el equipo pueda ser llevado a parada mecánica. Por esto, dado que los motores del

control de paso nos permitirán reducir la potencia captada por el aerogenerador,

son vitales para una parada de emergencia del sistema.


84





Se ha optado por incluir en el diseño un SAI online que garantice la continuidad

del suministro a los consumos. De acuerdo con la potencia máxima de las cargas a

alimentar por el SAI, se ha elegido una unidad de 150kVA formada por tres

módulos de 50kVA conectados en paralelo. El modelo de SAI a incluir en el

diseño será el Conceptpower Triple DPA del fabricante Newave.

El sistema cuenta además con baterías instaladas en el armario del SAI capaces de

proporcionar una autonomía de 10 minutos a la salida de cada inversor.

Conceptpower Triple DPA

Potencia 150 kVA

Tensión nominal de entrada 3 x 400 V / 230 V

Factor de potencia a la entrada 0.99

Factor de potencia de salida 0.8

Rendimiento general Hasta 95.5 %

Dimensiones 730 x 1975 x 800 mm

Tabla 17. Detalles técnicos unidad SAI

Cableado

85




Capítulo 9 CABLEADO

En este capítulo se estudiarán los cables a incluir en la interconexión de los

diferentes equipos del sistema eléctrico. Los cables deberán dimensionarse para

soportar las corrientes que circularán y además deberán permitir las condiciones

de caída de tensión definidas por el reglamento de baja tensión

9.1 CABLEADO DE CONEXIÓN ENTRE GENERADOR Y

TRANSFORMADOR

Dado que el generador puede entregar una potencia activa nominal de 5MW y

gracias a que el convertidor puede controlar la turbina para que se genere reactiva

con un factor de potencia de hasta 0.9, la corriente que circularía por el sistema en

estas condiciones sería:

√

√

Con el valor de corriente de diseño, se ha estudiado la oferta comercial de

conductores y se ha optado por el siguiente conductor:

Cable ExZHellent XXI 0364424

Nº conductores x Sección 1 x 400 mm2

Tensión 0.6 / 1 kV

Cableado

86




Material conductor Cu

Material aislante Silicona

Intensidad máxima admisible en

régimen permanente (a 40º C) 840 A


cortoc. adiabático (0.1/0.5/1.0 s) 181 / 80.8 / 57.1 kA

Peso nominal 3660 kg/km

Temperatura máxima conductor en

régimen permanente/ en

cortocircuito

90 ºC / 250 ºC

Tabla 18. Detalles cable ExZHellent XXI BT 0364424

Dado que la intensidad que nos facilita el fabricantes está considerada para una

temperatura de 40ºC, habrá que llevar a cabo correcciones en la intensidad

admisible adaptándola a la temperatura de la góndola, que se estima alcanzará un

valor de 50ºC, mediante la aplicación de un factor de corrección. De acuerdo con

la instrucción ITC-07 del reglamento electrotécnico de baja tensión, el factor de

corrección por temperatura se calculará de la siguiente manera:

√

Donde, será la temperatura de servicio del cable en ºC y será la temperatura

ambiente, también en ºC. De este modo, el factor de corrección resultante es,

√

Cableado

87




La corriente admisible corregida del cable será entonces,

De esta manera, el número de conductores en paralelo necesarios será,

Por tanto, se necesitarán 7 conductores conectados en paralelo por fase. De

acuerdo además con la instrucción ITC-40 del reglamento de baja tensión, la

máxima caída de tensión entre el generador y el punto de conexión con red será

del 1.5%. Para esta comprobación, será necesario saber la longitud de estos cables

que se estima será de 22 metros.

√

Como se puede comprobar, la caída de tensión es menor de la permitida luego se

confirma la validez del diseño.

9.2 CABLEADO DE MEDIA TENSIÓN

A raíz de la intensidad máxima calculada para el apartado anterior, la corriente

máxima en media tensión será:

Cableado

88






Cable ExZHellent XXI 71783A1

Nº conductores x Sección 3 x 35 + 3 x 10 mm2

Tensión 18 / 30 kV


Material aislante EPR




cortoc. adiabático (0.1/0.5/1.0 s) 15.8 / 7.07 / 5 kA




cortocircuito

90 ºC / 250 ºC

Tabla 19. Detalles cable ExZHellent XXI MT 71783A1

Del mismo modo que para el caso anterior, hará falta aplicar un factor de

corrección a la corriente máxima admisible del cable para adaptarlo a las

condiciones del entorno.

√

Cableado

89




Por lo tanto se necesitarán,

Es decir, harán falta dos conductores en paralelo. La longitud de estos cables se

estima en 160 metros.

9.3 CABLEADO DE BAJA TENSIÓN DE TRANSFORMADOR

AUXILIAR

Dado que el transformador auxiliar puede entregar una potencia de 250 kVA, la

intensidad máxima que circulará por el circuito de baja tensión de este

transformador será,

√

√



Cable ExZHellent XXI 18051C8


Tensión 0.6 / 1 kV


Material aislante Silicona

Cableado

90







cortoc. adiabático (0.1/0.5/1.0 s) 107 / 47.8 / 33.8 kA




cortocircuito

60 ºC / 200 ºC

Tabla 20. Detalles cable ExZHellent XXI BT 18051C8

El factor de corrección por temperatura es en este caso,

√

La corriente admisible corregida del cable será entonces,

En este caso, un único cable permite transportar la totalidad de la corriente. La

longitud estimada de este cable será de 25 metros.

9.4 CABLEADO MOTORES CONTROL DE PASO

De acuerdo con los motores elegidos, la intensidad nominal de los mismos será de

66.5 A. Para soportar esta intensidad, los cables elegidos son:

Cableado

91




Cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656113


Tensión 450 / 750 V


Material aislante Poliolefina termoplástica




régimen permanente 70 ºC

Tabla 21. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656113

El factor de corrección en este caso es,

√

La corriente que puede admitir el cable será entonces,

Es superior a la corriente máxima, por tanto el diseño es adecuado. Se estima una

longitud necesaria de 25 metros.

No obstante, existe un problema que se debe abordar desde el punto de vista de la

alimentación de estos motores y es el hecho de que están ubicado en el buje y

Cableado

92




rotando. Tenemos por tanto que conectar una parte de la instalación que es

estática con otra rotórica. Para salvaguardar este inconveniente, incluiremos en el

diseño un colector.

Un colector o slip-ring es un equipo que interconecta dos sistemas, uno de ellos

fijo y el otro móvil. Los colectores consisten en varias pistas de transmisión que

mediante un sistema de escobillas permiten conectar circuitos de transmisión de

potencia y señales con las características previamente señaladas. El colector

elegido para el diseño será del fabricante Moog y permitirá transferir tanto los

cables de potencia de alimentación de convertidores y motores, como los cables

de control de los convertidores.

9.5 CABLEADO MOTORES CONTROL DE ORIENTACIÓN

De acuerdo con los motores elegidos, la intensidad nominal de los mismos será de

12 A. Para soportar esta intensidad, los cables elegidos son:

Cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656107

Nº conductores x Sección 1 x 2.5 mm2

Tensión 450 / 750 V


Material aislante Poliolefina termoplástica




régimen permanente 70 ºC

Tabla 22. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656107

Cableado

93




De nuevo, hay que aplicar el factor de corrección por temperatura al cable elegido.

√

La corriente que puede admitir el cable será entonces,

Es superior a la corriente máxima, por tanto el diseño se considera válido. Se

requerirán ocho cables de este tipo y se estima una longitud de cable de 15 metros

Bibliografía

94




BIBLIOGRAFÍA

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[23] EWEA, EWEA Annual Report 2011

[24] EWEA, The European offshore wind industry

[25] IEEE Xplore Digital library

96




Parte II PRESUPUESTO

ECONÓMICO

Presupuesto económico

97




Capítulo 1 PRESUPUESTO ECONÓMICO

En este apartado se pretenden evaluar los costes totales en los que se ha incurrido

para el diseño del sistema eléctrico.

1.1 SUMAS PARCIALES

1.1.1 EQUIPOS

Componente Unidades Precio unitario Precio total

Convertidor ABB ACS800-87

5100kW 1 250.000 € 250.000 €

Motores control de paso, IE3-

W41R 250 M6 3 11.700 € 35.100 €

Motores control de orientación

, IE2-W21R 132 MX6 8 1.860 € 14.880 €

Convertidor de frecuencia

ACS550-01-072A-4 3 3.100 € 9.300 €

Convertidor de frecuencia

ACS550-01-012A-4 8 1.025 € 8.200 €

Transformador ABB

RESIBLOC 6 MVA 1 75.000 € 75.000 €

Transformador ABB Eco-Dry

250 kVA 1 11.000 € 11.000 €


98




Celda compacta RM6-2I2D4X 1 29.630 € 29.630 €

Relé de protección de

transformador ETR-4000 2 1.825 € 3.650 €

Relé de protección de

generador EGR-4000 1 1.163 € 1.163 €

Relé de protección de motor

EMR-3000 11 257,5 € 2.832,5 €

Transformador de intensidad

de protección 30 344,85 € 10.345,5 €

Transformador de tensión de

protección 15 154,5 € 2.317,5 €

SAI Conceptpower Triple

DPA 1 31.736 € 31.736 €

Colector Moog WP6807 1 6.000 € 6.000 €

Total equipos 491.154,5 €

Tabla 23. Sumas parciales equipos


99




1.1.2 CABLES

Código cable Metros Precio/metro Precio total

Cable ExZHellent XXI

0364424 462 30 € 13.860 €


71783A1 320 42 € 13.440 €


18051C8 75 20 € 1.500 €


H07Z1-K 1656113 25 19,89 € 497,25 €


H07Z1-K 1656107 120 1,456 € 174.72 €

Total cables 29.471,97 €

Tabla 24. Sumas parciales cables

1.2 PRESUPUESTO FINAL

El presupuesto final del diseño de la instalación eléctrica para el aerogenerador,

asciende a un total de 520.626,47 €.

100




Parte III ANEJOS

Catálogos

101




Capítulo 1 CATÁLOGOS

En este apartado se incluirán los catálogos de los productos que han sido incluidos

en el diseño del sistema.

Catálogos

102




1.1 CONVERTIDOR DE POTENCIA

Catálogos

103




Catálogos

104




Catálogos

105




1.2 MOTORES DE CONTROL DE PASO Y ORIENTACIÓN

Catálogos

106




Catálogos

107




Catálogos

108




Catálogos

109




1.3 CONVERTIDORES DE CONTROL DE PASO Y ORIENTACIÓN

Catálogos

110




Catálogos

111




Catálogos

112




Catálogos

113




1.4 TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Catálogos

114




Catálogos

115




Catálogos

116




Catálogos

117




Catálogos

118




1.5 CELDAS

Catálogos

119




Catálogos

120




Catálogos

121




1.6 SISTEMA DE PROTECCIONES

Catálogos

122




Catálogos

123




Catálogos

124




Catálogos

125




Catálogos

126




Catálogos

127




1.7 TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Catálogos

128




Catálogos

129




Catálogos

130




Catálogos

131




Catálogos

132




1.8 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA

Catálogos

133




Catálogos

134




1.9 CABLEADO

Catálogos

135




Catálogos

136




Catálogos

137




Catálogos

138




Catálogos

139




1.10 COLECTOR

Catálogos

140




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