Reacondicionamiento de plantas diésel a sistemas híbridos diésel-eólica (II)

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En el artículo anterior explicamos las ideas generales sobre los proyectos de reacondicionamiento de plantas de generación diésel ubicados en lugares remotos. En esta segunda parte discutimos cada una de las condiciones de diseño en detalle, bajo la perspectiva de los integradores de sistemas y planificadores de proyectos.

. 1. Proyectos Diesel-eólica de alta penetración

Un sistema típico está compuesto por una planta de generación diesel, turbinas eólicas de varias de decenas de kw, un convertidor de energía rotatorio AC/DC, un banco de baterías, calderas eléctricas que sirven como cargas secundarias, y un controlador principal de sistemas basado en PLC .

La penetración eólica es un término referido al ratio entre la producción de energía eléctrica respecto a la demanda de electricidad de la localidad a la que se va a suministrar energía. De acuerdo con NREL´s National Wind Technology Center, un sistema diésel-eólico de alta penetración es uno en el que la producción de energía eólica anual de las turbinas eólicas son al menos el 50 % de la demanda de electricidad primaria anual y en la cual el sistema tiene la capacidad de proporcionar energía eléctrica sin energía diésel funcionando durante los periodos de suficiente capacidad eólica.

Componentes de un proyecto eólico-diésel 1. Planta de energía diésel

Las plantas que nos encontraremos al evaluar este tipo de proyecto serán normalmente plantas manuales, en las que el operador decida cuando hacer funcionar varios generadores y manualmente arranque, pare, y sincronice la red. Los generadores serán muchas veces de diferentes edades y orígenes y estarán equipados con reguladores de tensión, o reguladores de las máquinas, y actuadores.

La operación diésel manual es incompatible con la implementación efectiva de sistemas diésel-eólicos de alta penetración. El ahorro máximo de combustible demanda que sólo la tecnología diésel más eficiente es adecuada para cumplir con los requerimientos de la carga neta (carga de la localidad menos energía eólica disponible) esté en funcionamiento en todo momento. Además, para capturar los ahorros de mantenimiento y combustible adicionales que se hacen posible por una reducción del funcionamiento de la planta diesel, los generadores diésel deben apagarse completamente cuando hay bastante energía eólica para satisfacer la carga. Bajo tal régimen de operación, el arranque y parada de cualquier generador particular es más frecuente e impredecible de lo que es factible con un sistema controlado manualmente. Por este motivo, el primer paso en la instalación del sistema es reajustar los generadores diésel haciéndolos capaces de conseguir arranque, parada, sincronización y compartir-carga de forma automática.

2. Turbinas eólicas

Las turbinas que se adaptan a estos proyectos de generación suelen ser generaciones de inducción, con rotor regulado contra pérdida de sustentación (stall-regulated). Debido a que las turbinas usan generadores de inducción, dependen de la excitación del eje para generar energía. Si falta el control inherente al voltaje o la frecuencia, las máquinas de inducción generan energía cuando existe voltaje y frecuencia en el eje al que van conectados. Los voltajes y frecuencias deben estar controlados en cualquier momento.

3. Almacenamiento de energía

El principal objetivo de rendimiento de un sistema diésel-eólico es minimizar el consumo de combustible. Ello puede hacerse asegurando que sólo se utilice la menor cantidad de diésel en cada momento y que en cualquier momento estén apagados el mayor número de generadores que sea posible. Varias investigaciones han demostrado que proporcionando una pequeñas cantidad de almacenamiento de energía, se reducen en gran medida los arranques innecesarios. La cantidad de ahorro depende de varios factores, incluyendo el número de turbinas eólicas (un mayor número de turbinas tendrán un mejor efecto en dar uniformidad a la energía eólica), la variabilidad del viento, la variabilidad de la carga en la localidad, el coste de combustible, y el coste de almacenaje. Un criterio de diseño puede ser equipar con un banco de batería que proporcione bastante almacenamiento de energía como para cumplir dos tercios del promedio de la carga de la localidad durante unos quince minutos.

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4. Convertidor de potencia rotatorio

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El convertidor rotatorio sirve para dos propósitos en la operación del sistema de energía. Es la interface entre el bus de 480 VAC y el banco de baterías. También suministra parte de toda la energía reactiva demandada por la carga y por los generadores de la turbina eólica. El convertidor consiste en un eje de un generador síncrono AC acoplado a un motor DC. En su papel dual, las máquinas AC actúan a veces como motor/generador, a veces sólo como un condensador síncrono. La excitación de campo en la máquina AC se controla por un regulador de voltaje de generador standard. El campo de la máquina DC se controla por el controlador del sistema principal.

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Cuando uno o más generadores diésel están operando, el voltaje y frecuencia del sistema se mantiene por el regulador del voltaje y de la máquina. Cuando los generadores diésel no están operando, tanto la frecuencia como el voltaje deben estar regulados por el convertidor rotatorio.

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El voltaje del sistema es controlado por el regulador del voltaje de la máquina AC, y la frecuencia se mantiene cotrolando la corriente de campo de máquina DC, por lo tanto modulando el flujo de energía a o desde el banco de batería. En efecto, el voltaje del sistema se regula manteniendo un equilibrio de energía reactiva, y la frecuencia se regula manteniendo un equilibrio de energía real.

5. Cargas secundarias

En cualquier sistema eólico-diésel de alta penetración, hay veces que la producción de energía de la turbina eólica excede a la carga. Para mantener la estabilidad del sistema, esto exceso de energía debe ser disipado. Como hemos indicado anteriormente, en la extensión que el banco de baterías pueda aceptarlo, el exceso de energía será absorbido por la batería. Sin embargo, cuando la batería está lleno o cuando la corriente a la batería puede de otra forma ser excesiva, la energía se disipa en cargas secundarias (también denominadas cargas dump, incluso aunque la energía no esté siendo derrochada). Esta aproximación asegura que las turbinas eólicas nunca tengan que apagarse como consecuencia del exceso de producción de energía, y que cada porción de energía eólica disponible sea usada de forma económicamente valiosa, ya sea ahorrando combustible diésel o desplazando combustible por calentamiento.

6. Controlador del sistema

Uno de los principales objetivos técnicos de estos proyectos es desarrollar sistemas que sean fiables y tan fiables como sea posible, consistentes con los requerimientos de alta penetración eólica y máximo ahorro de combustible. Como el resto del sistema, el el sistema de control principal está construido por componentes industriales probados usando prácticas de diseño conservadoras. El corazón del sistema de control es un conjunto de controladores de PLC industrial standard con módulos I/O necesarios para controla el sistema.

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