05 febrero 2011

Fluctuaciones de energía en plantas eólicas aisladas



Esquema de una planta eólica aislada en Puerto de la Cruz (España)

Uno de los problemas típicos de los convertidores de energía eólica es la variación en la energía repartida, que es la causa principal de la relación entre la naturaleza eólica del viento y la potencai. Sin embargo, añadido a estas variaciones aleatorias, fluctuaciones periódicas pueden aparecer en la energía eléctrica. Las causas posibles de estas oscilaciones son: desequilibrio turbina rotor, aspas pasando frente a la torre, muestreo rotacional y modos estructurales. Los modos estructurales pueden aparecer debido a que el viento excita frecuencias propias de la estructura mecánica que implica aspas, torre y tren de transmisión.

Los WECs que muestran la variaciones más grandes en la energía repartida son las formadas por un generador asíncrono acoplado directamente con la red. Sin embargo, hoy en día es común encontrar convertidores eólicos donde se usa un convertidor electrónico para conectar el generador a la red, y conseguir así alisar la energía.

Las redes donde se conectan WECs pueden ser afectadas por la variabilidad de energía mencionada arriba (ej. el parpadeo es un problema común en redes débiles con alta penetración de energía eólica). Este comportamiento es de gran relevancia en redes aisladas, donde la calidad de la energía está cercanamente relacionada con la capacidad de los convertidores de energía eólica para alisar las variaciones de potencia.

Medición en plantas eólicas aisladas

En este artículo exponemos los resultados de un estudio llevado a cabo en una planta localizada en la Península de Jandía en Fuerteventura (Islas Canarias).
  • 1 x WEC Vestas 225/50 kW
  • 2 x unidades diesel con generadores síncronos de 75-kVA.
  • 2 x volantes incluidos como un elemento de las unidades diesel con una inercia de 1067 kg x m2.
Otros elementos importantes cercanamente relacionados con la generación son las cargas dump; éstas ayudarán a mantener la frecuencia de la red aislada cuando los motores diesel están desconectado.

Comportamiento en situaciones inestables

Las situaciones inestables se observaron durante  las pruebas de la planta, cuando el WEC estaba funcionando sin los grupos diesel y había altos vientos que causaban que se conectase el generador de 225 kVA. El fabricante del WEC corrigió este comportamiento ajustando los parámetros del sistema de control Como resultado la planta funciona actualmente con más del 90 % de la energía producida por el WEC durante los meses más ventosos.

Los resultados de las mediciones de la planta son los siguientes:

  • En la siguiente figura vemos los resultados obtenidos cuando se producen importantes fluctuaciones en potencia y frecuencia. 

Potencia transmitida por el WEC y frecuencia durante una situación inestable.

  • La siguiente figura muestra una situación estable con pequeñas fluctuaciones y frecuencia con variación uniforme.

Potencia transmitida por el WEC

El espectro de la potencia transmitida por el WEC es mostrado en la siguiente figura, aunque se alcanzará una gráfica similar con el espectro de frecuencia de red.

En el caso estable, la frecuencias que dominan el espectro son aquellas que están relacionadas con la rotación de la turbina, que producen cargas cíclicas causadas por la influencia de la torre y la rotación. Los múltiplos de la velocidad rotacional de la turbina, cuyo valor 0.71 Hz, son los componentes principales del espectro.

El resultado es muy diferente durante la situación inestable. El componente dominante del espectro tiene un valor de frecuencia de 0.65 Hz. Esto implica que la oscilación de la potencia transmitida por el WEC y la oscilación en la frecuencia de red tienen su componente principal en esta frecuencia.



Espectro de la potencia transmitida por el WEC
El caso inestable mostrado está dominado por tanto por la baja frecuencia, que está relacionada con la dinámica mecánica del WEC. Torres, aspas, eje, eje de baja velocidad, eje de alta velocidad, acoplamiento entre caja de engranajes y generador tienen una influencia electrodinámica en este comportamiento. Sin embargo, en orden de encontrar fácilmente los modos y estudiar las dinámicas WEB, se elige un modelo simple, donde se enfatiza el componente del tren de transmisión.
Los resultados de este estudio mostraron que los parámetros del controlador ueden llevar al WEB a una situación inestable donde las oscilaciones tienen las mismas frecuencias.

Bibliografía: Power fluctuations in an isolated wind plant. C. Carrillo, A. E. Feijóo, J. Cidrás, Member, IEEE, and J. González. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 19, NO. 1, MARCH 2004
 


http://webs.uvigo.es/carrillo/publicaciones/2004_IEEE_Fluctuations.pdf


Palabras clave: Wind energy converter (WEC), power quality, power system dynamic stability, wind power generation.
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