11 mayo 2011

Dimensionado de una planta diesel y análisis de rendimiento de microgrid diesel-eólica remotos (1ª PARTE)

Diagrama de una red de distribución diesel-eólica remota

Volvemos a hablar de los sistemas híbridos utilizados para dar energía a localidades remotas, auténticos laboratorios para estudiar las posibilidades de la generación distribuida, una de las temáticas que más nos interesan en este blog. En esta ocasión nos fijamos en un estudio realizado hace pocos años para estudiar el rendimiento de las aplicaciones eólica-diesel en el Canadá. Pese a que no son grandes instalaciones si que se caracterizan por su complejidad. Por una parte nos enfrentamos a optimizar una producción de energía a partir del viendo y por tanto altamente variable. Por otra parte tenemos el problema de trabajar con cargas bastante pequeñas y por lo tanto con mucha variabilidad.

Tradicionalmente las comunidades remotas en el Canadá se han abastecido casi exclusivamente con unidades diesel, debido a la fiabilidad de esta tecnología. Sin embargo, en los últimos años vienen integrándose otras tecnologías con el objetivo  de reducir la dependencia de los combustibles fósiles, muy costosos en estas regiones (ver Aplicaciones diesel-eólica en climas árticos).

Sistemas híbridos diesel-eólica

El uso de fuentes de energía múltiples para aplicaciones inmeditatas de electrificación son una alternativa especialmente efectivas, y en los climas áridos resulta especialmente interesante el uso de tecnología eólica con alta penetración. Pero los proyectos híbridos no son fáciles, y se complican aún más en condiciones de alta variabilidad de la generación y de la carga. Los principales asuntos a considerar son: dimensionado óptimo de la planta de generación de energía; estrategias de control; tecnologías para mantener la estabilidad de la red; equilibrio de potencia a corto plazo; gestión de la energía a largo plazo; calidad de la energía y fiabilidad del sistema de suministro de potencia.

La integración de fuentes de energías renovables con sistemas de generación con combustibles fósiles para áreas remotas puede ofrecer ventajas económicas. Sin embargo, el aspecto intermitente de las fuentes renovables junto con la altamente variable naturaleza de la demanda de carga para estas aplicaciones puede llevar a una degradación significativa de la utilización de las energías renovables debido a las pérdidas excesivas que tienen lugar en el sistema. Disminuir al máximo las pérdidas de energía que no pueden aprovecharse en el sistema es el mayor reto de este tipo de instalaciones, y por extensión de cualquier sistema híbrido de generación distribuida. Las pérdidas pueden ser más significativas en fuentes renovables de media y alta penetración, especialmente cuando no se usa almacenamiento de energía eléctrica. En el caso de sistemas eólicos-diesel autónomos que operan junto con uno o más generadores diesel sin almacenamiento de energía, se imponen varios límites de operación a las importaciones de energía eólica para mantener un adecuado nivel de carga en los generadores diesel para una operación fiable y segura. La energía eólica producida en exceso se pierde cuando la planta diesel opera con una carga mínima.

Rendimiento del generador diesel

El dimensionado correcto de las unidades diesel de un sistema eólico - diesel es por tanto una cuestión esencial de cara a optimizar la rentabilidad y fiabilidad de este tipo de generadores.  Para conseguirlo la forma correcta es verificar un modelo de análisis del flujo de energía y evaluar el dimensionado de la planta diesel. Para ello deben tomarse datos de campo durante un tiempo lo suficientemente prolongado.

Los beneficios que obtenemos estudiando el dimensionado correcto de la planta diesel son los siguientes:
  • Mejorar la eficiencia de la planta diesel y maximizar el ahorro de combustible.
  • Maximizar la contribución de energía eólica a la red.
  • Introducir un ciclo de reparto de la energía diesel que mantenga una carga adecuada a la vez que se minimice el número de ciclos on/off.
Estudio del sistema

El primer proyecto diesel-eólica de media penetración que integraba un generador diesel remoto y una instalación eólica fue en Ramea, una isla de Canadá. El proyecto integró 390 kW de energía eólica en una comunidad con una carga pico de 1,2 MW. Buenos recursos eólicos, correlación con periodos de carga alta, y aceptación y apoyo de la comunidad hicieron esta isla favorable para el desarrollo de un sistema de energía eólica de alta penetración.

El sistema de control digital está totalmente automatizado y facilita la integración de la energía eólica que asegure la inter-operabilidad con la red remota existente. La planta eléctrica diesel consiste en tres generadores diesel de 4,16 kV, 1200 rpm y 925 kW con factor de potencia de 0,85. Cada una de las unidades diesel está equipada con un regulador de voltaje automático y un sistema de gobierno. Se usan dos modos de control de frecuencia incluyendo: (1) Características de caída de velocidad para cargas rápidas siguiendo a la capacidad; y (2) un modo de carga isócrono para compartir la carga y regular la frecuencia. Normalmente uno o dos de los tres generadores diesel se requiere para suministrar a la carga de la comunidad local. La operación en paralelo y periodos del ciclo de los generadores diesel se coordinan por el controlador maestro de los generadores diesel.

Una característica importante de los generadores diesel es que el consumo se incrementa alrededor de un 23 % respecto al consumo con cargas nominales cuando está trabajando con cargas del 25 %. Este exceso de comsumo es un factor importante al determinar las restricciones de carga mínimas del generador diesel. Sin embargo, el factor determinante es que la operación bajo condiciones de carga ligeras incrementan significativamente el riesgo de fallo del motor, y puede causar un envejecimiento prematuro del generador diesel. La operación con cargas ligeras también reduce las siguientes capacidades del generador, aunque el tiempo de respuesta del generador es altamente dependiente del tipo de controles y las características de la carga. Las restricciones de carga mínima de un generador diesel están normalmente entre un 30 - 50 %.

Planta de energía eólica

La planta de energía eólica consiste en seis turbinas eólicas Windmatic WM15S de eje horizontal, dos velocidades,  una turbina up-wind que usa dos generadores de inducción, una unidad de 65 kW y una unidad de 13 kW para la conversión de energía y conexión directa al sistema de distribución. La unidad más pequeña se usa para arrancar y se conmuta a la turbina más grande cuando lvelocidad del viento supera los 7 m/s. Un banco de condensadores fijos de 30-KVAr se conectan en paralelo con la salida de cada turbina eólica para compensar parcialmente las necesidades de potencia reactiva del generador de inducción. El arranque de las turbinas eólicas es asistido por las plantas diesel; cada turbina eólica opera como un motor hasta que se acelera más allá de la velocidad síncrona; en cuyo punto empieza a generar energía. La planta diesel también prooporciona el equilibrio de la energía reactiva, mientras que el banco de condensadores conmuta on/off para corregir el factor de potencia de la planta eólica por encima de 0,9. Además, soporta la energía reactiva transitoria y el ajuste fino proporcionado por los generadores diesel.

Control diésel-eólica

Se usó un sistema de control integrado diesel-eólica (WDICS), para controlar y supervisar la operación de las turbinas eólicas y facilitar su integración en el sistema que es controlado y suministrado por el generador diesel.  La configuración WDICS está compuesta por (i) un controlador maestro de la planta diesel (DPMC), (ii) un controlador maestro de la planta eólica (WPMC), y (iii) un sistema SCADA con acceso a internet para controlar y adquirir datos. DPMC es un controlador automático digital e integrado que supervisa la operación total de la red eólica-diesel además de la sincronización, cargas compartidas, y las cargas que siguen a los generadores diesel. WPMC realiza un control automático y protege la planta eólica incluyendo arranque de las turbinas eéolicas cuando la velocidad se eleva por encima de 5 m/s y apaga las turbinas para velocidades de vientos por encima de 22 m/s. También se comunica con DPMC para informar sobre la generación de energía de las turbinas y actualizar el límite máximo de energía eólica. La comunicación entre DPMC y WPMC se realiza inalámbricamente a una distancia de 1 km.

Ver 2ª PARTE

Palabras clave: Remote microgrid, energy-flow analysis, wind-diesel integrated control system (WDICS)
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