Interfaces de electrónica de potencia avanzada para sistemas de energía distribuida (4ª PARTE)

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Energía eólica

Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del el viento en energía mecánica que puede convertirse en energía eléctrica con un generador. La potencia normalmente es generada vía un generador de inducción o con un generador síncrono. Los generadores síncronos son típicamente interconectados a la red a través de electrónica de potencia. La salida de potencia está típicamente entre 10 kW y 2,5 MW y la energía eólica. La potencia solamente se genera cuando sopla el viento. Como con los sistemas fotovoltaicos, no hay costes de combustibles, pero se requiere mantenimiento periódico de las turbinas eólicas.

Configuraciones del sistema eólico

En las últimas dos décadas, la energía eólica ha madurado a un nivel de progreso tecnológico hasta el punto que ya es unta tecnología de generación totalmente aceptada. El crecimiento mundial en los últimos años es de aproximadamente un 30 % anual, y la energía eólica está jugando un papel cada vez más importante en la generación de electricidad. Los componentes principales de un sistema de turbina eólica son las aspas, generador, transformador y electrónica de potencia.

La tecnología de turbinas eólicas modernas puede dividirse en tres categorías: 1) Sistemas sin electrónica de potencia; 2) sistemas con electrónica de potencia clasificada parcialmente; y 3) los sistemas con electrónica de potencia en gran escala para conexión con turbinas eólicas.

Los sistemas sin electrónica de potencia usan un generador de inducción. La turbina eólica hace girar el eje del rotor de un generador de inducción de rotor en jaula de ardilla conectado directamente a la red sin comunicación de electrónica de potencia. Esta turbina eólica debe operar a velocidad constante (con una variación permitida de 1 – 2 %) y ajusta la velocidad del rotor controlando la inclinación de las aspas de la turbina eólica. La máquina de inducción requiere energía reactiva para operar que puede ser suministrada por la red pública o por condensadores conectados en los terminales de las máquinas. Estas máquinas no pueden transmitir energía reactiva y generalmente requieren un arrancador suave para reducir la corriente de entrada durante el arranque.

Los sistemas con electrónica de potencia parcialmente clasificada, requieren una máquina de inducción de rotor bobinado donde estén accesibles tanto el devanado del rotor como del estator. La potencia del rotor girando (a la frecuencia de deslizamiento) es colectada vía anillas deslizantes. La salida del generador pasa a través de un PE basado en rectificador y sistema de inversor, transformando la frecuencia variable en energía AC compatible con la red con el voltaje y frecuencia apropiados.

Una resistencia extra  controlada por electrónica de potencia debe añadirse al rotor, dando un rango de velocidad de 2 – 4 %. Esta solución también necesita un arrancador suave para reducir la afluencia de corriente durante el arranque.

Un convertidor de potencia de escala media con un generador de inducción de rotor bobinado, conocido como doubly-fed induction generator (DFIG). Un convertidor de potencia conectado al rotor a los anillos deslizantes controla las corrientes del rotor. Este diseño permite a la turbina eólica tener alguna cantidad de operación de velocidad variable. Si el generador está funcionando super-sincrónicamente, la potencia es transmitida a través tanto del rotor como del estator. Si el generador está funcionando sub-sincrónicamente, la potencia eléctrica sólo es transmitida en el rotor desde la red. La solución es naturalmente un poco más cara comparada con las soluciones clásicas. La ventaja de este diseño es que proporciona compensación/producción de energía reactiva y captura incrementada de energía desde el viento. Esta disposición permite al devanado del estator del generador estar subdimensionado en aproximadamente un 25 %, con la electrónica de potencia completando la diferencia de potencia desde la potencia del rotor.

Un tercer tipo de diseño de turbinas eólicas usa electrónica de potencia en gran escala para comunicar la turbina eólica a la red. El sistema de generación usa un generador síncrono de magnetismo permanente para convertir la potencia de la turbina eólica a voltaje y frecuencia variables según la velocidad del viento. Un rectificador PE e inversor se usan para convertir la salida a capacidad completa de la máquina en potencia que sea compatible con el sistema de distribución. Esta topología causa pérdidas extras en el sistema de conversión de potencia, pero proporcionará ganancia de potencia adicional a través del rendimiento técnico añadido al sistema. Este diseño permite a la turbina eólica operar en modo de velocidad variable, permitiendo que se capture más energía del viento.

Topologías de electrónica de potencia

Una topología de electrónica de potencia con generador síncrono de magnetismo permanente puede usar voltaje variable trifásico, salida de frecuencia variable de la turbina eólica rectificada usando un puente de diodo. Con el cambio en la velocidad del generador síncrono, el voltaje del lado DC del rectificador de diodo cambia. Para mantener un voltaje de conexión DC constante al inversor se usa un step-up chopper para adaptar el voltaje rectificado. Desde la entrada DC al inversor, el sistema del generador/rectificador es luego añadido como una fuente de corriente ideal. Esta señal de salida rectificada desde el puente de diodo se filtra en una forma de onda DC uniforme usando un gran condensador. La señal DC luego se invierte mediante el uso de interruptor semiconductor en forma de onda 50/60 Hz trifásica. Esta forma de onda puede escalarse usando un transformador a los niveles de voltaje requeridos por la distribuidora AC. El generador es desacoplado de la red por la conexión DC de fuente de voltaje; por lo tanto este sistema de comunicación o interface PE proporciona unas características controlables excelentes para el sistema de energía eólica. El convertidor de potencia a la red permite un rápido control del a energía activa y reactiva. Sin embargo, el lado negativo es un sistema más complejo donde se requiere electrónica de potencia más sensible.

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