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Electrónica y control de potencia generalizado
La forma más generalizada de topología de electrónica de
potencia para la aplicación eólica es la conexión rectificador/inversor
back-to-back que proporciona el control de flujo de potencia así como una
eficiencia incrementada. Un puente IGBT basado en PWM rectifica la potencia de
voltaje variable frecuencia variable del generador eólico. El rectificador
también suministra la excitación necesaria para el generador de inducción. La
topología del inversor es idéntica al del rectificador, y suministra la energía
generada a las redes públicas.
Esta estructura general es conveniente para cualquier tipo
de sistema de energía eólica. Para los generadores síncronos PM, el
rectificador y convertidor boost puede ser reemplazado por un rectificador PWM
para alcanzar el mismo nivel de control. Similarmente, para el generador de
inducción basado en un sistema eólico, esta topología de electrónica de
potencia es necesaria para la conexión a la red. Basándonos en diseño de
control para el sistema de convertidor PWM back-to-back, pueden obtenerse
varias ventajas tales como:
- El factor de potencia del lado de la línea es la unidad sin inyección de corriente de armónicos.
- La corriente de salida del generador eólico es sinusoidal.
- No hay pérdidas de cobre de armónicos.
- El rectificador puede generar excitación programable para el sistema basado en un generador de inducción.
- Es posible la generación de energía continua desde cero a la velocidad de turbina más alta.
- La energía puede fluir en cualquier dirección, permitiendo que el generador funcione como un motor para arrancar (requerido para turbina vertical). Similarmente, el frenado regenerativo puede rápidamente parar la turbina; y
- La operación islanded del sistema es posible con un condensador de arranque cargando la batería.
Para comprender la importancia del convertidor PWM doble
basado en un sistema PE para aplicaciones de energía eólica, debemos discutir
un control especializado basado en un generador de inducción de jaula de
ardilla. Controladores similares deben diseñarse para otros tipos de generadores.
Las corrientes de salida del inversor y generador son sinusoidales debido a la
alta frecuencia de la modulación de anchura de pulso y control de corriente. El
generador de inducción absorbe la corriente reactiva retrasada, pero la
corriente reactiva es siempre cero en el lado de la línea; esto es, el factor
de potencia de la línea es la unidad. El rectificador usa control de vector
indirecto en el bucle de control de corriente interior, mientras que el método
de control de vector directo se usa por el controlador de corriente del
inversor.
El control de vectores permite una respuesta transitoria
rápida del sistema. Los controles inteligentes, tales como control de vector
basado en lógica fuzzy, puede ser usado para realzar tres importantes características
en este sistema: 1) búsqueda adaptativa del mejor comando de velocidad del
generador para extraer la máxima potencia extraíble del viento; 2) mejora de la
eficiencia del generador por la reducción del flujo del rotor del generador
cuando la velocidad óptima del generador; y 3) control robusto del bucle de
velocidad para superar resonancias del eje posibles.
Electrónica de potencia en microturbinas
Las microturbinas se desarrollaron para aplicaciones de
usuario mejorando unidades de potencia auxiliares originalmente diseñadas para
aeronaves y helicópteros. La potencia de salida de microturbinas típicas va de
30 kW a 400 kW. Éstas se usan para generación de energía eléctrica distribuida
o en sistemas de calentamiento, enfriamiento y generación de energía eléctrica.
Las microturbinas pueden quemar una gran variedad de
combustibles incluyendo gas, gasolina, diesel, keroseno, nafta, alcohol,
propano, metano o gases de digestores. La mayoría de dispositivos comerciales
actualmente disponibles usan gas natural como combustible primario. Las
microturbinas modernas han progresado mucho con componentes avanzados tales
como inversores, intercambiadores de calor (recuperadores), electrónica de
potencia, comunicaciones y sistemas de control.
En la mayoría de las configuraciones, el eje de la turbina
gira hasta a 120.000 rpm, es un generador de alta velocidad. La salida de alta
frecuencia desde el generador es primero rectificado y luego se convierte en
energía AC. Los sistemas son capaces de producir energía a alrededor de un 25 –
30 % de eficiencia empleando un recuperador que transfiere energía térmica
desde el chorro de escape. El sistema se refrigera por aire, y algunos usan
incluso rodamientos de aire, eliminando los sistemas de agua y aceite.
Configuración del sistema de microturbinas
La construcción del eje define muchas características
importantes de la microturbina que eventualmente influyen en la electrónica de
potencia requerida y sistema de control. Hay dos tipos principales de
construcción del eje: eje simple y eje dividido. En un diseño de eje simple y
alta velocidad, el compresor y la turbina se montan en el mismo eje y el
alternador rota a velocidades de 90.000 a 120.000 rpm. La microturbina impulsa
un generador de alta frecuencia que puede ser síncrono o asíncrono (inducción).
El diseño de rotor enjaulado en generadores asíncronos (o inducción) tienden a
ser una alternativa menos costosa a los generadores síncronos. Los generadores
síncronos contienen un rotor magnético que está diseñado para ser usado ya sea con imanes de
magnetismo permanente de tierras raras o bobinas con hardware adicional para
transmitir corriente (ej. anillas deslizantes, escobillas). Aunque los
generadores asíncronos son algo raros en la industria para aplicaciones de
microturbina, están ganando más popularidad en otros sistemas de generación
distribuida tales como la energía eólica.
En aplicaciones de turbinas de gas de baja velocidad
convencional, los generadores síncronos tienen una ventaja ya que pueden
conectarse directamente a la red si la velocidad se regula apropiadamente. Este
generalmente no es el caso en aplicaciones de microturbinas de alta velocidad.
Para todos los tipos de generadores, el voltaje de alta frecuencia trifásico,
típicamente en el rango de 1000 Hz a 3000 Hz, deben convertirse a la frecuencia
de línea antes de que la potencia generada llegue a ser utilizable por los
consumidores y/o por la distribuidora. El convertidor de potencia esencialmente
convierte alta frecuencia AC a 50/60 Hz. El convertidor de potencia puede
también estar diseñado para proporcionar servicios auxiliares valiosos al
consumidor y/o a la red de pública. Estos servicios pueden incluir soporte de
voltaje, soporte de caídas de tensión, compensación VAR estática, seguimiento
de carga, reserva de operación, suministro de apoyo, y potencia de arranque
para la microturbina u otras microturbinas.
El sistema de microturbina de alta velocidad de eje simple
puede tener diferentes configuraciones dependiendo del convertidor de potencia.
La topología del convertidor de potencia más común que se usa para conectar
microturbinas a la red es el convertidor de conexión DC. La potencia de alta
frecuencia del generador debe convertirse a DC en primer lugar usando un
rectificador pasivo de puente de diodo o un rectificador activo auto-conmutado.
La conexión DC se usa para construir voltajes trifásicos a 50/60 Hz usando un inversor
DC/AC.
Otro tipo de sistema de conversión de potencia de alto
interés es el con convertidor de enlace de alta frecuencia (HFLC). Aunque el
HFLC requiere un mayor número de partes, el circuito proporciona varias
ventajas, incluyendo el uso de un transformador para aislamiento robusto; el
uso de transformadores compactos, alta frecuencia; más fácil adición de otras
cargas aisladas y suministra vía devanados y derivaciones adicionales; y
eliminación de la necesidad de conmutadores de transferencia.
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