Interfaces de electrónica de potencia avanzada para sistemas de energía distribuida (5ª PARTE)

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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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