generadores eléctricos en eólica

1

GENERADORES ELÉCTRICOS EN APLICACIONES EÓLICAS

Sergio J. Ceballos -Mayo 2009

1. Generalidades.2. Tipos de generadores.3. Problemas.4. Mejoras posibles.5. Comportamiento ante huecos de tensión.6. Conclusiones.

1. GENERALIDADES

Generalidades

Cables

Generador

Electrónica de potencia

Transformador

Celdas de protección

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2

Las palas captan la energíacinética del viento, y latransforman en energíamecánica de giro (entre 15 y 30 rpm).

El multiplicador elevala velocidad de rotación desde hasta 1500 rpm

El eje lento transmiteel giro hasta elmultiplicador.

El generador transformala energía mecánica enenergía eléctrica, y lavierte a la red.

Generalidades Generalidades

El generador controla el par resistente, y por lo tanto la velocidad de giro.

Generador NORDEX

MADE AE52- 800 kW



3

GeneralidadesABB 2,1 MW. Refrigeración aire

Gamesa G52- 850 kW

Caja Multiplicadora Generador Gamesa G52- 850 kW



4

Generalidades

- Número de polos:

4 o 6 polos en aplicaciones con multiplicador ⇒Generadores de alta velocidad que permiten reducir tamaño y coste.

Multipolos.El ahorro se logra eliminando la caja multiplicadora.

• Directamente conectados a red.

- Compensación de reactiva- Arrancador suave

• Generadores con reguladores de velocidad

- Regulación por rotor ⇒ Variación del deslizamiento- Regulación por estator ⇒ Variación de la frecuencia

Generalidades

Generalidades

- Sistema de refrigeración:

- Circuito cerrado de refrigeración (IP54)

- Aire:Sencillez de mantenimientoSin peligro de fugas de agua que afecten al circuito eléctrico.

Generalidades

Circuito cerrado de refrigeración por circuito de agua.

- Equipo mas compacto

- Necesitan radiador en góndola

- Mejor rendimiento



5

Potencia disponible del viento Potencia disponible del viento

Coeficiente Cp y límite de Betz

Máximo teórico (turbina ideal)

Generación del Par motor

Fuerzas sobre la pala

Generalidades

Control de potencia:

- Control por variación del ángulo de paso (pitch control). - Control por pérdida aerodinámica (stall control)- Control activo por pérdida aerodinámica (active stall control)



6

Generalidades

Control por pitch

Control stall:

Curva real de potencia de un aerogenerador de velocidad y pasovariables

31

2

21 VRPV ρπ=

V

L

VRω

λ =

( ) Vpm PCP ⋅= βλ,

Curva de potencia de un aerogenerador de velocidad y paso fijos

θ = 0

θ = 45°

θ = 90°

COEFICIENTE DE POTENCIA0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

-0.52 4 6 8 10 12

Cp(λ

,θ)

Coeficiente λ

θ = 15°

Energía disponible en el viento

31

2

21 VRPv ρπ=

( ) 233

5

2,

HpH

m

CRT ω

ληβλπρ

=

( ) 2, HH

m KT ωβλλ =

( ) 3, HH

m KP ωβλλ =

( ) 31

2,21 VRCP p

realrotor ρπβλ=



7

Ejemplos

Alemania 1982, D=100m, P = 3MW

España 1989, D=60m, P = 1,2 MW

Control basado en par

Línea de velocidad de viento constante

Trate

4 m/s

6 m/s

8 m/s

10 m/s

12 m/s

14 m/s

16 m/sVelocidad constante

Prate

PmaxPar turbina

Par constante

Wmin Wrate Wmax Velocidad de giro

Línea de máximo coeficiente de potencia

2max H

Hm KT ωλ=

Control basado en potencia

( ) 3, HH

m KP ωβλλ =

ratedH

m PCTEP ==

Los dos modos de control son similares en el tramo de potencia óptima.

( ) max, pp CC =βλ

2max H

Hm KT ωλ=

3max H

Hm KP ωλ=

3max H

Hm KP ωλ=



8

Diferencias en el tramo de potencia o par constantes

vV∆ mP∆

HmMAX

Hm TT =

Hω∆

- Funcionamiento a par cte. disminuye cargas de fatiga en el eje del generador. Aumenta cargas en la torre.

- Picos de potencia en el generador (sobredimensionamiento)

Diferencias en el tramo de potencia o par constantes

vV∆ Hω∆

HmMAX

Hm PP =

HT∆

- Cargas de fatiga repartidas entre torre y eje.- El generador puede estar menos sobredimensionado

Estrategia de control de par de la turbina

T1 T2

T3

01 1'

2 2'33'

2. TIPOS DE GENERADORES



9

2. Tipos de generadores

• Asíncronos

§ Asíncronos doble devanado estatórico

§ Asíncronos con rotor bobinado (DFIG)

• Síncronos

§ Con multiplicador

§ Multipolos



10

Evolución de los aerogeneradoresPaso variable,velocidad fija

Active stall

Prestaciones

Sencillez

Paso fijo,dos velocidades

P. variable,v. Variablesíncrono Multipolo

P. variable,v.variable

Paso fijo,velocidad fija

Tam

año

Cost

ede

l kW

inst

alad

o

Evolución de los aerogeneradores

Prestaciones

Sencillez

P. variable,v. variable

P. variable,v. Variable,síncrono

Multipolo

Tam

año

Cost

e de

l kW

inst

alad

o

Paso fijo,dos velocidades

1300 kW

600 kW

NORDEXNORDEX

500 kW

1500 kW

ENERCONENERCON

2000 kW

660 kW

VESTASVESTAS

2000 kW

600 kW

ENRONENRON

NEG NEG MICONMICON

600 kW

2300 kW

BONUSBONUS

600 kW

2000 kW

660 kWMADE

800 kW

Generadores asíncronos


[rpm]rotor del velocidad[rpm] síncrona velocidad

ntodeslizamie

==

=

−=

nns

nnns

s

s

s

abierto[V] circuito arotor elen inducidatensión Eoc [V]rotor elen inducidatensión E2

]estator[Hz al conectada fuente la de frecuenciafrotor[Hz] elen corrientesy tensioneslas de frecuenciaf2

2

2

==

==

⋅=⋅=

ocEsEfsf



11

Generadores asíncronos Generadores asíncronos


- Generador más usado en eólica, en su forma de rotor bobinado o de jaula de ardilla.

- Muy fiable.

- Capacidad de sobrecarga

- El deslizamiento del rotor da ventaja en la conexión directa a red frente a los generadores síncronos.

- Sustituidos por configuraciones mas eficientes

Asíncronos de doble devanado



12

SOFT START

Modulo de tiristores

AE- 460 500 1000 1500 2000 2500 3000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Velocidad de Giro [rpm]

Par

[Nm

]

Large GeneratorSmall GeneratorDemanda de par

Cambio de generador

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Velocidad de Giro [rpm]

Cor

rient

e [A

]

Large GeneratorSmall GeneratorDemanda de corriente

MADE AE-61

Arranque generador 4 polos

18,6 m/s



13

MADE AE-61

Arranque generador 6 polos

4,3 m/s

MADE AE-61

Cambio generador 6 polos a generador 4 polos

5,6 m/s

MADE AE-61

Cambio generador 4 polos a generador 6 polos

4,3 m/s

Generador de inducción doblemente alimentado



14

Fuses

abc

Variableresistor

Short-circuit bar

GB

Asíncronos con devanado rotórico

Variación del deslizamiento con resistencias

CONTROLCIRCUIT

a

b

c

Asíncronos con devanado rotórico

Variación del deslizamiento mediante variación de resistencias rotóricas

RDReq )·1( −=

Statorwinding

Rotor mainwinding

Rotor Auxiliarywinding

ROTOR

Variableresistor

GBR

• Variación del deslizamiento mediante resistencias

– La variación del deslizamiento se usa como mecanismo de amortiguación de las variaciones de potencia cuando la máquina se encuentra regulando en velocidad.

– Sólo utilizable en ese momento ya que disipa potencia, y al regular velocidad ya estamos desperdiciando potencia del viento con el control de velocidad (la máquina está en potencia nominal)

Fuses

Transformer

cba

c’b’a’AC

AC

sf1 f1

f1

GB

DFIG con convertidor AC/AC



15

(1-s)P

(1-s)P

sP

sPP

POWERCONVERTER

DFIG con convertidor AC/AC - Relación de potencias

Fuses

Transformer

cba

c’b’a’

Fuses

Transformer

CONTROLCIRCUIT

AC

AC

ωr

ir

is

us

OVERVOLTAGEPROTECTION

CIRCUIT

GB

Control del DFIG



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GENERADORES SÍNCRONOS

Síncrono con multiplicador

Síncronos con multiplicador

Sistema de excitación sin escobillas

Parte rotativa

25-50 Hz500-1000 V

Realimentación de tensión

Tarjeta de excitación

Alimentación externa.230 V.

Esquema convertidor de potencia



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MADE AE-52

Conexión aerogenerador

4,41 m/s



18

MADE AE-52

Conexión aerogenerador

14,6 m/s

MADE AE-52

Desconexión aerogenerador

14,77 m/s

Generadores multipolo Generadores multipolo



19

Generadores multipolo Generadores multipolo

Generadores multipolo Generadores multipolo - Montaje



20

•Regulación de velocidad mínima•Transmisión mecánica

• Coste reducido• Robustez

Asíncrono de jaula de ardilla

• Tamaño• Flexibilidad de diseño y uso• Coste• Mantenimiento

• Alto margen de regulación• Alta eficiencia• Control sencillo

Multipolo

• Transmisión mecánica• Convertidor de potencia igual a la de la máquina

• Coste reducido• Alto margen de regulación• Desacople de la red•Alta eficiencia

Síncrono con multiplicador

•Margen de regulación limitado•Mantenimiento: anillos rozantes• Transmisión mecánica

• Coste reducido• Convertidor electrónico 20% potencia nominal de la máquina

Doblemente alimentado

DesventajasVentajas

Comparativa

GB dcV

Convertidor de potencia espalda contra espalda

Comparativa

• Ventajas

- Posibilidad de regulación de velocidad y de control de total de par.

- Valido para regulación de asíncronos de jaula de ardilla (también es valido para síncronos).

• Desventajas

- Coste muy elevado (son necesarios 12 interruptores de potencia)

- Para generadores de jaula de ardilla es necesario sobredimensionar o incluir batería de condensadores en bornas del generador para compensar corrientes reactivas

3. PROBLEMAS



21

Fallo en cabeza de bobina generador síncrono

Problemas Fallo en cabeza de bobina generador síncrono

Fallo en zona intermedia en ranuras de refrigeración Fallo en zona intermedia en ranuras de refrigeración



22

Tensión fase neutro Tensión fase tierra

• Los inversores introducen elevadas tensiones y derivadas de tensiones.

• Los generadores deben de estar preparados para soportarlas.

• Siempre que sea factible cortocircuitar el neutro del generador con tierra.

PROBLEMAS RELATIVOS A LA CORRIENTE DE ESTATOR

4. MEJORAS POSIBLES



23

Disminución del rendimiento con la velocidad en generadores síncronos

90.00%

91.00%

92.00%

93.00%

94.00%

95.00%

96.00%

97.00%

98.00%

99.00%

100.00%

20% 40% 60% 80% 100%Potencia de salida(%)

Ren

dim

ient

o (%

)

20 Hz25 Hz30 Hz35 Hz40 Hz45 Hz50 Hz55 Hz

Pérdidas generador 2 Mw (carga parcial)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100Tensión de generación (V)

Pérd

idas

(w)

Pcu(600 kw)Pfe(600 kw)Ptot(600kw)

Aumento del rendimiento a baja carga.Se basa en:

• Disminuir tensión para una misma potencia de salida del generador implica disminuir pérdidas en el hierro y aumentar pérdidas en el cobre.

• Aumentar tensión implica aumentar pérdidas en el hierro y disminuir pérdidas en el cobre.

• Buscar puntos de funcionamiento óptimo: Excitación no lineal con la frecuencia.

Regulación en tensión

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

500.0 700.0 900.0 1100.0 1300.0 1500.0 1700.0Velocidad de giro (rpm)

Tens

ión

de g

ener

ació

n(V)

Regulación actual Regulación óptima



24

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

P

Ren

dim

ient

o

Regulación optima Regulación actual

4. COMPORTAMIENTO ANTE

HUECOS DE TENSIÓN

Huecos de tensión Huecos de tensión

HUECO CUADRADOBajada de tensión: al 20 % de VnSubida instantánea: hasta el 80 % de VnRecuperación: en 15 s el 95 % de Vn

HUECO NORMALIZADOBajada de tensión: al 20 % de VnSubida (1 s): hasta el 80 % de VnRecuperación: en 15 s el 95 % de Vn



25

Requerimientos de reactiva de P.O. 12.3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo [s]

Pot

enci

a R

eact

iva

[MV

Ar]

Generacion de Potencia Reactiva sin compensacion

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo [s]

Pot

enci

a R

eact

iva

[MV

Ar]

Generacion de Potencia Reactiva sin compensacion

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tiempo [s]P

oten

cia

Act

iva

[MW

]

Generacion de Potencia Activa sin compensacion



26

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tiempo [s]

Pot

enci

a A

ctiv

a [M

W]

Generacion de Potencia Activa sin compensacion

Estrategias de compensación de huecos

1. Compensar el hueco con un DVRs (Dynamic Voltage Restorer)

2. Compensar la reactiva.2.1 Mediante compensador estático2.2 Mediante elementos pasivos

Hueco cuadrado.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)

Potencia del generador

Time (sec)

Pmeas [kW]

0 0.8 1.6 2.4 3.2 4-800

-600

-400

-200

+0

+200

+400

+600

+800

+1000

+1200Pmeas

Q total y Q del compensador [kVAr]

Time (sec)

y

1 1.56 2.12 2.68 3.24 3.8-1000

-820

-640

-460

-280

-100

+80

+260

+440

+620

+800Qmeas Q_comp




27

Ireact / Itotal (p.u.) - Erms (p.u.)

Time (sec) 1.4 1.51 1.62 1.73 1.84 1.95 2.06 2.17 2.28 2.39 2.5 +0

+0.1

+0.2

+0.3

+0.4

+0.5

+0.6

+0.7

+0.8

+0.9

+1Ireact / Itotal EaRMS_f


Intensidad inyectada por el compensador [A]

Time (sec) 1.5 1.72 1.94 2.16 2.38 2.6-2500

-2000

-1500

-1000

-500

+0

+500

+1000

+1500

+2000

+2500Ia_comp Ir_ref Ia_comp_RMS


Hueco normativa.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)

Potencia del generador

Time (sec)

Pmeas [kW]

0 1.2 2.4 3.6 4.8 6-600

-420

-240

-60

+120

+300

+480

+660

+840

+1020

+1200Pmeas

Q total y Q del compensador [kVAr]

Time (sec)

y

1.9 2.44 2.98 3.52 4.06 4.6 +0

+90

+180

+270

+360

+450

+540

+630

+720

+810

+900Q_comp Qmeas

Hueco normativaPinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)



28

Intensidad inyectada por el compensador [A]

Time (sec) 2 2.44 2.88 3.32 3.76 4.2-1500

-1200

-900

-600

-300

+0

+300

+600

+900

+1200

+1500Ia_comp Ir_ref Ia_comp_RMS

Hueco normativa.Pinicial = 100%. Qinicial = 80 kVAr (cap)

• Tipos de generadores más utilizados

• Nuevas tendencias en el diseño de máquinas.

• Mejoras posibles de implementar en generadores ya instalados. Mejoras a nivel parque eólico.

• Adaptación de máquinas y diseño de máquinas a las nuevas normativas de huecos en España y Europa.

• Posibilidad de integración con otras formas de energías renovables y convencionales.

CONCLUSIONES



generadores eléctricos en eólica

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