Aerogeneradores y Parques Eólicos con PSCAD
24
INFORME DE PRÁCTICAS EN PSCAD MODELO AEROGENERADOR Y PARQUE EÓLICO Asignatura: “Impacto en la red de las energías renovables” Alumno: Gabriel Jaime Correa Henao Profesora: Maria Paz Comech UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA CIRCE: CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGÉTICOS MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
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Fecha = Junio 2010Ejemplos de Aerogeneradores y Parques Eólicos con PSCAD
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IINNFFOORRMMEE DDEE PPRRÁÁCCTTIICCAASS EENN PPSSCCAADD
MMOODDEELLOO AAEERROOGGEENNEERRAADDOORR YY PPAARRQQUUEE EEÓÓLLIICCOO
Asignatura: “Impacto en la red de las energías renovables”
Alumno: Gabriel Jaime Correa Henao
Profesora: Maria Paz Comech
UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA
CIRCE: CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGÉTICOS
MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA
ENERGÉTICA
1
Contenido ESQUEMA DE FIGURAS .............................................................................................. 1
RELACIÓN DE TABLAS ............................................................................................... 2
PARTE 1: MODELO DE AEROGENERADOR Y PARQUE ....................................... 3
MODELO DE AEROGENERADOR .............................................................................. 4
Modelo de máquina asíncrona de jaula de ardilla ........................................................ 4
Modelo de transformador ............................................................................................. 6
Modelo de la red externa .............................................................................................. 7
Cuestiones ..................................................................................................................... 9
Modelo de alineación.................................................................................................. 10
Modelo de la red externa ............................................................................................ 11
Cuestiones ................................................................................................................... 13
Cambio de ejes ........................................................................................................... 15
Control de P y Q ......................................................................................................... 16
Sistema a modelar ....................................................................................................... 16
Modelo real de inversor .............................................................................................. 19
ESQUEMA DE FIGURAS
Figura 1: Partes de un aerogenerador de jaula de ardilla .................................................. 3
Figura 2: Modelo a desarrollar en PSCAD ....................................................................... 3 Figura 3: Modelo de máquina asíncrona. ......................................................................... 4
Figura 4: Circuito equivalente máquina asíncrona ........................................................... 5 Figura 5: Respuesta de la máquina de inducción ............................................................. 5 Figura 6: Modelo de transformador. ................................................................................. 6
Figura 7: Comportamiento de aerogenerador. .................................................................. 6 Figura 8: Voltaje en el aerogenerador [P.U]. ................................................................... 7 Figura 9: Flujo de potencia en el banco de condensadores y en la red............................. 7
Figura 10: Modelo de línea en ..................................................................................... 10 Figura 11: Representación del parque eólico con 4 aerogenedarores. ........................... 11 Figura 12: Paso de abc a dq. ........................................................................................... 15
Figura 13: Sistema a modelar. ........................................................................................ 16 Figura 14: Referencias de Tensión. ................................................................................ 17 Figura 15: Paso de abc a dq en PSCAD ......................................................................... 17 Figura 16: Paso de dq a abc en PSCAD ......................................................................... 18 Figura 17: Ángulo de Sincronización de la transformación de Park .............................. 18
Figura 18: Esquema completo de la máquina asíncrona doblemente alimentada. ......... 20
Figura 19: Convertidor trifásico del lado de red (AFE) ................................................. 21
Figura 20: Resultados convertidor 3 con conexión a la red ......................................... 22
2
RELACIÓN DE TABLAS
Tabla 1: Características del Aerogenerador para simulación en PSCAD ........................ 4 Tabla 2: Determinación de las características del aerogenerador en valores P.U. ........... 5 Tabla 3: Valor de las inductancias de cortocircuito para la generación del hueco de
voltaje ............................................................................................................................... 8 Tabla 4: Resultado de la simulación al generar hueco de tensión debido a cortocircuito
3, con los casos de la Tabla 3 ......................................................................................... 8 Tabla 5: Validación del cumplimiento del estándar PO 12.3 en el aerogenerador ........ 10 Tabla 6: Valor de las inductancias de cortocircuito en el parque de aerogeneradores,
para la generación del hueco de voltaje .......................................................................... 11 Tabla 7: Resultado de la simulación al generar hueco de tensión debido a cortocircuito
3, con los casos de la Tabla 6 ....................................................................................... 12 Tabla 8: Validación del cumplimiento del estándar PO 12.3 en el parque de
aerogeneradores .............................................................................................................. 14 Tabla 9: Inyección de potencia en la red desde el convertidor ....................................... 19
Tabla 10: Inyección de potencia en la red desde el modelo real del inversor. ............... 22
3
PARTE 1: MODELO DE AEROGENERADOR Y PARQUE
Un aerogenerador de jaula de ardilla es un sistema complejo formado por multitud de componentes. Desde el punto de vista del modelado para el análisis del impacto en red, deberían tenerse en cuenta los modelos aerodinámico, conjunto mecánico, generador, arrancador estático, batería de condensadores y transformador, tal como se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Partes de un aerogenerador de jaula de ardilla
El modelo simplificado del aerogenerador consta de generador, batería de condensadores y transformador, como el de la Figura 2.
U
Ib
P1Q1
Ib_
q Pc
Qc
45
0.0
[uF
] 45
0.0
[u
F]
450.0 [uF]
Ea
TIME
I M
W
S
TAERO_843KVA
1.01
-0.98
1S
S
TM
Suiche a modo torque
en 0.5 seg
P_maquina
Q_maquina
Torque
Velocidad
Ea
Power
A
B
P
Q
Po
we
r
AB
PQ
3 PhaseRMS
#1#2
1.0 [MVA]20.0 [kV] / 0.690 [kV]
1.0
[o
hm
]
ABC->G
TimedFaultLogic
0.0
00
02
5 [H
]
Figura 2: Modelo a desarrollar en PSCAD
4
MODELO DE AEROGENERADOR
Modelo de máquina asíncrona de jaula de ardilla
Por tratarse de un modelo muy simplificado, se tiene el supuesto que el par que llega al eje del generador es constante e igual al 98 % del par nominal (En lugar de calcularlo mediante el modelo aerodinámico y del conjunto mecánico). Dicho modelo se indica en la Figura 3.
TIMEI M
W
S
TAERO
1.1
-0.98
1S
S
TM
Suiche a modo torque
en 0.5 seg Figura 3: Modelo de máquina asíncrona.
La Tabla 1 muestra los datos necesarios para el modelado del generador.
Tabla 1: Características del Aerogenerador para simulación en PSCAD
Valores de las reactancias (valores de fase)
Generador Principal: 750kW 2p=4
X1 = 0.157 Ω Xh = 6.870 Ω
X2 = 0.198 Ω
R1 = 0.0126 Ω Rfe = 194 Ω R2 = 0.0113 Ω
Generador Secundario: 200kW 2p=6
X1 = 0.362Ω Xh = 6.870 Ω
X2 = 16.540Ω
R1 = 0.1034Ω Rfe = 588Ω R2 = 0.0468Ω
Para el siguiente circuito equivalente:
5
Figura 4: Circuito equivalente máquina asíncrona
Estos parámetros, se configuran en la opción explicit del modelo generador asíncrono en PSCAD, según la siguiente transformación en p.u, que se presenta en la Tabla 2
Tabla 2: Determinación de las características del aerogenerador en valores P.U.
GENERADOR 1 GENERADOR 2
S_base 0,2810 MVA S_base 0,2410 MVA
U_base 0,3984 KV U_base 0,6900 KV
I_base S_base/ U-base 0,7054 KA I_base
S_base/ U-base 0,3493 KA
Z_base U_base/ I-base 0,5648 OHM Z_base
U_base/ I-base 1,9755 OHM
X1 0,0927 R1 0,0074 X1 0,1832 R1 0,0523
Xh 4,0548 Rfe 114,5012 Xh 3,4776 Rfe 297,6434
X2 0,1169 R2 0,0067 X2 8,3725 R2 0,0237
La respuesta de este generador ante un cambio de velocidad en el tiempo t =0.5s, se presenta en la Figura 5, en cuyo caso, la máquina tiene comportamiento como generador, cediendo tanto potencia activa, como potencia reactiva a la red. (Deslizamiento del 1%).
RESPUESTA DE LA MÁQUINA COMO GENERADOR
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y (
p.u
,pu
,pu
)
P Q Torque velocidad eje
Figura 5: Respuesta de la máquina de inducción
6
Modelo de transformador
La Figura 6 muestra el modelo de transformador, con los datos de ensayo necesarios para calcular los parámetros necesarios en el modelo.
#1 #2
1.0 [MVA]20.0 [kV] / 0.69 [kV]
15
00
[oh
m]
Figura 6: Modelo de transformador.
Al realizar la conexión a la red de distribución de 20 KV del conjunto Generador-Transformador - Banco Condensadores, se obtienen los siguientes flujos de potencia. En todos los casos, ocurre un cambio de velocidad del aerogenerador, en t = 0.5s, pero sin considerar hueco de tensión:
COMPORTAMIENTO AEROGENERADOR
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.50
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y (
p.u
,pu
,pu
)
P Q Torque velocidad eje
Figura 7: Comportamiento de aerogenerador.
7
COMPORTAMIENTO RED
0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 ...
...
...
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00 y (
kV
)U_trafo V_aerogenerador
Figura 8: Voltaje en el aerogenerador [P.U].
BANCO CONDENSADORES Y RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y
P1 Pc Qc
Figura 9: Flujo de potencia en el banco de condensadores y en la red.
Modelo de la red externa
La red externa va a modelarse mediante su equivalente Thevenin, donde la tensión será igual a la tensión nominal y la impedancia se calculará de manera que la potencia de cortocircuito de la red sea 5, 10, 20 y 30 veces la potencia nominal del aerogenerador.
La impedancia de corto se calculará para cada una de las potencias de cortocircuito para obtener huecos de tensión del 80% y 50 % de profundidad.
El equivalente Thévenin de la capacidad de cortocircuito de la red, se puede calcular
mediante la siguiente expresión: CC
CC SUZ
2
., o equivalentemente:
CCCC Sf
UL
2
2
. En la Tabla 3 se registran los parámetros con los que se
alimenta el modelo de PSCAD.
8
Tabla 3: Valor de las inductancias de cortocircuito para la generación del hueco de voltaje
Caso IN [A] UL (V) Scc (VA) Veces Scc Lcc [H] Lfalla (H) Profundidad
Hueco
1 705 398 841770 5 0,0003594 0,000085 80%
2 705 398 841770 10 0,0001797 0,000025 80%
3 705 398 841770 20 8,9849E-05 0 67%
4 705 398 841770 30 5,9899E-05 0 53%
5 705 398 841770 5 0,0003594 0,00035 50%
6 705 398 841770 10 0,0001797 0,000175 50%
7 705 398 841770 20 8,9849E-05 0,000075 50%
8 705 398 841770 30 5,9899E-05 0,00004 50%
En el caso anterior, se aplica una falla trifásica a la red de distribución, con una duración de 0.5s. La Tabla 4 presenta la respuesta del sistema, al momento de generarse el hueco de tensión (descrito anteriormente en la Tabla 3):
Tabla 4: Resultado de la simulación al generar hueco de tensión debido a cortocircuito
3, con los casos de la Tabla 3
Caso Profundidad hueco tensión Intercambio potencia en la red
1 VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
2
VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
3
VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
4
VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
9
Caso Profundidad hueco tensión Intercambio potencia en la red
5 VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
7
VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
8
VOLTAJE EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA ENTREGADA A LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
y
P1 Q1
De la Tabla 4, se puede apreciar que en condiciones estables, el aerogenerador consume potencia reactiva (requerida para la magnetización del campo de la máquina), al tiempo que genera potencia activa la cual se entrega a la red. En este
caso particular, Pactiva 0.75 p.u. y Qreactiva 0.30 p.u.
En términos generales, la capacidad de cortocircuito de la red permite superar el hueco de tensión durante el tiempo que dura el mismo.
El sistema es inestable durante el tiempo que demora el cortocircuito que genera el hueco.
Se concluye que en la medida que exista mayor capacidad de cortocircuito en el barraje de conexión con la red, el hueco de tensión es menos profundo, como se
evidencia en el caso 3 y 4, donde a pesar de presentarse un cortocircuito 3 directo con Zcc = 0, la profundidad del hueco fue menor al 67%.
Cuestiones
Comparar los resultados obtenidos con los diferentes modelos de red externa. ¿Cumple el P.O. 12.3 respecto a la recuperación de la tensión?, ¿y respecto a la potencia activa y reactiva?
La norma P.O 12.3 para huecos de tensión debidos a fallas equilibradas 3 establece que no se deben producir desconexiones durante el tiempo que dure el hueco de tensión en el Punto de CortoCircuito (PCC).
Obsérvese que se recupera inmediatamente la tensión en el PCC. La normativa exige que dicha recuperación deba establecerse en menos de 150 ms.
Las características de los huecos que debe resistir la instalación, es que tenga una profundidad del 80% durante 500ms (0.5s)
10
Igualmente, se debe garantizar que el aerogenerador continúe aportando al sistema eléctrico la máxima cantidad posible de corriente, de manera que el punto de funcionamiento de la instalación se recupere después de los primeros 150ms a partir del despeje de la falla.
El estándar PO 12.3 indica que para la falla equilibrada 3, como la que se estudió en este caso:
Se permiten consumos puntuales de potencia activa durante:
150 ms inmediatamente posteriores al inicio de la falla.
150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falla.
Durante el resto de la falla, siempre y cuando Pconsumida 10% Sn.
Se permiten consumos puntuales de potencia reactiva durante:
150 ms inmediatamente posteriores al inicio de la falla, siempre y
cuando Qconsumida 60% Sn. en cada ciclo de 20ms.
150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falla, siempre y
cuando Qconsumida 60% Sn. en cada ciclo de 20ms.
Teniendo en cuenta los anteriores criterios, entonces es posible resumir el cumplimiento del estándar PO 12.3 en la siguiente
Tabla 5: Validación del cumplimiento del estándar PO 12.3 en el aerogenerador
Profundidad Hueco Criterio Pactiva Criterio Qreactiva
80% No consumo de Pactiva en ningún instante. Si se cumple el estándar
Consumo de Qreactiva (150% – 300%) Sn durante más de 20 ms. No se cumple el estándar
50% No consumo de Pactiva en ningún instante. Si se cumple el estándar
Consumo de Qreactiva (120% – 200%) Sn durante más de 20 ms. También hay una leve oscilación de comportamiento capacitivo. No se cumple el estándar
Se anota que en este aerogenerador no se ha implementado ningún tipo de control, razón por la cual era previsible que no se cumplieran las exigencias del estándar PO 12.3
La superación del hueco de tensión, se confió en la capacidad de cortocircuito del PCC.
Una idea para implementar el control que permita cumplir con la normativa PO 12.3, es que se inyecte corriente reactiva durante el tiempo que demore la falla, lo cual se puede lograr mediante coordinación con el banco de condensadores.
Modelo de alineación
Realizar el modelo de una alineación con modelado emplear el circuito equivalente en
, y la siguiente configuración:
PI
COUPLED
SECTION Figura 10: Modelo de línea en
11
Los valores en por unidad por metro del cable son:
Hay que tener en cuenta que PSCAD trabaja las líneas según la teoría de ondas viajeras, por lo que se recomienda configurar pasos de integración del orden de microsegundos.
En la Figura 11 se muestra el modelo del parque eólico compuesto de 4 aerogeneradores, con su respectivo transformador y banco de condensadores.
TIME
1.01
-0.98
1S
W
TM
Suiche a modo torque
en 0.5 segPI
COUPLED
SECTION
w
S
TM
GEN2
W
TM
S
PI
COUPLED
SECTION
W
TM
S
w
S
TM
GEN1
w
S
TM
GEN3
w
S
TM
GEN4
w
TM
S
W
TM
S
PI
COUPLED
SECTION
PI
COUPLED
SECTION
ABC->G
TimedFaultLogic
0.0
00
02
5 [H
]
U
Ib
P1Q1
Po
we
r
AB
PQ
3 PhaseRMS
Figura 11: Representación del parque eólico con 4 aerogenedarores.
Modelo de la red externa
Al igual que en el caso anterior, la red externa va a modelarse mediante su equivalente Thevenin, en el que la tensión será igual a la tensión nominal y la impedancia se calculará de manera que la potencia de cortocircuito de la red sea 10, 20 y 30 veces la potencia nominal del parque.
La impedancia de corto calculará para cada una de las potencias de cortocircuito para obtener huecos de tensión del 80 y 50 % de profundidad.
El equivalente Thévenin de la capacidad de cortocircuito de la red, se puede calcular
mediante la siguiente expresión: CC
CC SUZ
2
., o equivalentemente:
CCCC Sf
UL
2
2
. En la siguiente tabla se registran los parámetros con los que se
alimenta el modelo de PSCAD.
Tabla 6: Valor de las inductancias de cortocircuito en el parque de aerogeneradores,
para la generación del hueco de voltaje
Caso IN [A] UL [V] Scc [VA] Veces
Scc Lcc [H] Lfalla [H]
Profundidad Hueco
1 2.820 398 3’367.080 5 0,0000898 0,000000 67%
2 2.820 398 3’367.080 5 0,0000898 0,000075 50%
3 2.820 398 3’367.080 10 0,0000449 0,000000 42%
4 2.820 398 3’367.080 20 0,0000225 0,000000 18%
5 2.820 398 3’367.080 30 0,0000150 0,000000 9%
Obsérvese que al aumentar la capacidad de cortocircuito en el PCC, no es posible generar huecos con 80% de profundidad (A pesar del caso extremo en que Zcc = 0).
12
En conclusión, el aumento de la capacidad de cortocircuito es una garantía para
superar rápida y efectivamente los huecos de tensión debidos a fallas 3.
En el caso anterior, se aplica una falla trifásica a la red de distribución, a la cual se conecta el parque de aerogeneradores, con una duración de 0.5s. La Tabla 7Tabla 4 presenta la respuesta del sistema, al momento de generarse el hueco de tensión (descrito anteriormente en la Tabla 6):
Tabla 7: Resultado de la simulación al generar hueco de tensión debido a cortocircuito
3, con los casos de la Tabla 6
Caso Profundidad hueco tensión Intercambio potencia
1 PROFUNDIDAD HUECO
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-12.0
-10.0
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
y
P1 Q1
2
PROFUNDIDAD HUECO
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
y
P1 Q1
3
PROFUNDIDAD HUECO
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
y
P1 Q1
4
PROFUNDIDAD HUECO
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
y
P1 Q1
5
PROFUNDIDAD HUECO
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
y (
PU
)
VOLTAJE
POTENCIA EN LA RED
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ...
...
...
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
y
P1 Q1
De la Tabla 7, se puede apreciar que en condiciones estables, el parque de aerogeneradores consume potencia reactiva (requerida para la magnetización del
13
campo de la máquina), al tiempo que genera potencia activa la cual se entrega a la
red. En este caso particular, Pactiva 3.0 p.u. y Qreactiva -1.20 p.u.
En términos generales, la capacidad de cortocircuito de la red permite superar el hueco de tensión durante el tiempo que dura el mismo, en este parque eólico.
El sistema es inestable durante los 0.5 seg, correspondientes al tiempo que demora el cortocircuito que genera el hueco.
Se concluye que en la medida que exista mayor capacidad de cortocircuito en el barraje de conexión con la red, el hueco de tensión es menos profundo, donde a pesar
de presentarse un cortocircuito 3 directo con Zcc = 0, la profundidad del hueco fue siempre menor al 67%.
Cuestiones
Comparar los resultados obtenidos con los dos modelos respecto al comportamiento ante huecos de tensión para los diferentes modelos de red externa. ¿Se cumple el P.O.12.3?
En este caso, se trata de un parque de 4 aerogeneradores. La norma P.O 12.3
establece que durante los huecos de tensión debidos a fallas equilibradas 3 no se deben producir desconexiones durante el tiempo que dure el hueco de tensión en el Punto de Corto Circuito (PCC).
Obsérvese que se recupera inmediatamente la tensión en el PCC. La normativa exige que dicha recuperación deba establecerse en menos de 150 ms.
Las características de los huecos que debe resistir la instalación, es que tenga una profundidad del 80% durante 500ms (0.5s)
Igualmente, se debe garantizar que los aerogeneradores del parque eólico continúen aportando al sistema eléctrico la máxima cantidad posible de corriente, de manera que el punto de funcionamiento de la instalación se recupere después de los primeros 150ms a partir del despeje de la falla.
El estándar PO 12.3 indica que para la falla equilibrada 3, como la que se estudió en este caso:
Se permiten consumos puntuales de potencia activa durante:
150 ms inmediatamente posteriores al inicio de la falla.
150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falla.
Durante el resto de la falla, siempre y cuando Pconsumida 10% Sn.
Se permiten consumos puntuales de potencia reactiva durante:
150 ms inmediatamente posteriores al inicio de la falla, siempre y
cuando Qconsumida 60% Sn. en cada ciclo de 20ms.
150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falla, siempre y
cuando Qconsumida 60% Sn. en cada ciclo de 20ms.
Teniendo en cuenta los anteriores criterios, entonces es posible resumir el cumplimiento del estándar PO 12.3 en la siguiente
14
Tabla 8: Validación del cumplimiento del estándar PO 12.3 en el parque de aerogeneradores
Profundidad Hueco Criterio Pactiva Criterio Qreactiva
80% No es posible generar este tipo de hueco
No es posible generar este tipo de hueco
67% No consumo de Pactiva en ningún instante. Si se cumple el estándar
Consumo de Qreactiva (600%) Sn durante más de 20 ms. No se cumple el estándar
50% No consumo de Pactiva en ningún instante. Si se cumple el estándar
Consumo de Qreactiva (400%) Sn durante más de 20 ms. También hay una leve oscilación de comportamiento capacitivo. No se cumple el estándar
< 50% No consumo de Pactiva en ningún instante. Si se cumple el estándar
Consumo de Qreactiva (150%) Sn durante más de 20 ms. Si se cumple el estándar
Se anota que en este aerogenerador no se ha implementado ningún tipo de control, razón por la cual era previsible que no se cumplieran las exigencias del estándar PO 12.3
Es importante anotar que los huecos de tensión de menor profundidad, sí se cumple el estándar PO 12.3, a pesar de no implementar el control de inyección de corriente reactiva durante el tiempo que demore la falla.
En conclusión, un sistema robusto con alta capacidad de cortocircuito, garantiza la efectiva superación del hueco de tensión.
15
PARTE 2. MODELO DE UN CONVERTIDOR LADO DE RED
En esta práctica se trata de hacer un modelo muy simplificado del convertidor del lado de red de un aerogenerador. Este modelo simplificado va a realizarse, en primer lugar, mediante tres fuentes de tensión, y posteriormente, estas fuentes de tensión serán sustituidas por un inversor formado por IGBTs.
Esta práctica está dividida en:
Transformación de tensión e intensidad desde los ejes abc a los ejes dq.
Control de P y Q
Transformación de las referencias desde los ejes dq a los ejes abc
Cambio desde el inversor ideal (fuentes de tensión) al modelo del inversor real.
Cambio de ejes
Se requiere efectuar los cambios de coordenadas que van a ser necesarios para la realización de esta práctica. Existen diferentes ejes dq, que se seleccionarán dependiendo del sistema que se desee modelar. Para el modelado de sistemas con máquinas asíncronas, tanto si se comportan como generador como si lo hacen como motor, el sistema seleccionado es el que aquí se ha denominado “notación motor”, que cumple, como se muestra en la Figura 12:
El eje q adelanta π/2 respecto al eje d
La componente q de la tensión del estator es igual a la parte real de la tensión, y el eje d igual a la parte imaginaria.
En este sistema de ejes, el eje q se emplea para el control de potencia activa y el eje d para el de potencia reactiva
Figura 12: Paso de abc a dq.
Este cambio de ejes se realiza en dos pasos. Primero se realiza una transformación desde los ejes abc a unos ejes dq fijos (dsqs).
16
El valor K = 2/3 se emplea cuando se desea que la potencia del sistema bifásico coincida con el del sistema trifásico de partida.
Una vez obtenidas las tensiones Uqs y Uds puede calcularse el ángulo θq = Tan-1(Uds/Uqs).
Y puede aplicarse la matriz de transformación:
Para hacer el paso contrario, pasar desde los ejes dq a los ejes abc se utilizará la inversa de esta matriz:
Control de P y Q
Con el sistema de ejes seleccionado, el control de potencia activa se realiza mediante el eje q y el de potencia reactiva mediante el control del eje d. De modo que las referencias para las corrientes en los ejes de y q se calculan de la siguiente forma:
Idref = Qref/Uq ; Iqref = Pref/Uq
El cálculo de estas expresiones está relacionado en la figura 19
Sistema a modelar
El sistema a modelar según la Figura 13, y las consignas (Va_cont, Vb_cont y Vc_cont) se calcularán según la Figura 14
A
B
C
A
B
C
Po
we
r
AB
PQ
Ia_m
Ib_m
Ic_m
0.4e-3 [H]
0.4e-3 [H]
0.4e-3 [H]
Ia
Ib
Ic
Va_cont
Vb_cont
Vc_cont
Va
Vb
Vc
A
B
C
RED EXTERNARED EXTERNAINVERSOR
PQ
Figura 13: Sistema a modelar.
17
A
B
C
A
B
C
Po
we
r
AB
PQ
Ia_m
Ib_m
Ic_m
0.4e-3 [H]
0.4e-3 [H]
0.4e-3 [H]
Ia
Ib
Ic
Va_cont
Vb_cont
Vc_cont
Va
Vb
Vc
A
B
C
RED EXTERNARED EXTERNAINVERSOR
PQ
Ua
Ub
Uc
U_alfa
U_beta
U_d
U_q
TETA
Transf
ABC -->
ALFA, BETA
DQ & TETA
Va
Vb
Vc
TRANSF
ABC
DQ-TETA
Ia
Ib
Ic
I_alfa
I_beta
I_d
I_q
ANGULO
Ia
Ib
IcTIME
Pref
TIMEQref
Vd
Vq
Id
Iq
N
D
N/D
Vq
Qref Id_ref
N
D
N/D
Vq
Pref Iq_ref D+
F
+
D+
F
+
Iq
Id
I
P
I
P
Vd_control
Vq_control
TRANSF
DQ
ABC
U_d
U_q
Ua
Ub
Uc
TETA
TETA
TETA
Va_cont
Vb_cont
Vc_cont
Figura 14: Referencias de Tensión.
Los modelos de transformada de Park y su inversa se pueden apreciar en la Figura 15 y en la Figura 16.
El controlador PI se configura según los siguientes parámetros: Kp = 5, Ki = 0.01
TETA
Ua
B
+
D+
F
+*
Ub
*
Uc
U_q
Sqrt (2)
D+
F
+*
Ub
*
Uc
1/Sqrt(3)
*
*-0.5
factor
*
factor
*-0.5
1
1
1/Sqrt(2) *-1
1/Sqrt(2)
U_d*
factor
N
D
N/DU_d
*-1
U_q
ArcTanTETA
U_q
U_d
A
B
Ctrl
Ctrl = 1
A
B Compar-ator
0
Pi
0
U_q
D+
F
+
Figura 15: Paso de abc a dq en PSCAD
18
Ua
Ub
Uc
Cos
Sin
D+
F
+*
U_q
*
U_d
factor
TETA
TETA
Ua*
factor
Sqrt (2) *
1/Sqrt(3)
Cos
Sin
D+
F
+*
U_q
*
TETA Ub*
factor
D+
F
-
2 Pi by 3
U_d
TETAD+
F
-
2 Pi by 3
Cos
Sin
D+
F
+*
U_q
*
TETA Uc*
factor
D+
F
+
2 Pi by 3
U_d
TETAD+
F
+
2 Pi by 3
Figura 16: Paso de dq a abc en PSCAD
El ángulo de sincronización se aprecia en la Figura 17, el cual varía entre -/2 y 3/2.
THETA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
y (
RA
DIA
NE
S)
ÁNGULO DE SINCRONIZACIÓN
Figura 17: Ángulo de Sincronización de la transformación de Park
El intercambio de potencia con la red, se establece a partir de la configuración de las variables Pref y Qref. En la Tabla 9 quedan contenidas las posibles respuestas, en cuyo caso el convertidor puede tener un comportamiento capacitivo, inductivo (Regulación de Qred) o un comportamiento como inversor o rectificador (regulación de Pred).
19
Tabla 9: Inyección de potencia en la red desde el convertidor
Caso Potencia en la red Referencia de potencia
Pref > 0 y Qref > 0
INTERCAMBIO DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-25.0
-20.0
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
yP_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-0.50
1.10
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Pref > 0 y Qref < 0
INTERCAMBIO DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-25.0
-20.0
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
y
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Pref < 0 y Qref > 0
INTERCAMBIO DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
y
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Pref < 0 y Qref < 0
INTERCAMBIO DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
y
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ...
...
...
-1.30
0.40
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Nótese que el convertidor siempre inyecta potencia activa a la red, y adicionalmente, regula la potencia reactiva, con factor de potencia capacitivo o inductivo, según la combinación de Pref & Qref elegida.
Modelo real de inversor
Una vez realizado el modelo ideal del inversor, se realizará el modelo real, en el que se tendrán en cuenta las conmutaciones.
Para que las conmutaciones sean tenidas en cuenta, sería necesario un paso de integración del programa muy pequeño (como mínimo 10 veces menor que el paso de conmutación).
En PSCAD/EMTDC se emplean pasos de integración mayores. Para subsanar este problema, lo que hace es realizar interpolaciones. Para comprender el funcionamiento
20
de estas interpolaciones se recomienda leer los temas referentes en la ayuda de la herramienta. Así los elementos marcados con el símbolo son componentes con interpolación habilitada. En el modelo de inversor real, las referencias calculadas en el paso anterior, son comparadas con una onda triangular de 5000 Hz, obteniendo las conmutaciones de los IGBTs del inversor.
El siguiente paso consiste en la implementación de las fuentes controladas de tensión, con puentes trifásicos inversores, compuestos de IGBT’s.
El convertidor estándar de 2 niveles es utilizado doblemente en la estructura de conversión de potencia eólica de máquinas doblemente alimentadas. Uno de los convertidores se encarga de controlar el bus de continua y es capaz de intercambiar energía con la red en cualquier sentido. A este convertidor se le denomina Active Front End, AFE, y puede además intercambiar potencia reactiva inductiva o capacitiva de forma totalmente controlada (Figura 18).
Figura 18: Esquema completo de la máquina asíncrona doblemente alimentada.
Se desarrollará el AFE utilizando un convertidor trifásico, de dos niveles, con conmutaciones PWM y cuya función es la de asegurar un nivel de tensión estable en el bus de continua.
La Figura 19 muestra un esquema de PSCAD similar al que se implementa, donde se muestran los principales componentes.
Bus de continua. Formado normalmente por la conexión serie de condensadores electrolíticos de gran capacidad. En el entorno de los 10 mF a los 50 mF. Su tensión nominal (Vbus_ref) típicamente va desde los 800 V hasta los 1200 V (dependiendo del tipo de IGBT utilizado en el convertidor). En esta práctica, se configura el bus a 1.15 KVDC.
Convertidor trifásico de 2 niveles utilizando IGBTs. Convertidor clásico donde la tensión de bus sobre la que trabajará dependerá de la tecnología de IGBT utilizada. Con IGBTs de 1200 V de tensión nominal, la máxima tensión de bus recomendable estará en el entorno de los 850V. Con IGBTs de 1700 V, la tensión de bus máxima estará en el entorno de los 1200 V, que son los que se emplean en esta práctica.
Inductancia de acoplamiento con la red. Estas inductancias permiten el acoplamiento con la red y serán las encargadas de soportar las diferencias de tensión instantáneas entre las tensiones sintetizadas por el convertidor
(pulsantes) y las de red (senoidales). Su valor puede estar en el rango de 200 H
21
a 2 mH. En esta práctica se utiliza una inductancia de 0.4 mH y una resistencia asociada de 0.01Ω.
Sensores de corriente. Medida de las corrientes trifásicas. Normalmente se utilizan LEMs de corriente.
Sensores de tensión de red. Las medidas de tensión de red permitirán la sincronización con la misma y ello posibilitará controles desacoplados de la potencia activa y la reactiva.
Sensor de la tensión del bus. Este sensor mide la tensión de bus y permitirá posteriormente preparar un control de la misma.
Filtro de armónicos (no dibujado). Este filtro se utiliza en prácticamente todos los convertidores reales. Permite reducir notablemente la distorsión armónica de las corrientes de acuerdo a las exigencias de las normativas aplicables.
A
B
C
A
B
C
Po
we
r
AB
PQ
Ia_m
Ib_m
Ic_m
0.4e-3 [H]
0.4e-3 [H]
0.4e-3 [H]
Ia
Ib
Ic
Va
Vb
Vc
A
B
C
RED EXTERNAINVERSOR
PQ
Ua
Ub
Uc
U_alfa
U_beta
U_d
U_q
TETA
Transf
ABC -->
ALFA, BETA
DQ & TETA
Va
Vb
Vc
TRANSF
ABC
DQ-TETA
Ia
Ib
Ic
I_alfa
I_beta
I_d
I_q
ANGULO
Ia
Ib
Ic
TIMEPref
TIMEQref
Vd
Vq
Id
Iq
N
D
N/D
Vq
Qref Id_ref
N
D
N/D
Vq
Pref Iq_ref D+
F
+
D+
F
+
Iq
Id
I
P
I
P
Vd_control
Vq_control
TRANSF
DQ
ABC
U_d
U_q
Ua
Ub
Uc
TETA
TETA
TETA
Va_cont
Vb_cont
Vc_cont
IGBT2
an D
an IGBT2
bn D
bn IGBT2
cn D
cn
IGBT2
al D
al IGBT2
bl D
bl IGBT2
cl D
cl
R=
0
Vbus
N
D
N/DVbus V_bus_2
2
triangular
A
B Compar-ator
N
D
N/D
triangular
V_bus_2
an
al
A
B Compar-ator
N
D
N/D
triangular
V_bus_2
bn
bl
A
B Compar-ator
N
D
N/D
triangular
V_bus_2
cn
cl
Ia
Ib
Ic
Va
Vb
Vc
I_bus
0.01 [ohm]
0.01 [ohm]
0.01 [ohm]
Figura 19: Convertidor trifásico del lado de red (AFE)
El circuito 3 completo, incluye modulación trifásica con conversión a ejes ABC de las referencias. La tensión de bus se establece por medio de una fuente de 1.15 KVDC. Las señales de modulación son ahora P_ref y Q_ref, magnitudes en DQ representativas de las tensiones trifásicas que sintetizará el convertidor.
Al realizar la simulación, sin efectuar la conexión a la red 3 de 690V, se obtiene la respuesta indicada en la Figura 20.
Se puede identificar que las corrientes no son perfectamente senoidales, pues tienen algún contenido de armónicos, como efectivamente se puede apreciar en la Figura 20, aunque se evidencia que el armónico fundamental es el que tiene el mayor aporte de potencia.
Al conectarse el inversor a la red, la onda de tensión se armoniza con la de la red, razón por la cual, no es posible observar los armónicos de la onda de voltaje.
22
CORRIENTES DE LÍNEA
0.00 0.10 ...
...
...
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
y (
kA
)
Ia Ib Ic
VOLTAJES DE FASE
0.00 0.10 ...
...
...
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
y (
kV
)
Va Vb Vc
SEÑALES PARA MODULACIÓN PUENTE DE IGBT´s
0.00 0.10 ...
...
...
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
y (
pu
)
modulacion_fas... modulacion_fas... modulacion_fas...
Figura 20: Resultados convertidor 3 con conexión a la red
El intercambio de potencia con la red, se establece a partir de la configuración de las variables Pref y Qref, de manera similar a la presentada en la Tabla 9.
La Tabla 10 quedan contenidas las posibles respuestas, en cuyo caso el convertidor puede tener un comportamiento capacitivo, inductivo (Regulación de Qred) o un comportamiento como inversor (regulación de Pred).
Tabla 10: Inyección de potencia en la red desde el modelo real del inversor.
Caso Potencia en la red Referencia de potencia
Pref > 0 y Qref > 0
FLUJO DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
y (
MW
,MV
AR
)
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
23
Caso Potencia en la red Referencia de potencia
Pref > 0 y Qref < 0
FLUJO DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
y (
MW
,MV
AR
)
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Pref < 0 y Qref > 0
FLUJO DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
y (
MW
,MV
AR
)
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Pref < 0 y Qref < 0
FLUJO DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
y (
MW
,MV
AR
)
P_red Q_red
REFERENCIA DE POTENCIA
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ...
...
...
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
y (
pu
)
P_referencia Q_referencia
Para mantener el bus bajo control y su potencia constante en 1.15 KVDC, se deben realizar intercambios de potencia activa con la red.
Si la tensión tiende a bajar se debe absorber potencia de la red para restablecer el equilibrio (funcionamiento como rectificador). Si por el contrario la tensión tiende a subir, se deberá evacuar potencia hacia la red (funcionamiento como inversor).
La referencia de corriente en el eje Q está asociada a la potencia activa intercambiada con la red.
Nótese que en este caso, el convertidor siempre consume potencia activa desde la red, y adicionalmente, regula la potencia reactiva, con factor de potencia capacitivo o inductivo, según la combinación de Pref & Qref elegida. De esta manera, se logra dar respuesta en la acción del control para estabilización del bus DC.
Como comentario final, en la práctica se pudo verificar que el control DQ es fácil de configurar y muy apropiado para este tipo de aplicaciones. El convertidor puede corregir fácilmente el factor de potencia y mantener la estabilidad del sistema.
Queda demostrada de esta manera, la conveniencia de implementar estas aplicaciones de electrónica de potencia.
