IMPSA 2

Características eléctricas de Aerogeneradores de gran potencia y su integración al Sistema

Argentino de Interconexión (SADI)

Seminario “Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores”

Ing. Pablo [email protected]

Estudios Eléctricos y Electrónica de PotenciaIMPSA Wind - Mendoza

mailto:[email protected]

2Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

Índice de Contenidos

• Aerogeneradores de velocidad fija Vs. velocidad variable

• Tipos de Generadores y Conversores de Frecuencia

• Características eléctricas de los Aerogeneradores IMPSA

• Aspectos reglamentarios para ingreso de generación eólica en la red argentina –CAMMESA

Desafíos de la energía eólica en el SADIAnexo 40 de los procedimientosClasificación de parques eólicosCurvas de capacidad P-Q y Control de tensiónTolerancias a perturbaciones de la red (tensión y frecuencia)Control Conjunto de TensiónPredicción del vientoProcedimiento técnico N° 4

• Fotografías aerogeneradores y proyectos de IMPSA en ejecución


Generación a velocidad fija versus velocidad variable

Aerogeneradores de velocidad fija

• Los aerogeneradores de velocidad fija eran prácticamente un estándar en la década del 90.

• “Velocidad fija” significa que, independientemente de la velocidad del viento incidente, la velocidad de rotación de la turbina es constante y está determinadapor la frecuencia de la red en donde se encuentra conectado (n = 60 x Frec / Ppolos)

Aerogeneradores de velocidad variable

• Consituyen el estándar actual, están diseñados para obtener la máxima eficiencia aerodinámica sobre un amplio rango de velocidades de viento.

• Los sistemas elécticos/electrónicos son más complejos que el caso anterior, ya quese requiere de electrónica de potencia para controlar el torque frenante del generador.


Generación a velocidad constante versus velocidad variable


Generación a velocidad constante versus velocidad variable

Ventajas Desventajas

Velocidad Fija

• Bajo costo en equipos eléctricos

• Simple, robusto• Décadas en funcionamiento

• Menor captación de energía• Grandes fluctuaciones de torque (stress

mecánico)• Grandes fluctuaciones de potencia

entregada a la red (y tensión en redes débiles)

Velocidad Variable

• Mayor captación de energía

• Menor stress mecánico• Mejor calidad de energía

• Mayores costos en equipos eléctricos• Pérdidas en electrónica de potencia• Mayor número de componentes


Tipos de Generadores / Conversores de Frecuencia

• Comienza a generar cuando la velocidad del rotor del generador supera a la frecuencia de la red. Por ejemplo, para un generador de 1500rpm, la potencia nominal se entregará a los 1515 rpm. Otras características

• Necesita reactivo de la red para comenzar a operar• Las fluctuaciones del viento producen fluctuaciones mecánicas• Grandes fluctuaciones en la potencia eléctrica entregada, no siendo apto para

operar en redes débiles.

Velocidad Fija:

Generador asíncrono – Jaula de ardilla

STATICVAR

COMPENSER

SCIG3

Interruptor Lado

GeneradorTransformador

Elevador

Hacia Red de Interconexión

Soft-StarterCaja

Multip.

Generador a Inducción

Jaula de ardilla


CajaMultip.


STATICVAR

COMPENSER

Wound Rotor Induction Generator

3WRIG

Soft-StarterTransformador

Elevador

Interruptor Lado

Generador

ResistenciaVariable


• La resistencia del rotor es controlada para variar el deslizamiento (Slip), y de esta forma controlar la potencia del sistema. El rango del control dinámico de velocidad depende del tamaño de la resistencia. Típicamente el rango de velocidad es 0-10% por encima de la velocidad de sincronismo.

• Respecto al generador SCIG, presenta las siguientes diferencias:• Mayor captación de energía• Requiere unidad de anillos rozantes y un sistema de conmutación de resistencias

Velocidad variable limitada:

a) Generador a inducción de rotor bobinado


Resist.Chopp.

TC T4 T5 T6


T1 T2 T3

TransformadorElevador

3WRIG

Interruptor Lado Red

Reactor de Linea

y F.A.

CajaMultip.

Crowbar


• El bobinado estatórico se conecta directamente a la red, mientras que el bobinado del rotor es excitado con un conversor de frecuencia de baja potencia.

• El conversor aplica una tensión al rotor de una frecuencia tal que, sumado a la frecuencia de giro del rotor, iguala a la frecuencia de la red:

Fconv+Fgenerador = Fred• Velocidad de funcionamiento: -40% al +30% de la velocidad nominal• Bajo costo en conversor de frecuencia, y menores dimensiones del equipamiento• Manejo de baja potencia reactiva inyectada/absorvida a la red

Velocidad variable limitada:

b) Generador a inducción doblemente alimentado (DFIG)


T1

T4 T5

T2

T6

T3

T4

T1

T5 T6

T2 T3

DCBUS

FILTRO dV/dt

Interruptor Lado

Generador

PMSG3

Reactorde Línea

Filtro de armónicos


Precarga DC Bus



TC

Resist.Chopp.


• Topología utilizada por IMPSA en aerogeneradores de 1.5MW y 2.1MW• Emplea un conversor de frecuencia de potencia total, permitiendo la transferencia de

energía desde los bornes del generador, con una tensión y frecuencia variable dependiente de la velocidad de rotación. Otras características:

• Utiliza control vectorial que garantiza un máximo rendimiento.• Puede operar ante huecos de tensión en la red (característica LVRT)• Amplio manejo de potencia reactiva, aún con la unidad detenida (permite controlar V

ó cosFi en PC).

Velocidad Variable:

a) Generador síncrono de imanes permanentes - Trifásico



Resist.Chopp.DC

BUS

TC

PMSG6

InterruptoresLado

Generador

FILTRO dV/dt

FILTRO dV/dt


Reactorde Línea



Precarga DC Bus


• Presenta característica similares a la topología anterior.• Cada generador trifásico tiene su propia etapa de rectificación con IBGTs, las cuales

comparten un mismo bus de CC. • El conversor lado red es exactamente igual en todas las configuraciones con

conversor full power.

Velocidad Variable:

b) Generador síncrono de imanes permanentes – Hexafásico

b.1) Rectificación activa



6PMSG

Interruptor Lado

Generador

T4

T1 Reactorde Línea

T5 T6


T2 T3Interruptor Lado Red

Precarga DC Bus



DCBUSVariable

Compensación

TE1 TE2 T4

DCBUSConstante

Resist.Chopp.

Inductancias

• Topología empleada por IMPSA en aerogeneradores de 1.5MW en Brasil, bajo licencia Vensys.• Utiliza diodos para rectificación y capacitores de compensación. • Cuenta con 2 buses de CC, uno de amplitud variable en función de la velocidad de rotación, y

otro regulado mediante una fuente conmutada elevadora (boost converter). • La ausencia de PWM en los cables del generador hace que los requerimientos para

interferencias EMI sean mínimos: cables sin pantalla, montaje de cables sobre abrazaderas (no hace falta emplear bandejas con tapas, etc)

Velocidad Variable:

b) Generador síncrono de imanes permanentes – Hexafásico

b.2) Rectificación pasiva



• Con la aparición de nuevas tecnologías en transistores de potencia, es posible manejar cada vez mayores tensiones y corrientes.

• Para aerogeneradores de gran potencia (>3MW) se está comenzando a utilizar conversores multinivel, que presentan las siguientes mejoras:

• Manejo de mayores tensiones, lo que implica menores corrientes y pérdidas.• La forma de onda PWM es menos distorsionada respecto al conversor de 2 niveles,

por lo que el filtrado de armónicos es más simple, además de no producir interferencias EMI con el resto del equipamiento.

Velocidad Variable:

c) Generador síncrono ó asíncrono en MT

Conversor convencional (2 niv.)

Conversor multinivel


CajaMultiplicadora

Generador Asincróno

CuboTurbina

Aerogenerador Asíncrono Convencional


Cubo Rotor

Estator Interno

Polos IP

Concepto

La tecnología Unipower es un concepto innovador desarrollado por IMPSA, a través del cual se vinculan directamente las palas al rotor del generador, evitando la utilización de ejes y piezas innecesarias.


Características Aerogeneradores IMPSA

• Modelo:

• Tipo: Direct Drive – Permanent Magnet• Potencia Nominal: 1.5 y 2,1 MW

• Diámetro Rotor: 70, 83, 93 y 100 mts.

• Altura de Torre: 70, 85 y 100 mts.

• Clase IEC: S – I – II – III

• Diseño de Torre: Cilíndrica cónica – Acero

• Generador: PMSG (permanent-magnetsynchronous generator)

• Velocidad nominal de giro: 19 -15 rpm

• Control de Potencia: activo, Pitch Control, con servomotores

• Conversor de Frecuencia: Back-to-back, Full-power

• Capacidad LVRT

• Generación reactivo a rotor detenido

I-83 2,1 MW – Clase II – La Rioja


Características Direct Drive –Permanent Magnet

Acoplamiento directo entre la turbina y el generador sin necesidad de cajamultiplicadora.

Menor mantenimiento

Menor stress mecánico

Mayor flexibilidad para integrarse a los sistemas eléctricos:

Soporta huecos de tensión (LVRT)

Aptos para control de tensión en punto de conexión

Generación de energía reactiva auncon rotor detenido. Funcionamientocomparable a SVC

No requiere anillos rozantes dePotencia

Mayor eficiencia

Mayor disponibilidad

Menor cantidad de piezas rotantes


Diseño e Ingeniería Nacional

IMPSA - Aerogeneradores

Góndola

Conversor

Palas

Torre

Generador

Aerogenerador


Construcción Nacional

IMPSA - Aerogeneradores

Góndola

Conversor

Palas

Torre

Generador

Aerogenerador


Certificados y Patentes de diseño

Certificado Rotor Certificado Torre


Certificado Equipamiento Eléctrico Certificado de DISEÑO



Patente de Invención



Lay-out equipos en Góndola

Equipos

• Generador

• Sistema de control de Pitch

• Sistema de control de Yaw

• Instrumentos anemométricos

• Paneles de Control y

Distribución

• Interruptor y fusibles del

generador


Lay-out equipos en Torre

• Transformador principal

• Celda de Media tensión

• Conversor de Frecuencia

• Sistema de refrigeración

• Tablero control local y

distribución

• Filtro de armónicos

• Interruptor principal

• UPS

Equipos


Aerogenerador Direct Drive – Permanent Magnet

Diagrama Unifilar de potencia

PMSG3

T4 T5

dV/dt Filter

+CBN T1 T2 Main C.B.

T6 TC T4 T5

T3 T1 T2

T6

T3 UNIT TRANSFORMER

GR

ID

LineReactor

+CONV

+CBB

Permanent MagnetSynchronous Generator

dv/dt Filter Harmonic FilterDynamic braking resistor

DC Bus BAR Line Reactor

Pre-charge circuit

TransformerGenerator CB& Fuses

Generator’s Side3-phase rectifier

Grid’s Side3-phase inverter


Principio de Funcionamiento –Potencia Activa

T1

T4 T5

T2

T6

T3

T4

T1

T5 T6

T2 T3

DCBUS

FILTRO dV/dt

Interruptor Lado

Generador

PMSG3

Reactorde Línea



Precarga DC Bus



TC

Resist.Chopp.

Filtro dV/dt- Sobretensiones- EMI+ Vida aislación

RectificadorBUS CC Inversor Chopper

(RFD)

Reactor de línea Filtro de armónicosTHD <5%

Generador síncrono Imanes permanentes


Principio de Funcionamiento –Potencia Reactiva

T1

T4 T5

T2

T6

T3

T4

T1

T5 T6

T2 T3

DCBUS

FILTRO dV/dt

Interruptor Lado

Generador

PMSG3

Reactorde Línea



Precarga DC Bus



TC

Resist.Chopp.

Filtro dV/dt- Sobretensiones- EMI+ Vida aislación

RectificadorBUS CCInversor Chopper(RFD)

Reactor de línea Filtro de armónicosTHD <5%

Generador síncrono Imanes permanentes


Aspectos reglamentarios para el ingreso de generación eólica al SADI

Desafíos de la Energía Eólica en el SADI• La Energía Eólica puede tener un crecimiento significativo en los

próximos años.

• El balance CONSUMO-GENERACIÓN debe asegurarse todo el tiempo.

• El aumento de energía eólica requerirá cambios en la OPERACIÓN, PROTECCIÓN y CONTROL del SADI.

• Los efectos adversos de esta generación variable sobre la red deberán ser minimizados.

• Es necesario identificar los DESAFÍOS TÉCNICOS y las SOLUCIONES MÁS EFICIENTES para permitir la máxima integración posible de energía eólica al SADI.



Anexo 40:

• Condición para ser generador del MEM: parque > 1 MW• Cumplir requisitos para el ingreso de nueva generación al MEM.



Clasificación de Parques Eólicos

• Se define como “mayor variación rápida” al valor de la máxima variación estimada de potencia activa, dentro de cada 10 minutos.

• Se define como “mayor variación frecuente” al valor de la máxima variación de potencia activa dentro de cada hora, de los 6 valores de potencia media cada 10 minutos.



• Control Conjunto de Tensión del Parque, consignando tensión ó potencia reactiva por aerogenerador Tipo A.

• Pendiente de toma de carga programable y limitación de variaciones rápidas de potencia Tipo A

• Reducción controlada de potencia ó DAG Tipo A.• Tolerancia a huecos de tensión (LVRT) Tipo A.• Medición y pronóstico del viento Tipo A.• Tolerancia a desvíos de la Frecuencia Tipo A y B• Calidad del producto acorde IEC 61400-21 Tipo A y B• Control de CosFi Tipo B

Requisitos técnicos a cumplir por el Parque Eólico



Curvas de Capacidad PQ y Control de tensión


Diagrama de Capabilidad y modos de Operación

PQ Turbina DFIG PQ Turbina Full Converter

Modos de operación y diagrama PQ


Control Conjunto de Tensión en Parques Eólicos

Esquema general Control Conjunto de Tensión (CCT) – Parques tipo A

13.8kV10 MVA

138kV30 MVA

33kV30 MVA

ET Aimogasta ET La Rioja

Entrada12 Aerogeneradores

IWP 83 - 2.1MW

SSAA Medición

33kV

33kV/110V

VmA

AI AO DI DO COM

Hardware CCT

P L C

SWITCH

INTERFACE

SWITCH

PLC

Controlador Conversor de Frecuencia

Conversor Lado RED

Conversor Lado GENERADOR

BUS CC

PMSG3

Psetpoint

Qsetpoint

AEROGENERADOR 1

0.789/33kV 2.3 MVA

SWITCH

PLC

Controlador Conversor de Frecuencia

Conversor Lado RED

Conversor Lado GENERADOR

BUS CC

PMSG3

Psetpoint

Qsetpoint

0.789/33kV 2.3 MVA

.......

AEROGENERADOR 12

132 kV

DODO

Banco de Capacitores/Inductores(NO APLICABLE EN

ESTA ETAPA)

Fibr

a Ó

ptic

a

SCADA PARQUE


Modos de Operación

Pendiente de toma de carga programable – Parques tipo A


Modos de Operación

• El Parque Eólico debe mantenerse conectado al sistema frente a huecos de tensión debidos a fallas externas como por Ej. Cortocircuito o Desconexión de generadores.

Tolerancia ante huecos de tensión (LVRT)

Perfil LVRT en PCC del parque Perfil LVRT en bornes aerogen.


Requisitos de acceso Parques Eólicos -Argentina

Medicion y prónóstico del viento – Tipo A

• Para la operación del Parque Eólico, el mismo deberá contar con un pronóstico de viento:

• Con 48hs de anticipación, para la programación diaria de despacho

• Actualizado cada 4 horas (6 veces por día)

• Se prevé una bonificación para aquellos parques que cuenten con pronósticos más exactos, así como se multarán a aquellos cuyo pronóstico se aleje de la realidad en un determinado margen de error.

• Todo esto lleva a implementar sistemas de mediciones on-line, utilizando datos instantáneos.


Requisitos de acceso Parques Eólicos- Argentina

• El parque debe tolerar excursiones transitorias de la frecuencia similares al resto del parque generador

• Sin la actuación de relés instantáneos entre 47,5 Hz y 52 Hz

• 15 seg. mínimo entre 47,5 y 48 Hz, y 51,5 y 52 Hz

• 25 seg. mínimo entre 48 y 49 Hz, y 51 y 51,5 Hz

• Sin límite de tiempo entre 49 y 51 Hz

Aptitud para soportar variaciones de frecuencia – Tipo A y B



• Se deben instalar los equipamiento necesario para garantizar que la emisión de armónicas emitidas por el parque eólico esté dentro del rango permitido.

• IEEE 519 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”

• Específico para aerogeneradores IEC 61400-21 “Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind farm”

Calidad de Energía



OBJETIVOS DE LOS ENSAYOSOBJETIVOS DE LOS ENSAYOS: Verificar

• La curva de capacidad P-Q del Parque Eólico en el Punto de conexión con la red.• La capacidad operativa del Parque Eólico:

• Arranque de aerogeneradores• Medición del máximo gradiente de toma de carga del parque eólico • Reducción controlada de la potencia • Medición de las variaciones de carga por variaciones rápidas del viento • Transitorios de desconexión/conexión parcial o total de Parque Eólico• El impacto de la Central Eólica sobre la calidad del servicio• Medición contenido armónicas• Medición Flicker

• La respuesta del Parque Eólico ante perturbaciones de la red• Los parámetros clave para homologar el/los Modelo/s para estudios de transitorios

electromecánicos en el SADI.

NOTA: Los procedimientos nombrados se encuentran actualmente en confección por parte de CAMMESA, por lo que el listado no es taxativo y puede sufrir modificaciones.

Procedimiento Técnico N°4 (PT4) - Cammesa



Diagrama PQ del Parque Eólico

En el Punto de Conexión del Parque Eólico con la red, se tomarán MEDICIONES de P, Q, F y V en condiciones operativas normales, con el objeto de relevar durante el primer mes de funcionamiento la capacidad máxima de absorción e inyección de potencia reactiva de todo el parque generador en RÉGIMEN PERMANENTE (valor medio en un período de 5 minutos).

Como mínimo se deberá presentarlos siguientes puntos:

Pg > 80 % Potencia nominal50 % < Pg < 80% Potencia nominal20 % < Pg < 50% Potencia nominalPg < 20% Potencia nominal



Procedimientos homologación modelo del aerogenerador

• Para Aerogeneradores a ser conectados en parques tipo A, CAMMESA aún no oficializa los procedimientos de homologación. Se está esperando que se hagan las primeras experiencias en el parque Arauco I, Etapa II (25.2MW - La Rioja) para plasmarlas en los procedimientos.

•Para aerogeneradores de parques tipo B, se verificará:

• Curva PQ• Consigna de potencia reactiva• Consigna de factor de potencia• Medición del gradiente de toma de carga• Ensayos de desconexión del aerogenerador• Ensayos de calidad del servicio

45Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción. 45

Convertidor de Frecuencia – Full Converter


Generador síncrono


Aerogeneradores IMPSA

Aerogenerador I 70S – 1,5MW e I 83 II – 2,1MW

I-83 II La Rioja I-70 S Comodoro Rivadavia


-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 5 10 15 20 25

Wind speed [m/s]

Pow

er [k

W]

0.0%

2.0%

4.0%

6.0%

8.0%

10.0%

12.0%

14.0%

16.0%

Rho=1.225 Kg/m3 Rho=1.155 Kg/m3 Weibull

Desarrollos Parques Eólicos –Generación Energía

Modelo de estela

Layout optimizado

Mapa eólico

Calculo de Energía


Obras Eléctrica - Subestación -Parques Eólico Arauco

• Niveles de Tensión

• 33/132kV

• Potencia Total

• 2 x30 MVA

• Normas y Requerimientos

• IEC- IRAM – Agua y Energía

• Disposición – Layout P/C

• Barra principal y Transferencia

• Protecciones

• Líneas: Sobrecorriente e impedancia

• Transformadores: Sobrecorriente y diferencial

• Expansiones

• Espacio para ampliación 30MVA

Principales Características


Obra Eléctrica - Redes internas 33kV-Parques Eólico Arauco

• Potencia Nominal• 25,2MW

• Longitud• 4,5km

• Tensión Nominal• 33kV

• Aérea • Conductor

• Aleación Aluminio • Estructuras Concreto • Pararrayos • Comunicación FO

Principales Características


Obras Civiles

Las fundaciones deben ser diseñadas para soportar los aerogeneradores bajo cargas extremas.

Características Geométricas:

• Superficiales o profundas• Fundación circular• Diámetro base φ16m• Volumen hormigón aproximado de

330 m3• Cota fundación N-3.00

Fundaciones


Montaje GóndolaMontaje Torre

Aerogenerador I 77S – Potencia 1.5MW


Montaje Rotor

Aerogenerador I 77S – Potencia 1,5MW

Pala 34 mts


Arauco 12 Aerogeneradores IMPSA I-83 II

Parque Eólico Arauco La Rioja Potencia 25,2MW


¡ Muchas Gracias por vuestra atención !

IMPSA 2

Technology

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