11

DESAFDESAFÍÍOS TECNOLOS TECNOLÓÓGICOS PARA LA GICOS PARA LA ENERGENERGÍÍA EA EÓÓLICA. EL ENFOQUE LICA. EL ENFOQUE

ACADACADÉÉMICOMICO

Dr. Ing. Roberto Daniel FernDr. Ing. Roberto Daniel FernáándezndezFacultad de IngenierFacultad de Ingenierííaa

Dto. de ElectrDto. de ElectróónicanicaUniversidad Nacional de la PatagoniaUniversidad Nacional de la Patagonia

San Juan BoscoSan Juan Bosco

22

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones.

33

IntroducciIntroduccióón n • En 2001 "Hacia una estrategia europea de seguridad del abastecimiento energético", de la Comisión Europea: "Si no se toman medidas, en los próximos 20 a 30 años el 70% de la energía de la Unión, en comparación con el 50% actual, serán cubiertos por productos importados.”• En términos geopolíticos, el 45% de las importaciones de petróleo proceden de Oriente Medio y el 40% de gas natural, de Rusia. • Entre los objetivos que se que se persiguen son los de equilibrio y diversificación de las diferentes fuentes de abastecimiento (por productos y por región geográfica). • El World Energy Council en 2050, el mix energético mundial debería componerse de, al menos, ocho fuentes de energía (carbón, petróleo, gas, nuclear, hidráulica, biomasa, eólica y solar) ninguno con una participación del 30% del mercado. • Reorganización de la red eléctrica tanto tecnológicamente como en términos de mercado.• La integración de las energías renovables y otras fuentes de energía distribuidas en los sistemas de generación existentes y los futuros sistemas de energía eléctrica representa un reto tecnológico enorme.

44

IntroducciIntroduccióón. Redes n. Redes actualesactuales

• Redes actuales (en el mundo): la mayoría de la electricidad es generada en grandes centrales eléctricas.• Red pasiva.• Flujo de potencia en una sola dirección.

La mayoría de los países europeos han comenzado a liberar el mercado de la electricidad. Múltiples gestores de redes de transmisión (TSO´s) y operadores de redes de distribución (DSO´s), participarán de una red eléctrica transparente con el gobierno como ente regulador. Este escenario permitirá un aumento de la penetración de las fuentes de energía renovables y otra generación distribuida (DG) junto a un papel activo de los DSO´s en el control de la estabilidad de la red, optimizando las potencias centrales y distribuidas de la red, interconexión, etc.

55

IntroducciIntroduccióón. Redes n. Redes futurasfuturas

La estructura de este modelo es modular en comparación con las conexiones actuales lineales/radiales. Pequeñas áreas (locales) de control y servicios del sistema basado en la conectividad.

TIC´s y electrónica de potencia transformarán a la red eléctrica existente en una red inteligente. Las redes activas se conciben como una posible evolución desde las redes de distribución pasivas. Técnica y económicamente pueden ser la mejor manera de facilitar la generación distribuida.

66

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eólicas más empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones.

77

EnergEnergíía ea eóólicalica

88

EnergEnergíía ea eóólicalica

99

AerogeneradoresAerogeneradores

Velocidad fija. Jaula de ardilla(Clase A)

Vel variable.

Rotor bobinado

(Clase C)

Sincrónico(Clase D)

Aerogeneradores de velocidad variable pueden manejar potencia Aerogeneradores de velocidad variable pueden manejar potencia reactiva de manera independiente. Aerogeneradores reactiva de manera independiente. Aerogeneradores velvel fija emplean fija emplean FACTS FACTS

1010

Generadores de rotor Generadores de rotor bobinado (DFIG) y bobinado (DFIG) y sincrsincróónicos:nicos: el control el control vectorial permite manejar vectorial permite manejar las potencias activa y las potencias activa y reactiva de manera reactiva de manera independienteindependiente

Aerogeneradores Aerogeneradores de velocidad variablede velocidad variable

1111

Aerogeneradores de Aerogeneradores de velocidad variable pueden velocidad variable pueden seguir el seguir el óóptimo. ptimo. MaximizaciMaximizacióón de la potencia n de la potencia generadagenerada

Aerogeneradores de Aerogeneradores de velocidad fija dependen velocidad fija dependen del resbalamiento. del resbalamiento. Estrategia cuasi Estrategia cuasi óóptimaptima

La velocidad del viento La velocidad del viento cambiacambia

ΩΩ inicialinicial Ω Ω finalfinal

Velocidad variableVelocidad variable

AerogAerog. de . de velvel. variable. variabley fijay fija

1212

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eólicas más empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones.

1313

Conexión de las granjas.Requisitos.

Además de los requerimientos para las máquinas eléctricas convencionales, cortocircuito, falta de fase, re cierre, etc., se tienen:

Rangos de frecuencia y de tensión

1414

Requisitos de operaciRequisitos de operacióón n durante y despudurante y despuéés de una s de una falla: debe permanecer falla: debe permanecer conectada durante fuertes conectada durante fuertes fallas de tensifallas de tensióón (conocidas n (conocidas como FRT: como FRT: faultfault rideridethroughthrough o huecos de o huecos de tensitensióón).n).Modelado y verificaciModelado y verificacióón de n de las granjas elas granjas eóólicas. licas. Comunicaciones y control Comunicaciones y control externo: se deben externo: se deben proporcionar varios proporcionar varios parparáámetros importantesmetros importantes..

Conexión de las granjas.Requisitos.

1515

Control de potencia activa:• Rampas de crecimiento acotadas.• Capacidad para llevar a cero la generación de manera rápida.• Limitación a la potencia generada disponiendo de mayor potencia en el viento.• Control delta.• Control de frecuencia.

Potencia activa

1616

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Estrategias de control propuestas.

––Control supervisor.Control supervisor.–Estrategias de control propuestas.

Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones.

1717

Control supervisor Control supervisor

1818

Control de granjas eControl de granjas eóólicaslicas

1919

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Estrategias de control propuestas.

–Modelos de granjas.––Estrategias de control propuestas.Estrategias de control propuestas.

Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones.

2020

Estrategias de control Estrategias de control propuestas.propuestas.

Por quPor quéé controlar a las granjas econtrolar a las granjas eóólicas?licas?Valores normales de las variables elValores normales de las variables elééctricas (ctricas (frecfrec y tensiy tensióón).n).Variabilidad del recurso eVariabilidad del recurso eóólico.lico.Red elRed elééctrica intrctrica intríínsecamente variable.nsecamente variable.Estabilidad de un sistema de potencia: la capacidad de Estabilidad de un sistema de potencia: la capacidad de mantener un estado de equilibrio de operacimantener un estado de equilibrio de operacióón bajo n bajo condiciones normales de funcionamiento y mantenerse en condiciones normales de funcionamiento y mantenerse en un estado aceptable de equilibrio despuun estado aceptable de equilibrio despuéés de una s de una perturbaciperturbacióón.n.Es posible demostrar cEs posible demostrar cóómo las granjas emo las granjas eóólicas pueden licas pueden contribuir a la estabilidad de la red de la cual forman parte.contribuir a la estabilidad de la red de la cual forman parte.

2121

La velocidad del viento La velocidad del viento cambiacambia

AerogAerog. de . de velvel. variable. variabley fijay fija

( )

( )

( ) fKfKP

ó fKP

PPP

dfe

fe

feSCwf

&Δ+Δ=Δ

Δ=Δ

Δ+=

Δ

Δ

Δ ,

Posibilidades de control de potencia activa de las granjas:Maximizar la potencia generadaMantener la potencia constanteControl de frecuencia

Propuesta de Control

towf PP ≤≤0

2222

Aerogeneradores de Aerogeneradores de velocidad velocidad ““casicasi”” fijafija

V=V=ctecte

Ω Ω inicialinicial Ω Ω final final

••La velocidad no puede La velocidad no puede cambiar cambiar instantinstantááneamente. Es la neamente. Es la úúnica mnica mááquina que quina que presenta efecto inercial.presenta efecto inercial.••En el aspecto dinEn el aspecto dináámico, mico, el transitorio (segundos), el transitorio (segundos), los SCIG siempre los SCIG siempre aportan potencia aportan potencia adecuadamente adecuadamente respecto del cambio de respecto del cambio de frecuencia.frecuencia.

CondiciCondicióón n inicialinicial

Ω Ω casi constantecasi constante

Control de Control de potencia reactivapotencia reactiva

En general:En general:Los cambios de potencia activa no producen cambios Los cambios de potencia activa no producen cambios apreciables en la magnitud de las tensiones. apreciables en la magnitud de las tensiones. Los cambios de potencia reactiva producen cambios Los cambios de potencia reactiva producen cambios apreciables en las tensiones.apreciables en las tensiones.

Posibilidades de control de potencia reactiva de las Posibilidades de control de potencia reactiva de las granjas (Los aerogeneradores de velocidad constante granjas (Los aerogeneradores de velocidad constante requerirrequeriráán de dispositivos tipo FACTS):n de dispositivos tipo FACTS):Factor de potencia unitario.Factor de potencia unitario.Factor de potencia especificado.Factor de potencia especificado.Control de tensiControl de tensióón.n.

.

;2222

wfwfwf

wf

PSQPS

VKQ

−+≤≤−−

Δ=

2424

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.DinDináámica de los sistemas de potencia con aporte mica de los sistemas de potencia con aporte eeóólico. Tlico. Téécnicas de control lineal.cnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones.

AplicaciAplicacióón del control n del control de potencia activa propuestode potencia activa propuesto

OscilaciOscilacióón inter n inter áárearea

AnAnáálisis comparativo:lisis comparativo:SCIG SCIG (jaula de ardilla)(jaula de ardilla)DFIGcpDFIGcp (potencia (potencia ctecte.).)DFIGfcDFIGfcDFIGfcDFIGfc+d+d fKfKP

,fKP

de

e

&Δ+Δ=Δ

Δ=Δ

Resultados de Resultados de simulacisimulacióónn

Se verifican mejoras Se verifican mejoras para las acciones de para las acciones de control propuestas.control propuestas.

OscOsc. inter e . inter e intraintra áárearea

Oscilaciones inter Oscilaciones inter áárea: rea: comportamiento comportamiento coherente de todas las coherente de todas las mmááquinas de un quinas de un áárea rea frente a otra frente a otra áárea.rea.Oscilaciones Oscilaciones intraintra áárea: rea: representadas por las representadas por las oscilaciones entre oscilaciones entre mmááquinas de una misma quinas de una misma áárea.rea.Casos de estudio:Casos de estudio:–– DFIGcpDFIGcp: : potpot ctecte–– DFIGfcDFIGfc: control de : control de

frecfrec–– DFIGfcvcDFIGfcvc: control : control frecfrec

y tensiy tensióónn

Se considera una perturbaciSe considera una perturbacióón n en el bus en el bus 11 dede 440 MW. 0 MW. En cada En cada bus la carga es de bus la carga es de 150 Mw.150 Mw.

OscilaciOscilacióón n intraintra áárearea

Con las acciones de control se produce la mejora del comportamiento de las variables

La oscilación inter área presenta resultados similares

Respuesta completa.Respuesta completa.Inter mInter máás s intraintra áárearea

El lazo de potencia reactiva El lazo de potencia reactiva degrada, levemente, el perfil degrada, levemente, el perfil de la frecuencia. Es de la frecuencia. Es necesario evaluarlo en necesario evaluarlo en detalle.detalle.

Efecto del control Efecto del control de potencia reactivade potencia reactiva

ÚÚNICAMENTENICAMENTE

Desmejora la Desmejora la frecuenciafrecuencia

Mejora el Mejora el perfil de la perfil de la tensitensióónn

El El esfuerzo esfuerzo de control de control es bajoes bajo

3131

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de tEmpleo de téécnicas de control no lineal.cnicas de control no lineal.Conclusiones.

TTéécnicas de control cnicas de control no linealno lineal

Dada la creciente complejidad de los sistemas de potencia, resulta apropiado estudiar y determinar otras leyes de control a los efectos de prever fenómenos altamente no lineales.

Se torna necesario desarrollar leyes de control que, teniendo en cuenta la naturaleza no lineal de los sistemas de potencia permitan operar a las granjas eólicas en un amplio rango de funcionamiento y en presencia de fuertes perturbaciones de red.

Las funciones de Lyapunov son las funciones de energía de cualquier sistema.Si es que, a partir del control, se puede “armar” una función con el punto de mínima energía en el equilibrio deseado, entonces el sistema es estable.Una función de Lyapunov, ampliamente utilizada, para los sistemas de potencia es:

Empleo de las Empleo de las funcfunc. . de Lyapunovde Lyapunov

( ) ,~~~5.011

2 ∑ ∫∑==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

LG N

kk

k

LkkLk

N

kkMkkk dV

VQPPM θδων

Restricciones: las cargas activas son del tipo constante y las conductancias de las líneas de transmisión se deben despreciar.

Propuesta de control. Propuesta de control. Potencia reactivaPotencia reactiva

La acción de control de la potencia reactiva implica considerar el comportamiento de la granja como una capacidad variable.

( ) .0 0 2 <⇒>= ν&KconVdtdKQ wfwf

, variable ,0 ~~ si

, ,0 0 , ~ si2

gananciaconalproporcionacciónKP

porcionalacción proKconKP

wfwfawf

awfawf

<⇒⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=

<⇒>=

νθθ

νθ

&&&&

&&

La acción para la potencia activa es la propuesta para el análisis lineal.Existe un efecto inercial, acción derivativa, aunque dentro de la acción proporcional.

Control por pasividad.Control por pasividad.(Lo que se est(Lo que se estáá estudiando)estudiando)

Permite realizar el tratamiento no lineal de los sistemas eléctricos incorporando la mayor generalidad posible.

Se puede obtener la Función de Lyapunov del sistema desde los cálculos.

Conceptualmente es sencilla:- energía entregada = energía almacenada + energía disipada,- se puede extraer una cantidad finita de energía,- sin control, el efecto disipativo hace que el sistema se detenga en el punto de mínima energía.

Matemáticamente es, relativamente, complicada.Pueden requerirse la medición de variables o inaccesibles o

difíciles de obtener como el valor de una tensión luego de un cortocircuito. Esto, obviamente, es imposible de saber, luego se deben considerar las restricciones de la ingeniería y replantear el problema.

3636

ÍÍndicendice

IntroducciónTipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características.Requerimientos de conexión. Tendencias.Estrategias de control propuestas.Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal.Empleo de técnicas de control no lineal.Conclusiones. Conclusiones.

3737

ConclusionesConclusiones

•• Independencia geopolIndependencia geopolíítica.tica.•• Necesidad de una generaciNecesidad de una generacióón distribuida para el ingreso a los n distribuida para el ingreso a los sistemas elsistemas elééctricos de las energctricos de las energíías renovables. as renovables. •• Entre las tecnologEntre las tecnologíías necesarias para hacer estos conceptos, las as necesarias para hacer estos conceptos, las TICTIC’’ss y la electry la electróónica de potencia juegan un papel importante nica de potencia juegan un papel importante (conversi(conversióón de electricidad por equipos electrn de electricidad por equipos electróónicos de potencia). nicos de potencia). ••TICTIC´́ss permitirpermitiráán el manejo inteligente de las redes eln el manejo inteligente de las redes elééctricas ctricas mientras que los convertidores electrmientras que los convertidores electróónicos de potencia sernicos de potencia seráán los n los mmúúsculos que permitan y garanticen un trabajo adecuado y seguro sculos que permitan y garanticen un trabajo adecuado y seguro de la red. de la red. •• El desafEl desafíío es darle una mayor inteligencia en la gestio es darle una mayor inteligencia en la gestióón de flujo n de flujo de potencia posibilitando una red estable con gran nde potencia posibilitando una red estable con gran núúmero de mero de pequepequeñños y medianos generadores dispersos conectados.os y medianos generadores dispersos conectados.

3838

ConclusionesConclusiones

Control de granjas eControl de granjas eóólicas: contribuir a la estabilidad de la red licas: contribuir a la estabilidad de la red frente a perturbaciones externas y para evitar perturbar a la refrente a perturbaciones externas y para evitar perturbar a la red d con la variabilidad del viento.con la variabilidad del viento.La red elLa red elééctrica es intrctrica es intríínsecamente variable.nsecamente variable.Estabilidad. Estabilidad. Aporte para los aerogeneradores de veloc. fija y leyes de controAporte para los aerogeneradores de veloc. fija y leyes de control l a los de velocidad variable. Leyes de control de la potencia a los de velocidad variable. Leyes de control de la potencia reactiva.reactiva.Conflictos entre controles. Posible Conflictos entre controles. Posible ““acoplamientoacoplamiento”” en algunos en algunos casos.casos.Leyes de control no lineales para las potencias activa y reactivLeyes de control no lineales para las potencias activa y reactiva. a. Permiten asegurar el funcionamiento de la red elPermiten asegurar el funcionamiento de la red elééctrica en ctrica en condiciones de grandes perturbaciones (gran secondiciones de grandes perturbaciones (gran seññal).al).

3939

A futuroA futuro

Se busca contribuir a la estabilidad de las redes elSe busca contribuir a la estabilidad de las redes elééctricas ctricas con herramientas matemcon herramientas matemááticas avanzadas como la ticas avanzadas como la pasividad.pasividad.Se estSe estáán estudiando los controles de paso de las palas de n estudiando los controles de paso de las palas de los aerogeneradores. Se buscan aplicar otras herramientas los aerogeneradores. Se buscan aplicar otras herramientas como el denominado control predictivo.como el denominado control predictivo.Se estSe estáán evaluando los comportamientos de las mn evaluando los comportamientos de las mááquinas quinas elelééctricas frente a los huecos de tensictricas frente a los huecos de tensióón y la manera de n y la manera de superarlos.superarlos.Se estSe estáán disen diseññando aerogeneradores de baja potencia.ando aerogeneradores de baja potencia.Se va a instalar el Se va a instalar el DornierDornier para generacipara generacióón en el predio de n en el predio de la Universidad y para desarrollo de la electrla Universidad y para desarrollo de la electróónica de nica de potencia. Implementacipotencia. Implementacióón de n de TICTIC’’ss para el control para el control inteligente.inteligente.

4040

DESAFDESAFÍÍOS TECNOLOS TECNOLÓÓGICOS PARA LA GICOS PARA LA ENERGENERGÍÍA EA EÓÓLICA. EL ENFOQUE LICA. EL ENFOQUE

ACADACADÉÉMICOMICO

MUCHAS GRACIASMUCHAS GRACIAS

Facultad de IngenierFacultad de IngenierííaaDto. de ElectrDto. de Electróónicanica

Universidad Nacional de la PatagoniaUniversidad Nacional de la PatagoniaSan Juan BoscoSan Juan Bosco