Introduccin a los conceptos fundamentales de la energa elica, sus fundamentos y aplicaciones. Sistemas elicos de produccin de energa elctrica. Jos Luis Rodriguez Amenedo.

Energa Elica: fundamentos y aplicaciones

scar Garca Garca

Contenido1. TIPOS DE TURBINAS ELICAS ................................................................................................ 5 1.1. 1.2. 2. ROTORES DE EJE VERTICAL ............................................................................................ 5 ROTORES DE EJE HORIZONTAL ...................................................................................... 6

COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR (AEG) ................................................................. 8 2.1. ROTOR ELICO .............................................................................................................. 9 MECANISMO DE CAMBIO DEL NGULO DE PASO DE LA PALA ............................. 9

2.1.1. 2.2.

SISTEMA DE TRANSMISIN ........................................................................................... 9 Configuracin del sistema de transmisin .......................................................... 10 Apoyo del sistema de transmisin ...................................................................... 11 Freno mecnico ................................................................................................... 12 Caja multiplicadora.............................................................................................. 12

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.3.

TORRE: ......................................................................................................................... 14 Tipos de torre: ..................................................................................................... 14 Accesibilidad:....................................................................................................... 14 Diseo estructural: .............................................................................................. 15 Cimentacin: ....................................................................................................... 16

2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. 2.4.

MECANISMO DE CAMBIO DE PASO DE PALA (PITCH): ................................................ 16 Componentes bsicos: ........................................................................................ 16 Sistemas elctricos de cambio de paso: .............................................................. 17 Sistemas individuales de cambio de paso: .......................................................... 17 Sistemas pasivos de cambio de paso: ................................................................. 17

2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.5. 2.6.

MECANISMO DE ORIENTACIN (YAW): ...................................................................... 17 GENERADOR ELCTRICO: ............................................................................................ 18 Generador asncrono:.......................................................................................... 18 Generador sncrono: ........................................................................................... 21 Otro tipo de generadores: ................................................................................... 23

2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 3.

SISTEMAS DE REGULACIN Y CONTROL ............................................................................. 25 3.1. SISTEMA SUPERVISOR DEL AEG .................................................................................. 25 Modos de operacin ........................................................................................... 25 Seales de entrada al sistema supervisor ........................................................... 27

3.1.1. 3.1.2. 3.2. 3.3.

SISTEMA DE ORIENTACIN ......................................................................................... 28 SISTEMAS AERODINMICOS DE CONTROL ................................................................. 28 Sistemas pasivos de limitacin de potencia ........................................................ 28

3.3.1.

3.3.2. 3.4.

Sistemas activos de control de potencia: ............................................................ 29

SISTEMAS DE REGULACIN DE VELOCIDAD ................................................................ 30 Operacin de AEG de velocidad fija .................................................................... 30 Operacin de AEG de velocidad variable ............................................................ 31 Esquemas de regulacin de control del paso de pala ......................................... 33 Coordinacin entre el control del generador y el control del paso de pala ....... 33

3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.5. 4.

CONTROL AUTOMTICO DE LA GENERACIN ............................................................ 34

CONTROL DEL GENERADOR ELCTRICO .............................................................................. 36 4.1. CONVERTIDORES ELECTRNICOS................................................................................ 36 Elementos electrnicos de potencia ................................................................... 36 Convertidores electrnicos de frecuencia .......................................................... 36

4.1.1. 4.1.2. 4.2.

GENERADOR DE INDUCCIN CON CONTROL DINMICO DE DESLIZAMIENTO........... 37 Control de deslizamiento mediante resistencias rotricas ................................. 37 Control de deslizamiento con recuperacin de energa ..................................... 39

4.2.1. 4.2.2. 4.3.

GENERADOR ASNCRONO DE DOBLE ALIMENTACIN ................................................ 39 Principio de funcionamiento ............................................................................... 39 Balance de potencias........................................................................................... 40 Control de par y de potencia reactiva ................................................................. 41 Esquema de control vectorial de la maquina ...................................................... 41

4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4. 4.4. 4.5.

GENERADOR ASNCRONO DE JAULA DE ARDILLA ....................................................... 42 GENERADOR SNCRONO DE EXCITACIN INDEPENDIENTE ........................................ 42 Convertidor de frecuencia con puente rectificador de diodos ........................... 42 Convertidor de frecuencia con puente rectificador de tiristores ....................... 43

4.5.1. 4.5.2. 4.6.

GENERADOR SNCRONO DE IMANES PERMANENTES ................................................. 43 Generadores de imanes permanentes con rectificador de diodos ..................... 43 Generadores de imanes permanentes con rectificador PWM............................ 44 Esquema de control vectorial de la maquina ...................................................... 44

4.6.1. 4.6.2. 4.6.3. 4.7. 5.

CONTROL DEL CONVERTIDOR CONECTADO A LA RED ................................................ 45

CALIDAD DE ENERGA EN AEROGENERADORES .................................................................. 46 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. CALIDAD DE ONDA ...................................................................................................... 46 CALIDAD DE ONDA EN SISTEMAS ELICOS ................................................................. 47 VARIACIONES DE FRECUENCIA .................................................................................... 49 VARIACIONES LENTAS DE TENSIN ............................................................................. 50 FLUCTUACIONES DE TENSIN Y FLICKER .................................................................... 51

5.5.1. 5.5.2. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.10.1. 5.10.2. 5.10.3. 5.11. 5.11.1. 5.11.2. 5.11.3. 5.11.4. 5.11.5. 6.

Operacin continua ............................................................................................. 51 Operaciones de maniobra ................................................................................... 52

DESEQUILIBRIO DE FASES ............................................................................................ 52 TRANSITORIOS Y SOBRETENSIONES ............................................................................ 52 HUECOS E INTERRUPCIONES BREVES DE TENSIN ..................................................... 53 ARMNICOS E INTERARMNICOS .............................................................................. 54 NORMATIVA RELATIVA A LA CALIDAD EN AEROGENERADORES ............................ 55 Normativa espaola ............................................................................................ 55 Normativa internacional ..................................................................................... 56 Procedimientos de medida segn IEC 61400-21................................................. 56 MEDIDAS CORRECTORAS ........................................................................................ 57 Variaciones lentas de tensin ............................................................................. 57 Fluctuaciones de tensin y flicker ....................................................................... 57 Huecos de tensin y cortes breves...................................................................... 58 Impulsos de tensin ............................................................................................ 58 Distorsin armnica ............................................................................................ 58

INSTALACIONES ELCTRICAS DE LOS PARQUES ELICOS ................................................... 59 6.1. INSTALACIN ELCTRICA DE BT DE UN AEG ............................................................... 59 Descripcin y clasificacin de componentes ....................................................... 59 Esquemas elctricos de BT .................................................................................. 60 Conexin del generador ...................................................................................... 60 Dispositivos de maniobra y proteccin ............................................................... 61

6.1.1. 6.1.2. 6.1.3. 6.1.4. 6.2.

CENTRO DE TRANSFORMACIN .................................................................................. 61 Situacin .............................................................................................................. 61 Transformador..................................................................................................... 61 Celdas de MT ....................................................................................................... 61

6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.3.

RED DE MEDIA TENSIN ............................................................................................. 63 Trazado ................................................................................................................ 63 Zanjas .................................................................................................................. 63 Seleccin de cables.............................................................................................. 63 Optimizacin tcnico-econmica de la red de MT.............................................. 64

6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.4.

SUBESTACIN .............................................................................................................. 64 Introduccin ........................................................................................................ 64 Transformador de la subestacin........................................................................ 65

6.4.1. 6.4.2.

6.4.3. 6.4.4. 6.4.5. 6.5.

Rgimen de neutro de MT .................................................................................. 65 Protecciones de MT............................................................................................. 65 Evacuacin en AT................................................................................................. 66

PROTECCIN FRENTE A DESCARGAS ATMOSFRICAS ................................................ 67 Proteccin externa .............................................................................................. 68 Instalacin de puesta a tierra .............................................................................. 69 Proteccin interna ............................................................................................... 69

6.5.1. 6.5.2. 6.5.3. 7.

INTEGRACIN DE LOS SISTEMAS ELICOS EN LA RED ELCTRICA ...................................... 72 7.1. 7.2. 7.3. CONDICIONES DE CONEXIN ...................................................................................... 72 ANALISIS ESTTICO DE SISTEMAS DE GENERACIN ELICA ....................................... 75 ESTABILIDAD TRANSITORIA DE SISTEMAS DE GENERACIN ELICA .......................... 75 Modelos de AEG para estudios de estabilidad transitoria .................................. 76 Protecciones ........................................................................................................ 76 Efecto de la generacin elica sobre la estabilidad del sistema ......................... 76

7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 7.4.

PREDICCIN DE LA PRODUCCIN ELICA................................................................... 77 Introduccin ........................................................................................................ 77 Tipos de prediccin de la produccin elica ....................................................... 77 Prediccin a corto plazo ...................................................................................... 77

7.4.1. 7.4.2. 7.4.3.

1. TIPOS DE TURBINAS ELICASEl rgimen de vientos existente en el emplazamiento donde se ha de instalar la turbina elica debe condicionar su diseo. La norma IEC 61400-1 considera 4 escenarios tipo donde se indican la velocidad media anual e intensidad de turbulencia para una velocidad media de 15 m/s a la altura del buje y la velocidad de referencia.

1.1.ROTORES DE EJE VERTICALNo necesitan ningn mecanismo de orientacin. Darrieus: Ausencia de par de arranque (hay que motorizar la turbina para que empiece a girar). Es necesario usar tensores para mantener la estabilidad.

Savonious: Tienen par de arranque y una reducida velocidad de giro. Consiguen bajos rendimientos.

1.2.ROTORES DE EJE HORIZONTALLa velocidad de giro es inversamente proporcional al n de palas. Multipala o lentas: Su n de palas vara entre 6 y 24, por lo que tienen una reducida velocidad de giro. Tiene un elevado par de arranque. Se usan en bombeo de agua. Hlice o rpidas: La velocidad lineal en la punta de la pala es de 6 a 14 veces la velocidad del viento. Tienen un par de arranque reducido. Se usan en generacin elctrica. o Tres palas: Posee mejor estabilidad estructural y aerodinmica; menor emisin de ruido; mayor rendimiento energtico. o Bipala o monopala: la velocidad de giro es mayor y la multiplicadora necesario es de menor tamao; son ms baratas al tener menor n de palas. Barlovento: Necesitan un sistema de orientacin activo. Sotavento: Tienen un sistema de orientacin pasivo (inclinacin de las palas).

Barlovento

Sotavento

2. COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR (AEG)

Multiplicadora Pala

Generador

Buje

Grupo hidrulico

Corona

Convertidor

2.1.ROTOR ELICOEs el conjunto de componentes que giran fuera de la nacelle (palas, buje y mecanismo de cambio de paso de pala). Buje rgido: La pala se atornilla al buje y ste se fija rgidamente al eje de giro. Se usa en AEG tripala. Buje basculante: Estn conectados al tren de potencia a travs de un apoyo que les permite pivotar libremente. Se usa en AEG bipala.

2.1.1. MECANISMO DE CAMBIO DEL NGULO DE PASO DE LA PALA Sus funciones son: Controlar el par de arranque y frenado durante los arranques y paradas del AEG. Limitar la potencia del AEG a plena carga.

Los actuadores pueden ser hidrulicos o elctricos y, estos a su vez, en: Individuales: hacen girar las palas de manera individual. Colectivos: hacen girar todas las palas a la vez.

2.2.SISTEMA DE TRANSMISINSon todos los elementos que transmiten par mecnico al eje de giro.

En la mayora de las turbinas, la velocidad de giro del rotor no es igual a la velocidad de giro del alternador, por lo que se debe intercalar una caja multiplicadora. El cuerpo de baja velocidad (eje lento) se acopla al rotor mientras que el cuerpo de alta velocidad (eje rpido) se acopla al generador. El sistema de transmisin se completa con los apoyos del sistema de giro de nacelle y el freno mecnico (su misin es bloquear la turbina durante el mantenimiento y en paradas de emergencia). Las turbinas elicas estn diseadas con velocidades especficas de aproximadamente 7 (para una velocidad de viento de 10 m/s se obtiene una velocidad lineal en la punta de pala de 70 m/s). El empleo de generadores multipolo directamente acoplados (sin caja multiplicadora) es una solucin muy prometedora. El excluir del diseo del tren de potencia a la caja multiplicadora es una ventaja puesto que est expuesta a cargas de fatiga y reduce su vida til. Para disminuir las cargas se debe variar la velocidad de giro de la turbina. Cuando la velocidad de giro permanece constante, las variaciones de viento provocan oscilaciones bruscas del par transmitido; pero cuando la velocidad de la turbina vara, el rotor elico acta como volante de inercia almacenando parte de la energa mecnica. Las variaciones en la velocidad de la turbina se consiguen de dos formas diferentes: Usando convertidores electrnicos entre el generador y la red elctrica. Usando cajas de transmisin variable y generadores conectados directamente a la red. 2.2.1. Configuracin del sistema de transmisin El sistema de transmisin suele estar ubicado dentro de la nacelle y alineados segn el eje de giro detrs del rotor elico. o Diseo estndar: consiste en ubicar la caja multiplicadora y el generador elctrico detrs del rotor elico y dentro de la nacelle, al igual que los motores de orientacin o el grupo hidrulico. Ventajas: es la configuracin ms compacta posible. Desventajas: todo el peso est situado en la parte superior de la torre. Generador de eje vertical en la zona superior de la torre: reduce el peso de la nacelle. Ventajas: evita el retorcimiento de los cables de potencia durante la orientacin del AEG. Desventajas: necesita multiplicadoras con engranajes cnicos y el par que opone el generador tiene una componente vertical. Generador en la base de la torre: ubica todo el tren de potencia en la base de la torre. El eje lento de la caja multiplicadora debe tener una longitud similar a la altura de la torre. Desventajas: aparecen problemas de vibraciones. Generador directamente acoplado: utilizan generadores sncronos de excitacin independiente con un elevado n de polos y controlados por un

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convertidor electrnico que desacopla la frecuencia de funcionamiento del generador con la de la red. Desventajas: elevado peso y diseo poco convencional.

2.2.2. Apoyo del sistema de transmisin El diseo de los apoyos sobre los que se sustentar el eje de giro del rotor y su integracin en el tren de potencia y en la estructura de la nacelle es uno de los puntos fundamentales del diseo de turbinas. Eje del rotor con apoyos separados: el eje del rotor se monta sobre dos cojinetes unidos a una estructura solidaria a la torre mediante apoyos longitudinales y transversales. Todas las cargas se transmiten a la torre, no soportando ninguna carga la caja multiplicadora. Ventajas: se usan cojinetes y cajas multiplicadoras convencionales. Desventajas: configuracin demasiado pesada. Eje del rotor integrado en la caja multiplicadora: el rotor se apoya sobre la estructura de la caja multiplicadora. Desventajas: el coste de la caja multiplicadora se incrementa Eje del rotor conectado a un soporte fijo: el rotor se une a un soporte fijo conectado a la torre a travs de una brida cuya funcin es absorber los momentos flectores transmitidos por el rotor elico.

2.2.3. Freno mecnico Su funcin es mantener bloqueado el eje de giro durante las operaciones de mantenimiento y puesta en marcha del AEG. Tambin es habitual usar, durante las operaciones de reparacin en el rotor elico, unos bulones. En algunos casos tambin contribuyen al frenado dinmico del rotor elico durante las paradas de emergencias (setas de emergencia). En maquinas de elevada potencia, el empleo del freno mecnico slo est justificado para el bloqueo. El freno consiste en un disco que gira solidario al eje de transmisin y unas zapatas de frenado que rozan con el disco cuando se activan (por va elctrica, hidralica o mecnica).

El freno mecnico se puede colocar en dos lugares diferentes: o Sobre el eje rpido: puesto que en este punto se tiene una elevada velocidad de giro y un reducido par mecnico (por lo que las dimensiones del freno deben ser menores). Ventajas: freno de menor tamao. Desventajas: no garantiza el bloqueo del rotor cuando se desacopla el eje lento de la caja multiplicadora. Sobre el eje lento: muy til en turbinas de reducida potencia; en turbinas de gran potencia, las dimensiones del freno son excesivas. Desventajas: excesivamente caro.

o

2.2.4. Caja multiplicadora Este equipo se justifica por el diferente rgimen de giro que requiere el rotor elico y el generador elctrico convencional.

La velocidad de giro de la turbina depende del diseo aerodinmico de la pala (velocidad lineal en la punta de la pala aproximada de 70 m/s). Cuanto mayor sea el dimetro del AEG, menor ser la velocidad de giro del rotor. Uno de los parmetros de las cajas multiplicadoras es la relacin de transformacin entre eje lento y eje rpido. Cuanto menor sea esta relacin, menor ser el tamao de la caja multiplicadora y su coste. 2.2.4.1. Tipos de cajas multiplicadoras Los engranajes usados en las cajas multiplicadoras pueden ser: Rectos: se usan en multiplicadoras de ejes paralelos, con una relacin de multiplicacin mxima por etapa de 1:5. Helicoidales: se usan en multiplicadoras planetarias, con una relacin de multiplicacin mxima por etapa de 1:12.

Las multiplicadoras de ejes paralelos son ms sencillas y ms baratas; las multiplicadoras de ejes planetarios son ms robustas y menos pesadas. 2.2.4.2. Rendimiento Las multiplicadoras actuales tienen pocas prdidas durante el proceso de transmisin. Estas prdidas son debidas a la friccin entre dientes de engranajes y el aceite de lubricacin. Estas perdidas mecnicas se transforman en calor. Esto es la causa de que en multiplicadoras de gran potencia sea necesaria la instalacin de un sistema de refrigeracin (aire o agua). El rendimiento mecnico depende de: N y tipo de etapas multiplicadoras Potencia mecnica transmitida Velocidad de giro.

La prdida de potencia por etapa se estima en: Sistemas de ejes paralelos: 2% Sistemas planetarios: 1%

2.2.4.3. Ruido acstico El ruido depende del tipo de materiales usados y del tamao de la caja multiplicadora. En multiplicadoras de mediana potencia, el ruido suele ser de 80-85 dBA; mientras que en multiplicadoras de gran potencia, el ruido es de 100-105 dBA.

2.2.4.4. Amortiguamientos mecnicos Los AEG conectados directamente a la red mantienen constante su velocidad de giro, esto hace que las variaciones de la velocidad del viento se traduzcan en oscilaciones de par que se transmiten directamente al tren de potencia. Los generadores asncronos tienen pequeas variaciones de velocidad cuando aumenta el par transmitido (deslizamiento). Los generadores sncronos estn diseados para que su velocidad de giro sea constante. Por lo que es necesario incluir un sistema de amortiguamiento de las oscilaciones mecnicas para reducir las cargas sobre el tren de potencia. Diseo flexible a torsin del eje del rotor: consta de un eje principal con dos ejes concntricos; el interior se encargaba de transmitir el par mecnico y el exterior aportaba flexibilidad torsional al tren de potencia. Cajas multiplicadoras con suspensin: usan suspensin mecnica conectada entre la carcasa de la caja multiplicadora y la bancada de unin a la estructura de la gndola. Son amortiguaciones hidrulicas que permiten hasta 30 de torsin. Acoplamientos fluidos: entre el generador y la multiplicadora. Conlleva prdidas adicionales de potencia y mayor mantenimiento. Trasmisiones variables: modifica la velocidad de giro del eje del rotor, pero tiene una gran complejidad mecnica.

2.3.TORRE:Cuanto mayor es la altura de la torre, mayor es la produccin de energa de la turbina. Un aumento de la altura de la torre implica un aumento del coste de la misma y una mayor complejidad de montaje. La torre debe presentar una rigidez suficiente para soportar las cargas de empuje transmitidas por el rotor elico. Tambin debe tener una frecuencia natural de flexin de tal forma que en ninguna situacin de funcionamiento estable se excite dicha frecuencia. 2.3.1. Tipos de torre: Torre de celosa: tiene un coste reducido pero una accesibilidad compleja. Torre tubular de acero: tienen una gran rigidez estructural. Se montan mediante la unin de varios tramos cilndricos o tronco-cnicos. Torre tubular de hormign: se puede realizar con hormign pretensado (tiene mayor rigidez y es ms econmico) y hormign armado.

2.3.2. Accesibilidad: Para turbinas pequeas (torre de 15m de altura) existen escaleras exteriores para acceder a la maquinaria. Cuando la altura de la torre es mayor, se usan escaleras interiores con plataformas intermedias. Para turbinas de gran potencia (torre de ms de 60m) se dispone de elevador para acceder a la gndola.

2.3.3. Diseo estructural: La torre se debe disear siguiendo unos criterios de resistencia y rigidez (IEC 61400-1).

Resistencia mxima: se determina mediante el clculo de las cargas estticas debidas al peso de la torre y de todos los elementos. Se debe considerar el momento flector que soporta la base de la torre (velocidad de giro mxima y velocidad de viento nominal). Resistencia a fatiga: las cargas dinmicas determinan la resistencia a fatiga. Se debe incluir su comportamiento en el caso de que se excite la frecuencia natural de flexin. Rigidez: los modos de vibracin ms importantes son el 1 y 2 modo de vibracin de flexin lateral. Flexin lateral. Pandeo: para evitar su aparicin es necesario aumentar la rigidez de la estructura aumentando el grosor de la chapa de acero.

2.3.4. Cimentacin: Su clculo depende de las cargas producidas por el rotor elico en diferentes condiciones de operacin. La cimentacin dispone de una zapata de hormign pretensado sobre el que se monta una virola que se unir a la brida inferior de la torre.

2.4.MECANISMO DE CAMBIO DE PASO DE PALA (PITCH):Es un dispositivo capaz de hacer girar la pala alrededor de su eje longitudinal. De esta forma permite controlar la potencia y la velocidad de giro del rotor elico y es capaz de frenar aerodinmicamente el sistema en caso de emergencia. 2.4.1. Componentes bsicos: Elemento de conexin con el buje: es el elemento que conecta la pala con el buje, permitiendo el giro de la pala alrededor de su eje longitudinal. Los sistemas de soporte son rodamientos de bolas, sometidos a flexin y torsin. Accionamiento del sistema de giro: consta de un actuador (elctrico o hidrulico) que transmite el movimiento de giro a la pala directamente o mediante un elemento adicional (ruedas dentadas, barra de desplazamiento).

Los sistemas convencionales constan de un actuador situado en el buje que se conecta a un grupo hidrulico situado en la nacelle. 2.4.2. Sistemas elctricos de cambio de paso: Actualmente se estn usando motores elctricos para gobernar el giro de las palas de manera individual. Sus principales ventajas son su gran precisin, una mayor rigidez y evitan las prdidas de estanqueidad, son muy compactos. 2.4.3. Sistemas individuales de cambio de paso: Aportan mayor flexibilidad, ya que poniendo una o dos palas en posicin de bandera (90) es posible para el rotor elico en caso de avera. Estos sistemas tambin permiten ajustar el ngulo de paso en cada revolucin de la pala (para compensar las cargas cclicas producidas por la cortadura del viento). 2.4.4. Sistemas pasivos de cambio de paso: Consisten en utilizar fuerzas aerodinmicas e inerciales para girar la pala alrededor de su eje. Estos sistemas no pueden modificar el ngulo de paso en el arranque o girar la pala cerca de 90 en caso de paradas de emergencia.

2.5.MECANISMO DE ORIENTACIN (YAW):Es el dispositivo que se emplea para girar automticamente el rotor elico y la nacelle para que la direccin del viento incidente sea lo ms perpendicular posible al plano de giro de las palas.

Este sistema usa motores elctricos (regulacin muy precisa, menor mantenimiento y mayor rigidez) o sistemas hidrulicos (reducido coste y tamao) para efectuar el movimiento del rotor.

2.6.GENERADOR ELCTRICO:El generador elctrico de una turbina elica suele ser una maquina A.C. (por su buena relacin potencia/peso) y por generar a tensiones ms elevadas, teniendo unos costes de mantenimiento ms reducidos que las maquinas D.C. Las maquinas A.C. se dividen en dos grupos: asncronas y sncronas. En funcin del tipo de turbina y tipo de control, los generadores pueden estar conectados directamente a la red o acoplados a travs de un convertidor electrnico. El principal problema asociado a las maquina sncronas conectadas directamente a la red elctrica es que la velocidad de giro debe ser constante, lo que conlleva esfuerzos mecnicos sobre el sistema de transmisin y oscilaciones en la potencia elctrica. Por ello, este tipo de generadores se conectan a la red a travs de un convertidor electrnico (independiza la frecuencia del convertidor de la frecuencia de la red, permite controlar la potencia reactiva inyectada a la red). Las maquinas asncronas permiten cierta flexibilidad en la velocidad de giro y reducen los esfuerzos sobre el eje al convertir en energa cintica parte de las variaciones bruscas de la velocidad del viento. Los sistemas ms desarrollados son generadores asncronos de rotor bobinado con un convertidor electrnico conectado en el rotor. 2.6.1. Generador asncrono: 2.6.1.1. Aspectos constructivos: El devanado inducido de una mquina asncrona trifsica est formado por bobinas alojadas en las ranuras del estator y desfasadas 120 elctricos entre s. El rotor de jaula de ardilla (formado por barras de aluminio unidas entre s por unos aros en cortocircuito) es una disposicin barata, robusta y de bajo mantenimiento. El rotor bobinado (se tienes tres bobinados decalados 120 elctrico). Las maquinas A.C. se basan en la existencia de un campo magntico giratorio, el cual para un estado permanente tiene la velocidad de giro y su amplitud constantes. La velocidad de sincronismo est relacionada con la frecuencia estatrica y con el n de pares de polos.

En este tipo de maquinas la velocidad de giro del rotor puede ser diferente a la velocidad de sincronismo, siendo esta diferencia el deslizamiento. El rendimiento de un generador asncrono disminuye al aumentar el deslizamiento.

2.6.1.2. Principio de funcionamiento: Para que haya conversin de energa debe producirse una interaccin entre el campo giratorio y las intensidades rotricas. Como el rotor est cortocircuitado, es necesario que se induzcan fuerzas electromotrices. En rgimen permanente la maquina asncrona funciona como motor cuando gira a una velocidad ligeramente inferior a la velocidad de sincronismo; funciona como alternador cuando la velocidad es superior a la de sincronismo. Rgimen MOTOR GENERADOR Velocidades VVs

El circuito equivalente en rgimen permanente es: El par mecnico interno est definido por la potencia disipada por la resistencia de carga y la velocidad de giro de la maquina. 2.6.1.3. Otros: Una de las principales ventajas de las maquinas asncronas es proporcionar transitoriamente pares mecnicos superiores al de plena carga sin perder sincronismo. Cuando se produce una rfaga de viento, la maquina puede sufrir oscilaciones y aumenta su deslizamiento en valor absoluto y se acelera. Esta aceleracin aumenta el par interno y la potencia inyectada en la red y aumenta la velocidad de giro, almacenando partes de la energa del viento en forma de energa cintica. En parques elicos, la tensin en los generadores puede variar en funcin de la carga de la red del parque y de la tensin en el punto de conexin. Los generadores no han de aportar exclusivamente potencia activa sino que tambin consume energa reactiva (necesaria para mantener el campo magntico giratorio en el entrehierro).

La conexin directa de un motor asncrono a la red provoca la aparicin de corrientes en el estator (5-6 veces IN). Si el cierre del interruptor de conexin se efecta con la maquina girando a la velocidad de sincronismo, la corriente absorbida por el rotor ser nula pero la intensidad magnetizante ser muy elevada (15-20 veces IN). Para evitar esto, se usan equipos de conexin progresiva formados por dos tiristores en antiparalelo con cada fase de salida. 2.6.2. Generador sncrono: 2.6.2.1. Aspectos constructivos: El devanado de inducido est alojado en el estator y formado por 3 bobinas decaladas 120 en el espacio. Si en el interior de la maquina se tiene un campo magntico giratorio, en las bobinas del inducido se genera una f.e.m, cuya forma de onda es idntica a la onda del campo magntico en el espacio. La frecuencia de la f.e.m. est relacionada con la velocidad de giro: Existen dos formas diferentes de crear el campo magntico giratorio: mediante imanes permanentes alojados en el rotor (almacenan energa magntica y no consumen energa elctrica durante el funcionamiento de la maquina) y mediante polos inductores alimentados en D.C. Maquinas sncronas de imanes permanentes: elimina la necesidad de anillos rozantes e implica la eliminacin de las prdidas en el cobre del rotor (desapareciendo la necesidad de refrigeracin del devanado y disminuyendo el volumen de la maquina). Permite disminuir el paso polar (permitiendo construir generadores de mayor n de polos). La velocidad de estos generadores sncronos para aplicaciones elicas es de 20-200 rpm. Las diferentes topologas existentes son: o GSIP de flujo radial con imanes superficiales. o GSIP de flujo radial con imanes embutidos en el rotor. o GSIP de flujo axial con devanado toroidal. o GSIP de flujo axial con imanes interiores. o GSIP de flujo transversal. Maquinas sncronas de rotor devanado: para crear el campo magntico de excitacin es necesario alimentar el devanado inductor con una VDC mediante un sistema de excitacin (siendo su potencia muy inferior a la del generador). Existen 3 tipos de excitacin: o Excitacin propia: basado en la alimentacin del devanado inductor desde el generador D.C. Tiene elevados costes de mantenimiento. o Autoexcitacin: basado en la alimentacin del devanado inductor por medio de un puente rectificador controlado por tiristores. La

o

alimentacin se puede realizar desde la salida del alternador por medio de un trafo de excitacin. El puente rectificador necesita una fuente de IDC para el cebado inicial del arco. Excitacin sin escobillas brushless: utilizan una excitatriz principal (generador sncrono de estructura invertida), donde la tensin de salida del inducido es rectificada mediante un puente de diodos y conectndose al devanado de excitacin del alternador. El control de la Iexc del alternador se realiza controlando desde el estator la Iexc de la excitatriz principal.

2.6.2.2. Principio de funcionamiento: Su velocidad de giro es proporcional a la frecuencia de las tensiones y corrientes de inducido (tiene deslizamiento nulo). El campo magntico giratorio creado por el devanado inductor rotrico est acoplado directamente con el campo giratorio creado por las corrientes del estator. Al poder variar la corriente del devanado inductor, se puede controlar directamente el flujo por polo y la f.e.m. inducida en cada fase del estator, permitiendo generar potencia reactiva y regular el factor de potencia de la maquina. En cambio, si estn acoplados a una red de frecuencia constante, slo pueden trabajar a una velocidad determinada. Por esto, siempre es necesario intercalar entre los terminales del estator y la red un convertidor de frecuencia (mantiene constante la frecuencia de la red permitiendo funcionar al generador sncrono a velocidad variable). Diagrama maquina sincrona 2.6.2.3. Otros: El generador y el tren de potencia influyen en la eficiencia econmica de los AEG. La tendencia a fabricar maquinas de mayor potencia (multiplicadora mayor) y las grandes fluctuaciones de par a las que est sometido el rotor (debido a las rfagas de viento) provocan un aumento en el peso y los costes de la multiplicadora. Esto est llevando a algunos fabricantes a usar generadores sncronos con convertidor electrnico en sus maquinas de mayor potencia. 2.6.3. Otro tipo de generadores: 2.6.3.1. Generador de reluctancia variable: Tiene una alta relacin potencia-peso. El rotor de este tipo de maquinas carece de devanado y se magnetiza a travs del estator. Se genera el campo magntico giratorio a travs del control de la corriente en cada fase del estator usando un

convertidor electrnico. El rotor tiende a alinearse con la direccin del campo magntico, minimizando la reluctancia del circuito magntico. Es necesario usar un convertidor entre el generador y la red elctrica para acondicionar toda la potencia generada. 2.6.3.2. Generador doblemente alimentado sin escobillas: Es un generador asncrono con doble devanado en el estator; uno conectado directamente a la red de frecuencia constante y otro alimentado mediante un convertidor electrnico a frecuencia variable. No tiene elementos rozantes para conducir la corriente elctrica. Permite controlar el generador elctrico a travs de un convertidor diseado para una fraccin de la potencia total. 2.6.3.3. Generadores de media tensin: Su objetivo es reducir la corriente y las prdidas en el cobre, conectar directamente a la red sin usar trafo de potencia.

3. SISTEMAS DE REGULACIN Y CONTROLEl objetivo de todos los controles es incrementar la captura de energa, mejorar la calidad de la potencia elctrica generada, reducir la prdida de vida de los componentes disminuyendo las cargas que soportan y garantizar el funcionamiento seguro de la instalacin.

3.1.SISTEMA SUPERVISOR DEL AEGTiene como misin garantizar el funcionamiento automtico y seguro del AEG, comprobar el estado de los diferentes componentes y gestionar los estados de funcionamiento a partir de la informacin de los sensores que monitorizan las principales variables del sistema. Tambin lleva un registro histrico de los principales datos de operacin: horas de funcionamiento, produccin, errores

3.1.1. Modos de operacin Se pueden clasificar segn su duracin en: temporales (comprobacin de la planta, arranque, conexin a red, parada normal y parada de emergencia) o permanentes (maquina parada, pausa, funcionamiento normal).

Comprobacin de la planta (temporal): despus de la puesta en marcha del AEG, se debe comprobar el estado de todos los subsistemas y verificar que las variables medidas toman valores admisibles. Si aparece alguna seal de error, el sistema supervisor inhabilita cualquier otro modo de operacin. Maquina parada (permanente): el generador elctrico est desconectado de la red, las palas en bandera, el rotor desalineado con respecto a la velocidad del viento y el freno mecnico aplicado sobre el rotor. Arranque (temporal): el generador elctrico sigue desconectado, se librea el freno mecnico y el rotor elico se orienta. Se ajusta el ngulo de paso de pala para controlar la velocidad de giro. Pausa (permanente): el rotor gira libremente con la velocidad del viento, el generador est desconectado de la red. La velocidad de giro se controla con el ngulo de paso de pala, si cambia la direccin del viento el mecanismo de orientacin comienza a actuar. Conexin (temporal): la velocidad del viento debe superar un cierto valor (3-4 m/s) durante un periodo de tiempo (10 min). Si la turbina es de paso de pala se acta sobre el sistema para limitar la aceleracin mxima de la turbina durante la conexin. Una vez alcanzada cierta velocidad de giro se conecta el generador a la red. Funcionamiento normal-carga parcial (permanente): cuando se conecta el generador a la red comienza a producir potencia elctrica, si este valor es inferior al nominal se dice que est a carga parcial.

Funcionamiento normal-carga total (permanente): si la velocidad del viento supera el valor nominal (11-16m/s) la maquina entra a funcionar a plena carga. El sistema supervisor establece una velocidad de giro mxima y una potencia mxima, entrando en funcionamiento los sistemas de control aerodinmico y sistema de control del generador elctrico. Parada normal (temporal): en cualquier modo es posible parar la maquina (ya sea porque alguna variable est fuera de rango o por la accin de un operador). Las causas ms habituales son: exceso de T en el sistema de transmisin o generador elctrico, fallos de presin del grupo hidralico, exceso de velocidad del viento. Ante algn fallo se reduce la velocidad del giro del rotor y se ponen las palas en bandera, desconectando el generador de la red.

Parada de emergencia (temporal): los sistemas de proteccin actan rpidamente. El frenado del rotor se realiza de manera aerodinmica, aplicando el freno mecnico. 3.1.2. Seales de entrada al sistema supervisor Sirve para gestionar los modos de operacin del AEG. Velocidad y direccin del viento: se usa para arrancar y parar el sistema (anemmetro) y para orientar el rotor elico (veleta). Si la velocidad del viento es demasiado elevada se emite una seal de parada. Se produce un rearranque automtico cuando la velocidad del viento cae por debajo de 20 m/s. Temperaturas: el sistema registra la T de aceite de la multiplicadora, bobinados del generador, panel de control, freno mecnico Aparece una seal de error en caso de temperaturas elevadas o temperaturas demasiado bajas. Seal de vibraciones: se dispone de un pndulo en la nacelle de manera que cuando se detecta un movimiento excesivo aparece una seal de vibraciones en el sistema. Presin del grupo hidrulico: la deteccin de baja presin o bajo nivel de aceite en los circuitos de orientacin de la pala, frenado o multiplicadora activa una seal en el sistema supervisor. Velocidad de giro: se mide tanto la velocidad del generador como la velocidad de la turbina y se emite una alarma en caso de que no sean proporcionales. Tensin, corriente y frecuencia de salida: para tensin y frecuencia se especifican los lmites mximo y mnimo y si la magnitud est fuera de ese rango se emite una orden de parada. Para la corriente slo se especifica un valor mximo. Factor de potencia: en aerogeneradores de velocidad fija, se usa para indicar cuando se deben conectar y desconectar las bateras de condensadores de compensacin de reactiva; en aerogeneradores de velocidad variable, es una de las variables que se mide.

Potencia elctrica generada: se usa para desconectar el generador de la red en caso de vientos bajos o altos. En caso de que la potencia sea negativa se emite una seal de error. Enrollamiento de cables: cuando cambia la direccin del viento, el rotor se orienta y los cables de potencia se van enrollando y desenrollando. Cuando los cables acumulan 3 vueltas se produce una seal de alarma y el sistema procede a desenrollar los cables.

3.2.SISTEMA DE ORIENTACINLa potencia generada por el AEG depende del ngulo de incidencia entre la velocidad del viento y el plano de giro de las palas. Puesto que la direccin del viento es variable, se precisa un sistema que oriente la nacelle para que la velocidad del viento sea perpendicular al plano de giro del rotor. La velocidad de giro de orientacin no debe ser demasiado elevada para evitar la aparicin de pares que reduzcan la vida til de los componentes del sistema de orientacin. Por ello, se toman como valores de velocidad de orientacin 0,5/s (1vuelta cada 12 min). Con la veleta situada sobre la nacelle se mide la direccin del viento y ste valor se compara con el ngulo de giro de la nacelle. Si la diferencia es inferior a un determinado valor no se toma ninguna accin de control; si es superior, el sistema de control responder en funcin del ngulo de correccin (para ngulo mayores, el tiempo de respuesta ser menor). El sistema de orientacin permanece activo cuando la velocidad de viento supera la velocidad de conexin y es inferior a la velocidad de desconexin del AEG (25 m/s).

3.3.SISTEMAS AERODINMICOS DE CONTROLLas fuerzas aerodinmicas a lo largo de la pala depende del mdulo y direccin de la velocidad del viento. Esta velocidad depende a su vez de la velocidad de giro del rotor y de la geometra de la pala. Todas estas fuerzas producen un par mecnico y una fuerza de empuje sobre el rotor. Puede darse el caso en el que, para velocidades de viento elevadas, el par y el empuje superen la potencia elctrica del generador o las cargas admisibles sobre los elementos mecnicos del AEG. Si durante una prdida de red no se limita la potencia mecnica desarrollada por la turbina puede ocurrir que la velocidad de giro del rotor alcance valores inadmisibles. As, las fuerzas aerodinmicas se pueden reducir disminuyendo el ngulo de ataque de la velocidad del viento sobre el perfil girando la pala en la direccin del viento incidente (reducindose el ngulo de ataque y las fuerzas de sustentacin). 3.3.1. Sistemas pasivos de limitacin de potencia Utilizan turbinas de paso de pala fijo (las palas estn rgidamente unidas al buje y su ngulo de calado no puede modificarse). Estos sistemas se disean en maquinas de velocidad fija, de forma que cuando la velocidad del viento supera la velocidad nominal, el ngulo de ataque de los perfiles supera el valor crtico. As, las fuerzas de sustentacin se reducen rpidamente y las de arrastre aumentan, disminuyendo la potencia desarrollada por la turbina.

Otra forma de producir la prdida aerodinmica es reducir la velocidad de giro del rotor, pero este sistema no ha sido muy usado porque esto debe realzarse cuando la potencia sea nominal, necesitndose un par elevado por el generador elctrico (produciendo sobrecargas). Los sistemas ms habituales mantienen constante la velocidad de giro del rotor, siendo esta velocidad de giro menor que la correspondiente al diseo ptimo. 3.3.2. Sistemas activos de control de potencia: Su objetivo es limitar la potencia y controlar la velocidad y aceleracin de giro durante los procesos de arranque y la optimizacin de la potencia desarrollada por la turbina durante su carga parcial. Las turbinas de paso de pala variable usan un sistema activo de giro de las palas para controlar las actuaciones: durante el funcionamiento a carga parcial se mantiene el ngulo de calado del perfil para maximizar la potencia desarrollada por el AEG. Para velocidades de viento elevadas, el sistema de control del ngulo de paso de pala aumenta el ngulo de calado (disminuye el ngulo de ataque) para mantener la potencia constante y reducir las fuerzas de empuje sobre el rotor elico. Estos AEG deben tener la posibilidad de acelerar el eje en caso de rfagas. En AEG de velocidad de giro fija, apenas se usan turbinas de control de paso de pala; en sistemas de velocidad variable es frecuente usarlos para disminuir los esfuerzos sobre el rotor elico, torre y el sistema de transmisin. Este sistema tambin se usa durante el arranque y la parada del sistema. Cuando el AEG arranca la actuacin sobre el paso de pala permite acelerar durante el arranque. En caso de velocidades de viento elevadas, se puede usar la pala como freno aerodinmico para parar al AEG. En algunos sistemas en vez de parar la maquina, se modifica el ngulo de la pala para reducir la potencia y que las cargas se mantengan dentro de valores admisibles. Las ventajas de los sistemas activos es permitir una mayor captura energtica. Sus desventajas son el coste del mecanismo de variacin del ngulo de calado y tiene una menor fiabilidad. Sistemas de cambio de paso: al girar la pala en la direccin de la velocidad del viento incidente se reduce el ngulo de ataque de la velocidad resultante sobre el perfil y se controlan las fuerzas de sustentacin. De esta forma se limita la potencia desarrollada por la maquina y los esfuerzos sobre los elementos mecnicos. Durante el arranque o durante la limitacin de potencia a plena carga, el ajuste del ngulo de paso se realiza de forma continua (variando el ngulo entre 0 y 30). Durante la parada el ngulo de paso de pala, el valor del ngulo es de 90. Sistemas de prdida aerodinmica activa: las palas permiten el giro alrededor de su eje longitudinal, pero la regulacin de potencia ser realiza mediante

prdida aerodinmica. A bajas velocidades, el ngulo de paso se modifica levemente para optimizar la produccin de energa. A velocidad nominal, el ngulo de paso se sita en un valor negativo. Para velocidades de viento superiores a la nominal, la potencia elctrica de salida se mantiene constante y el ngulo de paso se ajusta. Su principal ventaja es limitar la potencia a un valor determinado y son ms sensibles en su regulacin.

3.4.SISTEMAS DE REGULACIN DE VELOCIDADEn operacin normal, la energa del viento capturada por la turbina se inyecta a la red por medio de un generador elico. Por debajo de la velocidad nominal, el AEG opera a carga parcial; por encima de dicha velocidad, el sistema de limitacin de potencia evita la sobrecarga del generador, trabajando el AEG a plena carga. La operacin a velocidad variable presenta las siguientes ventajas: Usan la inercia de las partes mecnicas giratorias como un volante de inercia (suavizando las fluctuaciones de potencia generada y reduciendo la fatiga mecnica del sistema de transmisin). Maximizan la captura energtica durante la carga parcial. Produce un menor ruido a bajos vientos.

En cambio, los inconvenientes que presentan son: Los sistemas son ms complejos y menos fiables. 3.4.1. Operacin de AEG de velocidad fija La velocidad de giro de un generador sncrono directamente conectado a la red es constante y est relacionado con la frecuencia de la red. En el caso de generadores asncronos, la maquina girar a una velocidad superior a la velocidad de sincronismo, en funcin del par que la turbina impone en el eje. Cuando la turbina alcanza la velocidad de conexin, el generador se conecta a la red a la velocidad de sincronismo (sin carga ya que el par de la turbina es igual al par de prdidas). Al aumentar la velocidad del viento, aumenta el par de la turbina, aumentando la carga del generador y el deslizamiento. A velocidad nominal, se alcanza la potencia nominal de la turbina. Si sigue aumentando la velocidad del viento, se provocar la entrada en prdida de la turbina (no se aumentar la potencia desarrollada) evitando la sobrecarga del generador.

Para maximizar la energa captada por este tipo de sistema, se opta por instalar un generador de dos velocidades (con dos devanados estatricos). El devanado de mayor n de polos (menor velocidad y potencia) para aprovechar los vientos bajos; el devanado de menor n de polos (mayor velocidad y potencia) para aprovechar los vientos altos. 3.4.2. Operacin de AEG de velocidad variable Su principal objetivo es maximizar la energa producida por la turbina. Para velocidades de viento superiores a la nominal, la captura energtica debe limitarse por medio del control de paso de pala. La operacin a velocidad variable de las turbinas consiste en usar un cambiador de frecuencias entre el generador y la red. Los generadores usados en este tipo de sistemas son: generador de induccin con rotor en jaula de ardilla o rotor bobinado y generador sncrono con devanado de excitacin o de imanes permanentes. Los ms usados son: Generador de induccin de doble alimentacin con convertidor de frecuencia rotrico. Generador sncrono (devanado de excitacin o imanes permanentes) con convertidor de frecuencia estatrica.

En el primer caso, el control de velocidad se realiza variando la componente transversal de la corriente rotrica en un sistema de referencia ligado al flujo total estatrico. En el segundo caso, se realiza variando la componente transversal de la corriente estatrica en un sistema de referencia ligada al flujo de imanes. La estructura de control consta de un bucle externo de control de velocidad y un bucle interno de control del par.

Las estrategias de seguimiento del punto de mxima potencia se denominan control directo de velocidad (hacen girar la turbina a la velocidad ptima mediante la accin directa de un regulador) o control indirecto (consiste en obtener el par ptimo y la velocidad ptima).

3.4.3. Esquemas de regulacin de control del paso de pala La actuacin sobre el ngulo de calado del perfil de la pala se usa a elevadas velocidades de viento para limitar la potencia generada. Para vientos bajos se necesita un ngulo de calado constante que proporcione el mayor coeficiente de potencia de pala. Para AEG de velocidad de giro variable con control de paso de pala variable, la regulacin del generador y la del paso de pala deben estar coordinadas. En sistemas de velocidad variable (donde se realiza un control del par del generador), el sistema de regulacin del paso de pala debe limitar la velocidad de giro adems de limitar la potencia generada. Se opta por realizar un control directo de la velocidad en lugar de la potencia por: Por seguridad (una regulacin indirecta no garantiza el control fiable de la velocidad de giro). Debido a la inercia, la velocidad de giro presenta transiciones ms suaves que la potencia elctrica generada.

3.4.4. Coordinacin entre el control del generador y el control del paso de pala La velocidad mxima de giro de la turbina est limitada por cargas sobre las palas y la torre, fenmenos de compresibilidad del aire en la punta de la pala, etc. As, la velocidad del viento mxima que se puede alcanzar con el coeficiente especfico de velocidades ptimo es muy baja (9-11 m/s). El seguimiento del punto de mxima potencia slo puede realizarse hasta la velocidad mxima de la turbina, a partir de este punto slo puede hacerse a velocidad constante.

Cuando la velocidad del viento aumenta por encima de la nominal, acta el sistema de limitacin de potencia (regulacin de paso de pala).

3.5.CONTROL AUTOMTICO DE LA GENERACINDebe permitir el control de las potencias activas y reactivas de los parques elicos. Los generadores convencionales estn equipados con un sistema de regulacin de velocidad (regulacin primaria) que permite seguir las evoluciones rpidas de la carga. El sistema de regulacin secundaria (AGC) establecer el equilibrio entre generacin y carga mediante el ajuste de nuevas referencias de potencia a los generadores del sistema (despacho econmico).

Los principales motivos por los que las funciones de control de frecuencia y tensin no se implementan en parques elicos son: La naturaleza aleatoria del viento. La necesidad de maximizar la captura energtica para minimizar su coste.

Los objetivos del sistema de control pueden alcanzarse si se cumple: Los AEG deben operar dentro de sus lmites de diseo. Las variaciones de potencia elctrica debidas a los cambios de velocidad del viento deben ser mnimas. Los AEG deben participar en la regulacin primaria mediante el ajuste de la potencia generada a las nuevas condiciones de carga. Los AEG deben participar en la regulacin secundaria de potencia.

El nuevo esquema de control est basado en una arquitectura jerrquica, compuesta por un control supervisor de potencia activa y reactiva de la subestacin y un control de cda AEG. El control automtico de generacin (AGC) enva consignas de potencia activa y reactiva a cada uno de los AEG del parque. El control individual de cada AEG debe atender a las consignas del sistema de control del parque, asegurando que se cumplen las consignas de potencia activa y reactiva.

El sistema de control de potencia del parque acta sobre la potencia activa y reactiva, con lo que es posible mantener el factor de potencia unidad en el punto en el que se encuentra el medidor de potencia reactiva (permitir al parque participar en el esquema de regulacin de tensin de la red). Como el control de reactiva en el parque est en cada maquina, se posibilita un control de tensiones en el interior del parque (evitando el disparo de las maquinas por la actuacin de los rels de mxima y mnima tensin). Los objetivos del sistema de control de potencia activa son: Optimizacin de la potencia para velocidades del viento inferiores a la nominal: se mantiene el ngulo de paso de pala en su valor ptimo y la turbina trabaja en el mximo coeficiente de potencia. Cuando el viento vara se acta sobre la velocidad de giro de la turbina, actuando sobre el par del generador. Optimizacin de potencia para velocidades del viento superiores a la nominal: consigue una potencia de salida constante e igual a la nominal actuando sobre el control de paso de pala, mientras que el regulador de velocidad mantiene constante la velocidad de giro en su valor nominal. Limitacin de la potencia para velocidades de viento inferiores a la nominal: el regulador de potencia asegura que la potencia es la demandada actuando sobre le control de paso de pala.

Para conseguir estos objetivos, el sistema de control de potencia activa del AEG consta de: Un bucle de velocidad de controla la velocidad de la turbina actuando sobre el par del generador. Un bucle de potencia que controla la potencia de salida actuando sobre el regulador de paso de pala.

4. CONTROL DEL GENERADOR ELCTRICOPara poder modificar la velocidad de giro de una maquina elctrica es habitual utilizar un convertidor electrnico capaz de desacoplar su frecuencia de trabajo con respecto a la frecuencia de la red. De esta forma se puede controlar el par resistente que opone el generador elctrico al giro de la turbina.

4.1.CONVERTIDORES ELECTRNICOSLas caractersticas de estos equipos dependen del tipo de semiconductor empleado. 4.1.1. Elementos electrnicos de potencia Los semiconductores de potencia pueden ser no controlados (diodos) o controlados (transistores bipolares, MOSFET, IGBT, tiristores, GTO). Para su eleccin se debe tener en cuenta la potencia que es capaz de manejar cada semiconductor, la frecuencia mxima de conmutacin y el rendimiento del convertidor. Transistores bipolares (BJT): fciles de controlar pero su ganancia en corriente para tensiones elevadas es muy reducido. Tiristores: muy robusto y fiable pero puede soportar elevadas intensidades durante un tiempo reducido. Transistores MOSFET: muy fciles de controlar. Tiristores GTO: se puede apagar mediante un impulso de corriente negativo en la puerta, pero tiene unas elevadas prdidas en conmutacin. Transistores IGBT: tiene unas prdidas en conduccin muy bajas. Frecuencia conmutacin mxima 0.86 a potencia nominal. o En su conexin a red, la cada de tensin ser como mximo del 5% de la tensin nominal. o Se limitar la corriente de conexin y la cada de tensin. o La velocidad de conexin a la red ser del 90-100% de la velocidad de sincronismo. Respecto a sistemas elicos con generador de induccin como sncrono: o La potencia de los AEG instalados en un punto de la red no puede ser superior al 5% e la potencia de cortocircuito de la red. o La frecuencia de conexin ser como mximo de 3 por minuto.

5.10.2. Normativa internacional La norma IEC 61400-21 incluye: Definiciones y especificaciones de las magnitudes necesarias para caracterizar la calidad de energa de una turbina elica conectada a la red. Procedimientos de medida para su cuantificacin. Procedimientos para evaluar la calidad del suministro elctrico en una turbina.

Para caracterizar la energa producida por un AEG se establecen los siguientes parmetros: Potencia mxima permitida a la turbina (Pmc): es la potencia mxima que no puede ser superado bajo ningn concepto. Potencia mxima medida producida por la turbina: es el valor medio de las medidas registradas en 60s (P60) y como valor medio sobre 0.2 s del periodo de medida (P0.2). Potencia reactiva producida por la turbina: para intervalos de potencia activa comprendida entre 0-100% de potencia nominal. Potencia reactiva producida para Pmc, P60 y P0.2. Coeficientes de flicker en operacin continua. Mximo n de conexiones posibles en 10 min (N10) y en 2h (N2). Contenido armnico hasta el orden 50.

5.10.3. Procedimientos de medida segn IEC 61400-21 No es necesario recoger medidas para velocidades medias de viento superiores a 15 m/s. El AEG debe conectarse en MT, la potencia de cortocircuito en el punto donde est situada y donde van a realizarse las medidas, debe ser al menos 50 veces la potencia mxima permitida por la turbina. La frecuencia del sistema cada 0.2 s debe encontrarse dentro del intervalo 1% de su frecuencia nominal. La tensin en los terminales del generador debe encontrarse en un margen del 5% de su valor nominal cada 10min. La distorsin armnica de la tensin debe ser inferior al 5% evaluada sobre medias tomadas cada 10 min. Medida de potencia activa y reactiva: La potencia mxima permitida a la turbina debe ser comprobada. Se determina nicamente en operacin continua y las medidas deben recogerse al menos haya 5 series de 10min de potencia activa y reactiva para cada 1m/s entre la velocidad de conexin a la turbina y 15 m/s. Medida de flicker:

o

o

Operacin continua: para determinar el coeficiente de flicker es necesario recoger series de tensin fase-neutro y corriente de las 3 fases. Operacin de maniobra: debe analizarse el comportamiento de la turbina en el proceso de conexin a red a velocidad de conexin y velocidad nominal.

Evaluacin de calidad: o Variaciones de potencia: la turbina elica proporciona la potencia mxima permitida a la turbina (Pmc y Qmc). o Fluctuaciones de tensin: se rige por la norma IEC 61000-3-7 o Armnicos: se rige por la norma 61000-4-7 y 61000-3-6.

5.11.

MEDIDAS CORRECTORAS

Son cualquier solucin que se adopte en una instalacin para que su funcionamiento sea satisfactorio en el entorno considerado. Desde el punto de vista de emisin de perturbaciones: se incorporan los dispositivos adecuados para que los equipos emitan perturbaciones por debajo de los lmites mximos. Desde el punto de vista de la inmunizacin frente a perturbaciones: se incorporan dispositivos que aseguren que los equipos son inmunes a las perturbaciones dentro del entorno electromagntico. 5.11.1. Variaciones lentas de tensin Los AEG que se conectan a la red elctrica estn diseados para funcionar dentro de los mrgenes de variacin de amplitud de onda. En algunas situaciones hay instalaciones cuyo margen de funcionamiento correcto es inferior al indicado en las normas. Reguladores de tensin: su funcin es reducir los mrgenes de variacin del valor eficaz de la tensin de alimentacin del receptor. Se pueden lograr reducciones del margen de variacin de entrada desde un 15% a valores del 3 al 7%. Conjunto motor diesel-generador sncrono-volante de inercia: se utiliza como complemento del AEG en sistemas ms aislados donde las variaciones lentas de tensin pueden ser muy importantes.

En los parques elicos debe existir la posibilidad de desconectar determinadas turbinas cuando se producen variaciones de tensin por encima de los mrgenes admisibles. 5.11.2. Fluctuaciones de tensin y flicker La solucin idnea sera conectar el parque elico en el punto de la red ms adecuado. Los equipos ms usados son los compensadores estticos: Reactancias controladas: disminuyen las variaciones de la potencia demandada que estn asociadas a variaciones de reactiva.

Condensadores controlados (SVC): compensan los incrementos de la potencia de demanda de potencia reactiva corrigiendo las variaciones de factor de potencia. Estabilizadores magnticos: la compensacin de incrementos de reactiva se realiza mediante la conexin de un trafo de elevada reactancia de disperin en paralelo con la carga.

5.11.3. Huecos de tensin y cortes breves Los principales sistemas de correccin son: Inmunizacin de contactores: usa retardadores capacitivos que evitan la apertura de los contactos ante una reduccin de la tensin de alimentacin. Condensador de almacenamiento: la descarga de un condensador mantiene la alimentacin de un circuito DC. Batera de almacenamiento: permite hacer frente a interrupciones de mayor duracin que el condensador.

5.11.4. Impulsos de tensin La solucin ms usada consiste en usar supresores de impulsos, que posen una impedancia muy elevada para valores cercanos a la tensin nominal y muy baja para valores superiores al nominal (varistores, descargadores de gas, diodos Zener, descargadores de sobretensin). 5.11.5. Distorsin armnica La principal medida es procurar que la conexin a la red se realice en el punto ms adecuado. Se puede disponer de filtros pasivos sintonizados para determinadas componentes armnicas.

6. INSTALACIONES ELCTRICAS DE LOS PARQUES ELICOSEl sistema elctrico de un parque elico tiene por objeto la transferencia de energa elctrica producida por cada AEG hacia la red en unas condiciones ptimas. El tipo de diseo y trazado depende de la potencia de la instalacin, n y localizacin de AEG, caractersticas de la red y distancia hasta el punto de entronque. En los parques elicos la configuracin utilizada es la conexin en MT de los AEG entre s, por lo que cada uno de ello debe tener su propio CT. As, el sistema elctrico consta de: Instalacin elctrica de BT de cada AEG. CT Red subterrnea de MT Subestacin Red de evacuacin en AT

6.1.INSTALACIN ELCTRICA DE BT DE UN AEG6.1.1. Descripcin y clasificacin de componentes Se puede distinguir dos tipos de circuitos segn la funcin que realizan: Circuitos de generacin o de potencia: conectan la salida del generador con el CT y consta de: o Equipo de generacin: formado por generador y equipo de regulacin. o Cableado del generador hasta el CT. o Elementos de maniobra y proteccin: contactores para conexin de motores elctricos, IA y/o fusibles, o Dispositivos de medida de tensin, intensidad, potencia y frecuencia. o Equipos de compensacin de potencia reactiva. Circuitos de control (comunicaciones) y servicios auxiliares: consta de: o Circuitos de alimentacin a los equipos de regulacin y control.

o o o o

Alimentacin de motores auxiliares (orientacin) y unidad hidrulica (frenado de nacelle y rotor). Lneas de alumbrado y potencia. Elementos de maniobra y proteccin de circuitos de control y auxiliares. Resistencias de calentamiento, lnea de luz de galibo,

6.1.2. Esquemas elctricos de BT

6.1.3. Conexin del generador Los cables de conexin del generador y el cuadro de BT deben poseer una flexibilidad que permita el funcionamiento adecuado del sistema de orientacin. La seccin del cable debe minimizar las prdidas de energa.

6.1.4. Dispositivos de maniobra y proteccin Entre los I.A. de BT utilizados en la proteccin, maniobra y seccionamiento de un AEG destacan los situados en los circuitos de estator y rotor. La eleccin del I.A. ms adecuado est basada en el ajuste de las curvas de disparo y la seleccin de los parmetros de ruptura: poder de corte en cc, poder de corte en servicio y solicitacin trmica.

6.2.CENTRO DE TRANSFORMACIN6.2.1. Situacin Puede situarse dentro o fuera de la torre (pero muy cerca de la misma), ya que al generarse en BT no deben alcanzarse grandes longitudes para minimizar las prdidas.

Otra configuracin es colocar el trafo en el interior de la torre de cada AEG pero las celdas de MT situarlas agrupadas en un prefabricado (centro de seccionamiento). 6.2.2. Transformador Los trafos deben ser de tipo seco (si est situado en el interior de la torre).

La potencia del trafo viene dada por la potencia nominal del generador y el factor de potencia. La potencia nominal del trafo debe ser un 20% inferior que la potencia nominal del generador (en la practica se usa un trafo de potencia similar al generador). Se disean con menores prdidas en el hierro y mayores en el cobre. Los trafos secos estn regulados en la norma UNE 20178. 6.2.3. Celdas de MT Caractersticas asignadas: se debe asegurar que las celdas de cabecera de lnea soportan dinmicamente la intensidad de cortocircuito. Las celdas son de 24 o 36 kV de tensin nominal y 16 o 20 kA de valor eficaz de la intensidad de cortorcircuito a 1s. Tipos constructivos: Se pueden usar celdas modulares (mas caras pero con menor mantenimiento puesto que en caso de avera no es necesaria la sustitucin de todo el conjunto) o compactas. Son de aislamiento de SF6 Esquemas habituales en parques elicos: existen dos posiciones diferentes (AEG intermedio de una lnea de AEGs o AEG final de lnea).

Las funciones ms usadas son 0L+1L+1P (entrada de lnea, proteccin de lnea y proteccin de trafo). No es necesario el doble seccionamiento ya que la red es radial. Otras configuraciones son: 0L+0L+1P (celdas sin proteccin de lnea); 0L+1P (celdas final de lnea); 0L+2L+1P (celdas en las que confluyen 2 lneas de AEG).

6.3.RED DE MEDIA TENSINUne cada uno de los AEGs con la subestacin. Suele ser una lnea subterrnea para evitar el impacto ambiental, mayor facilidad y seguridad para la reparacin y mantenimientos. Se usa MT para disminuir las prdidas por cada de tensin. Los cables usados son unipolares con aislamiento sinttico (XLPE y EPR). El diseo de una red subterrnea de MT comprende la seleccin del tipo de instalacin y el cable aislado. 6.3.1. Trazado Depende de la disposicin de los AEG en el emplazamiento. Es conveniente que la zanja de cables transcurra paralela a los caminos de acceso a los AEG. 6.3.2. Zanjas Deben ser lo ms rectas posibles, evitando ngulos pronunciados. La norma UNE 20435/2 define los radios mnimos de curvatura. Los cables suelen instalarse directamente enterrados siendo el acceso al AEG bajo tubo de plstico. 6.3.3. Seleccin de cables Debe seleccionarse el tipo de cable, aislamiento y capas protectoras y la tensin nominal y la seccin.

Tipo de cable: suele estar definido por la normativa de la compaa distribuidora. Tensin nominal: viene determinada por la tensin nominal de la red de distribucin y por las caractersticas de las protecciones de la misma.

Seccin del conductor: se establece segn 4 criterios: intensidad admisible; solicitacin trmica de la corriente de cortocircuito; cada de tensin mxima; optimizacin tcnico-econmica.

6.3.4. Optimizacin tcnico-econmica de la red de MT Diseo ptimo: consiste en encontrar la solucin ms rentable entre el coste de inversin y las prdidas de energa anuales. Esto conduce a una red radial de secciones decrecientes desde la subestacin al AEG. Clculo de prdidas: las ms importantes son las prdidas por efecto Joule; las prdidas dielctricas y en las pantallas pueden despreciarse.

6.4.SUBESTACIN6.4.1. Introduccin Est compuesta por cables o embarrado de MT, celdas de MT, transformador principal AT/MT, aparamenta de intemperie o celdas de interior, embarrado de AT, equipos de medida, cuadros de control, telecontrol y comunicaciones y sistema de servicios auxiliares. De las barras de MT se dar salida a cada lnea de AEG adems de alimentar al trafo de servicios auxiliares de la subestacin.

6.4.2. Transformador de la subestacin Las variaciones de carga pueden producir fluctuaciones de tensin inadmisibles para el buen funcionamiento del sistema elctrico. Para mantener los niveles de tensin en los lmites se usan reguladores de tensin en los generadores y en los transformadores, que pueden ser: Trafos con relacin de tensin en carga: no es necesario interrumpir el servicio para modificar sus relaciones de transformacin. El regulador automtico de tensin mide la tensin del lado MT y la compara con un valor de referencia; cuando la diferencia es superior al grado de sensibilidad se enva al cambiador de tomas una consigna de subir o bajar tomas. Se suele disponer de un sistema de compundaje de corriente. El objetivo del RAT es mantener la tensin de la barra de MT a la que se conecta el secundario del trafo en los lmites admisibles. Trafos con relacin de tensin en vaco.

6.4.3. Rgimen de neutro de MT El trafo debe tener uno de sus devanados en triangulo para evitar que el armnico de orden 3 pase de un nivel de tensin a otro. La configuracin tpica del trafo principal de AT/MT es estrella-tringulo y el neutro debe estar aislado o impedante con un trafo de puesta a tierra.

El trafo de P.A.T. tiene una disposicin zig-zag de los devanados. El esquema de conexin de neutro impedante tiene las ventajas, respecto al neutro aislado, de reducir las sobretensiones y facilitar la deteccin de defectos a tierra y el inconveniente de corrientes de defecto a tierra ms elevadas. 6.4.4. Protecciones de MT La proteccin de la red de MT depende del tipo a puesta a tierra.

En caso de rgimen de neutro aislado las protecciones utilizadas son: sobrecarga y cortocircuito de fases (50/51), direccional de neutro (67N) con reenganchador incorporado (79). Estas protecciones permiten detectar las faltas trifsicas y monofsicas en cada lnea de AEG. Para el rgimen de neutro puesto a tierra por reactancia en zig-zag se emplean las proteccin de sobrecarga y cortocircuito de fases (50/51) y neutro (50N/51N), que permiten detectar las faltas monofsicas y trifsicas en cada lnea de AEG. Las protecciones del trafo de potencia AT/MT son: Rel diferencial (87T) dispara los interruptores de AT y MT simultneamente. Rel de sobrecarga y cortocircuito de fases (50/51) y neutro (50N/51N) con reenganchador (79) tanto en AT como en MT. Rel de disparo y rearme manual (86) activado por la proteccin diferencial y el rel de sobrecargas y cortocircuitos de fases y neutro del lado de MT y la proteccin de la reactancia en zig-zag.

Tambin se incluye la proteccin de la puesta a tierra en MT con reactancia en zig-zag (consiste en un rel de sobrecarga y cortocircuito en fases y neutro) La proteccin de la interconexin con la red de AT incluye las protecciones de las barras de AT, basada en el rel de mnima y mxima frecuencia (81M/81m) y el rel de mnima y mxima tensin (27/59) que disparan el interruptor de AT.

6.4.5. Evacuacin en AT Puede realizarse de diferentes formas segn la potencia del parque y las caractersticas de la red:

Lnea dedicada Lnea de enlace Doble circuito de entrada-salida

El mtodo de evacuacin ms rentable es a travs de una lnea AC (on-shore) y en DC (off-shore).

6.5.PROTECCIN FRENTE A DESCARGAS ATMOSFRICASLos parques elicos presentan un alto riesgo de impacto directo de rayos por: Altura de los AEG Emplazamientos con frecuencia de descargas elevadas

Los objetivos del sistema de proteccin frente a sobretensiones de origen atmosfrico son: Captar, derivar y dispersar la corriente de rayo a tierra Evitar las diferencias de potencial elevadas entre puntos metlicos de la instalacin.

Las medidas de proteccin adoptadas estn basadas en la IEC 61400-24, distinguindose entre: Medidas de proteccin interna

Medidas de proteccin externa

6.5.1. Proteccin externa Su objetivo es proteger el parque del impacto directo del rayo facilitando el paso de la corriente a tierra por un camino prefijado. Para ello se usan: Instalacin captadora: el rayo cae principalmente en la punta de pala. Para evitar el dao por el impacto directo del rayo en la veleta y el anemmetro, se debe situar una punta captadora en la parte superior de la nacelle. Instalacin de derivacin: o Palas: una vez capturado el rayo el problema es conducirlo a travs de la pala sin que se produzcan arcos elctricos. Malla metlica fijada al material de la pala. Variar la composicin del material de la pala incorporando material conductor. Utilizar como elemento conductor la barra de acero que forma el eje de la pala. o Nacelle: el rayo conducido hasta el buje debe atravesar ste y la nacelle para llegar a la torre. Esto se realiza a travs de conductores (que no deben inducir tensiones en el resto de equipos) y debe crearse una superficie equipotencial (para minimizar el riesgo de personas). o Torre: el rayo es conducido a travs de dos conductores de cobre paralelo a lo largo de su interior.

6.5.2. Instalacin de puesta a tierra Su objetivo es limitar la tensin respecto a tierra que puedan presentar las masas metlicas debido a corrientes de falta o sobretensiones. La instalacin de puesta a tierra debe ofrecer un camino de baja impedancia a la corriente. Comportamiento de la puesta a tierra frente al rayo: la impedancia de una toma de tierra para una corriente de frecuencia industrial se reduce a su resistencia al no existir efectos inductivos ni capacitivos. Para la corriente tipo rayo, su comportamiento es diferente. Puesta a tierra del AEG: estar formada por una nica tierra (tierra de proteccin y de servicio) en forma de anillo conductor de cobre situado cerca de la cimentacin y conectado a dos puntos a 180. Puesta a tierra de la red MT: se conectan a tierra las pantallas de los cables de todas las fases. o Conexin a tierra en ambos extremos del cable. o Conexin a tierra de un solo extremo. o Conexin con la puesta a tierra de la subestacin: en la llegada a la subestacin se puede conectar la pantalla de los cables de MT y el cable de tierra al sistema de PAT de la subestacin o encintar la pantalla y poner unos pararrayos en el extremo del cable.

6.5.3. Proteccin interna Su objetivo es evitar el dao de los equipos conectados a las redes de energa y datos de las sobretensiones producidas por la descarga directa del rayo y las inducidas por una descarga cercana. Se basa en colocar descargadores de sobretensin por zonas. Los descargadores de sobretensin estn formados por resistencias variables con la tensin: Corriente nominal de la descarga: el valor de cresta de la corriente de choque 8/20 s.

Corriente de choque de rayo: valor de cresta de la corriente de choque de rayo10/350 s que el descargador es capaz de derivar repetidas veces sin ser destruido. Nivel de proteccin: valor instantneo ms alto de la tensin despus del descargador.

Tipos de descargadores de sobretensiones: se clasifican los descargadores en funcin de su exigencia: o Clase A: son los pararrayos autovlvula clsicos. o Clase B: son los descargadores de corriente de rayo para sobretensiones IV y corriente de choque de 5kA a 50kA. o Clase C: para la proteccin contra sobretensiones III en instalaciones fijas. La corriente nominal de descarga es de 5kA. o Clase D: para la proteccin de sobretensiones II en instalaciones fijas o mviles con corriente de descarga de 5kA. Pueden clasificarse segn su aplicacin: Aparatos e instalaciones de la red de energa de BT: Descargadores de corriente de rayo (clase B). Descargadores de sobretensiones (clases C y D). o Equipos e instalaciones informticos: hasta 60V. o Vas de chispas de separacin para instalaciones de toma de tierra o para compensacin de potencial. Principio de proteccin por zonas: es una herramienta para asegurar una proteccin sistemtica y suficiente de todos los equipos que componen la instalacin. Estn definidas en funcin de si el rayo puede caer directamente sobre la instalacin, as como la magnitud de la corriente de rayo y el campo EM asociado a esta zona. Zonas de proteccin del AEG: se rige por IEC 61400-24. o

7. INTEGRACIN DE LOS SISTEMAS ELICOS EN LA RED ELCTRICAEl suministro de energa elctrica debe atender a algunos criterios de funcionamiento: abastecimiento de energa elctrica debe realizarse a todos los usuarios de la red, cumpliendo con las restricciones de seguridad de personas y equipos, al mnimo coste. La produccin de energa elctrica est supervisada por el Operador del Sistema (REE). En los ltimos aos se est produciendo un aumento de la generacin distribuida, de menos potencia que las convencionales y que se conectan a la red de transporte. La incidencia de la generacin elica en la red elctrica puede producirse sobre la calidad de energa. En los sistemas elctricos es necesario un ajuste exacto entre generacin-consumo, determinados tipos de generacin no pueden variar rpidamente la potencia vertida a la red y es necesario gestionar adecuadamente las reservas hidrulicas. Para atender a la demanda en todo momento, el sistema elctrico debe prever una reserva de generacin: Regulacin primaria: es de carcter inmediato (