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Conceptos de generadoresde fuentes renovable de energía

MOELLER & POELLER ENGINEERING

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Introducción de conceptos de generadores de generación renovable

Comparación de conceptos de generadores respeto:

Aspectos de operación de aerogeneradores de velocidad fija y variable

Capacidades de proveer potencia reactiva

Comportamiento durante fallas en el sistema (corto circuito, etc.)

Contenido

Sesión 2 - Conceptos de generadores renovables, 14.05.2019

Generadores síncronos

Generadores síncronos (Plantas de gran escala)


Generador síncrono – capacidad de potencia reactiva

capacidad de potencia reactiva

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2Q/Sn

P/Sn

Pn

Excitation current

Stator current

Stability


Generador síncrono – Comportamiento durante un hueco de tensión ligero

1,000,800,600,400,200,00 [s]

1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

0,00

Terminal(1): HV-Voltage in p.u.

G: LV-Voltage in p.u.

1,000,800,600,400,200,00 [s]

2000,00

1500,00

1000,00

500,00

0,00

-500,00

G: Positive-Sequence, Active Power in MW

G: Positive-Sequence, Reactive Power in Mvar

1,000,800,600,400,200,00 [s]

1,0325

1,0200

1,0075

0,9950

0,9825

0,9700

G: Speed in p.u.

DIg

SIL

EN

T


Generador síncrono – Comportamiento durante un hueco de tensión fuerte

1,000,800,600,400,200,00 [s]

1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

0,00



1,000,800,600,400,200,00 [s]

2000,00

1500,00

1000,00

500,00

0,00

-500,00



1,000,800,600,400,200,00 [s]

1,0325

1,0200

1,0075

0,9950

0,9825

0,9700

G: Speed in p.u.

DIg

SIL

EN

T

T<tcrit


Generador síncrono – Comportamiento durante un hueco de tensión fuerte

1,000,800,600,400,200,00 [s]

1,15

0,90

0,65

0,40

0,15

-0,10



1,000,800,600,400,200,00 [s]

4000,00

3000,00

2000,00

1000,00

0,00

-1000,00



1,000,800,600,400,200,00 [s]

1,18

1,14

1,10

1,06

1,02

0,98

G: Speed in p.u.

DIg

SIL

EN

T

T>tcrit


Concepto común para generadores de velocidad fija.

Plantas hidroeléctricas de pequeña y gran escala.

CSP (Centrales térmicas solares)

Ciclos combinados

Generación eólica (en combinación con una caja de velocidad)

Excelente capacidad de control de potencia reactiva (inductiva y reactiva)

Capacidades de proveer suporte a huecos de tensión (LVRT) pero con problemas de perdida de la sincronización (inestabilidad transitoria)

Suporte de voltaje (inyección de corriente reactiva) durante fallas del sistema.

Contribuye inercia

Contribuye “momento de fuerza” para la sincronización, que es el par que actúa sobre el eje de una máquina síncrona cuando la velocidad de rotación del rotor se desvía de la velocidad síncrona y mantiene la máquina en sincronismo.

Generador síncrono – Resumen


Generador de inducción y velocidad fija (IEC-Type 1 WTG)


Característica

velocidad –

“momento de

fuerza”

Característica

velocidad –

potencia reactiva

Generador de inducción

1.201.161.121.081.041.00

3.00

2.00

1.00

0.00

-1.00

x-Axis: GWT: Speed in p.u.

GWT: Electrical Torque in p.u.

1.201.161.121.081.041.00

0.00

-2.00

-4.00

-6.00

-8.00


GWT: Reactive Power in Mvar

DIg

SIL

EN

T


Comportamiento durante un hueco de tensión ligero:

Generador de inducción –

Comportamiento durante un hueco de tensión

0.600.400.200.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00

G\HV: Voltage, Magnitude in p.u.

MV: Voltage, Magnitude in p.u.

0.600.400.200.00 [s]

80.00

40.00

0.00

-40.00

-80.00

-120.00

Cub_0.1\PQ PCC: Active Power in p.u.

Cub_0.1\PQ PCC: Reactive Power in p.u.

0.600.400.200.00 [s]

1.06

1.04

1.02

1.00

0.98

GWT: Speed

DIg

SIL

EN

T

HT

MT

Potencia reactiva

Potencia activa

Velocidad


Comportamiento durante un hueco de tensión fuerte:

Generador de inducción –


HT

MT

Potencia reactiva

Potencia activa

Velocidad

2.001.501.000.500.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00

G\HV: Voltage, Magnitude in p.u.


2.001.501.000.500.00 [s]

80.00

40.00

0.00

-40.00

-80.00

-120.00

Cub_0.1\PQ PCC: Active Power in p.u.

Cub_0.1\PQ PCC: Reactive Power in p.u.

2.001.501.000.500.00 [s]

1.06

1.04

1.02

1.00

0.98

GWT: Speed

DIg

SIL

EN

T


Solamente permite la operación en velocidad fija (control de “entrada en pérdida”; ingl. stall)

Aplicación: Hidroeléctricas de pequeña escala

Aerogeneradores anticuados o de pequeña escala

Cogeneración de pequeña escala

No tiene la capacidad de control de potencia reactiva.

Requiere una compensación de potencia reactiva.

Riesgo de un colapso de voltajee dinámico.

-> Se requiere que este generador se desconecte en caso de un hueco de tensión.

Contribuye inercia.

No contribuye “momento de fuerza” para la sincronización.

Generado (IEC-Type 1 WTG) - Resumen


Conceptos de generadores

de velocidad variable.

Generadores de inducción con resistencia variable del rotor.

(IEC-Type 2 WTG)

GridIG



1.2001.1601.1201.0801.0401.000

3.00

2.00

1.00

0.00

-1.00





Co

nsta

nt

Y =

1

.00

0 p

.u.

DIg

SIL

EN

T

Resistencia del rotor

Speed in p.u.

Momento de fuerza p.u.


Un concepto simple para generadores de velocidad variable (Suzlon, antes

VESTAS “Opti-Slip”)

No tiene capacidades de control de potencia reactiva.

Requiere una compensación de potencia reactiva.

Capacidades limitadas de control de suporte ante huecos de tensión. Los

problemas de colapso de voltaje dinámico se deben mitigar a través de:

Un aumento rápido de la resistencia del rotor durante fallas.

Adicionales dispositivos de compensación de potencia reactiva (típicamente TSCs)

No contribuye inercia.



(IEC-Type 2-WTG) - Resumen


Generador doblemente alimentado (IEC-Type 3 – WTG)


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2Q/Sn

P/Sn

Pn

Generador doblemente alimentado – Capacidades de potencia reactiva

Theoretical characteristic

Const. cos(phi)-characteristic

Const. Q-characteristic

with contribution

from Grid-Side Converter

Limited by rotor-side converter

Limited by stator current/

step-up transformer rating


Comportamiento durante un hueco de tensión ligero:

Generador doblemente alimentado –


HT

MT

Potencia reactiva

Potencia activa

Velocidad

0.600.400.200.00 [s]

75.00

50.00

25.00

0.00

-25.00

-50.00

-75.00

Cub_1\PCC PQ: Active Power in p.u.

Cub_1\PCC PQ: Reactive Power in p.u.

0.600.400.200.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

HV: Voltage, Magnitude in p.u.


0.600.400.200.00 [s]

1.275

1.250

1.225

1.200

1.175

1.150

G1d: Speed

DIg

SIL

EN

T


Comportamiento durante un hueco de tensión fuerte (crow-bar operation):



HT

MT

Potencia reactiva

Potencia activa

Velocidad

2.001.501.000.500.00 [s]

75.00

50.00

25.00

0.00

-25.00

-50.00

-75.00



2.001.501.000.500.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20



2.001.501.000.500.00 [s]

1.275

1.250

1.225

1.200

1.175

1.150

G1d: Speed

DIg

SIL

EN

T


Concepto común para generadores de velocidad variable:

Generación eólica (VESTAS, REpower, Nordex, etc.)

Hidroeléctricas de pequeña escala.

Central hidroeléctrica reversible


La capacidad de soporte ante huecos de tensión necesita dispositivos adicionales

de protección y control (Chopper, Crow-bar, etc.)

Suporte de voltaje (inyección de corriente reactiva) durante fallas del sistema es

posible (no con crow bar).

No contribuye inercia (excepción: “Inercia artificial”)



(DFIG, IEC Type 3 WTG) Resumen


Generador con un convertidor de potencia - (IEC-Type 4 WTG)

SG/IG


Generador con un convertidor de potencia -

Capacidades de potencia reactiva.

Theoretical characteristic

Const. cos(phi)-characteristic

Const. Q-characteristic

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2Q/Sn

P/Sn

Pn

Converter current limit

Converter voltage limit


Comportamiento durante un hueco de tensión ligero (ideal DC-chopper):

Generador con un convertidor de potencia -


HT

MT

Potencia reactiva

Potencia activa

Velocidad

0.600.400.200.00 [s]

60.00

40.00

20.00

0.00

-20.00



0.600.400.200.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20


MV BusBar: Voltage, Magnitude in p.u.

0.600.400.200.00 [s]

1.15

1.10

1.05

1.00

0.95

0.90

Generator: speed

DIg

SIL

EN

T


Comportamiento durante un hueco de tensión fuerte (ideal DC-chopper):

Generador con un convertidor de potencia –


HT

MT

Potencia reactiva

Potencia activa

Velocidad

0.600.400.200.00 [s]

60.00

40.00

20.00

0.00

-20.00



0.600.400.200.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20


MV BusBar: Voltage, Magnitude in p.u.

0.600.400.200.00 [s]

1.15

1.10

1.05

1.00

0.95

0.90

Generator: speed

DIg

SIL

EN

T


FCD-Chopper

0.080.060.040.02-0.00 [s]

62.50

50.00

37.50

25.00

12.50

0.00

-12.50

IGBT Chopper: Phase Current/Terminal j in kA

0.080.060.040.02-0.00 [s]

1.0625

1.0500

1.0375

1.0250

1.0125

1.0000

0.9875

Chopper: u

0.080.060.040.02-0.00 [s]

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00

-1.00

Chopper: E

0.080.060.040.02-0.00 [s]

1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00

LV AC-BusBar: Voltage Phasor, Magnitude in p.u.

MV BusBar: Voltage Phasor, Magnitude in p.u.

DIg

SIL

EN

T


Un concepto común para generadores de velocidad variable.

en combinación con diferentes tecnologías de generadores:

Generadores de inducción

Generadores síncronos con excitación eléctrica

Generadores síncronos con magneto permanente.


La capacidad de soporte ante huecos de tensión (generadores eólicos requieren

un DC-chopper)

No contribuye inercia (excepción: “Inercia artificial”)


Generador con un convertidor de potencia (IEC-Type 4 WTG) -

Resumen


Fuentes de corriente directa

(sistemas fotovoltaicas)

Fuente de corriente directa con un inversor

=Fuente de

corriente

directa

Inversor


Características similares que generadores de corriente alterna con un convertidor

de potencia

Excelente capacidades de control de potencia reactiva (inductiva y reactiva)

Suporte ante huecos de tensión (Fotovoltaicos no requieren una resistencia

chopper)

Soporte de voltaje (inyección de corriente reactiva) durante fallas del sistema es

posible.

Fuente de corriente directa - resumen


Conceptos de generadores - resumen

Generador

síncrono

Generador

inductivo

Generador

inductivo con

resistencia

variable de

rotor DFIG

Velocidad fija Velocidad variable

Q-controlNo Q-control

- Generador CA

con convertidor

- Generador CD

con inversor

No Q-control Q-controlQ-control

No Q-ControlQ-Control

Inercia Sin inercia

“momento de fuerza” de

sincronización

Sin “momento de fuerza”

para la sincronización


Desarrollos tecnológicos

Control de potencia activa / control de frecuencia a través de control del “pitch”.

Una respuesta de frecuencia muy rápida es posible (pocos segundos), másrápido que termoeléctricas.

Proveer reserva primaria positiva requiere limitar la generación (como en todos los casos para plantas generadoras)-> Muy costoso, porque la energía primaria (solar/viento) es sin costo.

„Inercia artificial”:Utilizando la energía cinética rotacional de los rotores de un aerogenerador para proveer suporte de frecuencia => una propuesta de varios proveedores de turbinas (vea problemas en las siguiente laminas)

Control de potencia activa / control de frecuencia de

aerogeneradores


Control de potencia activa con generación eólica – inercia artificial

Punto de operación para vw<vwrated

Punto de operación

después de aprovechar

la energía cinética

rotacional.

3

2

1),( wAvcpPw =


Generación eólica – inercia artificial

t in s


Utilizar la energía inercial del roto de un aerogenerador es problemático porque

operar con una velocidad reducida también reduce la eficiente de la turbina.

Por consiguiente, menos potencia activa está disponible después de haber

utilizado la energía inercial.

Recomendaciones:

No se recomienda utilizar la inercia artificial, pero:

Control de frecuencia con generación renovable o suporte rápido de frecuencia

con baterías (p.ej. Reinos unidos, Irlanda)

Generación eólica – inercia artificial


Inversores de sistemas fotovoltaicos pueden proveer control de potencia activa /

frecuencia instantánea.

Control primario con generación fotovoltaicas requiere limitar la potencia activa.

-> Costoso porque la energía primaria (sol) es sin costo

-> Recomendación: si es necesario baterías deberían proveer reserva primaria.

Control de potencia activa / control de frecuencia con sistemas fotovoltaicos


Técnicamente el control de potencia activa / frecuencia es posible con la

generación eólicas y fotovoltaica.

El control de potencia activa puede ser muy rápido (eólicas: pocos segundos,

Fotovoltaicas: instantáneo)

Pero: Proveer reserva de potencia activa requiere limitar la potencia del

generado, que es muy costoso, porque la energía primaria de la generación

renovable es sin costo.

En muchos casos proveer control de potencia activa por sistemas de almacenamiento

(p.ej. Baterías, hidroeléctrica reversible) es más costo-eficiente.

Control de potencia activa / control de frecuencia con

generación renovable - resumen


Muchas gracias

Marko Obert

[email protected]

Moeller & Poeller Engineering GmbH (M.P.E.)

http://www.moellerpoeller.de

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