protocolo del aereogenerador

7/18/2019 PROTOCOLO DEL AEREOGENERADOR

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Agradecimientos

A Dios, por acompañarme en todo momento en el breve camino que lleva mi vida.

Al Ing. José Luis Velasco Góme, por su asesor!a técnica, por su gran apo"o einvaluable paciencia en este traba#o.

A mis amigos " compañeros en esta etapa de mi vida, de quienes $e aprendido

grandes cosas, les agradeco su apo"o " los agradables momentos que pasamos

#untos.

A los pro%esores de la especialidad de ingenier!a eléctrica, les agradeco el $abercompartido parte de sus conocimientos conmigo, en especial al In. Iv&n Agilar

'arrillo por su gran apo"o " por permitirme una ma"or e(pansión pro%esional.

1



Resumen

)n este traba#o se $ace un estudio del comportamiento din&mico de un parque de

generación eólica interconectado a un sistema eléctrico de potencia.

)l parque eólico est& con%ormado por generadores de inducción de #aula de

ardilla. *ara compensar la potencia reactiva de los generadores se utilian

capacitores en cada nodo de generación.

+e desarrollan " analian di%erentes modelos din&micos considerando la

din&mica completa -en el estator " en el rotor " modelos de orden reducido donde

se desprecia la din&mica del estator. +e analian dos modelos de generador

equivalente del parque eólico.

+e presentan resultados del comportamiento din&mico del sistema eólico

completo " de los di%erentes modelos del sistema equivalente ante di%erentes

perturbaciones.

2



Introducción

La energ!a eólica $ace re%erencia a aquellas tecnolog!as " aplicaciones en que se

aprovec$a la energ!a cinética del viento, convirtiéndola en energ!a eléctrica o

mec&nica. +e pueden distinguir dos tipos de aplicaciones/ las instalaciones parala producción de electricidad -Aerogeneradores " las instalaciones de bombeo de

agua -0olinos.

)ntre las instalaciones de aerogeneradores se pueden distinguir instalaciones

aisladas, no conectadas a la red eléctrica e instalaciones conectadas,

normalmente denominadas parques eólicos. Las instalaciones no conectadas a la

red, normalmente cubren aplicaciones de pequeña potencia, principalmente de

electri%icación rural. Las aplicaciones conectadas a la red eléctrica, por otra parte,son las que permiten obtener un aprovec$amiento energético ma"or, son adem&s

las que presentan me#ores e(pectativas de crecimiento.

Los aerogeneradores son equipos especialmente diseñados para producir

electricidad. Durante la 1ltima década la tecnolog!a de generadores eólicos $a

tenido gran desarrollo " la industria se $a %ortalecido alrededor de ella. Las

instalaciones de aerogeneradores $an crecido e(cepcionalmente, $asta a$ora,

m&s de 2333 04 se $an instalado en el mundo, de estas 5633 04 est&n en los

)stados 7nidos " 'anad&. )ntre 8333 " 53333 nuevas centrales de energ!a

eólica est&n en la etapa de planeación, en construcción o en operación en los

)stados 7nidos.

)n )uropa la potencia instalada es de 983 04 al año " tiene una capacidad de

generación de :33 04 al año. )n )uropa $a" m&s de 93 manu%actureras " el

sector eólico $a creado m&s de 53333 empleos. La energ!a eólica proporciona la

electricidad a m&s de 9.8 millones de personas.

Los aerogeneradores utiliados en los sistemas eléctricos de potencia pueden ser

divididos en dos grandes grupos/ de velocidad %i#a " de velocidad variable.

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Justificación

*or medio de este traba#o buscamos conceptualiar el tema, darlo a conocer m&s

a %ondo " proporcionar nuevas posibilidades de generar energ!a que a"uden a

disminuir la contaminación ambiental aprovec$ando los recursos naturales, en

especial el viento, esta energ!a e(tra!da del viento la llamamos energ!a eólica que

est& relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplaan de

&reas de alta presión atmos%érica $acia &reas ad"acentes de ba#a presión, con

velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a

causa del calentamiento no uni%orme de la super%icie terrestre por parte de la

radiación solar, entre el 5 " 9; de la energ!a proveniente del sol se convierte en

viento. De d!a, las masas de aire sobre los océanos, los mares " los lagos se

mantienen %r!as con relación a las &reas vecinas situadas sobre las masas

continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de lu solar, por lo

tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se e(pande, " se $ace por lo tanto

m&s liviana " se eleva. )l aire m&s %r!o " m&s pesado que proviene de los mares,

océanos " grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar de#ado por

el aire caliente. La energ!a del viento es utiliada mediante el uso de m&quinas

eólicas -o aeromotores capaces de trans%ormar la energ!a eólica en energ!a

mec&nica de rotación utiliable, "a sea para accionar directamente las m&quinas

operatrices, como para la producción de energ!a eléctrica. )n este 1ltimo caso, el

sistema de conversión, -que comprende un generador eléctrico con sus sistemas

de control " de cone(ión a la red es conocido como aerogenerador. La ba#a

densidad energética, de la energ!a eólica por unidad de super%icie, trae como

consecuencia la necesidad de proceder a la instalación de un n1mero ma"or de

m&quinas para el aprovec$amiento de los recursos disponibles. )l e#emplo m&st!pico de una instalación eólica est& representado por los <parques eólicos< -varios

aerogeneradores implantados en el territorio conectados a una 1nica l!nea que los

conecta a la red eléctrica local o nacional.

)n la actualidad se utilia, sobre todo, para mover aerogeneradores. )n estos la

energ!a eólica mueve una $élice " mediante un sistema mec&nico se $ace girar el

rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energ!a eléctrica.

*ara que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentracionesdenominadas parques eólicos. )speramos sea de todo su agrado.

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Cronograma

febrero marzo abril mayo junioACTIVIDAD 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Investigación

el !royecto

P

R

"evisión

bibliogr#fica

P

R

A!licación e

los

generaores

P

R

$rototi!os e

los

aerogeneraor

es

P

R

An#lisis e los

resultaos

P

R

%oelao e

los

aerogeneraor

es

P

R

Objetivos

5



Los ob#etivos principales de este traba#o son los siguientes/

• Analiar el comportamiento din&mico " de estado estable del sistema

eléctrico que utilia generadores de inducción -parque eólico.

• Analiar di%erentes modelos de orden reducido de generadores deinducción.

• An&lisis de un sistema equivalente del parque eólico.

Capítulo 1

Introducción

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1.1 Motivación

La energ!a eólica $ace re%erencia a aquellas tecnolog!as " aplicaciones en que se

aprovec$a la energ!a cinética del viento, convirtiéndola en energ!a eléctrica o

mec&nica. +e pueden distinguir dos tipos de aplicaciones/ las instalaciones para

la producción de electricidad -Aerogeneradores " las instalaciones de bombeo de

agua -0olinos.

)ntre las instalaciones de aerogeneradores se pueden distinguir instalaciones

aisladas, no conectadas a la red eléctrica e instalaciones conectadas,

normalmente denominadas parques eólicos. Las instalaciones no conectadas a la

red, normalmente cubren aplicaciones de pequeña potencia, principalmente de

electri%icación rural. Las aplicaciones conectadas a la red eléctrica, por otra parte,

son las que permiten obtener un aprovec$amiento energético ma"or, son adem&s

las que presentan me#ores e(pectativas de crecimiento.

Los aerogeneradores son equipos especialmente diseñados para producir

electricidad. Durante la 1ltima década la tecnolog!a de generadores eólicos $a

tenido gran desarrollo " la industria se $a %ortalecido alrededor de ella. Las

instalaciones de aerogeneradores $an crecido e(cepcionalmente, $asta a$ora,m&s de 2333 04 se $an instalado en el mundo, de estas 5633 04 est&n en los

)stados 7nidos " 'anad&. )ntre 8333 " 53333 nuevas centrales de energ!a

eólica est&n en la etapa de planeación, en construcción o en operación en los

)stados 7nidos.

)n )uropa la potencia instalada es de 983 04 al año " tiene una capacidad degeneración de :33 04 al año. )n )uropa $a" m&s de 93 manu%actureras " elsector eólico $a creado m&s de 53333 empleos. La energ!a eólica proporciona la

electricidad a m&s de 9.8 millones de personas.

Los aerogeneradores utiliados en los sistemas eléctricos de potencia pueden ser divididos en dos grandes grupos/ de velocidad %i#a " de velocidad variable =58>.

1.1.1 Aerogeneradores de velocidad fija 'asi todos los %abricantes deaerogeneradores de velocidad %i#a utilian generadores de inducción conectados ala red. Debido a que la %recuencia de la red es %i#a, la velocidad de la turbina seregula con la relación de la ca#a de cambios " el n1mero de polos del generador.

*ara incrementar la generación de la potencia, algunos aerogeneradores de

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velocidad %i#a est&n equipados con un generador que contiene devanadosm1ltiples.

Las desventa#as de este tipo de aerogeneradores es la pulsación de la potenciaprovocada por el gradiente del viento, los e%ectos de la sombra de la torre " el

consumo de potencia reactiva del generador de inducción. *ara compensar elconsumo de potencia reactiva se usan bancos de capacitores.

1.1.! Aerogeneradores de velocidad variable Actualmente est&n eninvestigación prototipos de aerogeneradores de velocidad variable, los cuales concontroles adecuados pueden reducir las %luctuaciones de potencia que provienendel gradiente del viento " la sombra de la torre.

)l %uncionamiento a velocidad variable de un aerogenerador puede ser en unrango amplio o limitado.

Actualmente el arreglo m&s com1n en un rango de velocidad limitado es conresistencias del rotor controlables. +e $an producido aerogeneradores dónde eldesliamiento del generador de inducción, " por consiguiente, la velocidad delrotor puede variar entre el 5 " 53;. La posibilidad de reducir las %luctuaciones depotencia que provienen de la sombra de la torre es una de las venta#as de estetipo de sistema. 7no de sus inconvenientes es el consumo de potencia reactiva.

Los sistemas de velocidad variable de rango amplio est&n provistos con unconversor de %recuencia. Los dos tipos de inversores m&s comunes son el de

conmutación natural o de l!nea " el de conmutación %orada. )stos inversoresproducen armónicos de di%erente orden " por lo tanto necesitan di%erentes tipos de%iltros. )l inversor con conmutación natural est& provisto con tiristores. Losma"ores inconvenientes del inversor con conmutación natural son/ ba#o %actor depotencia " alto contenido de corriente armónica.

)l inversor de conmutación %orada est& normalmente provisto con ?ransistores@ipolares de *uerta Aislada -IG@?. )n un inversor de conmutación %orada esposible especi%icar el %actor de potencia deseado. 7tiliando la técnica de0odulación por Anc$o de *ulsos -*40 se elimina la armónica de ba#a

%recuencia, " el primer armónico tendr& entonces una %recuencia pró(ima a la%recuencia de sic$eo del inversor. *or lo tanto, un pequeño %iltro de red ser&necesario debido a la alta %recuencia de sic$eo.

1.! "l modelado de par#ues eólicos.

Las plantas eólicas contienen un gran n1mero de aerogeneradores concapacidades de 3.8 a 9 04 interconectados a una red de medio o alto volta#e =9>.

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)l tamaño de la red determina la comple#idad del modelo de la planta eólica. Algunas simpli%icaciones son utiliadas en algunas aplicaciones como/ estudios dem&quinaBbus in%inito ó %lu#os de potencia, en donde el parque eólico esrepresentado por un generador equivalente. )n estudios din&micos, el generadorequivalente puede no representar apropiadamente la din&mica del parque degeneración eólica para los di%erentes tipos de disturbios del sistema. 'adaaerogenerador es una m&quina relativamente so%isticada " la e(periencia conellas es mu" limitada. )l comportamiento din&mico del modelo del parque eólicono puede determinarse intuitivamente. 7n diagrama de bloques de un subsistema de generación eólica se muestra en la%igura 5.5. La ma"or!a de estos bloques tienen sus equivalentes en los sistemasde generación eléctrica convencionales pero di%ieren en sus detalles deimplementación. )l primoBmotor en turbinas eólicas e(trae la potencia del viento

que es convertida en potencia mec&nica por medio de las propiedadesaerodin&micas de las aspas de la turbina. La potencia mec&nica es transmitida através de un sistema de transmisión, normalmente contenido en una ca#a develocidades que convierte la ba#a velocidad de rotación de las aspas en unavelocidad m&s alta, necesaria para que el generador eléctrico produca una salidade volta#e a la %recuencia de la red.

Cigura 5.5 +ubsistema de un aerogenerador.

La tecnolog!a empleada para la conversión de energ!a electromec&nica por lasturbinas eólicas es di%erente de la generación convencional. Las m&quinas deinducción, en lugar de los generadores s!ncronos, son usadas en la ma"or!a delos aerogeneradores comerciales de los parques eólicos en el tiempo actual. Adem&s, algunos diseños de las turbinas emplean so%isticados controladores de

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electrónica de potencia, que modi%ican el comportamiento %undamental de lasm&quinas de inducción en operación en estado estable " en estado transitorio.

)n estudios din&micos de grandes sistemas de potencia, el rango del tiempo deinterés es de décimas a milisegundos. )l modelo de los dispositivos de los

componentes debe re%le#ar apropiadamente el comportamiento sobre el anc$o debanda de interés. )l propósito de los modelos es %acilitar la investigación en eltema de sistemas eléctricos de potencia. )s por eso que en los modelos ciertosdetalles del sistema mec&nico o del proceso de conversión de energ!a pueden noser representados si no tienen impacto importante en el %enómeno eléctrico deinterés.

1.$ Antecedentes de estudios de aerogeneradores % par#ues eólicos

)l %uncionamiento de las m&quinas eólicas es %ormulado en 55 por el Ing.

Alem&n Albert @et " publicado en su libro 4ind )nergie en 59E, en elproporciona buena parte del conocimiento que en ese momento se ten!a sobreenerg!a eólica " los aerogeneradores. La teor!a de @et dice que sólo se puedeconvertir menos del 8; de la energ!a cinética en energ!a mec&nica usando unaerogenerador =5>.

+e $an reportado di%erentes estudios de parques eólicos en =6, , 53, 52>. )lestudio m&s detallado %ue $ec$o por @auer, Faan, 0e"l " *ieri =:>. )n =55> sepresentan algunas soluciones de generadores de 'D para parques eólicoscosteros " especialmente la propuesta de un parque eólico con sus

aerogeneradores conectados en paralelo, es de gran interés. La producción deenerg!a de di%erentes parques eólicos es calculada en =59>, " en =, 59, 5H> sepresenta el costo estimado de la energ!a eléctrica generada.

Los c&lculos de captura de energ!a de los sistemas de energ!a eólica " losparques eólicos es un asunto en donde e(iste muc$a in%ormación en la literatura.+in embargo, la comparación detallada entre los di%erentes sistemas degeneración eléctrica para turbinas eólicas no son tan comunes.

iran andigam realió un estudio del modelo del generador de inducción

aplicado a la generación eólica, donde muestra que los c&lculos de condicionesiniciales incorrectos pueden llevar a problemas de inestabilidad numéricos,aunque no menciona los resultados erróneos obtenidos de sus simulacionesdin&micas. ?ambién plantea el modelo de la m&quina en estudio, desde unaperspectiva del desliamiento " el c&lculo de la potencia reactiva, donde pruebadi%erentes casos de estudio. )l c&lculo de la potencia reactiva din&mica lo realiapor medio de un paquete computacional comercial mu" conocido, al simular %lu#osde potencia, de donde obtiene la potencia reactiva en estado estable, =H>.

Andrés ). Cei#óo " José 'idr&s =8>, estudian el modelado de parques eólicos congeneradores as!ncronos por medio de dos métodos aplicando un an&lisis de %lu#os

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de carga. Los dos métodos est&n basados en el modelo de estado estable de lam&quina de inducción, el primero trata de me#orar el nodo convencional *K, " elsegundo trata de modelar los generadores en estado estable en el bus donde elparque eólico est& ubicado. Asumen que el desliamiento de la m&quina puedeser obtenido del modelo de la m&quina de inducción en estado estable.

Andrés ). Cei#óo " José 'idr&s =8>, estudian el modelado de parques eólicos congeneradores as!ncronos por medio de dos métodos aplicando un an&lisis de %lu#osde carga. Los dos métodos est&n basados en el modelo de estado estable de lam&quina de inducción, el primero trata de me#orar el nodo convencional *K, " elsegundo trata de modelar los generadores en estado estable en el bus donde elparque eólico est& ubicado. Asumen que el desliamiento de la m&quina puedeser obtenido del modelo de la m&quina de inducción en estado estable.

A. *apantoniou =2> analia un parque eólico conectado a la red de '$ipre, el cualtiene generadores de 233 4, de alta velocidad, con e#e $oriontal. Las m&quinasde inducción abastecen de energ!a a la red eléctrica. 7tilia modelos din&micoslinealiados para el parque eólico tomando en cuenta cambios de la velocidad delviento de 2 ms $asta 9H ms. Ademas, realia estudios de %lu#os de carga " deestabilidad transitoria para determinar el e%ecto del parque eólico sobre el per%il devolta#e del sistema, as! como también en los eigenvalores del sistema. Despuéscalcula la matri de participación para determinar si en el parque eólico lasvariables de estado tienen un e%ecto signi%icativo en los eigenvalores " en laestabilidad del sistema.

Capítulo !

"nergías renovables % aerogeneradores

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!.1 Introducción

'uando en 562 se produ#eron eventos importantes en el mercado mundial delpetróleo =5E>, que se mani%estaron en los años posteriores en un encarecimientonotable de esta %uente de energ!a no renovable, resurgieron las preocupaciones

sobre el suministro " precio %uturo de la energ!a. Mesultado de esto, los pa!sesconsumidores, en%rentados a los altos costos del petróleo " a una dependenciacasi total de este energético, tuvieron que modi%icar costumbres " buscaropciones para reducir su dependencia de %uentes no renovables.

)ntre las opciones para reducir la dependencia del petróleo como principalenergético, se reconsideró el me#or aprovec$amiento de la energ!a solar " susdiversas mani%estaciones secundarias tales como la energ!a eólica " las diversas%ormas de biomasa es decir, las llamadas energ!as renovables.

As!, $acia mediados de los años setenta, m1ltiples centros de investigación en elmundo retomaron vie#os estudios, organiaron grupos de traba#o e iniciaron laconstrucción " operación de prototipos de equipos " sistemas operados conenergéticos renovables. Asimismo, se establecieron diversas empresas paraaprovec$ar las oportunidades que se o%rec!an para el desarrollo de estastecnolog!as, dados los altos precios de las energ!as convencionales. )n la décadade los oc$enta, aparecen evidencias de un aumento en las concentraciones degases que provocan el e%ecto de invernadero en la atmós%era terrestre, que $ansido atribuidas, en gran medida, a la quema de combustibles %ósiles. )sto tra#o

como resultado una convocatoria mundial para buscar alternativas de reducciónde las concentraciones actuales de estos gases, lo que llevó a un replanteamientode la importancia que pueden tener las energ!as renovables para crear sistemassustentables. 'omo resultado de esta convocatoria, muc$os pa!ses,particularmente los m&s desarrollados, establecen compromisos para limitar "reducir emisiones de gases de e%ecto de invernadero renovando as! su interés enaplicar pol!ticas de promoción de las energ!as renovables.

Fo" en d!a, m&s de un cuarto de siglo después de la llamada crisis del petróleo,muc$as de las tecnolog!as de aprovec$amiento de energ!as renovables $an

madurado " evolucionado, aumentando su con%iabilidad " me#orando surentabilidad para muc$as aplicaciones. 'omo resultado, pa!ses como )stados7nidos, Alemania, )spaña e Israel presentan un crecimiento mu" acelerado en eln1mero de instalaciones que aprovec$an la energ!a solar de manera directa oindirectamente a través de sus mani%estaciones secundarias.

Adem&s de la riquea en energéticos de origen %ósil, 0é(ico cuenta con unpotencial mu" importante de recursos energéticos renovables, cu"o desarrollopermitir& al pa!s contar con una ma"or diversi%icación de %uentes de energ!a,ampliar la base industrial en un &rea que puede tener valor estratégico en el

%uturo, " atenuar los impactos ambientales ocasionados por la producción,distribución " uso %inal de energ!a en %orma convencional.

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De una manera mu" general se puede a%irmar que la Mep1blica 0e(icana recibe,en seis $oras de e(posición al +ol, la misma cantidad de energ!a que consumir&durante todo un año. )sta energ!a se trans%orma en calor, viento, agua evaporada" en diversas %ormas de biomasa " solo una %racción pequeña es aprovec$ablepara el uso que los $umanos le damos a la energ!a.

De manera general, resalta la investigación " desarrollo en energ!as renovablesque arranca en la mitad de la década de los setentas " que contin1a $asta la%ec$a. )n este sentido, son importantes las actividades de universidades einstitutos, nacionales " regionales, a lo largo " anc$o del pa!s. Igualmenteimportante $a sido el traba#o de di%usión " promoción de la Asociación acional de)nerg!a +olar -A)+, la cual $a uni%icado a esta comunidad, particularmente através de sus semanas " reuniones nacionales celebradas anualmente desde566.

Cinalmente, para analiar " plantear estrategias nacionales sobre energ!asrenovables, la +ecretar!a de )nerg!a se $a apo"ado en la 'omisión acional parael A$orro de )nerg!a, 'onae, quien a su ve, estableció, desde $ace m&s de tresaños, una aliana con la A)+, " #untas $an operado el 'onse#o 'onsultivo parael Comento de las )nerg!as Menovables, 'o%er, al cual concurren reconocidosespecialistas de los sectores p1blico " privado " en cu"o conte(to se $anorganiado media docena de %oros p1blicos sobre asuntos relacionados con lapromoción de las energ!as renovables.

!.1.1. &a energía solar % sus diversas manifestaciones como energíarenovable.

La energ!a solar se mani%iesta de diversas %ormas " su aplicación $a sido%undamental para el desarrollo de la $umanidad. A estas %ormas se les conocecomo energ!as renovables, "a que son %ormas de energ!a que se van renovandoo re$aciendo con el tiempo o que son tan abundantes en la tierra, que perdurar&npor cientos o miles de años, las usemos o no.

La energ!a solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de %usión

nuclear que tiene lugar en el interior del +ol. De toda la energ!a que produce eseproceso nuestro planeta recibe menos de una milmillonésima parte. )sa energ!a,que en oc$o minutos recorre los m&s de 5H8 millones de ilómetros que separanal +ol de la ?ierra resulta, sin embargo, una cantidad enorme en proporción altamaño de nuestro planeta.

La energ!a solar se mani%iesta en un espectro que se compone de radiaciónultravioleta, visible e in%rarro#a. Al llegar a la ?ierra, pierde primero su parteultravioleta, que es absorbida por una capa de oono que se presenta en el l!mitesuperior de la atmós%era. Na en la atmós%era, la parte in%rarro#a se pierde "a sea

por dispersión al re%le#arse en las part!culas que en ella se presentan o al llegar alas nubes, que son capaces de re%le#ar $asta un :3; de la radiación solar que a

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ellas llega. )l resto llega a la super%icie, "a sea de manera directa oindirectamente como re%le#o de las nubes " part!culas en la atmós%era.

La radiación solar que llega a la super%icie terrestre se puede trans%ormardirectamente en electricidad o calor. )l calor, a su ve, puede ser utiliado

directamente para producir vapor " generar electricidad.

)l conocimiento general que se tiene de la energ!a solar en nuestro pa!s indicaque m&s de la mitad del territorio nacional presenta una densidad energéticapromedio de 8 4$ por metro cuadrado al d!a.

!.1.1.1 'istemas fotovoltaicos

Las celdas %otovoltaicas son placas %abricadas principalmente de silicio. 'uando alsilicio se le añaden cantidades relativamente pequeñas de ciertos materiales con

caracter!sticas mu" particulares, obtiene propiedades eléctricas 1nicas enpresencia de lu solar/ los electrones son e(citados por los %otones asociados a lalu " se mueven a través del silicio produciendo una corriente eléctrica estee%ecto es conocido como %otovoltaico. La e%iciencia de conversión de estossistemas es de alrededor de 58;, por lo que un metro cuadrado puede proveer583 4atts, potencia su%iciente para operar un televisor mediano.

Las celdas %otovoltaicas, para poder proveer de energ!a eléctrica en las noc$es,requieren de bater!as donde se acumula la energ!a eléctrica generada durante eld!a, lo cual encarece su aplicación. +in embargo, en la actualidad se est&n

desarrollando sistemas %otovoltaicos conectados directamente a la red eléctrica,evitando as! el uso de bater!as, por lo que la energ!a que generan se usa deinmediato por el propio usuario que la genera, con la posibilidad de vender lose(cedentes de electricidad a las compañ!as generadoras.

La tecnolog!a relacionada con la generación de electricidad por procesos%otovoltaicos $a tenido grandes avances. +u costo unitario de potencia se $areducido m&s de 93 veces desde 562, al pasar de 933 a 53 dólares por att.)sto $a permitido que el uso de esta tecnolog!a se $a"a generaliado " que setengan e(pectativas de ma"ores reducciones en su precio, lo que la coloca en el

umbral de aplicaciones masivas. )n 5, la producción de celdas %otovoltaicas aescala mundial pr&cticamente alcanó la marca de los 933 04 por año, lo querepresentó un crecimiento de 9; con respecto a 5:.

?ambién en 5, la capacidad instalada acumulada en la 'omunidad )uropeae(cedió los 592 04. Actualmente, e impulsado por un mercado nacionaldin&mico, Japón supera a los )stados 7nidos como l!der productor de celdas%otovoltaicas con :3 04 por año.

)n el conte(to nacional, los pioneros en el desarrollo de tecnolog!a de generación

de electricidad, a partir de celdas %otovoltaicas, %ueron investigadores del 'entrode Investigación " )studios Avanados del Instituto *olitécnico acional

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-'IV)+?AV, quienes desarrollaron una pequeña planta piloto, que permitió, enlos años setenta, proveer de electricidad a un n1mero signi%icativo de aulas delsistema nacional de teleBsecundarias.

A través de un es%uero del gobierno %ederal, " mediante la participación de

instituciones como 'omisión Cederal de )lectricidad -'C), los Gobiernosestatales " municipales, entre otros, se instalaron en 0é(ico alrededor de H3,333sistemas %otovoltaicos, " otros die mil por la iniciativa privada, para proveer deelectricidad a onas ale#adas de la red eléctrica. )sto $a permitido que miles depequeños poblados cuenten con iluminación eléctrica durante las noc$es " enalgunos casos, con electricidad para bombeo de agua. Adem&s, el uso de estossistemas se $a generaliado para la comunicación en sistemas de au(ilio eiluminación en carreteras %ederales, para dar energ!a a estaciones del sistema decomunicación por microondas " a la tele%on!a rural.

Asimismo, en 0é(ico se aplican ampliamente los sistemas %otovoltaicos ensistemas de comunicación tele%ónica rural. La capacidad instalada en sistemas%otovoltaicos en 0é(ico, seg1n datos de la A)+, %ue de 3. 04 para el año de5, con lo que el acumulado, $asta ese mismo año, es de 59.9 04.

!.1.$ "nergía del viento

Los vientos ocurren por di%erencias de presión generadas por un calentamiento nouni%orme de la atmós%era terrestre, despla&ndose grandes masas de aire de lasonas de alta presión a las de ba#a.

Apro(imadamente el 9; del calor del +ol que llega a la ?ierra se convierte enviento, pero sólo una %racción mu" pequeña puede ser aprovec$ada, "a quebuena parte de estos vientos ocurre a grandes alturas o sobre los océanos, maradentro. Adem&s, se requieren condiciones de intensidad " regularidad en elrégimen de vientos para poder aprovec$arlos. +e considera que vientos convelocidades promedio entre 8.3 " 59.8 metros por segundo son losaprovec$ables.

)l viento contiene energ!a cinética -de las masas de aire en movimiento que

puede convertirse en energ!a mec&nica o eléctrica por medio de turbinas eólicas,las cuales se componen por un arreglo de aspas, generador " torre,principalmente. Las turbinas eólicas pueden ser clasi%icadas, por la posición de sue#e, en $oriontales " verticales.

A partir de las le"es establecidas para promover alternativas al petróleo en los)stados 7nidos como resultado de la crisis de 562, en el estado de 'ali%ornia sepresentó un %enómeno particular " e(traordinario que %ue la aparición de lasgranjas eólicas, grandes arreglos de pequeñas unidades de generación que,agregadas, representan capacidades comparables a las de grandes plantasconvencionales. @a#o este esquema, para 5H 'ali%ornia ten!a m&s de 58, 333

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)n algunos estados de la Mep1blica tales como '$i$ua$ua " +onora, se utiliansistemas eólicos para bombeo de agua denominados aerobombas, mu" 1tiles enlocalidades rurales aisladas de la red de suministro, o cu"as condicionesgeogr&%icas impiden la electri%icación convencional.

A %inales de 52 la 'omisión Cederal de )lectricidad -'C) =56>, licitó laconstrucción de la primer central )oloeléctrica en 0é(ico " entró en operación en5H en La Venta, Oa(aca. ?iene 6 aerogeneradores Daneses marca Vestas,modelo VB96 con una capacidad nominal de 3.998 04 -a una velocidad de 58ms cada uno para un total de 5.868 04. )l di&metro del rotor de las m&quinases de 96 metros. )sta planta opera interconectada a la red de distribución de 'C)en Juc$it&n de Paragoa, Oa(aca en 52.: V.

'ada unidad cuenta con dos generadores/ uno para ba#as velocidades del vientode 83 4 " otra para altas velocidades de 998 4. 'on poco viento se arranca launidad de 83 4 " al aumentar la velocidad se arranca la m&quina de 998 4 "se para la de 83 4. +eg1n los datos de la 'C), la planta tiene un alto %actor deplanta, del orden de :3 ;, lo que la $ace mu" venta#osa económicamente. )n losdos primeros años de operación, la generación de la central %ue de 59.H G4, conun %actor de planta de H:.5;. +us costos de operación son H.2 centavos de dólarpor 4$.

Adem&s de la planta de La Venta, la 'C) instaló en Guerrero egro, @a#a'ali%ornia +ur, un generador eólico de 3.E 04 en noviembre de 5:. )(isten

otros generadores eólicos de poca potencia como componentes de sistemas$!bridos, en pequeños poblados.

La 'C) actualmente est& instalando la central de la Venta II, la cual est&localiada al norte del )#ido de la Venta. )sta central esta integrada por : Aerogeneradores los cuales utilian generadores de inducción de :83 4 " E3V, cada uno acoplado a un trans%ormador tipo seco de 5333VA, E32H,833 V " aun tablero individual de 2H.8 V, con 8 circuitos colectores/ 2 con 93 Aerogeneradores " 9 con 5 Aerogeneradores, las subestaciones de losaerogeneradores son interconectadas a través de buses colectores %ormados por

cable aislado en QL* instalados en ductos de *V' directamente enterrados, loscuales se conectan con el tablero principal de 2H.8 V " éste con el banco detrans%ormación de 533 0VA, 2H,8923 V %ormado por 2 trans%ormadoresmono%&sicos los cuales, mediante cable aéreo se conectan a la subestación de923 V RLa Venta IIS =56>.

!.! Antecedentes (istóricos de los 'istemas de )eneración "ólica

)n esta sección se dar& una breve introducción al desarrollo de las m&quinasempleadas para trans%ormar la %uera cinética del viento en electricidad =5:>,

llamadas turbinas eólicas o aerogeneradores.

17



!.!.1 "l pionero olvidado de la turbina eólica

'$arles C. @rus$ -5:HB59 inventó una dinamo mu" e%iciente de corrientecontinua utiliada en la red eléctrica p1blica Americana, la primera lu de arco

eléctrico comercial, as! como un e%iciente método

para la %abricación de bater!as de plomoB &cido.Durante el invierno de 5::6B:: @rus$ constru"ó laque $o" se cree es la primera turbina eólica de%uncionamiento autom&tico para generación deelectricidad. )ra un gigante, la m&s grande delmundo con un di&metro de rotor de 56 m " 5HHpalas %abricadas en madera de cedro.

La turbina %uncionó durante 93 años " cargó lasbater!as en el sótano de su mansión. A pesar deltamaño de la turbina, el generador era solamente

un modelo de 59 4. )sto se debe al $ec$o de que las turbinas eólicas de girolento del tipo americano de rosa de vientos no tienen una e%iciencia mediaparticularmente alta. Cue el danés *oul la 'our quien m&s tarde descubrió que lasturbinas eólicas de giro r&pido con pocas palas de rotor son m&s e%icientes para laproducción de electricidad que aquéllas de giro lento. La turbina )ólica de @rus$,es particularmente célebre por su sistema de control eléctrico totalmenteautomatiado. +us principios, mediante la utiliación de solenoides, no cambianmuc$o con las %uturas generaciones de turbinas eólicas $asta 5:3

apro(imadamente, cuando los controladores de los aerogeneradores sonequipados con ordenadores.

!.!.! "l pionero de la energía eólica *oul la Cour

*oul la 'our -5:HEB53:, %ue uno de los pioneros de la moderna aerodin&mica, "constru"ó su propio t1nel de viento para realiar e(perimentos. La 'our sepreocupaba del almacenamiento de energ!a " utiliaba la electricidad de susturbinas eólicas para producir electrólisis " obtener as! $idrógeno para lasl&mparas de gas de su escuela. )n 55: unas 593 empresas p1blicas locales

ten!an un aerogenerador de 93 a 28 4, $aciendo un total de 2 megavatios depotencia instalada. )stas turbinas cubr!an alrededor de un 2 por ciento delconsumo de electricidad de Dinamarca en aquel momento.

!.!.$ *ioneros de la energía eólica 1+,-1+/-

Durante la segunda guerra mundial, la compañ!a danesa de ingenier!a C.L. +midt$-a$ora un %abricante de maquinar!a para la industria cementera constru"ódiversos aerogeneradores bi " tripala. +!, de $ec$o los %abricantes daneses $an%abricado realmente aerogeneradores bipala, aunque el denominado Rconcepto

danésS se re%iere a una m&quina tripala. ?odas estas m&quinas -al igual que suspredecesoras generaban 'A -corriente alterna.

18



)sta m&quina C.L. +midt$ tripala de la isla de @ogT,%abricada en 5H9, "a se parece m&s a unam&quina RdanesaS. Cormaba parte de un sistemaeólicoBdiesel que reg!a el suministro eléctrico de laisla. *robablemente $o" discutir!amos el aspectoque tiene la torre de $ormigón, pero est& m&quina #ugaba un papel realmente importante en elprograma de estudio de la energ!a eólica enDinamarca. )n 585, el generador de '' %uesustituido por un generador as!ncrono de 'A,$aciendo que esta segunda turbina generase as!'A.

!.!.$.! &as turbinas 0ibe

Después de la primera crisis del petróleo de 562, muc$os pa!ses despertaron suinterés en la energ!a eólica. )n Dinamarca, las compañ!as de energ!a dirigieroninmediatamente su atención a la construcción de grandes aerogeneradores, aligual que sus $omólogos de Alemania, +uecia, el Meino 7nido " los )).77.

)n 56 constru"eron dos aerogeneradores de E23 4, uno con regulación porcambioa del &ngulo de paso, " el otro de regulación por pérdida aerodin&mica. )nmuc$os sentidos corrieron la misma sute que sus colegas del e(tran#ero, que eranincluso de ma"or tamaño/ Las turbinas resultaron e(tremadamente caras ", en

consecuencia, el alto precio de la energ!a devino un argumento clave en contra dela energ!a eólica.

!.!., Aerogeneradores a partir de los -

7n carpintero, '$ristian Miisager, constru"ó un pequeño aerogenerador de 99 4en su propio #ard!n utiliando el diseño del aerogenerador de Gedser como puntode partida. 7tilió componentes est&ndar que no resultaban caros -por e#. 7nmotor eléctrico como generador, partes de un ve$!culo como multiplicador " %renomec&nico donde le %ue posible.

La turbina de Miisager resultó ser un é(ito en muc$as casas particulares deDinamarca, " su é(ito proporcionó la inspiración para que los actuales %abricantesdaneses de aerogeneradores empeasen a diseñar sus propios aerogeneradoresa partir de los :3.

!.!./ &os modernos aerogeneradores

Dinamarca dispone -en 9332 de alrededor de 2.333 04 de energ!a eólica,suministrados apro(imadamente por unos 8.833 aerogeneradores. 7n :3; deesta potencia pertenece a propietarios particulares " cooperativas.

!.!./.! )randes par#ues eólicos tierra adentro

19



)l parque eólico de Me#sb" Fede consta de H3 turbinas de @onus )nerg", de E334 cada una. )l parque %ue construido en 58, en ?Tnder, en la parte sur deJutlandia. 'on un total de 9H 04, %ue en su momento el ma"or parque eólico deDinamarca. Actualmente, el ma"or parque eólico en tierra de Dinamarca es el de+"lt$olm, en la parte sur de la isla de Lolland. )ste parque consta de 28 turbinas)G 0icon 683 4, lo que $ace una potencia total de 9E,98 04.

!.!./.$ Aerogeneradores offs2ore

La energ!a eólica marina es una aplicación de la energ!a eólica con un %uturoenormemente prometedor, particularmente en pa!ses con una alta densidad depoblación, con las consiguientes di%icultades para encontrar un emplaamientoapropiado en tierra. Los costes de construcción son mu" superiores en el mar,pero también lo es la producción de energ!a.

!.!./., (orns Rev 3 "l ma%or par#ue eólico de 4inamarca

)l parque eólico m&s grande de Dinamarca es el parque eólico o%%s$ore de FornsMev, que se completó en 9339. +e sit1a en el 0ar del orte, a 5HB93 m de lacosta de Jutlandia. 'on sus :3 turbinas Vestas 904, el parque eólico tiene unapotencia total de 5E3 04, lo que lo convierte en el ma"or parque eólico o%%s$oredel mundo actualmente -9332. )l parque suministra la electricidad equivalente alconsumo de 583.333 $ogares -daneses. La di%erencia de producción respecto alparque de "sted se debe a las me#ores condiciones eólicas.

!.!././ 'amso

)l consumo energético de la pequeña isla danesa de +amso est& m&s quecubierto por la producción local de energ!a renovable. La raón principal es elparque eólico o%%s$ore de propiedad local, " que consiste en 53 turbinas @onus de9,2 04 cada una.

!.$ Constitución % 5uncionamiento de los Aerogeneradores

Las m&quinas empleadas para trans%ormar la %uera cinética del viento enelectricidad reciben el nombre de turbinas eólicas o aerogeneradores. Ustos sedividen en dos grupos/ los de e#e $oriontal " los de e#e vertical. )l aerogeneradorde e#e $oriontal, considerado el m&s e%iciente, es el m&s empleado en laactualidad =5>.

Las turbinas e(traen la energ!a del viento utiliando una tecnolog!a que seaseme#a a la de los aviones o $elicópteros. Los aerogeneradores est&n

constituidos por los siguientes subsistemas/

20



'istema de captación.

• Rotor o Inclu"e el bu#e " las palas o aspas -por lo general tres.

• *alas o )lementos que capturan el viento " transmiten su potencia $acia

el bu#e. *ueden ser de/

• *aso variable aquellas que capturan en todo momento la energ!a del

viento. La reducción de la potencia mec&nica suministrada al generador lacontrola mediante modi%icación del &ngulo de pala -pitc$ o cala#e.

• *aso fijo este tipo de palas no dispone de modi%icación de &ngulo de pala,

por lo que cuando el viento supera un margen, es necesario un sistemaque limite el empu#e mec&nico del viento al generador. )sta limitación seconsigue con la entrada en pérdida aerodin&mica a partir de ciertavelocidad de viento -apro(. 58 ms, provocando turbulencias en el %lu#o deaire, reduciendo as! el par suministrado al e#e lento.

• 6uje o 7ne las palas solidarias al e#e lento. )st& acoplado al e#e de ba#a

velocidad del aerogenerador.

'istema de transmisión.

• "je lento. )l e#e de ba#a velocidad del aerogenerador conecta el bu#e del

rotor al multiplicador. *or el interior del e#e, discurren conductos de lossistemas $idr&ulicos o eléctricos, para accionar los %renos aerodin&micos,en paso variable o para controlar los sensores del rotor.

• Multiplicador. *or una entrada se encuentra el e#e de ba#a velocidad, "

mediante unos engrana#es, consigue que el e#e de salida, de alta velocidad,gire m&s r&pido -entre 6 " 83 veces m&s r&pido, dependiendo de lapotencia de la turbina.

• )#e de alta velocidad. Gira apro(imadamente a 5833 revoluciones por

minuto -r.p.m., lo que permite el %uncionamiento del generador eléctrico.)st& equipado con un %reno de disco mec&nico de emergencia.

'istema de orientación.

21



• Motores de giro. )n las turbinas eólicas grandes, es necesario un

mecanismo que posicione la turbina en%rente al viento. )ste movimientocircular, se consigue con unos motores " reductores %i#os a la góndola, "engranando en un dentado de la parte superior de la torre, llamada corona

de orientación. La señal de posicionamiento correcta la recibe delcontrolador de la turbina, con las lecturas de la veleta " anemómetroinstaladas en cada turbina.

• 5reno en orientación. ?ienen como misión evitar desplaamientos

radiales de la góndola, por e%ecto del viento incidente o giro del rotor, nodeseados. Asimismo, reducen el desgaste de los engrana#es deorientación. +u accionamiento puede ser $idr&ulico o eléctrico, actuando en

pinas de %reno o motor eléctrico respectivamente.'istema de generación.

)enerador el7ctrico. +on los elementos de la turbina encargados de

convertir la energ!a mec&nica -en %orma rotatoria, en energ!a eléctrica. Laelectricidad producida en el generador ba#a por unos cables a la base de latorre, para ser trans%ormada -elevar la tensión " reducir intensidad "enviada a la red.

Cableado de potencia. ?ransporta la energ!a eléctrica generada desde el

alternador $asta el trans%ormador %uste, pasando por las distintasprotecciones de m&(ima o m!nima tensión, sobre intensidad o %recuenciaevitando daños a la red o a la propia turbina en caso de producirsecontingencias en el aerogenerador o red de distribución.

•8ransformador interno. +e eleva la tensión de generación de E3 a 93V, reduciendo la intensidad para disminuir el calentamiento de cableado "reducir pérdidas eléctricas.

'istema de control.

• Controlador de turbina. )l controlador de la turbina eólica consta de

varios ordenadores que continuamente supervisan las condiciones de laturbina eólica, " recogen estad!sticas de su %uncionamiento. 'omo supropio nombre indica, el controlador también controla un gran n1mero de

interruptores, bombas $idr&ulicas, v&lvulas " motores dentro de la turbina.

22



• 'ensores de control. +e utilian para medir los par&metros %!sicos de

%uncionamiento " supervisión de la turbina. Las señales electrónicas sonutiliadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectar el

aerogenerador cuando la señal recibida es correcta. )l ordenador parar& elaerogenerador autom&ticamente si la in%ormación recibida de los sensoreses errónea, con el %in de proteger a la turbina.

• 'alidas de control % regulación. Desde el controlador de turbina, en

base a la in%ormación analiada de los sensores, salen unas órdenes quea%ectan a la operación " %uncionamiento del aerogenerador.

'istema de soporte.

• 8orre. +oporta la góndola " el rotor. *uede ser tubular o de celos!a -estas

1ltimas, aunque m&s baratas, est&n en desuso "a que las tubulares sonmuc$o m&s seguras. ?ienen varios tramos para %acilitar el transporte. Launión de los distintos tramos se realia mediante pernos en las bridas deunión.

• 9apata o cimentación. )s la parte que permite el asegurar la torre vertical,

absorber los es%ueros de rotor " góndola " transmitirlos correctamente al

terreno. +e calcula en base al tipo de suelo " al tamaño del aerogeneradora instalar.

'istema 2idr:ulico.

• )rupo de presión. +e encarga de suministrar %luido $idr&ulico a una

presión determinada para permitir el accionamiento de sistemas decaptación, orientación o transmisión.

• Conductos 2idr:ulicos. 'analian el %luido $idr&ulico $asta el punto de

utiliación.• ;:lvulas de control. Adaptan la presión " caudal del %luido en base al

actuador a accionar.

'istemas de refrigeración.

;entiladores. Cuncionan a requerimiento del controlador para crear una

circulación de aire.• Intercambiadores de calor. Disipan el calor del componente a re%rigerar

-generador, multiplicador o central $idr&ulica $acia la corriente de airecreada por los ventiladores.

5uncionamiento de los aerogeneradores

23



A continuación se da una breve descripción de la secuencia de operación de losaerogeneradores.

• Arran#ue del aerogenerador. 'uando la turbina detecta viento en

cualquier dirección, por los sensores de velocidad de viento -anemómetros

de turbina, el controlador realia las siguientes órdenes al aerogenerador,a través de los motores correspondientes/

• "ntre ! 3 $ m<s. )nv!a la orden de posicionarse %rente al viento. )sta orden

se denomina orientación de la turbina.• A partir de $ m<s. La orden de desaplicar %renos para permitir el giro de la

turbina " comenar a girar por el e%ecto 1nicamente del empu#e del viento.• *aso variable. Adem&s env!a la consigna de posición de las palas

progresivamente.• Rpm=>1/--. Al llegar a la velocidad de sincronismo del generador

solicitado -dependiendo del viento, se selecciona un generador u otro convelocidades di%erentes, se conecta el generador a red de %orma suave,contando para ello con electrónica de potencia mediante tiristores -un tipode interruptor continuo de semiconductor, que puede ser controladoelectrónicamente. Al realiar la cone(ión -dura entre 2 " H segundos, seconecta directamente el generador a red, mediante un interruptor.

• Cone?ión directa a la red. A partir de este momento, el generador queda

conectado directamente a la red eléctrica general, enviando la energ!a alsistema nacional. La velocidad es constante " limitada 1nicamente por la%recuencia de la red. 'uando el viento es %uerte, e(iste una limitación depotencia en las palas al incrementar las turbulencias del %lu#o de aire.

• *aso ;ariable. )l control del aerogenerador se realia mediante la

actuación en el &ngulo de paso, capturando o limitando la potencia e(tra!dadel viento. La velocidad de generación puede ser variable.

• &as turbinas de doble devanado. 'u"a %inalidad es aprovec$ar la

intensidad del viento en sus di%erentes rangos de velocidad.

*arada del Aerogenerador.

*uede ocurrir por los siguientes motivos/

• ;ientos altos. 'uando el viento supera un margen -98 ms ó 3 m$, o

bien cuando un error es detectado en base a la lectura de los sensores deviento al controlador.

• "rror de funcionamiento. +e detecta un error de %uncionamiento

mediante la in%ormación de sensores.• *arada por poco viento. +e inicia la secuencia si se detecta poca

generación o vientos mu" ba#os.• *arada Manual. o +e realia ba#o la supervisión del personal de operación

" mantenimiento.

24



La parada de turbina entra en los siguientes procedimientos/

*arada 'uave.

*aso fijo. )l controlador env!a una orden al sistema de captación para

desplegar los aero%renos, simult&neamente desconecta al generador,

revisa la disminución de rpm " aplica %renos de %orma suave. Al cabo devarios segundos, aplica una presión de %renada cada ve ma"or $astaconseguir la detención total.

• *aso ;ariable. La orden la env!a a los actuadores del cala#e de las palas

-pitc$ aumentando los grados $asta los 3W. +imult&neamente desconectael generador " realia de igual %orma un incremento paulatino de presión enel circuito secundario de %renada.

• *arada de "mergencia. +e produce ante errores importantes, peligro para

personas o integridad de la turbina. +e aplican %renos con la m&(ima a

presión desde el primer momento.• Cambio de devanado en el generador. o se llega a realiar una parada,

sólo una disminución de velocidad de giro en el caso de pasar delgenerador grande al pequeño. )n el caso contrario, la turbina se desacopla" permite el embalamiento con el viento $asta alcanar la nueva velocidadde sincronismo.

!., 'istemas de )eneración "ólica

Los aerogeneradores tienen dos procesos de conversión, en el primer proceso el

rotor e(trae la energ!a cinética del aire " la convierte en el par primomotor delgenerador. )n el segundo proceso el generador convierte la energ!a mec&nica enelectricidad " alimenta a la red =93>. )ste principio general de %uncionamiento seilustra mediante la %igura 9.2. 7n aerogenerador es un sistema comple#o queinclu"e especialidades en ingenier!a aerodin&mica " mec&nica, eléctrica,electrónica " control.

Cigura 5.9 *rincipio de los aerogeneradores.

25



Los aerogeneradores actualmente en operación utilian alguno de los siguientessistemas de generación/

• Generador de 'D.

• Generador +!ncrono.

• Generador de Inducción #aula de ardilla.

• Generador de Inducción -rotor devanado doblemente alimentado.

Capítulo $

Modelado del generador de inducción

$.1 Modelo Mec:nico de la turbina.

)l par&metro m&s importante que determina la viabilidad de las turbinas eólicas esla cantidad de energ!a eólica disponible. La energ!a anual " el porcenta#e de laproducción de electricidad dependen del diseño de la turbina eólica para que lavelocidad de operación en el e#e del rotor -variable o constante, tenga ma"oraprovec$amiento. +e puede mostrar que el modo de %uncionamiento del sistemaa%ecta el rendimiento de energ!a anual " por lo tanto el costo de generación.

La ma"or!a de los grandes sistemas actuales son construidos o planeados paraoperar a velocidad constante en sincroniación con la red. )sto normalmente se

26



$a logrado utiliando medios de control mec&nicos como el control del &ngulo deposición de las aspas, control de giro, etc. Otro medio alternativo es acoplar laturbina con un generador capa de convertir la m&(ima potencia mec&nica enenerg!a eléctrica.

)n el pasado reciente, los costos e(tras " la comple#idad de los generadores develocidad variable o transmisión variable, as! como las complicaciones din&micasestructurales para operar sobre di%erentes rangos de velocidades, $an sidoconsiderados como las principales desventa#as en los sistemas de velocidadvariable. A$ora es posible obtener un volta#e " %recuencia de operación constantescon turbinas de velocidad variable a altos niveles de potencia, utiliandoesquemas que emplean convertidores est&ticos.

Las turbinas eólicas utiliadas para generación de electricidad son normalmenteclasi%icadas como/

B velocidad constante X %recuencia constante

B velocidad variable X %recuencia constante

B velocidad variable X %recuencia variable

Las unidades de generación utiliadas en las turbinas eólicas son com1nmentegeneradores de inducción " s!ncronos. Los generadores de 'D tienenaplicaciones limitadas debido a problemas de %iabilidad.

$.! Antecedente 8eórico de la m:#uina de inducción.

La m&quina de inducción es un dispositivo electromec&nico que es e(citado concorriente alterna. )n estado permanente esta e(citación produce en el rotor " enel estator de las m&quinas tri%&sicas campos magnéticos que giran a una mismavelocidad de rotación, por lo que permanecen estacionarios uno con respecto al

otro, generando un par de valor constante. )l estator posee tres devanados separados 593Y eléctricos e(citados por una %uente tri%&sica. )l rotor de una m&quinade inducción puede ser de dos tipos/ el rotor devanado, que normalmente est&conectado en estrella con sus terminales conectadas a tres anillos el otro es elrotor #aula de ardilla, el cual consiste en conductores cortocircuitados en suse(tremos.

'on un devanado tri%&sico balanceado en el rotor, los volta#es " corrientes de %asedel rotor son balanceados. Las corrientes del rotor que %lu"en en el devanadoproducen un campo magnético rotatorio de velocidad angular sZ relativo a los

devanados del rotor " girando en la misma dirección. 'onsecuentemente, elcampo magnético del rotor gira a Z rads relativo al estator, es decir a la misma

27



velocidad del campo magnético del estator, independientemente de la velocidaddel rotor. La %recuencia de los volta#es " corrientes del rotor es s veces la%recuencia de alimentación del rotor donde sZ es conocida como %recuencia dedesliamiento.

Cigura 5.2 'ircuito equivalente de una m&quina de inducción con capacitor

La interacción de los campos magnéticos del estator " del rotor produce un parelectromagnético sobre el rotor, en la misma dirección del movimiento, paraacción motor. )l par depende de la di%erencia angular entre los campos =93>. Laacción motor ocurre a velocidades menores de la velocidad s!ncrona. )l par escero a velocidad s!ncrona, dado que no $a" volta#e ni corrientes inducidas.'uando la velocidad es superior a la s!ncrona, el volta#e del rotor generacorrientes con un nivel de %recuencia de desliamiento. )l desliamiento s esa$ora negativo " la polaridad de la corriente es inversa, produciendo un parelectromagnético que se opone al par mec&nico. La m&quina entrega energ!a a la%uente conectada al estator. +in energiación del estator no $a" campo rotatorioque induca volta#es en el rotor " la acción generador es imposible.

Las tra"ectorias de las corrientes inducidas en los conductores del rotor,despreciando los e%ectos de ranura, saturación, etc., son similares a las

tra"ectorias de las corrientes del estator consecuentemente, para propósitos dean&lisis, el rotor puede ser considerado como un devanado tri%&sico simétrico.

)l circuito equivalente convencional en estado estacionario de una m&quina deinducción se muestra en la %igura 5.2. )l desliamiento -s es la di%erencia entre lavelocidad angular del %lu#o del estator " del rotor, en donde, para la operaciónmotor es positivo " para la operación generador es negativo.

28



Cigura 5.H Variación de la potencia activa contra el desliamiento de la m&quina de inducción de 504.

La dependencia de la potencia activa con el desliamiento para una m&quina de 504 se muestra en la %igura 5.H. La región de operación de generación seencuentra entre A " 3. )n 5 04 de generación -A el desliamiento es alrededorde B3.:; con el campo del rotor girando m&s r&pido que el campo del estator. +epuede observar, que la potencia m&(ima generada en el pico de la curva es de5.2 04. )sto es debido a que el generador es conectado a una red dedistribución con un ba#o nivel de corto circuito -por lo tanto una alta impedancia, "

la impedancia del trans%ormador -del aerogenerador est& incluida en el c&lculo.)sta %uente de impedancias reduce la potencia m&(ima que se puede e(portarantes de alcanar el pico de la curva " ocurra la inestabilidad.

29



Cigura 5.8 Dependencia de la potencia reactiva contra el desliamiento en una m&quina deinducción de 5 04.

La potencia reactiva en %unción del desliamiento se muestra en la %igura 5.8. Laregión de operación de generación normal es de OBA. )n el punto A el generador-con capacitores con capacidad para mantener el %actor de potencia %i#oproporciona E33 VAr. Los requerimientos de potencia reactiva se incrementanmu" r&pidamente si la potencia de salida es superior al m&(imo de E33 VAr.

Cigura 5.E. Diagrama circular de una m&quina de inducción de 5 04.

'ombinando las caracter!sticas de la potencia activa " reactiva respecto aldesliamiento -%iguras 5.H " 5.8 se obtiene el diagrama circular convencional dela m&quina de inducción, %igura 5.E. La región de generación normal se da en ABO.Los capacitores a"udan para reducir la potencia reactiva requerida.

7n dibu#o esquem&tico de una m&quina de inducción con tres devanadosdistribuidos en el estator -A@' " tres devanados distribuidos en el rotor -abc semuestra en la %igura 2.6.

30



Cigura 5.6. Devanados del motor de Inducción.

+e asumen las caracter!sticas siguientes/

)l rotor es cil!ndrico, por lo que las inductancias propias " mutuas entrelas %ases del rotor son constantes. Lo mismo sucede entre las %ases enel estator. Las inductancias mutuas entre las bobinas del rotor " las delestator son %unción de la posición del rotor.

)l rotor es simétrico, geométrica " magnéticamente.

La din&mica de los devanados est& determinada por el desliamiento.

+e desprecia el e%ecto de las ranuras en las ondas de %lu#o " de %mm.

31



Capítulo ,.

,.1 Resultados

A continuación se muestran los resultados del comportamiento din&mico de uno

de los generadores del parque eólico que se conecta un bus in%inito, %igura H.2.+e utilia el modelo de orden reducido en su representación de estado de %lu#os "volta#es transitorios.

Cigura 5.:. 'ircuito equivalente 0&quinaB@us in%inito.

)n la solución de las ecuaciones se utilian la OD) 92t de 0atlab " la regla trapeoidal,las variables se e(presan en el marco de re%erencia s!ncrono, el tiempo de estudio es de9 segundos. La perturbación consiste de una %alla tri%&sica en las terminales del estatordel GI a los 3.5 " se libera a los 3.9 segundos, sin cambios de con%iguración de la red.

Cigura 5.. 0odelo de Orden Meducido de la 'orriente en el e#e d del Generador de Inducción. a )nlaces de%lu#o, b Volta#e ?ransitorio.

)n la Cigura 5. se puede observar que las simulaciones obtenidas con la reglatrapeoidal, la magnitud m&(ima de la corriente en el e#e d es 3.5 en por unidad" la magnitud m!nima es de B3.H:: en por unidad. Las variables se estabilian ensu valor inicial a los 5.55 segundos. +e observa el mismo comportamiento de lacorriente en el eje d

, en los dos métodos empleados.

32



Cigura 5.53 0odelo de Orden Meducido de la 'orriente en el e#e q del Generador de Inducción. a)nlaces de %lu#o, b Volta#e ?ransitorio.

De la Cigura 5.53 se observa que el valor m&(imo de corriente del e#e q utiliandola regla trapeoidal es de 9.6E en por unidad " su valor m!nimo es de B2.39 en porunidad. +e estabilia en su valor inicial a los 3.E segundos. Observ&ndose elmismo comportamiento de la corriente del e#e q, con los dos di%erentes métodos.

Cigura 5.55. 0odelo de Orden Meducido del Clu#o en el e#e d " Volta#e q ?ransitorio del Generador de Inducción. )nlaces de %lu#o, b Volta#e ?ransitorio.

De la Cigura 5.55, se puede apreciar en a, la magnitud m&(ima del %lu#o en el e#ed es de 3.585 en por unidad, la cual es ligeramente ma"or que la magnitudm&(ima del volta#e q transitorio de 3.5H6 en por unidad. )l valor m!nimo en a esde 3.33928 en por unidad " en b es de B 3.33956. La primera simulación llega asu punto estable inicial a los 5.HH segundos, mientras b se estabilia en 5.5:segundos. *or lo que se puede observar que b alcana primero el punto deestabilidad que a.

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Cigura 5.59. 0odelo de Orden Meducido del Clu#o en el e#e q " Volta#e d ?ransitorio del Generador de Inducción. )nlaces de %lu#o, b Volta#e ?ransitorio

De la Cigura 5.59, se puede apreciar en la simulación a el %lu#o del e#e qpermanece estable en los B3.6 en por unidad, al introducir la %alla a los 3.5segundos se produce el transitorio, el cual alcana una amplitud m&(ima de B3.5Een por unidad, en la simulación b el volta#e d transitorio permanece estable en3.HE en por unidad " al e%ecto de la %alla, el transitorio alcana un punto m&(imode 3.58: en por unidad. La primer simulación llega a su punto estable de B3.6 enpor unidad a los 3.E segundos, mientras b se estabilia en 3.HE en por unidad alos 3.8: segundos. Observ&ndose que b alcana primero el punto de estabilidadque a.

Cigura 5.52. 0odelo de Orden Meducido del *ar )léctrico del Generador de Inducción. )nlaces de%lu#o, b Volta#e ?ransitorio.

De la Cigura 5.52, se puede observar que en la simulación a " b, la magnitudm&(ima del par eléctrico es de 3.89E en por unidad " su magnitud m!nima es deB3.36 en por unidad. Ambas simulaciones alcanan su punto inicial estable a los5.5: segundos.

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Cigura 5.5H. 0odelo de Orden Meducido de la Velocidad del Generador de Inducción. )nlaces de%lu#o, b Volta#e ?ransitorio.

Los resultados de la velocidad en el rotor se muestran en la %igura 5.5H, donde sepuede observar que el pico superior en a la magnitud m&(ima es de 26.62E enpor unidad con un pico in%erior de 26:.:2 en por unidad " en b el pico superior esde 26.6H8 en por unidad con un pico in%erior de 26:.:H en por unidad. Ambassimulaciones alcanan su punto estable de 26:.:E:5 a los 5.96 segundos. Lasdos simulaciones tienen el mismo comportamiento.

Del an&lisis de los resultados de las simulaciones podemos concluir que los dosmodelos tienen el mismo comportamiento din&mico en el generador. )l modelo de

volta#es transitorios es de m&s %&cil implementación, por lo que utiliaremos estemodelo en el sistema multiB m&quinas.

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Referencias

=5> Asociación Danesa de la Industria )ólica, sitio eb .indpoer.org.

=9> Mobert Pavadil, ic$olas 0iller, Abra$am )llis, )duard 0ul#adi, R0aing'onnectionsS, I))) *oer and )nerg" 0againe, Volume 2, umber E,ovemberDecember 9338.

=2> A. *apantoniou, R0odeling and simulation o% t$e e%%ects o% grid connected ind%arms on t$e '"prus )lectric gridS, 53t$ 0editerranean )lectrotec$nical 'on%erence,0ele'on 9333, Vol. III.

=H> iran andigam, @adrul F. '$od$ur", R*oer Clo and +tabilit" 0odels %orInduction Generators 7sed in 4ind ?urbinesS, I))) *oer )ngineering +ociet" General0eeting, June 933H.

=8> Andrés ). Cei#óo, José 'idr&s, R0odeling o% 4ind Carms in t$e Load Clo Anal"sisS,I))) ?ransactions on *oer +"stems, Vol. 58, o. 5, Cebruar" 9333.

=E> Pulati Liti%u, en agasaa, '$i Fung elvin '$u, R+tead" state and transientoperation anal"sis o% ind poer s"stemsS, )lectrical [ )nerg" +"stems 96 -9338 9:HB99.

=6> ?. Acermann, R?ransmission s"stems %or o%%s$ore ind %armsS, *oer )ngineeringMevie, I))), 99-59/92B96, Dec. 9339.

=:> *. @auer, +.4.F. de Faan, '.M. 0e"l, and J.?.G. *ieri, R)valuation o% electricals"stems %or o%%s$ore ind%armsS, In Industr" Applications 'on%erence, 9333. 'on%erence

Mecord o% t$e 9333 I))), pages 5H5E B5H92 vol.2, :B59 Oct. 9333.

=> 0. Fausler and C. Oman, RAc or dc %or connecting o%%s$ore ind %arms to t$etransmission grid\S, In ?$ird International 4ors$op on ?ransmission etors %orO%%s$ore 4ind Carms, pages, +toc$olm, +eden, 55B59 April, 9339.

=53> .0. irb", Lie Qu, 0. Lucett, and 4. +iepmann, RFVD' transmission %or largeo%%s$ore ind %armsS, *oer )ngineering Journal, 5E-2/528 B5H5, June 9332.

=55> .J.* 0acen, L.J. Driesen, and M.J.0. @elmans, RA dc bus s"stem %orconnecting o%%s$ore ind turbines it$ t$e utilit" s"stemS, In )uropean 4ind

)nerg" 'on%erence 9335, pages 5323 X 5328, 'open$agen, Denmar, 9BE Jul"9335.

=59> O. 0artander and J. +vensson, R'onnecting o%%s$ore ind %arms using dccablesS, In 4ind *oer %or t$e 95st 'entur", assel, German", 98B96 +eptember9333.

=52> L. 4ei(ing and O. @oonB?ec, ROptimal acquisition and aggregation o%o%%s$ore ind poer b" multiterminal voltageBsource FVD'S, *oer Deliver", I)))?ransactions on, 5:-5/935 X 93E, Jan 9332.

36

http://www.windpower.org/

http://www.windpower.org/



=5H> J. +venson and C. Olsen, R'ost optimiing o% largeBscale o%%s$ore ind%arms in t$e onver atersS, In 5 )uropean 4ind )nerg" 'on%erence, pages9HB9, ice, Crance, 5B8 0arc$, 5.

=58> Ae Larsson, RGuidelines %or Grid connection o% 4ind ?urbinesS, 58t$

International 'on%erence on )lectricit" Distribution -'IM)D ], ice, Crance,June 5BH, 5.

=5E> *. 4. 'arlin, A. +. La(son, ). @. 0ul#adi, R?$e Fistor" and +tate o% t$e Art o% Variable +peed 4ind ?urbine ?ec$nolog"S, ational Meneable )nerg"Laborator", Cebruar" 9335. M)L?*B833B9:E36.

=56> Ing. José Luis Fern&nde Lomel!, Ing. José Luis Clores Arciniega, RLaGeneración de electricidad en 'C) mediante %uentes de )nerg!a Menovablescomo el VientoS, 'C)B '*?X Departamento de Ingenier!a )léctrica. 933E.

=5:> Asociación danesa de la industria eólica, Meuperado de/org..indpoer

=5> +itio eb recuperado de/ .sotaventogalicia.com^tecnolog!as.

=93> Pulati Liti%u, en agasaa, '$iBFung elvin '$u, R+tead" state andtransient operation anal"sis o% ind poer s"stemsS, International Journal o%)lectrical *oer and )nerg" +"stems, Vol. 96, o. H, pg. 9:H, 9338.

http://www.windpower/

http://www.windpower/

protocolo del aereogenerador

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