sábado, 21 de abril de 2018

Componentes eléctricos en una instalación eólica marina


Un parque eólico marino, dependiendo de su tamaño, puede contener una gran cantidad de turbinas distribuidas en un área de decenas de kilómetros cuadrados. Cada conjunto de turbina-generador está directamente conectado a un transformador elevador, que se conoce como transformador de turbina. Este transformador de acuerdo con la práctica actual está conectado Dyn. Los cables marinos de media tensión unen las formaciones de las turbinas a la subestación costa afuera. La plataforma también aloja el reactor de compensación, el grupo electrógeno de reserva en espera y el transformador de conexión a tierra. En los siguientes párrafos, estos componentes serán definidos ​​brevemente.


  • A. Un grupo electrógeno diesel en espera

Las situaciones de contingencia pueden causar la pérdida de conexión a la red en tierra y forzar al sistema offshore a una operación en la granja marina. Debido a las posibles condiciones meteorológicas adversas, el acceso al sitio puede ser difícil y son posibles las interrupciones en el suministro de electricidad durante períodos prolongados. Como resultado, los parques eólicos marinos están equipados con grupos electrógenos diesel para cubrir la carga auxiliar y para mantener en funcionamiento todos los equipos esenciales, como acondicionadores de clima, sistemas de control y seguridad durante estos períodos. Las cargas se alimentan a través del bobinado terciario del transformador de la turbina eólica o directamente desde el sistema de media tensión utilizando un transformador.

  • B. Reactores de compensación de media tensión

La red de cable de media tensión puede producir una corriente de carga considerable. En una operación en el parque, esta potencia reactiva de carga necesitaría ser suministrada por el conjunto auxiliar de diesel. Con los valores de capacitancia en el rango de 0.2-0.4 uF/km, la potencia reactiva de carga puede exceder fácilmente los 6 Mvar. Para poder dimensionar el grupo electrógeno de reserva de diesel solo para la carga auxiliar, los reactores de compensación se colocan en la plataforma. También es posible utilizar STATCOM (Compensador Estático Síncrono) en lugar de reactores si la respuesta dinámica del sistema de turbina eólica no es satisfactoria, en cuyo caso el STATCOM puede hacerse cargo del cumplimiento de algunos de los requisitos de rendimiento del sistema de control de la turbina eólica. La ventaja de una respuesta rápida y la posibilidad de una adecuada generación de potencia reactiva incluso a voltajes muy pequeños tiene un costo de mayor inversión inicial. La fiabilidad general del sistema también puede verse afectada negativamente.

  • C. Transformador de puesta a tierra

Los transformadores de turbina eólica estándar disponibles comercialmente son de tipo Dyn5yn5, y el transformador elevador en el colector, está conectado en delta en 33 kV. El alto nivel necesario de fiabilidad exige que la red se fundamente en la seguridad. Una conexión a tierra efectiva ofrece el beneficio de una detección rápida de falla (en menos de 150 ms) y la posibilidad de eliminar selectivamente esta, además de limitar la sobretensión en fases que no están directamente afectadas por la falla. La eliminación rápida de fallas limita el estrés térmico en la ubicación afectada evitando alcanzar niveles peligrosos. La falta de disponibilidad del equipo estándar para una conexión a tierra eficaz requiere el uso de transformadores de conexión a tierra adicionales, que facilitan la capacidad de detección de fallas del sistema de protección durante los problemas surgidos en la línea única a tierra y limitan los voltajes máximos en la fase saludable. Por lo general, están conectados a los colectores de media tensión (MV) y ubicados en la plataforma principal de la subestación.

  • D. Red de cable de media tensión

Hay una serie de opciones para la configuración de los enlaces de cable a la subestación en alta mar en la plataforma. La consideración básica implica lograr un equilibrio óptimo entre la confiabilidad, por un lado, y el costo de la red del colector, por otro.

1) Opciones de topología radial y estrella: la disposición más simple para el sistema colector es el diseño radial en el que un grupo de turbinas está conectado a un hilo de alimentación lateral. Esta disposición permite el uso de un concepto de protección simple, una posibilidad de control más sencilla y el recorrido de cable más corto posible. Dado que la corriente en el alimentador lejos del centro disminuye, se puede utilizar una sección transversal de cable ahusada V con la más grande en el extremo del concentrador y la más pequeña en el extremo más alejado del alimentador (lo que reduce el costo total del cable). Esta topología se utilizó para el parque eólico offshore Horns Rev de 160 MW en Dinamarca, que fue el primer parque eólico marino a gran escala. El inconveniente principal de este diseño es su baja regulación de voltaje y su reducida confiabilidad ya que las fallas de cables o conmutadores en el extremo del cubo de la cadena radial tienen el potencial de forzar el cierre de todas las turbinas aguas abajo.

Tanto la regulación de voltaje como los problemas de confiabilidad se pueden mejorar utilizando la configuración de estrella. En la topología en estrella, cada turbina dentro de un grupo o formación está directamente conectada al concentrador y, como resultado, una interrupción de un solo cable en general afecta a una sola turbina. La desventaja son los tendidos de cables más largos y la necesidad de un cable de mayor clasificación para las secciones cortas, que conducen la corriente combinada de la formación al cubo. Otra desventaja es la compleja disposición del dispositivo de conmutación en el centro de la estrella.

2) Topología de bucle: las dos opciones alternativas de bucle que se deben considerar son anillos de una cara y de doble cara, con el bucle abierto durante el funcionamiento normal en ambos casos. En un diseño de bucle de una sola cara, la cuerda radial que conecta una fila de turbinas eólicas en un lado del bucle está provista de un cable que opcionalmente conecta la última turbina con el buje, convirtiendo así la conexión lateral en un bucle virtual. Este cable debe estar dimensionado para la potencia máxima de las turbinas en la cadena. La mejora en la confiabilidad es así se logra a expensas de usar más material conductor. En el bucle de doble cara, la configuración básica durante el funcionamiento normal sigue siendo radial. Pero las cuerdas de cable están equipadas con disposiciones para convertir las cuerdas radiales en una estructura de bucle en situaciones de contingencia, con el objetivo de mantener el mayor número posible de turbinas en funcionamiento en caso de falla interna, direccionando algunos de los problemas de seguridad del sistema que surgen del diseño radial. La seguridad adicional se obtiene a expensas de tendidos de cables más largos para un número determinado de aerogeneradores y de requisitos de clasificación de cables más altos en todo el circuito.

  • E. El sistema de protección

Un parque eólico marino está obviamente diseñado para operaciones no tripuladas, y todas las funciones de control operacional se realizan desde una distancia en una ubicación en tierra. El acceso al sitio para un mantenimiento de rutina o una reparación de emergencia después de una falla puede llevar mucho tiempo. Los costos que surgen del nivel de complejidad de la protección, deben sopesarse contra el esfuerzo que se requiere para acceder a la ubicación de la falla para la intervención manual. El sistema de protección, por lo tanto, debe tener esta y otras características destacadas de un parque eólico marino en consideración, además de cumplir con el código de la red.
Los tipos de sistemas de protección para los componentes del parque eólico son los siguientes. Las lineas del transformador WTG tienen una protección diferencial, mientras que los transformadores ellos mismos están protegidos por relés de sobrecorriente. Todos los cables de media tensión tienen una protección diferencial como protección principal y protección de distancia, usada esta ultima como protección de respaldo. Los reactores de compensación conectados al bus de 33 kV están equipados con la protección de sobrecorriente, y lo mismo se aplica al transformador auxiliar de 33/0,4 kV. El transformador de puesta a tierra conectado al bus de 33 kV tiene la protección de sobreintensidad junto con la protección de falta a tierra en su punto de estrella. Las líneas colectoras de 33 kV están equipadas con la protección de la línea colectora con una unidad de campo separada para cada compartimento de esta y una unidad central para todos los segmentos con una protección integrada contra falla del interruptor y una protección contra sobrecorriente. Los devanados de alta y baja tensión del transformador principal tienen diferentes esquemas de protección. Mientras que una protección diferencial se usa en el lado de alta tensión con una función de protección y control de sobreintensidad integrada, la protección de distancia con función de control se utiliza en el lado de baja tensión y la protección Buchholz como respaldo. Finalmente, la protección de distancia con función de control se utiliza para el cable de exportación que une la plataforma a la red en tierra.




Source:

Erlich I, Shewarega F, Feltes C, et al. Offshore wind power generation technologies. Proceedings of the IEEE, 2013.

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