Convertidores para aerogeneradores marinos

La generación de energía eólica, particularmente la energía eólica marina, ha sido objeto de un interés cada vez mayor en los últimos años. Las tecnologías de turbinas eólicas y los convertidores de electrónica de potencia proporcionan a los desarrolladores y operadores de energía eólica las opciones necesarias para lograr los objetivos de transmisión de energía eólica.

En este articulo, se ilustran las principales características de los generadores eólicos de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC). Los generadores de CA incluyen el generador de inducción de velocidad fija (FSIG), el generador de inducción de doble alimentación (DFIG) y los convertidores de potencia total para los generadores de inducción y los generadores síncronos de imán permanente (PMSG). Los generadores eólicos de CC cubren la salida de potencia de CC obtenida a través de rectificadores AC/DC o directamente a través de generadores de CC.

Tecnologías de aerogeneradores

Un aerogenerador convierte la energía eólica disponible en energía cinética de rotación y luego en energía eléctrica mediante un generador. Hay varios generadores para turbinas eólicas: FSIG, turbina eólica de velocidad variable que utiliza DFIG, turbina eólica de velocidad variable que utiliza un generador convertidor completo (FCG) y un generador eólico de CC (DCG). Se pueden usar tres métodos diferentes para limitar la potencia de salida cuando la velocidad del viento es superior a la nominal antes del corte:

(i) Regulación del paso en el que el ángulo de la pala está fijo y la eficiencia de la pala disminuye a medida que aumenta el viento;

(ii) Regulación del angulo en el que las palas pueden ser desviadas del viento; y la

(iii) Regulación del paso activo en la cual la inclinación de la pala se controla activamente al mover las mismas para proporcionar una potencia promedio constante en la región de alta velocidad del viento.

La regulación de paso se usó principalmente para los generadores eólicos de primera generación y también se usa hoy en día para los aerogeneradores de velocidad fija, mientras que la regulación del ángulo de inclinación se usa para los generadores de velocidad variable. Si se usa el control de bloqueo puro, la producción de energía entre la velocidad nominal y la velocidad de corte varía ligeramente con la velocidad del viento. Hoy en día, los aerogeneradores grandes (por encima de 1 MW) están equipados casi exclusivamente con regulación de ángulo (ii) o de paso activo (iii).

Aerogenerador de velocidad fija mediante SCIG

Un aerogenerador de velocidad fija está equipado con un SCIG que está conectado directamente a la red. Este es el más utilizado para aerogeneradores de baja potencia debido a su construcción simple y robusta. Los generadores de inducción pueden operar en un amplio rango de potencia con una velocidad del rotor casi constante de acuerdo con sus características de velocidad de torsión.

Este tipo de turbina extrae potencia reactiva de la red de CA. Se requieren condensadores de derivación y otros dispositivos para la compensación de potencia reactiva conectada directamente a la red. Durante la puesta en marcha, un arrancador suave, que consta de tiristores antiparalelos, se utiliza para limitar las corrientes del estator cuando el generador se está conectando a la red eléctrica.

Los generadores de inducción se pueden conectar a la red sin sincronización y, por lo tanto, son ideales para turbinas eólicas conectadas directamente en las que el generador de turbina eólica se enciende y apaga continuamente dependiendo de la velocidad del viento. Esta es la ventaja de los generadores de inducción sobre los generadores síncronos, aunque los generadores síncronos tienen la capacidad de controlar las potencias activas y reactivas, que es esencial para mantener el funcionamiento en tiempo real del sistema de energía.

Los aerogeneradores de velocidad fija carecen de la capacidad de regular el voltaje y la potencia reactiva. No pueden cumplir con los códigos de la red en la regulación de la potencia reactiva y el recorrido de falla; por lo tanto, normalmente no se utilizan para grandes proyectos de energía eólica conectados a la red sin el soporte de convertidores electrónicos de potencia.

Aerogenerador de velocidad variable utilizando DFIG

DFIG está equipado con un generador de inducción de rotor bobinado. Un convertidor back-to-back está conectado entre el rotor y la red de CA. El convertidor controla una frecuencia variable de las corrientes del rotor al intercambiar energía entre el rotor y la red de CA. Por lo tanto, un DFIG puede operar a velocidad variable del rotor y controlar la salida de potencia real sin problemas. El convertidor también puede proporcionar potencia reactiva de manera flexible. Mediante el control flexible del convertidor, se puede reducir la tensión mecánica y la posible falla de los aerogeneradores. La falla en el paso de los aerogeneradores se puede lograr a través del control del convertidor, junto con la palanca del rotor y el chopper DC-Link para cumplir con los códigos de la red. Durante una falla de la red, un DFIG puede permanecer conectado a la red mientras la potencia real se consume a través de la palanca y el interruptor de enlace de CC para evitar la sobretensión de CC o la sobrevelocidad del rotor.

Normalmente, la calificación del convertidor es del 30% de la calificación de la turbina. La calificación relativamente baja del convertidor proporciona un menor costo de inversión y menores pérdidas de energía en el convertidor electrónico de potencia, en comparación con un sistema de convertidor completo.

Aerogenerador de velocidad variable con FCG

FCG usa un convertidor back to back entre la red de CA y el generador de viento que puede ser un generador de inducción o PMSG. Por lo tanto, la red de CA y el generador están totalmente desacoplados. El control flexible del convertidor permite lograr un control independiente de la velocidad del rotor, el flujo de la máquina, la potencia real y la potencia reactiva en el lado de la máquina y en el lado de la red. La turbina es normalmente controlada por paso.

En FCG se puede usar un gran generador multipolo de accionamiento directo sin caja de cambios para aumentar la eficiencia y la confiabilidad del sistema de generación, ya que una caja de cambios sería el componente principal que requiere mantenimiento. Particularmente en La generación de energía eólica marina, el mantenimiento y la accesibilidad se convierten en una preocupación importante. Sin embargo, el principal inconveniente de los generadores de accionamiento directo es el generador más grande y más pesado que opera a velocidades relativamente bajas.

Estas turbinas suelen estar equipadas con control de paso y control de bloqueo activo para obtener la potencia nominal cuando las velocidades del viento están por encima de la velocidad nominal, además de facilitar la parada de emergencia del aerogenerador. Los sistemas de velocidad fija con mecanismo de cabeceo activo también pueden, en cierta medida, usar el control de paso para proporcionar una salida variable que se puede usar para responder a una necesidad de la red. Es posible pasar de 100% a 0% de producción en unos pocos segundos. Sin embargo, esta disminución de potencia dará lugar a importantes esfuerzos mecánicos en los aerogeneradores.

Generador de viento DC (DCG)

Los generadores de DC se pueden utilizar en la generación de energía eólica para superar las dificultades de los generadores eólicos de CA que se conectan a la energía eólica de velocidad variable, par variable y la necesidad de energía reactiva. Con el desarrollo de la tecnología de transmisión y recolección de CC, los DCG de los generadores eólicos de CC requieren menos etapas de conversión e incurren en costos más bajos.

El flujo de excitación de los generadores de CC se puede proporcionar mediante un imán permanente o la corriente de excitación a través de los devanados de campo. Es fácil controlar los generadores de CC en comparación con los generadores de CA. Sin embargo, los generadores comerciales de CC todavía no están disponibles para la generación de energía eólica en grande escala.

En cambio, a través de los convertidores de CA/CC, las salidas de CC se pueden obtener de cualquier tipo de generación eólica de CA. A través del control del convertidor, las redes de CA y los generadores están completamente desacoplados. Se puede lograr un control independiente y flexible del generador.