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Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON: Características de Conexión a la Red Eléctrica Danilo Caldas Sales - Technical Support Wobben Windpower Ltda/ENERCON.

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1 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON: Características de Conexión a la Red Eléctrica Danilo Caldas Sales - Technical Support Wobben Windpower Ltda/ENERCON GmbH

2 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 2 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON Introducción de la Empresa ENERCON Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable Electrónica de Potencia - Full Converter Rangos Operativos Viento Tensión Frecuencia Potencia Activa y Reactiva Comportamiento frente a Huecos de Tensión ENERCON FRT ZPM – Modo de Inyección Nula QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva dependiente de la Tensión Enercon SCADA RTU FCU Control de Potencia Activa - Frecuencia

3 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 3 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON Introducción de la Empresa ENERCON Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable Electrónica de Potencia - Full Converter Rangos Operativos Viento Tensión Frecuencia Potencia Activa y Reactiva Comportamiento frente a Huecos de Tensión ENERCON FRT ZPM – Modo de Inyección Nula QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva dependiente de la Tensión Enercon SCADA RTU FCU Control de Potencia Activa - Frecuencia

4 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 4 Introducción de la Empresa ENERCON Fundada en 1984 por el Ingeniero Alloys Wobben; Tiene cerca de empleados; Ha instalado cerca de MW con cerca de aerogeneradores; Está presente en 39 países, a través de docenas de fábricas y oficinas.

5 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 5 Introducción de la Empresa ENERCON Fábricas en Alemania: Aurich, Emden, Magdeburg Fábricas internacionales : Brasil, Suécia, Turquia, Portugal Área total industrial en todo el mundo: m² Oficinas de ventas: 8 en Alemania, 18 internacionales Service: más de 160 centros de operación, mantenimiento e asistencia técnica Países para los cuais exporta: 39

6 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 6 Introducción de la Empresa ENERCON Aerogeneradores instalados: Capacidad instalada: 24 GW E kW E kW E kW à 3000 kW E kW E kW E kW E kW E kW

7 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 7 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON Introducción de la Empresa ENERCON Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable Electrónica de Potencia - Full Converter Rangos Operativos Viento Tensión Frecuencia Potencia Activa y Reactiva Comportamiento frente a Huecos de Tensión ENERCON FRT ZPM – Modo de Inyección Nula QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva dependiente de la Tensión Enercon SCADA RTU FCU Control de Potencia Activa - Frecuencia

8 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 8 GENERATIONGENERATION Control Estator Rotor Generador: Rectificador Excitación Control de Azimut Control de Paso Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON

9 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 9 Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON UPS (opcional) Gabinete de Control Transformador Celdas de MT Distribución BT CONVERSIONCONVERSION Convertidores

10 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 10 = ConvertidorDC-Link = RectificadorTransformador BT/MT Flujo de Potencia Frecuencia de la red constante Velocidad Variable = = Control de Excitación RG Generador en Anillo = UPS Chopper Sistema de Control Filtros Punto de Referencia para todas las características de performance eléctrica del Aerogenerador Interruptor Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON

11 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 11 Concepto Direct Drive Transmisión Directa Sin caja multiplicadora Operación a Velocidad Variable Maquina de rotación lenta > Bajo desgaste Bajo nivel de stress debido a velocidad variable Diseño de las palas para producción de energía optimizada y control del aerogenerador Grandes alturas de cubo para aumentar la generación de energía Electrónica de Potencia de escala para grandes capacidades de conexión a la red Capacidades FACTS ayudan a cumplir con los códigos de red más avanzados Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON

12 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 12 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON Introducción de la Empresa ENERCON Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable Electrónica de Potencia - Full Converter Rangos Operativos Viento Tensión Frecuencia Potencia Activa y Reactiva Comportamiento frente a Huecos de Tensión ENERCON FRT ZPM – Modo de Inyección Nula QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva dependiente de la Tensión Enercon SCADA RTU FCU Control de Potencia Activa - Frecuencia

13 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 13 Rangos Operativos fRfR Frecuencia f [Hz] f R + 7 Hz f R - 7 Hz 100% Tensión U [% U R ] 110%120%90%80% Opción FRT: Hasta 5 segundos por evento Operación continua normal máx. 60 seg. 145% Opción FRT: Hasta 5 segundos por evento

14 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 14 Rangos Operativos P Rated v Wind v min v rated Operación Normal significa esencialmente: Producir la máxima potencia activa de acuerdo con la velocidad de viento Producir la potencia reactiva de acuerdo con las consignas suministradas (Q set o set ) Existen tres modos de operación principales dependiendo de la velocidad del viento: v wind < v min Stand by v min < v wind < 25 m/s Operación Normal v wind > 25 m/s Control de Ráfagas ENERCON P WEC Control de Ráfagas ENERCON: No hay desconexión de la red, recuperación instantánea de la potencia activa cuando las ráfagas disminuyen Conforme norma IEC61400 éstos son valores promedio de 10 min

15 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 15 Rangos Operativos Q E-82_import =980 kvar Q E-82_export =980kvar Q+ Capacidades FACTS: Capacidad total de potencia reactiva entre 20% y 100% de la potencia activa nominal Dinámica rápida Base para performance flexible ENERCON UVRT para funcionamiento durante huecos de tensión Base para control de tensión en los Parques Eólicos Opción Q+, extensión opcional del rango de capacidad de potencia reactiva 100% 20% +Q / P n P / P n Ejemplo: E-82 E2 max => 0.92 imp 0.92 exp

16 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 16 Rangos Operativos Opción ENERCON STATCOM: Capacidad total de potencia reactiva entre 0% y 100% de la potencia activa nominal con la electrónica de potencia que ya está instalada; Performance combina una unidad generadora y un STATCOM en un único dispositivo; Suministro de potencia reactiva es independiente de la velocidad de viento; Soporte a la estabilidad del sistema como un STATCOM sin la necesidad de un dispositivo externo adicional La potencia reactiva adicional puede ser paga en algunos mercados como servicios auxilares. 100% 20% +Q / P n P / P n -Q / P n

17 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 17 Rangos Operativos FDF = Capacidades FACTS D = Distribution = Sin (!) UVRT FTF = Capacidades FACTS T = UVRT FTQF = Capacidades FACTS T = UVRT Q = Potencia Reactiva extra FTQSF = Capacidades FACTS T = UVRT Q = Potencia Reactiva extra S = Potencia Reactiva sin viento Denominación Forma del diagrama PQ Especificación

18 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 18 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON Introducción de la Empresa ENERCON Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable Electrónica de Potencia - Full Converter Rangos Operativos Viento Tensión Frecuencia Potencia Activa y Reactiva Comportamiento frente a Huecos de Tensión ENERCON FRT ZPM – Modo de Inyección Nula QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva dependiente de la Tensión Enercon SCADA RTU FCU Control de Potencia Activa - Frecuencia

19 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 19 Uno de los muchos criterios de UVRT: duración y profundidad de los huecos de tensión que tiene que ser soportada. Requerimientos de FRT en diferentes sistemas de potencia Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT) WEC debe ser capaz de mantenerse operando durante fallas en la red, o sea: Mantenerse conectado por un tiempo determinado y hasta un valor de hueco de tensión Suministrar potencia activa inmediatamente después de la eliminación de la falla Ayudar a recuperar la tensión en la red durante las fallas suministrando potencia reactiva Los requerimientos de red son bien diferentes dependiendo del operador de red UVRT en el sistema de potencia A UVRT en el sistema de potencia B

20 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 20 Capacidad de funcionamiento durante falla hasta 0 V por hasta 5 seg. por evento La potencia activa que no puede alimentar la red es disipada en los Choppers Capacidad de soportar fallas simétricas y asimétricas Diferentes Modos FRT para adaptación a diferentes características de sistemas de potencia Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)

21 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 21 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT) Elementos llave para capacidad de operación durante fallas (Fault Ride Through capability) = ConvertidorDC-Link = RectificadorTransformador BT/MT = = Control de Excitación RG = UPS Chopper Sistema de Control Filtros Interruptor Elementos clave para capacidad de operación durante fallas (Fault Ride Through capability)

22 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 22 Diferencia fundamental entre el generador convencional y el Aerogenerador ENERCON: I SC / I R U SC / U R 0% 100% 50%100% Contribución de la corriente de falla depende del nivel de tensión Corriente de falla disponible es constante para un gran rango de tensión Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT) S k_max : 500A por convertidor (400V) Ejemplo:E-82 2,3MW FT = 8 convertidores=> S k_max = 4.000A por WEC (400V)

23 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 23 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT) El Aerogenerador ENERCON produce solamente corriente de secuencia positiva en sus bornes Tensión (MT): Corriente (BT): Tensión (MT):

24 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 24 Modo Estándar: Zero Power Mode (ZPM) Disponible para fallas simétricas y asimétricas No hay inyección de corriente durante las fallas => la potencia generada es completamente disipada por los Choppers Inyección total de corriente de acuerdo con una rampa ajustable entre 100 y 3000 ms. Ajustable: Aerogenerador puede ser galvánicamente desconectado durante los huecos de tensión. Modo más simple para evitar situación de isla También disponible como modo secundario Zero Power Mode Ejemplo de un Aerogenerador ENERCON E-70 E4 2,3MW / falla trifásica Active Power P [MW]Reactive Power Q [Mvar] Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)

25 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 25 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT) Modo Opcional: QUM2 Operación durante fallas en el sistema Inyección de corriente reactiva dependiendo de los huecos de tensión Factor k ajustable Aplicable para fallas balanceadas y desbalanceadas Cálculo basado en la tensión de secuencia positiva Extracto de la legislación de Alemania SDLWindV (publicada el ):

26 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 26 Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON Introducción de la Empresa ENERCON Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable Electrónica de Potencia - Full Converter Rangos Operativos Viento Tensión Frecuencia Potencia Activa y Reactiva Comportamiento frente a Huecos de Tensión ENERCON FRT ZPM – Modo de Inyección Nula QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva dependiente de la Tensión Enercon SCADA RTU FCU Control de Potencia Activa - Frecuencia

27 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 27 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line Códigos de red incluyen requisitos técnicos de: FRT, Calidad de Energía, Control de Tensión, Despacho, etc. Algunos códigos de red hacen diferencia entre los requerimientos de performance para el punto de conexión y para los aerogeneradores; Cuáles requerimientos son aplicables para el aerogenerador o para el PoC dependen del tema técnico; Los fabricantes de aerogeneradores garantizan la performance de la máquina y no del Parque. PoC

28 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 28 Rango PQ de la suma de los WECs es diferente del rango PQ del parque eólico completo Bornes 400V de los aerogeneradores Q Import Q Export Active power Q offset debido a la red interna Resultado en el PoC Ejemplo: requisito 0.95 exp < cos 0.95 imp 20kV 400V PoC 110kV ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

29 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 29 SCADA PC Todos los parques eólicos ENERCON están equipadas con el sistema ENERCON SCADA El Sistema ENERCON SCADA toma y salva datos del parque y de los WECs individuales – tales como informaciones de status, mediciones eléctricas y mecánicas, datos de viento… Software ENERCON SCADA Remote puede ser usado para acceder y visualizar los datos en una PC externo Otras opciones de comunicación online pueden ser ofrecidas (PDI-OPC, RTU) Control simple de lazo abierto de P y cos pueden ser realizados sin hardware adicional ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

30 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 30 SCADA PC PoC ENERCON PDI Process Data Interface ENERCON FCU Farm Control Unit FCU BUS Controlador para Parques Eólicos ENERCON RTU, RTU-M, RTU-C Mediciones en el punto de conexión y controles del parque eólico ENERCON METEO Interacción con el mástil anemométrico ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line Intercambio de datos con el exterior

31 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 31 Tipo de Control Disponible para los WEC Disponible para el Parque Eólico Limitación de Potencia ActivaXX Control de gradiente de Potencia Activa X Reducción de Potencia Activa dependiendo de la frecuencia con f > f n X Aumento de Potencia Activa dependiente de la Frecuencia con f < f n X Control de Potencia ReactivaXX Control de Factor de PotenciaXX Control de TensiónX ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

32 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 32 Generador Síncrono ConvencionalWind Energy Converter / Parque Eólico Tensión controlada por inyección de corriente reactiva del Parque Eólico U = f(Z PoC and Q WF ) xdxd I excitation U ~ I excitation Tensión controlada por la corriente de excitación UpUp ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line Control de Tensión:

33 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 33 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line Active power Q export Q import P rated Basic: cos constante en los bornes de los WECs, Simple: cos = constante (o tg = const) con control de lazo cerrado Rango resultante en el PoC WEC (400V) en el PoC diagrama PQ modificado según el flujo de potencia Smart: cos (or tg ) dinámico de acuerdo con la demanda del operador de sistema dinámica de Q de acuerdo con la demanda del operador de sistema Estrategias de Control:

34 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 34 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line RTU – Remote Terminal Unit Todos controladores tienen una estructura PI Consignas poden ser enviadas de: - Un valor fijo - Valor enviado remotamente - Valor de una curva característica, e.g. Q(U), definidos valores hasta 10 puntos (Q i ;U i ) Suponiendo que el nivel de corto circuito en el PoC es mayor a 5 veces la P Parque Eolico entonces: - RTU puede ser instalados y comisionados con parámetros estándar, sin datos específicos de la red, simulaciones o tests - El tiempo de respuesta del controlador es lento (~10 seg.) No es posible realizar cambio remoto del modo de control cos cos (P) cos (U) Q (U) Q usando Q P max Consigna de P(f) (reserva primaria) usando P

35 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 35 SCADA PC PoC ENERCON FCU Farm Control Unit FCU BUS ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line FCU – Farm Control Unit Control avanzado y flexible para Parques Eólicos Controles utilizando P y Q de los WECs Todos los controles utilizan estructura de controlador PI Tiene la capacidad de ser muy rápido, debido a la barra de comunicación exclusiva para el envío de las consignas hacia los WECs (tiempo de respuesta menor a 1 segundo es posible: datos de red, simulaciones y tests son obligatorios) Posibilidad de cambiar remotamente entre los diferentes modos de control

36 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 36 Q max_exp Q max_imp U/U rated export Q import ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line Como Q puede ser modificado dinámicamente para contribuir para mantener la tensión constante: Ejemplo de Control: Q (U) Voltage Droop Controller Puede ser útil si el ángulo de impedancia de la red Ψ PoC es suficientemente grande La característica Q (U) puede ser com el diagrama Las partes utilizadas del rango PQ disponible de la Parque Eólico dependen de las consignas Q max y Q min Si la opción ENERCON STATCOM está implementada también será utilizada 1,05 0,95 Disponible con el producto RTU y con el producto FCU Característica Q (U) a ser definida por el operador del sistema específicamente para el PoC.

37 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 37 Wind Power Plant Edinbane, Scotland, 41,1 MW, 132 kV connection Requerimiento: Voltage-Droop-Control Q(U), 6% droop Estructura: PI-Voltage Controller Objetivo: Respuesta rápida a cambios de voltaje (<1sec requerido) Características de red sin Parque Eólico : 207 MVA, X/R=2,5 con Parque Eólico : 371 MVA, X/R=2,2 U disturbance (razones externas) Q(U)-Controller respuesta <1s Con seteo de Setpoint de Voltaje U = U ref - U act ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

38 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 38 Los conceptos pitch y electrónica de potencia full scale permiten un control contínuo rápido y flexible de la potencia activa de cada ENERCON WEC individual. Performance se logra mediante el cambio del ángulo de las palas del WEC pitch. Activación basada en una señal online del operador del sistema. Pequeña inversión adicional necesaria para comunicación online. Producción relevante => Usualmente sólo para emergencias ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

39 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 39 Ejemplo de medición: Potencia activa reducción a sobre-frecuencias. Ejemplo de medición: Potencia activa incremento a sub-frecuencias (e.g. <49,5Hz) 49,5Hz ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

40 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 40 wind speed P rated Si el sistema tiende a volverse crítico, puede enviarse una señal al Parque Eólico: Reducir la potencia activa! (temporariamente por precaución) Si la frecuencia del sistema realmente cae por debajo de f low, el Parque Eólico incrementa la potencia activa Muy relevante para la producción => Usualmente sólo para emergencias, no como reserva permanente! Desventaja económica sólo aceptable, si limitada a pocas horas por año Tiempo de respuesta: varios segundos (~ control primario) Este control opera sobre cada WEC individual, apenas el setpoint P reserve desde el centro de despacho llega via el SCADA PC central. f high f max f rated P availible f low P limited Reserva de potencia activa f Potencia activa Control primario de incidentes de subfrecuencia P rated -x% P reserve como porcentaje de P actual ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line

41 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 41 ENERCON Inertia Emulation Incremento opcional de Potencia Activa utilizando la Inercia del rotor. P boost = 10%P rated Disponible desde que P actual 4%P rated P boost disponible dentro de 800ms Boost por no max. 10 segundos Tempo de recuperación de la Inercia después del Boost 2 x T boost Desempeño logrado cambiándose la excitación, utilizando la inercia del rotor. Activación en función de la medición de frecuencia local del Aerogenerador. ENERCON E-82 operando en condiciones de viento parciales

42 Sales - Technical Support, © Copyright ENERCON GmbH. All rights reserved.Slide 42 Muchas Gracias !


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