“Análisis Eléctrico de la Conexión de un Parque Eólico a Red de Potencia con un Enfoque Orientado a la Calidad” ING. RUBEN DOMINGO BUFANIO1, DR. DI PRÁTULA, HORACIO.R.2, MG. EDUARDO GUILLERMO3, ING. ANDREA ROSSI4, ING. RODOLFO BOCERO5 1. UTN FRH tesista magister de En. Renovables 2. Director grupo GESE FRBB UTN – hrdiprat@frbb.utn.edu.ar 3. Investigador grupo GESE FRBB UTN 4. Investigador grupo GESE FRBB UTN – Especialista en calidad 5. Investigador grupo GESE FRBB UTN – Especialista en calidad

INDICE TEMÁTICO 1 Introducción 2 Análisis del Problema 3 Topología de Convertidores para la Conexión a Red Eléctrica 4 Tipo de conversión de potencia en generación eólica 5 Fuente de Armónicas 6 Simulaciones y análisis 7 Conclusión

Introducción Las turbinas eólicas actuales utilizan convertidores electrónicos de potencia para garantizar la regulación de su inter-relación con la red eléctrica. Las turbinas que se conectan a través de la electrónica de potencia presentan ventajas a la hora de maximizar eficiencia energética fundamentalmente en la zona de potencia parcial, pero la desvinculación de frecuencia entre el generador y la red muestran desventajas como ser el contenido armónico de corriente respecto a otras topologías como ser la SCIG (generador de inducción con vinculación directa a la red)

Clasificaremos las turbinas eólicas modernas considerando el tipo de generador elegido por el fabricante para convertir la energía mecánica en eléctrica, ya que este aspecto es importante para interpretar el problema de armónicas en red. En la tabla siguiente vemos turbinas con generador de inducción y un generador sincrónico (Fig. 4). Todos los dispositivos cuentan con caja de engranaje.

Turbinas eólicas con generadores de inducción y sincrónicos con y sin cajas multiplicadoras, conectadas mediante convertidores de potencia a la red eléctrica. Dos generadores directos y dos con caja de engranajes y uno con imanes permanentes.

Fortalezas y Debilidades Conexión directa a la red eléctrica

Análisis del Problema Establecida las condiciones de operación hacia la red eléctrica de cada generador, se plantea el problema de calidad: El problema es la calidad de servicio relacionada a la presencia de armónicas en red debido al uso de convertidores de potencia. Los actuales generadores requieren dichos sistemas electrónicos mientras que los primeros aerogeneradores llegados a nuestro País utilizaban generadores de inducción. La norma que está relacionada con armónicas en red es la norma IEC 61000-4-7. En la República Argentina (Provincia de Buenos Aires) el contrato de suministro de concesión Municipal de distribución (SubAnexo D – Normas de calidad del servicio Público y Sanciones) establece como norma para las perturbaciones (entre ellos armónicas) el valor del THD en el 5%.

En nuestro caso la calidad de la energía en el nodo depende de la interacción entre la red eléctrica y el parque eólico. Al analizar el fenómeno observamos que la elección del tipo de turbina tiene relación con la magnitud de los fenómenos que afectan el voltaje. Si bien, las armónicas de voltaje y corriente siempre se encuentran presente en las redes eléctricas, especialmente por la existencia de cargas no lineales, de electrónica de potencia, rectificadores e inversores para el control de velocidad de motores de inducción, etc.

Sin embargo, la presencia de los inversores en la fuente de energía (energía eólica) aumenta la existencia de armónicas de tensión y por lo tanto el problema en los sistemas eléctricos se agrava. Efectos de las Armónicas sobre el sistema eléctrico Efectos de las armónicas sobre la red eléctrica Efectos en corto plazo Efectos a largo plazo Perturbaciones sobre las máquinas eléctricas controladores (PLC´s) errores en los medi- dores de inducción, vibraciones, relés, interferencias en los sistemas de comuni- cación y control Calentamiento de ca- pacitores, de máquinas eléctricas, cables, aparatos de maniobra, borneras, etc. incremento en las pér- didas (hierro y con- ductores), disminución de la capacidad del transformador, cupla mecánica pulsante que disminuye la efi- ciencia, etc.

Topologías de convertidores para la conexión a la red: Inicialmente se efectúa un análisis de un parque eólico de pequeña potencia (1.2 Mw) en la provincia de Bs.As. Y posteriormente se efectuará sobre un parque eólico de gran potencia en Brasil. El nodo de conexión del parque eólico en la Provincia de Bs.As. presenta una potencia de cortocircuito reducida con una importante electrificación rural (valor real). Se simula un parque con una turbina eólica similar pero de 1.5 Mw conectada a una red de elevada potencia. Topologías de convertidores para la conexión a la red: Hay muchos requerimientos para los convertidores que se conectan a la red para transferir energía, como ser: confiabilidad, mínimo mantenimiento, limitado espacio y peso, bajas pérdidas y buena calidad de la energía inyectada. Es decir corriente con bajo contenido armónico y posibilidad de controlar flujo de potencia. En síntesis, posibilidad de ceder u o tomar reactiva.

Esta transformación AC/AC puede ser directa o indirecta, en el caso indirecto hay un link de continua o DC, lo cual genera un sistema AC/DC-DC/AC. La ventaja de esto es el desacople entre la red y el generador lo cual favorece el control en la compensación por problemas de simetría. El mayor problema es el almacenamiento de energía en DC, lo cual además aumenta costos y reduce vida útil frente a una posibilidad AC/AC directa que por su puesto presenta otras desventajas. Este control indirecto con desacople presenta una de las mayores bondades en la posibilidad de cumplir con el paso a través de fallos de la red o bien conocido como low voltaje ride through, cada vez más requerido por los Code Grid de las diferentes operadores de red. Esto hace que el sistema, y es lo que se busca, se acerque más a las posibilidades de una fuente convencional. Por ello es que esta opción es muy o la más utilizada hoy en día.

Los tipos de convertidores que se usan son: VSC (Voltage Stiff Converter) y CSC (Current Stiff Converter), los primeros operan en base a una alimentación o fuente de tensión y los segundos a base de una fuente de corriente. Según el flujo de potencia podrán ser inversores o rectificadores o cumplir ambas para lo cual se denominarán bidireccionales. A su vez pueden clasificarse según su control, es decir por fase (tiristorizados) o con tecnología PWM en dicho caso con dispositivos de conmutación forzada como ejemplo conmutadores IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada), estos dada su posibilidad bidireccional permiten trabajar en todos los cuadrantes es decir posibilitando la carga del link de continua. VSC (Voltage Stiff Converter) Poseen seis conmutadores con transistor y diodo en anti paralelo o paso libre para proveer flujo bidireccional de corriente y bloqueo de voltaje.

Esta topología tiene el problema del disparo simultáneo de los conmutadores, es decir hace falta el uso de tiempos muertos lo cual empeora o distorsiona la señal obtenida (armónicos), es por ende necesario un filtrado de alto orden para cumplir con las normas, lo cual lleva a pérdida de eficiencia y complejidad en el control.

Permite conectar a la red eléctrica una turbina eólica con generador de inducción, pero como el generador requiere potencia reactiva para su magnetización usa VSC. Destacamos, que dado que la energía reactiva requerida presenta cambios con la velocidad y si el valor del capacitor no es el adecuado el sistema presentará una performance menor. El generador con imanes permanentes utiliza para conectarse a la red eléctrica diferentes sistemas de rectificación e invertidores. Dependiendo de la optimización del subsistema rectificador-generador puede incrementarse la capacidad de potencia en un 50% utilizando un VSC [2].

Esta tecnología también se usa para el transporte de energía mediante sistemas HDVC (high-voltage, direct current) y se basa en la tecnología VSC con transistores bipolares (IGBT) que emplean configuración de conmutación con modulación por ancho de pulso (PWM) controlando la energía activa y reactiva. El crecimiento de la energía eólica en Europa, EEUU y China, considerando también la instalación de parques eólicos en el mar ha dado paso a la utilización de esta tecnología.

CSC (Current Stiff Converter): Tiene más limitaciones en aplicación, la operación requiere de una fuente de corriente constante, lo cual lleva al uso de una inductancia importante y además de estar conectado a una red bastante rígida, ya que el link de corriente continua queda determinado por la diferencia de potencia de ambos lados (generador y red). Esto hace que como los disturbios por variación del viento en el lado generador no se reflejan simultáneamente por el control del convertidor del lado red, provocará un exceso o defecto en la corriente DC lo cual puede afectar la estabilidad del sistema.

También su aplicación está relacionada con el hecho de que al elevar la tensión de las líneas de transmisión interna del parque eólico debido al aumento de la potencia de las turbinas eólicas en uso, (si se compara con la BT utilizada en la década del 90) y el uso de dispositivos convertidores de cuatro cuadrantes (se considera ventajoso el sistema de bi-direccionalidad del flujo frente a la uni-direccionalidad) con tiristores IGCT [4].

Comparación entre tiristor IGBT e IGCT Tipo de Elemento Tiristor IGCT IGBT Símbolo A = ánodo; C = cátodo; G = compuerta (terminal de control) Tipo de control on: impulso de corriente en G off: corriente inversa entre A–C on/ off por señales de corriente a G Resistencia variable controlada por tensión G–E Conexión en paralelo Adecuación parámetros (selección dispositivos) Sólo con circuitos de protección Con/sin circuito de protección Conexión en serie Sólo con circuito de protección Circuito de protección opcional (recomendado) Concepto de protección de fallos El elemento no limita la corriente de cortocircuito. Sólo con circuitos de protección El elemento limita la corriente de cortocircuito, puede desconectar el cortocircuito por G

Tipo de Conversión de potencia en generación eólica En potencias de sistemas alrededor de los 2 Mw los convertidores con interruptores de conmutación forzada son los que dan mejor control de flujo de potencia y control de armónicos. Entre las soluciones más usadas aparece la VSC (Voltage Stiff Converter) alimentada en voltaje, en el caso que dicho convertidor se adopte en ambos lados (Generador y Grilla) la configuración resultante es la back to back como indicada en la figura:

Otra posibilidad es la utilización de un rectificador pasivo y un convertidor elevador (boost, step-up) para elevar el voltaje fundamentalmente a baja velocidad y controlar flujo de potencia. La topología se muestra en la siguiente figura: En esta opción, supuestamente más sencilla y económica, donde fundamentalmente del lado generador a través de un puente de diodos se rectifica y eleva luego la tensión. Se consigue una funcionalidad como la de Back to Back, sin embargo no es posible, como si podría ser en el primer caso de controlar de manera individual el contenido armónico generado por la fuerza electromotriz del generador, principalmente en 5to y 7mo armónico, por lo tanto filtros adecuados se requieren en este caso del lado generador.

Generadores de inducción Fuente de Armónicas Se analiza el fenómeno en dos casos extremos de fuentes de energía eólica: 1) Generadores de inducción, 2) Generadores con convertidores (inversores) de potencia Sistema Real (primero sin parque eólico y posteriormente con el mismo conectado): Simulaciones Generadores de inducción

Se considera que dado que el generador de inducción entrega energía activa a la red eléctrica pero requiere de energía reactiva de la misma para crear sus campos magnéticos modifica las condiciones paramétricas del nodo, contribuyendo a una mayor magnitud de las armónicas. Puede observarse que la 5ta armónica es la de mayor existencia, lo que se atribuye a la conexión en triángulo de los primarios de los transformadores trifásicos reductores sobre la red eléctrica de media tensión.

Sin embargo ante un sistema de mayor potencia un parque eólico con turbinas de palas fijas, multiplicador y generadores de inducción jaula de ardilla no presenta un nivel de armónicas importantes. El siguiente modelo desarrollado en matlab® lo muestra 0.785 % Componentes principales de las armónicas en línea en un sistema de potencia de 47 MVA siendo la turbina de 1.5 Mw

PARQUE EÓLICO CON CONVERTIDORES (TABLA II) Los onduladores (inverters) insertan en la red eléctrica armónicas de bajo y alto orden (dependiendo de la frecuencia de corte del dispositivo – 5 a 10 kHz). Las de alto orden pueden producir resonancia cuando se usan cables subterráneos[1]. Dónde SkV/Sev corresponde al cociente entre la potencia de la red y la potencia contratada y los valores a % de la corriente.

Sistema Real:

Se verifica un aumento del THD% (>10%) cuando hay 18 máquinas en servicio. Estos valores son superiores a los exigidos por normas. SIMULACIÓN: Modelo Usado: Granja eólica con máquina sincrónica con bobinado de excitación conectada a una red eléctrica de potencia a través de “inverters” con IGBT (VSC) (DC/AC) y uso de Boost (Step-up) para rectificación con diodos– Carga resistiva y con motor de inducción de 500 kW de potencia.

Se efectúan las siguientes simulaciones: a. Con potencia de la red eléctrica de 2.5 Gw (250 veces la potencia del parque) – transformadores de potencia 40 MVA y 2.5 x 5 MVA en el parque eólico. El resultado es un THD del orden de 0.1% con componentes pares e impares.

b. Con potencia de la red eléctrica de 200 Mw (20 veces la potencia del parque) – transformadores de potencia 30 MVA y 2 x 5 MVA en el parque eólico. El resultado es un THD del orden de 0.15% con componentes pares e impares y prevalencia de las pares. Con potencia de la red eléctrica de 100 Mw (10 veces la potencia del parque) – transformadores de potencia 40 y 2.5 x 5 MVA en el parque eólico. El resultado es un THD del orden de 0.2 % con componentes pares e impares y prevalencia de las pares. Con potencia de la red eléctrica de 100 Mw (10 veces la potencia del parque) – transformadores de potencia 40 y 2 x 5 MVA en el parque eólico. El resultado es un THD del orden de 4 % con componentes pares e impares y prevalencia de la 5ta armónica. Con potencia de la red eléctrica de 100 Mw (10 veces la potencia del parque) – transformadores de potencia 35 y 2.5 x 5 MVA en el parque eólico. Con idéntico resultado al anterior

f. Con potencia de la red eléctrica de 2 f. Con potencia de la red eléctrica de 2.5 Gw (250 veces la potencia del parque) – transformadores de potencia 40 MVA y 2.5 x 5 MVA en el parque eólico, pero variando la longitud de la línea de 30 kms, primero a 50 kms y luego a 60 kms. El resultado es un THD del orden del 4% para el primer caso y 6 % con componentes pares e impares pero prevalencia de la 5ta armónica (Figuras a continuación). THD parque con GS y inverters – potencia de red 2.5 Gw – potencia de los transformadores: 40 MVA – 2.5 x 5 MVA y línea de 60 km de conexión THD parque con GS e inverters – potencia de red 2.5 Gw – potencia de los transformadores: 40 MVA – 2.5 x 5 MVA y línea de 50 km de conexión

g. Prosiguiendo con la experimentación se logró un incremento importante en la 6ta armónica elevando la potencia de la carga (1 Mw) e incrementando la longitud de la línea eléctrica. Se nota que el sistema se sensibiliza al cambio de potencia de la carga con menor incremento de la longitud de la línea de conexión. Incrementando aún más la potencia de la carga (1.5 Mw) la sensibilidad aumenta y no es necesario modificar el valor original de la línea de conexión para que el fenómeno de armónicas se incremente. Existe una relación crítica entre la potencia de la red eléctrica, las líneas de transporte de energía y las potencias de los transformadores lejanos y cercanos al parque eólico, pero fundamentalmente en la línea de conexión del parque al nodo existente. Conclusión

Si la potencia de la red eléctrica supera las 20 veces la potencia del parque eólico instalado la posibilidad de existencia de armónicas de tensión en valor importante disminuye y comienza a ser inmune a las variaciones de potencia de las estaciones transformadoras pero la influencia de la línea de transporte cercana al parque muestra gran influjo en el contenido de armónicas en red (siempre conservando las condiciones de transporte determinadas por normas nacionales e internacionales). Ante el incremento de la carga (motor al doble de potencia: 1 Mw), la influencia de la línea de conexión del parque sobre la existencia de armónicas se incrementa notablemente con modificaciones menores en su longitud (40 kms), llegando a producir armónicas con la longitud del modelo (30 kms) con una potencia de carga de 1.5 Mw. Se nota en este caso una mayor producción de armónicas pares. Los resultados nos permiten afirmar que la carga “sensibiliza” la influencia de la línea de conexión sobre la propagación de armónicas, sin embargo la línea de conexión del parque el nodo es “crítica” en relación a la propagación de armónicas. Por lo tanto, es importante prestar atención al cálculo de la red de conexión entre turbinas eólicas y la SE transformadora elevadora de conexión a la red eléctrica, como también a la potencia en el nodo de conexión.

Por lo tanto, es importante prestar atención al cálculo de la red de conexión entre turbinas eólicas y la SE transformadora elevadora de conexión a la red eléctrica, como también a la potencia en el nodo de conexión. También es importante destacar que al disminuir el número de aerogeneradores conectados debido a condiciones de servicio las condiciones de sensibilidad a la propagación de armónicas disminuye notablemente. Dada la influencia de todos los componentes en la propagación de armónicas en la red eléctrica es aconsejable minimizar la posibilidad de no cumplir con normativas vigentes realizando un estudio mediante un modelo y simulación para determinar los valores críticos en líneas eléctricas de conexión (principalmente), SE transformadora de conexión y potencia de la red eléctrica en el nodo.

MUCHAS GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN