Tecnología de los Aerogeneradores 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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 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 Introducción de la Empresa ENERCON
800 kW E70 2300 kW E82 2000 kW à 3000 kW E33 330 kW E44 900 kW E48 E101 E126 7500 kW Aerogeneradores instalados: Capacidad instalada: GW

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

8 Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Rectificador Control G E N E R A T I O N Estator Excitación Rotor Control de Azimut Control de Paso

9 Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
C O N V E R S I O N Convertidores UPS (opcional) Gabinete de Control Distribución BT Transformador Celdas de MT

10 Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
=  Rectificador DC-Link =  Convertidor Filtros Transformador BT/MT Interruptor Generador en Anillo RG = Control de Excitación =  UPS Chopper Sistema de Control Punto de Referencia para todas las características de performance eléctrica del Aerogenerador Velocidad Variable Frecuencia de la red constante Flujo de Potencia

11 Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
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

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

13 Operación continua normal
Rangos Operativos Opción FRT: Hasta 5 segundos por evento máx. 60 seg. Operación continua normal Opción FRT: Hasta 5 segundos por evento Frecuencia f [Hz] fR + 7 Hz Tensión U [% UR] fR 80% 90% 100% 110% 120% 145% fR - 7 Hz

14 Conforme norma IEC61400 éstos son valores promedio de 10 min
Rangos Operativos Control de Ráfagas ENERCON: No hay desconexión de la red, recuperación instantánea de la potencia activa cuando las ráfagas disminuyen Existen tres modos de operación principales dependiendo de la velocidad del viento: vwind < vmin Stand by vmin < vwind < 25 m/s Operación Normal vwind > 25 m/s Control de Ráfagas ENERCON PWEC PRated 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 (Qset o set) vmin vrated vWind Conforme norma IEC éstos son valores promedio de 10 min

15 Rangos Operativos P / Pn 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% Q+ Q+ 20% Ejemplo: E-82 E2 2,3MW @Pmax => 0.92imp< cosj > 0.92exp +Q / Pn QE-82_export=980kvar QE-82_import=980 kvar

16 Rangos Operativos P / Pn 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 / Pn -Q / Pn

17 Rangos Operativos Forma del diagrama PQ Denominación Especificación
FD F = Capacidades FACTS D = Distribution = Sin (!) UVRT FT F = Capacidades FACTS T = UVRT FTQ F = Capacidades FACTS T = UVRT Q = Potencia Reactiva extra FTQS F = Capacidades FACTS T = UVRT Q = Potencia Reactiva extra S = Potencia Reactiva sin viento

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

19 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 Requerimientos de FRT en diferentes sistemas de potencia UVRT en el sistema de potencia A  UVRT en el sistema de potencia B Uno de los muchos criterios de UVRT: duración y profundidad de los huecos de tensión que tiene que ser soportada. 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

20 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

21 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
=  Rectificador DC-Link =  Convertidor Filtros Transformador BT/MT Interruptor RG = Control de Excitación =  UPS Chopper Sistema de Control Elementos clave para capacidad de operación durante fallas (Fault Ride Through capability) Elementos llave para capacidad de operación durante fallas (Fault Ride Through capability) 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

22 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
Diferencia fundamental entre el generador convencional y el Aerogenerador ENERCON: Contribución de la corriente de falla depende del nivel de tensión Corriente de falla disponible es constante para un gran rango de tensión ISC / IR Sk_max: 500A por convertidor (400V) Ejemplo: E-82 2,3MW FT = 8 convertidores=> Sk_max = 4.000A por WEC (400V) “ 100% 0% 50% 100% USC / UR 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

23 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
El Aerogenerador ENERCON produce solamente corriente de secuencia positiva en sus bornes Corriente (BT): Tensión (MT): Tensión (MT): Corriente (BT): 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

24 Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
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] 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 ): 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

28 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
20kV 400V PoC 110kV Ejemplo: requisito 0.95 exp < cosj > 0.95 imp Active power Bornes 400V de los aerogeneradores Resultado en el PoC QExport QImport Qoffset debido a la red interna Rango PQ de la suma de los WECs es diferente del rango PQ del parque eólico completo 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

29 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
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 cosj pueden ser realizados sin hardware adicional SCADA PC 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

30 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
ENERCON METEO Interacción con el mástil anemométrico Mediciones en el punto de conexión y controles del parque eólico ENERCON RTU, RTU-M, RTU-C ENERCON PDI Process Data Interface Intercambio de datos con el exterior SCADA PC ENERCON FCU Farm Control Unit Controlador para Parques Eólicos FCU BUS PoC 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

31 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Tipo de Control Disponible para los WEC Disponible para el Parque Eólico Limitación de Potencia Activa X Control de gradiente de Potencia Activa Reducción de Potencia Activa dependiendo de la frecuencia con f > fn Aumento de Potencia Activa dependiente de la Frecuencia con f < fn Control de Potencia Reactiva Control de Factor de Potencia Control de Tensión 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

32 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Control de Tensión: Generador Síncrono Convencional Wind Energy Converter / Parque Eólico xd Iexcitation U ~ Iexcitation Tensión controlada por la corriente de excitación Up Tensión controlada por inyección de corriente reactiva del Parque Eólico U = f(ZPoC and QWF) 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

33 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Estrategias de Control: Basic: cosj constante en los bornes de los WECs, Active power WEC (400V) Prated en el PoC diagrama PQ modificado según el flujo de potencia Simple: cosj = constante (o tgj = const) con control de lazo cerrado Smart: cosj (or tgj) dinámico de acuerdo con la demanda del operador de sistema Rango resultante en el PoC dinámica de Q de acuerdo con la demanda del operador de sistema Q export Q import 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

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 (Qi;Ui) Suponiendo que el nivel de corto circuito en el PoC es mayor a 5 veces la PParque 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 cosj cosj (P) cosj (U) Q (U) Q usando Q Pmax Consigna de P(f) (reserva primaria) usando P 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

35 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 SCADA PC ENERCON FCU Farm Control Unit FCU BUS PoC 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

36 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 ΨPoC 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 Qmax y Qmin Si la opción ENERCON STATCOM está implementada también será utilizada U/Urated export Q import 1,05 Qmax_exp Qmax_imp 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. 0,95 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

37 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
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 : MVA, X/R=2, con Parque Eólico : 371 MVA, X/R=2,2 Con seteo de Setpoint de Voltaje  U = Uref - Uact U disturbance (razones externas) Q(U)-Controller respuesta <1s 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

38 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
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 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

39 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Ejemplo de medición: Potencia activa reducción a sobre-frecuencias. Ejemplo de medición: Potencia activa incremento a sub-frecuencias (e.g. <49,5Hz) 49,5Hz 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

40 ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Control primario de incidentes de subfrecuencia Si el sistema tiende a volverse crítico, puede enviarse una señal al Parque Eólico: “Reducir la potencia activa!” (temporariamente por precaución) Potencia activa Pavailible Plimited Reserva de potencia activa Si la frecuencia del sistema realmente cae por debajo de flow, 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 Preserve desde el centro de despacho llega via el SCADA PC central. f flow frated fhigh fmax wind speed Prated Prated -x% Preserve como porcentaje de Pactual 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

41 ENERCON Inertia Emulation
Incremento opcional de Potencia Activa utilizando la Inercia del rotor. Pboost = 10%Prated Disponible desde que Pactual ≥ 4%Prated Pboost disponible dentro de 800ms “Boost” por no max. 10 segundos Tempo de recuperación de la Inercia después del “Boost” ≈ 2 x Tboost ENERCON E-82 operando en condiciones de viento parciales Desempeño logrado cambiándose la excitación, utilizando la inercia del rotor. Activación en función de la medición de frecuencia local del Aerogenerador. 2nd Workshop on Wind Energy Integration for Power System Operators

42 Muchas Gracias !