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Presentación de la UNPSJB en el Seminario "Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores" organizado por la Agencia Comodoro Conocimiento y el Centro de Energías Renovables, junio de 2010.

Presentación de la UNPSJB en el Seminario "Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores" organizado por la Agencia Comodoro Conocimiento y el Centro de Energías Renovables, junio de 2010.

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  • 1. DESAFÍOS TECNOLÓGICOS PARA LA ENERGÍA EÓLICA. EL ENFOQUE ACADÉMICO Dr. Ing. Roberto Daniel Fernández Facultad de Ingeniería Dto. de Electrónica Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco 1
  • 2. Índice Introducción Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 2
  • 3. Introducción • En 2001 "Hacia una estrategia europea de seguridad del abastecimiento energético", de la Comisión Europea: "Si no se toman medidas, en los próximos 20 a 30 años el 70% de la energía de la Unión, en comparación con el 50% actual, serán cubiertos por productos importados.” • En términos geopolíticos, el 45% de las importaciones de petróleo proceden de Oriente Medio y el 40% de gas natural, de Rusia. • Entre los objetivos que se que se persiguen son los de equilibrio y diversificación de las diferentes fuentes de abastecimiento (por productos y por región geográfica). • El World Energy Council en 2050, el mix energético mundial debería componerse de, al menos, ocho fuentes de energía (carbón, petróleo, gas, nuclear, hidráulica, biomasa, eólica y solar) ninguno con una participación del 30% del mercado. • Reorganización de la red eléctrica tanto tecnológicamente como en términos de mercado. • La integración de las energías renovables y otras fuentes de energía distribuidas en los sistemas de generación existentes y los futuros sistemas de energía eléctrica representa un reto tecnológico enorme. 3
  • 4. Introducción. Redes actuales • Redes actuales (en el mundo): la mayoría de la electricidad es generada en grandes centrales eléctricas. • Red pasiva. • Flujo de potencia en una sola dirección. La mayoría de los países europeos han comenzado a liberar el mercado de la electricidad. Múltiples gestores de redes de transmisión (TSO´s) y operadores de redes de distribución (DSO´s), participarán de una red eléctrica transparente con el gobierno como ente regulador. Este escenario permitirá un aumento de la penetración de las fuentes de energía renovables y otra generación distribuida (DG) junto a un papel activo de los DSO´s en el control de la estabilidad de la red, optimizando las potencias centrales y distribuidas de la red, interconexión, etc. 4
  • 5. Introducción. Redes futuras TIC´s y electrónica de potencia transformarán a la red eléctrica existente en una red inteligente. Las redes activas se conciben como una posible evolución desde las redes de distribución pasivas. Técnica y económicamente pueden ser la mejor manera de facilitar la generación distribuida. La estructura de este modelo es modular en comparación con las conexiones actuales lineales/radiales. Pequeñas áreas (locales) de control y servicios del sistema basado en la conectividad. 5
  • 6. Índice Introducción Tipos de máquinas eólicas más empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 6
  • 7. Energía eólica 7
  • 8. Energía eólica 8
  • 9. Aerogeneradores Velocidad fija. Rotor bobinado Jaula de ardilla (Clase C) (Clase A) Vel variable. Sincrónico (Clase D) Aerogeneradores de velocidad variable pueden manejar potencia reactiva de manera independiente. Aerogeneradores vel fija emplean FACTS 9
  • 10. Aerogeneradores de velocidad variable Generadores de rotor bobinado (DFIG) y sincrónicos: el control vectorial permite manejar las potencias activa y reactiva de manera independiente 10
  • 11. Aerog. de vel. variable y fija Aerogeneradores de La velocidad del viento velocidad variable pueden cambia seguir el óptimo. Maximización de la potencia generada Aerogeneradores de velocidad fija dependen del resbalamiento. Estrategia cuasi óptima Ω inicial Ω final Velocidad variable 11
  • 12. Índice Introducción Tipos de máquinas eólicas más empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 12
  • 13. Conexión de las granjas. Requisitos. Además de los requerimientos para las máquinas eléctricas convencionales, cortocircuito, falta de fase, re cierre, etc., se tienen: Rangos de frecuencia y de tensión 13
  • 14. Conexión de las granjas. Requisitos. Requisitos de operación durante y después de una falla: debe permanecer conectada durante fuertes fallas de tensión (conocidas como FRT: fault ride through o huecos de tensión). Modelado y verificación de las granjas eólicas. Comunicaciones y control externo: se deben proporcionar varios parámetros importantes. 14
  • 15. Potencia activa Control de potencia activa: • Rampas de crecimiento acotadas. • Capacidad para llevar a cero la generación de manera rápida. • Limitación a la potencia generada disponiendo de mayor potencia en el viento. • Control delta. • Control de frecuencia. 15
  • 16. Índice Introducción Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. –Control supervisor. –Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 16
  • 17. Control supervisor 17
  • 18. Control de granjas eólicas 18
  • 19. Índice Introducción Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. –Modelos de granjas. –Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 19
  • 20. Estrategias de control propuestas. Por qué controlar a las granjas eólicas? Valores normales de las variables eléctricas (frec y tensión). Variabilidad del recurso eólico. Red eléctrica intrínsecamente variable. Estabilidad de un sistema de potencia: la capacidad de mantener un estado de equilibrio de operación bajo condiciones normales de funcionamiento y mantenerse en un estado aceptable de equilibrio después de una perturbación. Es posible demostrar cómo las granjas eólicas pueden contribuir a la estabilidad de la red de la cual forman parte. 20
  • 21. Aerog. de vel. variable y fija La velocidad del viento Propuesta de Control cambia Pwf = PSC + ΔPe(Δf ) , ΔPe(Δf ) = KΔf ó & ΔPe(Δf ) = KΔf + K d Δf 0 ≤ Pwf ≤ Pto Posibilidades de control de potencia activa de las granjas: Maximizar la potencia generada Mantener la potencia constante Control de frecuencia 21
  • 22. Aerogeneradores de velocidad “casi” fija •La velocidad no puede cambiar instantáneamente. Es la única máquina que presenta efecto inercial. Condición •En el aspecto dinámico, inicial el transitorio (segundos), V=cte los SCIG siempre aportan potencia adecuadamente respecto del cambio de frecuencia. Ω inicial Ω final Ω casi constante 22
  • 23. Control de potencia reactiva En general: Los cambios de potencia activa no producen cambios apreciables en la magnitud de las tensiones. Los cambios de potencia reactiva producen cambios apreciables en las tensiones. Posibilidades de control de potencia reactiva de las granjas (Los aerogeneradores de velocidad constante requerirán de dispositivos tipo FACTS): Factor de potencia unitario. Factor de potencia especificado. Control de tensión. Qwf = KΔV ; − S 2 − Pwf ≤ Qwf ≤ + S 2 − Pwf . 2 2
  • 24. Índice Introducción Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 24
  • 25. Aplicación del control de potencia activa propuesto Análisis comparativo: SCIG (jaula de ardilla) DFIGcp (potencia cte.) DFIGfc ΔPe = KΔf , DFIGfc+d ΔP = KΔf + K Δf & e d Oscilación inter área
  • 26. Resultados de simulación Se verifican mejoras para las acciones de control propuestas.
  • 27. Osc. inter e intra área Oscilaciones inter área: comportamiento coherente de todas las máquinas de un área frente a otra área. Oscilaciones intra área: representadas por las oscilaciones entre máquinas de una misma área. Casos de estudio: – DFIGcp: pot cte – DFIGfc: control de frec Se considera una perturbación – DFIGfcvc: control frec en el bus 1 de 40 MW. En cada y tensión bus la carga es de 150 Mw.
  • 28. Oscilación intra área Con las acciones de control se produce la mejora del comportamiento de las variables La oscilación inter área presenta resultados similares
  • 29. Respuesta completa. Inter más intra área El lazo de potencia reactiva degrada, levemente, el perfil de la frecuencia. Es necesario evaluarlo en detalle.
  • 30. Efecto del control de potencia reactiva ÚNICAMENTE Desmejora la frecuencia Mejora el perfil de la tensión El esfuerzo de control es bajo
  • 31. Índice Introducción Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 31
  • 32. Técnicas de control no lineal Dada la creciente complejidad de los sistemas de potencia, resulta apropiado estudiar y determinar otras leyes de control a los efectos de prever fenómenos altamente no lineales. Se torna necesario desarrollar leyes de control que, teniendo en cuenta la naturaleza no lineal de los sistemas de potencia permitan operar a las granjas eólicas en un amplio rango de funcionamiento y en presencia de fuertes perturbaciones de red.
  • 33. Empleo de las func. de Lyapunov Las funciones de Lyapunov son las funciones de energía de cualquier sistema. Si es que, a partir del control, se puede “armar” una función con el punto de mínima energía en el equilibrio deseado, entonces el sistema es estable. Una función de Lyapunov, ampliamente utilizada, para los sistemas de potencia es: ( ) ~ 2 − P δ + ⎛ P θ + QLk dV ⎞, NG NL ~ ~ ν =∑ 0.5 M k ω k Mk k ∑ ⎜ Lk k ∫ V k ⎟ ⎜ ⎟ k =1 k =1 ⎝ k ⎠ Restricciones: las cargas activas son del tipo constante y las conductancias de las líneas de transmisión se deben despreciar.
  • 34. Propuesta de control. Potencia reactiva & ~ si Pwf = K aθ wf , con K a > 0 ⇒ ν& < 0, acción proporcional , && ⎞ 2 ~ & ⎛θ ⎟ θ ⇒ ν& < 0, acción proporcional con ganancia variable, ~ si Pwf = K a ⎜ wf ⎝ ⎠ wf Qwf =K d 2 dt ( ) Vwf con K > 0 ⇒ ν& < 0. La acción de control de la potencia reactiva implica considerar el comportamiento de la granja como una capacidad variable. La acción para la potencia activa es la propuesta para el análisis lineal. Existe un efecto inercial, acción derivativa, aunque dentro de la acción proporcional.
  • 35. Control por pasividad. (Lo que se está estudiando) Permite realizar el tratamiento no lineal de los sistemas eléctricos incorporando la mayor generalidad posible. Se puede obtener la Función de Lyapunov del sistema desde los cálculos. Conceptualmente es sencilla: - energía entregada = energía almacenada + energía disipada, - se puede extraer una cantidad finita de energía, - sin control, el efecto disipativo hace que el sistema se detenga en el punto de mínima energía. Matemáticamente es, relativamente, complicada. Pueden requerirse la medición de variables o inaccesibles o difíciles de obtener como el valor de una tensión luego de un cortocircuito. Esto, obviamente, es imposible de saber, luego se deben considerar las restricciones de la ingeniería y replantear el problema.
  • 36. Índice Introducción Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores modernos y sus características. Requerimientos de conexión. Tendencias. Estrategias de control propuestas. Dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico. Técnicas de control lineal. Empleo de técnicas de control no lineal. Conclusiones. 36
  • 37. Conclusiones • Independencia geopolítica. • Necesidad de una generación distribuida para el ingreso a los sistemas eléctricos de las energías renovables. • Entre las tecnologías necesarias para hacer estos conceptos, las TIC’s y la electrónica de potencia juegan un papel importante (conversión de electricidad por equipos electrónicos de potencia). •TIC´s permitirán el manejo inteligente de las redes eléctricas mientras que los convertidores electrónicos de potencia serán los músculos que permitan y garanticen un trabajo adecuado y seguro de la red. • El desafío es darle una mayor inteligencia en la gestión de flujo de potencia posibilitando una red estable con gran número de pequeños y medianos generadores dispersos conectados. 37
  • 38. Conclusiones Control de granjas eólicas: contribuir a la estabilidad de la red frente a perturbaciones externas y para evitar perturbar a la red con la variabilidad del viento. La red eléctrica es intrínsecamente variable. Estabilidad. Aporte para los aerogeneradores de veloc. fija y leyes de control a los de velocidad variable. Leyes de control de la potencia reactiva. Conflictos entre controles. Posible “acoplamiento” en algunos casos. Leyes de control no lineales para las potencias activa y reactiva. Permiten asegurar el funcionamiento de la red eléctrica en condiciones de grandes perturbaciones (gran señal). 38
  • 39. A futuro Se busca contribuir a la estabilidad de las redes eléctricas con herramientas matemáticas avanzadas como la pasividad. Se están estudiando los controles de paso de las palas de los aerogeneradores. Se buscan aplicar otras herramientas como el denominado control predictivo. Se están evaluando los comportamientos de las máquinas eléctricas frente a los huecos de tensión y la manera de superarlos. Se están diseñando aerogeneradores de baja potencia. Se va a instalar el Dornier para generación en el predio de la Universidad y para desarrollo de la electrónica de potencia. Implementación de TIC’s para el control inteligente. 39
  • 40. DESAFÍOS TECNOLÓGICOS PARA LA ENERGÍA EÓLICA. EL ENFOQUE ACADÉMICO MUCHAS GRACIAS Facultad de Ingeniería Dto. de Electrónica Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco 40

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