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Estudios generadores eolicosTRANSCRIPT
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN AEROGENERADOR MARINO
Autor: Ricardo Moreno Martínez
Director: Juan Antonio Talavera Martín
Madrid Mayo de 2013
1
AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO
ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. Ricardo Moreno Martínez, como alumno de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
(COMILLAS), DECLARA
que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en
relación con la obra proyecto fin de carrera con título “Diseño del sistema eléctrico para un
aerogenerador marino”1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en
el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.
En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el
consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa
cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna
autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la
facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que
más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor
CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo
legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de
distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,
tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se
cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
3º. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de
derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:
(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;
realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así
1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro
trabajo que deba ser objeto de evaluación académica
2
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o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,
incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de
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(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,
accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2
(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad
por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:
a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los
derechos del documento.
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través
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c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse
en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).
d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para
la obtención del ISBN.
d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de
propiedad intelectual sobre ella.
2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los
siguientes términos:
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de
modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional
3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.
3
5º. Deberes del autor.
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a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún
derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
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pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e
intereses a causa de la cesión.
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infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.
6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y
respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con
fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad
asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:
a) Deberes del repositorio Institucional:
- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza
ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior
de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia
privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio
comercial, y que no se realicen obras derivadas.
- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la
responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre
del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del
depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la
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- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:
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- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en
caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a ……….. de …………………………... de ……….
ACEPTA
Fdo……………………………………………………………
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN AEROGENERADOR MARINO
Autor: Ricardo Moreno Martínez
Director: Juan Antonio Talavera Martín
Madrid Mayo de 2013
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN AEROGENERADOR
MARINO
Autor: Moreno Martínez, Ricardo.
Director: Talavera Martín, Juan Antonio.
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
La necesidad de renovación del panorama energético mundial es una realidad. Con
demandas energéticas cada vez más exigentes y con países en vías de desarrollo con
un crecimiento energético exponencial, hay que plantear una alternativa de cambio
hacia un futuro más limpio y sostenible.
Las energías renovables son un gran paso en la dirección a seguir y año tras año se va
incrementando el interés por tomar parte activa en la generación de estos tipos de
energías. Pero si tuviésemos que destacar una entre todas, esa sería sin duda la energía
eólica. La energía eólica y los aerogeneradores han ido creciendo no sólo en potencia
instalada, sino en la capacidad de generación de los aerogeneradores. El desarrollo fue
tal que los aerogeneradores terrestres veían limitado su potencial no por limitaciones
tecnológicas, sino por condiciones de viento insuficientes. Esta situación es la que
propició el desarrollo de los sistemas eólicos ubicados en el mar, también conocidos
como offshore.
En estas ubicaciones, el potencial de generación es superior a los emplazamientos
terrestres gracias a vientos más estables y de mayor fuerza. De la mano de estas nuevas
ubicaciones, han surgido diferentes aproximaciones a la mejor manera de optimizar la
generación de las turbinas eólicas. Esta optimización viene dada tanto por el diseño
mecánico como por el diseño eléctrico.
Este proyecto se centra en el estudio del sistema eléctrico para un aerogenerador
marino de 5MW de capacidad, intentando optimizar el diseño tecnológicamente pero
sin dejar de lado la valoración económica. Se ha precisado, para ello, contactar con
diferentes fabricantes a la hora de comparar diversas alternativas de diseño así como
para determinar los costes asociados a algunos equipos.
El primer problema a tratar en el diseño viene dado por el generador que al ser de
imanes permanentes y estar en una configuración de conexión directa con el rotor del
aerogenerador trabajando a velocidades muy bajas, plantea un problema en su
conexión a la red. La solución vendrá dada por un convertidor de potencia completo
que no sólo permitirá acoplar el generador a la red para la evacuación de potencia y
optimizar el control de generación en velocidades bajas, sino que además posibilitará
la generación de potencia reactiva. Al procesar el convertidor la totalidad de la
potencia que es generada, se debe premiar el rendimiento en el diseño del mismo. Se
tratará entonces de un convertidor integrado por dos inversores con fuente de tensión
(VSC) integrados por IGBTs. Asimismo, se opta por un convertidor en configuración
de dos niveles back-to-back por ser el que mejor se ajusta al nivel de tensión de
generación (690V) y las necesidades del sistema. El convertidor que se ha incluido en
el diseño, ha sido fabricado por “ABB”.
Los transformadores de potencia son elementos básicos de cualquier sistema de
generación, pero también es preciso analizar cual representa la mejor alternativa de
cara a su colocación en un aerogenerador offshore. Los transformadores de gran
potencia, tienen muy buen rendimiento luego esta no será una característica
diferenciadora de cara a qué modelo elegir en el diseño. En esta ocasión, el análisis se
centra en torno la facilidad de acceso al emplazamiento, el mantenimiento del mismo y
el riesgo de incendio. Los costes de acceso a la ubicación del aerogenerador son
elevados y esto nos lleva a buscar una alternativa que requiera bajo mantenimiento y
sea adecuada para la instalación que se estudia. Se concluye entonces que los
transformadores secos encapsulados al vacío son los que mejor se ajustarán al diseño
gracias a sus características constructivas. Se ha dimensionado el transformador para
una potencia de 6 MVA teniendo en cuenta la posible demanda de reactiva de la red o
unas condiciones extraordinarias de generación que de manera puntual pudieran llegar
a los 6MW.
Otro de los aspectos importantes que se tratan en el diseño son los sistemas de control
de paso y orientación. La relevancia del sistema de control de paso es máxima pues es
el encargado no sólo de optimizar la potencia de manera constante, sino de llevar el
aerogenerador a parada ante situaciones de riesgo que puedan ocurrir. Este sistema
basado en motores eléctricos de jaula de ardilla controlados por un convertidor, será
considerado una carga crítica del sistema y por ello deberá estar respaldado por la
unidad de alimentación ininterrumpida. El sistema de orientación no es tan
determinante como el de paso pero sin duda es otro elemento importante a tratar en el
diseño. De manera análoga al sistema de control de paso, el control de orientación se
implementará mediante motores de inducción con rotor de jaula de ardilla y
controlador por convertidores. Los motores del diseño proceden del fabricante “VEM”
y los convertidores de la casa “ABB”.
Todo sistema eléctrico, debe contar con un adecuado sistema de protección que se
encargue de detectar defectos, sobrefuncionamientos o malfuncionamientos del
sistema y despejarlos. En el proyecto se evalúan las diferentes funciones de protección
a implementar para proteger el generador, transformador y motores del sistema. Se han
determinado los valores de arranque y ajustes de las diferentes funciones de protección
a implementar que han quedado recogidas en relés de protección procedentes del
fabricante “Eaton”. El ajuste de las funciones de protección depende de los
transformadores de intensidad y tensión de protección que también han sido
especificados en el diseño.
Se ha dimensionado un sistema de alimentación ininterrumpida para dar respaldo a lo
que se definen como cargas críticas del sistema. Tras comparar los diferentes modelos
de SAIs, se decide optar por una configuración de doble conversión u online. Las
cargas críticas del sistema incluyen los motores de control del paso y sus respectivos
convertidores para el control, así como el control del convertidor de potencia
completo. Se ha diseñado el SAI para que ante una caída de red sea capaz de alimentar
estas cargas durante diez minutos, tiempo adecuado para detener el aerogenerador. El
sistema de alimentación ininterrumpido procederá del fabricante “Newave”.
Además, se han especificado los diferentes cables a utilizar para interconectar los
elementos del sistema eléctrico de acuerdo con los catálogos y precios del fabricante
de cables “General Cable”. Se ha tenido que abordar un problema en esta parte del
diseño de cara a la alimentación de los motores del control de paso al estar éstos
ubicados en el buje y ser ésta una zona rotórica y tener que ser alimentados desde
cables provenientes de la góndola. La solución para abordar este inconveniente de
alimentación de los motores ha sido integrar un equipo conocido como colector que
permite salvar este problema al contar con un sistema de escobillas similar a los
existentes en motores de continua. El modelo que se ha incluido en el diseño, ha sido
fabricado por “Moog”.
Una vez evaluados y elegidos los diferentes sistemas para dar forma al sistema
eléctrico del aerogenerador, se ha realizado un análisis económico de los costes
asociados al diseño, obteniéndose un coste final de 520.626,47 €.
ELECTRICAL SYSTEM DESIGN FOR AN OFFSHORE WIND
TURBINE
ABSTRACT
The need for a radical change on the world’s understanding of energy is a must. With
ongoing growing energy consumption and developing countries having an exponential
energetic growth, there is a need for a change toward a cleaner and more
environmentally friendly future.
Renewable energies are indeed a big step on the right direction and year after year,
there is a growing interest regarding taking active part in this new ways of generating
energy. But if we had to choose one amongst the others without any kind of doubt, it
would be wind energy. Wind energy and wind turbines have not only grown in
installed power but also in overall generating capacity. Development has happened so
fast that inland wind turbines were limited in their generating potential not by
technology limitations but by insufficient wind conditions. This situation was the one
that pushed forward the development of wind turbines located off-land also referred to
as offshore wind turbines.
In these locations, energy potential is much greater that inland due to more stable and
strong winds. Thanks to these new locations for wind turbines, there are a growing
number of designs that try to achieve the best performance and optimize the wind
turbine’s generation. This optimization will depend on both a mechanical and an
electrical design.
This Project is based on the study and analysis of the electrical design for an offshore
wind turbine with a rated power of 5MW while trying to optimize the design bearing
in mind both technological and economic aspects. In order to develop this work, there
has been a need to contact several suppliers and manufacturers of equipment in order
to compare the different alternatives as well as finding out what some of the
equipment’s costs were.
The first problem to analyze in the design is given by the generator. Since it is a direct
driven permanent magnet synchronous generator and it will be working at very low
speeds, it represents a problem in order to connect it to the grid due to unstable voltage
and frequency. The way to solve this is by implementing in the system a power
converter that is not only going to allow feed the generated power to the grid and
optimizing the control of the generator at very low speeds but also controlling the
reactive power that is being fed to the grid. Since the power converter processes the
full energy that it is being generated, efficiency is going to be important in the design
of this equipment. This will lead to a power converter that consists of two voltage
source converters (VSC) with IGBTs as semiconductors. Furthermore, the power
converter will be in a back-to-back two level configuration that best adapts to the
generating voltage (690 V) and the system’s needs. The power converter that has been
included in the design is manufactured by “ABB”.
Power transformers are basic elements on any electrical design but it is also going to
be important to analyze which transformer will best fit the design of an offshore wind
turbine. High power transformers have a really good efficiency, so in this case, this
will not be the analysis point. If we consider an offshore wind turbine main drawbacks
are the access difficulty, any maintenance that needs to be done or fire hazard. Costs
derived from accessing the offshore wind turbines are high, so that leads us to look for
a low maintenance design that fits our system. Dry type Vacuum cast coil transformers
will be the ones that best adapt to the requirements of our wind turbine. The
transformer has been design for a rated power of 6 MVA considering the possibility of
a reactive power demand coming from the grid or a temporary generating condition of
6 MW.
Another relevant aspect that is discussed in the project is the pitch control and the yaw
drive. Pitch control is a very relevant system not only because it is the system in
charge of optimizing the power constantly but also of stopping the generator under
risky circumstances in order to prevent damages on the wind turbine. This system will
consist of squirrel-cage induction motors controlled by a frequency converter and will
be considered a critical element of the system so it will be fed from the uninterruptible
power supply. Yaw system is not as critical as the pitch system but it is indeed another
important element to discuss on the design. Similarly to the pitch control, the yaw
drive will consist of squirrel-cage induction motors controlled by a frequency
converter. The motors included in the design are manufactured by “VEM” and
converters are supplied from “ABB”
Every electrical system must have a protection system that takes care of detecting
faults, malfunctions or overloads of the system and getting rid of them. In the project,
the many different protection functions for the generator, transformer and motors are
studied. The turn-on values for the protection system have been determined and they
have been implemented through protective relays from the manufactures “Eaton”. The
turn-on value not only depends on the real magnitude but also on both the voltage and
current transformers that they are connected to. This current and voltage transformers
have also been determined for the design.
Since there are certain elements that are critical to the system, an uninterruptible power
supply has been implemented. After studying the different ways to implement a UPS,
the online or double conversion configuration has been adopted. Critical loads to be
fed by the UPS include the pitch control motors and frequency converters as well as
the power converter main control. The UPS has been chosen so that in case the grid
goes off, the UPS will be able to cover the power needs of the critical loads for a time
span of 10 minutes which should be enough time so that the pitch control system can
stop the wind turbine. The UPS’s manufactures is “Newave”
Moreover, the different cables to interconnect all of the equipment in the design have
been studied and calculated according to the cable’s manufacturer “General Cable”
catalogue and prices. There is a problem in the cabling design when trying to feed the
pitch control motors and frequency converters. That is that the hub, where the pitch
control is located, rotates but the nacelle does not. This implies that we will need to
use a slip ring to solve the problem. The way that a slip ring works is very close to the
way of working of brushes that can be found on a DC motor. The slip ring that has
been included in the design has been manufactured by “Moog”
Once all of the systems and equipment have been studied in order to configure the
electrical design, an economic analysis has been done to evaluate the costs associated
to the design. The final cost obtained for the design has been 520.626,47€.
ÍNDICE DE LA MEMORIA
I
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
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INGENIERO INDUSTRIAL
Índice de la memoria
Parte I Memoria .......................................................................................... 1
Capítulo 1 Introducción y motivación del proyecto ......................................... 2
1.1 Introducción ....................................................................................................2
1.2 Situación actual de la energía eólica ..............................................................4
1.3 Objetivos y metodología .................................................................................5
Capítulo 2 Generador ........................................................................................ 6
2.1 Introducción ....................................................................................................6
2.2 Generadores para turbinas eólicas ................................................................7
2.2.1 Generador de inducción doblemente alimentado .......................................................... 7
2.2.2 Generador síncrono de imanes permanentes ................................................................ 8
2.3 Detalles Técnicos ........................................................................................... 10
Capítulo 3 Convertidor de potencia ................................................................ 12
3.1 Condiciones de generación ........................................................................... 12
3.2 Introducción al convertidor ......................................................................... 13
3.2.1 Dispositivos de conmutación ..................................................................................... 16
3.2.2 Clasificación de los convertidores ............................................................................. 18
3.2.3 Niveles del convertidor ............................................................................................. 20
3.2.3.1 Convertidor de dos niveles ................................................................................. 20
3.2.3.2 Convertidor de tres niveles ................................................................................ 21
3.2.3.3 Convertidor multinivel ....................................................................................... 22
3.3 Componentes del convertidor ...................................................................... 23
3.3.1 Convertidor del lado del generador ............................................................................ 23
3.3.2 Bus de continua ......................................................................................................... 24
3.3.3 Convertidor del lado de red ....................................................................................... 25
ÍNDICE DE LA MEMORIA
II
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
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INGENIERO INDUSTRIAL
3.3.4 Filtro de línea pasivo ................................................................................................. 25
3.3.5 Chopper de frenado ................................................................................................... 26
3.4 Método de control ......................................................................................... 27
3.4.1 Control de la potencia del generador ......................................................................... 27
3.4.2 Control de la potencia reactiva .................................................................................. 28
3.5 Detalles técnicos ............................................................................................ 28
Capítulo 4 Sistemas de control de potencia .................................................... 30
4.1 Control aerodinámico de la potencia ........................................................... 30
4.1.1 Control de potencia por pérdida aerodinámica ........................................................... 31
4.1.2 Control de potencia por variación del ángulo de paso ................................................ 32
4.1.3 Control activo por pérdida aerodinámica ................................................................... 32
4.2 Control de orientación .................................................................................. 33
4.3 Control de parada ......................................................................................... 35
4.4 Motores de sistemas de control de potencia ................................................ 35
4.4.1 Tipos de motor .......................................................................................................... 36
4.4.2 Nivel de tensión ........................................................................................................ 36
4.5 Detalles técnicos motores .............................................................................. 37
4.6 Detalles técnicos convertidores .................................................................... 38
Capítulo 5 Transformadores de potencia ....................................................... 40
5.1 Introducción .................................................................................................. 40
5.2 Posibles esquemas de configuración de los transformadores ..................... 40
5.2.1 Único transformador con dos devanados de BT ......................................................... 41
5.2.2 Transformador secundario en BT .............................................................................. 42
5.2.3 Transformador secundario en MT ............................................................................. 43
5.3 Potencia de los transformadores .................................................................. 44
5.4 Tipo de transformadores .............................................................................. 45
5.5 Elementos del transformador ....................................................................... 46
5.5.1 Devanado de baja tensión .......................................................................................... 46
5.5.2 Devanado de alta tensión ........................................................................................... 47
5.5.3 Núcleo magnético ..................................................................................................... 47
ÍNDICE DE LA MEMORIA
III
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
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INGENIERO INDUSTRIAL
5.5.4 Proceso de encapsulado ............................................................................................. 47
5.6 Detalles técnicos ............................................................................................ 48
5.7 Celdas ............................................................................................................. 51
5.7.1 Celda de línea............................................................................................................ 51
5.7.2 Celda de protección del transformador ...................................................................... 52
5.7.3 Detalles técnicos celda .............................................................................................. 54
Capítulo 6 Protecciones eléctricas .................................................................. 56
6.1 Introducción .................................................................................................. 56
6.2 Protecciones del convertidor de potencia .................................................... 56
6.2.1 Protección frente a sobrecargas térmicas ................................................................... 56
6.2.2 Protección frente a cortocircuitos en el cable del generador ....................................... 57
6.2.3 Protección frente a cortocircuitos dentro del convertidor ........................................... 57
6.2.4 Protección frente a faltas a tierra ............................................................................... 57
6.2.5 Protecciones frente a sobretensiones .......................................................................... 58
6.3 Protecciones del generador y transformador .............................................. 58
6.3.1 Protecciones frente a faltas a tierra ............................................................................ 59
6.3.1.1 Protección tierra en barras (64B) ........................................................................ 60
6.3.1.2 Protección de sobreintensidad de neutro del transformador (51N) ...................... 61
6.3.2 Protecciones frente a faltas entre fases ....................................................................... 62
6.3.2.1 Protección de distancia (21) ............................................................................... 62
6.3.2.2 Protección de sobreintensidad (51) .................................................................... 65
6.3.2.3 Protección diferencial del transformador (87T) .................................................. 66
6.3.3 Protecciones frente a sobrefuncionamientos .............................................................. 68
6.3.3.1 Protección contra sobrecarga del estator (49) ..................................................... 68
6.3.3.2 Protección de sobretensión (49) ......................................................................... 68
6.3.3.3 Protecciones de sobrefrecuencia y sobrevelocidad ............................................. 68
6.3.4 Protecciones frente a malfuncionamientos ................................................................. 69
6.4 Protecciones de motores ............................................................................... 69
6.4.1 Protección de tierra estator ........................................................................................ 70
6.4.2 Protección de sobreintensidad (51) ............................................................................ 71
6.4.3 Protección de sobrecarga (49) ................................................................................... 73
6.5 Sistemas de protección .................................................................................. 76
Capítulo 7 Transformadores de medida y protección .................................... 77
ÍNDICE DE LA MEMORIA
IV
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
7.1 Introducción .................................................................................................. 77
7.2 Transformadores de intensidad ................................................................... 77
7.3 Transformadores de tensión ......................................................................... 80
Capítulo 8 Sistema de alimentación ininterrumpida ..................................... 82
8.1 Introducción .................................................................................................. 82
8.2 Tipos de SAI .................................................................................................. 82
8.3 Cargas críticas ............................................................................................... 83
8.4 Detalles técnicos ............................................................................................ 84
Capítulo 9 Cableado ........................................................................................ 85
9.1 Cableado de conexión entre generador y transformador........................... 85
9.2 Cableado de media tensión ........................................................................... 87
9.3 Cableado de baja tensión de transformador auxiliar ................................. 89
9.4 Cableado motores control de paso ............................................................... 90
9.5 Cableado motores control de orientación .................................................... 92
Bibliografía 94
Parte II Presupuesto económico ................................................................ 96
Capítulo 1 Presupuesto económico ................................................................ 97
1.1 Sumas parciales ............................................................................................. 97
1.1.1 Equipos ..................................................................................................................... 97
1.1.2 Cables ....................................................................................................................... 99
1.2 Presupuesto final ........................................................................................... 99
Parte III Anejos .......................................................................................... 100
Capítulo 1 Catálogos ..................................................................................... 101
1.1 Convertidor de potencia ............................................................................. 102
1.2 Motores de control de paso y orientación .................................................. 105
1.3 Convertidores de control de paso y orientación ........................................ 109
ÍNDICE DE LA MEMORIA
V
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
1.4 Transformadores de potencia .................................................................... 113
1.5 Celdas ........................................................................................................... 118
1.6 Sistema de protecciones .............................................................................. 121
1.7 Transformadores de medida ...................................................................... 127
1.8 Sistema de alimentación ininterrumpida .................................................. 132
1.9 Cableado ...................................................................................................... 134
1.10 Colector........................................................................................................ 139
ÍNDICE DE FIGURAS
VI
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
Índice de figuras
Figura 1. Potencia eólica offshore instalada anualmente y acumulada [22] ............ 4
Figura 2. Sistema de generación con generador de inducción doblemente
alimentado (DFIG) ................................................................................................... 8
Figura 3. Sistema de generación con generador síncrono de imanes permanentes
(PMSG) .................................................................................................................... 9
Figura 4.Característica de generación en vacío del generador .............................. 11
Figura 5. Esquema conceptual del convertidor ...................................................... 13
Figura 6. Esquema general de conexión del convertidor ....................................... 14
Figura 7. Comparativa de las características de los dispositivos semiconductores
............................................................................................................................... 16
Figura 8. Característica i-v tiristores ...................................................................... 17
Figura 9. Característica idealizada i-v transistor bipolar (BJT) ............................. 17
Figura 10. Convertidor alimentado con corriente (CSC) ....................................... 18
Figura 11. Convertidor alimentado con tensión (VSC) ......................................... 19
Figura 12. Característica de funcionamiento de inversores VSC .......................... 20
Figura 13. Convertidor de dos niveles ................................................................... 21
Figura 14. Convertidor de tres niveles ................................................................... 22
Figura 15. Filtro de línea LCL ............................................................................... 26
Figura 16. Sistema de control por variación del ángulo de paso basado en motores
eléctricos ................................................................................................................ 33
Figura 17. Único transformador con dos devanados de BT .................................. 41
ÍNDICE DE FIGURAS
VII
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Figura 18. Transformador secundario en BT ......................................................... 42
Figura 19. Transformador secundario en MT ........................................................ 43
Figura 20. Transformador seco encapsulado al vacío ............................................ 46
Figura 21. Celda de línea ....................................................................................... 52
Figura 22. Celda de protección de transformador .................................................. 52
Figura 23. Funciones de celda compacta ............................................................... 53
Figura 24. Esquema de protecciones clásico de un generador [8] ......................... 58
Figura 25. Protección tierra en barras (64B) [8] .................................................... 60
Figura 26. Protección de sobreintensidad de neutro del transformador (51N) [8] 61
Figura 27. Protección de distancia (21) [8] ............................................................ 63
Figura 28. Zonas de actuación protección de distancia [8] .................................... 63
Figura 29. Protección de sobreintensidad (51) [8] ................................................. 65
Figura 30. Protección diferencial del transformador (87T) [8] ............................. 66
Figura 31. Curva característica de protección diferencial de transformador [8] ... 67
Figura 32. Protección tierra en barras (64B) en motores [8] ................................. 70
Figura 33. Protección de sobreintensidad (51) en motores [8] .............................. 71
Figura 34. Característica de arranque relé de sobreintensidad [8] ......................... 72
Figura 35. Protección de sobrecarga (49) en motores [8] ...................................... 73
Figura 36. Característica de calentamiento frente a sobrecargas [8] ..................... 74
Figura 37. Curva característica relé digital de sobrecarga [8] ............................... 74
Figura 38. Curvas de saturación de transformadores de medida y protección ...... 78
ÍNDICE DE TABLAS
VIII
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Índice de tablas
Tabla 1. Detalles del generador síncrono de imanes permanentes ........................ 11
Tabla 2. Detalles técnicos convertidor ACS800-87LC ......................................... 29
Tabla 3. Detalles técnicos motores control de paso ............................................... 37
Tabla 4. Detalles técnicos motores control de orientación .................................... 38
Tabla 5. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de paso ........ 39
Tabla 6. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de orientación
............................................................................................................................... 39
Tabla 7. Detalles técnicos transformador de potencia principal ............................ 49
Tabla 8. Detalles técnicos transformador de potencia secundario ......................... 50
Tabla 9. Niveles de aislamiento celda compacta ................................................... 54
Tabla 10. Características función de línea ............................................................. 55
Tabla 11. Características función de protección de transformador........................ 55
Tabla 12. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo A)
............................................................................................................................... 79
Tabla 13. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo B)
............................................................................................................................... 80
Tabla 14. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo C)
............................................................................................................................... 80
Tabla 15. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo A) 81
Tabla 16. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo B) . 81
ÍNDICE DE TABLAS
IX
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Tabla 17. Detalles técnicos unidad SAI ................................................................. 84
Tabla 18. Detalles cable ExZHellent XXI BT 0364424 ........................................ 86
Tabla 19. Detalles cable ExZHellent XXI MT 71783A1 ...................................... 88
Tabla 20. Detalles cable ExZHellent XXI BT 18051C8 ....................................... 90
Tabla 21. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656113.............................. 91
Tabla 22. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656107.............................. 92
Tabla 23. Sumas parciales equipos ........................................................................ 98
Tabla 24. Sumas parciales cables .......................................................................... 99
1
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Parte I MEMORIA
Introducción y motivación del proyecto
2
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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN
DEL PROYECTO
1.1 INTRODUCCIÓN
El mundo actual consume una gran cantidad de energía y las expectativas de
futuro con países importante como China, India o Brasil alcanzando importantes
niveles de desarrollo no hará más que acentuar este consumo. Paralelamente, el
modelo tan instaurado de combustibles fósiles así como no renovables que ha
marcado gran parte del consumo energético de las últimas décadas, debe
irremediablemente pasar a un segundo plano cediendo protagonismo a nuevas
tecnologías energéticas con mayores expectativas de futuro. De igual manera, hay
que destacar el impacto ambiental que este tipo de energías no renovables tienen.
Las necesidades energéticas cada vez más importantes y la búsqueda de un
compromiso medioambiental hacen latente la necesidad de instaurarnos en un
modelo de energías renovables. La energía solar, eólica o geotérmica son sólo
algunos de estos ejemplos.
La energía eólica es, dentro del marco de las energías renovables, una de las más
relevantes a día de hoy impulsada tanto por el desarrollo que ha experimentado en
los últimos años como por el creciente interés por su implantación en los
diferentes países a lo largo de toda la geografía mundial. El mínimo impacto
ambiental en el que incurre la implementación de este tipo de energía, el avance
tecnológico que todavía le queda por experimentar y el hecho de generar energía a
partir de un recurso inagotable como es el viento, han convertido la energía eólica
en un estandarte de las energías renovables.
Introducción y motivación del proyecto
3
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La energía eólica, a través de aerogeneradores, produce energía eléctrica. Esto se
consigue mediante la conversión de parte de la energía cinética que contiene el
viento en energía mecánica rotacional que es después transformada en energía
eléctrica.
La generación de energía a partir de aerogeneradores se puede ver limitada o bien
por las condiciones de viento de nuestro emplazamiento o por las limitaciones
constructivas de nuestro aerogenerador. Con el paso de los años y el avance de la
técnica, las limitaciones en la capacidad de generación de los aerogeneradores se
han visto reducidas pudiendo aprovechar cada vez más, vientos de mayor
intensidad.
Los primeros aerogeneradores estaban localizados en zonas interiores de tierra
firme. La tendencia actual es elegir emplazamientos costeros o mar adentro,
donde el potencial de generación es mucho mayor. Esto se debe a que el viento en
zonas de interior es muy turbulento a causa de los numerosos obstáculos que
encuentra a su paso mientras que en el mar encontramos un viento más estable y
de mayor fuerza que nos permite una mayor capacidad de generación.
Los costes de montaje e instalación de estos aerogeneradores marinos son
superiores con respecto a los terrestres, sin embargo, la capacidad de generación
así como las expectativas de vida útil son superiores en los aerogeneradores
marinos justificando así la mayor inversión económica necesaria.
Introducción y motivación del proyecto
4
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1.2 SITUACIÓN ACTUAL DE LA ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica, y en particular la localizada offshore, sigue manteniendo unos
niveles de crecimiento que mejoran año tras año y cada vez representa una parte
más significativa en el mix energético de muchos países.
Figura 1. Potencia eólica offshore instalada anualmente y acumulada [22]
La potencia media de los aerogeneradores marinos instalados en 2012 fue de
4MW y, aunque no se espera que esta cifra crezca significativamente durante los
próximos dos años, muchas empresas lanzarán al mercado en el futuro próximo
hasta 38 nuevo modelos de aerogeneradores offshore. Casi el 75% de estos nuevos
modelos de aerogenerador tendrán una capacidad igual o superior a 5MW.
Introducción y motivación del proyecto
5
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1.3 OBJETIVOS Y METODOLOGÍA
Este proyecto surge del interés por adentrarse en el mundo de la generación eólica
entrando en contacto directo con el funcionamiento del aerogenerador. La
finalidad de este proyecto es diseñar el sistema eléctrico de un aerogenerador
localizado offshore ya que, representa no sólo el futuro de la energía eólica sino
de una gran parte de la generación energética mundial.
El objetivo que se persigue con este proyecto es conocer a fondo el esquema
eléctrico de un aerogenerador llevando a cabo el diseño. Para ello, se estudiarán y
evaluarán las diferentes alternativas de diseño que mejor se adapten a los distintos
elementos del sistema sopesando la elección del diseño apoyándose tanto en una
base tecnológica como económica.
Para llevar a cabo el desarrollo del proyecto se deberá contactar de primera mano
con empresas y fabricantes a fin de obtener información sobre sus productos y
poder compararlos con los de la competencia y el resto de alternativas viables a
fin de determinar cuál se ajustará mejor a las necesidades particulares de este
proyecto.
En este proyecto se cubrirá el diseño de los elementos más importante, a saber, el
convertidor de potencia, los transformadores, los circuitos de control de paso, el
control de orientación y demás elementos relevantes de cara al sistema eléctrico.
Generador
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Capítulo 2 GENERADOR
En este capítulo se pretenden evaluar las diferencias más significativas entre los
generadores más comúnmente utilizados para este tipo de aplicaciones que pueden
formar parte del diseño eléctrico.
Si bien el diseño constructivo del generador no es parte de este proyecto, el
generador es una parte vital de cualquier sistema de generación eléctrica y es
importante entender tanto las ventajas como los inconvenientes que aporta el
hecho de elegir un tipo de generador frente a otro de cara al diseño del resto del
sistema eléctrico.
2.1 INTRODUCCIÓN
El generador es un elemento clave de cualquier sistema eléctrico pues es la llave
para la generación de la energía eléctrica. Esta energía eléctrica se genera en base
a la transformación de una forma de energía, ya sea térmica, eólica, etc. en energía
mecánica que origina la rotación del rotor del generador para finalmente inducir
unas tensiones en el estator que, estando el circuito eléctrico cerrado, originarán la
circulación de unas corrientes dando lugar a una transmisión de potencia eléctrica
a través de la red a la que esté conectado.
Existen diferentes modelos de generador cada uno con unas cualidades que los
hacen más o menos adecuados para según a qué tipo de central o modelo de
generación se pretendan aplicar. Este proyecto se centra en el diseño del sistema
Generador
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eléctrico para un aerogenerador localizado offshore y se tratarán los modelos de
generador que mejor se ajusten a este diseño.
2.2 GENERADORES PARA TURBINAS EÓLICAS
Se pueden encontrar muchos modelos de sistemas de generación para
aerogeneradores en función de que estén basados en velocidad fija o velocidad
variable, que sean de conexión directa o a través de multiplicadora, que presenten
convertidor de potencia total o parcial, etc. No se pretende llevar a cabo un
exhaustivo análisis de la multitud de modelos que se pueden utilizar en un
aerogenerador. Sin embargo, sí que se compararán las ventajas e inconvenientes
entre los dos modelos más representativos y de interés actual y futuro:
generadores de inducción doblemente alimentados y generadores síncronos de
imanes permanentes.
2.2.1 GENERADOR DE INDUCCIÓN DOBLEMENTE ALIMENTADO
El diseño que incluye un generador de inducción doblemente alimentado
conectado a través de una multiplicadora, es uno de los más usados en la
actualidad, especialmente en los diseños de grandes aerogeneradores. Este diseño
se basa en la conexión de un convertidor de potencia parcial en el rotor del
generador de manera que el convertidor se dimensiona para una potencia de
aproximadamente el 30% de la capacidad de generación del aerogenerador.
Mediante el control de la dirección del flujo de potencia activa del rotor, se
consigue un rango de velocidades de funcionamiento de en torno al 30% por
encima y por debajo de la velocidad de sincronismo. Además, de esta manera se
consigue aumentar la eficiencia al poder ceder la energía del rotor hacia la red en
lugar de disiparla.
Generador
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Una gran ventaja de la elección de este diseño, es que supone un compromiso
entre la variabilidad de la velocidad y el coste del convertidor. Además, este
diseño cuenta con compensación de potencia reactiva.
Uno de los grandes inconvenientes asociados a este diseño, viene dado por la
presencia de la multiplicadora que supone unas necesidades de mantenimiento
elevadas y una generación de calor a causa de la fricción. Por otro lado, la
presencia de escobillas para poder establecer la conexión eléctrica con el rotor
también conlleva un mantenimiento. Además, en caso de producirse una falta en
la red eléctrica, se originarán elevados picos de corriente en el estator así como
elevados picos de par en la máquina.
Figura 2. Sistema de generación con generador de inducción doblemente alimentado (DFIG)
2.2.2 GENERADOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES
Un diseño puntero con gran interés de futuro es el que incluye un generador
síncrono de imanes permanentes para trabajar a bajas revoluciones. Este diseño se
Generador
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trata de una aplicación de ataque directo, donde la turbina y el generador se
encuentran unidos mecánicamente sin la presencia de una multiplicadora.
Además, se requiere el uso de un convertidor para su conexión con la red
eléctrica. Esto conlleva unas ventajas inherentes derivadas de la eliminación de un
elemento mecánico como es la multiplicadora, con la consecuente reducción de
pérdidas así como eliminación de fallos asociados a este elemento.
Las ventajas más notables de este sistema son su robustez y simplicidad, unos
menores requerimientos de mantenimiento y un aumento en la eficiencia y
fiabilidad del sistema.
Sin embargo, este diseño también lleva asociados unos costes iniciales
considerablemente más elevados así como un generador de gran peso y diámetro
fruto de las necesidades constructivas de un generador síncrono de imanes
permanentes que pueda trabajar a muy bajas revoluciones.
Figura 3. Sistema de generación con generador síncrono de imanes permanentes (PMSG)
De cara al desarrollo del proyecto, se decide optar por un sistema con generador
síncrono de imanes permanentes. A pesar de suponer unos costes iniciales
superiores a otras alternativas, también confiere unas condiciones de fiabilidad y
bajo mantenimiento que lo hacen óptimo para una aplicación offshore. Si además
Generador
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se tiene en cuenta los elevados costes en los que se ha de incurrir a fin de llevar a
cabo cualquier tipo de reparación en aerogeneradores de este tipo, una mayor
inversión inicial justifica el ahorro de costes a largo plazo derivados del concepto
de mantenimiento y reparaciones.
2.3 DETALLES TÉCNICOS
De acuerdo con las características constructivas del generador, a continuación se
pretenden recoger los detalles técnicos y de funcionamiento más relevantes de
cara al diseño.
El primer detalle importante del generador es la potencia nominal que es de 5
MW. Se ha determinado un rango de funcionamiento para el generador entre
velocidades del rotor de seis y doce revoluciones por minuto. La velocidad de
trabajo del generador, vendrá determinada por el número de polos con que haya
sido construida y a su vez, la frecuencia de trabajo. Dado que el diseño deberá
incluir un convertidor, podremos establecer unas condiciones de frecuencia del
lado del generador que nos permitan una reducción del número de polos. Se ha
decidido que el generador trabaje hasta un máximo de 36 Hz lo que supone:
El generador ha sido por tanto optimizado constructivamente para ajustarse a estas
velocidades requiriéndose un total de 360 polos. Dentro de este rango operacional
de velocidades, la tensión de generación en vacío variará linealmente. De acuerdo
con el diseño constructivo del generador, para una velocidad de 10 rpm, se
obtiene una tensión de 790.74 V.
Generador
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Figura 4.Característica de generación en vacío del generador
A continuación, se presenta una tabla resumen con detalles técnicos del generador
en cuestión.
Generador síncrono de imanes permanentes
Potencia nominal de generación 5 MW
Tensión nominal de generación 690 V
Conexión de los bobinados Triángulo
Reactancia subtransitoria 0.68 pu
Diámetro 7 m
Longitud 1.6 m + 1.3 m
Rango operacional de velocidades 6 -12 rpm
Número de polos 360 polos
Tabla 1. Detalles del generador síncrono de imanes permanentes
Convertidor de potencia
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Capítulo 3 CONVERTIDOR DE POTENCIA
Como se ha presentado en el capítulo anterior, el aerogenerador para el que se está
diseñando el sistema eléctrico cuenta con un generador síncrono de imanes
permanentes (PMSG). Si bien el uso de este tipo de generador frente a otras
alternativas, reporta unas ventajas tratadas anteriormente, también implica una
serie de inconvenientes de cara a la generación y la conexión con red que van a
ser condicionantes en el diseño del resto del sistema.
3.1 CONDICIONES DE GENERACIÓN
El uso de un generador de estas características, implica una variabilidad tanto del
valor de la tensión como del de la frecuencia según las diferentes condiciones del
viento. Además, al tratarse de un generador de imanes permanentes, no hay ni
posibilidad de controlar la excitación, ni posibilidad de instalar una excitatriz.
Se dispone, entonces, de unas magnitudes de tensión y frecuencia que van a ser
dependientes del punto de funcionamiento y no controlables por el generador.
Estas condiciones de generación, se presentan como incompatibles para la
conexión del generador con la red eléctrica, que precisa unos valores de tensión y
frecuencia estables. Se requiere, por tanto, incluir en el diseño un equipo que
permita salvar estas limitaciones procedentes del generador para su conexión a
red.
El convertidor de potencia va a ser el equipo que va a permitir abordar estos
inconvenientes al mismo tiempo que aportar otra serie de ventajas que se
procederán a analizar a continuación.
Convertidor de potencia
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3.2 INTRODUCCIÓN AL CONVERTIDOR
La aparición de los convertidores de potencia y su consecuente aplicación en los
diseños de los sistemas de generación, ha sido posible como resultado del gran
avance que la electrónica de potencia ha experimentado en las últimas décadas.
Un convertidor de potencia se trata de un equipo integrado por semiconductores
con capacidades de conmutación forzada cuyo uso va a permitir desacoplar
completamente el generador de la red, de manera que el generador pueda operar
en todo su rango de velocidades al tiempo que se obtienen unas condiciones de
tensión y frecuencia adecuadas para la conexión y transmisión de potencia a la red
eléctrica.
Figura 5. Esquema conceptual del convertidor
El convertidor de potencia estará ubicado entre el generador y el transformador de
potencia elevador que conecta con la red, de manera que deberá estar
dimensionado para soportar una potencia por lo menos igual a la capacidad de
generación del aerogenerador. Estos convertidores están compuestos de un
convertidor de red, un convertidor de generador y un bus de continua que conecta
ambos. En el caso particular de los convertidores que conectan generadores de
imanes permanentes con red y que procesan la totalidad de la potencia generada,
se refiere a ellos como convertidores de potencia completos o Full-Power
converters.
Convertidor
de potencia
Energía
parámetros E1
(U1, f1)
Energía
parámetros E2
(U2, f
2)
Convertidor de potencia
14
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Figura 6. Esquema general de conexión del convertidor
Si se consideran las condiciones nominales de funcionamiento para las cuales el
aerogenerador ha sido diseñado para funcionar, el flujo de potencia circulará
desde el generador hacia la red. Dado que se espera que durante gran parte de la
operatividad del aerogenerador, estas sean las condiciones de funcionamiento, y
para entender a grandes rasgos el modo de funcionamiento del convertidor, se
puede asemejar con el conjunto rectificador más inversor (AC-DC-AC).
Así, el punto de conexión entre el convertidor y el generador actuaría como un
rectificador convirtiendo la tensión alterna trifásica a continúa.
Consecuentemente, el punto de conexión del convertidor con el transformador de
distribución haría las veces de inversor, reconvirtiendo esa tensión continúa de
nuevo a alterna trifásica. Nótese que este proceso de conversión permite mantener
condiciones tanto de tensión como de frecuencia, completamente diferentes y
aisladas a ambos lados del equipo, esto es, entre el generador y la red.
La analogía del equipo con el conjunto rectificador más inversor que se ha hecho,
supone una simplificación desde el punto de vista funcional para unas condiciones
de funcionamiento concretas. Habrá determinadas condiciones de funcionamiento
del aerogenerador en que el flujo de potencia podrá ser de la red hacia el
Convertidor de potencia
15
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generador y es por esto que se dice que el convertidor puede ser bidireccional. Si
la etapa de conexión del convertidor con el generador tuviese un funcionamiento
idéntico al de un rectificador, podría estar integrado por elementos de
conmutación pasiva como por ejemplo diodos. Sin embargo, esto imposibilitaría
el flujo de potencia inverso, desde la red al generador. Es por ello, que los equipos
que conforman el convertidor tanto del lado del generador como del lado de red,
están integrados por los mismos elementos semiconductores para permitirles
funcionar como inversores según las necesidades de funcionamiento demandadas
por el sistema de control. Por esto, es más correcto referirse a ambos como
inversores.
Las características y funcionalidades del convertidor, van más allá de la previa
analogía rectificador-inversor para condiciones nominales de generación sin
consumo de reactiva. El convertidor permite además una regulación de la potencia
reactiva tanto en el lado del generador como en el lado de la red, cuyo control
puede ser realizado de manera independiente. Otra ventaja asociada a este equipo
se manifiesta a la hora de llevar a cabo trabajos tanto de mantenimiento como de
reparación en el aerogenerador, permitiendo una rotación del eje para colocar las
palas en una posición favorable o necesaria para desempeñar los mencionados
trabajos.
Otra propiedad relevante asociada al uso de este tipo de convertidores es la rápida
capacidad para el control del flujo de la potencia. Mediante el control del flujo de
potencia hacia la red, se es capaz de mantener constante la tensión del bus de
continua, haciendo posible a su vez una reducción del tamaño del condensador
asociado a esta etapa pero sin llegar a afectar al rendimiento general del
convertidor. Además, el hecho de incluir en el diseño un convertidor de potencia
va a permitir al sistema tanto llevar a cabo compensación de potencia reactiva
como suavizar la conexión con la red eléctrica.
Convertidor de potencia
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No obstante, la principal desventaja de la presencia de un convertidor de potencia
en el diseño será un sistema más complejo con el consecuente incremento de
costes.
3.2.1 DISPOSITIVOS DE CONMUTACIÓN
Los dispositivos de conmutación que forman el núcleo de funcionamiento del
convertidor pueden estar basados o bien en tiristores o bien en transistores. La
justificación de porqué elegir uno frente a otro viene dado principalmente por las
siguientes características:
Corriente máxima del dispositivo.
Tensión de bloqueo máxima.
Frecuencia de conmutación.
Figura 7. Comparativa de las características de los dispositivos semiconductores
Convertidor de potencia
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Se puede considerar que los dispositivos semiconductores pertenecientes a la
familia de los tiristores son semi-controlados, pues se desconectan ante una
corriente inversa. Esta propiedad puede ser modificada a base de una elaborada
circuitería para el control de la puerta.
Figura 8. Característica i-v tiristores
La familia de dispositivos semiconductores basados en transistores, a diferencia
de los basados en tiristores, disponen de capacidad de corte integrada sin
necesidad de circuitería adicional.
Figura 9. Característica idealizada i-v transistor bipolar (BJT)
Convertidor de potencia
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Los dispositivos de conmutación de los que estará formado el convertidor serán
transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) dada su elevada frecuencia de
conmutación y su capacidad media de potencia.
3.2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES
Los convertidores se pueden clasificar en dos grupos que son los convertidores
con fuente de tensión (Voltage Source Converters, VSC) y los convertidores con
fuente de corriente (Current Source Converters, CSC).
La principal diferencia entre ambos reside en el elemento que almacena la energía
en el bus de continua. Mientras que en los convertidores con fuente de tensión el
elemento almacenador se trata de un condensador, en los convertidores con fuente
de corriente, el almacenamiento de la energía se produce en una inductancia.
También existen diferencias en la manera en que se distribuyen los transistores y
diodos para que el principio operacional basado en las conmutaciones de los
transistores pueda ser el mismo.
Figura 10. Convertidor alimentado con corriente (CSC)
Convertidor de potencia
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En los convertidores alimentados con corriente, los diodos y transistores se
encuentran dispuestos en una configuración serie y si bien esta disposición
confiere un diseño más robusto así como un determinado grado de protección
frente a cortocircuitos, también representa un nivel más elevado de pérdidas. Este
mayor nivel de pérdidas viene dado por las pérdidas que se producen en la
inductancia y por la circulación de la corriente tanto por el diodo como por el
transistor, combinando las pérdidas que se produzcan en ambos y reduciendo, por
tanto, el rendimiento total del convertidor.
Figura 11. Convertidor alimentado con tensión (VSC)
En los convertidores alimentados con tensión, los diodos están dispuestos en
paralelo con los transistores lo que representa un menor nivel de pérdidas con
respecto a la alternativa anterior. Además las pérdidas que se produzcan en el
condensador, también serán menores que las de la inductancia.
Si se tiene en cuenta que en este diseño se está tratando con un nivel de potencia
del orden de 5 MW, el rendimiento se presenta como algo crítico. Cada décima
porcentual que se reduzca el rendimiento, supondrá un gran impacto económico a
largo plazo. Priorizando entonces el rendimiento en el diseño, el convertidor a
utilizar estará integrado por convertidores alimentados en tensión, es decir, con un
Convertidor de potencia
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condensador en la etapa de continua y con la disposición transistor-diodo aquí
presentada.
De acuerdo con el tipo de convertidor elegido para el diseño, la característica de
funcionamiento será la siguiente.
Figura 12. Característica de funcionamiento de inversores VSC
3.2.3 NIVELES DEL CONVERTIDOR
Podemos clasificar los convertidores en convertidores de dos niveles, de tres
niveles o multinivel. Cada uno de ellos resultará más adecuado para según qué
aplicación o nivel de tensión o potencia.
3.2.3.1 Convertidor de dos niveles
Los convertidores basados en dos niveles cuentan con seis transistores de manera
que mediante el control de la frecuencia de conmutación de los mismos, se puede
obtener una onda senoidal a la salida.
Convertidor de potencia
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Figura 13. Convertidor de dos niveles
Como medida de seguridad para prevenir que ocurran cortocircuitos, dos
transistores de una misma rama no pueden conducir simultáneamente. En este tipo
de convertidores, los transistores deben ser capaces de bloquear la máxima tensión
del bus de continua.
3.2.3.2 Convertidor de tres niveles
Los convertidores de tres niveles cuentan con ciertas ventajas con respecto a los
de dos niveles que los hacen idóneos para su uso en aplicaciones de media
tensión. Sin embargo, requieren un total de doce transistores, el doble de los de un
convertidor de dos niveles.
Una de las ventajas de un convertidor de tres niveles es que los transistores
cambian de estado por pares de manera que la tensión del bus de continua será
siempre compartida entre dos transistores. Esto permite por tanto, poder mantener
un nivel de tensión más elevado en el bus continua pudiendo llegar hasta el doble
de la tensión de bloqueo de un único transistor.
Convertidor de potencia
22
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Figura 14. Convertidor de tres niveles
3.2.3.3 Convertidor multinivel
Los convertidores multinivel son aquellos que cuentan con seis o más transistores
por rama. Conforme se aumenta el número de niveles del convertidor, se podrá
trabajar con mayores niveles de tensión. Esto hace que este tipo de convertidores
sean atractivos para aplicaciones en alta tensión.
Mediante el uso de este tipo de convertidores, se consigue además reducir el nivel
de armónicos. Sin embargo, el control de los mismos conlleva una alta
complejidad.
Para el diseño del sistema se opta por un convertidor de dos niveles dado que el
convertidor trabajará en baja tensión (690V) y el diseño de dos niveles implica un
Convertidor de potencia
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menor coste y una mayor simplicidad desde el punto de vista del control del
mismo.
3.3 COMPONENTES DEL CONVERTIDOR
Una vez evaluadas las alternativas referentes a qué tipo de convertidor utilizar, se
ha optado por un convertidor de dos niveles en configuración back-to-back
integrado por dos convertidores con fuente de tensión (VSC) idénticos integrados
por IGBTs con diodos en antiparalelo, unidos por una etapa de continua.
A continuación se detallarán las funciones de los diferentes elementos que
componen el convertidor. Podemos diferenciar un total de cuatro etapas:
Convertidor del lado del generador.
Bus de continua (DC-Link).
Convertidor del lado de red.
Filtro de línea pasivo.
Se deberá además incluir en el diseño del convertidor y a modo de protección un
chopper de frenado de continua. Será el encargado de evitar que se produzcan
sobretensiones en el bus de continua.
3.3.1 CONVERTIDOR DEL LADO DEL GENERADOR
El convertidor del lado del generador (INU) es el encargado de regular el flujo de
potencia que se transmite desde el generador hasta el bus de continua del
convertidor.
Convertidor de potencia
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Este convertidor es el que hace posible el control del par y la velocidad de giro del
generador. El control está basado en el método de control directo del par (DTC)
donde dos corrientes de fase del lado del generador y la tensión del bus de
continua son usadas para dicho control. La tercera corriente de fase del lado del
generador también es medida para ofrecer protección frente a faltas a tierra.
Además, este convertidor también permite la rotación del eje para su orientación a
una determinada posición permitiendo trabajos o reparaciones. En este caso, el
flujo de potencia circularía en la dirección opuesta a como lo hace en condiciones
normales de generación, es decir, desde el generador hacia la red.
3.3.2 BUS DE CONTINUA
El bus de continua es una parte determinante del convertidor. Esta etapa de
continua permite desacoplar las dos etapas que conecta. De esta manera se
consigue que el control tanto del convertidor del lado del generador como el
convertidor del lado de red sea independiente.
Además, evita la transferencia de posibles armónicos que desaparecen mediante la
conversión a continua. También permite minimizar las variaciones en el nivel de
tensión.
La tensión de trabajo por defecto del bus de continua será el valor de pico de la
tensión de línea aunque también puede ser ajustada para trabajar a otro nivel de
tensión superior, pero siempre por debajo del máximo permitido.
√ √
Convertidor de potencia
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3.3.3 CONVERTIDOR DEL LADO DE RED
El convertidor del lado de red (ISU) genera a partir de la corriente continua del
bus de continua, corrientes trifásicas que son vertidas a la red eléctrica a través del
filtro de línea.
Este convertidor se encarga de mantener el nivel de tensión del bus de continua a
un valor igual al pico de la tensión de línea. El flujo de potencia puede circular
tanto del bus continua hacia la red como de manera inversa y es por eso que se
dice que es bidireccional.
√ √
Otra de las funciones de este convertidor es la del control de la potencia reactiva
cedida a la red. En función del ángulo de carga de la corriente, se podrá generar de
acuerdo con las condiciones de reactiva demandas por el operador de red. De este
modo, se hace innecesaria la presencia de bancos de condensadores que permitan
suministrar reactiva a la red.
El método de control de este convertidor también está basado en el método de
control directo del par (DTC) requiriendo de dos corrientes de línea del lado de
red y la tensión del bus de continua para el control del mismo.
3.3.4 FILTRO DE LÍNEA PASIVO
El filtro de línea del convertidor se encuentra localizado entre el convertidor del
lado de red y la red eléctrica. Se trata de un filtro pasivo LCL consistente en el
conjunto bobina-condensador-bobina. La función de este filtro es suprimir la
Convertidor de potencia
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distorsión así como los armónicos de la tensión en alterna que ha sido generada
por el inversor del lado de red.
Figura 15. Filtro de línea LCL
3.3.5 CHOPPER DE FRENADO
El chopper de frenado se trata de un dispositivo que monitoriza el nivel de tensión
del bus de continua del convertidor. Cuando la tensión supera el límite
operacional del chopper, lo cual implica una sobretensión en el bus de continua, el
chopper de frenado conecta una resistencias al bus de continua a través de
transistores IGBTs de manera que en ellas se disipe el exceso de energía. De esta
manera, la tensión del bus de continua se reduce hasta valores de tensión normales
de funcionamiento, evitando así fallos en el convertidor.
La actuación del chopper de frenado es de vital importancia ante caídas de la red
de manera que si la tensión del generador en vacío (E0) está por encima del nivel
soportado por el convertidor, va a ser el dispositivo que va a proteger el
convertidor de primera mano a expensas de la actuación del resto de dispositivos
de protección.
Convertidor de potencia
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3.4 MÉTODO DE CONTROL
El método de control del convertidor se basa en el control directo del par (DTC).
Este método está basado en el control del par y la velocidad, ambos directamente
relacionados con variables electromagnéticas del generador. Esto supone un
incremento significativo en la velocidad de respuesta del sistema de control ante
cambios que se produzcan en el par.
3.4.1 CONTROL DE LA POTENCIA DEL GENERADOR
La potencia del generador (P) puede ser controlada mediante el ajuste de la
velocidad de rotación del generador (ω) o el par (M).
En condiciones normales de funcionamiento, el convertidor controla el par del
generador en función del par de referencia establecido. De manera simultánea, el
viento hace rotar la turbina lo que produce un par opuesto en el eje del generador.
El viento marca la velocidad de rotación a la cual el convertidor se adapta.
Para llevar a cabo el control del par, se requieren dos corrientes del lado del
generador, la tensión del bus de continua así como el estado de los IGBTs del
inversor. La unidad de control calcula a partir de estos valores, el estado actual del
generador, esto es, los valores de flujo del estator y par. Estos valores son
comparados con valores de referencia introducidos en el ajuste del convertidor y
cada pocos microsegundos se envían señales a los IGBT del inversor de manera
Convertidor de potencia
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que se determina las nuevas condiciones de conmutación para mantener o
alcanzar el estado de referencia.
3.4.2 CONTROL DE LA POTENCIA REACTIVA
El control de la potencia reactiva desde el convertidor hacia la red eléctrica
corresponde al convertidor del lado de la red. Partiendo de la tensión del
convertidor del lado de red (U2) y de la tensión de la propia red (U1) y teniendo en
cuenta la reactancia de acoplamiento (X) y en ángulo de carga (δ), tenemos que
las potencias activa y reactiva cedidas a la red son:
3.5 DETALLES TÉCNICOS
El convertidor elegido para incluir en el diseño procede del fabricante ABB. El
límite de potencia en los convertidores de baja tensión como el diseño de este
proyecto (690V) está en el rango de los 6MW.
En el caso particular de este proyecto y teniendo en cuenta que los bobinados del
generador han sido diseñados para poder operar con un factor de potencia
en condiciones de generación de potencia nominales, la potencia
aparente máxima generada será:
Convertidor de potencia
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Al tratarse de un convertidor de potencia completo y que procesará la totalidad de
la potencia generada, deberá estar dimensionado como mínimo para esa
capacidad. El modelo concreto elegido para el diseño ha sido el ACS800-87LC.
Los convertidores para estos niveles de potencia tan elevados consisten en varios
módulos internos conectados en paralelo distribuidos en varias cabinas. Otra
característica determinante de los convertidores con potencias tan elevadas es que
no pueden ser refrigerados exclusivamente con aire y requieren de una unidad de
refrigeración líquida para disipar las pérdidas que se producen en el convertidor.
Convertidor ACS800-87LC
Potencia del generador 5100 kW
Corriente lado del generador 5015 A
Corriente lado de red 5066 A
Potencia aparente de red 6010 kVA
Configuración de módulos 9 + 11
Tensión del generador 0 a 750 V AC
Tensión de red 525 a 690 V AC ± 10%
Eficiencia ≥ 96.5%
Grado de protección IP54
Refrigeración Líquida
Flujo del refrigerante 435 l/min
Peso 7200 kg
Dimensiones 2 m x 4 m x 1.3 m
Tabla 2. Detalles técnicos convertidor ACS800-87LC
Sistemas de control de potencia
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Capítulo 4 SISTEMAS DE CONTROL DE
POTENCIA
Los sistemas de generación eólica se caracterizan por depender de una fuente de
energía no constante como es el viento. Por ello, es importante incluir en el diseño
sistemas que permitan adaptar el aerogenerador a las condiciones cambiantes del
viento bien sea en velocidad o en dirección.
En este capítulo se tratarán los sistemas de control de potencia a incluir en el
diseño del aerogenerador de manera que se pueda optimizar la generación de
potencia ante las diferentes condiciones de viento. Asimismo, estos sistemas
también actuarán a modo de protección del aerogenerador cuando se superen las
condiciones máximas operacionales y se pueda poner en riesgo la integridad del
sistema.
4.1 CONTROL AERODINÁMICO DE LA POTENCIA
La energía cinética por unidad de tiempo o potencia de una masa de aire fluyendo
a través de un aerogenerador es:
Donde es la densidad del aire, es la superficie barrida por las palas del
aerogenerador y es la velocidad media del viento.
Sistemas de control de potencia
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El aerogenerador, sólo es capaz de capturar una parte de esa potencia que viene
dada por el coeficiente de potencia , que se define como:
Se debe tener en cuenta además que la potencia extraíble no coincide con la
potencia que se entrega a la red pues hay que deducir de esta potencia las pérdidas
que se producen tanto en el generador como en el resto del sistema eléctrico.
Si se pretende entonces optimizar la potencia extraíble, hay que determinar qué
factores influyen en el nivel de potencia extraído. El coeficiente de potencia se
puede definir como una función dependiente de la velocidad específica del rotor
, que se define como el cociente entre la velocidad de la punta de la pala y la
velocidad del viento, y el ángulo o paso de la pala .
4.1.1 CONTROL DE POTENCIA POR PÉRDIDA AERODINÁMICA
Se trata del método de control de potencia más simple en el cual las palas del
aerogenerador son diseñadas de tal manera que cuando la velocidad del viento
supera las condiciones máximas de operación del aerogenerador, se genera un
flujo turbulento en la parte trasera de la pala. Este flujo reduce la fuerza de
sustentación de la pala reduciendo por tanto la potencia capturada y previendo
daños en el aerogenerador. En este sistema de control las palas se encuentran
unidas al buje.
Se trata de un método barato y sencillo para proteger el aerogenerador a altas
velocidades pero ineficiente para la optimización de la generación a bajas
velocidades.
Sistemas de control de potencia
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4.1.2 CONTROL DE POTENCIA POR VARIACIÓN DEL ÁNGULO DE PASO
Este sistema permite controlar en todo momento el ángulo de orientación de las
palas. Puede estar basado en un mecanismo hidráulico o en motores ubicados en
el buje. En condiciones de viento por debajo de las nominales se ajusta el ángulo
de las palas al óptimo para capturar la máxima potencia. Una vez se ha alcanzado
una velocidad de viento que supera las condiciones nominales, el sistema se
encarga de intentar mantener la potencia generada cercana a su valor nominal,
reduciendo, por tanto, la potencia capturada. Cuando se prevén condiciones de
viento extrema, el sistema permite llevar las palas a bandera para no capturar
potencia y proteger así tanto la turbina como la estructura.
Este sistema conlleva tanto una complejidad como un coste más elevados debido a
la necesidad de mecanismos que actúen sobre las palas. Sin embargo, permite
aumentar la potencia generada a bajas velocidades.
4.1.3 CONTROL ACTIVO POR PÉRDIDA AERODINÁMICA
Este sistema opera de manera similar al control por variación del ángulo de paso
para velocidades por debajo de la nominal. Sin embargo, cuando éstas se superan,
el giro de las palas se realiza en el sentido opuesto al sistema previo, es decir, en
contra del viento de manera que se genere un flujo turbulento en la parte trasera
de la pala con la consecuente pérdida de carga y reducción de la potencia captura.
Para el sistema que se está diseñando, se decide optar por un control de potencia
por variación del ángulo de paso (pitch control) controlado a base de motores
eléctricos. El sistema consistirá en tres motores eléctricos de 37 kW controlados a
través de un convertidor y conectados a través de un sistema de engranajes. Los
Sistemas de control de potencia
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motores serán operados de manera independiente de modo que el giro del resto de
las palas, no se vea condicionado por el fallo de alguno de los motores del
sistema. En el apartado 4.4 de este capítulo se evaluarán los motores a incluir en
el diseño de este sistema.
Figura 16. Sistema de control por variación del ángulo de paso basado en motores eléctricos
4.2 CONTROL DE ORIENTACIÓN
El control de orientación es que permite a través de unos motores rotar la góndola
y orientarla a una determinada posición. La góndola representa un alto tonelaje
que puede estar en el entorno de las 300 toneladas. Por ello, es importante
determinar cuándo debe actuar este sistema pues cada vez que actué supondrá un
consumo de potencia considerable en los motores que lo constituyen.
Si bien el control de orientación también influye en la potencia capturada del
viento, su influencia no es tan crítica como el control del paso. Al depender la
potencia captura del cubo de la velocidad del viento, pequeños cambios en la
Sistemas de control de potencia
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velocidad del viento, supondrán grandes cambios en la potencia y es por ello que
el sistema de control aerodinámico de la potencia deberá actuar cada muy poco
tiempo haciendo pequeñas correcciones sobre el ángulo de las palas.
La actuación o no de este sistema se evaluará cada 10 minutos que será la
frecuencia con la que la veleta determine la dirección del viento. No es crítico,
como se ha comentado, que la velocidad de rotación de la góndola sea rápida.
Cuanta mayor velocidad de giro se desee, mayor será la potencia que deberán
tener los motores y, por tanto, supondrán un mayor coste en el diseño. Por ello, se
establece una velocidad de giro de 1 vuelta cada 10 minutos.
Además, se limita la capacidad de giro del sistema a un máximo de 4 vueltas hacia
un mismo lado. Si mediante el control de la orientación se llegase a alcanzar ese
límite, el sistema debería llevar el aerogenerador a parada, deshacer las vueltas y
volver a arrancar. Es importante tener en cuenta este máximo número de vueltas
de giro de la góndola permitidas, de cara al diseño de los cables que bajen desde
la góndola por la torre.
El sistema de control de orientación deberá actuar además en los arranques del
aerogenerador para orientar la góndola de cara al viento y favorecer al máximo las
condiciones de generación. Esta actuación debe ser debidamente justificada pues,
como se ha comentado anteriormente, conlleva un determinado consumo de
potencia que, al estar el aerogenerador parado, supondrá demandar esa potencia
de la red y por tanto incurrir en unos costes.
Este sistema estará constituido por un conjunto de 8 motores de 5.5 kW que
actuarán de manera simultánea sobre la corona de la góndola. Es importante que
la actuación de estos 8 motores esté sincronizada dado que de no ser así se
podrían producir situaciones en las que hubiese una desincronización en las
velocidades de giro que podrían acabar dañando alguno de los motores por estar
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haciendo frente a un par excesivo. Los detalles técnicos sobre qué motores incluir
en el diseño, serán estudiados en el apartado 4.4 de este capítulo.
4.3 CONTROL DE PARADA
Bien sea por indicaciones del operador de red o bien para proteger el
aerogenerador ante situaciones de peligro como pueden ser situaciones
climatológicas extremas, habrá ocasiones en que se necesitará llevar el
aerogenerador a parada.
El sistema de control del paso, mediante la variación del ángulo de ataque podrá
reducir la capacidad de generación pero nunca podrá hacer efectiva una parada
mecánica. Por ello, el sistema debe contar con un sistema de frenado mecánico
sobre el rotor. Se puede referir a este freno como freno de parking. Este freno
estará preparado para detener la rotación en unas condiciones determinadas a
establecer por el sistema de control de paso. En ningún caso, este sistema se habrá
diseñado para ser capaz de llevar el aerogenerador a parada desde condiciones
nominales de funcionamiento.
4.4 MOTORES DE SISTEMAS DE CONTROL DE POTENCIA
Para el diseño de los sistemas de control de paso y control de orientación, se
necesitarán 3 y 8 motores respectivamente. A continuación se procederán a
analizar el tipo de motores a utilizar y el nivel de tensión adecuado para los
mismos.
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4.4.1 TIPOS DE MOTOR
Los motores a incluir en el diseño de los sistemas de control de potencia pueden
ser motores de corriente continua o motores de inducción. Aquí se evaluaran las
ventajas de cara a la elección para el diseño.
Los motores de corriente continua son idóneos para aplicaciones de control de
velocidad gracias a su simple manejo. Desde el punto de vista constructivo los
motores de corriente continua no son especialmente robustos y requieren de
labores de mantenimiento en sus elementos más propensos a fallos como son las
escobillas. Desde un punto de vista económico, y comparando un motor de
corriente continua y uno de corriente alterna capaces de entregar el mismo par en
su eje, el motor de continua conlleva un coste más elevado.
Los motores de inducción se perfilan entonces como los candidatos a incluir en el
diseño. Pese a que el control de los mismos no sea tan sencillo como en los
motores de continua, los convertidores conectados en serie con cada uno de ellos
serán los encargados de llevar a cabo esta tarea. Cabe destacar una vez más los
elevados costes que supone el desplazamiento de los operarios hasta el
aerogenerador de manera que se debe buscar un diseño robusto y con baja tasa de
fallos y necesidades de mantenimiento. Por ello, dentro de los motores de
inducción, se opta por los de jaula de ardilla.
4.4.2 NIVEL DE TENSIÓN
Una vez decidido el modelo de motores a utilizar queda evaluar el nivel de tensión
de los mismos. Se van a considerar motores de dos niveles de tensión, 690V o
400V y se elegirá entre uno de ellos.
Sistemas de control de potencia
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Si se opta por motores de tensión nominal de 690 V, podría prescindirse de un
transformador que adaptase el nivel de tensión, pues esta es la tensión de
generación del aerogenerador. Desde el punto de vista económico la diferencia en
costes de los motores para los dos niveles de tensión, no es significativa. Sin
embargo, el problema se presenta a la hora de elegir los convertidores donde el
cambio si es más representativo. Si se tiene en cuenta que se van a necesitar un
total de 11 de estos equipos, el incremento en coste justifica incluir en el diseño
un transformador para obtener un nivel de tensión de 400 V.
Se opta entonces por un nivel de tensión de 400 V para los motores y
convertidores encargados de controlarlos.
4.5 DETALLES TÉCNICOS MOTORES
Los motores elegidos para ambos diseños son motores de inducción trifásicos con
rotor de jaula de ardilla, un nivel de tensión de 400 V y 6 polos magnéticos. Los
motores son del fabricante alemán VEM.
Motores control de paso (Eficiencia IE3), IE3-W41R 250 M6
Potencia del motor 37 kW
Intensidad nominal 66.5 A
Rendimiento al 100% de carga 93.3 %
Factor de potencia 0.86
Grado de protección IP 55
Par mecánico 359 N·m
Tabla 3. Detalles técnicos motores control de paso
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Motores control de orientación (Eficiencia IE2), IE2-W21R 132 MX6
Potencia del motor 5.5 kW
Intensidad nominal 12 A
Rendimiento al 100% de carga 86.1 %
Factor de potencia 0.77
Grado de protección IP 55
Par mecánico 54 N·m
Tabla 4. Detalles técnicos motores control de orientación
4.6 DETALLES TÉCNICOS CONVERTIDORES
Para el control de los motores elegidos para el diseño de los sistemas de control de
paso y orientación, serán necesarios convertidores de frecuencia. El control de
estos convertidores estará conectado con el sistema central de control de manera
que reciban la orden de actuación conforme vaya siendo necesario.
Se necesitarán un total de 11 convertidores de nivel de tensión 400 V. Los
convertidores elegidos proceden del fabricante ABB.
Sistemas de control de potencia
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Convertidor de frecuencia ACS550-01-072A-4
Tensión de alimentación trifásica 400 V
Potencia nominal 37 kW
Intensidad nominal 72 A
Grado de protección IP 54
Alto 760 mm
Ancho 257 mm
Largo 284 mm
Peso 26 kg
Tabla 5. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de paso
Convertidor de frecuencia ACS550-01-012A-4
Tensión de alimentación trifásica 400 V
Potencia nominal 5.5 kW
Intensidad nominal 11.9 A
Grado de protección IP 54
Alto 461 mm
Ancho 213 mm
Largo 234 mm
Peso 8 kg
Tabla 6. Detalles técnicos convertidores de frecuencia para control de orientación
Transformadores de potencia
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Capítulo 5 TRANSFORMADORES DE
POTENCIA
5.1 INTRODUCCIÓN
Como se ha concluido en el capítulo anterior, los motores para el control del paso
y para el control de orientación deberán ir alimentados a una tensión de 400 V.
Además se requiere de una tensión de 230 V para alimentar ciertos consumos
como las luminarias de la instalación o algunas entradas del convertidor.
Para poder cubrir los niveles de tensión requeridos en la instalación se puede optar
por diferentes diseños que suponen el uso de un único transformador con dos
devanados de baja tensión o dos transformadores de potencia independientes. A
continuación se procederá a evaluar estas configuraciones y se elegirá cual es la
más adecuada.
5.2 POSIBLES ESQUEMAS DE CONFIGURACIÓN DE LOS
TRANSFORMADORES
Se van a evaluar tres esquemas de conexión diferentes para obtener los niveles de
tensión necesarios para la instalación. Las configuraciones a evaluar serán: un
único transformador con dos devanados de baja tensión y dos diseños basados en
dos transformadores con el transformador secundario ubicado tanto en baja
tensión como en media.
Transformadores de potencia
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5.2.1 ÚNICO TRANSFORMADOR CON DOS DEVANADOS DE BT
Figura 17. Único transformador con dos devanados de BT
Este primer esquema puede a priori parecer la mejor opción pues resulta la más
compacta desde un punto de vista de dimensiones, pero como veremos más
adelante se va a decidir optar por otro diseño que confiere un extra de seguridad
de cara al aerogenerador.
La alimentación de los motores de control de paso (400 V), que van a ser
elementos determinantes para poder frenar el aerogenerador, queda condicionada
a un posible fallo que se produzca en el único transformador. Si bien no es un
diseño inadecuado, se decide optar por otro diseño más consistente.
Transformadores de potencia
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5.2.2 TRANSFORMADOR SECUNDARIO EN BT
Figura 18. Transformador secundario en BT
Este esquema conlleva el uso de dos transformadores. El transformador principal
será el encargado de elevar la tensión desde los 690 V de generación hasta los 20
kV de la llegada de línea de media tensión. El transformador secundario estará
conectado a la barra de generación (690 V) y, por tanto, tendrá una relación de
transformación de 690 V a 400V.
Analizando nuevamente el diseño de cara a la alimentación de los motores de
control de paso, no parece ser el más propicio. En este caso, habría dos
situaciones que ocasionarían la caída del suministro de potencia a los motores que
serían una falta que cortase el suministro de la red eléctrica o una avería en el
transformador principal.
Transformadores de potencia
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5.2.3 TRANSFORMADOR SECUNDARIO EN MT
Figura 19. Transformador secundario en MT
Como en el caso anterior, este esquema conlleva el uso de dos transformadores. El
transformador principal será el encargado de elevar la tensión desde los 690 V de
generación hasta los 20 kV de la llegada de línea de media tensión. El
transformador secundario estará conectado a la barra de llegada de línea (20 kV)
y, por tanto, tendrá una relación de transformación de 20 kV a 400V.
Este diseño ha sido el elegido para el sistema eléctrico de manera que los motores
de control de paso puedan estar siempre alimentados desde la red. Ningún sistema
es perfecto y este como los anteriores puede verse comprometido por fallos en el
transformador secundario o caídas de la red. No obstante, dada la relevancia de
algunos consumos del sistema, se contará también con un sistema de alimentación
ininterrumpida capaz de cubrir estos consumos durante una determinada franja de
tiempo.
Transformadores de potencia
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5.3 POTENCIA DE LOS TRANSFORMADORES
De acuerdo con lo analizado anteriormente, se va a necesitar de dos
transformadores de potencia en el sistema. Uno de ellos será el transformador de
distribución elevador que conecte a la red eléctrica y el otro será el que alimente
el resto de consumos del sistema.
El transformador de distribución principal será el que eleve el nivel de tensión
respecto a los 690 V de generación hasta los 20 kV de la red eléctrica de media
tensión que llega hasta el aerogenerador y transfiera la potencia generada a la red.
Gracias al convertidor de potencia incluido en el diseño, no sólo se evacuará
potencia activa hacia la red sino que, dependiendo del control del inversor del
lado de red, se podrá estar también cediendo potencia reactiva. Por ello, este
transformador debe estar sobredimensionado con respecto a las condiciones
nominales de generación de potencia. Se dimensionará este transformador para
una potencia máxima de 6 MVA.
El transformador secundario según el diseño elegido deberá tener una relación de
tensiones de 20 kV a 400V. Los consumos a alimentar desde este transformador
serán los sistemas de control de paso y control de alimentación, el alumbrado, los
ventiladores de refrigeración y demás servicios auxiliar. Para que el transformador
sea capaz de cubrir el consumo de todos estos consumos, se ha optado por un
transformador de una potencia de 250 kVA.
Transformadores de potencia
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5.4 TIPO DE TRANSFORMADORES
Aunque para la mayoría de las aplicaciones se utilizan transformadores en baño de
aceite mineral, para el diseño offshore se utilizarán transformadores de tipo seco
encapsulados al vacío.
Las principales ventajas que ofrece un transformador de este tipo son:
Insensibles a la humedad.
Diseño compacto.
Autoextinguibles.
Arden con dificultad.
Bajo mantenimiento.
Mínimas descargas parciales.
Buena resistencia a los cortocircuitos.
Gran inercia térmica.
Menores gastos de instalación.
Como se puede ver a partir de estas ventajas, una de las grandes diferencias con
los transformadores en baño de aceite mineral es la minimización del riesgo de
incendio y unos muy bajos niveles de mantenimiento. El mantenimiento de estos
transformadores puede quedar limitado a una revisión anual de los mismos.
Todo ello los hace muy adecuados para su utilización en un diseño para un
aerogenerador, donde la dificultad de inmediato acceso al emplazamiento puede
suponer un riego considerable para el resto del sistema de, por ejemplo, llegarse a
producirse un incendio del mismo. Además, los costes a incurrir para acceder al
aerogenerador son elevados y se pretenden reducir, dentro de lo posible, a base de
componentes de bajo mantenimiento y elevada robustez y consistencia.
Transformadores de potencia
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5.5 ELEMENTOS DEL TRANSFORMADOR
A continuación se detallan las características constructivas de los elementos que
forman parte de un transformador seco encapsulado al vacío.
Figura 20. Transformador seco encapsulado al vacío
5.5.1 DEVANADO DE BAJA TENSIÓN
Los devanados de baja tensión se conforman de dos bandas, una que puede estar
hecha de aluminio o cobre y otra aislante que es impregnada con resina. Una vez
Transformadores de potencia
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llevado a cabo el bobinado del devanado, éste se introduce en un horno de modo
que adquiere una extrema compactación, haciéndolo capaz de soportar los
esfuerzos dinámicos asociados a un cortocircuito.
5.5.2 DEVANADO DE ALTA TENSIÓN
Los devanados de alta tensión consisten en un disco conductor formado por un
aislamiento de doble capa y un conductor de cinta de cobre o aluminio. Estos
devanados se encuentran colados al vacío con resina epoxi. Este diseño confiere a
los devanados una alta resistencia frente a esfuerzos eléctricos permitiéndoles
soportar sin problemas regímenes transitorios.
5.5.3 NÚCLEO MAGNÉTICO
Las uniones del núcleo magnético se realizan a través de capas de forma
escalonada de manera que se minimicen los ruidos a la par que se optimiza el
rendimiento. Con el fin de garantizar el adecuado entrelazado de las láminas así
como la precisión dimensional, el acero se corta longitudinalmente, de forma
secuencial y se automatiza el escalonamiento.
5.5.4 PROCESO DE ENCAPSULADO
El encapsulado se trata de un proceso de gran importancia para la fabricación de
estos equipos. Debe llevarse a cabo a fin de poder garantizar las características
mecánicas adecuadas así como el nivel de aislamiento para el que haya sido
diseñado cada transformador.
Transformadores de potencia
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Primero, los devanados son colocados en un horno en el que son precalentados y
se mantienen en su interior hasta que el molde ha adquirido la temperatura de
encapsulado. Paralelamente, se lleva a cabo la preparación de la resina epoxi.
Estos dos elementos se combinan en el momento previo a realizar el encapsulado.
Los devanados, que ya han alcanzado la temperatura de encapsulado, son llevados
a la cámara de vacío para, una vez alcanzadas las condiciones de vacío, verter la
resina en los moldes. De esta manera se consigue que la viscosidad de la resina
cuando es vertida en los moldes sea muy pequeña y se consigue reducir al
máximo las descargas parciales gracias a que la resina se reparte cubriendo todos
los huecos.
Una vez terminado este proceso de colado, las bobinas se llevan al horno de
endurecimiento donde la resina se seca y endurece, confiriendo al transformador
sus características mencionadas.
5.6 DETALLES TÉCNICOS
Los transformadores elegidos para el diseño, son transformadores de tipo seco
encapsulados al vacío de la casa ABB. Las potencias de estos dos
transformadores, como se ha expuesto anteriormente, serán de 6 MVA y de 250
kVA.
Transformadores de potencia
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Transformador ABB RESIBLOC 6 MVA
Nivel de aislamiento 24 kV
Potencia 6000 kVA
Tensión de baja 690 V
Tensión de alta 20 kV
Pérdidas en vacío 10400 W
Pérdidas en carga a 75ºC 30510 W
Pérdidas en carga a 120ºC 33900 W
Tensión de cortocircuito 8 %
Potencia acústica 83 dB
Largo 2690 mm
Ancho 1500 mm
Alto 2850 mm
Peso 7200 kg
Material de AT Aluminio
Material de BT Aluminio
Tabla 7. Detalles técnicos transformador de potencia principal
Transformadores de potencia
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Transformador ABB Eco-Dry 250 kVA
Nivel de aislamiento 24 kV
Potencia 250 kVA
Tensión de baja 400 V
Tensión de alta 20 kV
Pérdidas en vacío 320 W
Pérdidas en carga a 120ºC 3900 W
Tensión de cortocircuito 4 %
Potencia acústica 70 dB
Largo 1350 mm
Ancho 800 mm
Alto 1300 mm
Peso 1860 kg
Material de AT Aluminio
Material de BT Aluminio
Tabla 8. Detalles técnicos transformador de potencia secundario
Transformadores de potencia
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5.7 CELDAS
Las celdas se tratan de envolventes metálicas que contienen los elementos de
unión y maniobra de los circuitos eléctricos de MT, principalmente embarrado,
elementos de corte y equipos de medida, en caso de que apliquen al diseño.
Las celdas a incluir en el diseño serán de envolvente metálica, con aislamiento en
hexafluoruro de azufre (SF6). Las celdas pueden ser de tipo modular, con una
única función por celda, siendo necesario conectar varias celdas para lograr el
esquema eléctrico requerido o celdas compactas, que reúnen en una sola cuba
varias funciones.
Se optará para el diseño de una celda compacta que ofrece reducidas dimensiones
haciéndola adecuada para su ubicación en la góndola. Además, una vez la
envolvente se llena de hexafluoruro de azufre, queda sellada de manera
permanente ofreciendo una vida útil de hasta treinta años y sin requerimientos de
mantenimiento de sus partes activas.
Los tipos de celdas que se deberán incluir en el diseño serán: celda de línea y
celda de protección. No aplica al diseño la inclusión de una celda de medida pues
se está desarrollando el diseño eléctrico a nivel del aerogenerador. Está unidad
correspondería al centro de transformación del parque eólico.
5.7.1 CELDA DE LÍNEA
Se trata de una celda equipada con interruptor seccionador no automático (capaz
de abrir el circuito a carga nominal y mantener la distancia de aislamiento), cuya
función es conectar los cables de acometida con el embarrado general.
Transformadores de potencia
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Figura 21. Celda de línea
5.7.2 CELDA DE PROTECCIÓN DEL TRANSFORMADOR
Se trata de una celda equipada con interruptor automático o fusibles y
seccionador, cuya función es proteger al transformador.
Figura 22. Celda de protección de transformador
Transformadores de potencia
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Para transformadores de potencia igual o superior a 1000 kVA se utiliza
únicamente interruptor automático. Este tipo de celdas pueden ser equipadas con
equipo de motorización lo que posibilita el mando remoto de la instalación.
Al contar el aerogenerador con dos transformadores que deben ser protegidos
desde la llegada de línea, se requerirán dos celdas de protección del transformador
que serán de interruptor automático. Asimismo, se incluirán dos celdas de línea de
cara a posibles ampliaciones o futuras interconexiones con otros sistemas.
Por tanto, la celda compacta estará formada por cuatro funciones, dos de línea y
dos de protección de transformador.
Figura 23. Funciones de celda compacta
Transformadores de potencia
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5.7.3 DETALLES TÉCNICOS CELDA
A la hora de determinar la celda adecuada al diseño, se deberán elegir en función
de la intensidad asignada. De acuerdo con nuestro sistema, esta podrá ser:
√
√
Si se eligiese una celda de 200 A, el diseño sería adecuado. Sin embargo, el
fabricante ofrece celdas de interruptor automático para una intensidad de como
mínimo 400 A. Por ello se elige la celda de este valor. El fabricante de celdas
elegido para el diseño ha sido Schneider Electric.
Celda compacta RM6-2I2D4X
Tensión asignada 24 kV
Nivel de aislamiento a frecuencia
industrial (50 Hz) 50 kV
Nivel de aislamiento onda de choque 125 kV
Tabla 9. Niveles de aislamiento celda compacta
Transformadores de potencia
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Función de línea
Intensidad asignada 400 A
Intensidad admisible de corta
duración (kA ef. / 1s) 16 kA
Poder de cierre del interruptor y del
seccionador (kA cresta) 40 kA
Tabla 10. Características función de línea
Función de protección de transformador
Intensidad asignada 400 A
Intensidad admisible de corta
duración (kA ef. / 1s) 16 kA
Poder de corte en cortocircuito
(kA ef.) 16 kA
Poder de cierre (kA cresta) 40 kA
Tabla 11. Características función de protección de transformador
Protecciones eléctricas
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Capítulo 6 PROTECCIONES ELÉCTRICAS
6.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se pretenden determinar las protecciones eléctricas necesarias
para proteger los elementos del sistema eléctrico, esto es, el generador,
convertidor, transformadores y motores. Se estudiarán las funciones de protección
y sus ajustes.
6.2 PROTECCIONES DEL CONVERTIDOR DE POTENCIA
El convertidor elegido en el diseño incluye de fábrica una serie de protecciones de
cara al generador y para proteger el propio equipo.
Para evitar un deterioro acelerado del aislamiento del generador, el convertidor
cuenta con filtros ⁄ que protegen el sistema de aislamiento del generador y
reducen las corrientes de los cojinetes.
6.2.1 PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS TÉRMICAS
De acuerdo con el equipo elegido, el propio convertidor cuenta con un sistema de
protección del mismo convertidor y de los cables de potencia que conectan tanto
Protecciones eléctricas
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con el transformador como con el generador de manera que no se requieren
elementos adicionales para proteger frente a este sobrefuncionamiento.
6.2.2 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS EN EL CABLE DEL
GENERADOR
El convertidor protege el generador y el cable que conecta con el generador en
caso de producirse un cortocircuito. De acuerdo con esto, no se requieren
elementos de protección frente a esta situación de falta.
6.2.3 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS DENTRO DEL
CONVERTIDOR
El convertidor está equipado con fusibles internos que limitan el daño ocasionado
al convertidor ante una falta de este tipo y que además también protegen a los
equipos colindantes. De acuerdo con esto, no se requieren elementos de
protección frente a esta situación de falta.
6.2.4 PROTECCIÓN FRENTE A FALTAS A TIERRA
Tanto el convertidor del lado del generador como el convertidor del lado de red,
están equipados con elementos de protección internos frente a faltas a tierra, para
proteger el convertidor frente a faltas de este que puedan producirse en el propio
convertidor, el generador o el cable que conecta con el generador. El
funcionamiento de esta función de protección no es obligatorio y puede ser
desactivada, aunque no es recomendable hacerlo.
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6.2.5 PROTECCIONES FRENTE A SOBRETENSIONES
Como se estudió en el apartado 3.3.5 se deben incluir choppers de frenado en
paralelo con cada uno de los módulos del lado del generador de manera que
proteja la etapa de continua frente a las sobretensiones que se puedan producir.
Estos equipo sólo entrarán en funcionamiento una vez se haya sobrepasado el
límite máximo de tensión continua admisible.
6.3 PROTECCIONES DEL GENERADOR Y TRANSFORMADOR
El generador para el que se está diseñando el sistema eléctrico cuenta con una
característica de diseño poco habitual desde el punto de vista de la generación y es
con devanados del estator conectados en triángulo.
Figura 24. Esquema de protecciones clásico de un generador [8]
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La figura anterior muestra un esquema de protecciones clásico para sistemas de
generación. Como se puede apreciar, muchas de las funciones de protección
dependen para su arranque y actuación de la corriente que circula por el neutro del
generador. Muchas de estas funciones, por tanto, no van a ser aplicables a nuestro
esquema de protecciones de generador. Esto es porque, al estar conectado en
triángulo, no habrá neutro y de donde tomar la corriente para el funcionamiento de
todas esas funciones de protección.
Se pretenden evaluar las protecciones del generador y el transformador
conjuntamente dado que existen algunas funciones de protección que vigilarán
ambos equipos. Los tipos de defectos que vigilará el sistema de protecciones
serán:
Cortocircuitos
o A tierra.
o Ente fases.
Sobrefuncionamientos.
Malfuncionamientos.
6.3.1 PROTECCIONES FRENTE A FALTAS A TIERRA
Los defectos a tierra son las faltas más habituales en los sistemas y conllevan una
sobreintensidad por la fase en falta y unas sobretensiones en las fases sanas. Es
importante que se despejen estas faltas pues de no hacerlo, pueden derivar en
faltas entre fases, llegando a ser todavía más severas.
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6.3.1.1 Protección tierra en barras (64B)
Esta protección vigila faltas fase tierra en las barras de tensión de generación. En
condiciones normales sería protección de respaldo de la protección tierra-estator,
pero al no poder incluir esta última en el diseño, se tratará de una protección
principal.
Figura 25. Protección tierra en barras (64B) [8]
El funcionamiento de esta protección se basa en medir la tensión homopolar en
barras mediante un transformador de tensión. Este transformador puede ser:
Transformador de medida YNyn, midiendo entre el neutro y tierra.
Transformador de medida YN-Triángulo abierto
El arranque de la protección se basa en un relé de sobretensión de manera que
cuando se produzca una falta a tierra y el valor de la tensión homopolar pase a ser
distinto de cero, el relé detectará que la tensión supera el umbral de arranque y
actuará.
Para el ajuste de la protección, se utilizará un transformador de tensión de
protección de relación de transformación √ ⁄ : √ ⁄ . El ajuste se
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establecerá para una tensión del 5% de la nominal de manera que la protección
arrancará cuando la tensión homopolar sea superior a este valor. El valor de ajuste
del relé será por tanto:
√
El tiempo de actuación de la protección será de 500 ms.
Las actuaciones a llevar a cabo por el sistema serán desacoplar el grupo de manera
que la corriente pase a ser 0 y posteriormente llevar el grupo a parada.
6.3.1.2 Protección de sobreintensidad de neutro del transformador
(51N)
Esta función de protección vigilará la corriente en el neutro de la estrella del
transformador, controlando que no supere un determinado valor. En el caso de que
la protección detecte que se ha sobrepasado el umbral de arranque del relé de
sobreintensidad, actuará.
Figura 26. Protección de sobreintensidad de neutro del transformador (51N) [8]
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El ajuste de esta protección dependerá de la puesta de a tierra del neutro y deberá
configurarse de manera que el valor de arranque de la protección quede por
debajo de la mínima corriente de falta esperable. Asimismo, la temporización de
esta protección debe ser coordinada con las protecciones de salida de línea que no
son objeto de estudio en este proyecto.
6.3.2 PROTECCIONES FRENTE A FALTAS ENTRE FASES
Las faltas entre fases son muy graves pues originan elevadas sobrecorrientes que
producen daños en aislamientos y chapas magnéticas, además poder llegar a
ocasionar esfuerzos mecánicos y torsión en los devanados.
6.3.2.1 Protección de distancia (21)
Esta función de protección vigila la impedancia de fase tomando medidas tanto de
la tensión como de la corriente. Su finalidad es detectar faltas que se produzcan
entre fases, huecos de tensión y energizaciones accidentales y aunque también
puede ser configurada para detectar falta a tierra, su correcto funcionamiento no
está garantizado. Por ello limitaremos su actuación a defectos entre fases.
Como se ha dicho, se requieren tanto el valor de la tensión como el valor de la
corriente de manera que la función de protección pueda evaluar la impedancia.
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Figura 27. Protección de distancia (21) [8]
En condiciones habituales, esta función sería una función de respaldo de la
protección diferencial del generador. En el caso particular de este diseño, al no
haber neutro, no se puede implementar la función de protección diferencial y, por
tanto, la función de distancia será una protección principal. Se encargará de
proteger el embarrado de generación y hasta el 80-90% del transformador
principal.
Figura 28. Zonas de actuación protección de distancia [8]
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Como se aprecia en la figura previa, la protección de distancia tendrá dos zonas
con diferentes ajustes y tiempos de actuación.
La protección de primera zona, vigilará por tanto 10.32Ω hacia atrás y el 85% de
la reactancia del transformador hacia delante, es decir, 0.86Ω. El tiempo de
actuación de primera zona será de 200 ms.
No se determina el alcance de la segunda zona dado que depende de la línea de
salida de la que no se tienen datos por no ser parte del diseño a tratar en este
proyecto
Las actuaciones a llevar a cabo ante la actuación de esta protección serán
desacoplar el grupo de manera que la corriente pase a ser 0 y posteriormente
llevar el grupo a parada.
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6.3.2.2 Protección de sobreintensidad (51)
Detectará sobreintensidades que se produzcan en los devanados del estator. Estas
sobrecorrientes podrán venir dadas por faltas entre fases del devanado o por faltas
externas.
Figura 29. Protección de sobreintensidad (51) [8]
El funcionamiento de esta protección se basa en un relé de sobreintensidad que
puede incluir memoria de tensión cuando se aplica a máquinas autoexcitadas. El
arranque de la función de protección se suele establecer entre un 1.1 y un 1.3 de la
intensidad nominal.
√
Esta protección será respaldo de la función de protección de línea al ser menos
selectiva en la detección de faltas y se temporizará para un tiempo de actuación de
1 o 2 segundos.
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6.3.2.3 Protección diferencial del transformador (87T)
Detectará faltas entre fases internas al transformador. Será una protección
principal del transformador y necesitará de un relé monofásico por cada fase. Esta
protección no actuara ante falta externas al transformador.
Figura 30. Protección diferencial del transformador (87T) [8]
Cuando se produce una falta interna al transformador, el aporte de corriente
vendrá por ambos lados del transformador, produciéndose un cambio en la
dirección habitual de la corriente de uno de los lados. El bobinado diferencial que
vigila en todo momento la diferencia entre las corrientes de entrada y salida al
transformador, detectará el cambio en la dirección de la corriente y actuará.
Ante una falta externas, se producirá un aumento de la corriente pero será el
incremento será proporcionalmente igual a ambos lados del transformador de
manera que la corriente diferencial seguiría siendo reducida y el relé no debería
actuar. Sin embargo, si la falta fuese a producirse muy próxima al transformador,
el aumento de la corriente podría ser tal que alguno de los transformadores de
intensidad se saturase, no reflejando la corriente que realmente hay en el primario
e induciendo a un disparo indebido. Para evitar que esto ocurra, la función de
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protección cuenta con una pendiente de frenado que insensibiliza a la protección
ante este tipo de problemas.
Figura 31. Curva característica de protección diferencial de transformador [8]
Se incluye, además, un bloqueo ante presencias de elevado nivel de segundo
armónico que aparecen a causa de la corriente de magnetización del transformador
durante el transitorio de inserción. Estas son corrientes puramente diferenciales
pues sólo aparecen en el lado del transformador desde el que se está energizando y
ocasionarían un disparo intempestivo.
Se ajunta la función de protección para un arranque de una corriente diferencial
del 20% de la corriente nominal, esto es:
√
La función de protección actuará de manera instantánea desconectando el
transformador de la red.
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6.3.3 PROTECCIONES FRENTE A SOBREFUNCIONAMIENTOS
En este apartado se incluyen protecciones como:
Sobrecarga del estator.
Sobrefrecuencia.
Sobretensión.
Sobrevelocidad.
6.3.3.1 Protección contra sobrecarga del estator (49)
No es necesario incluir en el diseño esta función de protección ya que, como se ha
visto, el convertidor de potencia ya cuenta con protección que se encargarán de
evitar que se sobrecarguen los devanados del rotor.
6.3.3.2 Protección de sobretensión (49)
El convertidor puede tolerar hasta un incremento de un 10% sobre la tensión de
generación nominal. En caso de que se produjeran sobretensiones, las propias
protecciones del convertidor se encargarían de evitar que este valor creciese por
encima del límite marcado. Se considera innecesario, por tanto, incluir en el
diseño esta función de protección.
6.3.3.3 Protecciones de sobrefrecuencia y sobrevelocidad
Una vez más estos parámetros van a estas controlados por otros elementos del
sistema y no se contempla incluir protecciones para estos casos como pueda ser
necesario, por ejemplo, en una turbina que esté conectada directamente a la red.
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6.3.4 PROTECCIONES FRENTE A MALFUNCIONAMIENTOS
Las tres funciones de protección a tratar en este apartado, en un generador clásico,
serían:
Protección de secuencia inversa.
Protección de potencia inversa.
Protección de energización accidental.
El estudio de cualquiera de estas funciones de protección está de más pues estos
malfuncionamientos no van a tener lugar en el sistema que aquí se estudia. El
hecho de estar trabajando con un generador de imanes permanentes conectado a la
red a través de un convertidor, no sólo aporta grandes ventajas desde el punto de
vista de la optimización de la generación sino que además también permite
eliminar ciertas funciones de protección que se presentan como innecesarias
gracias a la presencia de este equipo.
6.4 PROTECCIONES DE MOTORES
Las protecciones de los motores deben ser capaces de detectar y despejar defectos
para proteger los motores. Los motores son máquinas bastante simples y con un
control bastante sencillo, por ello se contemplan menos funciones de protección
que para, por ejemplo, un generador.
Si bien en motores tradicionales el punto más crítico era el arranque del motor,
gracias al avance de la electrónica de potencia y a la inclusión en los diseños de
convertidores de frecuencia para regular los motores, se ha conseguido que el
arranque sea menos problemático.
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Aquí se tratarán las protecciones de motores más importantes a incluir que serán
la protección de tierra estator, la protección de sobreintensidad y la protección de
sobrecarga.
6.4.1 PROTECCIÓN DE TIERRA ESTATOR
La protección de tierra estator se implementará a través de una función de
protección de tierra en barras. Esta protección vigila faltas fase tierra en las barras
de tensión de los motores.
Figura 32. Protección tierra en barras (64B) en motores [8]
El arranque de la protección se basa en un relé de sobretensión de manera que
cuando se produzca una falta a tierra y el valor de la tensión homopolar pase a ser
distinto de cero, el relé detectará que la tensión supera el umbral de arranque y
actuará.
Para el ajuste de la protección, se utilizará un transformador de tensión de
protección de relación de transformación √ ⁄ : √ ⁄ . El ajuste se
establecerá para una tensión del 5% de la nominal de manera que la protección
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arrancará cuando la tensión homopolar sea superior a este valor. El valor de ajuste
del relé será por tanto:
√
El tiempo de actuación de la protección será de 500 ms y deberá desconectar el
motor.
6.4.2 PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD (51)
Detectará sobreintensidades que se produzcan en los devanados del estator del
motor. Estas sobrecorrientes podrán venir dadas por faltas entre fases del
devanado o por faltas externas.
Figura 33. Protección de sobreintensidad (51) en motores [8]
El funcionamiento de esta protección se basa en un relé de sobreintensidad de
manera que se ajusta para que detecte sobrecorrientes pero permitiendo un tiempo
de actuación para permitir el arranque del motor. A continuación se muestra la
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característica de arranque que tradicionalmente se usa en esta función de
protección.
Figura 34. Característica de arranque relé de sobreintensidad [8]
Sin embargo, dado que el control del arranque de nuestros motores va a estar
controlado por convertidores, reduciremos el tiempo de actuación de la protección
ya que no se esperan picos de corrientes en el arranque.
Para los motores de control de paso,
√
Para los motores de control de orientación,
√
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Los ajustes obtenidos para el arranque de la protección de sobreintensidad de los
motores de control de paso y de orientación tendrán un tiempo de actuación de 1 s
y si pasado ese tiempo, se siguen cumpliendo las condiciones de arranque, es
decir, la intensidad es superior al ajuste del relé, el motor en cuestión deberá ser
desconectado.
6.4.3 PROTECCIÓN DE SOBRECARGA (49)
Esta función de protección vigila las sobrecargas térmicas que se puedan producir
en los devanados del estator de los motores por intensidades de fase superiores al
valor nominal.
Figura 35. Protección de sobrecarga (49) en motores [8]
Si el motor se encuentra funcionando en condiciones de explotación de
funcionamiento nominal o sobrecarga transitoria, no se alcanzarán temperaturas
peligrosas. Sin embargo, frente a sobrecargas admisibles permanentes se alcanzan
temperaturas que no son peligrosas pero que si provocan un envejecimiento de los
aislantes. Asimismo, cuando se produzcan sobrecargas peligrosas, sí se alcanzarán
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temperaturas peligrosas. Éstas deterioran los aislamientos y pueden incluso llegar
a perforarlos favoreciendo la aparición de nuevos defectos.
Figura 36. Característica de calentamiento frente a sobrecargas [8]
Para implementar esta función de protección se pueden utilizar relés de imagen
térmica o relés digitales de sobrecarga. Aquí se estudiará la implementación de un
relé digital de sobrecarga.
Para el funcionamiento del relé, se le llevan las corrientes de fase y el relé integra
la energía disipada en los devanados comparándola con su curva característica y
vigilando que no se superen determinados valores.
Figura 37. Curva característica relé digital de sobrecarga [8]
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El valor de arranque de esta protección debe ser un valor superior a la corriente
nominal esperable en los devanados y al a vez inferior al ajuste establecido en la
función de sobreintensidad.
Para los motores de control de paso,
√
Para los motores de control de orientación,
√
Nótese que la temporización de esta protección será muy alta y responderá a la
curva de manera que cuanto mayor sea la corriente, menor será el tiempo de
actuación. No obstante, cuando se superen las condiciones de arranque, el relé
mandará una señal de alarma para que el operador pueda corregir las condiciones
de explotación y despejar la sobrecarga sin que la protección deba llegar a actuar
desconectando el motor.
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6.5 SISTEMAS DE PROTECCIÓN
Una vez evaluadas las funciones de protección y establecidos los ajustes de
arranque y temporización, se han elegido los relés de protección del fabricante
Eaton.
El sistema estará compuesto por un relé de protección del generador EGR-4000,
dos relés de protección de transformador ETR-4000 y un total de 11 unidades de
relés de protección de motor EMR-3000.
Transformadores de medida y protección
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Capítulo 7 TRANSFORMADORES DE MEDIDA Y
PROTECCIÓN
7.1 INTRODUCCIÓN
Los transformadores de medida están diseñados para alimentar contadores, relés
de protección, instrumentos de medida y dispositivos similares. Podemos
distinguir dos tipos de transformadores de medida:
Transformadores de intensidad.
Transformadores de tensión.
7.2 TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD
En condiciones normales de funcionamiento, la intensidad que circule por el
secundario del transformador será prácticamente proporcional a la intensidad que
esté circulando por el primario a excepción del desfase angular que pueda ser
introducido por el transformador. Sin embargo, cuando se originan corriente de
magnitud varias veces la corriente nominal, esta relación se mantendrá o no en
función de que el transformador sea de medida o de protección.
Dentro de los transformadores de intensidad, se pueden distinguir transformadores
de medida de precisión o transformadores de protección. A pesar de que el
principio de funcionamiento de ambos es similar, las características de diseño de
uno u otro los harán más adecuados para según qué aplicaciones. La gran
Transformadores de medida y protección
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diferencia entre estos dos modelos de transformador reside en su precisión así
como su nivel de saturación.
Figura 38. Curvas de saturación de transformadores de medida y protección
La figura anterior muestra las curvas de saturación para un transformador con
núcleo de medida y uno con núcleo de protección. Como se puede apreciar, el
transformador de núcleo de medida satura a un nivel de intensidad mucho menor
que el de núcleo de protección.
Los transformadores de protección son diseñados para saturar a valores de
corrientes de varias veces la intensidad nominal que pueden ir desde 5 hasta 20
veces. No se requiere que estos transformadores cuenten con una clase de
precisión muy buena dado que su finalidad es alimentar los equipos de protección
y garantizar una reproducción fiel de los valores del primario para que las
protecciones puedan actuar en consecuencia.
Transformadores de medida y protección
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Los transformadores de medida son diseñados buscando un alto valor de precisión
en los valores del secundario respecto a los valores que verdaderamente hay en el
primario. Estos transformadores se usan en aplicaciones donde conocer los
verdaderos valores del primario es importante como en contadores.
En el diseño que aquí se expone no se prevé a priori la necesidad de
transformadores de medida de precisión. Sin embargo, y como ya se aplicó en el
capítulo anterior, la implementación de las funciones de protección requerirá de
transformadores de protección para adaptar los valores de corriente del primario a
unos adecuados para el relé de protección.
Como se analizó en el capítulo anterior en el estudio de los sistemas de
protección, se requerirán hasta un total de 3 transformadores de intensidad de
protección diferentes. Los transformadores elegidos son del fabricante italiano
Revalco.
Transformador de intensidad de protección TARPD2/P
Clase 5P10
Potencia de precisión 2 VA
Corriente nominal de primario 200 A
Corriente de secundario 5 A
Peso 0.5 Kg
Tabla 12. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo A)
Transformadores de medida y protección
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Transformador de intensidad de protección TARPD2/P
Clase 5P10
Potencia de precisión 2 VA
Corriente nominal de primario 100 A
Corriente de secundario 5 A
Peso 0.5 Kg
Tabla 13. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo B)
Transformador de intensidad de protección TARP12/P
Clase 5P20
Potencia de precisión 12 VA
Corriente nominal de primario 5000 A
Corriente de secundario 5 A
Peso 2 Kg
Tabla 14. Detalles técnicos transformador de intensidad de protección (Modelo C)
7.3 TRANSFORMADORES DE TENSIÓN
En condiciones normales de funcionamiento, la tensión que aparezca en el
devanado secundario del transformador será prácticamente proporcional a la
tensión del devanado primario a excepción del desfase angular que pueda ser
introducido por el transformador.
Transformadores de medida y protección
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Para el caso de los transformadores de tensión, se requerirán transformadores de
tensión monofásicos y de dos relaciones de transformación diferentes como se
pudo observar al estudiar las protecciones. De igual manera que para los
transformadores de intensidad, el suministrador de los equipos será Revalco.
Transformador de tensión de protección TVRN6
Clase 3P
Potencia de precisión 6 VA
Tensión nominal de primario
√
Tensión de secundario
√
Peso 2 Kg
Tabla 15. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo A)
Transformador de tensión de protección TVRN6
Clase 3P
Potencia de precisión 6 VA
Tensión nominal de primario
√
Tensión de secundario
√
Peso 2 Kg
Tabla 16. Detalles técnicos transformador de tensión de protección (Modelo B)
Sistema de alimentación ininterrumpida
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Capítulo 8 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
ININTERRUMPIDA
8.1 INTRODUCCIÓN
Un sistema de alimentación ininterrumpida o SAI, también comúnmente referido
como UPS, tiene como función proporcionar un suministro de energía en unas
condiciones de tensión estables y continúas a expensas de las perturbaciones que
pueda haber en la red de suministro. Este sistema alimentará equipos y consumos
cuyo funcionamiento es de vital importancia para el conjunto del sistema.
8.2 TIPOS DE SAI
Se pueden distinguir hasta tres tipos diferentes de configuraciones para un sistema
de alimentación ininterrumpida. Estos son:
SAI offline o standby.
SAI interactivo.
SAI online o de doble conversión.
En un SAI offline la carga está directamente alimentada desde la red a través de
un interruptor. En caso de un fallo en el suministro, el interruptor cambia al
circuito de alimentación del SAI y se comienza a drenar la energía acumulada en
las baterías haciéndola pasar por un inversor para obtener una tensión alterna.
Sistema de alimentación ininterrumpida
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El SAI interactivo tiene un funcionamiento similar al esquema offline pero
incluye un autotransformador que le permite soportar subtensiones durante un
determinado período de tiempo mediante el control de los bobinados del
autotransformador. Cuando se producen elevadas sobretensiones o una caída de la
red, se conectará la batería para alimentar el suministro.
El SAI online o de doble conversión es la versión más tecnológicamente avanzada
y destaca por tener un tiempo de transferencia cero entre el paso del suministro de
la energía desde la red a desde las baterías. De este modo, se consiguen evitar
huecos de tensión en el cambio del suministro. El sistema consta de un conjunto
rectificador-inversor con el grupo de baterías entre medias de ambos. En todo
momento, la potencia que alimenta las cargas críticas es procesada por este
sistema de manera que se reducen al mínimo las fluctuaciones en el nivel de
tensión. Ante una caída de la red, nunca se producirá una falta de suministro, dado
que la potencia pasará a ser suministrada desde las baterías de manera inmediata.
8.3 CARGAS CRÍTICAS
Las cargas críticas de este sistema van a ser los motores y convertidores del
control de paso y la circuitería de control del convertidor de potencia. Ante
cualquier incidencia en el aerogenerador, debemos poder siempre garantizar que
el equipo pueda ser llevado a parada mecánica. Por esto, dado que los motores del
control de paso nos permitirán reducir la potencia captada por el aerogenerador,
son vitales para una parada de emergencia del sistema.
Sistema de alimentación ininterrumpida
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8.4 DETALLES TÉCNICOS
Se ha optado por incluir en el diseño un SAI online que garantice la continuidad
del suministro a los consumos. De acuerdo con la potencia máxima de las cargas a
alimentar por el SAI, se ha elegido una unidad de 150kVA formada por tres
módulos de 50kVA conectados en paralelo. El modelo de SAI a incluir en el
diseño será el Conceptpower Triple DPA del fabricante Newave.
El sistema cuenta además con baterías instaladas en el armario del SAI capaces de
proporcionar una autonomía de 10 minutos a la salida de cada inversor.
Conceptpower Triple DPA
Potencia 150 kVA
Tensión nominal de entrada 3 x 400 V / 230 V
Factor de potencia a la entrada 0.99
Factor de potencia de salida 0.8
Rendimiento general Hasta 95.5 %
Dimensiones 730 x 1975 x 800 mm
Tabla 17. Detalles técnicos unidad SAI
Cableado
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Capítulo 9 CABLEADO
En este capítulo se estudiarán los cables a incluir en la interconexión de los
diferentes equipos del sistema eléctrico. Los cables deberán dimensionarse para
soportar las corrientes que circularán y además deberán permitir las condiciones
de caída de tensión definidas por el reglamento de baja tensión
9.1 CABLEADO DE CONEXIÓN ENTRE GENERADOR Y
TRANSFORMADOR
Dado que el generador puede entregar una potencia activa nominal de 5MW y
gracias a que el convertidor puede controlar la turbina para que se genere reactiva
con un factor de potencia de hasta 0.9, la corriente que circularía por el sistema en
estas condiciones sería:
√
√
Con el valor de corriente de diseño, se ha estudiado la oferta comercial de
conductores y se ha optado por el siguiente conductor:
Cable ExZHellent XXI 0364424
Nº conductores x Sección 1 x 400 mm2
Tensión 0.6 / 1 kV
Cableado
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Material conductor Cu
Material aislante Silicona
Intensidad máxima admisible en
régimen permanente (a 40º C) 840 A
Intensidad máxima admisible en
cortoc. adiabático (0.1/0.5/1.0 s) 181 / 80.8 / 57.1 kA
Peso nominal 3660 kg/km
Temperatura máxima conductor en
régimen permanente/ en
cortocircuito
90 ºC / 250 ºC
Tabla 18. Detalles cable ExZHellent XXI BT 0364424
Dado que la intensidad que nos facilita el fabricantes está considerada para una
temperatura de 40ºC, habrá que llevar a cabo correcciones en la intensidad
admisible adaptándola a la temperatura de la góndola, que se estima alcanzará un
valor de 50ºC, mediante la aplicación de un factor de corrección. De acuerdo con
la instrucción ITC-07 del reglamento electrotécnico de baja tensión, el factor de
corrección por temperatura se calculará de la siguiente manera:
√
Donde, será la temperatura de servicio del cable en ºC y será la temperatura
ambiente, también en ºC. De este modo, el factor de corrección resultante es,
√
Cableado
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La corriente admisible corregida del cable será entonces,
De esta manera, el número de conductores en paralelo necesarios será,
Por tanto, se necesitarán 7 conductores conectados en paralelo por fase. De
acuerdo además con la instrucción ITC-40 del reglamento de baja tensión, la
máxima caída de tensión entre el generador y el punto de conexión con red será
del 1.5%. Para esta comprobación, será necesario saber la longitud de estos cables
que se estima será de 22 metros.
√
Como se puede comprobar, la caída de tensión es menor de la permitida luego se
confirma la validez del diseño.
9.2 CABLEADO DE MEDIA TENSIÓN
A raíz de la intensidad máxima calculada para el apartado anterior, la corriente
máxima en media tensión será:
Cableado
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Con el valor de corriente de diseño, se ha estudiado la oferta comercial de
conductores y se ha optado por el siguiente conductor:
Cable ExZHellent XXI 71783A1
Nº conductores x Sección 3 x 35 + 3 x 10 mm2
Tensión 18 / 30 kV
Material conductor Cu
Material aislante EPR
Intensidad máxima admisible en
régimen permanente (a 40º C) 160 A
Intensidad máxima admisible en
cortoc. adiabático (0.1/0.5/1.0 s) 15.8 / 7.07 / 5 kA
Peso nominal 6705 kg/km
Temperatura máxima conductor en
régimen permanente/ en
cortocircuito
90 ºC / 250 ºC
Tabla 19. Detalles cable ExZHellent XXI MT 71783A1
Del mismo modo que para el caso anterior, hará falta aplicar un factor de
corrección a la corriente máxima admisible del cable para adaptarlo a las
condiciones del entorno.
√
Cableado
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Por lo tanto se necesitarán,
Es decir, harán falta dos conductores en paralelo. La longitud de estos cables se
estima en 160 metros.
9.3 CABLEADO DE BAJA TENSIÓN DE TRANSFORMADOR
AUXILIAR
Dado que el transformador auxiliar puede entregar una potencia de 250 kVA, la
intensidad máxima que circulará por el circuito de baja tensión de este
transformador será,
√
√
Con el valor de corriente de diseño, se ha estudiado la oferta comercial de
conductores y se ha optado por el siguiente conductor:
Cable ExZHellent XXI 18051C8
Nº conductores x Sección 1 x 240 mm2
Tensión 0.6 / 1 kV
Material conductor Cu
Material aislante Silicona
Cableado
90
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Intensidad máxima admisible en
régimen permanente (a 40º C) 630 A
Intensidad máxima admisible en
cortoc. adiabático (0.1/0.5/1.0 s) 107 / 47.8 / 33.8 kA
Peso nominal 2225 kg/km
Temperatura máxima conductor en
régimen permanente/ en
cortocircuito
60 ºC / 200 ºC
Tabla 20. Detalles cable ExZHellent XXI BT 18051C8
El factor de corrección por temperatura es en este caso,
√
La corriente admisible corregida del cable será entonces,
En este caso, un único cable permite transportar la totalidad de la corriente. La
longitud estimada de este cable será de 25 metros.
9.4 CABLEADO MOTORES CONTROL DE PASO
De acuerdo con los motores elegidos, la intensidad nominal de los mismos será de
66.5 A. Para soportar esta intensidad, los cables elegidos son:
Cableado
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Cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656113
Nº conductores x Sección 1 x 35 mm2
Tensión 450 / 750 V
Material conductor Cu
Material aislante Poliolefina termoplástica
Intensidad máxima admisible en
régimen permanente (a 40º C) 86 A
Temperatura máxima conductor en
régimen permanente 70 ºC
Tabla 21. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656113
El factor de corrección en este caso es,
√
La corriente que puede admitir el cable será entonces,
Es superior a la corriente máxima, por tanto el diseño es adecuado. Se estima una
longitud necesaria de 25 metros.
No obstante, existe un problema que se debe abordar desde el punto de vista de la
alimentación de estos motores y es el hecho de que están ubicado en el buje y
Cableado
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rotando. Tenemos por tanto que conectar una parte de la instalación que es
estática con otra rotórica. Para salvaguardar este inconveniente, incluiremos en el
diseño un colector.
Un colector o slip-ring es un equipo que interconecta dos sistemas, uno de ellos
fijo y el otro móvil. Los colectores consisten en varias pistas de transmisión que
mediante un sistema de escobillas permiten conectar circuitos de transmisión de
potencia y señales con las características previamente señaladas. El colector
elegido para el diseño será del fabricante Moog y permitirá transferir tanto los
cables de potencia de alimentación de convertidores y motores, como los cables
de control de los convertidores.
9.5 CABLEADO MOTORES CONTROL DE ORIENTACIÓN
De acuerdo con los motores elegidos, la intensidad nominal de los mismos será de
12 A. Para soportar esta intensidad, los cables elegidos son:
Cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656107
Nº conductores x Sección 1 x 2.5 mm2
Tensión 450 / 750 V
Material conductor Cu
Material aislante Poliolefina termoplástica
Intensidad máxima admisible en
régimen permanente (a 40º C) 18 A
Temperatura máxima conductor en
régimen permanente 70 ºC
Tabla 22. Detalles cable ExZHellent XXI H07Z1-K 1656107
Cableado
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De nuevo, hay que aplicar el factor de corrección por temperatura al cable elegido.
√
La corriente que puede admitir el cable será entonces,
Es superior a la corriente máxima, por tanto el diseño se considera válido. Se
requerirán ocho cables de este tipo y se estima una longitud de cable de 15 metros
Bibliografía
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INGENIERO INDUSTRIAL
BIBLIOGRAFÍA
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[2] Germanischer Lloyd, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines,
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[3] Repower Systems AG, Catálogo 5M.
[4] ABB. Products and services for wind turbines. Electrical drivetrain solutions
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[5] ABB. ACS800N-87LC wind turbine converters hardware manual.
[6] ABB. ACS800N-87LC wind turbine converters system description and start-up
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[7] Z. Xu, P. Ge, Dianguo Xu, C.H.Zhang, Direct Torque and Flux Control of the
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[10] VEM, Low voltage asynchronous motors IEC motors with squirrel-cage rotor,
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INGENIERO INDUSTRIAL
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[22] EWEA, The European offshore wind industry - key trends and statistics 2012
[23] EWEA, EWEA Annual Report 2011
[24] EWEA, The European offshore wind industry
[25] IEEE Xplore Digital library
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Parte II PRESUPUESTO
ECONÓMICO
Presupuesto económico
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Capítulo 1 PRESUPUESTO ECONÓMICO
En este apartado se pretenden evaluar los costes totales en los que se ha incurrido
para el diseño del sistema eléctrico.
1.1 SUMAS PARCIALES
1.1.1 EQUIPOS
Componente Unidades Precio unitario Precio total
Convertidor ABB ACS800-87
5100kW 1 250.000 € 250.000 €
Motores control de paso, IE3-
W41R 250 M6 3 11.700 € 35.100 €
Motores control de orientación
, IE2-W21R 132 MX6 8 1.860 € 14.880 €
Convertidor de frecuencia
ACS550-01-072A-4 3 3.100 € 9.300 €
Convertidor de frecuencia
ACS550-01-012A-4 8 1.025 € 8.200 €
Transformador ABB
RESIBLOC 6 MVA 1 75.000 € 75.000 €
Transformador ABB Eco-Dry
250 kVA 1 11.000 € 11.000 €
Presupuesto económico
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Celda compacta RM6-2I2D4X 1 29.630 € 29.630 €
Relé de protección de
transformador ETR-4000 2 1.825 € 3.650 €
Relé de protección de
generador EGR-4000 1 1.163 € 1.163 €
Relé de protección de motor
EMR-3000 11 257,5 € 2.832,5 €
Transformador de intensidad
de protección 30 344,85 € 10.345,5 €
Transformador de tensión de
protección 15 154,5 € 2.317,5 €
SAI Conceptpower Triple
DPA 1 31.736 € 31.736 €
Colector Moog WP6807 1 6.000 € 6.000 €
Total equipos 491.154,5 €
Tabla 23. Sumas parciales equipos
Presupuesto económico
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1.1.2 CABLES
Código cable Metros Precio/metro Precio total
Cable ExZHellent XXI
0364424 462 30 € 13.860 €
Cable ExZHellent XXI
71783A1 320 42 € 13.440 €
Cable ExZHellent XXI
18051C8 75 20 € 1.500 €
Cable ExZHellent XXI
H07Z1-K 1656113 25 19,89 € 497,25 €
Cable ExZHellent XXI
H07Z1-K 1656107 120 1,456 € 174.72 €
Total cables 29.471,97 €
Tabla 24. Sumas parciales cables
1.2 PRESUPUESTO FINAL
El presupuesto final del diseño de la instalación eléctrica para el aerogenerador,
asciende a un total de 520.626,47 €.
100
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Parte III ANEJOS
Catálogos
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Capítulo 1 CATÁLOGOS
En este apartado se incluirán los catálogos de los productos que han sido incluidos
en el diseño del sistema.
Catálogos
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1.1 CONVERTIDOR DE POTENCIA
Catálogos
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Catálogos
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Catálogos
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1.2 MOTORES DE CONTROL DE PASO Y ORIENTACIÓN
Catálogos
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Catálogos
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Catálogos
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1.3 CONVERTIDORES DE CONTROL DE PASO Y ORIENTACIÓN
Catálogos
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1.4 TRANSFORMADORES DE POTENCIA
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1.5 CELDAS
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1.6 SISTEMA DE PROTECCIONES
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1.7 TRANSFORMADORES DE MEDIDA
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1.8 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
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1.9 CABLEADO
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1.10 COLECTOR
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