Parque eolico Schuster

7/25/2019 Parque eolico Schuster

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PROYECTO DE FIN DE CARRERA

INGENIERA INDUSTRIAL SUPERIOR

Especialidad: ELECTRICIDAD

Anlisis de un parque elico. Influencia de la

tensin en la regulacin de la potenciareactiva de sus aerogeneradores.

LUIS SOLANO LPEZ

MADRID, Julio de 2008


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A mis padres, con cario


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Con amor al recuerdo eterno de Cristina Lpez, que se fue sin hacer ruido una madrugada de primavera

hace ms de 5 aos


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Resumen vi

Resumen

El objeto de este proyecto de fin de carrera es analizar la influencia de la tensin en bornasde un aerogenerador de induccin doblemente alimentado sobre su capacidad para regular el

flujo de reactiva que intercambia con el sistema.

Para ello se estudiar el comportamiento del parque elico de El Aguallal, perteneciente a

Acciona Energa, conectado a la sistema elctrico nacional en el nodo de 220 kV de Lubin,

teniendo en cuenta la existencia de otros parques elicos conectados al mismo nodo, as como la

influencia de los cables, transformadores y lneas areas que interconectan las mquinas dentro

del parque y ste con el punto de conexin a la red nacional.

Se va a analizar el funcionamiento del parque elico en las situaciones de operacin en las

que se intercambie la potencia reactiva lmite dentro de los mrgenes tolerables impuestos por

el fabricante, y el nivel de tensin en bornas de cada mquina, para cada valor de la velocidad

del viento.

Mediante la herramienta PSSE, con la que se realizan los clculos de flujos de cargas en el

modelo analizado, cubriremos todo el rango de velocidades posibles desde la de conexin hastala de corte, para modelar todos los puntos PQ de funcionamiento extremos de las mquinas de

El Aguallal. Para cada velocidad de viento se obtendr la potencia activa que la mquina es

capaz de proporcionar, segn su curva de potencia, y de ah los lmites de reactiva a partir de la

curva PQ, caracterstica de cada aerogenerador y proporcionada por el fabricante, siempre que

la tensin se mantenga entre lmites estables.

Los resultados mostrarn como el nivel de tensin en bornas de mquina influye en la

capacidad para regular reactiva de los aerogeneradores. Los lmites definidos por el fabricante

no se alcanzarn nunca en las condiciones estudiadas, debido a la actuacin de los equipos de

control que, cuando la tensin est prxima a alcanzar algn valor inadmisible para un estado

de funcionamiento estable, dejar de responder frente a las solicitudes externas de incremento o

disminucin de reactiva con el fin de proteger a la mquina

El captulo 1 sirve como introduccin a la energa elica y su desarrollo en Espaa. Se

presentan de manera general los componentes de los aerogeneradores, y se introduce la teora

de la cantidad de movimiento y la curva de potencia.


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Resumen vii

El captulo 2 es un captulo introductorio a la integracin de parques elicos en un sistema

elctrico y a la problemtica asociada. Se expone adems el planteamiento y formulacin de los

flujos de cargas para el anlisis de sistemas elctricos.

El captulo 3 presenta las caractersticas principales de los generadores doblemente

alimentados, as como un anlisis de su respuesta real de regulacin de potencia reactiva ante

variaciones de tensin. Se introduce la hiptesis de respuesta de los controles de la mquina

ante tensiones crticas, que ser utilizada para el desarrollo de los clculos de este proyecto de

fin de carrera.

En el captulo 4 se muestra el objeto del anlisis y la metodologa que se ha seguido para la

configuracin del modelo de red equivalente.

En el captulo 5 se presentan todos los clculos electrotcnicos para la definicin de la red

equivalente. Se muestran las hiptesis de simplificacin de los parques elicos adyacentes y los

clculos de transformadores, cables aislados y lneas areas de del sistema elctrico.

En el captulo 6 se presenta la metodologa de definicin de los puntos de funcionamiento

para llevar a cabo los flujos de cargas en el sistema.

En el captulo 7 se presentan los resultados del estudio.

Las conclusiones finales se presentan en el captulo 8.


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ndice viii

ndice

1 INTRODUCCIN GENERAL........................................................................................................18

1.1 Sistemas de energa elctrica .......................................................................... 18

1.2 El viento como fuente de energa................................................................... 21

1.2.1 El inters por la energa elica 21

1.2.2 La energa del viento 22

1.3 Situacin actual en Espaa ............................................................................. 26

1.4 Aerogeneradores. Constitucin ..................................................................... 27

1.5 Aerogeneradores. Principios de funcionamiento ........................................ 33

1.5.1 Teora de la cantidad de movimiento. La ley de Betz 33

1.5.1.1 Velocidad en el plano del rotor...................................................................................................36

1.5.1.2 Potencia aerodinmica extrada por el rotor del viento. .............................................................36

1.5.1.3 Lmite de Betz ............................................................................................................................37

1.5.2 Curva de Potencia 38

2 INTRODUCCIN A LA INTEGRACIN DE PARQUES ELICOS EN SISTEMAS DE

ENERGA ELCTRICA ...................................................................................................................40

2.1 Introduccin...................................................................................................... 40

2.2 Objetivos operativos de un Sistema Elctrico .............................................. 42

2.3 Problemtica asociada con el estado normal de operacin........................ 42

2.3.1 El estudio de los flujos de potencia como instrumento para la explotacin del Sistema de

Energa Elctrica 43

2.3.2 Influencia de la generacin elica sobre la interaccin frecuencia-potencia activa (f-P)44

2.3.3 Influencia de la generacin elica sobre la interaccin tensin-potencia reactiva (V-Q)44

2.4 Anlisis de Flujos de Potencia ........................................................................ 46

2.4.1 Planteamiento 462.4.2 Formulacin 48

2.4.3 Tipos de modelado de los nodos de un sistema elctrico en un estudio de Flujo de

Cargas 50

3 COMPORTAMIENTO DEL GENERADOR DOBLEMENTE ALIMENTADO. ...................53

3.1 Caractersticas del Generador de Induccin Doblemente Alimentado.... 53

3.1.1 Principio de funcionamiento 53

3.1.2 Balance de potencias 54

3.2 Curva de funcionamiento ............................................................................... 55


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ndice ix

3.3 Respuesta en tensin del generador asncrono doblemente alimentado. 58

3.3.1 Respuesta general de la tensin ante variaciones de potencia reactiva 58

3.3.2 Hiptesis de respuesta a tensiones crticas 59

4 ANLISIS DEL PARQUE ELICO DE EL AGUALLAL ..........................................................64

4.1 Presentacin general del sistema elctrico en estudio ................................ 64

4.2 Objeto del anlisis y metodologa.................................................................. 66

5 MODELADO DEL SISTEMA.........................................................................................................70

5.1 Introduccin...................................................................................................... 70

5.2 Parques elicos adyacentes............................................................................. 70

5.2.1 Modelo del generador equivalente a los 4 parques de Acciona Energa que inyectan a

45 kV. 70

5.2.2 Modelo del generador equivalente que sustituye al conjunto de parques lejanos que

inyectan a 220kV. 72

5.3 Transformadores .............................................................................................. 76

5.3.1 Transformador del aerogenerador Gamesa G47 77



5.3.4 Transformador de Subestacin 20/45 kV 79

5.3.5 Transformadores de Subestacin 45/220 kV. Clculo del transformador equivalente 80

5.4 Lneas Elctricas ............................................................................................... 80

5.4.1 Cables aislados 81

5.4.2 Lnea area y su equivalente en 83

5.4.2.1 Clculo de la Resistencia de la lnea area. ........................................................................85

5.4.2.2 Clculo de la Reactancia .......................................................................................................85

5.4.2.3 Clculo de la Capacitancia.....................................................................................................86

5.4.3 Z de cortocircuito ( Subestacin de Lubin 220 kV con el nodo de REE) 87

6 SITUACIONES DE FUNCIONAMIENTO ..................................................................................90

6.1 Interpolacin sobre las curvas de potencia .................................................. 90

6.2 Programacin de los puntos de funcionamiento en Visual Basic para Excel

............................................................................................................................. 92

6.3 Flujos de cargas ................................................................................................ 95

7 RESULTADOS ..................................................................................................................................97

7.1 Saturacin de las mquinas por tensiones altas. Estudio del comportamiento d lasmquinas en rgimen capacitivo ......................................................................... 97


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ndice x

7.2 Saturacin de las mquinas por tensiones bajas. Estudio del comportamiento de las

mquinas del parque elico en rgimen inductivo. ........................................... 102

7.3 Estudio de la evolucin de la tensin de los nodos de 20kV en los regmenes capacitivo

e inductivo......................................................................................................... 1067.4 Curvas PQ obtenidas para los aerogeneradores................................................ 108

7.4.1 Curvas PQ obtenidas para los aerogeneradores G47 108

7.4.2 Curvas PQ obtenidas para los aerogeneradores G58 112

7.4.3 Curva PQ obtenida para el aerogenerador G80 117

7.5 Curva PQ del parque elico en 20 kV............................................................... 118

7.6 Curva PQ del parque elico en 20 kV. Efecto de cables y transformadores del parque

elico en los lmites de potencia ........................................................................ 119

7.7 Curva PQ del parque elico en 45 kV............................................................... 120

7.8 Curva PQ del parque elico en 45 kV. Efecto de los componentes del sistema elctrico

en los lmites de potencia del parque elico ....................................................... 121

8 CONCLUSIONES ...........................................................................................................................123

9 ANEXO A. HERRAMIENTAS UTILIZADAS...........................................................................126

9.1 PSSE (Power System Simulator for Engineering).................................. 126

9.2 PI-Datalink Version 3.1.3............................................................................... 127

9.3 Gamesa SGIPE ................................................................................................ 128

9.4 Editor de Visual Basic para Excel ................................................................ 128

9.5 Microsoft Word .............................................................................................. 129

10ANEXO B. SITUACIN DEL PARQUE ELICO ....................................................................131

11ANEXO C. TIPOS DE AEROGENERADORES DEL PARQUE DE EL AGUALLAL ........135

11.1G47-660kW...................................................................................................... 135

11.2G58-850kW...................................................................................................... 136

11.3G80-2MW ........................................................................................................ 137

12ANEXO D. IMPEDANCIA DE LAS LNEAS DEL SISTEMA ELCTRICO .......................139

13ANEXO E. IMPEDANCIAS DE LOS TRANSFORMADORES DEL SISTEMA ELCTRICO

144

14ANEXO F. RESULTADOS DE LOS CLCULOS DEL GENERADOR EQUIVALENTE DE

LOS PARQUES LEJANOS ............................................................................................................148


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ndice xi

ANEXO G. CDIGO DE PROGRAMACIN DE LOS PUNTOS DE FUNCIONAMIENTO

DEL PARQUE ELICO CON VISUAL BASIC PARA EXCEL ..............................................151

16ANEXO H. RESULTADOS DE LOS FLUJOS DE CARGAS CON PSS/E EN LOS NODOS DE

SUBESTACIN Y DE ALTA TENSIN ....................................................................................165

17BIBLIOGRAFA ..............................................................................................................................181


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ndice de Figuras xii

ndice de Figuras

Figura 1. Curva de Demanda Real, Programada y Prevista. Fuente: REE.......................................................20

Figura 2. Evolucin precio anual del barril de Brent desde Julio de 1998. Fuente OilEnergy.com............. 22Figura 3. Circulacin del viento en la atmsfera. Fuente: Instituto Argentino de la Energa....................... 23

Figura 4: Mapa Elico Europa Occidental. Fuente: Ris National Laboratory ............................................... 24

Figura 5: Mapa de vientos Mundial. Fuente: NREL ............................................................ ............................... 24

Figura 6. Evolucin anual de la potencia elica instalada, previsin segn el PER y previsin a 2020.

Fuente: AEE...................................................................................................................................................26

Figura 7. Reparto de la potencia por tecnologas a nivel nacional....................................................................27

Figura 8.Reparto de la potencia instalada de Energas Renovables ................................................................ . 27

Figura 9: vista general del parque elico de Middelgrunden, cercano a Copenhague.................................. 28Figura 10: Desglose de la gndola de un aerogenerador ............................................................ ....................... 28

Figura 11: Partes de un aerogenerador.................................................................................................................29

Figura 12: Eje de baja velocidad de una aeroturbina ................................................................... ....................... 30

Figura 13: Esquema de transmisin del movimiento giratorio del rotor elico hasta el generador ............ 31

Figura 14: Acoplamiento flexible a la salida de la caja multiplicadora ............................................................ 32

Figura 15. Tubo de corriente en un aerogenerador.............................................................................................35

Figura 16. Curva de potencia de un aerogenerador Gamesa G80 - 2MW ....................................................... 38

Figura 17. Conexin tpica de un grupo de aerogeneradores a un centro de transformacin......................41Figura 18.Modelo de generador asncrono en rgimen estacionario................................................................ 50

Figura 19. Esquema de un generador doblemente alimentado. Fuente IEEE ................................................. 53

Figura 20. Esquema del balance de potencias en un generador doblemente alimentado ............................. 54

Figura 21.La curva de potencia de un aerogenerador relaciona la velocidad de viento incidente con la

potencia activa que ste es capaz de proporcionar..................................................................................55

Figura 22. Curva PQ de un aerogenerador .............................................................. ............................................ 56

Figura 23. Puntos extremos (P,Qmax) & (P,Qmin) en un aerogenerador asncrono doblemente

alimentado.....................................................................................................................................................57 Figura 24. Rango de posibles puntos de funcionamiento de un aerogenerador doblemente alimentado

Gamesa...........................................................................................................................................................59

Figura 25. Relacin entra la potencia reactiva y la tensin en un aerogenerador doblemente

alimentado. Zonas de funcionamiento crticas.........................................................................................60

Figura 26. Escalones de potencia reactiva constante en la zona 3 de regulacin de tensin......................... 61

Figura 27. Ejemplo de curva PQ real de un aerogenerador en un parque elico y punto A de

recuperacin de la curva PQ.......................................................................................................................62

Figura 28. Esquema unifilar de la red de Baja / Media Tensin.......................................................................64Figura 29. Esquema de conexin de los parques de la zona conectados a la subestacin de Lubin. ......... 65


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ndice de Figuras xiii

Figura 30. Esquema unifilar de la red de Media / Alta Tensin.......................................................................65

Figura 31. Esquema unifilar equivalente del sistema elctrico estudiado ....................................................... 67

Figura 32. Posicin del generador equivalente a los parques cercanos en la red de Alta Tensin............... 70

Figura 33. Situacin de los puntos de medida del factor de potencia en la red de Alta Tensin del

sistema elctrico............................................................................................................................................71

Figura 34. Tabla de bonificacin por compensacin de reactiva del Anexo V del RD 661/ 2007 ................ 72

Figura 35. Posicin del generador equivalente a los parques lejanos en la red de Alta Tensin..................72

Figura 36. Modelo de la red de MT / AT del sistema estudiado en PPSE/E................... ............................... 73

Figura 37. Circuito equivalente simplificado de un transformador en el ensayo de vaco. .......................... 76

Figura 38. Posicin del transformador de subestacin 20/45 kV en el equivalente de red........................... 79

Figura 39. Posicin del transformador de subestacin 45/220 kV en el equivalente de red......................... 80

Figura 40. Esquema de conexin de los parques de la zona conectados a la subestacin de Lubin. ......... 80

Figura 41. Posicin del tramo de cable aislado que une la subestacin 20/45 kV con la de Lubin

45/220 kV .............................................................. ......................................................... ............................... 81

Figura 42. Tipos de cables del sistema elctrico ................................................................... ............................... 81

Figura 43. Cables aislados del parques elico de El Aguallal............................................................................82

Figura 44. Posicin del tramo de lnea area que une la subestacin 20/45 kV con la de Lubin 45/220

kV....................................................................................................................................................................83

Figura 45. Distancias entre cruceta y remate o borde inferior de apoyo en apoyos tipo Olmo....................83

Figura 46. Dimensiones de los armados en un apoyo tipo Olmo.......................................................... ........... 84

Figura 47. Dimensiones de las cimentaciones en un apoyo tipo Olmo............................................................84

Figura 48. Distancias entre cables en el apoyo.....................................................................................................85

Figura 49. Distancias para el clculo de la capacitancia ................................................................. .................... 86

Figura 50. Zcc entre el nodo de 220 kV de la subestacin de Lubin y el nodo de REE................................ 87

Figura 51. Curva de potencia del aerogenerador Gamesa G58-850 kW...........................................................90

Figura 52. Detalle de la curva de potencia de una maquina Gamesa G47 aproximada por tramos rectos.91

Figura 53. Puntos de funcionamiento de los aerogeneradores del parque elico del El Aguallal ............... 92

Figura 54. Aproximacin por rectas de las curvas de potencia de los aerogeneradores del parque de El

Aguallal..........................................................................................................................................................93

Figura 55. Ecuaciones por tramos de las curvas PQ de fabricante para cada aerogenerador.......................93

Figura 56. Vista general de la macro desarrollada para el clculo de potencias.............................................94

Figura 57. Evolucin del alcance de los lmites de tensin con la velocidad de viento ................................. 97

Figura 58. Evolucin de la generacin de reactiva con la velocidad de viento en las G58 hasta el

momento en que se alcanza la tensin mxima en el sistema (a 8 m/s).............................................. 99

Figura 59. Evolucin de la generacin de reactiva con la velocidad de viento en las G47 y la G80 hasta

el momento en que se alcanzan las tensin mxima en el sistema (a 8 m/s).................................... 100

Figura 60. Rgimen capacitivo. Diagrama con las tensiones mximas alcanzadas por cada

aerogenerador del parque estudiado.......................................................................................................101


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ndice de Figuras xiv

Figura 61. Evolucin del alcance de los lmites de tensin con la velocidad de viento ............................... 102

Figura 62. Evolucin de la generacin de reactiva con la velocidad de viento en las mquinas hasta el

momento en que se alcanza la tensin mnima en el sistema (en torno a 10,5 m/s).........................103

Figura 63. Zonas de regulacin de la potencia reactiva de un aerogenerador doblemente alimentado ... 104

Figura 64. Diagrama con las tensiones mnimas alcanzadas por cada aerogenerador del parque

estudiado. ........................................................... ............................................................. ............................ 105

Figura 65. Evolucin de la tensin con la velocidad de viento en dos mquinas extremas del mismo

ramal en rgimen capacitivo.....................................................................................................................107

Figura 66. Evolucin de la tensin con la velocidad de viento en dos mquinas extremas del mismo

ramal en rgimen inductivo......................................................................................................................107

Figura 67. Curva PQ mquinas Gamesa G47 1, 2, 8 y 9....................................................................................109

Figura 68. Curva PQ mquinas Gamesa G47 3 a 7 y 10 a 15.................................... ....................................... 110

Figura 69. Curva PQ mquinas Gamesa G47 16 a 18........ ................................................................ ............... 111

Figura 70. Curva PQ mquinas Gamesa G58 19 a 27, 45 y 46......................................................................... 112

Figura 71. Curva PQ mquina Gamesa G58 28 .................................................................. ............................... 113

Figura 72. Curva PQ mquinas Gamesa G58 29 a 37........................................................................................114

Figura 73. Curva PQ mquinas Gamesa G58 38 y 39........................................................................................115

Figura 74. Curva PQ mquinas Gamesa G58 40 a 43........................................................................................116

Figura 75. Curva PQ mquina Gamesa G80 44 .................................................................. ............................... 117

Figura 76. Lnea roja, rgimen capacitivo, lnea azul inductivo. Zona rayada en rojo, zona de mxima

bonificacin en rgimen capacitivo. Zona rayada en azul, zona de mxima bonificacin en

rgimen inductivo. Lneas negras de puntos de factor de potencia 0,95............................................118

Figura 77. Lnea roja lisa, rgimen capacitivo en 20 kV, lnea azul lisa inductivo en 20 kV. Lneas

negras de puntos de factor de potencia 0,95. Lnea roja punteada, puntos PQ totales, suma de la

generacin en bornas de mquina en rgimen capacitivo. Lnea azul punteada, puntos PQ

totales, suma de la generacin en bornas de mquina en rgimen inductivo. .................................. 119

Figura 78. Lnea roja, rgimen capacitivo, lnea azul inductivo. Zona rayada en rojo, zona de mxima

bonificacin en rgimen capacitivo. Zona rayada en azul, zona de mxima bonificacin en

rgimen inductivo. Lneas negras de puntos de factor de potencia 0,95............................................120

Figura 79. Lnea roja lisa, rgimen capacitivo en 20 kV, lnea azul lisa inductivo en 20 kV. Lneas

negras de puntos de factor de potencia 0,95. Lnea roja punteada, puntos PQ totales, suma de la

generacin en bornas de mquina en rgimen capacitivo. Lnea azul punteada, puntos PQ

totales, suma de la generacin en bornas de mquina en rgimen inductivo. .................................. 121

Figura 80. Ventana principal de PSS/E, con la hoja de clculo para la introduccin de datos...................126

Figura 81. Vista de la ventana para el dibujo de diagramas de PSS/E. ......................................................... 127

Figura 82. Vista de la pantalla de bsqueda de PI ............................................................. ............................... 127

Figura 83. Pantalla de presentacin del SGIPE de Gamesa .......................................................... ................... 128


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ndice de Figuras xv

Figura 84. Vista general de la interfaz de usuaro de la macro desarrollada para el clculo de puntos de

funcionamiento...........................................................................................................................................129

Figura 85. Vista Area 1/5 del parque elico de El Aguallal con tipo y coordenadas UTM de cada

aerogenerador.............................................................................................................................................131


aerogenerador.............................................................................................................................................132


aerogenerador.............................................................................................................................................132


aerogenerador.............................................................................................................................................133


aerogenerador.............................................................................................................................................133

Figura 90. Curva de potencia de la mquina Gamesa G47..............................................................................135




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(...) -Non fuyades, cobardes y viles criaturas,

que un solo caballero es el que os acomete (...)


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1Introduccin general


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Captulo 1. Introduccin general 18

1 Introduccin general

1.1 Sistemas de energa elctrica

Se emplea el trmino Sistema de Energa Elctrica (S.E.E.) para hacer referencia a aquellos

sistemas relacionados con la generacin, transporte, distribucin y consumo de energa elctrica.

Elementos que constituyen un S.E.E. son pues los presentes en centrales generadoras de energa

elctrica, redes elctricas de transporte y distribucin de esa energa en Alta Tensin, Media

Tensin y Baja Tensin, subestaciones elctricas AT-MT, centros de transformacin en BT y

consumos en AT, MT y BT.

Por lo tanto, todos los S.E.E. estn formados por un gran nmero de elementos. No obstante,

estos elementos pueden ser estructurados en unos pocos grupos, como se establece en la siguiente

clasificacin: Generacin, Transporte, Distribucin y Consumo. Gran parte de los elementos de

estos grupos pueden ser modelados de forma relativamente simple, facilitando as la realizacin de

estudios concernientes a diversos aspectos de los S.E.E. Este es el caso de la lneas de transporte y

distribucin de energa elctrica, la mayora de las cules son susceptibles de ser modeladas

mediante un simple esquema en .

La utilizacin de la energa elctrica esta presente en casi todas las actividades que se

desarrollan habitualmente en los pases que tienen un alto desarrollo econmico, previndose para

los prximos decenios un gran crecimiento del consumo elctrico en el resto de los pases del

planeta. De hecho, uno de los ndices econmicos generalmente empleados a la hora de evaluar la

situacin econmica de un pas, es precisamente el consumo de energa elctrica y su crecimiento

anual, situndose las empresas elctricas entre las mayores y las mas importantes habitualmente.

En consonancia con lo anterior, los S.E.E. han sufrido una enorme evolucin desde sus orgenes

hasta hoy, tanto en lo que se refiere a medios de generacin, transporte, distribucin y utilizacin,como a materiales empleados, estrategias de operacin, nuevas aplicaciones y fuentes de energa,

principalmente. En los ltimos aos, la llamada crisis energtica ha acelerado las iniciativas

tendentes a lograr una mayor eficiencia en todos los aspectos relacionados con la energa, lo cual,

unido a la creciente preocupacin por el medio ambiente, ha reactivado el inters por las llamadas

energas renovables.

Entre las energas renovables, la procedente del viento es hoy da una de las que ofrece un

mayor inters desde el punto de vista de los costes asociados a la instalacin y explotacin,

exceptuando aquellos en los que la hidroelctrica pueda considerarse como energa renovable.


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La ubicacin geogrfica de los centros de generacin suele obedecer a razones de proximidad a

fuentes primarias de energa o instalaciones receptoras puertos martimos, oleoductos, etc. ms

que a razones de proximidad a los centros de consumo. Al objeto de minimizar las prdidas, el

transporte de energa elctrica desde los centros de generacin hasta los centros de consumo se

efecta a travs de las redes de Alta Tensin.

En los aos setenta, factores energticos (crisis petrolera), ecolgicos (cambio climtico) y de

demanda elctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial, plantearon la necesidad de

alternativas tecnolgicas para asegurar, por un lado, el suministro oportuno y de calidad de la

energa elctrica y, por el otro, el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales, como el viento.

Una de estas alternativas tecnolgicas es generar la energa elctrica lo ms cerca posible al

lugar del consumo, precisamente como se haca en los albores de la industria elctrica,

incorporando ahora las ventajas de la tecnologa moderna y el respaldo elctrico de la red del

sistema elctrico, para compensar cualquier requerimiento adicional de compra o venta de energa

elctrica. Esta modalidad de generacin elctrica, Generacin Distribuida, es la caracterstica de la

generacin elica.

La Generacin Distribuida, representa un cambio en el paradigma de la generacin de energa

elctrica centralizada. Aunque se pudiera pensar que es un concepto nuevo, la realidad es que tiene

su origen en los inicios mismos de la generacin elctrica. De hecho, la industria elctrica se

fundament en la generacin en el sitio del consumo, para despus evolucionar, debido al

crecimiento demogrfico, al desarrollo de economas de escala y a la demanda de bienes y

servicios, hacia la esquema de Generacin Centralizada. Cuando la generacin elctrica se

estructur en torno a la corriente alterna y centros de transformacin, las grandes centrales podan

encontrarse en lugares distantes de las zonas de consumo, aunque cerca del suministro del

combustible y el agua.

A pesar de que los consumos son aleatorios, se ha comprobado que su evolucin diaria a lo

largo de todos los meses del ao obedece aproximadamente a ciertos modelos, emplendose las

Curvas de Demanda Diaria para predecir en primera instancia cul va a ser la demanda en cada

perodo. El nmero de grupos generadores que deben entrar en funcionamiento se puede

programar con ciertos criterios lgicos y se hace posible la optimizacin de la explotacin.

Por otro lado, la energa elctrica no es susceptible de ser almacenada en grandes cantidades,

con lo cual hay que establecer los mecanismos adecuados para ajustar la generacin a la demanda

existente en cada momento. Surge as la necesidad de incluir controles automticos que vigilen y

realicen esa y otras funciones, tales como las relacionadas con los valores de las variables del

sistema (tensin, frecuencia, etc.), las cules no pueden desviarse mucho de sus valores nominales,


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ya que afectara negativamente al buen funcionamiento y a la seguridad de los receptores y de las

instalaciones.

Figura 1. Curva de Demanda Real, Programada y Prevista. Fuente: REE

Aunque el principal objetivo de un S.E.E. es el de satisfacer la demanda, existen otros

objetivos relacionados con la idea de cumplir el objetivo principal de la mejor forma posible,

considerando aspectos tales como seguridad, fiabilidad, economa y estabilidad. Aparece as un

conjunto de funciones a realizar, entre las que destacan:

Planificacin de la red de transporte

Mantenimiento y Poltica de Crecimiento

Anlisis de Seguridad del Sistema

Control de Frecuencia-Potencia

Actuacin de los Sistemas de Proteccin

La introduccin de nuevas formas de energa, como la energa elica, ha de ser contemplada a

la hora de definir y realizar las funciones anteriormente sealadas si se persigue el fin de

satisfacer la demanda de la mejor forma posible. Asimismo, es necesario considerar sus

caractersticas a la hora de efectuar los estudios y anlisis frecuentes en los S.E.E.:

Cortocircuitos

Flujo de Potencia

Estabilidad

Anlisis de Contingencias

Previsin de Cargas


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Estimacin de Estado

El Plan de Energas Renovables 2005-2010, revisin del Plan de Fomento de las Energas 2000-

2010 Renovables en Espaa, y el Real Decreto 661/2007 ponen de manifiesto los retos que la

energa elica debe superar para ser tenida en cuenta dentro del mix de generacin y los esfuerzos

tecnolgicos a realizar para prestar el apoyo adecuado al sistema elctrico. En general, la ley

espaola establece la necesidad de garantizar la seguridad y calidad de suministro elctrico por

parte de las instalaciones de generacin elica, y con este fin se ha desarrollado una normativa

favorable a conseguir una cada vez mayor penetracin elica y desarrollo de las tecnologas

1.2 El viento como fuente de energa

1.2.1 El inters por la energa elica

Los principales recursos energticos, actualmente utilizados a escala industrial, estn

constituidos por:

1 Combustibles Fsiles (carbn, petrleo, gas natural)

2 Energa Hidrulica

3 Energa Nuclear

Otros recursos, de menor implantacin que los anteriores, son los siguientes:

Radiacin solar directa (energa solar fotovoltaica, energa solar trmica)

Energa elica

Energa mareomotriz

Energa geotrmica

Biomasa

Residuos slidos urbanos

Aunque las fuentes ms empleadas actualmente son los combustibles fsiles la energa

hidrulica y la energa nuclear, su grado de utilizacin vara segn los pases y zonas geogrficas.

Las existencias de combustibles fsiles son limitadas y podran agotarse en este siglo, mientras que

la energa hidrulica reside en ubicaciones concretas y no en todas las zonas geogrficas del

planeta. En cuanto a la energa nuclear, su futuro parece depender del grado de desarrollo que

pueda alcanzar la tecnologa de fusin nuclear y, en gran medida, de la propia aceptacin popular.

Como consecuencia lgica, han surgido iniciativas encaminadas a obtener una mayor

diversificacin en cuanto a fuentes de energa aprovechables a gran escala, a fin de obtener

mayores garantas de aprovisionamiento. Este proceso se ha visto acelerado a la vista de losproblemas medioambientales generados en la utilizacin de combustibles fsiles y energa de


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fisin nuclear y tras las crisis energticas vividas desde 1973, cuando comenz la escalada en el

precio del petrleo que ha alcanzado mximos histricos a comienzos de 2008:

Figura 2. Evolucin precio anual del barril de Brent desde Julio de 1998. Fuente OilEnergy.com

En este contexto nace el concepto de energas renovables, al que se suele aadir la idea de no

contaminante, en clara referencia a las energas hidrulica (cuando la instalacin es inferior a 50

MW), elica, fotovoltaica y geotrmica, fundamentalmente.

Mientras que los costes asociados a instalacin y explotacin de la energa fotovoltaica an no

son desfavorables, en comparacin con otras fuentes, la energa hidrulica ha venido siendoutilizada masivamente en aquellos lugares donde su aprovechamiento ha sido factible, por lo que

no es de esperar un aumento espectacular en su grado de utilizacin. No sucede as con la

minihidralica y microhidralica, donde se considera que todava hay potencial disponible. El Plan

de Fomento de las Energas Renovables ha estimado un aumento hasta 2010 de 810 MW, muy

distribuidos por el territorio espaol. La energa geotrmica ofrece actualmente dificultades

tcnicas de cara a su aprovechamiento a gran escala.

Por el contrario, la energa elica se erige hoy da como una opcin econmicamente atractiva,

con costes casi competitivos respecto a las fuentes de energa convencionales.

1.2.2 La energa del viento

El viento es producto del calentamiento de la superficie de la tierra por el sol. La insolacin

varia con la latitud y el agua absorbe el calor ms rpidamente que la tierra, con las consiguientes

diferencias de temperatura. El viento es el flujo de conveccin que continuamente intenta ajustar

los desequilibrios termodinmicos resultantes. Como ocurre con la radiacin solar, la inclinacin

de la tierra proporciona al viento una cierta estacionalidad, sin embargo, la masa del aire, la propia


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rotacin de la tierra y la naturaleza del terreno le confiere al viento un modelo de distribucin muy

complejo.

Figura 3. Circulacin del viento en la atmsfera. Fuente: Instituto Argentino de la Energa

Siendo la radiacin solar ms intensa en el ecuador que en los polos, el movimiento de

rotacin de la tierra produce una desviacin de los vientos, generando diferentes zonas de

actuacin:

Zonas de calmas y bajas presiones ecuatoriales; reas con vientos

prcticamente nulos.

Zonas tropicales; vientos alisios y contralisios.

Zonas de altas presiones subtropicales; vientos alisios casi constantes en

legiones del Sahara, Libia, Gobi, Mjico. Australia.

Zonas templadas; viento menos regular.

Zonas polares; altas presiones en superficie, como en zonas subtropicales.

El viento es ms fuerte sobre los ocanos que sobre los continentes, ya que el relieve y la

vegetacin frenan el movimiento del aire. Aunque los recursos elicos terrestres estn

ampliamente distribuidos, prevalecen a lo largo de las costas marinas, en las ms altas elevaciones

y en las mayores latitudes. Para situar el reparto geogrfico del viento en el suelo, se han

confeccionado mapas que indican la direccin y velocidad media del viento en la superficie

terrestre para los diferentes meses del ao habindose encontrado que las zonas ms favorables

para la produccin de energa elicaestn situadas, sobre los continentes, al borde de la costa:


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Figura 4: Mapa Elico Europa Occidental. Fuente: Ris National Laboratory

Irlanda, Gran Bretaa, Francia, Holanda, Pases Escandinavos, Pennsula Ibrica y Grecia.

Marruecos, Costa del Sahara, Mauritania, Noroeste del Senegal, Sudfrica Somalia y

Madagascar.

Costa Sudeste de Brasil, Argentina, Chile, Canad, Alaska y las regiones costeras de EE.UU.,India, Japn y las zonas costeras de China, Indochina y Siberia.

Todas las islas de Oceana, incluyendo Australia.

Figura 5: Mapa de vientos Mundial. Fuente: NREL


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Algunos vientos son conocidos universalmente por la regularidad de su rgimen como por

ejemplo los alisios, que soplan en ambos lados del ecuador alrededor de todo el globo, o los vientos

monznicos que soplan en el sudeste de Asia. Otros soplan de modo intermitente durante periodos

cortos, aunque con intensidad y frecuencia ms elevadas en algunas estaciones, como el Siroco en

el norte de frica

La potencia del viento se incrementa al cubo con su velocidad y es proporcional a la densidad

del aire, con lo cual pequeas diferencias en la velocidad media del viento significan grandes

variaciones en la energa de salida. Las turbulencias reducen la energa aprovechable del viento, ya

que tiende a perturbar el buen funcionamiento del rotor de las turbinas elicas. La teora global del

motor elico de eje horizontal fue establecida por Betz encontrando que la energa mxima capaz

de ser recogida por una turbina elica no puede superar en ningn caso los 16/27 de la energa

cintica de la masa de aire que la atraviesa por segundo.

La direccin e intensidad del viento es estocstica, pero su comportamiento puede ser tratado

estadsticamente. Se dice que cada zona posee una velocidad de viento medio anual, tpicamente

en el rango de 2.5 a 10 m/s. Se ha demostrado que para periodos de aproximadamente 30 das o

ms la distribucin probabilstica de la velocidad del viento sigue razonablemente una relacin

matemtica conocida como la distribucin de Weibull. Para zonas geogrficas tierra adentro,

normalmente se usa una relacin matemtica ms simple, conocida como la distribucin de

Rayleigh.

De los registros anemomtricos se deducen diferentes curvas, que utilizan para caracterizar elcomportamiento del viento:

Velocidades anuales clasificadas.

Frecuencia anual de vientos.

Duracin de calma y de viento improductivo.

Variacin del viento en funcin de la estacin.

Energa disponible por meses.

Reparto energtico segn velocidad.

Viento segn su direccin.

Emplear los recursos del viento para la generacin de potencia elctrica presenta ventajas y

desventajas. Por un lado, la fuente de energa es gratuita, inacabable y no contaminante, as como

disponible da y noche. El equipamiento necesario no es especialmente caro y tiene bajos costes de

mantenimiento. Por otro lado, la potencia de origen elico no es fcilmente ajustable, requiere un

cierto control y su aprovechamiento econmico depende del emplazamiento geogrfico concreto.

Asimismo, la fiabilidad de las turbinas elicas exige un diseo ms especifico que otros tipos de


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generadores y la disponibilidad de seleccin en cuanto a tamao est limitada. Sin embargo,

haciendo balance de las ventajas y los retos a superar, la potencia de origen elico es una forma

viable de reducir el consumo de combustibles.

1.3 Situacin actual en Espaa

A 1 de enero de 2008 Espaa contaba con ms de 15.000 MW elicos, lo que sita a esta

tecnologa en la tercera posicin, por detrs del ciclo combinado y de la hidrulica en cuanto a

potencia instalada. La energa elica es ya un pilar bsico del sistema elctrico espaol, una energa

del presente con una gran trayectoria hacia el futuro. Los 15.145 MW que estaban en

funcionamiento a principios de este ao, segn los datos del Observatorio Elico de la Asociacin

Empresarial Elica, son la demostracin de que las energas renovables forman una parte

importante de nuestro panorama energtico. Con el crecimiento registrado en 2007, de 3.522 MWnuevos instalados, se dio un paso importante para alcanzar en 2010 el objetivo del Plan de Energas

Renovables 2005- 2010, cifrado en los 20.155 MW.

Figura 6. Evolucin anual de la potencia elica instalada, previsin segn el PER y previsin a 2020. Fuente: AEE

La potencia elctrica instalada en Espaa ascenda al finalizar 2007 a ms de 92.000 MW con un

incremento de ms del 10 % respecto al ao 2006 que finaliz en 82.336 MW. Las instalaciones de

ciclo combinado y de elica son las que ms han contribuido a este aumento. Con los 15.145 MW

de potencia elica instalada a nivel nacional, lo que supone un crecimiento del 35% respecto a 2006,

la elica ya se sita en la tercera posicin en cuanto a potencia instalada, con el 16,4% del total en el

sistema elctrico nacional.


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Figura 7. Reparto de la potencia por tecnologas a nivel nacional

La energa elica incrementa adems su peso en el conjunto de las energas renovables en el

que ya supone el 84,3%, seguida muy de lejos por la minihidralica con 10,5%, la biomasa con un2,3% y la solar con un 2,3%.

Figura 8.Reparto de la potencia instalada de Energas Renovables

1.4 Aerogeneradores. Constitucin

Un aerogenerador consiste en un rotor o turbina elica que convierte la energa cintica del

viento en potencia sobre un eje giratorio, un sistema de generacin que convierte esa potencia en

electricidad y un cierto nmero de componentes auxiliares necesarios para un adecuado

funcionamiento del conjunto.


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Figura 9: vista general del parque elico de Middelgrunden, cercano a Copenhague

A lo largo de los aos, han surgido numerosas y diversas arquitecturas de aerogeneradores,aunque la mayor parte de ellos presentan ciertos aspectos comunes. La mayora de las aeroturbinas

instaladas poseen eje horizontal, con las palas a barlovento y un sistema de orientacin para

posicionar a la mquina cara al viento en todo momento. La constitucin tpica de un

aerogenerador incluye los siguientes elementos principalmente:

Figura 10: Desglose de la gndola de un aerogenerador


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Palas del Rotor: Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje.

Buje: El buje del rotor permite acoplar el rotor al eje de baja velocidad del aerogenerador.

Sistema Activo de Giro de Pala (PITCH CHANGE MECHANISM) : Sistema activo de giro de las

palas sobre su eje longitudinal que controla las actuaciones de la mquina. Cuando el generador

funciona a carga parcial se mantendr el ngulo de ataque del perfil de tal manera que se extraiga

la mxima potencia del viento. Cuando las velocidades del viento son muy elevadas se disminuye

el ngulo de ataque, manteniendo la potencia constante y reduciendo las fuerzas sobre el rotor

elico.

Figura 11: Partes de un aerogenerador

Sistema Hidrulico: Dentro del buje hay un sistema hidrulico que permite el movimiento de las

palas en torno a su eje longitudinal. Se puede acceder a l desde una entrada en el propio buje.

Sistema de Bloqueo del Rotor: Cuando es necesario realizar algn tipo de mantenimiento dentro del

buje, existen sistemas que permiten mantenerlo bloqueado.

Mecanismo de Control de Balanceo: En una aeroturbina la conexin entre el rotor elico y el eje de

baja velocidad es uno de los puntos ms crticos. A esta interfaz se la conoce habitualmente como

buje, y se caracteriza por incorporar un mecanismo de control del balanceo que controla el


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movimiento del rotor perpendicular a su plano de rotacin, permitiendo reducir las cargas de

fatiga en toda la aeroturbina.

El coste, la complejidad y el peso del buje son aspectos importantes que deben ser considerados en

el diseo de una aeroturbina eficiente.

La experiencia dice que han aparecido serios problemas en la integracin de la raz de las palas al

buje, la propia conexin del buje al aerogenerador, las conexiones para configurar el mecanismo de

cambio de paso de pala, as como el acoplamiento adecuado de las juntas y cojinetes de los

sistemas de balanceo y sus sistemas de control.

Gndola: La gndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el

multiplicador y el generador elctrico. El personal de servicio puede entrar en la gndola desde la

torre de la turbina.

Acoplamiento Fijo entre el Buje y el eje de Baja Velocidad: Permite transmitir el movimiento del rotor

elico, al capturar las palas la energa del viento.

Cojinete Delantero del Eje de Baja Velocidad

Eje de Soporte y Proteccin del eje de Baja Velocidad

Figura 12: Eje de baja velocidad de una aeroturbina

Eje Torsor: Un eje torsor (quill shaft), es por definicin un eje delgado y slido diseado y

conformado para transmitir el mismo par que el que transmitira un eje ms largo sometido a

niveles de carga superiores. En la transmisin del par el eje torsor acta como un muelle torsor

girando alrededor de su eje longitudinal.

Cojinete Trasero del Eje de Baja Velocidad


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Dispositivos de Acoplamiento del Eje: Un dispositivo de acoplamiento en el que el eje esta acoplado

a un cojinete cuyas bolas, dispuestas en agujeros radiales, engranan en un surco del propio eje. Una

serie de anillos deslizantes fuerza el acoplamiento selectivo de las bolas con la ranura o surco del

eje apropiado. El conjunto de anillos puede moverse en ambas direcciones hacia las ranuras.

Muelles Torsores: Un muelle torsor es un dispositivo de material elstico que reacciona contra la

torsin o un movimiento giratorio.

Son muelles helicoidales que ejercen un par o fuerza rotatoria ofreciendo resistencia a un par

externo aplicado. El final de los muelles torsores esta unido a otros componentes, y cuando esos

componentes rotan alrededor del centro del muelle helicoidal, el muelle trata de llevarlos a su

posicin original. A pesar de lo que el nombre que tienen implica, los muelles torsores estn

sometidos a esfuerzos flectores mas que a esfuerzos torsores.

Figura 13: Esquema de transmisin del movimiento giratorio del rotor elico hasta el generador

Caja Multiplicadora: La caja multiplicadora como elemento del tren de potencia aparece como una

opcin de diseo habitual ya desde las primeras turbinas elicas concebidas para producir energa

elctrica. La necesidad de este elemento se justifica por el diferente rgimen de giro que requiere

un rotor elico y un generador elctrico de diseo convencional.


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Suele estar formado por engranajes epicicloidales. Un engranaje planetario o engranaje

epicicloidal es un sistema de engranajes (o tren de engranajes) consistente en una rueda dentada

interior ms tres engranajes externos o satlites que rotan sobre un engranaje central o planeta.

Tpicamente, los satlites se montan sobre un brazo mvil o portasatlites que a su vez puede rotar

en relacin al planeta. Los sistemas de engranajes planetarios pueden incorporar tambin el uso de

un engranaje anular externo o corona, que engrana con los satlites.

Es esta construccin, con tres ruedas pequeas movindose en rbita alrededor de una rueda

comn central, la que ha dado lugar al nombre de la caja multiplicadora planetaria.

Base Vibratoria de Sujecin: Es una base vibratoria de sujecin diseada para absorber cargas

radiales y longitudinales excepcionalmente altas. Desarrollado para aeroturbinas y especialmente

para aquellas con buje integrado y caja multiplicadora.

Acoplamiento Flexible: Acoplamiento flexible del eje de salida de la multiplicadora con el eje de

alta velocidad del generador.

Figura 14: Acoplamiento flexible a la salida de la caja multiplicadora

Eje del Generador: Eje de alta velocidad del tren de potencia gira a la velocidad necesaria para

permitir el funcionamiento del generador elctrico.

Freno del Rotor: El eje de alta velocidad est equipado con un freno de disco mecnico de

emergencia. El freno mecnico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinmico, o durante las

labores de mantenimiento de la turbina.

Acoplamiento Deslizante: El acoplamiento deslizante (slip coupling) sirve como limitador de par

actuando de la misma manera que el acoplamiento de dos ejes colineales.

Cuando la carga excede el par mximo que puede soportar el acoplamiento los dos ejes rotan uno

respecto a otro hasta alcanzar el valor de par mximo.


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Un acoplamiento de este estilo est diseado para operar con un desalineamiento angular de hasta

3 y lineal de hasta 2,5 mm, entre los dos ejes. Las caractersticas de este componente permiten

acoplar ejes de distintos dimetros.

Generador: Convierte la energa mecnica en elctrica.

Unidad de Refrigeracin: La unidad de refrigeracin contiene un ventilador elctrico utilizado para

enfriar el generador elctrico. Adems contiene una unidad de refrigeracin del aceite empleada

para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores enfriados por agua.

Sistema Hidrulico: El sistema hidrulico es utilizado para restaurar los frenos aerodinmicos del

aerogenerador.

Mecanismo de Orientacin (Yaw Drive) : El mecanismo de orientacin es activado por elcontrolador electrnico, que vigila la direccin del viento utilizando la veleta. Normalmente, la

turbina slo se orientar unos pocos grados cada vez, cuando el viento cambia de direccin.

Anemmetro y Veleta: El anemmetro y la veleta se utilizan para medir la velocidad y la direccin

del viento. Las seales electrnicas del anemmetro son utilizadas por el controlador electrnico

del aerogenerador para conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5

m/s. El ordenador parar el aerogenerador automticamente si la velocidad del viento excede de

aproximadamente 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las seales de la

veleta son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para girar al aerogenerador

en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientacin.

Controlador Electrnico: El controlador electrnico tiene un ordenador que continuamente

monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientacin. En caso

de cualquier disfuncin (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el

generador), automticamente para el aerogenerador y avisa al ordenador del operario encargado

de la turbina.

Plataforma: Es la plataforma que sirve de soporte a la mquina.

Torre : Estructura metlica que soporta la gndola. Para aerogeneradores grandes, suele tener

una primera franja de hormign para dar mayor solidez estructural.

1.5 Aerogeneradores. Principios de funcionamiento

1.5.1 Teora de la cantidad de movimiento. La ley de Betz

La formulacin de la teora se basa en las siguientes hiptesis:


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1. Supone al aire como un fluido ideal, sin viscosidad en todo el campo fluido excepto en las

proximidades inmediatas del rotor.

2. El movimiento en todo el campo fluido es subsnico y a muy bajos nmeros de Mach, con

lo cual se puede considerar al aire como un fluido incomprensible y, por tanto, con

densidad constante en todo el campo fluido.

3. El movimiento del fluido es estacionario, es decir, sus variables termodinmicas no

dependen del tiempo pero si del espacio.

4. No tiene en cuenta la velocidad de giro del rotor ni la de giro del fluido en la estela, y los

vectores de velocidad son siempre paralelos al eje de simetra del tubo de corriente.

5. Contempla al rotor como un disco poroso segn la teora del disco de Froude.

6. Las magnitudes empleadas para representar las variables fluidas en una determinada

seccin recta cualquiera al tubo de corriente, son magnitudes equivalentes a la seccin y

uniformes en toda ella.

Sea una aeroturbina inmersa en el seno de una corriente de aire. La velocidad en la seccin A1

en el infinito aguas arriba es la velocidad incidente del viento V1, por definicin. Se aprecia que a

medida que nos vamos acercando al rotor, viniendo de la seccin A1, la velocidad va decreciendo

paulatinamente, de manera que cuando llegamos a la propia seccin A del rotor la velocidad vale

V y su mdulo es menor que V1. Si seguimos viajando aguas abajo pasado el rotor la velocidad

sigue decreciendo progresivamente tambin, hasta llegar al infinito aguas abajo a la seccin A2,

donde la velocidad vale V2, siendo su mdulo menor que el de la velocidad V.

Si estudiamos ahora la magnitud de presin, vemos que su variacin a lo largo del tubo decorriente es muy distinta a la de la velocidad. La presin en la seccin A1vale P1, que es la presin

atmosfrica del aire en el infinito aguas arriba. A medida que viajamos hacia el rotor, la presin

comienza a subir progresivamente hasta valer P+en la cara anterior al rotor, por lo que hay una

sobrepresin respecto a la atmosfrica P1en dicha cara. A continuacin, a travs del rotor hay un

salto de presiones y la presin decrece a un nivel por debajo de la atmosfrica, siendo su valor P-

justo en la cara posterior del rotor. Finalmente si seguimos viajando hasta el infinito aguas abajo, la

presin crece siempre progresivamente hasta llegar en el infinito aguas abajo a la seccin A 2 al

valor P2, que es exactamente igual a P1.


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Figura 15. Tubo de corriente en un aerogenerador

Adems hay que considerar que en el disco y debido precisamente a esas diferencias de

presiones, se produce una fuerza resultante T que denominaremos traccin, y que lleva la direccin

de la velocidad V y el sentido de la misma.

Planteando las principales ecuaciones de esta teora:

Conservacin del gasto msico:

El caudal msico

m se ha de mantener a lo largo del tubo de corriente. Como tan slo la

velocidad axial contribuye a l se cumplir:

2211 vAAvvAm ===

y, por tanto:

2211 vAAvvA ==

Cantidad de movimiento:

La fuerza del disco sobre el fluido sobre el fluido con el sentido de la corriente (T) tiene que

igualar a la diferencia de flujos de cantidad de movimiento entre la salida y la entrada del tubo de

corriente, secciones 2 y 1:

)()( 2112 vvAvvvmT ==

[1]


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Energa :

Corresponde a la aplicacin de Bernouilli entre A1y A, y entre A y A2

)1(2

1

2

1 21

2

vpvp +=++

[2]

2

22

2

1

2

1vpvp +=++ [3]

Equilibrio del Disco

El disco est esttico, luego la suma de fuerzas sobre l ha de ser nula, entonces:

AppT )( + = [4]

Restando miembro a miembro las ecuaciones (2) y (3) obtenemos una expresin del salto de

presiones a travs del disco:

)(2

1 22

2

1 vvpp = + [5]

1.5.1.1 Velocidad en el plano del rotor

Segn lo visto en el prrafo anterior, podemos calcular la velocidad del viento en el plano del

rotor, igualando las ecuaciones (1), (4) y (5):

)(2

1)(

2

2

2

121 vvAvvAvT ==

Por lo tanto:

)(21

21 vvv +=

Esto es, la velocidad en el plano del rotor es la semisuma de los valores de velocidad de viento

aguas arriba y abajo del mismo (en los extremos del tubo de corriente).

1.5.1.2 Potencia aerodinmica extrada por el rotor del viento.

El clculo de esta potencia se extrae del producto de la fuerza de traccin y la velocidad media

en el plano del rotor, lo que nos lleva a obtener la siguiente expresin:


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2)

22( 21

2

2

2

1 vvvvAVTWR+

+==

En la medida en que la velocidad aguas abajo V2no es una caracterstica libre en s misma sino

que depende de las variables de entrada, podemos encontrar una situacin matemtica en la quepueda aparecer un mximo de energa, es decir, es posible para unos valores fijados de , A y V1

localizar un valor de V2que haga mxima la expresin de la potencia. Cuando se resuelve este

problema elemental de mximos, se llega a que la mxima potencia que se puede obtener de una

aeroturbina viene dada por la siguiente expresin:

3

127

8AvWR =

1.5.1.3 Lmite de Betz

Se define como coeficiente de potencia de una aeroturbina, al rendimiento aerodinmico con el

cual funciona el rotor de la misma, y viene a expresar la cantidad total de potencia que realmente

es capturada por el rotor de la potencia total que posee el viento incidente sin perturbar. En

definitiva, se define el coeficiente CPvale:

31

21 Av

WC aP

=

si en esta expresin introducimos en el numerador la potencia mxima que se puede conseguir

con un aerogenerador para la velocidad de viento incidente V1queda:

60,05925,027

16

2

127

8

2

1 31

3

1

3

1

max

====Av

Av

Av

WC RP

este valor es conocido como el lmite de Betz.


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1.5.2 Curva de Potencia

Figura 16. Curva de potencia de un aerogenerador Gamesa G80 - 2MW

La potencia mecnica disponible en el eje de una aeroturbina puede ser expresada en funcin

de la velocidad del viento v y de la velocidad de rotacin del eje, tal que la potencia mecnica

),(vPm aumentar con la velocidad de viento, para una velocidad de rotacin determinada,hasta que se alcance un mximo a partir del cul comience a disminuir. Esta relacin queda

definida en la curva de potencia propia del aerogenerador.

La mayor parte de los aerogeneradores actualmente en servicio estn equipados con

generadores de induccin y han sido concebidos para su funcionamiento a una velocidad de

rotacin variable. En estos aerogeneradores la potencia mecnica es cero cuando la turbina esta

frenada o cuando gira libremente sin carga, y existe un punto de operacin en el cual la conversin

de potencia es mxima y en torno a l suele definirse la velocidad nominal y la potencia nominal

del aerogenerador.

En la prctica los aerogeneradores operan habitualmente entre un valor mnimo maxv y un

valor mximo minv de la velocidad de viento. Para minvv< la energa obtenida es nula o muy

pequea y el aerogenerador permanece en reposo a fin de minimizar esfuerzos innecesarios y

alargar su vida media. Para maxvv> , el aerogenerador tambin es conducido al reposo, para evitar

sobreesfuerzos, as como por escasa la posibilidad de que se presenten vientos muy elevados que

hace que no resulte econmico construir una turbina a tal fin.


39/183

2Introduccin a la integracin deparques elicos en sistemas de

energa elctrica


40/183

Captulo 2. Introduccin a la integracin de parques elicos en sistemas elctricos 40

2 Introduccin a la integracin de parques elicos en sistemas de energa

elctrica

2.1 Introduccin

La conexin de un aerogenerador asncrono a un nudo de potencia infinita se caracteriza por un

alto consumo inicial de potencia reactiva, al que corresponde una corriente inicial de conexin

elevada. En la conexin a un nudo genrico de la red, en el cual la idealizacin de nudo de potencia

infinita no es admisible, el valor eficaz de la tensin no permanece constante ante la conexin del

aerogenerador. El consumo de potencia reactiva Q que se produce, suele dar lugar a una cada de

la tensin0

V en el punto de conexin en el instante inicial. La magnitud de esta0

V , as como

la cantidad de potencia reactiva Q consumida inicialmente, depende de varios factores, siendo la

potencia nominal del aerogenerador y la potencia de cortocircuito Sccdel punto de conexin los

ms importantes.

La conexin simultnea de varios o todos los aerogeneradores asncronos de un parque elico

producira una cada de tensin 0nV en el punto de conexin, que podra afectar negativamente a

otros generadores y/o receptores. La solucin a este problema consiste normalmente en asegurar

que la conexin de los diferentes aerogeneradores de un mismo parque elico se realice de formaescalonada en el tiempo, evitando as el consumo simultneo de potencia reactiva Q y las

consecuencias anteriormente citadas.

En el caso de los aerogeneradores de un parque elico conectado a la Red, las principales causas

de una cada de tensin en bornas 0V que pongan en peligro su estabilidad son:

Conexin de otro aerogenerador

Faltas y Maniobras en la Red

Si el aerogenerador detecta una disminucin de carga excesiva por disminucin de tensin,

podra no encontrarse un nuevo punto de funcionamiento estable en rgimen estacionario, con lo

que el aerogenerador podra perder la estabilidad, embalndose sin posibilidad de recuperacin.

El escalonamiento temporal en la conexin de los aerogeneradores de un parque elico,

minimiza los efectos negativos que para el sistema elctrico en su conjunto supondra un alto

consumo inicial de potencia reactiva, pero no asegura que el correcto funcionamiento de un

aerogenerador no se vea afectado por el proceso de conexin de otro aerogenerador vecino.


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Supongamos el ejemplo de varios aerogeneradores de un parque elico agrupados en torno a

un transformador BT MT comn, como en la figura:

Figura 17. Conexin tpica de un grupo de aerogeneradores a un centro de transformacin

en tal caso, la conexin de un aerogenerador, como el aerogenerador 1 de la figura, provoca una

cierta caa de tensin AV en los bornes de Baja Tensin del transformador comn T1.Esta cada

AV podra ser suficiente para que alguno de los aerogeneradores vecinos, conectados al mismo

punto A, viera alterado su rgimen de funcionamiento.

Si la cada de tensin es considerable, determinados aerogeneradores vecinos podran iniciar un

proceso dinmico inestable por reduccin de tensin. Se producira as su embalamiento yposterior desconexin de la red por la actuacin de las desconexiones correspondientes. Este

embalamiento sera extensible al generador que est intentando acoplarse a la red que, bajo estas

condiciones, se encontrara en un proceso de conexin inestable.

Esta prdida de generacin correspondiente a la desconexin de un grupo de aerogeneradores,

como el anteriormente considerado, podra provocar oscilaciones de tensin y de potencia en el

resto del parque elico, de graves consecuencias para el mismo.

De manera semejante, la presencia, en cualquier nodo del sistema de un parque elico

compuesto por aerogeneradores asncronos equipados con equipos de compensacin de reactiva

para el completo suministro de sta a la red supone la aportacin de potencia activa P y reactiva

Q a la red. Puesto que se trata de una inyeccin de potencia y no de un aumento de carga, se

observar una tendencia hacia valores superiores de las tensiones en el punto al cual se conecta el

parque, as como a los nudos cercanos elctricamente. Este aumento de tensin en el punto de

conexin ser mayor cuanto mayor sea la potencia inyectada, la cul ser introducida en la red a

travs de la lnea o lneas que lleguen a este punto


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La presencia de un parque elico en el sistema, por tanto, implicar una modificacin esperable

del perfil de tensiones, en rgimen estacionario, en los puntos de conexin y cercanos, as como

una posible variacin en los flujos de potencia a travs de las lneas de transporte correspondiente.

Anlogamente, la desconexin de ese parque elico producir el efecto contrario, con tendencia a

restablecer los perfiles de tensiones y potencias existentes en ausencia del mismo.

Como a la inyeccin de potencia procedente de una instalacin elica le corresponde un

incremento de la tensin en el punto de conexin, la desconexin de la misma rebaja el mdulo de

tensin en dicho punto y sus cercanas, en lo que al rgimen estacionario se refieren.

2.2 Objetivos operativos de un Sistema Elctrico

Los objetivos prioritarios de la explotacin de los sistemas elctricos son:

1. Asegurar en todo momento la satisfaccin total de la demanda con la mayor fiabilidad

posible.

2. Explotar el sistema de la forma ms econmica posible en cada momento.

Los objetivos han de satisfacerse con independencia del tipo de fuente de energa empleada,

por lo que tambin resultan de aplicacin a los S.E.E. con generacin elica integrada.

El concepto de Fiabilidad va de la mano con los de Seguridad y Estabilidad de la Red. La

Fiabilidad tiene que ver con la probabilidad de que se obtenga un comportamiento satisfactorio

del sistema a lo largo de un cierto periodo de tiempo, as, el nmero de das al ao en que la puntade demanda mxima no supera a la capacidad de generacin disponible puede ser un ejemplo de

ndice de fiabilidad. Por el contrario, la Seguridad hay que considerarla como una condicin

instantnea, variable con el tiempo, que es funcin de la robustez del sistema frente a posibles

perturbaciones. Finalmente, la Estabilidad es una condicin relativa a la continuacin del

funcionamiento en sincronismo de todos los grupos de generacin del sistema.

La Fiabilidad y la Seguridad, por otra parte, son objetivos interrelacionados, de manera que

un sistema diseado para ser fiable ser seguro la mayor parte del tiempo, un sistema no fiable

ser frecuentemente inseguro y un sistema gestionado bajo criterios de seguridad, aumentar los

ndices de fiabilidad. Adems, para que un sistema sea fiable y seguro, debe ser estable ante

cualquier perturbacin que pueda producirse.

En consecuencia, la integracin de parques elicos en un S.E.E. debe efectuarse de tal forma,

que los parmetros correspondientes a Fiabilidad, Seguridad y Estabilidad resulten los adecuados.

2.3 Problemtica asociada con el estado normal de operacin

Entre las numerosas cuestiones asociadas al estado normal de operacin, cabe sealar lassiguientes:


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1. Flujo de Potencia

2. Interaccin frecuencia-potencia activa (f - P)

3. Interaccin tensin-potencia reactiva (V - Q)

2.3.1

El estudio de los flujos de potencia como instrumento para la explotacin del Sistema de Energa

Elctrica

Dentro del conjunto de tareas asociadas al estado normal de operacin de un S.E.E., los

estudios de Flujo de Potencia -o Flujo de Cargas- son de utilidad para la seleccin de una

configuracin de Rgimen Estacionario, de entre todas las posibles. El Rgimen Estacionario,

finalmente seleccionado, debe suponer una solucin adecuada al compromiso existente entre la

explotacin econmica del sistema y su seguridad.

Un sistema tpico representa una red elctrica, que puede estar formada por un gran nmerode nodos (centrales de generacin y subestaciones elctricas, bsicamente) y de ramas (lneas de

transporte). En ciertos nodos la potencia es inyectada en la red a partir de los grupos de

generacin, mientras que. en otros nodos, la potencia es detrada de la red para su consumo en las

cargas. El flujo de potencia, de unos nodos a otros, tiene lugar a travs de las ramas de la red. En

este sistema tpico, los consumos pueden ser satisfechos de diferente forma, existiendo numerosas

configuraciones posibles del Flujo de Potencia en la red.

A cada configuracin le corresponde una topologa de red concreta y un conjunto determinado

de valores de las siguientes variables: potencias consumidas por las cargas (P D+jQD), potencias

inyectadas por los grupos de generacin (PG+jQG), potencias que fluyen a travs de las ramas del

sistema (PB+jQB) y tensiones en sus nodos ( iV ) principalmente. En la bsqueda de la mejor

configuracin de rgimen estacionario posible, los medios de control del Flujo de Potencia,

tradicionalmente referenciados son los siguientes:

Par mecnico aplicado y excitacin para el control de la potencia producida PG+jQG por

los generadores sncronos.

Regulacin de condensadores y bobinas de compensacin, para el control de la potencia

reactiva QG, inyectada.

Regulacin automtica en carga de los transformadores de potencia, para el control de la

tensin iV en un nodo.

El control del Flujo de Potencia ha de ser realizado, de tal forma que resulten satisfechas las

restricciones de desigualdad (I), caractersticas del estado normal de operacin. Para ello, han de

ser evaluadas, principalmente, las siguientes variables:

Tensiones Vi, en los diferentes nodos de la red


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Corrientes Ii, a travs de las lneas de transporte

Potencias PG+jQGgeneradas por los grupos

2.3.2 Influencia de la generacin elica sobre la interaccin frecuencia-potencia activa (f-P)

Existen razones importantes para que la frecuencia de un sistema de energa elctrica sea

constante, aunque en la prctica han de admitirse pequeas variaciones. La causa de la variacin

de la frecuencia radica en el desajuste entre la potencia activa generada y la demandada en un

instante determinado.

Tal desajuste produce una variacin en la energa cintica almacenada en el rotor del

generador, que se obtiene a expensas de una variacin de velocidad -y por tanto, de frecuencia- de

los generadores. Por esta razn, la variacin de la frecuencia constituye un ndice del balance de

energa en el sistema, emplendose como seal de entrada en los dispositivos de control.Como la carga de un sistema vara continuamente, los sistemas elctricos cuentan

habitualmente con equipos automticos, destinados a mantener una frecuencia lo ms constante

posible. Estos equipos actan despus de detectar una desviacin de frecuencia modificando la

potencia producida, con lo cual minimizan las variaciones de frecuencia observables en el sistema

elctrico, aunque no las evitan de forma absoluta.

La integracin de la energa elica a gran escala, introduce un nuevo elemento sobre la

interaccin f-P en un sistema elctrico:

Las variaciones inesperadas de viento producen variaciones de la potencia activa PGgenerada

por los parques.

A altos niveles de penetracin elica en el parque nacional de generacin, estas variaciones de

potencia podran dar lugar a desajustes entre la generacin y la demanda de potencia del sistema,

lo que provocara variaciones en la frecuencia del mismo. Ello conduce a la necesidad de

desarrollar sistemas de control en los aerogeneradores con el fin de evitar una posible limitacin

en la conexin de los parques al sistema, al objeto de que no se degrade su funcionamiento.

2.3.3 Influencia de la generacin elica sobre la interaccin tensin-potencia reactiva (V-Q)

Los dispositivos elctricos que forman parte de un sistema elctrico, estn diseados para su

funcionamiento a su tensin nominal. Si existen variaciones de tensin, su comportamiento se ve

afectado y sus expectativas de vida decrecen cuanto mayores sean estas variaciones. En la prctica,

se admiten mrgenes de desviacin respecto a la tensin nominal, aunque los lmites de estos

mrgenes, no son tan estrictos como los de la frecuencia.

Entre los medios con que se cuenta, habitualmente, para efectuar el control de la tensin en

un sistema elctrico, se puede citar los siguientes:


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Sistemas de Control de Excitacin, en los generadores sncronos.

Bateras de condensadores y reactancias de compensacin, cada vez mas frecuentemente

combinados con regulacin a travs de semiconductores en la generacin asncrona.

Compensadores sncronos. Regulacin de la relacin de transformacin, en los transformadores de potencia.

Actuacin sobre la configuracin topolgica de la red.

Todas estas acciones de control de la tensin de los nodos, estn relacionadas con la inyeccin

de potencia al sistema: esencialmente, se considera que todo aumento de la potencia reactiva

inyectada en un nodo, produce un aumento de la tensin en ese nodo. A diferencia de las

variaciones de frecuencia, que ejercen un efecto global sobre todo el sistema, el efecto de las

variaciones de potencia reactiva Q es esencialmente local, afectando principalmente a la tensin de

los nodos en que se vara Q.

De forma anloga al caso de la frecuencia y en lo que al estado normal de operacin se refiere,

la influencia de la generacin elica sobre la tensin viene condicionada por los siguientes

factores:

1. Las variaciones de viento, que se traducen en variaciones de la potencia activa y

reactiva generada por los parques elicos y stas en variaciones de tensin en el nodo

de conexin, as como, eventualmente, en otros nodos cercanos (un incremento de

potencia reactiva implica un incremento de tensin)

Esto conduce a que sea necesario una contribucin por parte de los parques elicos a la

regulacin de tensin mediante el aporte o consumo de Q, al igual que los generadores

sncronos convencionales, evitando as una limitacin del nivel de penetracin elica

en la red.

2. Los parques elicos suelen estar equipados con bateras de condensadores y

transformadores de potencia con regulacin en carga. La regulacin de estos

transformadores contribuye al control de la tensin en los nodos generadores, esto es,a mantener la tensin alrededor de su valor nominal en bornas de mquina. De esta

manera se maximiza la capacidad de regulacin de reactiva por parte de los

aerogeneradores, y con ella, la regulacin de reactiva en el punto de conexin. Por otro

lado, la longitud total de las redes subterrneas internas de un parque elico, puede

ser lo suficientemente elevada como para aportar energa reactiva al punto de

conexin, e incrementar la tensin de ste, pero no de forma regulable.


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2.4 Anlisis de Flujos de Potencia

El adecuado funcionamiento de los receptores y de los diferentes elementos de la red requiere

que los valores de la tensin de servicio V estn limitados a un cierto intervalo, alrededor del valor

nominal. Una tensin demasiado elevada daara a los aislamientos y aumentara las prdidas en

el hierro de las mquinas; y una tensin demasiado baja normalmente ocasionara

sobreintensidades, calentamientos y aumento de las prdidas en el cobre, perjudicial

especialmente en el caso de motores y generadores. En subestaciones A.T.-M.T. y centros de

transformacin M.T.-B.T. la posibilidad de regular la tensin mediante el ajuste de la relacin de

transformacin en los transformadores de potencia, aumenta la amplitud del intervalo de tensiones

de red admisibles pero no los elimina, con lo cual siempre hay que tenerlos en cuenta:

maxi,mini, VVV

La capacidad mxima de transporte de las lneas elctricas viene fijada, principalmente, por la

mxima intensidad de corriente que puede circular de forma permanente por sus conductores,

lmite trmico impuesto por el calentamiento por efecto Joule:

max,ijji II

Los generadores presentan restricciones tcnicas en su funcionamiento, que afectan tanto a la

potencia activa PGcomo a la reactiva QG:

maxGi,GiminGi,

maxGi,GiminGi,

QQQPPP

Donde

maxGi,P lmite impuesto por la potencia mecnica mxima disponible

maxGi,Q lmite impuesto por la tensin interna mxima (mxima excitacin)

minGi,P limite impuesto por el rendimiento de la instalacin

minGi,Q limite impuesto por la estabilidad del generador

Para la evaluacin del impacto que la integracin de un Parque Elico produce sobre el estado

normal de operacin de un Sistema de Energa Elctrica, es necesario proceder al Anlisis del

Rgimen Estacionario, mediante tcnicas de Flujo de Potencia.

2.4.1 Planteamiento

Un estudio de Flujo de Potencia, o Flujo de Cargas, persigue la determinacin de las variables

elctricas tales como tensin, corriente y potencia, en los distintos puntos de una red de energa


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elctrica, en condiciones normales de funcionamiento. Como consideracin inicial, la red es tratada

generalmente como un sistema trifsico equilibrado y simtrico, en rgimen estacionario senoidal.

El mtodo de anlisis tradicionalmente empleado es el de anlisis por nodos, tomando el

neutro de la red como nodo de referencia, con lo cual las intensidades inyectadas en los nodos y

las tensiones nodales estn relacionadas a travs de las ecuaciones nodales de la red:

I= [Ynodal] V

En lugar de intensidades, en los estudios de Flujo de Potencia se suele trabajar con potencias

activas P y reactivas Q ya que, en cuanto al consumo, se considera que el comportamiento de la

demanda en Subestaciones Elctricas se adapta mejor al modelo de potencia constante que a otros.

Adems, en los nodos de la red donde existen grupos de generacin sncrona, la potencia activa PG

producida por stos depende de la potencia mecnica Pmec transmitida al generador por el

elemento motriz (turbina de vapor, de gas o hidrulica, motor diesel), mientras que la potenciareactiva QG est en funcin de la corriente de excitacin aplicada al rotor del alternador. En

principio, la presencia de un Parque Elico conectado a un nodo i de una red, significa una

inyeccin de potencia activa P, en dicho punto, as como un consumo o aporte de potencia reactiva

Q.

La presencia, en cualquier nodo de este sistema, de un Parque Elico compuesto por

aerogeneradores asncrono

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