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Requerimientos de Operación deParques Eólicos ante Huecos de

Tensión según Po 12.3 Español

En Español

Gerard del Rosario, Eduard Valsera,

Marcela Martínez CITCEA

Julio 2008

Artículo - RenovablesRenovables

Renovables

REQUERIMIENTOS DE OPERACIÓN DE PARQUES EÓLICOS ANTE 

HUECOS DE TENSIÓN SEGÚN PO 12.3 ESPAÑOL 

Gerard del Rosario, Eduard Valsera, Marcela Martínez

CITCEA - UPC

1 Introducción En los últimos años se ha presentado un crecimiento considerable de la potencia eólica instalada. Debido a que el viento como fuente de energía primaria no se puede controlar, el aumento de su penetración introduce mayor inestabilidad a la red, por ello se deben tomar medidas que garanticen la continuidad de suministro frente a huecos de tensión. Actualmente en España el Operador del Sistema ha establecido mediante el Procedimiento de Operación PO 12.3 los requerimientos de operación que toda instalación eólica que se conecte a la red debe cumplir.

Este documento pretende describir a grandes rasgos los parques y las posibilidades de control, así como exponer las principales características de este Procedimiento de Operación.

2 Descripción general de los parques eólicos Un parque eólico es una instalación que tiene la finalidad de generar energía eléctrica a partir de la energía del viento; también llamada energía eólica. La extracción y conversión de energía eólica a energía eléctrica se realiza de manera independiente en cada aerogenerador. Aunque el hecho de que se trate de una energía renovable supone una gran ventaja, presenta por el contrario el inconveniente de la gran variabilidad del viento. Dicha variabilidad influye negativamente ya que no se puede contar siempre con esta fuente de energía ni tampoco se pueden hacer predicciones precisas.

Un parque eólico está formado por aerogeneradores que funcionan independientemente. Estos aerogeneradores generalmente se encuentran conectados en cascada y repartidos en varías líneas. Debido a que los aerogeneradores suelen generar electricidad a baja tensión, éstos tienen en su base un transformador para elevar la tensión para minimizar pérdidas hasta la subestación del parque. En la subestación del parque convergen todas las líneas de los aerogeneradores e inyectan la potencia en la red eléctrica a través de un único punto mediante un transformador; se eleva aún más la tensión para adecuarla con la red de transporte.

Figura 1: estructura general de un parque

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En cada aerogenerador se pueden distinguir principalmente dos tipos de mecanismos o elementos: los puramente mecánicos y los eléctricos. La energía mecánica del viento se transmite gracias a la turbina eólica y a su eje hasta la caja de cambios. La caja de cambios transmite esta energía, adecuando la velocidad rotacional, al eje del generador eléctrico. Éste transforma la energía mecánica en energía eléctrica. El convertidor permite controlar el generador eléctrico y se usa o no en función del tipo de máquina del que se disponga. El transformador eleva la tensión para inyectar la energía en la red eléctrica.

Figura 2: esquema básico de un aerogenerador

Para optimizar la energía del viento y para no someter a esfuerzos excesivos al aerogenerador se debe ejercer algún tipo de control sobre la potencia. Existen principalmente dos regiones de operación: por debajo de la velocidad de viento nominal y por encima de la misma. Cuando se está por debajo de la velocidad de viento nominal interesa extraer toda la energía que sea posible del viento, con lo que la mejor opción sería las máquinas de velocidad variables. Este tipo de máquinas permiten conseguir el par óptimo mediante la variación de la velocidad de rotación del generador eléctrico; gracias al convertidor se puede acoplar el sistema con la red eléctrica. Cuando se está por encima de la velocidad de viento nominal interesa limitar la potencia que se extrae del viento. Para esto se actúa directamente en las aspas de la turbina; algunas están diseñadas para producir turbulencias cuando se sobrepasa la velocidad nominal (“passive stall”) y en otras se giran las aspas. Existen principalmente dos métodos para limitar la potencia cuando se giran las aspas: provocando turbulencia (“pitch-to-stall”) o aumentando el ángulo para extraer menos potencia (“pitch-to-feather”).

3 Comportamiento de los parques ante huecos de tensión. La normativa P.O.12.3

La red a la que están conectados los parques eólicos sufre cortocircuitos con relativa frecuencia. La aparición de un cortocircuito provoca huecos de tensión más o menos severos en los nudos de interconexión de los parques de la red. Dado que los parques tienen sistemas de protección que se pueden activar cuando se producen los huecos y pueden dejar de operar en condiciones aceptables para el operador de red, se creó un procedimiento de operación ante huecos de tensión (P.O. 12.3) que deben cumplir todas las instalaciones eólicas que deseen conectarse a la red.

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Desde el punto de vista de la continuidad de suministro, la configuración menos recomendable es la de velocidad fija (ver tabla 1(a)), ya que la velocidad de giro de las palas de la turbina aumenta y pueden disparar las protecciones de sobrevelocidad. La configuración de aerogeneradores doblemente alimentados (DFIG, Doubly fed induction generator) soporta parcialmente los huecos de tensión, mientras que las configuraciones con convertidor para la potencia nominal son las que mejor los soportan.

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Configuración Esquemas Regulación

potencia mecánica

Regulación velocidad

Regulación potencia activa

Regulación potencia reactiva

Velocidad fija

Passive

stall

Pitch-to-

stall

Pitch-to-

feather

Cambio de nº

de pares de

polos

Regulación lenta

(pitch), o nula

(passive

stall).Transmisión a

la red de

variaciones de

potencia eólica

Regulación

escalonada de

reactiva

absorbida de la

red mediante

banco de

condensadores

DFIG

Pitch-to-

stall

Pitch-to-

feather

Regulación

mediante

convertidor

de frecuencia

actuando

sobre el rotor

Regulación precisa

a distintas

velocidades de giro

mediante

convertidor de

frecuencia

actuando sobre el

rotor.

Dimensión del

convertidor: 20% de

potencia nominal

Regulación

precisa a

distintas

velocidades de

giro mediante

convertidor de

frecuencia

actuando sobre el

rotor

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Tabla 1(a) Esquemas y control de las configuraciones más usuales

Configuración Esquemas Regulación

potencia mecánica

Regulación velocidad

Regulación potencia activa

Regulación potencia reactiva

Velocidad variable con convertidor

para la potencia nominal

Pitch-to-

stall

Pitch-to-

feather

Control

dinamico de

par, utilizando

el convertidor

de frecuencia

y actuando

sobre el

ángulo de las

palas.

Regulación

mediante

convertidor de

frecuencia.

Buen

comportamient

o en transitorios

(desacople)

Dimensión del

convertidor:

100% de

potencia

nominal

Regulación

mediante

convertidor de

frecuencia.

Buen

comportamient

o en

transitorios

(desacople)

Tabla 1(b) Esquemas y control de las configuraciones más usuales

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3.1 Requisitos de continuidad de suministro

Para una producción de origen eólico inferior al 5% de la potencia de cortocircuito en el punto de conexión a red, el parque debe permanecer conectado siempre que se produzcan regímenes transitorios de las tensiones fase-tierra dentro de la zona sombreada de la figura 2.

Figura 3: curva tensión-tiempo del área de los transitorios de hueco de tensión que debe soportar la instalación en el punto de conexión a red. Tensión fase-tierra correspondiente a las fases en falta.

Si la falta que provoca el hueco es un cortocircuito bifásico aislado de tierra, el límite inferior de tensión durante la falta es de 0,6pu en vez de 0,2pu.

3.2 Requisitos de generación de potencia En lo que se refiere a los consumos de potencia activa y reactiva por parte de la instalación durante los transitorios de hueco de tensión, el P.O.12.3 hace una distinción entre las faltas trifásicas y las mono y bifásicas.

Para las faltas trifásicas, la normativa no admite consumo de potencias activa ni reactiva. Aún así, sí que se contemplan consumos puntuales, recogidos en la siguiente tabla:

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Potencia consumida en un ciclo ( ) msciclo 20_1 =

Durante los 150ms posteriores al

inicio de la falta

Durante los 150ms posteriores al despeje

de la falta Durante el resto

de la falta

consumidaQ alnoQ min%60≤ alnoQ min%60≤ Consumo prohibido

consumidareactivaI _ No especificado alnoreactivaI min_5,1≤ Consumo prohibido

consumidaP No especificado No especificado alnoP min%10≤

Tabla 2: Consumos de potencia puntuales admisibles (faltas trifásicas)

Durante las faltas trifásicas, la normativa indica que la instalación debe generar la máxima intensidad reactiva posible. Tanto durante los 150ms posteriores al inicio de la falta, como durante los 150ms posteriores al inicio del despeje, la instalación debe funcionar en puntos dentro de la zona sombreada de la figura 3.

Figura 4: funcionamiento admisible durante los primeros 150ms de falta y 150ms de recuperación de tensión, en función de la tensión en el punto de conexión

En el caso de faltas mono y bifásicas, la normativa tampoco admite consumo de potencias activa ni reactiva. Aún así, sí que se contemplan consumos puntuales, recogidos en la tabla 3.

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Potencia consumida

puntual

Durante los 150ms

posteriores al inicio de la

falta

Durante los 150ms

posteriores al despeje de la

falta

Durante el resto de la falta

Qconsumida No especificado No especificado alnoQcicloQ min%40)_1( ≤

msQE alnofaltareactiva 100*%40 min_ ≤

Pconsumida No especificado No especificado alnoPcicloP min%30)_1( ≤

msPE alnofaltaactiva 100*%45 min_ ≤

Tabla 3: Consumos de potencia puntuales admisibles (faltas mono y bifásicas)

4 Conclusiones • Existen diferentes configuraciones de aerogeneradores que ofrecen distintas

opciones y capacidades de control. La DFIG ofrece buenas posibilidades de

control a precios razonables, debido a esto y a la entrada en vigor del PO 12.3 su

implantación se ha visto favorecida.

• Los modernos aerogeneradores con convertidores para potencia nominal del

aerogenerador son los que mayores posibilidades de control ofrecen, aunque con

el inconveniente de un elevado coste. Esta tecnología permite un desacoplo de la

red frente a faltas, lo que les garantiza permanecer conectados aun en presencia

de huecos de tensión.

• Frente a cortocircuitos se requiere, en general, que los aerogeneradores

permanezcan conectados soportando la red, pero sin alimentar la falta. Sin

embargo en todos los casos se admiten pequeños consumos puntuales al inicio o

inmediatamente después del despeje de la falta.

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