ÁREA TÉCNICA Proyecto: Estudio y simulación sistemas de generación eólica de Sotavento. Eficiencia energética y compatibilidad electromagnética

La gran penetración de la energía eólica en nuestro país está obligando a considerar, en este tipo de instalaciones, determinados aspectos relacionados con la calidad de onda generada , su influencia en la red eléctrica y el comportamiento en la continuidad de suministro ante determinadas contingencias de la red (huecos de tensión y microcortes).

Consciente de ello, Sotavento Galicia , aprovechando las ventajas que le ofrecen sus instalaciones al disponer de diferentes tecnologías eólicas implantadas en el parque, pretende realizar un estudio comparativo de las mismas a partir de mediciones reales en referencia a la calidad de onda y la continuidad de generación ante perturbaciones.

Para ello, se han mantenido diferentes reuniones en el año 2004 con el Grupo de Electrotecnia y Redes Eléctricas de la Universidad de Vigo, concretándose la realización de este proyecto por parte de dicho organismo.

Los objetivos de dicho estudio abarcan los siguientes aspectos en los aerogeneradores presentes en el parque de Sotavento:

• Estudio comparativo de la calidad de onda en función del tipo de aerogenerador y a nivel de parque (fluctuaciones de potencia, interarmónicos...)
• Simulación de la influencia sobre la red eléctrica (flicker, armónicos, variaciones de tensión...) de parques con las distintas tecnologías. Comparación con los valores obtenidos en la etapa de medidas.
• Estudio de la eficiencia energética del parque y de las distintas tecnologías de aerogeneradores
• Análisis y simulación del comportamiento de los aerogeneradores ante perturbaciones en la red eléctrica ((huecos de tensión, variaciones de frecuencia…)
• Investigación de los posibles efectos que sobre la red eléctrica tendrían parque eólicos basados en alguna de las tecnologías existentes en Sotavento
• Estimación de la capacidad de las distintas tecnologías para adaptarse a los requisitos técnicos existentes en las normativas de reciente aparición, especialmente en los que se refiere al RD 436 / 2004.

Se estudiarán en detalle 8 modelos de aerogeneradores que se pueden encuadrar en 5 tecnologías distintas. Los estudios propuestos van más allá del comportamiento individual de cada máquina, ya que se evaluará, mediante simulación, el comportamiento de parques compuestos por cada una de estas tecnologías, tomando como referencia los resultados obtenidos en las máquinas de Sotavento.

Los aerogeneradores a estudio son los siguientes:

• ECOTECNIA 44 / 640 KW
• NEG MICON 900 KW
• IZAR 600 KW
• MADE 660 KW
• MADE 1300 KW : Asíncrono dos velocidades y Paso de pala fijo
• IZAR 1300 KW : Asíncrono dos velocidades y Paso de pala variable (pérdida aerodinámica activa)
• GAMESA G47 / 660 KW: Generador asíncrono doblemente alimentado y Paso de pala variable
• MADE 800 KW Generador Síncrono y Paso de pala variable

El estudio propuesto se ha dividido en las siguientes fases, las cuales se comentarán a continuación:

FASE 0 : Documentación previa

FASE A: Campaña de medidas y calidad de onda

FASE B: Estudio de eficiencia energética

FASE C: Simulación del comportamiento ante perturbaciones eléctricas

FASE D: Simulación del impacto sobre la red eléctrica

• Documentación previa
  
  El paso previo al estudio es el conocimiento de la configuración actual del parque de Sotavento, siendo los datos más relevantes:
  • Características eléctricas y mecánicas de los aerogeneradores
  • Características de los transformadores y líneas subterráneas hasta la subestación
  • Características de la subestación
  • Características de las líneas de evacuación de energía eléctrica
  • En cuanto a su comportamiento, es necesario conocer parámetros eléctricos básicos del funcionamiento de las instalaciones, ya sea a nivel de máquina como de parque, en distintas condiciones de viento, a saber:
  • Históricos de las condiciones de viento a nivel de parque y máquina
  • Potencia activa y reactiva a nivel de parque y máquina
  • Comportamiento de la tensión en los distintos puntos de las instalaciones
  
  Toda esta documentación está siendo puesta a disposición de la Universidad de Vigo por parte de Sotavento.
• FASE A: Campaña de medidas y calidad de onda
  
  La primera fase consiste en la realización de una campaña de medidas orientada a aspectos de detalle de la calidad de onda y de suministro, tanto a nivel de parque como a nivel de máquina. El objetivo de esta campaña de medidas se divide en función de las características especiales de las medidas a realizar. Por una parte está el estudio de los parámetros clásicos a los que hacen referencia en la normativa española ( UNE-EN 50160:2001: “Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución”) que se realizarán con un equipo comercial. Estas medidas abarcaran aspectos como:
  • Variaciones de tensión (lentas y rápidas)
  • Tasa de distorsión armónica
  • Desequilibrio en la tensión de alimentación
  • Impulsos de tensión
  
  La influencia de los aerogeneradores en la red eléctrica va más allá de los aspectos clásicos de calidad de onda como los recogidos en el apartado anterior, siendo necesario la medición de más variables. A continuación se enumerarán algunos de estos puntos:
  • La naturaleza aleatoria del viento hace que la potencia inyectada a la red siga un patrón similar. A este efecto será necesario superponer efectos como la sombra de torre que provocan oscilaciones de baja frecuencia que se superponen al comportamiento aleatorio mencionado .
  • La influencia de los equipos de electrónica de potencia de los que se dotan los actuales aerogeneradores son no sólo fuente de armónicos sino también de interarmónicos, incluso a frecuencias superiores a las recogidas en la normativa actual. Es por ello necesario un equipo capaz de detectar armónicos de alta frecuencia, los cuales generalmente quedan fueran de las especificaciones de la mayor parte de los equipos .
  • Los aerogeneradores doblemente alimentados o los conectados a red a través de un enlace CA/CA hacen gala de un control de la potencia entregada a la red. De esta forma las fluctuaciones de la potencia inyectada a la red eléctrica quedan atenuadas en gran medida, así como los esfuerzos que soportan los elementos mecánicos ante las variaciones de viento. No obstante, es necesario registrar la potencia a la salida del aerogenerador ya que, en este caso, la habilidad para conseguir dichos propósitos depende en gran medida de la adecuada elección de los algoritmos de control empleados. Todos los aspectos mencionados son de necesaria consideración cuando se trata de estudiar la influencia sobre la red eléctrica de una energía eólica en continuo crecimiento.
  
  En este caso, las medidas a realizar han de estar basadas con un registrador específico que permita un muestreo de alta frecuencia y de larga duración de las formas de onda a la salida del aerogenerador. Para ello, en este proyecto se contempla además la utilización de equipos desarrollados en el departamento de Ingeniería Eléctrica que cubran estos aspectos. Esta campaña de medidas abarcará únicamente a aquellos aerogeneradores que se consideren representativos de una determinada tecnología. El tiempo de medida para cada uno de los aerogeneradores ha de ser suficiente como para tener situaciones representativas de su funcionamiento.

 

• FASE B: Estudio de eficiencia energética
  
  Uno de los aspectos fundamentales en cualquier sistema de producción de energía eléctrica es la evaluación de la eficiencia energética, entendiendo como tal, el grado de aprovechamiento de los recursos energéticos de los que se dispone. El primer aspecto a evaluar será el relacionado con las pérdidas de energía en los distintos puntos relacionados con la evacuación de la misma, esto es: transformadores, conductores, líneas... En este punto se evaluará el efecto de los convertidores de potencia en aquellas tecnologías que los incluyan. Este último aspecto será de gran importancia debido a la cada vez mayor penetración en el mercado de los aerogeneradores doblemente alimentados o síncronos con enlace CA/CA. Otro aspecto relacionado con la eficiencia será el de comparar la producción de las distintas tecnologías en condiciones de viento similares. En esta parte del estudio resulta esencial toda la información de datos históricos disponibles en Sotavento, especialmente el hecho de su sincronización, ya sea de la potencia inyectada a la red como la de las distintas medidas de viento.

 

• FASE C: Simulación del comportamiento ante perturbaciones eléctricas
  
  La penetración cada vez mayor de la energía eólica en la red eléctrica hace necesario conocer su comportamiento ante las perturbaciones que son habituales en ella. A esto se une una exigencia cada vez mayor para que los parques eólicos garanticen cierta inmunidad, contribuyendo al mantenimiento de la estabilidad de la red, hecho que se ve acentuado por las tendencias normativas tanto europeas como nacionales. El comportamiento ante las mencionadas perturbaciones, siendo especialmente relevantes las relacionadas con las variaciones de tensión, está íntimamente relacionada con la tecnología empleada. De esta forma, ante una disminución de la tensión un aerogenerador asíncrono reacciona con intensidades similares a las del arranque directo de un motor, mientras que para un sistema doblemente alimentado, la situación más probable es la de su desconexión con el fin de proteger a la electrónica de potencia. En este proyecto se realizará un importante estudio de simulación, que permita no sólo establecer cual es el comportamiento de las máquinas de Sotavento, sino que permita predecir, y por lo tanto extrapolar, el comportamiento de un parque compuesto por máquinas de idéntica tecnología, tal y como suele ocurrir en parques distintos a Sotavento.
  
  En esta fase se evaluarán las posibilidades de las tecnologías analizadas para adaptarse a las nuevas exigencias técnicas provenientes de los organismos reguladores, en concreto lo que se refiere al RD 436/2004. Exigencias, que por otra parte, se pueden ir ampliando o complementando con otras normas que puedan surgir a lo largo del desarrollo del proyecto. El estudio de estas exigencias deberá conducir a la obtención de las capacidades actuales de las nuevas tecnologías, así como a las propuestas en cuanto al estado de su conexión a la red eléctrica (tarado de protecciones, compensación de reactiva...). Además, se estudiarán posibles estrategias de control que permitan la mejora de prestaciones de los aerogeneradores.

 

• FASE D: Simulación del impacto sobre la red eléctrica
  
  Un aspecto complementario a lo comentado en el apartado anterior es el impacto que sobre la red eléctrica tienen las distintas tecnologías de aerogeneradores. Persiguiendo la generalización de las conclusiones es necesaria la simulación de parques con distintas tecnologías en exclusiva y en distintas condiciones tanto eólicas como eléctricas, utilizando para ello los datos obtenidos en el estudio del parque de Sotavento. En cuanto a las condiciones eléctricas es de especial importancia el estudio de distintas características de la red eléctrica a la que se conecta en parque. Estudiándose en este caso, la influencia en cuanto a las características del punto de conexión según la normativa vigente.
  
  Las dos fases anteriormente mencionadas (Fase C y Fase D) requieren un importante esfuerzo de simulación del funcionamiento de las distintas tecnologías de aerogeneradores. Esto lleva asociado un modelado para lo que es necesaria una recopilación de los datos tanto eléctricos como mecánicos de los distintos aerogeneradores, datos que están disponibles en el parque eólico de Sotavento.

En el mes de noviembre (2004), se ha iniciado la fase de medidas mediante la instalación de un analizador TOPAS y un analizador propio (U.Vigo) para muestreo de alta frecuencia y de larga duración de la onda generada en el aerogenerador número seis (6) de Made. Adicionalmente, se ha instalado simultaneando con el período de medidas en dicho aerogenerador un anemómetro en el buje para el registro de datos instantáneos de las variables del viento incidente y ver su influencia en la calidad de energía eléctrica generada. Significar que las mediciones de viento del anemómetro, existente de serie en cada aerogenerador, sólo se almacenan medias diezminutales con lo que no sirven para el análisis dinámico que se pretende en el proyecto.

Este período de medidas se irá extendiendo de aerogenerador a aerogenerador hasta completar los 8 a estudio, una vez se hayan dado todas los regímenes de viento y las condiciones de red a evaluar.

El alcance del proyecto se pretende ejecutar a lo largo del 2005 sin tener en cuenta posibles condicionantes de nuevas normativas técnicas que obliguen a introducir nuevos campos o conceptos a estudiar, con la consiguiente prolongación en el tiempo del proyecto.