Tema 3. Estrategias de Regulación (Sistemas Eólicos) 2024-2025 PDF

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Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos Fundamentos de energías de energías renovables renovables BLOQUE A: SISTEMAS EÓLICOS Tema 3. Estrategias de regulación Pablo Sanchis Gúrpide Curso 2024-2025 [email protected] Dpto. de Ing. Eléctrica, Electrónica y de Comunicación 1 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables 3.1 Control de la potencia captada: paso variable Necesidad de limitar la potencia Ø La potencia extraíble del viento depende de su velocidad al cubo. Ø Con velocidades de viento elevadas la potencia puede llegar a valores muy altos. Ø Estas velocidades altas únicamente se dan durante cortos periodos de tiempo, por lo que energéticamente tienen poco valor. Ø El diseñador del aerogenerador debe elegir la velocidad del viento a la que se alcanza la potencia nominal de la máquina para minimizar el coste de energía (COE) Potencia extraíble del viento Potencia extraíble A partir de la velocidad nominal Potencia nominal se debe limitar la potencia captada por el aerogenerador. U1>UN velocidad nominal (Si se trabajara a potencia mayor a la nominal los componentes del aerogenerador se deteriorarían rápidamente e incluso se podrían U1 destruir) velocidad de viento 2 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Ø Por encima de la velocidad nominal de viento, las turbinas deben controlar la potencia para que sea igual en todo momento a su valor nominal. Para ello, regulan el ángulo de paso, realizando lo que se conoce como control de pitch y funcionando con “paso variable”. Ø Por debajo de la velocidad nominal de viento, las turbinas controlan la velocidad de giro, para conseguir extraer la máxima potencia. Por ello, en esta zona se habla de “velocidad variable”. 3 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Funcionamiento de las máquinas de paso variable: pitch control Ø Los aerogeneradores de paso variable regulan su potencia mediante el giro de las palas sobre su eje, es decir, variando su ángulo de paso. Ø Para las velocidades de viento superiores a la velocidad nominal (U1 > UN), en las que el aerogenerador debe limitar la potencia captada a su valor nominal, el aerogenerador gira a una velocidad constante e igual a la velocidad máxima de giro, mientras que varía su ángulo de paso. Ø En la actualidad, todos los grandes aerogeneradores comerciales que se instalan son de paso variable. Ø Las máquinas de paso variable también reciben la denominación de máquinas con control de pitch (paso), en alusión al control que se realiza del ángulo de paso de las palas. 4 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Condiciones aerodinámicas en un aerogenerador de paso variable Ø Funcionamiento a potencia menor a la nominal q La posición de la pala no se modifica. Se quiere trabajar con el ángulo de ataque óptimo -> ángulo de paso de diseño (βopt), que habitualmente se toma como cero. Ø Funcionamiento a velocidades mayores a la nominal q La pala se gira hacia el viento (β > βopt) para reducir el ángulo de ataque por debajo del óptimo y de esta forma reducir la potencia captada de forma controlada. W×r plano de rotación viento alto pero 1.5 astall sin modificar β astall 1 U W 0.5 viento alto Cl, Cd controlando β 0 β > βopt a (º) W×r -10 -0.5 0 10 acrit 20 Reducción de potencia -1 de forma controlada U W a 5 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables A su vez: Ø Para limitar las solicitaciones al control del pitch durante las ráfagas, esta técnica habitualmente se utiliza junto a velocidad variable. Ø Este control proporciona otras ventajas como son la posibilidad de aumentar la eficiencia del sistema, el par de arranque, disminución de las cargas con grandes velocidades del viento y freno aerodinámico de emergencia (posición “bandera”). Ø El principal inconveniente es el coste y la fiabilidad. Ø Hay dos opciones para implementar el control de pitch: hidráulico y eléctrico. El eléctrico es más rápido, por lo que puede también utilizarse para atenuar las cargas cíclicas. 6 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables 3.2 Operación a velocidad variable Ø Las curvas de potencia captada de una turbina Pc en función de la velocidad de giro Ω para diferentes velocidades de viento U (obtenidas multiplicando la curva Cp-lambda por la potencia disponible de cada velocidad de viento) tienen un máximo que se va desplazando con la velocidad de giro conforme aumenta la velocidad de viento. Ø En todos esos máximos, lambda es λopt y (lógicamente) constante. Ω,- 1 *= !! = & ' (" ) # ) 2 U6 Potencia obtenida en función de la velocidad de viento para W constante Pc (por ejemplo, de 0,8 en pu) U5 Potencia obtenida en función de la velocidad de viento para W variable U4 Ø Si Ω fuese fija, la máquina no podría trabajar en condiciones óptimas más U3 que para una velocidad de viento U2 U1 concreta. Ø Si es variable, podrá extraer la máxima potencia para cualquier Ω velocidad de viento. 7 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Máquinas de velocidad variable Ø Para que el generador pueda funcionar a velocidad variable necesitamos alimentarlo a frecuencia variable: convertidor electrónico Captador Tren mecánico Generador Acondicionador Transformación y salida a red eólico Freno Ω1 Ω2 Amplio rango de Ω (Ωmin, Ωmax) 8 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Ø Si la máquina puede regular su velocidad, puede conseguirse que los perfiles de las palas trabajen con el mismo ángulo de ataque para todas las velocidades de viento: Ω variable (y regulable) α constante U variable Ø Se regulará la velocidad de la máquina (Ω) para que siempre se trabaje en el ángulo de ataque óptimo (αopt) velocidad de giro proporcional al viento. Ø A velocidades de viento bajas el con poco viento aerogenerador girará despacio permitiendo obtener αopt y Cp,max a Ø Conforme la velocidad de viento aumenta la velocidad de giro deberá aumentar de forma con viento nominal proporcional para mantener αopt y Cp,max Ø Por tanto, la máquina trabajará en todo momento a con λ óptimo (λopt). Hay que recordar que la máquina está en todo momento funcionando por debajo del punto nominal y que, por tanto, el pitch se mantiene a su valor óptimo (típicamente 0º). 9 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Ventajas de la operación a velocidad variable Ø Aumento de la eficiencia a bajas velocidades de viento al poder trabajar a λ óptimo (y por tanto Cp máximo). Este aumento únicamente se da en velocidades inferiores a la nominal por lo que el aumento energético apenas alcanza el 10%. Ø Se puede trabajar con velocidades más pequeñas. Ø Se reducen las fluctuaciones de potencia eléctrica entregadas a la red. Ø Se reducen las cargas variables (turbulencias, sombra de torre, etc.) en el tren mecánico. Ø Se limita el par máximo en el tren mecánico, lo que permite disminuir el coeficiente de seguridad utilizado en el dimensionado del generador con respecto a las máquinas de velocidad fija. Ø La única “desventaja” es que requiere un convertidor electrónico, que aumenta el coste del sistema y reduce ligeramente su eficiencia. 10 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables 3.3 Regulación de las turbinas de velocidad variable y pitch variable: regiones de operación Ø El esquema de regulación de los aerogeneradores de velocidad variable y pitch variable distingue básicamente tres regiones de operación: q Región 1, parada (“parking mode”) q Región 2, control de velocidad (“torque control”, ”generator control”, ”speed control”) q Región 3, control de pitch (“pitch control”) 11 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Ø Región 1, de parada q El aero está frenado y las palas en bandera. La velocidad de viento es tan baja que no compensa arrancar debido a las pérdidas internas y al desgaste de los materiales. Ø Región 2 es la zona de trabajo óptima q La velocidad de viento es inferior a su valor nominal. q La potencia de la turbina es inferior a su valor nominal. q En esta zona, el control de la turbina permite variar la velocidad de giro conforme varía la velocidad del viento. q El pitch β de las palas está en su valor pitch óptimo (bopt), que se toma generalmente como 0º. La curva Cp-λ de este pitch óptimo es la que permite alcanzar Cp,max. Ningún otro pitch permite tener una curva Cp-λ que permita alcanzar un mayor Cp. q La turbina trabaja siempre con el mismo valor de λ, el lambda óptimo (λopt) que permite alcanzar el Cp máximo (Cp,max) de la curva Cp-λ. q Cuando se tiene λopt y bopt, el ángulo de ataque es el óptimo (αopt) en todas las secciones de las palas. Es lo mismo que decir que las palas consiguen extraer la máxima cantidad de energía, es decir, Cp es máximo. 12 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Ø Región 3, es la región de potencia nominal q La velocidad de viento es igual o superior a su valor nominal q La velocidad de giro de la turbina está en su valor nominal q La potencia está también limitada a su valor nominal, y el ángulo de pitch será el que corresponda al Cp necesario para mantener la potencia en su valor nominal: 1 2 !% !! = & ' (" )$# = !% (" = 2 & ' )$#. Ω&'( - *= )$ q Conforme varía el pitch, las palas trabajan en curvas Cp-λ diferentes. q Lambda varía conforme varía el viento. No se puede controlar, ya que la velocidad de giro es siempre la nominal. 13 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables Curvas de Cp en función de l y b para una pala comercial Cp-lambda for different pitch angles (LM48.3P blade) b -20 -19 0,5 -18 Cp,max -17 -16 -15 0,45 -14 -13 -12 -11 0,4 -10 -9 -8 Cp 0,35 -7 -6 -5 -4 0,3 -3 -2 -1 Región 3 0 0,25 1 2 3 4 0,2 5 4 6 8 10 12 14 16 18 6 λopt (Región 2) Lambda Ω- *= )$ 14 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables 3.4 Regulación de la velocidad utilizando la curva de potencia máxima Ø Si unimos todos los puntos de máxima potencia correspondientes a distintas velocidades de viento se obtiene una curva cúbica (tanto respecto de U1 como de Ω): P=1/2·Cp,max·ρ·A·U13 =1/2·Cp,max·ρ·A·(R/!opt)3·Ω3 Ø La técnica consiste en q Medir la velocidad de giro Ω q Introducir dicho valor en la curva cúbica y obtener la potencia de referencia a extraer q Hacer trabajar al generador eléctrico con esa potencia (o con el par equivalente) q La técnica presenta como ventaja la gran sencillez de implementación y como inconveniente la necesidad de conocer la curva de antemano. U1 Pe curva cúbica óptima P Pref Tem W x W ÷ 15 Tema A3. Estrategias de regulación Fundamentos de energías renovables 3.5 Coordinación entre el control del generador y el de pitch Ø Las tareas que deben realizar de forma coordinada los controles de pitch y generador son, principalmente: q Para velocidades de viento inferiores a la nominal (carga parcial), se debe mantener el pitch en su posición óptima de diseño (βopt) y variar la velocidad para obtener λopt. q Para velocidades de viento superiores a la nominal (plena carga), se debe variar el pitch para limitar la potencia extraída y la velocidad de giro a sus valores nominales. Ø Estas tareas se pueden llevar a cabo a partir de diferentes esquemas de control, aunque el habitualmente utilizado es el siguiente: Curva cúbica óptima P Pref Te GENERADOR PI + W + - CONVERTIDOR P I V CALCULO DE P W Wmax + Db + bref PI ACTUADOR - (pitch) + bopt 16