Modelos de aerogeneradores

MODELOS DE AEROGENERADORES PARA ESTUDIOS DE ESTABILIDAD DE SISTEMAS ELÉCTRICOS M. González, L. Rouco
Instituto de Investigación Tecnológica, Universidad Pontificia Comillas Alberto Aguilera 23, 28015 Madrid

M. Alonso, J.R. Diago, F.J. Pérez
Empresa Nacional de Electricidad, S.A. Príncipe de Vergara 187, 28002 Madrid RESUMEN Este artículo presenta los modelos dinámicos de aerogeneradoresdesarrollados para un paquete de programas de simulación de sistemas eléctricos comercial. Se describen los modelos de los componentes de los aerogeneradores: la máquina asíncrona, la turbina eólica, los condensadores de compensación y su control, y las protecciones. Se muestra la respuesta de un parque eólico que utiliza los aerogeneradores descritos ante dos tipos de perturbaciones: variaciones delviento y faltas en la red próxima. Palabras clave: estabilidad, aerogeneradores, generadores asíncronos, turbinas eólica, protecciones. 1. Introducción La conexión de los parques eólicos a las redes eléctricas presenta problemas de diferente naturaleza. Estos problemas se derivan de la naturaleza del elemento de conversión electromecánico de energía (la máquina asíncrona) y de la característicaaleatoria de la fuente de energía primaria (el viento). La máquina asíncrona carece de capacidad de regulación de tensión y frecuencia y absorbe potencia reactiva en todo su margen de funcionamiento. Es preciso pues, que la red a la que está conectada proporcione la potencia reactiva que necesita y mantenga la tensión y frecuencia en sus bornes ante variaciones de la carga. Por otro lado, lapotencia desarrollada por la turbina eólica que acciona el generador asíncrono depende de la velocidad del viento. Estos problemas pueden tener diferente impacto dependiendo de las características de la red a la que está conectado el parque: red aislada o sistema interconectado. En cualquier caso, la conexión de un parque eólico a una red requiere la realización de estudios detallados tanto de régimenpermanente como de régimen dinámico para valorar con precisión su impacto [1]. Este artículo describe los modelos dinámicos desarrollados para un paquete de programas de simulación comercial ampliamente utilizado por la industria eléctrica española [2]. Estos modelos se han desarrollado utilizando la capacidad de este paquete para incorporar “modelos definidos por el usuario”. Este artículo contieneotras tres secciones. La segunda sección del artículo expone los modelos de los componentes del aerogenerador desarrollados e implantados para el estudio del funcionamiento en régimen dinámico de los parques eólicos. La tercera sección muestra los resultados de simulaciones, que ilustran la respuesta típica de los aerogeneradores ante dos tipos de perturbaciones: (i) variaciones en la velocidaddel viento, y (ii) faltas en la red próxima al parque. La cuarta sección resume las conclusiones más importantes obtenidas de los estudios realizados. 2. Modelos de los componentes del aerogenerador 2.1 Máquina asíncrona El modelo de máquina asíncrona contemplado es el habitual en estudios de estabilidad de sistemas eléctricos: se desprecian los transitorios de los circuitos del estator [3]. Encada paso de integración de la simulación numérica, el generador de inducción de jaula simple se puede representar como una fuente de tensión E ′ detrás de una impedancia transitoria jX ′ (figura 1).

E′

X′

V I

~

Figura 1. Equivalente Thevenin del generador asíncrono de simple jaula de ardilla. Las ecuaciones eléctricas (diferenciales y algebraicas) de la máquina asíncrona de jaulasimple expresadas en magnitudes unitarias referidas a la potencia base de la máquina y considerando el criterio de generador (intensidad saliente y deslizamiento positivo) son: dE ′ −1 = E ′+ j( X− X ′)I + jE ′sω 0 ′ dt T 0

[

]

(1) (2) (3)

E ′=V− jX ′⋅I Pe =Re E ′⋅I ∗

{

}

Los parámetros de las ecuaciones (1), (2) y (3) (reactancia a circuito abierto en pu X , la reactancia...