Vientos de cambio

En todo el mundo se están instalando turbinas eólicas a un ritmo frenético. Con la enorme inversión de capital en este tipo de equipos es esencial elegir la mejor tecnología, la cual permita ofrecer un desempeño adecuado para los proyectos de generación mediante esta fuente de energía.

Por Erko Lepa, Tobias Thurnherr, Alexander Faulstich.

En la actualidad, los conceptos de transmisión eléctrica de alimentación doble y conversión total dominan en las turbinas eólicas para aplicaciones de generación comercial. Las diferencias principales entre ambos principios son el tipo y el tamaño del generador y la función del convertidor. El mercado ha estado dominado por el generador de inducción de alimentación doble, pero el diseño de conversión total está aumentando su cuota de mercado. Son varios los factores que determinan este cambio; entre ellos el cumplimiento de los códigos de red y la generación optimizada con vientos de baja velocidad.

Respecto de la conversión total, el convertidor desconecta tanto el generador y como la transmisión mecánica de la red, y toda la energía generada llega a la red a través del convertidor. Éste se encarga de controlar el par y la velocidad del generador.

Hay tres variantes en el concepto de conversión total, cada uno de los cuales utiliza diferentes soluciones para la caja reductora y el generador: de baja velocidad (o transmisión directa), de media velocidad y de alta velocidad. En todos los casos se suelen utilizar generadores síncronos de imanes permanentes (PMSG) y generadores de inducción de jaula de ardilla (SCIG).

Conversión total de baja velocidad
El convertidor total de baja velocidad (LSFC), también conocido como de transmisión directa sin reductora, utiliza un generador de gran diámetro y baja velocidad (hasta 30 rpm). Se suelen utilizar generadores síncronos de imanes permanentes o de excitación independiente con un solo cojinete.

Conversión total de velocidad media
En el convertidor total de velocidad media (MSFC) se utiliza una reductora de una o dos etapas con un generador compacto de imán permanente de velocidad media (MS PMG). La velocidad nominal del generador ocasiona menos esfuerzos mecánicos a consecuencia de la menor velocidad y a la solución de reductora integrada. La reductora integrada contribuye a disminuir el tamaño total.

Conversión total de alta velocidad
El convertidor total de alta velocidad (HSFC) funciona a entre 1 mil y 2 mil rpm. Es mecánicamente similar a la máquina de inducción de alimentación doble y utiliza una reductora normal de tres etapas. El tamaño total es pequeño. Las ventajas principales son menor peso y menor tamaño del generador.

Elección de la transmisión
Como cada tipo de transmisión da lugar a pesos, tamaños y necesidades de mantenimiento de la turbina diferentes, la elección ha de ser cuidadosa y debe tener en cuenta todos los requisitos de la turbina, las homologaciones necesarias y las especificaciones del código de la red.

Elección de la tensión
El concepto de velocidad elegido no determina la tensión del sistema. Ésta se elige en función de la potencia necesaria. Según una pauta aproximada, para generadores de hasta 3 MW, se escoge una tensión baja (por ejemplo, 690 V). Por encima de este valor es aconsejable elegir una tensión media (por ejemplo, 3.3 kV), sobre todo para reducir la intensidad en el convertidor. Con una intensidad menor, las pérdidas en los cables son menores. Además, se simplifica el diseño y aprovisionamiento de piezas.

Elección de la velocidad del generador
La elección de la velocidad de giro depende de las características particulares de los componentes de la transmisión: reductora, generador, convertidor y transformador.

Perspectiva de la inversión directa
Dependiendo del diseño, la potencia de la turbina, los requisitos de la red eléctrica y los precios de mercado de los materiales, el concepto de alta velocidad suele tener los costes de inversión directa más bajos. La transmisión directa suele ser la solución más costosa, y la de media velocidad es un poco más cara que la de alta velocidad. Pero los costes de mantenimiento, la disponibilidad y la distribución anual de vientos contribuyen también a los costes durante la vida útil, y sólo un análisis de todos los aspectos puede determinar la opción más beneficiosa.

Eficiencia de los distintos conceptos
Los cálculos indican que el concepto de velocidad media con un PMSG ofrece la máxima eficiencia en el punto nominal. De hecho, los PMSG de velocidad media proporcionan un rendimiento de más del 98 por ciento, el mayor de cualquier diseño de generador eólico comercial. El rendimiento es también alto para cargas parciales en condiciones de viento débil, lo que permite la mayor producción anual de kWh. Además, las reductoras se integran sin dificultad para obtener una solución compacta y la menor velocidad de giro significa menos desgaste de los componentes del tren de transmisión.

Elección del tipo de generador
El factor de potencia de un generador de inducción (IG) disminuye al aumentar el número de polos y se acorta el paso entre ellos. Por lo tanto, los IG son competitivos con generadores síncronos (SG) cuando el número de polos es pequeño; por tanto, los IG son muy competitivos en aplicaciones de alta velocidad. En aplicaciones de velocidad media, el rendimiento de los IG es considerablemente menor. Cuanto mayor sea el diámetro del generador, mayor será su rendimiento.

Confrome aumenta el número de polos de los SG, es posible aumentar el diámetro del espacio de aire y se dispone de más flexibilidad en el dimensionamiento de la frecuencia nominal.

Para máquinas de baja velocidad, las únicas opciones son el PMSG o el generador síncrono de excitación eléctrica de alta velocidad (EESG). Ambos proporcionan un rendimiento superior con vientos de hasta 8 m/s, aproximadamente del 0 al 40 por ciento de la potencia nominal de la turbina. Por encima de esto, hay otras opciones muy competitivas.

En un PMSG el rotor es más ligero, mientras el rendimiento del generador es mayor y el tamaño de la máquina es menor, puesto que no hay sistema de excitación. Por lo tanto, los PMSG ofrecen las mayores ventajas técnicas en el terreno del accionamiento directo (DD).

Diseño de un PSMG de velocidad media
Se ha diseñado y probado un PMSG y convertidor de velocidad media de 7 MW. Hay varios aspectos del diseño importantes:

• Debido a la distancia que hay entre el generador y el transformador y a la gran potencia de la turbina, se ha elegido un PMSG con un convertidor de media tensión
• Los cálculos han demostrado que, desde el punto de vista de prestaciones y la fabricación, eran viables las soluciones de 14 a 20 polos. Los diseños con 16 y 18 polos eran muy similares, con diferencias insignificantes en pérdidas, factor de potencia, fuerza contraelectromotriz y masas de material activo. Las inductancias y el ángulo de carga eran algo menores en el diseño de 18 polos, que fue, por tanto, el elegido
• Después de muchos cálculos, optimizaciones y análisis, se diseñó una configuración de polos del rotor de tipo en V (ver Imagen 1). Se eligieron imanes de neodimio con una elevada fuerza coercitiva intrínseca basándose en simulaciones de carga brusca y en condiciones de cortocircuito con distintas propiedades magnéticas y temperaturas
• En la fase de diseño es importante identificar frecuencias de resonancia potencialmente perjudiciales en la estructura mecánica y proporcionar suficiente amortiguación y rigidez para soportar las fuerzas que intervienen. Es igualmente importante que la estrategia de modulación del convertidor y la frecuencia de conmutación sean ajustables. Según la experiencia, una variación de unos 50 Hz en la frecuencia de conmutación desplazará la frecuencia de excitación del punto de resonancia y puede disminuir apreciablemente el ruido y las vibraciones

Diseño del convertidor
El convertidor utilizado para el tren de transmisión eléctrico de la turbina eólica de 7 MW se basa en un tiristor de puerta integrada conmutada (IGCT) de media tensión con una topología de punto neutro fijo (NPC) de tres niveles. El IGCT combina las pérdidas reducidas de conducción y la fiabilidad de un tiristor junto con la capacidad de desconexión total. La tensión nominal del convertidor de 3.3 kV no sólo permite reducir el esfuerzo y las pérdidas en los cables en comparación con un convertidor de menor tensión de salida, sino también utilizar menos semiconductores y disminuir los puntos de fallo. El diseño modular del convertidor de la familia de productos PCS 6000 de ABB permite tener una disposición mecánica personalizada de los componentes del convertidor, independientemente de que el convertidor se coloque en la torre, la góndola o un contenedor separado fuera de la turbina, con diferentes disposiciones posibles (ver Imagen 2).

Pruebas de integración
Para la prueba de integración se acoplaron mecánicamente dos generadores y se conectaron a la red mediante un convertidor de frecuencia (ver Imagen 3). Un PCS 6000 movía el generador conectado como un motor, o lo que se conoce como máquina motriz principal. Éste accionaba a su vez el otro generador, el cual regresaba potencia generada a la red a través del otro convertidor. Con esta configuración sólo había que compensar desde la red las pérdidas del sistema completo. La configuración deja que el generador trabaje a la potencia nominal, siempre que el convertidor de accionamiento pueda trabajar con la potencia nominal de la turbina y cubrir las pérdidas totales de la configuración.

El aumento de temperatura del generador fue el calculado, y las temperaturas finales de los componentes del convertidor permanecieron por debajo de los límites de los mismos. La tensión del generador sin carga fue menor que la calculada, esto redujo el factor de potencia del generador. A pesar de ello, se calcularon los valores principales del generador. La prueba de cortocircuitos trifásicos tras una subida de temperatura demostró que los imanes del generador estaban protegidos contra la desmagnetización, como se había diseñado. Se midieron las vibraciones y el ruido emitido en el generador y los valores estuvieron muy por debajo de los criterios de la IEC. El rendimiento del generador fue del 98.17 por ciento en el punto nominal y superó lo esperado en otros puntos de carga.

Se probaron distintas frecuencias de conmutación en toda la gama de velocidades en diferentes modos de modulación. Los mejores resultados se consiguieron con una frecuencia portadora de modulación de amplitud de pulso fija de 720 Hz o superior en toda la gama de velocidades, en el modo asíncrono. El modo asíncrono proporcionó resultados favorables, porque la frecuencia de conmutación y sus bandas laterales no produjeron puntos de resonancia peligrosa en ninguna velocidad de giro.

La media tensión proporciona ventajas en las aplicaciones de turbinas eólicas de varios megavatios en comparación con los sistemas de baja tensión. Los sistemas de media tensión ofrecen una solución de intensidad baja que reduce al mínimo las pérdidas en el cableado, facilita el diseño del generador y permite la utilización de un convertidor robusto de media tensión con un alto nivel de disponibilidad. El concepto de velocidad media con PMSG es una solución compacta de peso reducido y rendimiento máximo cerca del punto nominal, en comparación con todos los demás conceptos. Pruebas sucesivas del tren de transmisión eléctrico demostraron que el generador y el convertidor de ABB cumplen los requisitos del cliente y de la IEC. Las discrepancias entre los valores calculados y los medidos estaban dentro de los límites aceptables.

Esta combinación de velocidad media y media tensión tiene muchas ventajas importantes, no sólo para el cliente (el fabricante de la turbina), sino también para el explotador del parque eólico y el cliente final.
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Erko Lepa
• ABB Discrete Automation and Motion, Motors and Generators Helsinki, Finlandia.

Tobias Thurnherr
• ABB Discrete Automation and Motion, Power Conversion Turgi, Suiza.

Alexander Faulstich
• ABB Discrete Automation and Motion, Power Conversion Turgi, Suiza.