DL WPP PLANTAS EÓLICAS - delorenzoglobal.com · conversión de CA a CC y viceversa por medio de válvulas convertidoras, que son el corazón de una estación convertidora. Hasta

DL WPP

PLANTAS EÓLICAS

Made in Italy

Guía de inicio

Página IV Versión 1.0

Contenido

Guía de inicio

Prefacio Pág. VII Acerca de este manual Pág. IX Consideraciones de seguridad Pág. XI

1. Composición, Operación y Mantenimiento Pág. 1

1. DL WPP descripción y diseño Pág. 1 2. Comunicación entre hardware y software Pág. 7 3. Diagrama de cableado Pág. 9 4. Especificaciones técnicas y características Pág. 13 5. Operación Pág. 15

6. Mantenimiento y reparación Pág. 17 2. Instalación del entrenador Pág. 19 3. Conceptos teóricos Pág. 25

3.1 Preliminares en máquinas de trabajo Pág. 25

1. Algunas nociones Pág. 25

2. Preliminares en generación de energía Pág. 41

3.2 Energía y viento Pág. 47

1. Viento y energía Pág. 47

2. Fórmula de energía eólica Pág. 48

3. Medición del viento Pág. 49

4. La distribución de Weibull describe la variación de la velocidad del viento. Pág. 50

5. Potencia del viento Pág. 53

6. Conocimiento básico de la respuesta de la turbina de

viento a la fuerza del viento. Pág. 15

7. Electricidad y generador eléctrico Pág. 63 8. Modelo mecánico del sistema eólico. Pág. 73

3.3 Convertidor Back‐to‐Back para control optimizado de la energía eólica Pág. 75

Entrenador DL WPP

Versión 1.0 Página V

3.4 Aplicación SCADA para controlar la potencia del viento Pág. 85

1. Control de supervisión y adquisición de datos Pág. 85

2. Adquisición de datos Pág. 86

3. Comunicación de datos Pág. 86

4. Presentación SCADA Pág. 87

5. Selección de RTUs Pág. 89

6. Selección de maestro SCADA Pág. 90

7. Implementación de red de comunicación por medio del

protocolo MODBUS Pág. 91

8. Bastidores MODBUS Pág. 96

9. Ejecución de la aplicación SCADA en ambiente WINLOG Pág. 100

10. WINLOG Pág. 102

11. Creación y configuración de un proyecto Winlog Lite Pág. 104 4. Experimentos Pág. 109

1. Introducción Pág. 109

2. Prueba de las condiciones de trabajo experimentales Pág. 114

3. Cableado de comunicación Pág. 116

4. Resumen de los experimentos Pág. 117

4.1 Conociendo los componentes de los sistemas de la planta de energía eólica Pág. 125 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 125 2. Lista de componentes Pág. 126 3. Descripción general del procedimiento Pág. 126

4. Preguntas Pág. 132 5. Conclusiones Pág. 132

4.2 Relación entre el sistema de control de ángulo de paso y el viento Pág. 133 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 133 2. Lista de componentes Pág. 134 3. Descripción general del procedimiento Pág. 134


4.3 Análisis de los parámetros mecánicos dentro de un generador de inducción Pág. 141 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 141 2. Lista de componentes Pág. 142 3. Descripción general del procedimiento Pág. 143


Guía de inicio

Página VI Versión 1.0

4.4 Análisis de los parámetros eléctricos dentro de un generador de inducción Pág. 151 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 151 2. Lista de componentes Pág. 152 3. Descripción general del procedimiento Pág. 153


4.5 Convertidor IGBT CA/CC y CC/CA and DC/AC Pág. 165 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 165 2. Lista de componentes Pág. 166 3. Descripción general del procedimiento Pág. 167


4.6 Método de arranque del sistema eólico Pág. 175 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 175 2. Lista de componentes Pág. 176 3. Descripción general del procedimiento Pág. 177


4.7 Generador de inducción doblemente alimentado DFIG Pág. 189 1. Introducción. Descripción del experimento Pág. 189 2. Lista de componentes Pág. 190 3. Descripción general del procedimiento Pág. 191


5. Recomendaciones para alumnos autodidactas, tutores, instructores o maestros

Pág. 205

6. Páneles Pág. 219

1. DL 1013A ‐ Base universal Pág. 219

2. DL 1022P4 ‐ Motor asíncrono trifásico de anillos Pág. 223

3. DL 2108TAL‐CP ‐ Unidad de alimentación trifásica Pág. 224

4. DL HUBRS485F ‐ Comunicación RS485 Pág. 226

5. DL 2108T02 ‐ Interruptor de potencia Pág. 229

6. DL 2108T26 ‐ Controlador Brushless con motor Pág. 237

7. DL 2108T29 ‐ Convertidor Back‐to‐Back Pág. 240

8. DL 2109T29 ‐ Medidor de potencia trifásico Pág. 251

9. DL WINDSIM ‐ Simulador de viento Pág. 269

10. DL 2108T26BR ‐ Resistencia de frenado Pág. 272

Entrenador DL WPP

Versión 1.0 Página 1

1. Composición,OperaciónyMantenimiento

1.DLWPPdescripciónydiseño

Antes de iniciar los experimentos, le recomendamos que comprenda la función

de los componentes de hardware del entrenador así como su organización y

manejo.

OrganizacióndelequipoydispositivosLos componentes del entrenador DL WPP se agrupan por función y se organizan

en la sala de acuerdo con algunos criterios:

1. la seguridad es la razón crítica para la instalación experimental ‐ las

partes móviles tienen que ser protegidas, se debe evitar la electrocución.

los cables se dividen en tres categorías:

o cables de datos (a veces se identifican por el color gris o negro,

con etiquetas específicas).

o cables de alimentación ‐ tienen colores estándar (por ejemplo:

rojo, azul, negro, verde‐amarillo). Son gruesos porque deben

transportar altas corrientes. También tienen conectores

especiales.

o cables de control ‐ también tienen algunos colores estándar. Son

más delgados que los cables de alimentación. También tienen

conectores especiales.

el conector de puesta a tierra se encuentra en un área visible, con

simbolización específica.

2. desde el punto de vista del mantenimiento:

las rutas de conexión deben configurarse de la manera más sencilla, con

la menor cantidad de caminos cruzados.

si es posible, las rutas de los cables de alimentación y de control deben

ser ubicadas en caminos separados.

el cable de conexión a tierra y los conectores deben estar visibles,

descubiertos y siempre disponibles para su revisión.

3. la manipulación es otra cuestión‐ las partes más utilizadas están ubicadas de

manera que permiten un control rápido y fácil.

4. cuando es posible, consideramos que las ENTRADAS están situadas en el

lado izquierdo de los dispositivos, mientras que las SALIDAS están situadas

en su lado derecho.

Composición, operación y mantenimiento

Página 2 Versión 1.0

DiseñoydescripcióndelhardwareDesde el punto de vista del hardware, el entrenador DL WPP se divide en:

1. PC, con software específico.

2. Subámoselo de viento.

3. Submodelo de turbina.

4. Bastidor con módulos necesarios para el funcionamiento del entrenador de

la planta de energía eólica.

Las imágenes y las notificaciones que se mostrarán a continuación son sólo orientativas. El submodelo de viento

El submodelo de viento tiene la arquitectura mostrada en la siguiente figura:

Figura 1. Arquitectura general del submodelo de viento.

La idea principal para diseñar este modelo: crear una situación de flujo de viento

que es medido (velocidad y dirección) por un anemómetro y una paleta de

dirección.

Figura 2. El submodelo de viento se controla manualmente y los parámetros del

viento son recolectados por una PC por medio del protocolo RS 485.

Entrenador DL WPP


El submodelo de viento ha sido diseñado para asegurar los parámetros del

viento (velocidad y dirección) para la aplicación SCADA.

Compare las dos figuras y comprenda la función de cada componente.

La cantidad de aire o el ajuste fino de la velocidad y la dirección se controlan

manualmente. Después, los valores de velocidad y dirección se miden

digitalmente (mediante un sistema de adquisición de datos) y se envían a una PC

para su procesamiento.

Aunque la dirección no es un parámetro muy importante para el entrenador DL

WPP, también existe la posibilidad de ajustar finamente este parámetro. Esta

función será mencionada en el primer experimento.

El submodelo de la turbina

El modelo de turbina está diseñado con la siguiente arquitectura.

Figura 3. El modelo de la velocidad de la turbina es controlado por PC (la velocidad del motor brushless es la velocidad alta del eje del aerogenerador).

La potencia del viento (descrita por su velocidad y dirección) es emulada por un

motor brushless controlado por PC a través de un controlador específico. El

motor brushless está conectado mecánicamente a un generador. El generador

desarrolla exactamente la misma velocidad que la velocidad codificada del motor

brushless. Para una fácil comprensión de la implementación, hemos dividido en

tres partes las explicaciones detalladas.



1. La figura 4 muestra el conjunto principal de los componentes: el motor (en

nuestro caso utilizamos otro entrenador producido por De Lorenzo ‐ DL 1022P4,

que posteriormente será utilizado como generador principal), acoplado

mecánicamente a un motor brushless (código DMS 5.42). La velocidad de

rotación del eje de la turbina eólica real es, de hecho, la velocidad codificada del

motor brushless en el submodelo de la turbina.

Figura 4. El submodelo de turbina reemplazará al sistema de aspas y se utilizará

para generar energía mecánica al generador.

Figura 5. El controlador brushless es la interfaz entre el motor brushless y la PC.

2. La figura 5 muestra cómo se coloca el controlador brushless (DL 2018T26,

también desarrollado por De Lorenzo) en el bastidor y la PC que se utiliza para

procesar los datos y controlar el motor.

Entrenador DL WPP


3. Los parámetros de control en el modelo se muestran en la figura 6. El

controlador obtiene los datos de la PC a través de un cable de máxima velocidad

RS 485, conectado a través de un conector DB9. Después, el controlador se

conecta al motor a través de dos cables: un cable de datos (Encoder, pin M2317)

y un cable de alimentación (Power, M23S1). Los colores de los cables

concuerdan con los cables de conexión reales.

Figura 6. El diagrama de bloques del controlador brushless y del motor

conectado. El controlador recibe los datos de la PC a través de un cable de datos

RS485 y envía datos (Encoder) y alimentación (Power) al motor brushless.

Figura 7. El submodelo de viento está conectado con el submodelo de la turbina

eólica a través de la PC que genera la tabla de velocidad de la pala en función de

la velocidad del viento.

La arquitectura completa del modelo experimental se muestra en la figura 7.



Panel bastidor DL WPP

En esta figura los componentes son:

Figura 8. Vista global del entrenador DL WPP.

1‐ PC con aplicación SCADA;

2‐ Unidad de alimentación trifásica, DL 2108TAL‐CP;

3‐ Sistema de medición trifásico, DL 2109T29;

4, 7, 8 ‐ Interruptores de alta potencia, con control local y remoto, DL 2108T02

5‐ Controlador brushless, DL 2108T26;

6‐ Hub 485, DL HUBRS485F;

9‐ Submodelo de turbina (DL 1022P4 y motor brushless DMS 5.42);

10‐ Modelo de viento (mostrado en el párrafo superior) ‐ no se puede ver aquí;

11‐Convertidor back‐to‐back, DL 2108T29;

12‐ Bastidor metálico para los paneles.

Entrenador DL WPP. Sección teórica


3.3.Convertidor back‐to‐back para controloptimizadodeenergíaeólica.

Convertidorback‐to‐back

La función de los convertidores back‐to‐back

Recordemos algunos comportamientos de la máquina eléctrica del capítulo

anterior.

Figura 1. La máquina eléctrica que trabaja como generador/motor hará que el circuito del rotor extraiga/inyecte la energía de/a una fuente externa.

Mirando el circuito superior, se requiere un circuito eléctrico reversible. Esta

sección estará dedicada a este tipo de circuitos.

Significado HVDC

Los sistemas de transmisión HVDC (High Voltage Direct Current) conectan dos

sistemas separados de alta tensión y tensión de CA a través de un enlace CC. El

principio básico del funcionamiento de un sistema HVDC se basa en la

conversión de CA a CC y viceversa por medio de válvulas convertidoras, que son

el corazón de una estación convertidora. Hasta hace poco, la transmisión clásica

HVDC basada en tiristores se utilizaba para la conversión de potencia de CA a CC

y viceversa.

3. Convertidor back‐to‐back para el control optimizado de energía eólica


Ahora, los convertidores de fuente de tensión (Voltage Source Converters VSC)

utilizan la tecnología de semiconductores más avanzada en lugar de tiristores.

Las instalaciones HVDC basadas en VSC tienen varias ventajas en comparación

con la transmisión HVDC clásica, como el control independiente de la potencia

activa y reactiva y la interconexión de sistemas de energía separados.

Uso general del convertidor back‐to‐back

Dado que el convertidor back‐to‐back es ampliamente utilizado en líneas de

distribución de alto voltaje, y bien documentado, en muchas de nuestras

referencias vemos el uso de la misma en el dominio de la energía eólica.

Figura 2. Representación típica de un convertidor back‐to‐back.

VSCs utilize self‐commutating switches: gate turn‐off thyristors (GTOs) or

insulated‐gate bipolar transistors (IGBTs), which can be turned on or off in a

controlled manner. VSCs operate at high switching frequency using the Pulse‐

Width Modulation (PWM) technique.

Los VSC utilizan interruptores de conmutación automática: los tiristores de

bloqueo de puerta (GTO) o los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT),

que se pueden activar o desactivar de manera controlada. Los VSC funcionan a

una frecuencia de conmutación alta utilizando la técnica de Modulación de

Anchura de Pulso (PWM).



Configuración de VSC‐HVDC

Los dos VSC pueden ser vistos como el núcleo de una topología del sistema de

transmisión VSC‐HVDC. Uno de los VSCs funciona como un rectificador, mientras

que el otro como un inversor. Ambos convertidores utilizan semiconductores de

potencia IGBT como conmutadores. Las dos estaciones VSC están conectadas a

través de una línea de transmisión CC.

La configuración típica de un sistema de transmisión HVDC basado en VSC se

presenta en la siguiente figura.

Figura 3. La arquitectura típica del sistema VSC‐HVDC utilizado para transferir energía de una red a otra (con diferentes requisitos de parámetros).

Los componentes más relevantes del sistema HVDC son los siguientes:

1. Las válvulas del tiristor o del IGBT convierten la energía de CA en energía de

CC ‐ estos grupos se llaman convertidores, C1, C2;

2. Los transformadores adaptan el nivel de tensión del bus bar de CA al nivel de

tensión de entrada requerido del convertidor ‐ T1, T2;

3. El reactor de suavizado, que tiene las funciones principales de prevención de

la corriente discontinua, limitación de las corrientes de defecto cc y

prevención de la resonancia en los circuitos de CC;

4. Los filtros armónicos CA, que absorben las corrientes armónicas generadas

por los convertidores HVDC y suministran potencia reactiva;



Figura 4. Modo y dirección de control en redes.

5. Circuito de transmisión CC que consta de línea de transmisión CC, cable,

interruptores CC y electrodo de tierra.

6. Los condensadores son uno de los componentes estándar en circuitos

electrónicos y son ampliamente utilizados en muchas aplicaciones de

sistemas de alimentación de CA y CC. Los condensadores almacenan energía

almacenando cargas positivas y negativas en placas que están separadas por

un dieléctrico aislante.



La literatura técnica es muy rica en la aplicación del convertidor back‐to‐back

que se necesita para controlar la máquina de inducción doblemente alimentada

(una máquina de inducción alimentada tanto por el rotor como por el estator),

porque en algunos rangos de operación la energía del rotor puede regresar al

convertidor. Un convertidor back‐to‐back tiene la característica de que la

potencia puede fluir a cualquier dirección.

The next figure shows a back‐to‐back converter made of a full bridge AC/DC

single‐phase boost‐like rectifier and a 3‐phase DC/AC inverter.

La siguiente figura muestra un convertidor back‐to‐back hecho de un puente

completo de rectificador de impulso monofásico CA/CC y un inversor CC/CA

trifásico.

Figura 5. Con una configuración HVDC back‐to‐back dos sistemas independientes vecinos con parámetros eléctricos diferentes e incompatibles (Frecuencia/Nivel de Voltaje/Nivel de Potencia de Cortocircuito) están conectados a través de un enlace CC.

Convertidores de fuente de tensión para HVDC

El mundo de los convertidores puede dividirse en dos grupos que pueden

distinguirse por su principio operativo. El primer grupo necesita un sistema de

CA para operar y se llaman convertidores de línea conmutada. Los sistemas

convencionales de línea HVDC (CC de alta tensión) emplean convertidores

conmutados en línea. El segundo grupo de convertidores no necesita un sistema

de CA para operar y, por lo tanto, se llaman convertidores de conmutación

propia.



Dependiendo del diseño de los circuitos de CC, este grupo puede dividirse en

convertidores de fuente de corriente y convertidores de fuente de tensión. Un

convertidor de fuente de corriente funciona con una corriente continua suave

proporcionada por un reactor, mientras que un VSC (convertidor de fuente de

tensión) funciona con una tensión continua suave proporcionada por un

condensador de almacenamiento. Entre los convertidores auto‐conmutados es

especialmente el VSC que tiene una gran historia en el rango de menor potencia

para aplicaciones de unidad industrial.

La función básica de un VSC es convertir el voltaje de CC del condensador en

voltajes alternos. La figura superior ilustra el principio de funcionamiento básico.

La polaridad de la tensión continua del convertidor se define por la polaridad del

rectificador de diodos. El IGBT (T1‐T6) se puede conectar en cualquier momento

mediante voltajes de compuerta apropiados. Sin embargo, si se conecta una

derivación IGBT, el otro IGBT debe haber sido desconectado antes para evitar un

cortocircuito del condensador de almacenamiento. Una función confiable de

inter bloqueo del convertidor de almacenamiento evitará la conmutación IGBT

no deseada.

Alternando la conmutación de los módulos IGBT de un módulo monofásico

(figura 5), conecta sucesivamente los terminales de CA del VSC a las barras de

bus positivo y negativo donde está conectado el condensador de CC. Esto da

lugar a una tensión alterna escalonada que comprende dos niveles de tensión E=

+Vdc/2 and –E= ‐Vdc/2. Un VSC como se muestra es, por lo tanto, llamado un

convertidor de 2 niveles.

Figura 6. Las válvulas V1‐V6 IGBT son controladas por una señal PWM para obtener uAN, uBN, uCN desplazado por 1200

Debido a la frecuencia de conmutación, que es considerablemente mayor que la

frecuencia de potencia del sistema de CA, la forma de onda de la corriente

alterna del convertidor se controlará para variar la evolución sinusoidal de la

señal de salida.



Esto se consigue mediante una técnica de modulación de anchura de pulso.

Como se puede ver, las amplitudes de las tensiones de salida están de acuerdo

con el periodo de conmutación (TSW) y la frecuencia de las mismas está de

acuerdo con la frecuencia de la señal PWM.

El índice de modulación es: m= tON/TSW, and UAB=m Ud

Se trata de voltajes trifásicos balanceados de la línea de salida, cuya magnitud es

controlada por m y cuya frecuencia de salida y fase pueden ser reguladas por la

frecuencia y la fase de la forma de onda de modulación. Las formas de onda de

modulación pueden manipularse digitalmente utilizando microcontroladores de

alto rendimiento o procesadores de señales digitales.

Figura 7. Las tensiones de salida UA, UB, UC dependen de las diferencias de fase PWM uAB.

El VSI es capaz de generar cualquier tensión con frecuencia y fase arbitrarias

(dentro de los límites de la tensión de enlace CC y frecuencia de conmutación).

Por lo tanto, el VSI puede ser visto y modelado como una fuente de voltaje

controlable ideal cuyo ancho de banda es generalmente mucho mayor que la

frecuencia de excitación requerida requerida por el sistema.

Por ejemplo, la siguiente figura muestra un único diagrama de línea de un

inversor conectado a la red. En este caso, el inversor está modelado

simplemente como una fuente de voltaje ideal que está generando un conjunto

equilibrado de tensiones trifásicas, cuya magnitud y fase pueden ser controladas

con respecto a la tensión de red.



Esto proporciona la capacidad de controlar el flujo de potencia real y reactiva a

la red.

Figura 8. Balance de potencia entre componentes de un sistema interconectado DFIG

En estado estacionario a velocidad fija de la turbina para un sistema DFIG sin

pérdidas, la potencia mecánica de la turbina eólica aplicada al eje es Pm = Ps +

Pr. Resulta que:

Pr = Pm ‐ Ps = Tm ωs ‐ Tem ωs = ‐ Tm (ωs ‐ ωr) ωs / ωs = ‐s Tm ωs= ‐ sPs

donde: s = (ωs ‐ ωr) / ωs es el deslizamiento del generador.

Por lo tanto, si el deslizamiento máximo es limitado, digamos a 0.3, los

convertidores de devanado del rotor pueden ser clasificados como una fracción

de la potencia nominal del generador de inducción. Esta fracción se suele situar

alrededor de ± 30% para DFIG en sistemas de generación de energía eólica y da

un intervalo de deslizamiento de ± 0.3. Esta es una ventaja clave del sistema

DFIG sobre los sistemas electrónicos de potencia nominal.

A partir de las relaciones anteriores, el estator y la potencia del rotor son Ps = Pm

/(1–s) y Pr = –s Pm /(1– s), respectivamente. Para considerar el cambio de

potencia mecánica durante diferentes velocidades del rotor, se lleva a cabo el

siguiente análisis con todos los términos en valores por unidad. Se supone que el

deslizamiento varía de un valor sub‐síncrono de +0.35 a un valor súper‐síncrono

de ‐0.35. La potencia de salida por unidad de la turbina eólica es:

Pm = Cp _ pu V3wind _ pu

La siguiente figura muestra cómo la potencia del rotor y del estator varía a

medida que el deslizamiento del rotor cambia de modos sub‐ a super‐síncronos.

La velocidad del rotor tiene que cambiar a medida que cambia la velocidad del

viento con el fin de seguir el punto máximo de potencia del sistema

aerodinámico. El deslizamiento, s, por lo tanto, está relacionado con la velocidad

del viento incidente.



En este caso, se produce un deslizamiento de ‐0.2 con una velocidad nominal del

viento (12 ms‐1). La figura siguiente muestra cómo la potencia del rotor y del

estator varían a medida que el deslizamiento del rotor cambia de modos sub‐ a

súper‐síncronos. La velocidad del rotor tiene que cambiar a medida que cambia

la velocidad del viento con el fin de seguir el punto máximo de potencia del

sistema aerodinámico. El deslizamiento, s, por lo tanto, está relacionado con la

velocidad del viento incidente. En este caso, se produce un deslizamiento de ‐0.2

con una velocidad nominal del viento (12 ms‐1).

As the wind speed drops, the slip has to increase and in this case it has a

maximum value of 0.35.

A medida que la velocidad del viento disminuye, el deslizamiento tiene que

aumentar y en este caso tiene un valor máximo de 0,35.

Figura 9. Flujos de alimentación del sistema de generación de inducción doblemente alimentado (p.u significa la relación entre la potencia momentánea y la potencia nominal)

En la figura vemos que la potencia mecánica, Pm, alcanza su pico a una velocidad

súper‐síncrona alrededor de s = ‐0.2. Al girar a la velocidad síncrona (s = 0), el

generador de inducción (figura 7) suministra toda la potencia a través del

devanado del estator (véase también la figura con el balance de potencia), sin

flujo de potencia activa en los devanados del rotor y sus convertidores

asociados.

Tenga en cuenta que en s = 0, la potencia del estator es máxima. A medida que

aumenta la velocidad del viento, la velocidad de rotación también debe



aumentar para mantener relaciones de velocidad de punta óptimas. En tales

circunstancias, la máquina funciona a velocidades súper sincrónicas (s <0). La

potencia mecánica fluye hacia la red a través de los devanados del estator y de

los devanados del rotor y su convertidor.

Por ejemplo, en s s = ‐0.2, Ps = 0.8 pu y Pr = 0.2 pu dando una potencia generada

total de 1 pu. A velocidades de viento más bajas, las cuchillas giran a una

velocidad sub‐síncrona (s> 0). En tales circunstancias, el sistema de convertidor

de rotor absorberá energía desde la conexión de red para proporcionar

excitación al devanado del rotor. Por ejemplo, en s=0.2, Ps = 0.8 pu, pero Pr = ‐0.2

pu dando una potencia total generada de 0.6 pu.

Con un sistema de control de este tipo, es posible controlar la potencia extraída

del sistema aerodinámico de tal manera que la cuchilla actúa con la eficiencia

aerodinámica óptima (extrayendo así la mayor cantidad de energía posible)

ajustando la velocidad de rotación de acuerdo con la velocidad del viento

incidente.

Entrenador DL WPP. Sección de experimentos


4.Resumendelosexperimentos

Desde el punto de vista del hardware, el entrenador WPP se divide en:

‐ PC, con el software específico ‐ descrito en el párrafo anterior.

‐ Submodelo del viento.

‐ Submodelo de turbina.

‐ Bastidor con módulos necesarios para el funcionamiento de la planta de

energía eólica.

Ejercicio 1. Familiarizarse con los componentes del sistema de energía eólica

Breve descripción

Este ejercicio lo realiza la aplicación SCADA que está trabajando sin conexión.

Todas las partes están vinculadas con botones y haciendo clic en un capítulo de

la parte teórica o se abre alguna explicación adicional. El WPP se explica

componente por componente.

Además, se recomiendan algunos videos e imágenes para completar el proceso

de aprendizaje de los componentes de la planta eólica.

Objetivos

• Familiarizarse con el sistema de entrenamiento de la planta eólica (DL WPP).

• Comprender el "poder" del usuario en el control de un sistema electro‐

mecánico tan importante (usuario en etapa de entrenamiento u operador en

situación real).

• Preparar al usuario para que comience a manipular los parámetros en el

modelo DL WPP de pequeña escala.

Introducción a la sección de experimentos


Ejercicio2.Relaciónentreunsistemadecontroldepasoyelviento

Breve descripción

En este ejercicio estamos evaluando la relación entre un sistema de control de

paso y el viento, en condiciones de laboratorio. Para este ejercicio, necesitamos

un submodelo de viento, que ofrezca información sobre los parámetros del

viento, y la aplicación SCADA que controlará un submodelo de turbina.

Esta aplicación SCADA está diseñada para reproducir condiciones reales y enlaza

los parámetros en algoritmos adecuados para estudiar esta relación.

Objetivos

• Adquirir conocimiento básico de la respuesta de la turbina eólica a la fuerza

del viento, descrito por la curva que muestra la variación de la potencia

extraída del viento, según las velocidades del viento alrededor de las palas.

• Hacer ejercicios sobre la velocidad del viento de conexión y desconexión

desde el punto de vista de eficiencia energética y seguridad.

• Capacitar al usuario en la manipulación de los parámetros del viento en el

modelo DL WPP de pequeña escala.



Ejercicio 3. Análisis de los parámetros mecánicos dentro de ungeneradordeinducción

Breve descripción Esta parte del experimento consiste en una configuración típica que simula la

planta eólica, donde el modelo del viento actúa sobre el modelo de la turbina,

que está conectado a una máquina eléctrica. En general, cuando los parámetros

eléctricos de salida del generador cumplen algunos requisitos, el generador se

conecta a una red eléctrica.

En nuestro experimento, cuando la energía eólica (controlada por el modelo de

viento y el control de paso) no es suficiente para girar la turbina, la máquina

asíncrona absorbe la energía de la red, funciona como un motor y supera la

inercia de la turbina. Cuando la energía eólica aumenta más allá de un cierto

límite, el deslizamiento del rotor supera el deslizamiento de sincronismo y la

máquina eléctrica funciona como un generador. La dirección del flujo de

potencia (de la red a la máquina eléctrica o de la máquina a la red) se puede ver

en el sistema de medición ‐ el signo de la potencia medida es menos cuando la

máquina eléctrica funciona como un generador.

Los parámetros mecánicos del sistema de energía eólica (la curva del par según

el deslizamiento del rotor) que se toman en consideración aquí se analizan

indirectamente observando la variación de los parámetros eléctricos cuando

cambiamos los parámetros del viento (velocidad del viento, ángulo de paso).

Objetivos

• Entender la relación entre la variación de los parámetros mecánicos del

sistema eólico (turbina, generador, red) en función de la variación de la

energía eólica.

• Aprender a controlar el aerogenerador para limitar los efectos del sistema

mecánico en términos de tensión y robustez.



Ejercicio4.Análisisdelosparámetroseléctricosdentrodeungeneradordeinducción

Breve descripción

Esta parte del experimento consiste en una configuración típica que simula la

planta eólica, donde el modelo del viento actúa sobre el modelo de la turbina,

que está conectado a una máquina eléctrica. Cuando los parámetros eléctricos

de salida del generador cumplen algunos requisitos, el generador inyecta energía

eléctrica a la red eléctrica.

La realización de este experimento es similar al experimento anterior. La

diferencia consiste en los parámetros que seguimos: aquí seguimos los

parámetros eléctricos en términos de cantidades, como criterios principales para

la conexión a la red eléctrica.

En nuestro experimento, cuando la energía eólica (controlada por el modelo de

viento y el control de paso) no es suficiente para hacer girar la turbina, la

máquina asíncrona absorbe una cierta cantidad de energía de la red, funciona

como un motor y supera la inercia de la turbina . Cuando la energía eólica

aumenta más allá de un cierto límite, el deslizamiento del rotor va más alto que

el deslizamiento de sincronismo y la máquina eléctrica funciona como un

generador. La dirección del flujo de potencia (de la red a la máquina eléctrica, o

de la máquina a la red) se puede ver en el sistema de medición ‐ el signo de la

potencia medida es menos cuando la máquina eléctrica funciona como un

generador.

Objetivos

• Gestionar la potencia activa del generador inyectada al sistema de red.

• Comprender el control de estabilidad de la potencia generada, controlando

los parámetros mecánicos de la máquina eléctrica.



Ejercicio5.ConversorIGBTCA/CCyCC/CA

Breve descripción

En este ejercicio, la máquina de inducción está conectada a un convertidor back‐

to‐back. Esta es una continuación del ejercicio anterior, con una nueva función

de control: habilitar la función regenerativa del inversor.

Así, cuando se alcanza la velocidad nominal de la máquina eléctrica, el

convertidor back‐to‐back cambia su función absorbiendo la energía del

generador e inyectándola en la red (bajo una función específica ‐ regenerativa).

El convertidor back‐to‐back controla los parámetros eléctricos de la energía

inyectada creando las condiciones de acoplamiento paralelas entre dos fuentes

de alimentación.

Objetivos

• Comprender la arquitectura y el papel de los componentes del

convertidor back‐to‐back.

• Para entender cómo el convertidor back‐to‐back ajusta sus parámetros

en diferentes regímenes de trabajo.

• Para saber cómo se establecen las condiciones de acoplamiento en

paralelo de dos fuentes de alimentación.



Ejercicio6.Métododearranquedelsistemadeviento

Breve descripción

Al principio, la máquina eléctrica funciona como un motor con los devanados del

estator en cortocircuito y el rotor se alimenta a través de un inversor back‐to‐

back con frecuencia creciente.

Una vez alcanzada la rotación nominal (1500 rpm), los devanados del estator se

desconectan primero y luego se conectan en una conexión estrella a la red

eléctrica. El rotor se suministra con energía para compensar la desviación de

deslizamiento a través del inversor back‐to‐back. Los devanados del estator

inyectarán la energía inducida a la red.

Nos daremos cuenta de que no es necesario controlar el modo de generador a

través de la pequeña gama de parámetros mecánicos de ajuste de la máquina de

inducción.

Objetivos

• Al comparar con los ejercicios 3 y 4, en este ejercicio tenemos la posibilidad

de entender cómo manejar la potencia activa del generador inyectada al

sistema de red a través del estator.

• El control de la estabilidad de la potencia generada se garantiza mediante

una función inversora (donde la frecuencia y la amplitud son controladas

electrónicamente) que suministra energía de compensación al rotor.



7.DFIG(generadordeinduccióndoblementealimentado)

Breve descripción

El experimento integra todas las actividades de los experimentos anteriores.

El experimento consiste en una máquina DFIG que, al arrancar, funciona como

un motor suministrado por un convertidor back‐to‐back, hasta que la máquina

alcanza los parámetros nominales y cambia el modo de trabajo a generador.

Cuando la rotación de las palas y el ángulo de paso tienen valores adecuados (la

turbina está lista para generar energía eléctrica), la aplicación SCADA conecta el

generador a la red eléctrica, con el rotor energizado por un convertidor de back‐

to‐back.

El convertidor back‐to‐back compensa la variación de los parámetros del viento,

para la captura óptima de la energía eólica y la conversión en energía activa.

Objetivos

• Comprender la integración de la planta de energía eólica en el sistema de red

cuando se utiliza un generador de inducción doblemente alimentado.

• Realizar el algoritmo de control del DFIG para el seguimiento del punto

máximo de potencia cuando la energía eólica pasa los límites de corte y de

corte del viento.

• Comprender el concepto de reducción de CO2 en términos de valores

relativos, cuando una carga tiene una contribución del sistema WPP.



4.7.DFIG (Generador de inducción doblementealimentado)

1.Introducción.Descripcióndelexperimento

El experimento integra todas las actividades de los experimentos anteriores.

El experimento consiste en una máquina DFIG que, al arrancar, funciona como

un motor suministrado por un convertidor back‐to‐back, hasta que la máquina

alcanza los parámetros nominales y cambia el modo de trabajo a generador.

Cuando la rotación de las palas y el ángulo de paso de las palas tienen valores

adecuados (la turbina está lista para generar energía eléctrica), la aplicación

SCADA conecta el generador a la red eléctrica, con el rotor energizado por un


El convertidor back‐to‐back compensa la variación de los parámetros del viento,

para la captura óptima de la energía eólica y la conversión en energía activa.

Objetivos‐ Comprender la integración de la planta de energía eólica en el sistema de red

cuando se utiliza un generador de inducción doblemente alimentado.

‐ Para llevar a cabo el algoritmo de control de la DFIG para el seguimiento del

punto de máxima potencia cuando la energía eólica pasa los límites de

velocidad de conexión y desconexión.

‐ Comprender el concepto de reducción de CO2 en términos de valores relativos,

cuando una carga tiene una contribución del sistema WPP.

Ejercicio 7. DFIG (generador de inducción doble alimentado)


2.Listadecomponentes

Según los objetivos, para llevar a cabo este experimento necesitamos algunos

componentes principales:

A. Software:

‐ ‐ PC con sistema operativo Windows;

‐ ‐ Aplicación SCADA de planta eólica. Ejercicio 7 ‐ DFIG (Generador de

inducción doblemente alimentado).

B. Hardware:

‐ submodelo de viento;

‐ submodelo de turbina;

‐ máquina de inducción doblemente alimentada;

‐ inversor back‐to‐back;

‐ instalaciones de conmutación de energía eléctrica;

‐ sistema de medición eléctrico;

‐ emulador del sistema de red;

‐ hub RS 845 y sistema de comunicación con aplicación SCADA.



3.Descripcióngeneraldelprocedimiento

Diagramadeinstalaciónyconexión

Las recomendaciones de cableado pueden seguirse también desde la aplicación DL WPP SCADA, donde accedemos al ejercicio 7 y luego hacemos clic en la opción de Cableado. Hay dos categorías de cableado: Comunicación y Alimentación.

Antes de iniciar cualquier actividad de cableado, compruebe todas las conexiones de alimentación: todos los interruptores deben estar APAGADOS. Estamos trabajando con voltaje que es peligroso desde el punto de vista de la electrocución. No está permitido manipular los cables cuando hay tensión en el panel del experimento.

Acomode el equipo de una manera conveniente para el acceso y el cableado. A

continuación, identifique los puertos correspondientes para la comunicación y

los cables.

Revise que el cableado de comunicación esté configurado como se muestra en el

Capítulo 3 (Cableado de comunicación) de la "Introducción a la sección de

experimentos".



Cableado eléctrico. Siga el diagrama de la siguiente figura y conecte los cables

de alimentación.

Figura 1. Los cables de alimentación se conectan siguiendo las reglas generales de alimentación (colores, conectores). 1 ‐ Conectores de entrada de potencia comunes y entrada para el convertidor de back‐to‐back, 2 ‐ salida del convertidor (en régimen de funcionamiento del motor), s ‐ stator de DFIG, r ‐ rotor de DFIG.



¡No olvide las conexiones a tierra! Como se puede ver en el diagrama, con símbolos específicos, todos los equipos usados están conectados a la red de protección por conectores y cables específicos.

ConceptodereduccióndeCO2

Ya que estamos casi al final de la sesión de entrenamiento, es el momento de introducir un concepto que es importante para el uso de las centrales eólicas - la reducción de CO2. La reducción de CO2 se obtiene utilizando la energía eléctrica proveniente de la red eléctrica cuando generamos energía eléctrica en una planta eólica, como energía verde.

Figura 2. La cuantificación de la reducción de CO2 se realiza de acuerdo con la contribución de la planta eólica a la carga requerida.

La figura 3 es un diagrama típico de un hilo de una carga trifásica que se

suministra desde un busbar (barra de distribución). Absorbe la ILOAD y está

controlado por un interruptor de encendido ‐ SW3. El bus bar se alimenta de dos

fuentes (IGRID, y IWPP). Están controlados por los interruptores de potencia SW1 y

SW2, de acuerdo con un algoritmo que se demostrará en este ejercicio.



En la figura 3 consideramos que la carga requiere el total de la ILOAD. actual. Si se

requiere la cantidad total de corriente de la red, hay una cierta cantidad de CO2

generada para producir esta corriente ‐ CO2 TOTAL.

En caso de que se añada alguna aportación energética de energía eólica al

sistema (I WPP), según la ley de Kirchhoff:

I LOAD = I GRID + I WPP

Entonces, la corriente requerida de la RED se reduce por la contribución de la

corriente de la planta de energía eólica:

I GRID = I LOAD ‐ I WPP.

Entonces, la cantidad de CO2 es

CO2 reduced = funcción (I LOAD ‐ I WPP)

Con el fin de implementar el concepto de reducción de CO2 y ejecutar el experimento número 7, el sistema de medición consta de: - Sistema de medición trifásico (DL 2109T29), donde veremos la potencia absorbida/inyectada de/a la GRID por el signo de la potencia ("-" significa que la corriente se inyecta al sistema de red). - El sistema de medición en la entrada del convertidor back-to-back DL 2108T29. - El sistema de medición del bus de CC en el convertidor back-to-back DL 2108T29. - La estimación de CO2 en la unidad de alimentación trifásica, DL 2108TAL-CP.



El sistema de bobinado del estator está cortocircuitado (a través de R2) cuando

la máquina asíncrona funciona como un motor (hasta que alcanza la velocidad

nominal). El rotor es energizado por el convertidor back‐to‐back.

Cuando la velocidad se estabiliza a la velocidad nominal, se abre el sistema (s) de

devanado del estator (R2‐ abierto) y se conecta a la rejilla a través de R3. El rotor

(r) permanece conectado al convertidor back‐to‐back.

Procedimientoexperimentalyplandeaprendizaje

Cuando se abre el Ejercicio 7 de la aplicación SCADA, se muestra una representación simbólica de la configuración experimental. Identifique los controles que el usuario debe realizar en este experimento: velocidad del viento, ángulo de paso.

Figura 3. La captura de pantalla de la representación gráfica SCADA del experimento 7 ‐ régimen en desconexión.

En primer lugar, vamos a comparar las figuras 1 y 3. La figura 3 es una

representación unifilar del WPP conectado a la red.



En esta representación de la aplicación vemos también los parámetros de

potencia.

R1, R2 y R3 son los interruptores de alimentación que se utilizan para

conectar/desconectar diferentes regímenes de potencia.

La máquina eléctrica (la máquina doblemente alimentada funciona primero

como motor, luego como generador) se representa aquí resaltando el estator

(que es primeramente cortocircuitado por R2) y el rotor que está conectado al


Una vez que hemos comprendido todos estos aspectos preparatorios, podemos

proceder con el experimento.

1. Encienda todos los dispositivos electrónicos conectados al experimento

(sistema de medición trifásico, controlador brushless, hub RS485, submodelo

de viento, convertidor back‐to‐back).

En particular, en lo que se refiere a la conmutación del DL 2108T29, se

sugieren los pasos siguientes.

[1] Encienda la baja tensión interna, [2] Encienda la red de alta tensión.

2. A continuación, presione los botones para las funciones ENABLE y TORQUE del controlador brushless.

1

2



3. A continuación, pulse el botón ENABLE para activar el disyuntor DL 2108T02.

4. En la aplicación SCADA, en primer lugar, inicie la sesión de experimento.

Con R2 cerrado y R3 abierto, después de presionar la opción Start, el convertidor back-to-back es activado desde la red y el sistema está esperando para iniciar el experimento - prácticamente, todos los aspectos relacionados con el control del viento se puede acceder ahora .

5. Ajuste el simulador de viento. Gire el mando del simulador de viento hasta

que la velocidad del viento alcance un valor entre 5 y 7 m/s.

The breaker is

enabled ony when

the led yellow is on



6. Inicie el control de las palas. Al mismo tiempo, el DFIG se suministra como

un motor. El rotor se energiza a través del inversor. El estator en este caso se

cierra en cortocircuito.

La velocidad nominal se alcanza cuando el inversor alcanza 50 Hz = 1500 rpm o

60 Hz = 1800 rpm.



7. Ajuste el ángulo de paso para ajustar el par correcto y mantener la velocidad

al valor nominal, luego abra el lado del estator (R2). El inversor se apagará.



Cuando la velocidad es estable, R2 se abre. El convertidor back-to-back genera un voltaje de excitación con una frecuencia que permite a la máquina trabajar para un seguimiento del punto de potencia máximo. Según la teoría, las dos frecuencias son:

120

120

El sistema está listo para conectar el generador a la red para inyectar potencia.

8. La aplicación cierra R3 y la energía fluye a la red.



Observe los valores de potencia mostrados en la aplicación y comprenda cuáles son sus significados.

Por otro lado, hay una opción en la aplicación:

Energía La energía se puede mostrar por separado. La siguiente figura muestra los parámetros del rotor y del estator.

Figura 4. Pantalla capturada de la ventana de medición de energía, en modo sin conexión.



9. Cambie suavemente la velocidad del viento y el ángulo de paso y observe la

potencia. Pocas pantallas capturadas muestran algunos regímenes de trabajo del

WPP. Haga comparaciones con su experimento.

Figura 5. Cuando el ángulo de paso es bajo, el estator y el rotor de la máquina eléctrica absorben energía.

Figura 6. Cuando el ángulo de paso es lo suficientemente alto (experimentado en ejercicios anteriores), la máquina inyecta energía a la red desde el estator ‐ la flecha roja cambia su dirección.



Figura 7. Cuando simulamos el aumento de la velocidad del viento, la rotación de las palas también aumenta y la potencia inyectada a la red aumenta en consecuencia.

Si desea reiniciar el experimento, le recomendamos que haga clic en la opción STOP y, a continuación, en START nuevamente.

8. Cuando esté satisfecho con sus ejercicios, haga clic en el botón STOP y luego en el botón Atrás para salir de la aplicación y regresar a la interfaz principal

de la aplicación.



4.Preguntas

Con el fin de fortalecer el propósito de este ejercicio, revise algunos temas

relacionados. Responda a las siguientes preguntas.

1. ¿Cuál es el propósito principal de este experimento?

2. ¿Cuándo podemos inyectar energía a la red?

3. ¿Cuáles son los parámetros de puesta en marcha de una planta eólica?

4. ¿Cuáles son los parámetros que influyen en el régimen de trabajo del

parque eólico? ¿Cómo influyen en la potencia inyectada a la red?

5. ¿Cuál es el significado de "seguimiento del punto de máxima potencia"?

5.Conclusiones

La aplicación nos está guiando para entender:

‐ cómo se implementa el seguimiento del punto de potencia máximo del

régimen de trabajo de la central eólica. El convertidor back‐to‐back

controla la frecuencia y el voltaje de excitación de la máquina

doblemente alimentada bajo el control de la aplicación SCADA;

‐ los componentes principales y su función para la integración de la planta

eólica en un sistema de red eléctrica;

‐ el comportamiento de la central eólica cuando se pasa la velocidad del

viento de conexión y desconexión.

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DL WPP PLANTAS EÓLICAS - delorenzoglobal.com · conversión de CA a CC y viceversa por medio de válvulas convertidoras, que son el corazón de una estación convertidora. Hasta