Tecnología de Conversión Eléctrica

David Solé

Madrid, 17-06-2010

Índice

1 Ingeteam

2 Topologías de conversión de potencia

3 Retos tecnológicos

4 Conclusiones

Page No.

Ingeteam 2

Ingeteam

Las claves

Núcleo de negocio

70 años en el sector eléctrico

Tecnología de máquinas eléctricas, generadores y motores

Electrónica de potencia

Sistemas de automatización

Ingeniería de aplicación + servicio

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Una oferta integral con soluciones individuales

70 años en el sector eléctrico 35 años en el sector electrónico.

Más de 3.500 profesionales,- el 32% en ingeniería y desarrollo.- el 11% en I+D.

Tecnología, Innovación = motor de crecimiento.

Ingeteam 4

Presencia de Ingeteam

World Total (according to BTM report)

Generators Power Converters

Units Power Market Share Units Power Market Share

160 GW 12.744 14.5 GW 9,06% 14.023 16.6 GW 10,38%

Page No.

Ingeteam 5

Topologías de conversión eléctrica

Aplicaciones

Topologías

• Convertidor parcial (PC) para turbinas con

generador doblemente alimentado (DFM).

• ‘Full-converter’ (FC) para turbinas con

generador síncrono (imanes permanentes,

excitación)

Page No.

excitación).

• ‘Full-converter’ (FC) para turbinas con

generador de jaula de ardilla.

• Convertidor parcial (PC) para turbinas con

generador doblemente alimentado y

‘exciter’ (xDFM).

Ingeteam 7

Trade-off

Topologías

DFM + PCVentajas Desventajas

Eficiencia total, fiabilidad, coste Mantenimiento, conexión a red, cargas

xDFM + PCVentajas Desventajas

Conexión a red, conexión HVDC Mantenimiento, concepto novedoso

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Ingeteam 8

PMG + FCVentajas Desventajas

Conexión a red, cargas mecánicas. Coste, cadena de suministro, falta de madurez en el sector

Síncrona + FC

Ventajas Desventajas

Elimina incertidumbre de imanes(técnica y de suministro)

No es idónea para velocidad variable

Jaula ardilla+ FC

Ventajas Desventajas

Coste, robustez Eficiencia

Retos tecnológicos

Retos tecnológicos

Retos principales

• Aumento de potencia

• Mejora de densidad de potencia

• Incremento de eficiencia

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Ingeteam 10

• Aumento de fiabilidad

• Facilidad de mantenimiento

• Prestaciones de conexión a red

• Condiciones ambientales extremas

• Reducción de coste

Aumento potencia

Retos tecnológicos

Generador:

Tecnologías principales:

• PMG. Sin límite desde el punto de vista de tecnología de máquina.

• DFM / xDFM. Límite en torno a 6MW en BT. Es preciso subir tensión de vacío.

• Síncrono de excitación. Sin límite desde el punto de vista de tecnología de

máquina.

Page No.

Ingeteam 11

• Aumento potencia -> reducción de velocidad

• Aumento potencia -> refrigeración agua

• Aumento potencia -> Incremento de tensión. Nivel marcado por convertidor y cableado.

• Aumento potencia -> ¿Superconductividad?

Asíncrona ≤10/12 polos (I de magnetización)

PMG ≤1000 rpm (fuerza centrífuga)

Intercambiador aire - agua

Camisa de agua

Aumento potencia

Retos tecnológicos

Convertidor:

Dos tecnologías principales:

• BT. Típicamente estructuras 2L, IGBTs 1700V -> Máximo ~6MVA

• MT. Típicamente estructuras 3L. IGBTs, IEGTs, IGCTs -> Min ~ 3MVA / Max ~12MVA

HV-IGBTs IEGTs IGCTs

Page No.

Ingeteam 12

Retos derivados:

• Paralelización.

• Refrigeración.

• Mantenimiento.

Densidad de potencia

Retos tecnológicos

Generador

• PMG mejor densidad de par

• Síncrono de excitación con densidad 15% menor.

5MW @ 15rpm -> ~90T

5MW @ 500rpm -> ~13T

5MW @ 1000rpm -> ~10T

Page No.

• DFM con densidad ~30% menor

Convertidor (back to back)

• BT 1,2MVA ~1.6MVA/m3

• BT 1,7MVA ~1.9MVA/m3

• MT 3MVA ~2.1MVA/m3

Ingeteam 13

Eficiencia

Retos tecnológicos

Generador

• PMG

• Síncrono de excitación

Efficiencies for different solutions

95 000

96,000

97,000

98,000

99,000

100,000

ency

~95% a baja ω

~98% a alta ω

~93% a baja ω

~96% a alta ω

RENDIMIENTO

95

96

97

98

99

%Page No.

• DFM ~96,5%

• Jaula ardilla, xDFM ~95%

Convertidor

• DFM/xDFM aplica a un ~15% de la Potencia

• FC aplica al 100%:

• BT ~97%

• MT ~98%

Ingeteam 14

90,000

91,000

92,000

93,000

94,000

95,000

kW

% E

ffici

Design1 - 1000rpmDesign2 - 450rpmDesign3 - 15rpm

Design1 - 1000rpm 89,997 95,292 97,202 98,008 98,387 98,452 98,447 98,406 98,400Design2 - 450rpm 91,227 95,886 97,561 98,248 98,561 98,597 98,581 98,545 98,602Design3 - 15rpm 95,938 97,070 97,222 97,064 96,770 96,214 95,611 95,141 95,466

156,42 387,92 891,60 1714,38 2923,52 3597,69 4301,59 4849,06 5420,00

96% a alta ω

90

91

92

93

94

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500P (kW)

Ren

d. %

Generador de jaula con PWM

Generador de imanes permanentes

Generador de jaula sin PWM

Generador doblemente alimentado

Fiabilidad y mantenimiento

Retos tecnológicos

Generador

• DFM: Desgaste escobillas y cuerpo de anillos.

• PMG: Corrosión de imanes, desmagnetización.

• Síncrono de excitación: Excitación independiente, rotor bobinado -> cortocircuito.

Page No.

Ingeteam 15

• Jaula de ardilla: Tecnología muy madura.

Convertidor

• DFM / FC: Más electrónica y mayor número de semiconductores -> ↓MTBF.

• Integración en red (resonancias, redes débiles, armónicos, soporte para conexión a red…).

• Conveniencia de redundancia.

Conexión a red

• Nuevos códigos de red: PO.12.2 (España), SDL WindV (Alemania)…

• Principales requisitos:

• Rango de tensión: UVRT, OVRT, LVRT

• Rango de frecuencia

• Control de potencia activa (¿almacenamiento?)

• Control de potencia reactiva

Retos tecnológicos

ZVRT

Repetición

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• Control de potencia reactiva

• Calidad de energía (IEC 61400-21, IEC61000 3-6 y 3-7, EN50160, IEEE 519)

Ingeteam 16

Condiciones ambientales

• Temperatura

• Hasta la fecha: -20ºC / 45ºC.

• Nuevo estándar: -30ºC / 50ºC

• Importante, cold climate (almacenamiento a -40ºC).

• Humedad

Retos tecnológicos

Page No.

• Humedad

• Hasta la fecha: 90%, sin condensación.

• Emplazamientos con humedades muy elevadas -> 100%.

• Corrosión

• Anteriormente: C3H.

• Emplazamientos marinos y desérticos -> C4H, incluso C5. Además, aumento de IP.

• Vibraciones

• Nuevos espectros en plataformas offshore.

Ingeteam 17

Coste

Retos tecnológicos

El reto es mejorar y aumentar prestaciones, pero cada vez a menor coste.

• Coste de inversión:

Validación de componentes, tecnología puntera para reducir costes

• Coste de operación y mantenimiento:

Aumento MTBF, alarmas preventivas, mejora autodiagnóstico, control remoto, etc.

Page No.

Ingeteam 18

Conclusiones

Condiciones ambientales

Conclusiones

Logros / retos

• Aumento potencia -> Abanico amplio de tecnologías competitivas.

• Reducción de tamaños y pesos / MW.

• Mejora prestaciones de conexión a red

Page No.

Ingeteam 20

• Mejora prestaciones de conexión a red.

• Aumento fiabilidad -> Mejora disponibilidad.

• Colonización de emplazamientos más complejos (offshore).

• Contribución a reducción de coste kW/h (eficiencia y reducción de costes).

Condiciones ambientales

Page No.

Ingeteam 21

Gracias por su atención