ARTÍCULO TÉCNICO:

Los parques eólicos presentan una problemática muy particular en lo que se refiere a compensación de energía reactiva.
La compensación convencional mediante condensadores maniobrados a través de contactores resulta la mayor parte de veces lenta y genera armónicos por resonancia. En el estudio de un caso práctico , la solución de compensador estático a base de tiristores, equipado con filtros pasivos, demostró ser la más apropiada para satisfacer las exigencias de rapidez y estabilidad de este tipo de sistemas.

INTRODUCCIÓN

La generación de energía eléctrica de origen eólico es sin duda un método económico y muy respetuoso con el medio ambiente. Para este tipo de instalaciones se suelen emplear generadores asíncronos acoplados directamente a los molinos de viento, con una regulación de velocidad de giro del sistema a base de variar la inclinación de las palas del molino.
Esta regulación es lenta y genera unos perfiles de potencia generada y de potencia reactiva muy irregulares y con cambios relativamente rápidos. Aún así, esta forma de generación es una práctica cada vez más común , gracias a la disponibilidad de generadores de potencias cada vez mayores y a las mejoras introducidas en la regulación del sistema. No obstante, se trata todavía de una técnica relativamente moderna y mejorable en algunos aspectos.
El objeto de este artículo es dar a conocer de forma genérica las necesidades de compensación de energía reactiva que se producen en los generadores antes descritos y1os métodos de compensación más apropiados para este tipo de instalaciones. El estudio está apoyado en una serie de mediciones reales efectuadas en diversos parques eólicos, de las cuales presentaremos las mas interesantes para demostrar, sobre todo, la rápida fluctuación de la corriente y la posibilidad de inestabilidad del sistema de control ocasionada por un fenómeno de resonancia eléctrica en el circuito de potencia. Como veremos el sistema de compensación no puede ser convencional , sino que ha de estar adaptado a este tipo particular de instalaciones. Los métodos convencionales presentan problemas de lentitud de reacción y son propensos a provocar amplificación de armónicos a causa de fenómenos de resonancia.

Figura 1.- Parque eólico

Como se ha dicho, los generadores empleados en los parques eólicos suelen ser del tipo asíncrono, ya que se adaptan mejor a las inevitables fluctuaciones de velocidad originadas por la irregularidad de los vientos.
Como es sabido, las máquinas asíncronas son capaces de generar energía activa, pero son consumidoras de energía reactiva. Esto hace que no puedan actuar como generadores autónomos, ya que dicha energía reactiva es necesaria para la excitación de los propios generadores. Esto obliga a que deban funcionar siempre acoplados a una red alimentada por otros puntos con generadores autónomos.

GENERADORES B.T.

Figura 2.- Esquema de principio

La figura 2, muestra un esquema unifilar de principio de lo que podríamos considerar una instalación tipo de un parque eólico. El parque suele estar formado por un gran número de generadores de baja tensión, 400 a 690 V, enlazados entre sí a través de los respectivos transformadores y una red de media tensión. El conjunto suele acoplarse a la red general en alta tensión a través de otro transformador, que hemos designado por TP en nuestro esquema unifilar.

Para obtener el máximo rendimiento de los transformadores, líneas y otros medios de transporte, enlace y conexión a la red , debe compensarse la energía reactiva de la instalación , tanto la propia de los generadores como la de los transformadores de enlace y conexión a red.

La compensación de energía reactiva es una técnica bien conocida basada en la conexión de condensadores de acuerdo a las necesidades medidas por un regulador de factor de potencia. No obstante, en la instalación que estamos estudiando, las ya mencionadas fluctuaciones de velocidad del generador hacen prever fluctuaciones importantes del consumo de reactiva, que no pueden ser seguidas por un sistema convencional de compensación. Para solucionar este problema, muchos fabricantes de grupos generadores para parques eólicos introducen una compensación fija a base de condensadores que se encuentran permanentemente conectados en el lado de B.T. La figura 3 muestra un esquema de principio del circuito de baja tensión.

Figura 3.- Esquema unifilar de B.T.

En varias instalaciones con generadores asíncronos estudiadas con anterioridad incluso algunos de propulsión hidráulica con caudal algo irregular, se habían detectado problemas con la compensación mediante condensadores fijos. Se ha constatado que al compensar la energía reactiva en este tipo de generadores suelen producirse problemas de resonancias a frecuencias de algún armónico y estos son especialmente acusados si por alguna circunstancia se produce sobrecompensación situación más que probable cuando se compensa con condensadores fijos , es decir, sin conectarlos ni desconectarlos parcialmente de acuerdo a las necesidades.
Esto es debido al comportamiento muy inductivo del generador en condiciones de baja carga, unido a la propia reactancia magnetizante del transformador. Estos dos elementos de carácter inductivo forman un circuito paralelo L-C con el condensador de compensación de reactiva. La figura 3 muestra un circuito equivalente unifilar.

Figura 4.- Esquema unifiliar y circuito equivalente visto desde la red de BT

Para confirmar estos supuestos , se decidió realizar una serie de mediciones en una instalación piloto con dos objetivos principales:
a) Registrar las necesidades de energía reactiva y ver si estas presentan fluctuaciones rápidas que no puedan ser seguidas por un equipo convencional, como es de prever por la forma de impulsión de los generadores.
b) Comprobar si efectivamente se detectan situaciones de resonancia o próximas a ella.

A partir de las mediciones se pudo comprobar que efectivamente ambas sospechas eran ciertas y se pudo proponer la solución más idónea para efectuar la compensación de reactiva y la atenuación de resonancias con filtrado de armónicos , de acuerdo con las necesidades.
La medida se hizo con un analizador de redes marca CIRCUTOR, tipo AR.4 y los resultados que se presentan fueron procesados con el software CIRVISION de la misma firma. Los puntos de medida de la instalación piloto fueron los siguientes (ver fig. 1):

• Punto 1: Primario del transformador general de acoplo a red de 40 kV, que para la mencionada instalación piloto era de 20 MVA. En este caso se midió sólo una fase de la corriente a través del único transformador de corriente de la propia instalación que era accesible. La medida se hizo pues en el secundario de dicho transformador con una pinza de 5A. La tensión se obtuvo también de unos transformadores de medida. La respuesta en frecuencias de ambos elementos de medida puede considerarse apropiada para medidas hasta el armónico 15.
• Punto 2: Lado de baja tensión (690 V, en el caso de la instalación piloto) . Se midieron dos tipos de generadores por lo que los resultados y las conclusiones son más fiables. En este caso las medidas de corrientes se hicieron en los cables de las tres fases, mediante pinzas con fondo de escala conmutable de 200 a 2000 A.

Observaciones importantes:
• El analizador de redes AR.4 permite capturar armónicos minuto a minuto y observar tensiones, corrientes , potencias energía y otros parámetros eléctricos ciclo a ciclo.
• Los generadores observados eran grupos de 500 kW que disponían ya de una compensación de reactiva con condensadores fijos de un total de unos 150 kvar.
• Con objeto de poder registrar períodos largos se dejó el equipo de medida registrando durante varios días , pero se estableció un umbral mínimo de unos 50 kW para el registro, por debajo del cual no se grababan datos. Esto se hizo para no llenar la memoria del registrador con datos de funcionamiento en bajo régimen o incluso en paro por falta de viento, pero posteriormente se vio que esto ha podido impedir el detectar condiciones de resonancia más fuertes que las detectadas , ya que se ha visto que éstas son tanto más probables cuanto más baja es la potencia activa generada. En efecto, en el circuito equivalente de la figura 4 puede verse que la atenuación de la red L-C paralelo será tanto menor cuanto más alta sea la resistencia equivalente ,o lo que es lo mismo cuanto más baja sea la potencia activa generada por el grupo.

Fluctuación de la corriente
La figura 5 muestra un registro de la corriente promedio del generador en intervalos de un minuto. Puede observarse una fuerte fluctuación. Un registro similar en intervalos de cinco segundos mostraba que las fluctuaciones, en caso de fuertes golpes de viento, podían ser fácilmente del orden de 100 a 150 A en estos 5 segundos. De hecho en la figura 7 se observa un registro en el que las corrientes fueron capturadas en tres ciclos consecutivos y puede verse una fluctuación de cerca de 60 A.

Figura 5.- Corriente del generador

Armónicos en el generador
Merece la pena fijarse básicamente dos casos, representados en las figuras 6 y 7.
• La figura 6 corresponde a una situación donde la potencia generada es superior al 40% de la nominal. Para estos casos se observa bajo contenido de armónicos y rara vez se pueden apreciar condiciones de resonancia.

• La figura 7 corresponde a una situación de baja potencia activa generada. En tal caso se observan contenidos de armónicos en corriente del orden de 10% a 40%. Esta situación es la que hemos indicado que se debe a problemas de resonancia entre el circuito del generador, altamente inductivo en tanto que consumidor de potencia reactiva y los condensadores de compensación del factor de potencia.

Figura 6.- Armónicos en el generador para cargas altas.

Figura 7.- Armónicos en condiciones de baja carga

Armónicos en A.T.
El porcentaje de armónicos global en el transformador de 20 MVA resultó ser muy pequeño: THD(U) = 0,8% y THD(1) = 1,3% . El problema de resonancia queda localizado por tanto en baja tensión.

Potencia reactiva
La curva de la figura 8 indica la demanda de potencia reactiva del generador (promedio de las tres fases). No se observan diferencias importantes entre los dos tipos de generadores ensayados. Dicha demanda va desde unos 30 kvar a 130 kvar. Debido a que la medida individual de cada generador se hizo en el lado de B.T. , no se ha medido la potencia reactiva del propio transformador. Ésta se puede cifrar en un 5% de su potencia aparente.
Las situaciones de máximo consumo de reactiva coinciden con los intervalos de máxima generación de potencia activa . Así pues , con el método de compensación con condensadores fijos se producirán sobrecompensaciones precisamente en los momentos de menor generación de potencia activa, lo cual favorece la existencia de resonancias.

Figura 8.- Demanda de potencia reactiva

Para esta instalación se podría pensar en una parte de compensación en media tensión a 20 kV con algunos condensadores fijos para los transformadores y una compensación individual en B.T. para cada generador. Esto supondría unos 30 kvar por cada aerogenerador en media tensión y unos 130 kvar en el lado de baja. Dado que la compensación individual de 30 kvar en media resulta antieconómica y que los aerogeneradores se encuentran muy dispersos , la compensación en el escalón de 20 kV se descarta y se considera mejor compensar sólo en baja tensión.
Puesto que se ha detectado un peligro de resonancia al colocar condensadores en el sistema, los equipos de compensación deberán estar equipados con filtros de los denominados de rechazo, con un factor «p» de sobretensión de 7% (esto equivale a una frecuencia propia de resonancia de 189 Hz). Con ello se puede garantizar que no habrá resonancia a frecuencias superiores a los 189 Hz , incluso en condiciones de baja generación. Queda por tanto protegido el conjunto en tanto que el tercer armónico no está presente en los sistemas trifásicos equilibrados y a partir del 5º y superiores el filtro impide la resonancia.
Por otro lado , vistas las fluctuaciones de carga, la única forma de que el sistema de compensación pueda dar una velocidad de respuesta adecuada es que dicho sistema sea un sistema basado en tiristores. Así pues la solución consiste en un equipo de filtros de 7% gobernado por tiristores (equipo estático).

Descripción del equipo estático con filtros
Los equipos están formados por varios grupos L-C gobernados por tiristores en antiparalelo , tal como muestra el esquema de principio de la figura 9. El control de cebado se efectúa mediante una placa electrónica CPC , que garantiza la conexión a paso por cero. Esto confiere a estos equipos todas las ventajas del sistema estático en cuanto a rapidez de respuesta, ausencia de transitorios y larga vida por la ausencia de partes mecánicas móviles. La refrigeración de los semiconductores es por convección natural , a base de disipadores montados en los laterales del armario.

Figura 9.- Esquema de principio de un grupo de filtro con maniobra estática

La implementación de la solución indicada produjo un comportamiento satisfactorio y libre de resonancias incluso a bajos regímenes de viento. Gracias a la rapidez de la compensación estática mejoró notablemente incluso el sistema de control de palas al desaparecer la inestabilidad que se producía a consecuencia de dicha resonancia.

Figura 10.- Equipo de filtros estático

Se ha podido ver que la compensación de generadores asíncronos impulsados por energía eólica exige ciertos cuidados a la hora de diseñar el sistema de compensación de energía reactiva. Los métodos tradicionales de conexión de condensadores fijos o regulados mediante contactores originan una serie de problemas de falta de rapidez y posibilidad de resonancias a bajas cargas. La solución de filtros con rechazo al 7% gobernados por interruptores estáticos ha demostrado ser la mejor para eliminar los citados problemas.

Fuente de información:

Artículo técnico de la revista de difusión de CIRCUTOR escrito por:

J. Balcells Profesor titular del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC y asesor técnico de CIRCUTOR S.A.