Generación de energía eólica: El viaje a un futuro más limpio
El cambio climático es un problema mundial apremiante, y con evidencia científica inequívoca sobre el papel directo de la humanidad en el calentamiento del planeta, ha comenzado la adopción de fuentes de energía limpia. Se prevé que la energía eólica sola se producirá 113,43 gigavatios (GW) de energía eléctrica en 2020, más del doble de lo que produjo en 2013. Se espera que ese número siga creciendo hasta llegar a 404,25 GW en 2050.
Aunque la energía limpia es una opción muy atractiva, existen problemas asociados con la generación de energía eólica. La información relacionada con estos problemas y soluciones ayudará a los desarrolladores, diseñadores y operadores de las plantas de energía eólica.
1. Armónicos
Los armónicos han sido una preocupación desde hace tiempo, comenzando con la introducción de la red eléctrica a los sistemas de corriente continua de alta tensión (HVDC) en la década de 1980. Las inyecciones de armónicos distorsionan las corrientes normales de la red eléctrica, creando niveles de voltaje más altos y temperaturas peligrosas dentro de los transformadores que pueden impactar negativamente en el rendimiento. Como ocurre con la carga errática y la vibración, el calor asociado a los armónicos a menudo crea problemas de emisión de gases que causan daños graves.
En los años ochenta, se instalaron variadores de velocidad ajustables en las instalaciones de los clientes industriales para sustituir a los motores de inducción convencionales, lo que provocó el flujo de altos niveles de armónicos dentro del sistema. La introducción de energías renovables empeoró la situación. Para evitar las inyecciones excesivas de armónicos, las empresas de servicios públicos adoptaron un régimen muy estricto para asegurarse de que los clientes industriales aplicaran filtros de armónicos adecuados en sus sistemas de distribución. IEEE produjo la Guía IEEE 519 para crear límites de armónicos incluso antes de que las fuentes de energía limpia cobraran impulso en los Estados Unidos. Hasta el día de hoy, la guía se considera una buena herramienta para las empresas de servicios públicos y los clientes industriales que buscan contener los armónicos mediante la aplicación de filtros de armónicos en lugares adecuados dentro de sus instalaciones.
IEC también proporciona orientación sobre este tema, adoptando un enfoque diferente al de la IEEE 519 para restringir el flujo de corriente armónica. IEC impone restricciones a los equipos que producen corrientes armónicas, por lo que es responsabilidad del fabricante del equipo limitar la generación de armónicos.
2. Ferroresonancia
Los parques eólicos ocupan inherentemente grandes áreas, aproximadamente tres cuartos de acre (0,3 hectáreas) por cada megavatio (MW), porque las turbinas eólicas deben estar separadas por una distancia operativa segura. Cada unidad generadora suele tener una potencia nominal de 500kW a 2MW, y algunas llegan a 9,5MW. Se necesitan muchas unidades para que la capacidad total de producción del parque se encuentre en un rango razonable, lo que significa que se necesitan cables largos para conectar las unidades entre sí a un bus colector común, que se conecta a la red mediante un transformador elevador.
En determinadas condiciones, puede producirse una resonancia armónica, que se compone de la reactancia magnetizante del transformador y la capacitancia del cable. Este tipo de resonancia se denomina ferroresonancia y puede hacer que el voltaje del sistema se eleve a niveles peligrosos. Esta situación puede evitarse mediante consideraciones adecuadas durante el diseño del sistema y la operación de la planta.
3. Impacto del transformador
El riesgo de sobrecalentamiento es particularmente relevante en los pequeños transformadores aplicados en cada generador de turbina, y en el gran transformador elevador principal entre el bus colector y la red.
Normas como la IEEE C57-110 pueden ayudar a determinar si la capacidad del transformador es lo suficientemente grande para manejar los armónicos. Basándose en los resultados de los cálculos – que normalmente se pueden realizar con software existente de estudio de sistemas como ASPEN, CAPE, SKM, ETAP y otros – los transformadores pueden requerir una reducción de la potencia. Los cálculos pueden ser muy útiles a la hora de tomar decisiones de compra, ya que se puede determinar una calificación adecuada desde el principio.
Los pequeños transformadores de 480V deberían ser capaces de manejar los efectos de las corrientes armónicas. Los transformadores con una tensión nominal de hasta 600V se comercializan con una clasificación de factor K certificada por UL. Estos factores K determinan el nivel de corrientes armónicas que estos transformadores pueden soportar. Un factor K de cero implica que el transformador no es apto para conducir ninguna corriente armónica. El mismo software que puede calcular las capacidades de los grandes transformadores posiblemente pueda determinar el factor K necesario para cada uno de estos transformadores como parte de los resultados de la simulación.
Además de los armónicos, los transformadores de los parques eólicos están sujetos a otras condiciones como la carga errática y, en algunos casos, la vibración. Todos estos factores pueden causar problemas importantes.
4. Protección de relé
El principal problema en el diseño de los relés son las bajas contribuciones de corriente de falla de los convertidores. En el caso de fallas dentro de una planta, hay una contribución adecuada de corriente de cortocircuito de la red eléctrica. Sin embargo, la contribución de los generadores eólicos basados en convertidor es de un valor de 3 a 4 veces la corriente nominal del convertidor entre 4 a 6 ciclos. Esto se reduce a un valor de 1,1 a 1,4 veces la corriente nominal del convertidor después de 4-6 ciclos.
Este nivel y duración de la corriente de cortocircuito es normalmente adecuado para el funcionamiento instantáneo de relés como los relés de distancia de zona 1, diferenciales de transformador, diferencial de corriente de línea y elementos de sobrecorriente instantánea. Estos niveles de corriente de cortocircuito causan dificultades para lograr un esquema de protección coordinado basado en el tiempo. Para disparar los generadores en caso de una falla, normalmente es necesario implementar disparos de transferencia directa debido a la falta de niveles adecuados de corriente de falla después de 3-6 ciclos. Algunos fabricantes han recomendado esquemas de protección que utilizan mensajes GOOSE según la norma IEC 61850 en lugar de utilizar disparos directos por cable.
Otro problema es que el componente de secuencia negativa está ausente en la contribución de corriente de falla de los convertidores. Esto provoca problemas adicionales relacionados con la protección.
5. Inercia
La inercia en un sistema de energía proviene de equipos pesados como turbinas de vapor o gas. Una red eléctrica que contiene centrales eléctricas con inercia escasa o nula exhibe inestabilidad, problemas de calidad de energía y es muy susceptible a las condiciones de desfase.
Por ejemplo, cuando un generador convencional funciona en sincronización con la red eléctrica principal, la frecuencia del generador y de la red son las mismas. Si hay una demanda repentina de carga, la frecuencia de la red tiende a disminuir muy rápidamente. Sin embargo, si hay una masa rotativa considerable, como en el caso de los generadores convencionales, la velocidad de cambio se reduce y se mantiene la estabilidad del sistema.
En el caso de las centrales eólicas que contienen convertidores entre el generador de inducción y la red eléctrica, el generador eólico se desacoplará de la red. Esto significa que no hay inercia para ayudar a reducir la velocidad de cambio de la frecuencia.
Cuando varios generadores de energía eólica sustituyen a los convencionales, las redes eléctricas se enfrentan a una menor inercia del sistema. Una de las soluciones es instalar condensadores sincrónicos entre la red eléctrica y los convertidores asociados a los generadores de energía eólica. Además, se están investigando diversas alternativas para resolver este problema. La mayoría de estas soluciones se centran en emular la respuesta inercial en los circuitos de control de los convertidores.
Ahora es el momento de una energía más limpia
Los Estados Unidos han comenzado finalmente una revolución de energía limpia, pero es fundamental que la industria de la energía aborde estos problemas de rendimiento de las centrales eólicas mediante una adecuada planificación, capacitación y asignación de recursos.
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