UNIVERSIDAD DE GRANADA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL

MODELOS EQUIVALENTES DE PARQUES ELICOS CON GENERADORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTES

EQUIVALENT MODELS OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR WIND FARMS

TESIS DOCTORAL - 2012

MARA JOS MERCADO VARGAS

Para la obtencin del

GRADO DE DOCTOR INTERNACIONAL POR LA UNIVERSIDAD DE GRANADA DIRECTOR:

ENRIQUE ALAMEDA HERNNDEZ, Universidad de Granada

Editor: Editorial de la Universidad de GranadaAutor: Mara Jos Mercado VargasD.L.: GR 227-2013ISBN: 978-84-9028-306-6

MODELOS EQUIVALENTES DE PARQUES ELICOS CON GENERADORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTES

EQUIVALENT MODELS OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR WIND FARMS

Memoria presentada por Mara Jos Mercado Vargas para aspirar al Grado de Doctor Internacional por la Universidad de Granada

Fdo: Mara Jos Mercado Vargas

Director de la Tesis

Enrique Alameda Hernndez

Granada, 2012

Va por ustedes, los que estn

y los que, si Dios quiere, vendrn.

Vlame Dios!- dijo Sancho-.

No le dije yo a vuestra merced

que mirase bien lo que haca,

que no eran sino molinos de viento,

y no lo poda ignorar sino

quien llevase otros tantos en la cabeza?

El ingenioso hidalgo D. Quijote de la Mancha

Miguel de Cervantes Saavedra

Agradecimientos

Gracias a Dios porque l es el origen y el fin y sin Su presencia en mi vida, absolutamente nada

tiene sentido. l me dio la bolsa de talentos, pero tambin me da la fuerza necesaria para intentar

sacarles su fruto y, cuando desfallezco en ese propsito, siempre est a mi lado para ayudarme a

salvar los obstculos.

Gracias a Enrique, mi director de tesis, y a todos mis compaeros del rea de Ingeniera Elctrica

por vuestro apoyo durante estos aos y, espero que siga contando con l en los aos venideros.

Cada uno de vosotros habis sabido transmitirme vuestra experiencia para que yo pudiera

conseguir mis objetivos.

Gracias a los que siempre estis cuando os necesito. No hace falta que os nombre a todos porque

sabis perfectamente quienes sois. Mi vida no hubiera sido igual sin vuestros consejos, vuestras

palabras de nimo, vuestros esfuerzos por hacerme rer en los momentos difciles y sin nuestras

charlas sobre la depreciacin del arenque en Lugo. Gracias por vuestra amistad.

Gracias a ti, Laura, por ser siempre mi compaera en la paz y en la guerra, cuando no nos

separaban tantos kilmetros y ahora, en la distancia. Cunto hemos redo y llorado juntas La

noche es nuestra, no, no, no, a la comunicacin, somos millonarias te acuerdas? Podra

escribir otra tesis sobre nuestra amistad y todos los momentos que hemos compartido, pero me

limito a darte las gracias por ser como eres.

Gracias a toda mi familia porque nunca habis dejado de preocuparos por m. Siempre habis

estado a mi lado en los buenos momentos y en los menos buenos, y espero que siga siendo as

durante muchos aos porque vosotros, mi familia, sois uno de mis tesoros ms preciados.

Y por ltimo, gracias a mis padres por darme la vida. Sin la educacin que he recibido en casa,

vuestro apoyo constante, vuestro ejemplo y amor, no sera la persona que hoy est escribiendo

estos agradecimientos y que tiene una maleta llena de experiencias que me enriquecen

enormemente. Tambin quiero daros las gracias por la familia que habis formado, porque me

habis dado un hermano extraordinario, al que adoro, y que, junto a Miriam, su mujer, me ha

hecho el mejor regalo del mundo: mi sobrina Mara. Un personajillo que no ha dejado de

sorprenderme desde que lleg a mi vida, hace 14 meses, y que me ha devuelto la ilusin.

Muchsimas gracias a todos.

Resumen

I

Resumen

El inters por las energas renovables est experimentando un crecimiento extraordinario en todo

el mundo debido al descenso de los costes de generacin, al crecimiento de la demanda de

electricidad y a la progresiva preocupacin sobre el Medio Ambiente.

En concreto, la energa elica es una fuente de energa autctona, que no contamina, es

inagotable, segura y frena el consumo de combustibles fsiles; adems, es una de las fuentes

energticas ms baratas y puede competir en rentabilidad con otras fuentes tradicionales.

Por ello, la energa elica es una alternativa real al uso de las energas convencionales, que

permite diversificar las fuentes de energa y disminuir el grado de dependencia de las

importaciones del exterior. De hecho, esta tecnologa est adquiriendo da a da un protagonismo

asombroso, convirtindose en una de las tecnologas que ms energa aporta al sistema elctrico

en muchos pases.

Debido al aumento de la penetracin de la energa elica en el sistema elctrico, es lgico pensar

que los parques elicos puedan influir en el comportamiento del sistema elctrico tanto a nivel de

generacin de potencia como de mantenimiento. Por ello, es crucial que el operador del sistema

conozca con antelacin el comportamiento de las redes elctricas con gran presencia de parques

elicos, para poder garantizar la continuidad del suministro a todos los usuarios.

De ah, la necesidad de obtener modelos de los parques elicos, que representen el

comportamiento del conjunto de aerogeneradores que lo componen ante diferentes condiciones

de viento y ante perturbaciones en el funcionamiento de la red elctrica. Sin embargo, como el

tamao de los parques est aumentando cada da, no es prctico realizar el modelo detallado de

Resumen

II

cada uno de los aerogeneradores que componen el parque porque es una tarea

computacionalmente muy exigente con tiempos de respuesta lentos debido a la complejidad del

sistema de ecuaciones que lo describen. En consecuencia, para estudiar el comportamiento de

uno o varios parques elicos frente al sistema elctrico de potencia en estudios de estabilidad

transitoria, que es la propiedad de los sistemas elctricos que les permite volver a un punto de

funcionamiento aceptable despus de una alteracin importante, es necesario desarrollar lo que

se conoce como modelo equivalente o modelo agregado del parque; de este modo, se reduce la

complejidad del sistema, reduciendo el orden del modelo y, por tanto, el tiempo de simulacin, sin

perder informacin sobre la respuesta conjunta de los aerogeneradores que forman el parque.

Los modelos equivalentes mediante la agregacin de aerogeneradores de velocidad variable se

han empezado a estudiar recientemente, siendo la mayora de los estudios realizados hasta la

fecha de parques elicos compuestos por aerogeneradores con generadores de induccin de

doble alimentacin (GIDA). No obstante, el aerogenerador con generador sncrono de imanes

permanentes (GSIP), en concreto, el GSIP multipolar con convertidor de frecuencia alterna-alterna

con etapa intermedia de DC se est convirtiendo, poco a poco, en la configuracin ms usada por

la mayora de los fabricantes, sustituyendo de forma gradual al GIDA porque, adems de

proporcionar un alto rendimiento, una mayor fiabilidad debido a la ausencia de elementos

mecnicos y ser una configuracin con una relacin potencia-peso mayor, el comportamiento de

los imanes permanentes est mejorando y el precio de los convertidores de potencia est

disminuyendo. Sin embargo, a pesar de ello, se ha comprobado en la literatura existente que

apenas se han desarrollado modelos equivalentes de parques elicos compuestos por este tipo de

aerogeneradores.

Por este motivo, el objetivo de esta tesis es desarrollar modelos equivalentes de parques elicos

de aerogeneradores de velocidad variable con generadores sncronos de imanes permanentes

para estudios elctricos en rgimen dinmico.

En primer lugar, se desarrolla el modelo detallado de un aerogenerador con GSIP a partir de las

directrices existentes en la literatura tcnica, en relacin a los modelos de este tipo de

aerogeneradores, y a continuacin, se analizan las diferentes estrategias de control que se

pueden aplicar al modelo del aerogenerador en estudio, llegando a la conclusin de que la

estrategia que controla la potencia activa del generador a partir de la velocidad de giro del rotor

elico proporciona una buena respuesta del sistema elico en estudio. Adems, con objeto de

comprobar la capacidad del modelo desarrollado para simular el comportamiento del

aerogenerador en estudio durante su funcionamiento normal, se estudia la evolucin dinmica del

Resumen

III

modelo desarrollado cuando se produce una fluctuacin en la velocidad del viento y una

perturbacin en el punto de conexin a la red elctrica.

Conocidos los modelos detallados del aerogenerador con GSIP y, por tanto, del parque elico en

estudio, se desarrollan tres modelos equivalentes aplicando diferentes criterios de agregacin

existentes en la literatura tcnica, que ya se han aplicado a otras tecnologas.

El primer modelo, que se denomina modelo con viento equivalente, propone la agregacin de

todos los aerogeneradores en una nica mquina equivalente que recibe un viento de entrada

equivalente a los vientos recibidos por cada uno de los aerogeneradores que forman el parque

elico en estudio. El aerogenerador equivalente tiene el mismo modelo que las mquinas

individuales p