Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG): cómo funcionan los aerogeneradores de velocidad variable

Por qué los aerogeneradores necesitan velocidad variable

La potencia del viento es P = ½ × ρ × A × v³, y una turbina captura una fracción Cp de ella. Cp depende de la relación de velocidad en punta λ, la velocidad de la punta de la pala dividida entre la velocidad del viento, y tiene un único máximo (de 0,45 a 0,5 para los rotores tripala modernos, cerca de λ ≈ 8). Para mantenerse en ese máximo al cambiar el viento, la velocidad del rotor tiene que cambiar en proporción a la velocidad del viento.

Un generador de inducción de jaula de ardilla conectado a la red funciona a una velocidad casi constante, así que no puede hacerlo. Las opciones son un convertidor de plena potencia entre el generador y la red, que funciona pero debe soportar el 100 % de la potencia, o un generador de inducción doblemente alimentado, que logra el mismo funcionamiento a velocidad variable con un convertidor mucho más pequeño. La velocidad del viento también fluctúa, así que permitir que el rotor acelere y frene almacena las ráfagas como energía cinética del rotor y reduce la tensión mecánica sobre la multiplicadora.

Cómo está construido un DFIG

La máquina tiene un devanado trifásico en el estator y un rotor bobinado trifásico, con los terminales del rotor sacados mediante anillos rozantes. El buje de la turbina mueve el rotor a través de una multiplicadora (por ejemplo, de unos 90:1, que eleva una velocidad del buje de aproximadamente 10 a 20 rpm hasta la velocidad del generador). Los dos devanados se conectan así:

• El estator se conecta directamente a la red, a la frecuencia de la red.
• El rotor se conecta a la red a través de dos convertidores que comparten un bus de CC: un convertidor del lado del rotor, que aplica al rotor una tensión alterna controlada a la frecuencia de deslizamiento, y un convertidor del lado de la red, que intercambia potencia con la red.

El nombre doblemente alimentado se refiere a las dos conexiones eléctricas a la red, estator y rotor. El convertidor del lado del rotor regula la corriente del rotor, que fija tanto el par como la potencia reactiva del estator. El convertidor del lado de la red mantiene estable la tensión del bus de CC.

Funcionamiento subsíncrono y supersíncrono

La velocidad síncrona del campo del estator es n_s = 120 × f / p, 1500 rpm con cuatro polos a 50 Hz. El deslizamiento es s = (n_s − n) / n_s, positivo cuando el rotor es más lento que el campo y negativo cuando es más rápido. La frecuencia de las corrientes del rotor es |s| × f, así que un rotor a 1200 rpm ve 10 Hz y uno a 1800 rpm ve 10 Hz con la secuencia de fases opuesta.

El convertidor puede generar esta frecuencia de deslizamiento, y el sentido de la potencia del rotor depende del signo del deslizamiento.

• Subsíncrono (n < n_s, s > 0): el rotor absorbe potencia de la red a través del convertidor. El estator entrega más que la potencia del eje.
• Supersíncrono (n > n_s, s < 0): el rotor entrega potencia a la red a través del convertidor. La red recibe la potencia del estator más la del rotor.
• A la velocidad síncrona la corriente del rotor es continua y la potencia del rotor es solo pérdida en el cobre.

Despreciando las pérdidas, el estator entrega P_s y la potencia del rotor es

P_rotor ≈ −s × P_s

con el convenio de signos de que la potencia del rotor es positiva cuando fluye hacia la red. La potencia total en la red es P ≈ (1 − s) × P_s, y la potencia del eje es la misma. Como la tensión del rotor necesaria es proporcional a |s|, el convertidor solo necesita una tensión y una potencia nominales proporcionales al rango de deslizamiento.

Un ejemplo resuelto

Un DFIG de 2 MW, 690 V, 50 Hz y cuatro polos tiene un rango de velocidad de ±30 %, así que la velocidad del rotor va de 1050 a 1950 rpm.

1. Velocidad síncrona: 120 × 50 / 4 = 1500 rpm. 2. En lo alto del rango, 1950 rpm, s = (1500 − 1950) / 1500 = −0,30. En lo bajo, 1050 rpm, s = +0,30. 3. Si la máquina entrega 2000 kW en total con s = −0,30, entonces P_s = 2000 / 1,3 ≈ 1540 kW y la potencia del rotor es 0,30 × 1540 ≈ 460 kW. El convertidor maneja aproximadamente una cuarta parte de la potencia total. 4. A 1050 rpm la máquina, con poco viento, entrega por ejemplo 500 kW a la red: P_s = 500 / 0,7 ≈ 714 kW, y el rotor absorbe unos 214 kW.

Un sistema de convertidor completo haría pasar los 2000 kW por su convertidor. Este es el argumento económico del DFIG: un convertidor más pequeño significa menor coste y menores pérdidas en el convertidor, y por eso un convertidor del 30 % se hizo tan común.

Potencia reactiva y la red

Además de controlar la potencia activa mediante la corriente del rotor, el convertidor del lado del rotor puede magnetizar la máquina desde el rotor. Por eso un valor de consigna de la potencia reactiva del estator puede mantenerse en factor de potencia unidad, o hacer que se entregue o absorba potencia reactiva para apoyar la tensión de la red, sin usar condensadores. El rango está limitado por las tensiones y corrientes nominales del convertidor y por el límite de corriente del estator. El convertidor del lado de la red también puede intercambiar potencia reactiva por su cuenta.

En comparación con una turbina de convertidor completo (que usa un generador síncrono o de inducción y un convertidor dimensionado para la potencia total), el DFIG presenta estas ventajas e inconvenientes:

• Convertidor más pequeño y barato y menores pérdidas en el convertidor.
• El estator está conectado directamente, así que siente más las perturbaciones de la red: un hueco de tensión provoca corrientes altas en el rotor, lo que exige un crowbar u otra protección frente a faltas (fault ride-through).
• Necesita anillos rozantes y escobillas, que requieren mantenimiento, y una multiplicadora.
• Su rango de velocidad se limita a aproximadamente ±30 %, mientras que un convertidor completo admite cualquier velocidad.

Cómo modela el simulador el DFIG

El simulador de generador de inducción doblemente alimentado de Curvo Studio usa un circuito equivalente en T por fase, estacionario, referido al estator, con convenio de motor y con el rotor alimentado a la frecuencia de deslizamiento. La turbina usa la curva Cp(λ, β) de Heier/Slootweg (Cp máximo de aproximadamente 0,48 con λ ≈ 8,1), una multiplicadora con un 97 % de rendimiento, un control de velocidad MPPT limitado a un deslizamiento de ±30 % y orientación de las palas por encima del viento nominal. La velocidad de conexión es 4 m/s y la de desconexión 25 m/s. El convertidor pierde el 1,5 % de la potencia aparente del rotor, y se supone que el lado de la red funciona con factor de potencia unidad.

El modelo es cuasi estacionario. No simula lazos de control del convertidor, faltas de la red ni fault ride-through. La máquina predeterminada es de 2000 kW, 690 V, cuatro polos, multiplicadora 90:1, viento nominal de 11 m/s, un convertidor del 30 % y una consigna de factor de potencia unidad.

Con el viento predeterminado de 10 m/s, el seguidor mantiene el rotor en unas 1676 rpm (deslizamiento −11,8 %, supersíncrono). El estator suministra unos 1344 kW, el rotor aporta unos 155 kW a través del convertidor, y la red recibe unos 1496 kW.

Pruébelo en el simulador del DFIG

Abra el simulador del generador de inducción doblemente alimentado y pruebe lo siguiente.

• Deje el Control de velocidad en Viento (MPPT) y recorra la Velocidad del viento. A 10 m/s la Región de funcionamiento es Supersíncrono y la Potencia del rotor (por el convertidor) es positiva, de unos 155 kW. A 7 m/s la velocidad es de unas 1173 rpm, la región es Subsíncrono, el deslizamiento es de aproximadamente +22 % y la potencia del rotor es de unos −148 kW (el rotor toma potencia de la red).
• A 5 m/s la velocidad del rotor se mantiene en el límite de 1050 rpm (deslizamiento del 30 %), y a 12 m/s se mantiene en 1950 rpm mientras el Paso de pala sube a unos 3° y la Potencia de la turbina se mantiene cerca de su valor nominal.
• Por debajo de 4 m/s la máquina está parada y las lecturas muestran Bajo la velocidad de conexión.
• Cambie el Control de velocidad a Velocidad manual y ponga la Velocidad del rotor en 1500 rpm. El deslizamiento es cero y la Frecuencia de la corriente del rotor es 0 Hz.
• Ponga la Potencia reactiva del estátor en +500 o −500 kvar (positivo significa entregada a la red) y observe la Carga del convertidor y el Factor de potencia en la red. Con +1000 kvar la carga llega a cerca del 100 %.
• Reduzca la Potencia del convertidor al 10 % con la velocidad manual en 1700 rpm y la Carga del convertidor sube por encima del 100 %: el convertidor está sobrecargado y aparece un aviso de funcionamiento.

La gráfica Flujo de potencia según la velocidad del rotor (lugar MPPT) muestra la potencia del estator, del rotor y total a lo largo de la curva MPPT, con la potencia del rotor cambiando de signo a la velocidad síncrona.

Pruébalo en el simulador