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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