Actualmente existen dos conceptos principales de trenes de transmisión eléctricos para turbinas eólicas, los doblemente alimentados (Doubly-fed) y los de plena potencia (full converter). La diferencia principal entre ambos es el tipo y el tamaño del generador usado así como la funcionalidad del convertidor. El concepto de Plena Potencia (Full Converter) puede ser a su vez dividido en tres tipos: Velocidad lenta (Low speed) también conocido como direct-drive, Velocidad media y Alta velocidad. ABB fabrica productos para todos estos conceptos.
El concepto de Plena Potencia (Full Converter) está incrementando su cuota de mercado
Mientras el mercado ha estado dominado en gran medida por el sistema doblemente alimentado, el concepto de plena potencia está ganando rápidamente cuota de mercado. Existen diversos factores que influyen en ello como por ejemplo el cumplimiento de los requerimientos de código de red así como la optimización de generación de potencia a menores velocidades de viento.
Evaluando conceptos
Cada uno de los distintos conceptos de tren de transmisión comporta distintos tamaños y peso de la turbina, así como distintas necesidades específicas de mantenimiento. La selección del concepto de tren de transmisión eléctrico debe ser realizada de manera cuidadosa, sopesando tanto los requerimientos específicos de la turbina como las certificaciones y los requerimientos de código de red aplicables que deban cumplirse una vez la turbina se halle instalada.
Socios en la Ingeniería
Tras la elección del tren de transmisión, expertos ingenieros de ABB estarán disponibles para trabajar conjuntamente con el fabricante de las turbinas a fin de valorar e integrar los distintos productos ABB que deban ser incluidos tanto en planos como en esquemas y especificaciones técnicas. De esta manera los fabricantes pueden beneficiarse de la experiencia que posee ABB, resultando todo ello en el ahorro de los costes de diseño y mejores eficiencias.
La siguiente sección proporcionará con mayor detalle una visión de los distintos conceptos de tren eléctrico de transmisión para ayudar a los fabricantes de turbinas durante su proceso de valoración.
Doblemente alimentado (Doubly –fed)
Este concepto utiliza un generador asíncrono con rotor bobinado, donde los bobinados del rotor están conectados a un pequeño convertidor usando una unidad de anillos y escobillas. El generador aporta dos tercios de la potencia nominal directamente desde el estator y una tercera parte desde el rotor. El convertidor se usa para controlar la velocidad y el factor de potencia del generador, permitiendo un mayor rango de velocidad para la producción de potencia así como la habilidad de producir potencia reactiva para dar soporte a la red. Un pequeño convertidor parcial dimensionado a un tercio de la potencia nominal puede ser usado ya que permite un rango de velocidad de aproximadamente +/-30% de la velocidad nominal, la cual es suficiente para la aplicación eólica.
Ventajas en comparación con turbinas de velocidad constante.
- Permite operar en velocidad variable para incrementar la producción de kilovatio/hora
- Utiliza un pequeño convertidor, un tercio de la potencia nominal
- Suministra potencia reactiva para soportar la red.
- Alta eficiencia de la totalidad del sistema
- Es una solución técnica y económica para el cumplimiento del código de red.
Convertidor de Plena potencia
En el concepto de convertidor de plena potencia, el convertidor desacopla el generador y tren de transmisión mecánico de la red. Toda la potencia generada fluye a través del convertidor a la red. Generadores síncronos (de Imanes Permanentes) y generadores asíncronos son los típicamente usados. El convertidor proporciona el par y controla la velocidad del generador.
Existen tres conceptos principales de convertidores de plena potencia: de alta, media y baja velocidad, usando, cada una de ellas, distintas soluciones de generador y de multiplicadora.
Ventajas en comparación con el concepto Doblemente alimentado
- Desacopla el generador de la red.
- Reduce impactos mecánicos en la turbina producidos por las desconexiones de la red durante los huecos.
- Incrementado cumplimiento del código de red.
- Permite pleno rango de velocidad.
- Incrementa la producción anual de energía.
- Producción de potencia reactiva total
- Control total de la potencia.
1) Concepto de Convertidor de Plena Potencia a alta velocidad
El concepto de convertidor de plena potencia a alta velocidad (HSFC – High-speed full Converter) es mecánicamente similar al concepto de convertidor doblemente alimentado, usando una multiplicadora común de tres etapas y un pequeño generador de imanes permanentes (de hasta 2000 rpm). También pueden usarse Generadores Asíncronos.
Ventajas:
- Menor tamaño y peso del generador
- Puede usarse para actualizar los diseños doblemente alimentados ya existentes.
2) Concepto de Convertidor de Plena Potencia a velocidad media
Con el concepto de Convertidor de plena potencia a velocidad media (MSFC – Medium-speed full converter), se usan tanto multiplicadoras de una como de dos etapas junto con un generador compacto de imanes permanentes de media velocidad (de hasta 500 rpm).
Ventajas:
- Menor velocidad reduciendo el stress mecánico
- Menor peso y tamaño
3) Concepto de Convertidor Plena potencia a baja velocidad.
El concepto de Convertidor de plena potencia a baja velocidad (LSFC – Low Speed Full Converter), también conocido como de ataque directo sin multiplicadora, utiliza un generador de mayor diámetro a baja velocidad (hasta 30 rpm). Generadores de Imanes Permanentes y generadores síncronos de excitación separada son los típicamente usados por este concepto.
Ventajas:
- No usa multiplicadora