Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON:
Características de Conexión a la Red Eléctrica
Danilo Caldas
Sales - Technical Support
Wobben Windpower Ltda/ENERCON GmbH
Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON
• Introducción de la Empresa ENERCON
• Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable
Electrónica de Potencia - Full Converter
• Rangos Operativos
Viento
Tensión
Frecuencia
Potencia Activa y Reactiva
• Comportamiento frente a Huecos de Tensión
ENERCON FRT
ZPM – Modo de Inyección Nula
 QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva
dependiente de la Tensión
• Enercon SCADA
RTU
FCU
Control de Potencia Activa - Frecuencia
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Slide 2
Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON
• Introducción de la Empresa ENERCON
• Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable
Electrónica de Potencia - Full Converter
• Rangos Operativos
Viento
Tensión
Frecuencia
Potencia Activa y Reactiva
• Comportamiento frente a Huecos de Tensión
ENERCON FRT
ZPM – Modo de Inyección Nula
 QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva
dependiente de la Tensión
• Enercon SCADA
RTU
FCU
Control de Potencia Activa - Frecuencia
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Introducción de la Empresa ENERCON
Fundada en 1984 por el Ingeniero Alloys Wobben;
Tiene cerca de 12.000 empleados;
Ha instalado cerca de 24.000 MW con cerca de 18.000 aerogeneradores;
Está presente en 39 países, a través de docenas de fábricas y oficinas.
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Introducción de la Empresa ENERCON
Fábricas en Alemania: Aurich, Emden, Magdeburg
Fábricas internacionales : Brasil, Suécia, Turquia, Portugal
Área total industrial en todo el mundo: 478.000 m²
Oficinas de ventas: 8 en Alemania, 18 internacionales
Service: más de 160 centros de operación, mantenimiento e
asistencia técnica
Países para los cuais exporta: 39
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Introducción de la Empresa ENERCON
E
E
E
E
E
E
70
33
44
48
53
82
2300 kW
330 kW
900 kW
800 kW
800 kW
2000 kW à
3000 kW
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E101 E
126
7500 kW
3000 kW
Aerogeneradores instalados:
18.000
Capacidad instalada:
24 GW
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Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON
• Introducción de la Empresa ENERCON
• Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC)
ENERCON
Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable
Electrónica de Potencia - Full Converter
• Rangos Operativos
Viento
Tensión
Frecuencia
Potencia Activa y Reactiva
• Comportamiento frente a Huecos de Tensión
ENERCON FRT
ZPM – Modo de Inyección Nula
 QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva
dependiente de la Tensión
• Enercon SCADA
RTU
FCU
Control de Potencia Activa - Frecuencia
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Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Generador:
Estator
Rectificador
Control
Excitación
Rotor
G
E
N
E
R
A
T
I
O
N
Control de Azimut
Control de Paso
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Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Convertidores
UPS
(opcional)
Gabinete
de Control
Distribución BT
C
O
N
V
E
R
S
I
O
N
Transformador
Celdas de MT
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Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Rectificador
Generador en Anillo
RG
DC-Link
Convertidor

=
=
=
=
Control de
Excitación
UPS
Transformador
BT/MT
Interruptor

Sistema de
Control

=
Filtros
Punto de Referencia
para todas las
características de
performance
eléctrica del
Aerogenerador
Chopper
Velocidad
Variable
Frecuencia de la red
constante
Flujo de Potencia
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Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
 Concepto “Direct Drive” Transmisión Directa
Sin caja multiplicadora
 Operación a Velocidad Variable
 Maquina de rotación lenta > Bajo desgaste
 Bajo nivel de stress debido a velocidad variable
 Diseño de las palas para producción de energía
optimizada y control del aerogenerador
 Grandes alturas de cubo para aumentar la
generación de energía
 Electrónica de Potencia de escala para grandes
capacidades de conexión a la red
 Capacidades FACTS ayudan a cumplir con los
códigos de red más avanzados
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Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON
• Introducción de la Empresa ENERCON
• Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable
Electrónica de Potencia - Full Converter
• Rangos Operativos
Viento
Tensión
Frecuencia
Potencia Activa y Reactiva
• Comportamiento frente a Huecos de Tensión
ENERCON FRT
ZPM – Modo de Inyección Nula
 QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva
dependiente de la Tensión
• Enercon SCADA
RTU
FCU
Control de Potencia Activa - Frecuencia
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Rangos Operativos
Opción FRT:
Hasta 5 segundos
por evento
máx.
60
seg.
Operación
continua normal
Opción FRT:
Hasta 5 segundos
por evento
Frecuencia
f [Hz]
fR + 7 Hz
Tensión U
[% UR]
fR
80%
90%
100%
110%
120%
145%
fR - 7 Hz
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Rangos Operativos
Existen tres modos de operación principales
dependiendo de la velocidad del viento:
PWEC
vwind < vmin
Stand by
PRated
vmin < vwind < 25 m/s Operación Normal
vwind > 25 m/s
Control de Ráfagas ENERCON:
No hay desconexión de la red,
recuperación instantánea de la
potencia activa cuando las ráfagas
disminuyen
Control de Ráfagas ENERCON
Operación Normal significa esencialmente:
 Producir la máxima potencia activa de
acuerdo con la velocidad de viento

Producir la potencia reactiva de acuerdo
con las consignas suministradas (Qset o set)
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vmin
vrated
vWind
Conforme norma IEC61400
éstos son valores promedio de 10 min
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Rangos Operativos
P / Pn
Capacidades FACTS:
 Capacidad total de potencia reactiva entre 20% y
100% de la potencia activa nominal
100%
 Dinámica rápida
 Base para performance flexible ENERCON UVRT
para funcionamiento durante huecos de tensión
Q+
Q+
 Base para control de tensión en los Parques Eólicos
 Opción Q+, extensión opcional del rango de
capacidad de potencia reactiva
20%
Ejemplo: E-82 E2 2,3MW
@Pmax => 0.92imp< cos > 0.92exp
+Q / Pn
QE-82_export=980kvar
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QE-82_import=980 kvar
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Rangos Operativos
P / Pn
Opción ENERCON STATCOM:

Capacidad total de potencia reactiva entre 0% y
100% de la potencia activa nominal con la
electrónica de potencia que ya está instalada;

Performance combina una unidad generadora y
un STATCOM en un único dispositivo;

Suministro de potencia reactiva es
independiente de la velocidad de viento;

Soporte a la estabilidad del sistema como un
STATCOM sin la necesidad de un dispositivo
externo adicional

La potencia reactiva adicional puede ser paga
en algunos mercados como servicios auxilares.
100%
20%
+Q / Pn
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-Q / Pn
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Rangos Operativos
Denominación
Especificación
FD
F = Capacidades FACTS
D = Distribution = Sin (!) UVRT
FT
F = Capacidades FACTS
T = UVRT
FTQ
F = Capacidades FACTS
T = UVRT
Q = Potencia Reactiva extra
FTQS
F = Capacidades FACTS
T = UVRT
Q = Potencia Reactiva extra
S = Potencia Reactiva sin viento
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Forma del diagrama PQ
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Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON
• Introducción de la Empresa ENERCON
• Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable
Electrónica de Potencia - Full Converter
• Rangos Operativos
Viento
Tensión
Frecuencia
Potencia Activa y Reactiva
• Comportamiento frente a Huecos de Tensión
ENERCON FRT
ZPM – Modo de Inyección Nula
 QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva
dependiente de la Tensión
• Enercon SCADA
RTU
FCU
Control de Potencia Activa - Frecuencia
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Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
•
•
•
•
•
WEC debe ser capaz de
mantenerse operando durante
fallas en la red, o sea:
Mantenerse conectado por un
tiempo determinado y hasta un
valor de hueco de tensión
Suministrar potencia activa
inmediatamente después de la
eliminación de la falla
Ayudar a recuperar la tensión en la
red durante las fallas suministrando
potencia reactiva
Los requerimientos de red son bien
diferentes dependiendo del
operador de red
UVRT en el sistema de potencia A

UVRT en el sistema de potencia B
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Requerimientos de FRT
en diferentes sistemas de potencia
Uno de los muchos criterios de UVRT:
duración y profundidad de los huecos de tensión que
tiene que ser soportada.
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Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
 Capacidad de funcionamiento durante
falla hasta 0 V por hasta 5 seg. por
evento
 La potencia activa que no puede
alimentar la red es disipada en los
“Choppers”
 Capacidad de soportar fallas
simétricas y asimétricas
 Diferentes Modos FRT para
adaptación a diferentes características de
sistemas de potencia
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Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
Rectificador
RG
DC-Link

Convertidor
=
=
=
=
Control de
Excitación
UPS
Transformador
BT/MT
Interruptor

Sistema de
Control

=
Filtros
Chopper
Elementos
Elementos clave
llave para
para capacidad
capacidad
de operación durante fallas
(Fault Ride Through capability)
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Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
Diferencia fundamental entre el generador convencional y el Aerogenerador
ENERCON:
Contribución de
la corriente de
ISC / IR
falla depende
Corriente de
del nivel de
falla disponible
tensión
es constante
para un gran
rango de
tensión
Sk_max
“ : 500A por convertidor (400V)
Ejemplo:
E-82 2,3MW FT = 8 convertidores=>
Sk_max = 4.000A por WEC (400V)
100%
0%
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50%
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100%
USC / UR
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Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
El Aerogenerador ENERCON produce solamente corriente de secuencia positiva en sus bornes
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Tensión (MT):
Corriente (BT):
Tensión (MT):
Corriente (BT):
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Slide 23
Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
Modo Estándar:
Ejemplo de un Aerogenerador ENERCON
E-70 E4 2,3MW / falla trifásica
Zero Power Mode (ZPM)
Active Power P [MW]
•
Disponible para fallas simétricas y
asimétricas
•
No hay inyección de corriente durante las
fallas => la potencia generada es
completamente disipada por los “Choppers”
•
Inyección total de corriente de acuerdo con
una rampa ajustable entre 100 y 3000 ms.
•
Ajustable: Aerogenerador puede ser
galvánicamente desconectado durante los
huecos de tensión.
•
Modo más simple para evitar situación de
isla
•
También disponible como modo secundario
Zero Power Mode
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Reactive Power Q [Mvar]

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Comportamiento frente a huecos de Tensión (FRT)
Modo Opcional:
Extracto de la legislación de Alemania
SDLWindV (publicada el 25.6.2009):
IB-IB0 [%]
In
QUM2
100
•
•
•
•
•
Operación durante fallas en el sistema
Inyección de corriente reactiva dependiendo
de los huecos de tensión
Factor k ajustable
Aplicable para fallas balanceadas y
desbalanceadas
Cálculo basado en la tensión de secuencia
positiva
K=10
80
Totband
Aufnahme von
zusätzlichem
Blindstrom
60
40
20
K=1
-50
-40
-30
-20
-10
10
-20
K=1
20
30
40
UGrid-U0
[%]
Un
-40
Abgabe von
zusätzlichem
Blindstrom
-60
-80
K=10
-100
∆Ur = 0
∆Ur = ∆U + Ut
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∆Ur = ∆U - Ut
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Tecnología de los Aerogeneradores ENERCON
• Introducción de la Empresa ENERCON
• Conceptos de funcionamiento del Aerogenerador (WEC) ENERCON
Generador sin caja multiplicadora y Velocidad Variable
Electrónica de Potencia - Full Converter
• Rangos Operativos
Viento
Tensión
Frecuencia
Potencia Activa y Reactiva
• Comportamiento frente a Huecos de Tensión
ENERCON FRT
ZPM – Modo de Inyección Nula
 QUM – Modo de Inyección de Corriente Reactiva
dependiente de la Tensión
• Enercon SCADA
RTU
FCU
Control de Potencia Activa - Frecuencia
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
• Códigos de red incluyen requisitos técnicos de: FRT, Calidad de
Energía, Control de Tensión, Despacho, etc.
• Algunos códigos de red hacen diferencia entre los requerimientos de
performance para el punto de conexión y para los aerogeneradores;
• Cuáles requerimientos son aplicables para el aerogenerador o para el
PoC dependen del tema técnico;
• Los fabricantes de aerogeneradores garantizan la performance de la
máquina y no del Parque.
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PoC
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Ejemplo: requisito
0.95 exp < cos > 0.95 imp
Active power
20kV
400V
400V
Bornes 400V
de los
aerogeneradores
20kV
PoC
400V
Resultado
en el PoC
QExport
20kV
110kV
QImport
Qoffset debido a la red
interna
Rango PQ de la suma de los WECs es diferente del rango PQ del parque eólico completo
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Todos los parques eólicos ENERCON están equipadas con el
sistema ENERCON SCADA
El Sistema ENERCON SCADA toma y salva datos del parque y
de los WECs individuales – tales como informaciones de status,
mediciones eléctricas y mecánicas, datos de viento…
Software “ENERCON SCADA Remote” puede ser usado para
acceder y visualizar los datos en una PC externo
Otras opciones de comunicación online pueden ser ofrecidas
(PDI-OPC, RTU)
Control simple de lazo abierto de P y cos pueden ser
realizados sin hardware adicional
SCADA PC
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
ENERCON METEO
Interacción con el mástil
anemométrico
ENERCON RTU, RTU-M,
RTU-C
Mediciones en el punto de
conexión y controles del parque
eólico
ENERCON PDI
Process Data Interface
SCADA PC
ENERCON FCU
Farm Control Unit
Intercambio de datos con el
exterior
Controlador para Parques
Eólicos
FCU BUS
PoC
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Disponible para los
WEC
Disponible para el
Parque Eólico
Limitación de Potencia Activa
X
X
Control de gradiente de
Potencia Activa
X
Tipo de Control
Reducción de Potencia Activa
dependiendo de la frecuencia
con f > fn
Aumento de Potencia Activa
dependiente de la Frecuencia
con f < fn
X
X
Control de Potencia Reactiva
X
X
Control de Factor de Potencia
X
X
Control de Tensión
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X
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Control de Tensión:
Generador Síncrono Convencional
Wind Energy Converter / Parque Eólico
Tensión controlada
Tensión controlada por
por la corriente de excitación
xd
inyección de corriente reactiva
Iexcitation
Up
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del Parque Eólico
U ~ Iexcitation
U = f(ZPoC and QWF)
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Estrategias de Control:
Active power
Basic:
cos constante en los bornes de los WECs,
WEC
(400V)
Prated
en el PoC diagrama PQ modificado
según el flujo de potencia
Simple:
cos = constante (o tg = const)
con control de lazo cerrado
Smart:
cos (or tg) dinámico de
acuerdo con la demanda del
operador de sistema
Rango
resultante en
el PoC
dinámica de Q de acuerdo con
la demanda del operador de sistema
Q export
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Q import
Slide 33
ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
• Consignas poden ser enviadas de:
- Un valor fijo
- Valor enviado remotamente
- Valor de una curva característica, e.g. Q(U), definidos valores hasta 10 puntos
(Qi;Ui)
• Suponiendo que el nivel de corto circuito en el PoC es mayor a 5 veces la PParque
Eolico entonces:
- RTU puede ser instalados y comisionados con parámetros estándar, sin datos
específicos de la red, simulaciones o tests
- El tiempo de respuesta del controlador es lento (~10 seg.)
usando Q
• Todos controladores tienen una estructura PI
•
•
•
•
•
usando P
RTU – Remote Terminal Unit
• Pmax
• Consigna de P(f)
(reserva primaria)
cos
cos (P)
cos (U)
Q (U)
Q
• No es posible realizar cambio remoto del modo de control
M ax.
P ro p o rtio n a l g a in
S e t v a lu e
M in .
D eadband
L im ite r
M e a s u re d
v a lu e
In te g ra l g a in
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
FCU – Farm Control Unit
• Control avanzado y flexible para Parques Eólicos
• Controles utilizando P y Q de los WECs
• Todos los controles utilizan estructura de controlador PI
• Tiene la capacidad de ser muy rápido, debido a la barra de comunicación exclusiva para el envío de las
consignas hacia los WECs
(tiempo de respuesta menor a 1 segundo es posible: datos de red, simulaciones y tests son obligatorios)
• Posibilidad de cambiar remotamente entre los diferentes modos de control
SCADA PC
ENERCON FCU
Farm Control Unit
FCU BUS
PoC
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Prated
Como Q puede ser modificado dinámicamente para
contribuir para mantener la tensión constante:
Ejemplo de Control: Q (U) “Voltage Droop Controller”
• Puede ser útil si el ángulo de impedancia de la red
ΨPoC es suficientemente grande
U/Urated
Q export
Q import
• La característica Q (U) puede ser com el diagrama
1,05
• Las partes utilizadas del rango PQ disponible de la
Parque Eólico dependen de las consignas Qmax y
Qmin
• Si la opción ENERCON STATCOM está
implementada también será utilizada
• Disponible con el producto „RTU“ y con el producto
„FCU“
Característica Q (U) a ser definida por el operador
del sistema específicamente para el PoC.
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Qmax_exp
Qmax_imp
0,95
export
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Q
import
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
• Wind Power Plant “Edinbane”, Scotland, 41,1 MW, 132 kV connection
• Requerimiento: Voltage-Droop-Control Q(U), 6% droop
• Estructura: PI-Voltage Controller
• Objetivo: Respuesta rápida a cambios de voltaje (<1sec requerido)
• Características de red sin Parque Eólico : 207 MVA, X/R=2,5
con Parque Eólico : 371 MVA, X/R=2,2
Qref [pu]
+Qref, max
U disturbance
(razones externas)
DU [pu]
Q(U)-Controller
respuesta <1s
-Qref, max
Con seteo de Setpoint de
Voltaje
 DU = Uref - Uact
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
• Los conceptos “pitch” y electrónica de potencia “full scale” permiten un control contínuo rápido y
flexible de la potencia activa de cada ENERCON WEC individual.
• Performance se logra mediante el cambio del ángulo de las palas del WEC “pitch”.
• Activación basada en una señal online del operador del sistema.
• Pequeña inversión adicional necesaria para comunicación online.
• Producción relevante => Usualmente sólo para emergencias
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Ejemplo de medición: Potencia activa
Ejemplo de medición: Potencia activa
reducción a sobre-frecuencias.
incremento a sub-frecuencias (e.g. <49,5Hz)
49,5Hz
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ENERCON SCADA: Sistema de comunicación On-line
Control primario de incidentes de subfrecuencia
Potencia activa
Pavailible
Plimited
Reserva de
potencia activa
flow frated fhigh
Prated
Prated -x%
fmax
f
• Si la frecuencia del sistema realmente cae por
debajo de flow, el Parque Eólico incrementa la
potencia activa
• Muy relevante para la producción =>
Usualmente sólo para emergencias, no como
reserva permanente!
• Desventaja económica sólo aceptable, si
Preserve como
limitada a pocas horas por año
porcentaje de
• Tiempo de respuesta: varios segundos
Pactual
(~ control primario)
wind speed
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• Si el sistema tiende a volverse crítico, puede
enviarse una señal al Parque Eólico: “Reducir la
potencia activa!” (temporariamente por
precaución)
• Este control opera sobre cada WEC individual,
apenas el setpoint Preserve desde el centro de
despacho llega via el SCADA PC central.
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ENERCON Inertia Emulation
Pactual
Incremento opcional de Potencia Activa
Pref
kW
950
utilizando la Inercia del rotor.
900
 Pboost = 10%Prated
850
 Disponible desde que Pactual ≥ 4%Prated
750
 Pboost disponible dentro de 800ms
650
 “Boost” por no max. 10 segundos
550
 Tempo de recuperación de la Inercia
450
800
700
600
500
ENERCON E-82
operando en
condiciones de
viento parciales
400
después del “Boost” ≈ 2 x Tboost
350
300
250
200
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
24.0
s
• Desempeño logrado cambiándose la excitación, utilizando la inercia del rotor.
• Activación en función de la medición de frecuencia local del Aerogenerador.
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