Modelado y análisis de parques eólicos: referencia a fenómenos adversos en calidad de la energía

Abstract

This thesis details the development and implementation of state space models for a wind generator and a wind park; their validation is carried-out against the digital simulator Pscad/EMTDC. These models are applied for the analysis of adverse power quality phenomena due to wind power generation. The wind generator and its main parts are described; the wind turbine, mechanical coupling, power generator, controls and connection to the power network are reviewed. The wind generators are described in terms of their speed and power control, considering different electrical connections to the power network and taking into account the wind turbine and generator characteristics. This allows define possible wind park topologies and their connection to the power system. The development and implementation of a wind generator in dq0 coordinates, including the mechanical coupling of one to several masses, is described. The pitch angle control is incorporated in the state space model of the wind turbine to regulate the generated power. The model for the connection scheme of wind generators to the power network is detailed. Case studies for a wind generator and a wind park dynamic operation, respectively, is presented to validate the implemented model in Matlab against the simulation results given by Pscad/EMTDC. The impact of wind generation on the power quality and phenomena such as voltage sags, flicker, harmonics, inter-harmonics and transients is described and analyzed.

En esta tesis se desarrollan e implementan modelos en espacio de estado para un aerogenerador y un parque eólico, su validación se realiza mediante el simulador digital Pscad/EMTDC. Estos modelos se aplican para analizar fenómenos adversos de la calidad de la energía debidos a la generación eólica. El aerogenerador y sus partes principales se describen, analizando la turbina eólica, el acoplamiento mecánico, el generador eléctrico, los controles, la conexión eléctrica a la red; se mencionan los tipos de aerogeneradores de acuerdo a su velocidad y control de potencia comprendiendo las diferentes formas de conexión a la red considerando las características de las turbinas eólicas y los generadores; con lo anterior se definen posibles topologías para la formación de parques eólicos y su conexión al sistema de potencia. La formulación del modelo para un aerogenerador en espacio de estado se analiza e implementa, la máquina de inducción se modela en coordenadas dq0 y marco de referencia síncrono, se describe el modelado del acoplamiento mecánico mediante una o varias masas. Se incorpora al modelo del aerogenerador en espacio de estado el control de ángulo de paso en las aspas de la turbina eólica para regular la potencia generada. También se describe el esquema de conexión de los aerogeneradores y parques eólicos a la red eléctrica de acuerdo al modelado matemático. Se presentan casos de estudio de un aerogenerador y un parque eólico para validar los modelos implementados en Matlab por comparación con los resultados de las simulaciones en Pscad/EMTDC. La influencia de la generación eólica sobre la calidad de la energía es descrita en fenómenos tales como depresiones de voltaje, parpadeo, armónicas y transitorios.