Study of Impact of Wind Turbines in Power System

7/28/2019 Study of Impact of Wind Turbines in Power System

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UNIVERSIDAD DE LA CINEGA DEL ESTADO DE MICHOCN DE OCAMPO

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Study of the Impact of Wind Turbines in Power Systems

Juan Rosario Equihua Soriano

Ing. En Energa

Seminario de Titulacin I

Anlisis

Pgina 1 448 Norte Cedar Bluff Road Suite 349

Knoxville, TN 37923 Tel: 865-671-6650

Fax: 865-671-6909 www.enernex.com

Final Draft Caractersticas tcnicas de generacin eli ca para el Viento NYSERDA I mpactos Estudio

Preparado por: Zavadil RMEnerNex Corporacin448 N. Cedar Bluff RoadSuite 349Knoxville, Tennessee 37922tel: (865) 671-6650 [email protected] de noviembre 2003

Pgina 2 Pgina 2 Contenido 1 Yo NTRODUCCIN .................................................. .................................................. ..................... 3


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1.1PPROPSITO DEL DOCUMENTO.................................................. .................................................. ..... 3

1.2SCOPE.................................................. .................................................. ............................... 31.3R JUSTIFICACIN PARA LA DEFINICIN DE LAS TECNOLOGAS DE BASE.................................................. .......... 32 B ANTECEDENTES

- E XISTING W IND T URBINE T TECNOLOGA .................................................. ................ 5 2.1CACTUAL diseos comerciales AEROGENERADOR .................................................. ...................... 52.2OESUMEN DE FUNCIONAMIENTO.................................................. .................................................. ... 62.2.1 Sistemas mecnicos y de control .............................................. ........................................... 7 2.2.2 Sistemas elctricos y de control .............................................. ............................................... 10 2.3GRIDYo NTERFACE.................................................. .................................................. ............... 172.4PPROTECCIN


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YNAMICR RESPUESTA.................................................. .................................................. ........ 24

4.3TRANSIENT.................................................. .................................................. ........................ 264.4SHORTCIRCUITCONTRIBUCIONES.................................................. ........................................... 264.4.1 Conexin directa de jaula de ardilla Generador de Induccin ...........................................

.............. 27 4.4.2

Doblemente alimentado generador de induccin con control vectorial de las corrientes del rotor ........................ 28 5 W IND G Eneracin T TECNOLOGA Y A PLICACIN T TENDENCIAS .................................................. ..... 31 5.1WINDTURBINETTECNOLOGATTENDENCIAS.................................................. ................................... 315.1.1


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Topologa ................................................. .................................................. .............................. 31 5.1.2

Robustez elctrica ................................................ .................................................. ........... 32 5.1.3

De control de potencia reactiva ............................................... ......................................................... 32 5.1.4

De control de potencia real ............................................... ................................................................. 32 5.1.5

Dynamic Performance ................................................ .................................................. ........ 33 5.2WINDPPLANTADDISEO YOOPERACIN.................................................. ................................. 335.2.1

Administracin de energa reactiva y Despacho ............................................. ....................... 33 5.2.2 Comunicaciones y de control ............................................... ............................................... 34 5.2.3

Planta de viento el pronstico de produccin ...................................................................................... 34 6 P ODER S SISTEMA S STUDIO M Odelos PARA B Y ASELINE H Orizon Y EAR W IND


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Pgina 3 Pgina 3 1 I NTRODUCCIN

NYSERDA ha encargado un estudio exhaustivo de los efectos del viento considerablegeneracin en el rendimiento, fiabilidad y economa de funcionamiento de la Nueva York A granel estado de encendido del sistema. Este estudio prospectivo es tanto cualitativa comoevaluar cuantitativamente una amplia gama de posibles impactos tcnicos y econmicos de unala generacin de potenciales de desarrollo de escenarios de viento durante los aos de

planificacin 2006hasta el 2013.1.1 Objetivo del documento La tecnologa de generacin elica se espera que contine su evolucin hasta ya travs de ladefinido perodo de estudio. La actual flota de turbinas elicas que se utilizan en las grandes

plantas elicas EE.UU.

representa lo que es realmente la generacin inicial de ofertas comerciales. La experiencia esya la acumulacin en cuanto a las deficiencias de estas turbinas, y la turbina de viento mslos vendedores estn en marcha con los cambios de productos y planes para hacer frente a lascontempladaslas necesidades. Con el perodo de estudio designado para iniciar ms de dos aos ms all defecha de finalizacin de esta evaluacin, hay una alta probabilidad de que el futuro parques elicos a ser considerados en el estudio tienen caractersticas que mejorarnla integracin total con el sistema elctrico a granel.A fin de no sesgar las evaluaciones cualitativas y cuantitativas que se realizan en esteestudio realizado por el contratista a cualquiera de NYSERDA favor o en contra de la generacielica,

este documento ha sido preparado por el Contratista Propsito Especial NYSERDA (SPC)definir las caractersticas y los supuestos sobre la tecnologa de generacin elica que seutilizados en las evaluaciones tcnicas diversas. Es para ser usado como una referencia para eldesarrollolos modelos y las caracterizaciones de los parques elicos en los diversos clculos ysimulaciones que componen la evaluacin global.1.2 Alcance Turbinas elicas y las caractersticas del viento de plantas como se ve desde la transmisin agranelred son importantes para este estudio. Los detalles de la aerodinmica y mecnicaaspectos de la operacin de turbinas individuales son importantes slo en la medida en que

influir en el comportamiento elctrico de la turbina o planta.En este documento se define de la turbina de referencia del viento y las tecnologas elica planque formala base para las instalaciones de generacin elica aadido a la NYSBPS en los primeros aos la perodo de estudio. Por las ltimas etapas del perodo de estudio, una evolucin significativa eel viento


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la turbina y la tecnologa y el diseo de la planta elica se presume que se producen, de talmanera que el vientoinstalaciones de generacin aadido en los ltimos aos del estudio se presentan lascaractersticas que

mejorar las perspectivas para la integracin satisfactoria con el sistema de alimentacin a grane1.3 Justificacin de la definicin de las tecnologas de base La mayora de los desarrollos en la tecnologa de turbinas elicas en la ltima dcada se hancentradoen la reduccin del costo nivelado de la energa. Un nmero relativamente reducido de estosinnumerables cambios y

Pgina 4 Pgina 4 mejoras han sido para el fin especfico de mejorar la interconexin ointegracin con el sistema de energa elctrica a granel.

Del mismo modo, los objetivos y limitaciones de los diseos de plantas de viento han sidorelativamenterequisitos simples, debido en parte sustancial a bastante simple para la ejecucin delviento de plantas en el punto de interconexin con el sistema de alimentacin a granel.Ahora que la generacin elica se ha convertido en importante presencia en muchas zonas de loEE.UU., hayse mueve en marcha para hacer frente a travs de los requisitos y las normas de interconexinalgunos de los problemas existentes y emergentes, tcnicos, tales como el enfoque reciente de lindustria enaerogenerador de baja tensin con cortes de la capacidad. Este movimiento se incrementar enintensidad a medida que el viento se convierte en una mayor proporcin de la cartera de

generacin, impulsando la turbinavendedores y promotores de parques de plantas para desarrollar sus productos de manera quemejorenla interoperabilidad con la red.La definicin de lnea de base de la turbina elica y energa elica de plantas para el inicio deel perodo de estudio es una forma de reflejar el resultado probable de los cambios ya estn enmarcha ende la industria. Como la penetracin del viento crece an ms, los desafos relacionados conla interconexin y la integracin es probable que aumente, lo que ms le motivanvendedores y desarrolladores para evolucionar y mejorar sus productos. Por esta razn, ladocumento tambin se establece una visin de lo que la turbina elica y tecnologa de la planta

elica probable que se convierta al final del perodo de estudio.

Pgina 5 Pgina 5 2 B ANTECEDENTES


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- E XISTING W IND

T URBINE T TECNOLOGA Modelos de elementos convencionales de energa del sistema, tales como los generadores y susdiversassistemas de control, encendido y los dispositivos estticos de compensacin, la carga y latransmisinelementos de la red son bien entendidos por los analistas de sistemas de energa. Parqueselicos,sin embargo, plantean varios retos nuevos. La naturaleza fundamental de los comerciales engrandes cantidades planta elica, con un gran nmero de turbinas relativamente pequeas entre s por unaimportante red de media tensin, requiere equivalencing y la simplificacin, sinla prdida de detalles importantes. Para algunos fenmenos, la planta elica se puede tratar como una solaentidad - el flujo de transmisin de energa es un ejemplo, donde la definicin de lo real yreactivael poder de la inyeccin en el punto de interconexin con el sistema de transmisin en unainstante en el tiempo ofrece una representacin adecuada. En los estudios dinmicos, seradeseable para el tratamiento de la planta elica como una gran planta nica, pero el tratamientono podrrepresentan toda la gama de comportamiento dinmico o ser apropiada para todo tipo de sistemalteraciones. Debido a que cada aerogenerador es un relativamente sofisticadomquina, la determinacin del comportamiento dinmico del modelo de planta de conjunto se

puededifcil.La tecnologa empleada en las turbinas de viento comerciales se desva de la mejor entiende equipos de generacin convencional. Mquinas de induccin, en lugar degeneradores sncronos, se utilizan en casi todos los aerogeneradores comerciales de EE.UU.. Potra parte,algunos de los diseos de turbinas utilizan controladores sofisticados de electrnica de potencique alteranel comportamiento fundamental de las mquinas de induccin, tanto en estado estacionario ydinmicola operacin. Las caractersticas de otros elementos de aerogeneradores y parques elicos que

puedentener una influencia en el diseo, operacin o la seguridad del sistema de energa a granel, comlas inercias de rotacin y torsin constantes de los sistemas mecnicos o variacin de lade potencia activa y reactiva en funcin del tiempo, son desconocidos para el sistema de energlos analistas.


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Para los estudios de anlisis de sistemas de gran potencia, los plazos de la gama de intereses dedecenasde milisegundos de estado estacionario. Modelos de dispositivos y componentes, por lo tanto,debe

reflejan con precisin el comportamiento en el ancho de banda, y debidamente en cuentacualquier fenmenos fuera del ancho de banda de simulacin que puede tener un "alias" sobreel marco de tiempo de inters. Dado que el propsito de los modelos es el de facilitar investigacin de temas de energa del sistema elctrico, algunos detalles del sistema mecnicoo el proceso de conversin de energa no se puede representar si no tienen ningn impacto en lelctricarendimiento. En los modelos convencionales para grandes centrales elctricas, por ejemplo, lodetalles de lasistema mecnico, por ejemplo, proceso de combustin, el control de ciclo de vapor, gobernadoetc, sonincluidos en la medida en que influyen en el comportamiento elctrico de la planta durantelos plazos de inters en un estudio en particular.2.1 Corriente comercial diseos de turbinas elicas Casi todos los aerogeneradores desplegados en grandes instalaciones de generacin elica en lEE.UU.en la ltima dcada pueden ser descritas segn una de las siguientes configuraciones:

Pgina 6 Pgina 6 Vuelco regulados (de paso fijo) cuchillas conectado a un concentrador, el cual se acoplaa travs de una caja de cambios de un generador de induccin de jaula de ardilla convencional.

Lagenerador est conectado directamente a la lnea, y pueden tener de forma automticacambiar los condensadores shunt de compensacin de potencia reactiva y, posiblemente, unaarranque suave mecanismo que se pasa por alto despus de que la mquina ha sidoenerga. El rango de velocidad de la turbina se fija por el torque vs velocidadcaractersticas del generador de induccin. Un generador de induccin de rotor bobinado con un mecanismo para controlar lamagnitud de la corriente del rotor a travs del circuito de rotor exterior regulableresistencias, y la regulacin de las palas de la turbina para ayudar a controlar velocidad. El rango de velocidad de la turbina se ampli debido a la externaresistencias.

Un generador de induccin de rotor bobinado, donde se acopla el circuito del rotor parala lnea de terminales a travs de un convertidor de potencia de cuatro cuadrantes. Elconvertidor de prev vector (magnitud y el ngulo de fase) de control del circuito del rotor actual, incluso bajo condiciones dinmicas, y ampla notablemente lavelocidad de funcionamiento de la de la turbina. Velocidad de la turbina es sobre todocontrolado de forma activa ajustando el paso de las palas de la turbina.


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Aunque no estn representados en la flota actual de las turbinas comerciales para su aplicacinen laEstados Unidos, la turbina elica de velocidad variable con un convertidor de potencia nominacompleta

entre el generador elctrico y la red merece una mencin aqu. La utilidad de primer escala de velocidad variable de la turbina en los EE.UU. emplea esta topologa, y muchos venestoconfiguracin reemergentes para el futuro de los grandes aerogeneradores. El convertidor de

potencia proporcionadesacoplamiento sustancial de la dinmica del generador elctrico de la red, de tal manera que parte del convertidor conectado directamente al sistema elctrico define la mayora de loscaractersticas y comportamiento importante para los estudios del sistema elctrico.2.2 Descripcin de la operacin Un modelo de turbina elica generalizada se muestra en la Figura 1, e ilustra los principalessubsistemas y la jerarqua de control que pueden influir en el comportamiento de un solo vientode la turbina en el horizonte de tiempo de inters para los grandes estudios de alimentacin delsistema.Un aerogenerador convierte la energa cintica de una corriente de aire en movimiento enenerga elctrica.Par mecnico creado por la elevacin aerodinmica de las palas de la turbina se aplica a ungirar el eje. Un generador elctrico en el mismo eje de rotacin produce una oposicin par electromagntico. En la operacin continua, la magnitud del par mecnicoigual a la del par electromagntico, por lo que la velocidad de rotacin se mantiene constante,realde alimentacin (el producto de la velocidad de rotacin y el par) es entregada a la red. Desde velocidad del viento no es constante, una variedad de mecanismos de control se utilizan paragestionar el proceso de conversin y proteccin de los equipos mecnicos y elctricos de las condicionesque resultara en un fracaso o destruccin.

Pgina 7 Pgina 7 ElctricoGenerador Tren de impulsinAerodyn.Esfuerzo de torsin

GeneracinElctricoControlRedInterfazMecnicoControl


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MecnicoProteccinElctricoProteccin

Controlador MaestroViento Poder RedElctricoPoder VoltajeFigura 1: Modelo generalizado de la turbina de viento con los elementos de control y jerarqua2.2.1 Sistemas mecnicos y de control Mecnicamente, la turbina debe ser protegido de la velocidad de rotacin por encima de ciertovalor que podra conducir a una falla catastrfica. Frenos mecnicos estn destinados a interrumpir de la turbina en condiciones de emergencia, pero no se utilizan en las operaciones normales. Econtrol de lade energa (y por lo tanto, el par) extrado de la corriente de aire es el principal medio para la proteccin de la turbina de un exceso de velocidad en todas las paradas de emergencia, perocondiciones.En condiciones bastante estable, la energa extrada de la corriente de aire por las palas de laturbinase caracteriza por la ecuacin 1:

p C

R P

=3221

La ecuacin 1donde


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4567

891011121314150.10.20.30.40.50.50C p k 4-,()C p k 2-,()C p k 1-,()C p


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k 0,(

)C p k 1,()C p k 2,()C p k 5,()C p k 7.6,()C p k 10,()C p


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k 15,(

)C p k 25,()C p k 45,()152 k Figura 2: Coeficiente de rendimiento (C p) Para un conjunto de cuchillas de la turbina elica moderna en funcinde la relacin de velocidad punta () y el paso de la pala (, en grados).El paso de las palas de la turbina es controlada por un actuador en el eje que rota cadahoja de alrededor de un eje longitudinal. La inercia de la pala alrededor de este eje y las fuerzade la

Pgina 9 Pgina 9 se opusieron a la rotacin de las palas no son despreciables. Cabeceo de las palas, por lo tanto, no se produce instantneamente, con la dinmica determinada por la

aceleracin longitudinal de las cuchillas, las fuerzas que actan sobre la hoja (que puede ser lavelocidad del vientoy el tono dependiente), y la capacidad de par del mecanismo de accionamiento de tono.La caracterstica se muestra en la Figura 2 es un "cuasi-esttico" descripcin de la hojarendimiento, ya que no se tiene en cuenta los efectos de la turbulencia, la vibracin con la hojarespecto a la velocidad promedio de la rotacin, o las asimetras de otros, como sombras de latorre.


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Lo hace, sin embargo, proporcionar un medio mucho ms sencillo de incorporar a los demsmuydetalles complejos del proceso de conversin aerodinmica en los modelos elctricos para ellado

Los estudios de la turbina.El global de la conversin de la energa elica a la energa elctrica es normalmente descrito pounturbina "curva de potencia", que muestra la salida de la turbina elctrica en funcin de laconstantevelocidad del viento (figura 3). Tal representacin es exacta slo para el funcionamientocontinuo,ya que la dinmica propia de los sistemas mecnicos y elctricos, junto con todosla funcionalidad de control posible es descuidado.051015202500.20.40.60.811.21.41.61.82Velocidad del viento (m / s)MW2.00Ptyo250vwyoFigura 3: Curva de potencia para una velocidad variable, turbina elica control del paso de.Tenga en cuenta "monotona" dede salida para la velocidad del viento o por encima del valor nominal.


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Velocidades de rotacin de las turbinas elicas de gran tamao se ven limitadas por la velocidamxima punta de ratios, yas que para clase megavatios de turbinas con hojas largas son relativamente bajos, en los 15 a rpm

rango. Convencionales de los generadores elctricos, una caja de cambios es necesario quecoincida con elGeneradores de velocidad a la velocidad de la hoja. El sistema resultante mecnica, entonces,tiene baja

Pgina 10 Pgina 10 secciones de velocidad y de alta velocidad, con una caja de cambios en el medio, como semuestra en la Figura 4 (arriba).Una representacin an ms simple se muestra en la parte inferior de la Figura 4, donde la cajade cambios

la inercia se aade a la inercia del generador, y todos los componentes se refieren a lade alta velocidad del eje por el cuadrado de la relacin de transmisin.Para megavatios escala turbinas, la inercia mecnica es relativamente grande, con los tpicosconstantes de inercia (H) de 3.0 segundos o ms grande (la inercia constante para el generador slose suele ser alrededor de 0,5 s). La inercia mecnica es un factor importante en elcomportamiento dinmico de la turbina, debido a la gran inercia implica relativamente lentocambios en la velocidad mecnica, tanto para las variaciones normales en la velocidad del vieny las perturbacionesen la parrilla. Adems, los diferentes sistemas de control de la turbina puede utilizar la turbinavelocidad como entrada o seal de perturbacin, por lo que la inercia grande, entonces regir la

tiempo de respuesta.Con un modelo mecnico de doble masa, habr un modo de oscilacin. Con relativamenteejes flexibles de unidad en los grandes aerogeneradores, la frecuencia natural de este modo

primariooscilacin de la voluntad de estar en el rango de 1 a 2 Hz.2.2.2 Sistemas elctricos y de control Mquinas de induccin son los dispositivos de conversin de energa de la eleccin de vientocomercialesturbina de diseo. Adems de su robustez y fiabilidad, que proporcionan una "suave"acoplamiento entre la red y el sistema mecnico de la turbina. De turbinas elicaslos fabricantes han ido ms all de los sistemas de generador de induccin bsica con

tecnologas para mejorar la eficiencia de control y, en general. Estas tecnologas tienen unimpacto definitivo en el rendimiento elctrico y dinmico de las turbinas de viento, hasta elgrado de enmascaramiento o anular las caractersticas dinmicas que normalmente seasociados con maquinaria rotativa. Los cuatro tipos principales de tecnologas de generador utilizados en las turbinas de viento comerciales de hoy en da se discuten en las seccionessiguientes..


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Pgina 11 Pgina 11 J

B= Momento de inercia deHojas y otros de bajacomponentes de la velocidad(Kg-m2)JG= Momento de inerciadel generador (kg-m

2JGB=RotacionalInerciade Caja de cambios (kg-m21: Nls

hsTETMK = constante de torsinde baja velocidad del eje(Nm / rad)K = constante de torsinde alta velocidad del eje

(Nm / rad)JB= Momento de inercia deHojas y otros de bajacomponentes de la velocidada que se refiere a alta velocidad


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base (kg-m2)J

G= Momento de inerciadel generador yCaja de cambios (kg-m2hsTETMK = constante de torsindel eje se refierede alta velocidad de base(Nm / rad)Figura 4: Modelo simplificado del sistema de turbinas de viento mecnico. Dos de masasmodelo con caja de cambios (arriba)y el modelo con caja de cambios de inercia equivalente y referencia de todos los componentes alta velocidad del eje(Abajo).2.2.2.1 Conexin directa generadores de induccin Las turbinas de viento con generadores de induccin de jaula de ardilla conectados directamenta la lnea sesimple elctricamente. Mientras que para los efectos de la eficiencia aerodinmica que operanenvelocidad casi constante, la leve variacin de la velocidad con un par (y el poder) puedereducir significativamente los transitorios mecnicos par asociadas con rfagas de viento ylado de la red-disturbios.El rango de velocidad de la turbina est dictada por las caractersticas de par frente a la velocidde lagenerador de induccin (Figura 5). Para los grandes generadores de turbinas comerciales de hel deslizamientoal par nominal es inferior al 1%, lo que da lugar a muy poca variacin de la velocidad sobre el

Pgina 12 Pgina 12 rango de operacin de la turbina. Para una velocidad del viento dada, la velocidad defuncionamiento de lade la turbina en condiciones estables es una funcin casi lineal de torque, como se ilustra en la


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yo()19001700

rpmyoFigura 5: caractersticas de par de velocidad frente a una mquina de induccin utilizados en unviento comercialesde la turbina.2.2.2.2

De rotor del generador de induccin con control escalar de Rotor actual En un generador de induccin de jaula de ardilla, el rotor de "circuitos" son ficticios y noacceso externo a la mquina, y las corrientes inducidas responsable de par generacin son estrictamente una funcin de la velocidad de deslizamiento. La turbina semuestra en la Figura 6utiliza una mquina de induccin de rotor bobinado, donde el rotor cada uno de los tres discret bobinado asambleas es accesible a travs de anillos en el eje de la mquina. Esto proporcionaunamodificacin de las cantidades circuito del rotor y la manipulacin de las corrientes de rotor, y por lo tanto, la produccin par electromagntico. Los aerogeneradores de Vestas para usodomsticoaplicacin (por ejemplo, V47 y V80) utilizan un sistema patentado de control de la magnitud dlas corrientes del rotor en el generador de induccin en el rango de velocidad de funcionamientde lade la turbina. El sistema (Vestas Control del rotor actual, o VRCC) consiste en una externaresistencia de la red y un mdulo de electrnica de potencia que modula la tensin en el

Pgina 13 Pgina 13 resistencias para mantener un ordenado magnitud de la corriente del rotor. El funcionamiento laVRCC es bastante rpido, de tal forma que es capaz de mantener la potencia de salida de laturbina constanteincluso para las rfagas de viento por encima de la velocidad del viento nominal, y influyesignificativamente en larespuesta dinmica de la turbina a las perturbaciones en la red.Rotor actual

Clculo Caja de cambios a Red ExternoLa resistencia del BancoDe rotor bobinado


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Generador de induccinRotor actualControlador Figura 6: Configuracin de una turbina de Vestas para la aplicacin interna. Diagrama ilustra l

principales bloques de control y Vestas Control del rotor actual (VRCC).El 750 kW y 1,5 MW de turbinas (y el prototipo de 3,6 MW para aplicaciones marinas)de los sistemas de GE Wind Energy emplea una an ms sofisticados de control de la corrientedel rotor sistema con un generador de induccin de rotor bobinado (Figura 7). En este caso, los circuitodel rotor suministrados por un convertidor de cuatro cuadrantes de potencia (capacidad de flujo de

potencia activa y reactiva enuno u otro sentido) que ejerce casi instantnea de control (por ejemplo, la magnitud y fase) soblas corrientes de circuito del rotor. Este "vector" de control de las corrientes de rotor ofrece pauna rpidaajuste dinmico del par electromagntico en la mquina. Adems, los reactivos potencia en los terminales del estator de la mquina tambin puede ser controlado a travs de lenergaconvertidor.Control de campo orientado o vector de mquinas de induccin es una tcnica muy conocida yutilizadaen sistemas de alto rendimiento de unidad industrial, y su aplicacin a las turbinas elicasofrece ventajas similares. En una versin anterior de esta turbina, el comando de torque(Y por lo tanto, la magnitud de la componente del rotor actual responsable de par produccin) estaba vinculada a la velocidad de la mquina a travs de un "look-up" de mesa. Ecampo-algoritmo de orientacin efectivamente crea una relacin algebraica entre el rotor actualy el par, y elimina la dinmica que normalmente se asocian con una mquina de induccin.La respuesta del convertidor de potencia y control es lo suficientemente rpido para mantener ecorrectoalineacin de los componentes del par-produccin de la corriente del rotor con el flujo del roto

para

Pgina 14 Pgina 14 que la mquina permanece bajo control familiar, incluso en la red significativa

alteraciones.Poder Convertidor (Lado de la lnea) Poder Convertidor (Lado de la mquina)


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P ge n , Q

ge n P, Q (Estator) P (Rotor / convertidor) Interruptor Control Esfuerzo de torsin Control Rotor actual

Clculo Caja de cambios i * abc (rotor ) yo abc (rotor ) VAR de control Velocidad del eje Cuchillas I rq * Interruptor Control yo abc (lnea) La lnea actual Control i * abc (lnea) tensin continua punto de referencia medido tensin continua medido potencia reactiva potencia deseada factor o potencia reactiva Velocidad Control


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Campo Sistema hlice de paso campo

comando 1500 kW de rotor bobinado generador de induccin I rd * la velocidad deseada V viento Figura 7: Configuracin de GE con el convertidor de potencia de cuatro cuadrantes suministro circuito del rotor de unde rotor bobinado generador de induccin. Bloques de control para el control de torque tambise muestra.2.2.2.3

Interfaz esttica El Kenetech 33 MVS, se introdujo comercialmente en la dcada de 1990, fue la primera utilidaescala de la turbina (es decir, de gran tamao) de velocidad variable del viento en los EE.UU. Lturbina empleada unade jaula de ardilla generador de induccin con devanado del estator suministrada por uncuadrante de cuatroconvertidor de potencia (Figura 8). Debido a que toda la potencia de la turbina es procesada pel convertidor de energa esttica, la dinmica del generador de induccin son efectivamenteaislado de la red elctrica.Un convertidor de potencia esttica moderna utiliza dispositivos semiconductores de potencia (decir, interruptores)que son capaces tanto de control de encendido y apaga-. Adems, el dispositivocaractersticas permiten transiciones cambiar a ocurrir muy rpidamente en relacin con un solciclo de60 Hz Tensin - nominal frecuencias de conmutacin de un par de varios kHz son tpicos.Esta velocidad de conmutacin rpida, en combinacin con el muy poderoso y barato digitalescontrol, ofrece varias ventajas para aplicaciones distribuidas de generacin de interfaz:

Pgina 15 Pgina 15

La distorsin de forma de onda de baja con el filtrado pasivo pocoDe alto rendimiento la capacidad de regulacinAlta eficiencia de conversin


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Respuesta rpida a las condiciones anormales, incluyendo los disturbios, tales comocortocircuitosen el sistema elctrico

Capacidad de control de potencia reactivacorriente alternadccorriente alternadca Red Figura 8: Velocidad variable de la turbina de viento con la interfaz de red del convertidor de

potencia esttica.Debido a la velocidad de conmutacin efectiva de los conmutadores semiconductores de

potencia es muy rpidoen relacin con la frecuencia de 60 Hz del sistema elctrico, es posible sintetizar la tensin yonda de corriente con muy poco de orden menor distorsin armnica. Ms modernosconvertidores fcil cumplir con los lmites de estos armnicos en el estndar IEEE 519.Figura 9 muestra un esquema simplificado para el control de un convertidor de potencia estticen la redfuncionamiento en paralelo. Desde turbina elica es probablemente pequeo en relacin con ecorto circuitocapacidad del sistema de abastecimiento, la magnitud de la tensin en el punto de interconexiesno se puede influir en gran medida por la turbina. El esquema de control, por lo tanto, esdestinadas a regular directamente las corrientes que se inyecta en esta fuente de "rigidez" detensin.Las tensiones de lnea de corriente alterna, tensin del circuito intermedio, y dos de las trescorrientes de lnea de CA - para un perodo de tresconexin de los cables - se miden y proporcionan al controlador principal. El voltaje decorriente alterna ycorrientes de lnea se miden a una alta resolucin con respecto a 60 Hz, por lo que el controladesttrabajar con los valores actuales. Al comparar la tensin continua a la medidavalor deseado, el controlador determina si la potencia real entregada al sistema de corrientealternadebe ser aumentado, disminuido o mantenido por el valor actual. Tal regulacin simple plan de obras porque no hay almacenamiento de energa elctrica en el convertidor (a excepcide queen el condensador de filtro de CC), por lo que la energa que fluye en el lado de CC delconvertidor debe ser

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coincidente en todo momento a que se inyecta en la lnea de corriente alterna. Si estascantidades no coinciden, eltensin del circuito intermedio o bien aumenta o disminuye, dependiendo del signo algebraico la falta de correspondencia.

Calcular Deseado Corrientes Calcular Interruptor Estados S1S2S3S4S5S6De Tensin Voltaje DC Deseado Voltaje DC Medido Lnea de Corrientes Figura 9: simple etapa de salida de corriente de control para un convertidor de potencia estticaen la Direccin General de la red atadade la aplicacin.El error en el voltaje de CC se alimenta a un PI (proporcional-integral) del regulador paragenerar unvalor que representa la magnitud deseada eficaz de las corrientes de lnea de corriente alterna.Otra seccin deel control est procesando el valor instantneo de la tensin de red para servir como unde referencia o "plantilla" para las corrientes que se producen por el convertidor. El deseadovalor instantneo de la corriente de lnea se calcula multiplicando el deseado corriente eficazmagnitud en el valor presente de la forma de onda de la plantilla. En la siguiente etapa de lacontrol, a menudo llamado el "modulador" seccin, el valor deseado de la instantneaformacin actual se compara con el valor de medida (en cada fase). El modulador de entoncesdetermina el estado deseado de los seis interruptores de la matriz basada en la instantneaerror corriente en cada fase de las corrientes de lnea. Los estados se transmiten a los IGBTconductores de la puerta, que a continuacin, aplicar el estado de cada IGBT en la matriz comolo ordena por el controlador. El proceso se repite en el siguiente intervalo de muestreo digital deel control general.El proceso se repite miles de veces por un solo ciclo de la tensin de 60 Hz. Mediante el uso dla tensin de red como un modelo para la forma de las corrientes que se sintetizan,sincronismo est asegurada. Adems, si no hay cambio de fase introducido intencionalmente elos clculos de control, las corrientes sern casi exactamente - a excepcin de pequeos retraso


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introducido por el propio control - en fase con las tensiones de lnea, para el factor de potenciaunitariola operacin.La figura 10 muestra la salida de un esquema actual de regulacin que podran ser empleados e

unconvertidor de interfaz en red de un aerogenerador. En este caso, el modulador slo cambiar estado de los interruptores, si el valor absoluto de la diferencia entre lo deseado ylas corrientes reales de la lnea supera un determinado valor. Los pequeos errores que estncontinuamentecorregidas por la accin del control del convertidor son claramente visibles. Debido a la altacambio de velocidad, sin embargo, la distorsin de la onda de corriente es muy baja, asdentro de los lmites de IEEE 519.

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Tiem po (s)0 .20 .2 10 .2 20 .2 30 .2 40 .2 5kA-0 .1-0 .0 7 5-0 .0 5

-0 .0 2 50+0 .0 2 5.0 5 +0+0 .0 7 5+0 .1A ctual diferentes C ur D es la ira d C Urre ntFigura 10: convertidores estticos de potencia de referencia que muestra la corriente de salida(deseada) actual y realactual.

Mediante la modificacin del esquema de control que acabamos de describir para incorporar unmandado "cambio" enthe reference or template waveforms, reactive power flow to or from the line may alsoser controlado. Since the net energy flow from the reactive currents is zero (apart fromvery small conductive and switching losses), the dc voltage will be unaffected. Reactivo power may be adjusted independently of real power flow up to the thermal limits of theswitches and passive components in the converter. Reactive power generation with zero


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D DISEO Y C ONFIGURACIN

Wind turbines are just one (albeit an important) component of bulk wind plants. Conindividual turbine sizes now exceeding 1 MW, nameplate ratings for single wind plantsof many tens to hundreds of MW are common. The geographic extent of the wind plantmust be large enough to not only accommodate the dozens to a hundred or moreturbines, but also allow optimal spacing and utilization of local terrain features that willmaximize energy production. The infrastructure for connecting a large number of widely distributed turbines to a single point of interconnection with the transmissionsystem has important influence over the electrical characteristics of the wind plant.The installed and proposed utility-scale wind plants in the US have some commondesign characteristics that offer potential simplifications for constructing aggregatedmodels for transmission system studies. These commonalities stem from practicalitiesand optimizations regarding the local wind regime, micro-siting of individual turbines,electric system design, and operations and maintenance economies. El resultado es que,from the power system modeling perspective, large wind plants have the followingfeatures in common:A single turbine type Since wind turbines are complex machines that require preventative, predictive, and on-demand maintenance to achieve the highestavailability, it is better from a maintenance and operations perspective to utilize thesame turbine throughout the wind plant and have a maintenance and operations staff that specializes in all aspects of this single turbine design. Medium voltage collector systems and interconnect equipment Theelectrical infrastructure which collects power generated by each turbine inthe plant and delivers it to the transmission system utilizes standardoverhead and underground medium voltage (15 to 35 kV) equipment anddesign practices. Some variations from standard utility practice for mediumvoltage design are necessary, however, as the operation of wind turbinesvaries significantly from the distributed end-use loads for which the utility practice is optimized. For example, voltage regulation and protectionschemes must be modified to account for generation, rather than load,distributed along the collector lines. The collector lines are an integral part of the wind plant; ie they are not utilized to serve non-wind plant load or other electric utility customers. Reactive compensation Maintaining voltages within tolerances atindividual turbines within a wind plant while at the same time meeting power factor or voltage regulation requirements at the point of interconnection with the transmission system requires careful managementof reactive power. Typical locations for reactive power compensation withina wind plant are 1) at each individual turbine, dependent on the reactive power requirements and characteristics of the rotating machinery in the


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Buffalo Ridge Feeder BRI 321 (Alpha/Zulu) 0.000.200.40

0.600.801.001.20510152025303540Wind Speed, mi/hr Powe r Outpu t , pu 0.005.0010.0015.0020.0025.0030.00MV A R Generation, P, puReactive consumption, MVAR (BRI 321)Capacitor MVAR (BRI 321)Figure 11: Illustration of the impact of collector line reactive losses on the net reactive power capability of a large wind plant.

Pgina 22 Pgina 22 4 W


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IND P PLANTA P

ENDIMIENTO C HARACTERIZATION F O P ODER S SISTEMA S ESTUDIOS Models that capture the aggregated behavior of all components in a wind plant as seenfrom the interconnection point to the transmission network are the most useful andsometimes practically required for large power system studies. En esta seccin4.1 Steady-State and Small-Signal Behavior For power flow calculations, a wind plant can obviously be represented as a singlegenerating unit at the interconnection substation. Determining the equivalent reactivecapability of the plant, however, can be complicated since it will be a function of a largenumber of elements within the plant turbine reactive compensation, reactive losses incollector lines, auxiliary compensation equipment such as collector line capacitor banks,etc. While fairly standard and well-known for conventional generating units, thischaracteristic has not been considered explicitly for many of the plants developed over la ltima dcada.

Net reactive power is also a function of voltage if shunt capacitors are present as part of the plant reactive compensation scheme.The dynamic nature of the wind resource can introduce a new dimension to power system studies, especially where the transmission interconnection is weak. Reactivo power support for maintaining target voltages at the transmission interconnection willvary with the real power injected. Temporal variation of wind plant aggregate power isa very complicated function of a number of plant parameters and variables, but it alsocan be a defining factor for the dynamic characteristics of the reactive compensationdel sistema.Additionally, the reactive compensation devices within the plant turbines (shuntcapacitors or advanced control), collector line capacitor bank, and possibly interconnectsubstation-based deviced are dynamic devices themselves, with set points and delayfor toggling on or off of switched devices and continuous control for static var capacidades.Some of the factors that influence the variability of the aggregate production of a wind plant include Variations in wind speed at each turbine location in the plant; Topographical features that introduce turbulence and shear into the moving


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air stream across the geographical expanse of the wind plant; The mechanical inertia of individual turbines, which influences how the windspeed variations, turbulence, and wind shear affect the output of individualturbines

Pgina 23 Pgina 23 The wind turbine control scheme, including the generator control and pitchregulation systems that determine how the electric power at the terminals of the turbine is influenced by fluctuating prime mover input; The number of turbines within the plant, since a larger number of turbinesimplies a larger geographical area for plant, and more statistical diversity inthe local characteristics that contribute to output fluctuations; The grouping of turbines wit hin the plant if turbines are grouped intostrings, rather than more uniformly distributed over the area of the plant,

local fluctuations in wind speed will affect more than a single turbine at aninstante de tiempo.Wind generation is often characterized as intermittent, but, to better understand howit can impact power system operations, it is useful to consider the output variability isms detalle.On the shortest time scales, say tens of seconds to minutes, the output of a wind plantcan fluctuate because of varying wind speeds at the individual turbines comprising the plant due to effects of terrain and turbulence in the moving air stream. Esto es mslikely the case in light to moderate winds, as modern wind turbines are capable of holding the output power flat for wind speed at or above the rated value.Measurement data shows that the fluctuations on this time scale as a fraction of the plant

rating decrease in magnitude as the number of turbines in the plant increases.Over longer time periods tens of minutes to hours wind plant generation will againexhibit fluctuation, and may also trend down or up as the larger scale meteorologyresponsible for the wind changes. Passage of a weather front is an example. Experienciais showing that these trends can be predicted, but the accuracy of the predictiondegrades quickly with time. Forecasts for the next hour, for instance will be much better than those for several hours ahead.Longer-term forecasting for the next day or week is even less accurate, especially whentiming is important. Predictions of a weather front passing an area tomorrow can berelatively accurate, but the accuracy for predicting which hour it will pass will be muchms bajos.

Intermittent, as the term is applied to wind generation, encompasses both thefluctuating characteristics along with the degree of uncertainty about when the resourcewill actually produce. Both of these attributes are important for power system engineersand operators who have come to understand well the fluctuations and uncertaintiesinherent in conventional generating resources and system loads. Because windgeneration is new, these characteristics are only beginning to be quantified, and procedure for dealing with them remained to be developed.


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As of this writing, there are no practical analytical methods for characterizing the outputfluctuations from a large wind plant. Direct measurements from operating wind plantsare providing some important insights into the complicated interaction of the factors

Pgina 24 Pgina 24 mencionadas anteriormente. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) launched a

programin CY2000 to collect high-resolution electrical measurement data from operating wind plants across the US4.2 Dynamic Response The electrical and mechanical technologies which comprise commercial wind turbinesdiffer dramatically from the familiar synchronous generator and auxiliary systems thatare used to represent almost all conventional generating equipment. And, instead of asmall number of very large generating units, bulk wind plants can be made up of a very

large number of relatively small machines. Until quite recently, these attributes have presented a difficult challenge to power system engineers engaged in evaluatingtransmission system impacts of large wind generation facilities.Evaluating the dynamic response of the electric power system during and immediatelyfollowing major disturbances such as faults is a critical engineering function for ensuring system security and reliability. Now that wind plants make up a non-negligible fraction of the generation assets in some control areas, their contribution tothe system dynamic performance must be considered.When subjected to a sudden and substantial change in terminal voltage or frequency, both the mechanical and electrical elements of the turbine along with the associatedcontrol systems influence its behavior. Consider the doubly-fed induction generator

with flux vector control of torque via the power converter on the rotor circuit. Cuando unfault on the transmission network causes the voltage at its terminals to sag to somefraction of normal, The magnitude of the main flux in the machine be gins to decay in response tothe reduced terminal voltage, and the position of the flux vector maysuddenly change if there is a phase shift associated with the fault voltage The rotor power converter control instantaneously adjusts the quadratureaxis rotor currents to line up with the new rotor flux vector. Since the rotor flux is not longer at the pre -fault value, the stator power of themachine is reduced accordingly. In response, the power converter controlmay try to increase the torque-producing component of rotor current.

Because the electrical power output of the machine is now lower than the pre-fault value, there is net accelerating torque on the mechanical systemwhich will increase the rotational speed of the machine. The in creased rotational speed will cause the turbine blades to begin pitchingto reduce the mechanical torque input to the machine and reduce speed

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turbines dependent on generation level and electrical location within the plant. Y, comowith the steady-state and small signal characterizations, the response of the plant interms of reactive power may also be difficult to capture, unless the behavior at theinterconnection bus bar is dominated by a single device such as a static var compensator

located at the substation.Fortunately, most of these detailed questions are of likely of secondary importance,especially where the focus is on the power system as a whole and not some particular aspect of the wind plant response. Until new research findings indicate otherwise,relatively simple dynamic equivalents consisting of a single or small number of equivalent machines at the interconnection substations is the recommended approach.4.3 Transient Dynamic simulations and studies of the interconnected power system are based on anumber of assumptions that allow some simplifications in the representation of thedynamic components of the system. For some investigations, such simplifications arenot valid or can obscure the aspects of the system model critical for the study.Studies of sub-synchronous torsional interaction, control interactions, inadvertentislanding, etc. may requires models with more detail than those used for systemdynamic studies. Full transient models of all but the simple wind turbine technologiesrequire information and engineering detail that can only be obtained from the windturbine manufacturer. Studies of these types should be conducted collaboratively withtechnical personnel from the turbine designer.4.4 Short Circuit Contributions Little guidance exists for calculating short-circuit contributions from large windinstalaciones de generacin. Analytical approaches are complicated for the following reasons:

Commercial wind turbines employ induction machines for electromechanicalenergy conversion, which do not strictly conform to the standard proceduresand assumptions used in calculaton of short-circuit contributions on thetransmission network. Generator control technologies employed in wind turbines eg scalar or vector control of rotor current in a wound-rotor induction machine - cansubstantially modify the behavior of the induction machine in response to asudden drop in terminal voltage, further complicating calculation of terminalcurrents during such conditions Windplants are composed of large numbers of relatively small gene rators,interconnected by an extensive medium-voltage network that itself influencefault contributionsThe short-circuit behavior of a squirrel-cage induction generator is fairly well known,and procedures are spelled out in the technical literature (such as the IEEE Brown Book)for considering these machines in short-circuit studies. These recommendations,

Pgina 27 Pgina 27 however, apply most directly to fault studies within large industrial facilities, and mayrequire adaptation for transmission system fault studies.


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aforementioned IEEE Brown Book acknowledges as much, and prescribes anapproximate method for defining two equivalent reactances for the induction machine one to be used for calculating the first cycle contribution, the other for a later timeduring the fault that would be associated with breaker clearing or interrupting

requisitos.-0,80-0,60-0,40-0.200.000.200.400.600.80-8,0-6,0-4,0-2,00.02.04.06.08.0-4,0-3,0-2,0-1,00.01.02.03.04.0Figure 12: Contribution by a 2.0 MVA induction generator to a symmetrical three-phase fault.Shown are voltage at the machine terminals (top), stator currents (middle), and real and reactive power (generator convention) at the machine terminals (bottom).4.4.2 Doubly-Fed Induction Generator with Vector Control of Rotor Currents The 1.5 MW wind turbine from GE and its predecessor, the 750 kW turbines from Enron,are also based on a wound rotor induction generator. In these turbines, however, therotor circuit is powered by a bi-directional static power converter. The fast response of the power converter coupled with sophistical algorithms in the turbine and converter controller sections allows for precise and continuous adjustment of the instantaneous

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currents in the rotor circuits of the induction machine. Nearly instantaneous control of electromagnetic torque and turbine power factor is possible with this scheme.EdL5

L3L1L4L6L2L3L6G3G5G2G6G4L1L40.0010.0010.001L5L2G3G5G4G1IlaIlbIlcG6G2Iar ICr DCBK SBRK 25000.0DC


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BK 0.01Id

Iar Ibr ICr wmG12G12G52S62G22S42G3SBRK IasIbsIcsABCBR K2BRK3BRK2ABC0.0050.0050.005Vr abVr bc


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Tiempo de esperaInterruptor automticoLgicaClosed@t0

VrbcVrabBRK3ABCTiempo de esperaInterruptor automticoLgicaClosed@t0*-1,0TdIbr Iar Modulador w /InterpolacinI1cmdI2cmdI1actI2actS1S2S3S4S5S6wmTdTEEsfuerzo de torsinComputadorawmTactTdTL NCAB


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IM bcTeW

unMultimunssTeWpu( IndM/ C)TLConvertidor ControlIasIcsIcr In1In2IardIbrdIcrdIar Gen-SideRPMFigure 13: Transient mode of a doubly-fed induction generator with vector control of rotor currents.The fast action of the turbine and converter controls can limit the stator currents duringa fault on the grid. Figure 14 details the turbine operation during a 150 ms grid fault.When the fault is initiated, the sudden change in terminal voltage magnitude and phaseangle causes the power converter to momentarily lose control of the rotor currents,which is manifested as a one-quarter cycle surge in the stator current. Control isregained quickly, and the stator currents settle down to near their pre-fault value for theduration of the fault event (The slight rise in stator current magnitude during the fault isdue to control actions attempting to restore the electromagnetic torque to the pre-faultvalor). When the fault is cleared, the phase and magnitude of terminal voltage again


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change suddenly, inducing another short-duration transient in the stator current. Una vez ms,however, control is regained, and stator currents return to the level desired by theturbine control.

Pgina 30 Pgina 30 -0,40-0.200.000.200.40-3,0-2,0-1,00.0

1.02.03.04.0-2,00-1.50-1,00-0.500.000.501.00

1.502.00Figure 14: Short-circuit contribution from the GE 1.5 MW wind turbine for 150 ms grid fault. muestraare voltage at the machine terminals (top), stator currents (middle), and real and reactive power (generator convention) at the machine terminals (bottom).It should be noted, however, that if the rotor power converter is bypassed, such as might be done to protect it from high rotor circuit voltage, the behavior of the turbine duringthe fault would be better characterized as a conventional induction machine. GE Power System Energy Consulting has developed an internal white paper specifying how theGE Wind Turbine would perform under conditions of rotor converter bypass.

Pgina 31 Pgina 31 5 W IND G ENERATION


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Pgina 32 Pgina 32 generators, possibly advanced synchronous or permanent magnet designs. For variablespeed operations, these new machines will require that all of the electrical output flow

through some type of power converter. This converter would almost completely definehow the turbine looks to the power system, offering some new opportunities for improving interconnection and integration.5.1.2 Electrical Robustness Wind turbine vendors are now well aware of the need for improving turbine electricrobustness, especially in terms of the ability to ride-through faults on the transmissiondel sistema. Enhanced low-voltage ride through is already and option for severalcommercial turbines, and will likely be a standard feature in the coming few years.Farther down the road, it is expected that wind turbines will be no more sensitive interms of tripping for transmission system faults than conventional generators, and will

provide flexibility with respect to programming their shutdown modes for grid

eventos.5.1.3 Reactive Power Control Dynamic reactive power control is an important feature, and provides the plant designer with an additional tool for managing collector line voltage profiles within the plant andthe overall reactive power characteristics of the plant. Debe reconocerse, sin embargo,that turbine- based reactive power control is not a magic bullet, especially in caseswhere reactive power is required to support the transmission system, since in thissituation the reactive power is being produced as far away as possible from where it ises necesario. The fast dynamic response of turbine-based reactive compensation may be veryimportant, however, for assisting with system voltage recovery following faults.To realize the full value for dynamic reactive power control, future wind turbines must

be able to make reactive power available even when not generating.5.1.4 Real Power Control At present, commercial wind turbines generally operate to maximize energy production.When winds are at or above the rated speed, electrical output is capped at the placa de identificacin. In light to moderate winds, however, the turbine is operated tocapture as much energy as possible, such that the output will fluctuate when windspeed fluctuates.These fluctuations are not optimal from the perspective of the grid, as they can lead tovoltage variations and potentially increase the regulation burden at the control areanivel.In future generations of wind turbines, it will be possible to smooth thesefluctuations to a greater degree than is achieved now with mechanical inertia alone.

More sophisticated pitch regulation schemes, improve blade aerodynamic designs,wider operating speed ranges may provide a way to limit the short-term changes inturbine output while at the same time minimizing the loss of production. Such a feature

Pgina 33 Pgina 33 could be enable only where and when it has economic value in excess of the lost


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de produccin.Extending this type of control would allow wind turbines to participate in AutomaticGeneration Control (AGC). In this mode, the turbine would have to operate at a levelsomewhat below the maximum available from the wind to provide room for ramping

up in response to EMS commands. Again, the value of providing this service wouldhave to be evaluated against the cost in terms of lower production as well as the cost of procuring this service from a different source. Technically, though, such operation is possible even with some of the present commercial technology.5.1.5 Dynamic Performance The dynamic characteristics of the more advanced commercial turbine technologies arecomplicated functions of the overall turbine design and control schemes. Pococonsideration has been given thus far to what would constitute desirable dynamic behavior from the perspective of the power system. Much of the attention to date in thisarea has been focused on the ride-through question. Once that matter is resolved, theremay be opportunities to fine-tune the dynamic response of the turbine to transmissionnetwork faults so that it provides maximum support for system recovery and enhancesoverall stability.Given the sophistication inherent in the topology and control schemes of future windturbines, it should be possible to program the response to a degree to achieve suchstability benefits. Such a feature would allow a wind turbine / wind plant to participatein a wide-area Remedial Action Scheme (RAS) or Special Protective System (SPS) as issometimes done now with HVDC converter terminals and emerging FACTS devices.5.2 Wind Plant Design and Operation Realizing the benefits of enhanced capabilities of wind turbines will depend in large parton the overall wind plant design, since the actions of a large number of relatively smallwind turbines must be coordinated to have positive impacts on the overall power del sistema.5.2.1 Reactive Power Management and Dispatch Because of the fast pace at which the wind industry has emerged and grown over thelast decade, the reactive power characteristics of a wind plant are more often than not anoutcome rather than a design requirement. With more stringent interconnectionrequirements, more attention and analysis will be given to this topic for plants built over even the next few years. The required reactive power capability of a wind plant will bedetermined from the results of the interconnection study, and will drive the overallwind plant design, possibly impacting even turbine selection.Where the transmission system interconnection is weak or vulnerable, there will bemore use of auxiliary equipment such as static var compensators. As design experience

Pgina 34 Pgina 34 accumulates, the ability of the wind plant to provide for the needs of the transmissionsystem at the point of interconnection will be much improved.5.2.2 Communications and Control The communications and control infrastructure of even present-day wind plants is quite


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sophisticated, with high-speed SCADA to each turbine and other critical devices or points within the collector system. This sophisticated infrastructure has yet to beexploited for purposes of improving the interconnection performance and integration of the wind plant with the power system; mostly it has been used for maximizing plant

production and availability.In the future, this infrastructure will be the foundation upon which many of theadvanced features and capabilities will be based. The interface between the wind plantcontrol center and power system control area operations will also be developed to amuch higher degree. Advanced wind plant performance such as AGC participation willlikely be accomplished by the control area EMS interacting with the wind plant controlcenter, rather than from EMS to individual wind turbines. Such an interface would alsofacilitate other plant capabilities that could benefit power system security and reliability,such as automatic full- or partial-curtailment of wind generation under severe systemcontingencias.5.2.3 Wind Plant Production Forecasting While the fast fluctuations in wind plant output can create problems with respect tovoltage flicker and reactive power management, somewhat longer term fluctuations inwind plant production appear to be of the most consequence for control area operators.More specifically, the uncertainty over what wind plant production will be during thenext hour, or by hour for the next day is the major question. Planning conservatively tocover a possible reduction in wind plant generation results in higher reserve marginsand higher cost if not needed. Backing down economic generation to accommodate asudden increase in wind generation can also increase costs.All of the analytical studies of the impacts of wind generation on power systemoperations have one theme in common: Better predictions of what wind generation willdo at some time in the future allow the control area operators to better plan for the mosteconomic set of resources to meet the remaining load. Much research work is ongoingin the area of wind production forecasting, and at least two commercial services have been launched to assist wind plant operators with sophisticated meteorological andstatistical methodologies for improving the accuracy of production forecasts.Wind generation forecasting has already been incorporated into the market rules for theCalifornia ISO, in exchange for preferable treatment with respect to settlement of imbalance energy and unscheduled deliveries. Continued focus on wind generationforecasting as a way to mitigate the uncertainty in future wind energy deliveries areexpected to improve the science and methods that underlie these systems.

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Pgina 35 Assumptions about the ability to forecast wind generation at some time in the future canmake a critical difference in the analysis of wind generation of power system operationsy el control. On shorter time scales, say for the next hour, the uncertainty about averagewind speed will be smaller, so the variations in wind plant production compared withan average or scheduled value have more to due with the variability of the resource over the expanse of the wind plant and the factors discussed previously. As the forecast


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Vector Control of Torque and Stator ReactivePoder Permanent Magnet or other Synchronous Generator coupled to line

via full-rated power converter Velocidad de funcionamientoLimited variable speed range of 0.9 to 1.3 per-unit of rated turbine speedWider speed range of 0.5 to 1.5 per unitMechanical Power/Torque ControlBlade pitch controlAdvanced blade pitch controlDynamic CharacteristicsTerminal voltage windowTurbine will trip if :v < 30% for more than 100 ms, or v < 70% for more than 300 ms, or v > 110% for more than 1 sv > 113% for more than 300 ms, or v > 120% for more than 100 msTurbines meet operating voltage criteriafor conventional generators; tripthresholds are programmable withinreasonable limitsFrequency windowTurbine will trip if:f > 61 Hz for more than 1 sf < 59 Hz for more than 1 sTurbine does not trip for frequencyexcursions which do not lead to loadshedding or separation from grid; programableTurbine speed/EM torque couplingGenerator torque control uses turbine speedas an input, and therefore will respond tochanges or oscillations in generator speed, iemechanical dynamics of turbine coupleTurbine mechanical system isdecoupled from grid by power converter.Dynamic response can be programmedto provide system damping or act as part of a remedial action scheme (RAS)

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Pgina 37 Attribute/Characteristic Baseline (CY2006) Horizon (CY2013)

through to electrical sideor special protective system (SPS)Inertia constant, H3 to 5 seconds3 to 5 seconds of actual inertia inmechanical system; apparent inertia asseen from grid side is programmableShort-Circuit Behavior Fault contribution is limited by power converter for remote faults; for terminal voltages below0.5 per unit, turbine will contribute to fault asan induction machineFault current contribution is limited tomaximum short-time current rating of line-side power converter. Avanzadotechniques for detecting and respondingto grid faults are employedSynthetic Governor Behavior (delete synthetic) None; frequency excursion is reflected as achange in induction generator slip, withcorresponding control responseTurbine is able to respond to frequencydeviations with a synthesized droopcontrol if AGC operation is enabled.Dynamic damping (grid-side) N / ATurbine can be programmed to provideactive damping, within ratings, for gridfrequency excursionsSteady-State Behavior (Normal Operation)Real Power OutputReal power generation follows fluctuations inwind speed for light to moderate winds,modified by turbine inertia and control strategy.At or above rated wind speed, turbine output isheld to nominalReal power output can be throttled toallow up room for AGC participation.In light or moderate winds, power issmoothed by mechanical inertia and


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control strategy designed to takeadvantage of increased operating speedrange and kinetic energy storageReactive Power Control

Basic mode is for constant power factor operation, possibly modified by plant SCADADynamically controllableZero power (idling) operationTurbine can provide reactive power supportonly when generating.Turbine can provided rated reactive power support at any time while onlineWind Plant Characteristics Plant Size (for NY state scenarios)50 - 200 MWTughill and offshore plants may be 200+ MW50 -200 MWoffshore plants may be 200+ MWInterconnect Bus Bar CharacteristicsReactive power/voltage controlPower factor control; dynamic voltage controlwith auxiliary equipment (eg SVC), availableunder zero production conditionsDynamic voltage control available at allvecesBlackstart capability No disponiblePossible with limitations according towind resource availabilityIslanded operation Not desirable or possible. Plant is transferredtripped at interconnect substation to preventislanded operation with system loadLimited operation with small island is possible with proper consideration of wind resource availability and plant power and regulation set points.

Pgina 38 Pgina 38 Attribute/Characteristic Baseline (CY2006) Horizon (CY2013) Direccin de Produccin


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Forced full or partial curtailmentPlant power reduction can be affected viainter-control center communicationsCan participate in AGC

Maximum power smoothingControl of short-term fluctuations in generationis a function of individual turbines onlyPlant level controls have capability tominimize short-term power fluctuations by activating certain capabilities of individual turbinesAGC participation N / APosibleRamp rate controlPower changes can be limited only during plant startup.Plant ramp rate is programmable for startup and normal operating conditions.Down ramps can be modified to alimited degreeProduction Forecasting, Scheduling Next-hour forecastingTBDTBD

Next-day forecastingTBDTBDLonger-term forecasting (week)TBDTBD6.2 Models for Computer Calculation and Simulation The scope of work for the NYSERDA study requires an extensive amount of computer modeling and simulation. GE Power Systems Energy Consulting has developed adynamic model of the GE Wind Energy Systems 1.5/3.6 MW wind turbine for the PSLF paquete. A similar model is also available from PTI for PSS/E. The SPC recommendsthat either of these models be used to represent the baseline turbine in the study.There is no specific model for the turbine characteristics of the horizon year. The SPC believes that a reasonable representation of this turbine could be created by modifyingthe appropriate parameters of the existing dynamic model for the GE turbine. Tenga en cuentaquethe technology changes forecast by the SPC improve the characteristics of the turbine asviewed from the grid. Proposed modifications to the existing model to represent thehorizon year turbine should be discussed with and reviewed by the SPC.6.3 Models for System Operations Studies


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The SPC recommends that the measurement database compiled by NREL be used as the basis for developing empirical models of the proposed wind plants for assessing theimpact on NYISO control area operations.

Pgina 39 Pgina 39 6.4 Capacity Contributions Historical wind resource characteristics compiled by the SPC in the Wind ResourceAssessment precursor to the project are the primary data source for evaluating wind plant capacity value.

Pgina 40 Pgina 40 7 R EFERENCIAS (To be provided)Thresher, et. al. paper on low wind speed turbinesGE white paper European papers on dynamic modeling NREL Wan monitoring data summary NREL - Milligan

Study of Impact of Wind Turbines in Power System

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