Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia).
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Una mirada especial a los convertidores electrónicos
El objetivo de este análisis es comparar las turbinas eólicas equipadas con generadores de inducción de doble alimentación (DFIG) y aquellas que utilizan generadores síncronos de imanes permanentes (PMSG) en términos de fiabilidad, peso y el papel clave de los convertidores electrónicos. Estas cuestiones son cruciales para determinar la rentabilidad de una turbina eólica a lo largo de su vida útil. La fiabilidad afecta al tiempo de inactividad potencial y, en consecuencia, a la pérdida de ingresos. Por otro lado, el peso de los componentes situados en la parte superior de la torre (como la góndola y el rotor) influye en los costes iniciales de la torre, sus cimientos, el transporte y la instalación. Esto es especialmente relevante en turbinas offshore, donde cada operación es significativamente más costosa que en las turbinas terrestres.
Al igual que las grabadoras de vídeo fueron reemplazadas por tecnologías más modernas, o al igual que las cámaras de película quedaron obsoletas, cabe preguntarse si los generadores de inducción de doble alimentación, que tanto han contribuido al desarrollo de la energía eólica, están cumpliendo ya su ciclo en la industria.
La realización de este análisis no es sencillo, debido a la falta de fuentes claras, incluso entre los propios fabricantes de turbinas. Muchas de las turbinas que alguna vez fueron candidatas a liderar el mercado ya han sido descontinuadas. Enfoquémonos en turbinas de una capacidad de 5 MW en adelante, excluyendo modelos ya obsoletos. Es razonable asumir que, en el futuro cercano, las turbinas terrestres se moverán hacia un rango estándar de potencia entre 5 y 7 MW, mientras que las offshore superarán los 8 MW. Actualmente, se habla del desarrollo de turbinas de hasta 22 MW.
Ventajas y limitaciones de los DFIG
Durante un tiempo, los DFIG fueron la elección más común para las turbinas eólicas. Su ventaja principal residía en que los convertidores electrónicos requerían aproximadamente un tercio de la potencia total de la turbina y podían operar en modo subsíncrono a bajas velocidades de viento. Sin embargo, los DFIG incluyen escobillas y anillos para acceder al devanado rotórico, que necesitan mantenimiento y reemplazo. Con el tiempo, los problemas recurrentes de los engranajes, junto con las mejoras en la electrónica y los convertidores de potencia, llevaron a que los generadores síncronos, especialmente aquellos con imanes permanentes, se volvieran preferibles. En turbinas de 5 MW, en la mayoría de los casos los DFIG ya han ido reemplazandose por PMSG.
La transición hacia los PMSG
En el nuevo contexto dea turbinas más grandes y potentes, se está experimentando una transición hacia los PMSG. La lógica detrás de esta transición se encuentra en la necesidad de utilizar convertidores de potencia a tamaño completo en los PMSG, lo que hizo cuestionar la necesidad del uso de engranajes. Esto culminó con la introducción de la tecnología de transmisión directa por Siemens en 2011. Aunque los PMSG tienen desventajas, las turbinas más modernas utilizan esta tecnología, con o sin engranajes. La elección entre incluir un engranaje o adoptar una tecnología de transmisión directa implica un equilibrio entre peso y coste. Por otro lado, los imanes permanentes, basados en materiales de tierras raras, son muy caros. Un PMSG sin engranajes es más pesado debido al mayor número de polos necesarios para operar a baja velocidad, lo que implica un mayor diámetro, rodamientos más grandes y, en general, una máquina más difícil de transportar e instalar.
Los convertidores electrónicos: una pieza clave
El desarrollo de convertidores electrónicos fiables y eficientes ha sido un factor decisivo en la transición hacia los PMSG y en la evolución general de las turbinas eólicas. Los convertidores electrónicos tienen un papel central en la regulación y adaptación de la velocidad y la frecuencia de los generadores para conectarlos a la red eléctrica. En los PMSG, se requieren convertidores de potencia de tamaño completo, que son más complejos y costosos que los usados en los DFIG. Sin embargo, ofrecen una ventaja crítica: eliminan la necesidad de mantener una sincronización rígida entre el generador y la red, lo que permite una operación más flexible y eficiente.
Los avances recientes en materiales semiconductores, como los basados en carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN), han mejorado la eficiencia y la durabilidad de los convertidores. Estos materiales permiten trabajar con mayores tensiones y frecuencias de conmutación, reduciendo las pérdidas y el tamaño del sistema. Además, han facilitado la implementación de sistemas de refrigeración más compactos, mejorando la fiabilidad en entornos hostiles como los parques eólicos offshore.
En los DFIG, aunque los convertidores electrónicos son más pequeños, están limitados por su capacidad para manejar solo una fracción de la potencia total del generador. Esto los hace menos adecuados para aplicaciones donde la robustez y la flexibilidad son cruciales, como en las turbinas offshore más grandes.
Diferencias clave entre PMSG y EESG
Una diferencia destacable entre los PMSG y los generadores síncronos excitados eléctricamente es la capacidad de estos últimos para variar la corriente en el rotor, lo que permite corregir el factor de potencia. Sin embargo, los generadores síncronos con excitación eléctrica tienen pérdidas de cobre asociadas a la corriente del rotor, algo que no ocurre en los PMSG. No obstante, existe un desafío potencial con los PMSG: la desmagnetización de los imanes. Si esto ocurre, la potencia generada disminuye, un problema comparable al fracaso del engranaje en el pasado.
Reflexiones finales
En las turbinas más antiguas, tomó tiempo reconocer la vulnerabilidad de los engranajes y analizar sus causas. En el caso de los PMSG, la rápida evolución tecnológica y la obsolescencia de los modelos actuales dificultan prever problemas futuros relacionados con los imanes o los convertidores. Sin embargo, los avances en los convertidores electrónicos representan una sólida promesa de mayor fiabilidad y eficiencia.
Esta evolución tecnológica ilustra el complejo equilibrio entre fiabilidad, eficiencia y coste en el desarrollo de turbinas eólicas, y plantea interrogantes sobre los desafíos que enfrentarán las próximas generaciones de máquinas. La integración de mejores convertidores podría ser la clave para superar estos desafíos y garantizar el éxito continuo de la energía eólica como una fuente sostenible de energía eléctrica.
Fuentes:
Hemami, A. (2021). Two Modes of Operation in Back-to-Back Converters for DFIGs, Is It Worthwhile? Windtech International November/December, page 10.
Desalegn, Belachew & Gebeyehu, Desta & Tamirat, Bimrew. (2022). Wind Energy Conversion Technologies and Engineering Approaches to Enhancing Wind Power Generation: A Review. SSRN Electronic Journal.
