Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay)
Tiempo de lectura: 6 minutos
En el mundo de las energías renovables, las turbinas eólicas con generadores de inducción de doble alimentación (DFIG) representan una solución tecnológica eficiente y flexible. Un aspecto fundamental que hace posible su rendimiento sobresaliente es el uso de convertidores electrónicos de potencia, que permiten el control preciso de las potencias activa y reactiva. Estos convertidores desempeñan un papel crucial en garantizar que las turbinas se adapten a las demandas dinámicas de las redes eléctricas modernas.
¿Qué hacen los convertidores en un sistema DFIG?
En un sistema DFIG, el convertidor no controla directamente toda la potencia generada por el generador. En lugar de eso, gestiona únicamente una fracción de ella, generalmente entre el 20% y el 30% de la potencia total del generador. Esto se debe a que los convertidores están conectados al rotor, mientras que el estator del generador se conecta directamente a la red eléctrica.
El convertidor tiene dos funciones principales:
1. Gestionar la velocidad variable del rotor: Esto permite que la turbina aproveche al máximo la energía del viento en un rango amplio de velocidades, optimizando su eficiencia.
2. Controlar la inyección de potencia reactiva y activa: Gracias a esta capacidad, el sistema puede regular la tensión y mantener la estabilidad de la red eléctrica, incluso bajo condiciones de carga fluctuante.
Arquitectura del convertidor en el DFIG
El convertidor en un sistema DFIG está compuesto por dos partes principales, conectadas mediante un enlace de corriente continua (DC-Link):
1. Convertidor del lado del rotor: Este componente convierte la corriente alterna (CA) generada en el rotor en corriente continua (CC). Su función principal es regular las corrientes en el rotor para controlar el flujo magnético y, en consecuencia, el par y las potencias activa y reactiva.
2. Convertidor del lado de la red: Este convertidor toma la energía en CC del enlace y la reconvierte en CA para inyectarla en la red eléctrica. Además, asegura que la energía suministrada cumpla con los estándares de calidad de la red, regulando parámetros como la frecuencia y el factor de potencia.
El enlace de corriente continua entre ambos convertidores actúa como un depósito intermedio de energía, permitiendo un flujo continuo y estable, incluso cuando las condiciones del viento varían rápidamente.
Modulación por ancho de pulso (PWM)
Para controlar la frecuencia y la magnitud de las corrientes en el rotor, los convertidores del DFIG (concretamente el convertidor del lado de la red) utilizan una técnica llamada modulación por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés). Este método permite que el convertidor ajuste con precisión la energía suministrada al rotor, asegurando que las corrientes generen el par deseado y mantengan el flujo magnético en niveles óptimos. La PWM es una de las razones clave por las cuales los DFIG son capaces de operar de manera estable y eficiente en un rango amplio de velocidades.
Ventajas de los Convertidores en el DFIG
El diseño eficiente de los convertidores en el DFIG ofrece varias ventajas significativas:
1. Reducción de costes y pérdidas: Al manejar solo una fracción de la potencia total, los convertidores son más pequeños, menos costosos y generan menos pérdidas en comparación con otros sistemas donde el convertidor maneja el 100% de la energía generada.
2. Control independiente de P y Q: Los convertidores permiten ajustar las potencias activa (P) y reactiva (Q) de manera independiente, una característica crucial para cumplir con los estrictos códigos de red modernos.
3. Compatibilidad con redes de alta penetración renovable: Los convertidores facilitan la integración de la energía eólica en redes eléctricas con grandes cantidades de fuentes renovables, estabilizando tensiones y frecuencias en tiempo real.
4. Capacidad de velocidad variable: Gracias a los convertidores, el DFIG puede operar eficientemente a diferentes velocidades del viento, extrayendo el máximo de energía en cada escenario.
Desafíos y mejoras futuras
A pesar de sus ventajas, los convertidores en el DFIG presentan algunos desafíos, principalmente relacionados con las demandas de mayor eficiencia y robustez en condiciones extremas. Por ejemplo, durante eventos de baja o alta frecuencia, los convertidores deben responder rápidamente para evitar inestabilidades en la red. Además, la exposición a condiciones climáticas adversas, como temperaturas extremas y tormentas eléctricas, puede afectar su rendimiento.
La investigación actual se centra en desarrollar nuevos materiales y técnicas para mejorar la eficiencia y la durabilidad de los convertidores. El uso de semiconductores avanzados como el carburo de silicio (SiC) o el nitruro de galio (GaN) está ganando terreno, ya que permiten operar a mayores frecuencias y temperaturas, reduciendo las pérdidas y el tamaño de los convertidores.
El futuro de los convertidores en los DFIG
A medida que las redes eléctricas evolucionan hacia sistemas más descentralizados y con mayor participación de fuentes renovables, los convertidores en los DFIG desempeñarán un papel aún más importante. Su capacidad para gestionar la energía de manera eficiente y adaptarse a condiciones cambiantes los convierte en una tecnología esencial para garantizar la estabilidad de las redes modernas.
En conclusión, los convertidores en los sistemas DFIG son mucho más que un simple componente electrónico; son el corazón que permite que las turbinas eólicas funcionen de manera flexible, eficiente y confiable en un entorno energético en constante cambio. A través de la innovación continua, esta tecnología seguirá impulsando la transición hacia un futuro energético más sostenible.
Fuentes:
Torkaman, Hossein & Keyhani, Ali. (2018). A review of design consideration for Doubly Fed Induction Generator based wind energy system. Electric Power Systems Research. 160. 128-141.
Parameswari, G. & Sait, H.. (2020). A comprehensive review of fault ride-through capability of wind turbines with grid-connected doubly fed induction generator. International Transactions on Electrical Energy Systems.
