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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La energía eólica es una de las fuentes renovables más utilizadas en el mundo, proporcionando una solución limpia y sostenible para satisfacer la creciente demanda energética. Dentro de este ámbito, las turbinas eólicas equipadas con generadores de inducción de doble alimentación (DFIG) son ampliamente utilizadas debido a su flexibilidad operativa y eficiencia. Estas turbinas permiten un control preciso de la potencia activa y reactiva, facilitando la integración en las redes eléctricas modernas.
Sin embargo, las turbinas DFIG enfrentan desafíos significativos, especialmente durante eventos de fallo en la red, como cortocircuitos cercanos. Para proteger los componentes electrónicos y garantizar la continuidad de la operación, se implementa un sistema llamado crowbar, que juega un papel crucial en la seguridad y estabilidad del generador.
El DFIG y su importancia en la energía eólica
El generador de inducción de doble alimentación (DFIG) es una configuración tecnológica clave en las turbinas eólicas. Este sistema permite que el estator esté conectado directamente a la red eléctrica, mientras que el rotor está conectado a través de un convertidor de potencia. Esta configuración ofrece dos ventajas principales:
1. Control de potencia reactiva y activa: Los convertidores gestionan la inyección de energía de manera eficiente, cumpliendo con los requisitos de las redes eléctricas modernas.
2. Operación en un rango amplio de velocidades: El DFIG puede adaptarse a variaciones del viento, maximizando la extracción de energía.
Aunque esta tecnología es eficiente, su diseño la hace vulnerable a eventos de sobrecorriente en los devanados del rotor o sobretensiones en el enlace de corriente continua (DC-Link). Para abordar estas vulnerabilidades, se emplea el sistema crowbar.
¿Qué es el sistema crowbar y cómo funciona?
El sistema crowbar es un mecanismo de protección que utiliza una resistencia trifásica controlada electrónicamente, diseñada para proteger los componentes sensibles del DFIG durante eventos anómalos. Su activación ocurre típicamente tras fallos en la red, como cortocircuitos cercanos al parque eólico, que pueden generar sobrecorriente en los devanados del rotor, o sobretensión en el enlace DC-Link del convertidor.
El objetivo del crowbar es desconectar los elementos vulnerables, disipar el exceso de energía y evitar daños al sistema. Su operación se realiza en los siguientes pasos:
1. Desconexión del convertidor del lado del rotor (RSC): Se aísla el RSC para evitar que la sobrecorriente o la sobretensión lo dañen.
2. Inserción de la resistencia trifásica: El crowbar introduce una resistencia en serie con los devanados del rotor para disipar la energía excedente.
3. Desconexión del crowbar: Una vez estabilizadas las condiciones, el sistema crowbar se desconecta de los devanados.
4. Reconexión del RSC: Si los niveles de corriente y tensión vuelven a la normalidad, el convertidor RSC se reconecta y la operación continúa normalmente.
Protección del DC-Link: el papel del DC-Chopper
En redes eléctricas con códigos de conexión más estrictos (grid codes), se recomienda complementar el sistema crowbar con un DC-Chopper. Este dispositivo consiste en una resistencia controlada por tiristores, instalada en el enlace DC-Link, que disipa el exceso de energía generada durante un evento anómalo.
El DC-Chopper cumple varias funciones importantes:
1. Evita la reinserción del crowbar: Si el crowbar se activa repetidamente, puede interrumpir la operación continua del generador. El DC-Chopper reduce este riesgo al estabilizar la tensión del enlace DC-Link.
2. Equilibra la potencia eléctrica: Disipa el desequilibrio entre la energía inyectada al enlace DC-Link por el RSC y la energía transferida a la red por el convertidor del lado de la red (GSC).
¿Por qué es necesario el sistema crowbar?
El sistema crowbar es indispensable para proteger los componentes del DFIG durante eventos de falta, que de otro modo podrían causar daños significativos. Estos eventos son particularmente comunes en parques eólicos conectados a redes eléctricas amplias y complejas, donde los cortocircuitos o fluctuaciones repentinas de tensión pueden ser frecuentes.
Además de proteger los convertidores, el crowbar también asegura el cumplimiento de los estrictos códigos de red, que exigen que las turbinas eólicas permanezcan operativas incluso durante condiciones adversas. Esto es especialmente importante para evitar apagones masivos y garantizar la estabilidad de la red.
Ventajas del sistema crowbar
El sistema crowbar ofrece múltiples beneficios, entre ellos:
1. Protección de los componentes electrónicos: Minimiza el riesgo de daños en el convertidor del lado del rotor (RSC) y el enlace DC-Link.
2. Reducción de interrupciones: Permite que la turbina retome su operación normal rápidamente tras un evento anómalo.
3. Cumplimiento de códigos de red: Garantiza que las turbinas puedan manejar fallos sin desconectarse de la red.
4. Aumento de la vida útil del generador: Al disipar el exceso de energía de manera controlada, reduce el estrés en los componentes del sistema.
Limitaciones y mejora del sistema crowbar
Aunque el sistema crowbar es una herramienta efectiva, tiene ciertas limitaciones. Por ejemplo, si las condiciones de sobretensión o sobrecorriente persisten, el crowbar podría activarse nuevamente, interrumpiendo la operación continua de la turbina. Esta repetición es indeseable, ya que puede afectar la estabilidad de la red y el rendimiento del sistema.
Para abordar estas limitaciones, la incorporación del DC-Chopper se ha convertido en una práctica común en turbinas modernas. Además, la investigación en electrónica de potencia busca desarrollar sistemas de protección más avanzados, capaces de responder aún más rápido a las fluctuaciones de la red.
Conclusión
El sistema crowbar es una pieza esencial en las turbinas eólicas con DFIG, diseñada para proteger el generador y garantizar su operación continua durante eventos adversos en la red eléctrica. Junto con tecnologías complementarias como el DC-Chopper, el crowbar asegura que las turbinas cumplan con las estrictas normativas de conexión, al mismo tiempo que prolonga la vida útil de los componentes electrónicos.
En un mundo donde la energía eólica juega un papel clave en la transición hacia fuentes renovables, tecnologías como el sistema crowbar demuestran cómo la ingeniería y la innovación permiten superar los desafíos técnicos, garantizando un suministro energético confiable y sostenible.
