Implicaciones para el Tren de Potencia

El Tren de Potencia es el convertidor de energía cinética del viento en energía rotativa. Este Tren de Potencia dispone de mecanismos (básicamente el angulo de ataque de las palas sobre el viento), con los que es posible controlar la potencia efectivamente extraída del viento. Como se ha descrito en Relación de los aerogeneradores y su lugar de emplazamiento podemos distinguir dos situaciones:

Cuando el viento es inferior al nominal, entonces interesa obtener la mayor potencia del viento existente, es decir, que el coeficiente aerodinámico (Cp) sea máximo, independientemente del viento existente. Este criterio se implementa con un algoritmo conocido como Seguimiento del Punto de Máxima Potencia. (Maximum Power Point Tracking -MPPT- en inglés) .
Cuando el viento es superior al nominal, se debe reducir el valor de Cp de forma que la potencia extraída del viento sea justamente la nominal, de forma que el generador eléctrico y su circuiteria de potencia estén trabajando siempre en condiciones de diseño.

Las variables disponibles para controlar el Cp son dos:

a) la velocidad de giro de las palas (del Tren de Potencia), y

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Figura 1

En este diagrama el eje de abscisas representa la velocidad angular del Tren de Potencia (en revoluciones por minuto -rpms-), y el eje de ordenadas representa la potencia mecánica. Las unidades de medida se muestran "normalizadas" en 'pu's (per unit). Éste método de representación sustituye el valor real por el valor relativo a uno de referencia. La potencia de referencia se ha elegido la "nominal" del aerogenerador (en este caso 2.000.000 W) y la velocidad de referencia la que corresponde con la velocidad de sincronismo del generador eléctrico utilizado, teniendo en cuenta el efecto de la multiplicadora: en este caso 15.46 rpms.

Podemos distinguir tres clases de curvas en este diagrama:

Cada curva verde corresponde con la potencia máxima obtenible del viento para el viento indicado, en función de las rpms del Tren de Potencia. Nota: es importante tener en cuenta que cada uno de los puntos en estas curvas corresponden con un valor determinado de angulo de ataque, que no se muestra, y que no necesariamente constante.
La curva azul corresponde con el lugar de los puntos que para cada valor de rpms da la máxima potencia del viento. Es decir, esta curva corresponde con la definición del algoritmo de Seguimiento de Punto de Máxima Potencia (MPPT).
La curva roja corresponde con la curva que realmente se utiliza para el control del Tren de Potencia de un aerogenerador de velocidad variable (como por ejemplo del tipo DFIG).

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Una explicación breve de esta curva de funcionamiento es la siguiente:

Siempre que el viento esté por debajo del nominal, se debe usar el algoritmo MPTT. La curva mostrada, correspondiente a este algoritmo, deriva del estudio de la función Cp, cuya conclusión es la siguiente: existe una curva, que tiene forma de parábola (es decir, es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro del Tren de Potencia), que da para cada valor de velocidad de rotación la potencia máxima obtenible del viento.
Existen razones prácticas y operacionales que determinan que, por debajo de un cierto nivel de viento, no es económicamente recomendable mantener al aerogenerador en funcionamiento. En la figura anterior este viento corresponde al del punto A, alrededor de 4 m/s.
Existe otro rango, entre el punto A y alrededor de 6 m/s de velocidad del viento, en el si está parado no es recomendable poner en marcha el aerogenerador, basándose en estudios estadísticos de evolución probable del viento. Es decir, si el viento es demasiado bajo la posibilidad de que después de ponerlo en marcha haya que pararlo es grande y por tanto no merece la pena arrancarlo.
Para vientos por encima del nominal, se desea que el Tren de Potencia funcione siempre a una velocidad fija. Esta velocidad del Tren de Potencia y la potencia nominal definen el punto D.
En teoría, este punto D debería estar sobre la curva azul, la del MPPT (para sacar la mayor potencia posible del viento), pero eso implicaría que si se produce una subida rápida de viento desde un valor por debajo del nominal hasta otro por encima del nominal, el mecanismo de control del angulo de las palas debe reaccionar muy rápidamente.
En vez de esto, se reserva una zona inmediatamente anterior a las rpms del punto D (punto C) con objeto de estar en mejor situación para una evolución del angulo de las palas en caso de que se presente una ráfaga. Esta estrategia incluye una perdida de capacidad productiva ( la curva C - D no está sobre la curva azul, lo que significa que para el viento existente sería posible encontrar otro punto de funcionamiento -otras rpms- que daría más potencia).
La situación descrita anteriormente se puede apreciar mas claramente en la siguiente figura, en la que se puede ver cómo es la evolución del angulo de ataque de las palas (Pitch) en función del viento. Se puede ver que el Pitch se mantiene prácticamente constante hasta el viento nominal (cerca de 0º), es decir, en la zona de MPPT. Sin embargo cambia muy rápidamente cuando el viento supera el nominal. Se puede apreciar una gran pendiente en la zona alrededor de 14 m/s.

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Del punto A al punto B: zona no utilizable para poner en marcha el aerogenerador, pero tolerada en caso de que estuviera ya en producción.
Del punto B al punto C: zona que funciona con el algoritmo MPPT.
Del punto C al punto D: zona con funcionamiento cercano al algoritmo MPPT, pero preparada para un cambio rápido de viento por encima del nominal.
Punto D: Esta zona, realmente un punto, es el objetivo para cualquier viento superior al nominal.

La zona entre los puntos D y E se usa temporalmente para evoluciones del Tren de Potencia durante ráfagas de viento.

En Algoritmo de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (Maximum Power Point Tracking) se da una explicación más detallada.

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Figura 2