Razones para el desarrollo de los Aerogeneradores con control por Resistencia de Rotor

Este tipo de aerogenerador constituye una evolución de los aerogeneradores con que utilizan generadores asíncronos de jaula de ardilla, que constituian el mayor porcentaje de los instalados a finales de la decada de 1990.

La principal razón para el desarrollo de este tipo de aerogeneradores se debió a la necesidad de tener un diseño que permitiera soportar ráfagas de viento sin aumentar el dimensionamiento de la torre y de los mecanismos de cambio de pitch, y manteniendo el uso de generadores de inducción por su bajo coste, fiabilidad, y disponibilidad de multiples suministradores.

Para explicar esta solución haremos las siguientes consideraciones:

Consideración 1ª: el generador eléctrico debe estar protegido.

El generador eléctrico debe estar dimensionado para la potencia nominal deseada. Esa potencia debe ser la que se aplique, como máximo, a su eje.

Si el generador es de inducción con rotor cortocircuitado, como el usado en los aerogeneradores previos (ver Simulador DSAS), la velocidad de su eje, en producción debe mantenerse por encima de la de sincronismo, pero con un deslizamiento muy pequeño (inferior al 1% tipicamente) (ver Generadores de inducción con Resistencia de Rotor variable ); es decir, debe ser prácticamente constante.

Consideración 2ª: impacto de las ráfagas de viento.

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)

Donde Cp () es el coeficiente aerodinámico de las palas, que depende del angulo de ataque de las palas (Pitch).

La siguiente figura ilustra gráficamente estas consideraciones. En ella se presenta la potencia máxima extraíble del viento (es decir, asumiendo que el angulo de pitch de las palas tiene siempre el valor adecuado para maximizar dicha potencia), con varios valores de longitud de pala. Usando por ejemplo el caso de radio 48 m, vemos que la potencia 'deseada' (linea horizontal sobre 2 MW) corresponde con un viento de 10 m/s. Podemos ver que, si el viento sube hasta 13 m/s, la potencia obtenible del viento sube hasta 3.5 MW , aprox 1.75 veces la potencia nominal.

Para evitar que la potencia mécanica de giro en el Tren de Potencia supere la nominal del generador eléctrico, el Controlador modifica el angulo de Pitch, de forma que se reduce el Cp().

Consideremos ahora: a) la velocidad de cambio de la velocidad del viento y b) las características del mecanismo de cambio del angulo de Pitch.

Si podemos cambiar el Pitch más rápido que cambia el viento, el Controlador puede utilizar un algoritmo de seguimiento de la potencia de tal forma que ésta nunca sobrepase la potencia nominal. Existen consideraciones adicionales relacionadas con el momento de inercia de las propias palas alrededor de su eje de giro, y que además están fijadas al hub, que gira a su vez sobre el rotor del Tren de Potencia, que tiene valores máximos que no se deberían superar.

Sin embargo, si no podemos cambiar con suficiente rapidez el Pitch, tendremos que una subida rápida de viento (ráfaga) generará un pico de potencia mecánica aplicada al eje del generador, que puede muy rápidamente superar su potencia nominal.

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La idea es considerar que, normalmente, el Tren de Potencia tiene un momento de inercia grande, que puede utilizarse para absorver los picos de potencia debido a las ráfagas que el mecanismo de pitch no puede contrarrestar, dejando que esta potencia extra acelere su velocidad de rotacion.

Esta proposición tiene el inconveniente de que no puede realizarse si el generador es de inducción con rotor cortocircuitado (jaula de ardilla): la solución adoptada en el tipo de aerogeneradores como el de este Simular, es seguir usando un generador de inducción, pero con un dispositivo electrónico que permite variar la resistencia del rotor. Esta característica permite al generador funcionar con unos deslizamientos muchos mayores (hasta un 15% o un 20%). Ver la explicación en Generadores de inducción con Resistencia de Rotor variable .