Demostración histórica muestra cómo una turbina eólica común puede proporcionar estabilidad de red fundamental

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En un hito para la integración de energías renovables, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y su socio General Electric (GE) han operado una clase común de turbinas eólicas en modo de formación de red, que es cuando el generador puede establecer el voltaje y la frecuencia de la red y, si es necesario, opere sin energía de la red eléctrica.

La demostración mostró que la popular tecnología de turbina tipo 3 puede proporcionar estabilidad fundamental a la red eléctrica a granel. Los controles de formación de la red de GE permiten que la turbina compense menos fuentes convencionales de estabilidad en la red, como generadores de carbón o de gas natural, al mismo tiempo que supera un problema bien conocido con las oscilaciones eléctricas, en las que las fluctuaciones de voltaje se amplifican. y ocasionalmente conducen a cortes en la planta de energía.

Esta demostración de dispositivo real es la primera de varias en el proyecto de la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía “El viento como generador síncrono virtual (WindVSG)”, que tiene como objetivo investigar los controles de inversores de viento y almacenamiento que imitan electrónicamente las características estabilizadoras de los generadores convencionales. . Durante los últimos tres años, NREL ha estado trabajando para lograr ese objetivo al caracterizar dispositivos, diseñando controles, y simulando operación. El laboratorio ahora está probando los principios de formación de redes en dispositivos reales en un entorno de red eléctrica de réplica.

“Hemos demostrado que una variedad común de turbinas eólicas puede brindar los mismos servicios subyacentes de estabilidad de voltaje y frecuencia que a menudo brindan las plantas de energía de combustibles fósiles”, dijo el ingeniero jefe de NREL, Vahan Gevorgian. “Este es otro ejemplo de cómo los recursos energéticos basados ​​en inversores, como la eólica y la solar, pueden desempeñar un papel más amplio en los sistemas de energía del futuro”.

Dado que las energías renovables constituyen una parte mayor del suministro de energía, también necesitarán tomar un mayor parte de responsabilidad como administradores de la estabilidad de la red. Esa responsabilidad incluye la capacidad de reiniciar la energía después de un apagón, de reestabilizarse después de un evento eléctrico transitorio y, en general, de “formar” la red como recursos de energía de referencia. Grande Los generadores giratorios han respaldado tradicionalmente una frecuencia y voltaje de red estables.. Ahora, los recursos basados ​​en inversores como el viento, la energía solar y las baterías se están preparando para ese papel en varios proyectos del DOE, incluido el Consorcio de inversores formadores de red, que compartirá hallazgos y objetivos de investigación entre la industria y los socios comunitarios.

En la demostración de WindVSG, un equipo de NREL-GE creó controles para una turbina eólica de 1.5 MW tipo 3 para proporcionar soporte de voltaje y frecuencia primaria y restablecer la red circundante ajustando su potencia en respuesta a anomalías eléctricas momentáneas. Las turbinas de tipo 3 son un caso especialmente complejo para desarrollar controles de formación de rejillas. Estas turbinas utilizan un generador que está conectado directamente a la red, con la producción de electricidad de las turbinas modulada por componentes electrónicos de potencia. Para comprender completamente esta complejidad, NREL desarrolló un modelo de detalle completo de la electrodinámica de la turbina, con la ayuda de un conjunto de herramientas personalizado desarrollado por el equipo de investigación de NREL.

En el modo de formación de red, las turbinas de tipo 3 pueden suprimir un modo de oscilación que ha demostrado ser perjudicial en los sistemas de energía reales. En esta simulación, la oscilación, que es causada por la interacción con ciertas líneas de transmisión, comienza a los 35 segundos y se muestra inestable en el modo de seguimiento de cuadrícula (arriba), mientras que está silenciada en el modo de formación de cuadrícula (abajo).

NREL encendió la turbina de formación de rejilla utilizando el Plataforma de investigación avanzada en sistemas integrados de energía (ARIES), que permite la validación a escala en un entorno de cuadrícula de réplica. Un dinamómetro de investigación de 5 MW sirvió como motor principal en el sistema de energía simulado, lo que permitió a los investigadores emular diferentes dinámicas de red y observar el rendimiento de la turbina. El equipo descubrió que en condiciones de red “débil”, cuando hay pocos generadores convencionales, como las plantas de energía térmica, la turbina es excepcional para agregar estabilidad. Sin embargo, en redes “fuertes” con un mayor número de generadores convencionales, la turbina formadora de redes podría desarrollar una dinámica inestable por sí misma. Por lo general, ese no es el caso de los controles de seguimiento de la red, que acompañan a la mayoría de los dispositivos de energía no convencionales como las plantas solares y los sistemas de almacenamiento de baterías y, por lo general, producen energía que sigue de cerca la frecuencia y el voltaje de la red del sistema eléctrico más grande.

“En este trabajo, hemos descubierto que la turbina de formación de red sirve para la estabilidad subyacente en los casos en que se necesita: como una fuente de energía independiente en un sistema pequeño o en sistemas con muchos recursos basados ​​en inversores y pocas formas convencionales de estabilidad”. Dijo Gevorgian. “La plataforma ARIES hace posible esta investigación: podemos ajustar las condiciones que experimentarán estas turbinas en un sistema activo, pero dentro de la seguridad de un entorno controlado”.

Los investigadores también encontraron que los controles de formación de la red previenen cierta oscilación eléctrica peligrosa que es lo suficientemente severa como para haber causado apagones reales en el sistema. Los resultados de esta investigación muestran que el modo de formación de cuadrículas reduce efectivamente esa probabilidad. Este es un resultado importante para las centrales eólicas de todo el mundo que dependen de turbinas de tipo 3 para una proporción significativa de su capacidad.

Aunque es un gran paso adelante para los recursos renovables que forman la red, esta demostración también indica nuevas direcciones para la investigación. Dentro del proyecto WindVSG, el equipo de investigación continuará estudiando cómo la turbina que forma la red interactúa con otros dispositivos en el sistema de energía, si el modo de formación de la red da como resultado una mayor tensión mecánica en la turbina y cómo la turbina puede garantizar la estabilidad incluso en escenarios de red fuerte. Otras demostraciones también validarán la turbina formadora de red cuando se desconecte de la red eléctrica.

Para las flotas de turbinas eólicas y otros recursos como la energía solar fotovoltaica y el almacenamiento de baterías, los controles de formación de redes podrían abrir una nueva oportunidad de mercado en forma de servicios de red; es decir, la estabilidad de la red como otra corriente de valor de los recursos renovables. Con esta demostración, NREL ha validado un enfoque más para que los activos renovables proporcionen una estabilidad avanzada. Y con la plataforma ARIES, NREL puede ayudar a los socios a demostrar esta estabilidad de origen renovable en sus propios sistemas.

Aprender más acerca de investigación de integración de la red eólica en NREL.

Artículo cortesía de Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

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