Presentación de IMPSA en el Seminario "Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores" organizado por la Agencia Comodoro Conocimiento y el Centro de Energías Renovables, junio de 2010.

1. Seminario “Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores”
Características eléctricas de Aerogeneradores de
gran potencia y su integración al Sistema
Argentino de Interconexión (SADI)
Ing. Pablo Gimenez
pablo.gimenez@impsa.com
Estudios Eléctricos y Electrónica de Potencia
IMPSA Wind - Mendoza

2. Índice de Contenidos
• Aerogeneradores de velocidad fija Vs. velocidad variable
• Tipos de Generadores y Conversores de Frecuencia
• Características eléctricas de los Aerogeneradores IMPSA
• Aspectos reglamentarios para ingreso de generación eólica en la red argentina –
CAMMESA
Desafíos de la energía eólica en el SADI
Anexo 40 de los procedimientos
Clasificación de parques eólicos
Curvas de capacidad P-Q y Control de tensión
Tolerancias a perturbaciones de la red (tensión y frecuencia)
Control Conjunto de Tensión
Predicción del viento
Procedimiento técnico N° 4
• Fotografías aerogeneradores y proyectos de IMPSA en ejecución
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3. Generación a velocidad fija versus
velocidad variable
Aerogeneradores de velocidad fija
• Los aerogeneradores de velocidad fija eran prácticamente un estándar en la década
del 90.
• “Velocidad fija” significa que, independientemente de la velocidad del viento
incidente, la velocidad de rotación de la turbina es constante y está determinada
por la frecuencia de la red en donde se encuentra conectado (n = 60 x Frec /
Ppolos)
Aerogeneradores de velocidad variable
• Consituyen el estándar actual, están diseñados para obtener la máxima eficiencia
aerodinámica sobre un amplio rango de velocidades de viento.
• Los sistemas elécticos/electrónicos son más complejos que el caso anterior, ya que
se requiere de electrónica de potencia para controlar el torque frenante del
generador.
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4. Generación a velocidad constante
versus velocidad variable
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5. Generación a velocidad constante
versus velocidad variable
Ventajas Desventajas
• Menor captación de energía
• Bajo costo en equipos • Grandes fluctuaciones de torque (stress
Velocidad eléctricos mecánico)
Fija • Simple, robusto • Grandes fluctuaciones de potencia
• Décadas en funcionamiento entregada a la red (y tensión en redes
débiles)
• Mayor captación de
• Mayores costos en equipos eléctricos
Velocidad energía
• Pérdidas en electrónica de potencia
Variable • Menor stress mecánico
• Mayor número de componentes
• Mejor calidad de energía
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6. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad Fija:
Generador asíncrono – Jaula de ardilla
Generador a
Interruptor
Inducción Lado Transformador
Jaula de ardilla Soft-Starter Generador Elevador
Caja
Multip.
SCIG Hacia Red de
Interconexión
3
STATIC
VAR
COMPENSER
• Comienza a generar cuando la velocidad del rotor del generador supera a la
frecuencia de la red. Por ejemplo, para un generador de 1500rpm, la potencia
nominal se entregará a los 1515 rpm. Otras características
• Necesita reactivo de la red para comenzar a operar
• Las fluctuaciones del viento producen fluctuaciones mecánicas
• Grandes fluctuaciones en la potencia eléctrica entregada, no siendo apto para
operar en redes débiles.
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7. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad variable limitada:
a) Generador a inducción de rotor bobinado
Resistencia
Variable
Interruptor
Lado Transformador
Soft-Starter Generador Elevador
Caja
Multip.
WRIG Hacia Red de
Interconexión
3
Wound Rotor STATIC
Induction Generator VAR
COMPENSER
• La resistencia del rotor es controlada para variar el deslizamiento (Slip), y de esta
forma controlar la potencia del sistema. El rango del control dinámico de velocidad
depende del tamaño de la resistencia. Típicamente el rango de velocidad es 0-10%
por encima de la velocidad de sincronismo.
• Respecto al generador SCIG, presenta las siguientes diferencias:
• Mayor captación de energía
• Requiere unidad de anillos rozantes y un sistema de conmutación de resistencias
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8. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad variable limitada:
b) Generador a inducción doblemente alimentado (DFIG)
Interruptor Transformador
Lado Red Elevador
Caja
Multip.
WRIG Hacia Red de
Interconexión
3
Crowbar
T1 T2 T3
Resist.
Chopp.
Reactor
de Linea
y F.A.
TC T4 T5 T6
• El bobinado estatórico se conecta directamente a la red, mientras que el bobinado
del rotor es excitado con un conversor de frecuencia de baja potencia.
• El conversor aplica una tensión al rotor de una frecuencia tal que, sumado a la
frecuencia de giro del rotor, iguala a la frecuencia de la red:
Fconv+Fgenerador = Fred
• Velocidad de funcionamiento: -40% al +30% de la velocidad nominal
• Bajo costo en conversor de frecuencia, y menores dimensiones del equipamiento
• Manejo de baja potencia reactiva inyectada/absorvida a la red
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9. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad Variable:
a) Generador síncrono de imanes permanentes - Trifásico
Precarga DC Bus
Interruptor
Lado Interruptor Transformador
T1 T2 T3 T1 T2 T3 Lado Red
Generador FILTRO Reactor Elevador
dV/dt de Línea
Resist.
DC Chopp.
PMSG BUS Hacia Red de
Interconexión
3
T4 T5 T6 TC T4 T5 T6
Filtro de
armónicos
• Topología utilizada por IMPSA en aerogeneradores de 1.5MW y 2.1MW
• Emplea un conversor de frecuencia de potencia total, permitiendo la transferencia de
energía desde los bornes del generador, con una tensión y frecuencia variable
dependiente de la velocidad de rotación. Otras características:
• Utiliza control vectorial que garantiza un máximo rendimiento.
• Puede operar ante huecos de tensión en la red (característica LVRT)
• Amplio manejo de potencia reactiva, aún con la unidad detenida (permite controlar V
ó cosFi en PC).
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10. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad Variable:
b) Generador síncrono de imanes permanentes – Hexafásico
b.1) Rectificación activa Precarga DC Bus
Interruptor Transformador
FILTRO Reactor Lado Red Elevador
dV/dt de Línea
Resist.
DC Chopp.
BUS Hacia Red de
Interconexión
TC
PMSG Interruptores
Lado
Generador
6 Filtro de
armónicos
FILTRO
dV/dt
• Presenta característica similares a la topología anterior.
• Cada generador trifásico tiene su propia etapa de rectificación con IBGTs, las cuales
comparten un mismo bus de CC.
• El conversor lado red es exactamente igual en todas las configuraciones con
conversor full power.
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11. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad Variable:
b) Generador síncrono de imanes permanentes – Hexafásico
b.2) Rectificación pasiva
Precarga DC Bus
Compensación Inductancias
Interruptor
Lado
Generador
Interruptor Transformador
T1 T2 T3 Lado Red
Reactor Elevador
Resist. de Línea
DC DC Chopp.
BUS BUS
PMSG Variable Constante Hacia Red de
Interconexión
6
TE1 TE2 T4 T4 T5 T6
Filtro de
armónicos
• Topología empleada por IMPSA en aerogeneradores de 1.5MW en Brasil, bajo licencia Vensys.
• Utiliza diodos para rectificación y capacitores de compensación.
• Cuenta con 2 buses de CC, uno de amplitud variable en función de la velocidad de rotación, y
otro regulado mediante una fuente conmutada elevadora (boost converter).
• La ausencia de PWM en los cables del generador hace que los requerimientos para
interferencias EMI sean mínimos: cables sin pantalla, montaje de cables sobre abrazaderas (no
hace falta emplear bandejas con tapas, etc)
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12. Tipos de Generadores / Conversores de
Frecuencia
Velocidad Variable:
c) Generador síncrono ó asíncrono en MT
• Con la aparición de nuevas tecnologías en transistores de potencia, es posible
manejar cada vez mayores tensiones y corrientes.
• Para aerogeneradores de gran potencia (>3MW) se está comenzando a utilizar
conversores multinivel, que presentan las siguientes mejoras:
• Manejo de mayores tensiones, lo que implica menores corrientes y pérdidas.
• La forma de onda PWM es menos distorsionada respecto al conversor de 2 niveles,
por lo que el filtrado de armónicos es más simple, además de no producir
interferencias EMI con el resto del equipamiento.
Conversor convencional (2 niv.)
Conversor multinivel
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13. Aerogenerador Asíncrono Convencional
Generador
Caja Asincróno
Multiplicadora
Cubo
Turbina
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14. Concepto
Cubo Rotor
La tecnología Unipower es un
concepto innovador desarrollado por
IMPSA, a través del cual se vinculan
directamente las palas al rotor del
generador, evitando la utilización de
ejes y piezas innecesarias.
Estator Polos
Interno IP
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15. Características Aerogeneradores IMPSA
• Modelo:
• Tipo: Direct Drive – Permanent Magnet
• Potencia Nominal: 1.5 y 2,1 MW
• Diámetro Rotor: 70, 83, 93 y 100 mts.
• Altura de Torre: 70, 85 y 100 mts.
• Clase IEC: S – I – II – III
• Diseño de Torre: Cilíndrica cónica – Acero
• Generador: PMSG (permanent-magnet
synchronous generator)
• Velocidad nominal de giro: 19 -15 rpm
• Control de Potencia: activo, Pitch Control, con
servomotores
• Conversor de Frecuencia: Back-to-back, Full-
power
• Capacidad LVRT
• Generación reactivo a rotor
detenido
I-83 2,1 MW – Clase II – La Rioja
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16. Características Direct Drive –
Permanent Magnet
Acoplamiento directo entre la turbina y el
generador sin necesidad de caja No requiere anillos rozantes de
multiplicadora. Potencia
Menor mantenimiento Mayor eficiencia
Menor stress mecánico Mayor disponibilidad
Mayor flexibilidad para integrarse a los Menor cantidad de piezas rotantes
sistemas eléctricos:
Soporta huecos de tensión (LVRT)
Aptos para control de tensión en
punto de conexión
Generación de energía reactiva aun
con rotor detenido. Funcionamiento
comparable a SVC
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17. IMPSA - Aerogeneradores
Diseño e Ingeniería Nacional
Aerogenerador
Góndola
Generador
Palas
Conversor
Torre
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18. IMPSA - Aerogeneradores
Construcción Nacional
Aerogenerador
Góndola
Generador
Palas
Conversor
Torre
18
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19. Certificados y Patentes de diseño
Certificado Rotor Certificado Torre
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20. Certificados y Patentes de diseño
Certificado Equipamiento Eléctrico Certificado de DISEÑO
20
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21. Certificados y Patentes de diseño
Patente de Invención
21
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22. Lay-out equipos en Góndola
Equipos
• Generador
• Sistema de control de Pitch
• Sistema de control de Yaw
• Instrumentos anemométricos
• Paneles de Control y
Distribución
• Interruptor y fusibles del
generador
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23. Lay-out equipos en Torre
Equipos
• Transformador principal
• Celda de Media tensión
• Conversor de Frecuencia
• Sistema de refrigeración
• Tablero control local y
distribución
• Filtro de armónicos
• Interruptor principal
• UPS
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24. Diagrama Unifilar de potencia
Aerogenerador Direct Drive – Permanent Magnet
Generator’s Side Grid’s Side
Permanent Magnet 3-phase rectifier 3-phase inverter Pre-charge circuit
Synchronous Generator
Transformer
Generator CB
& Fuses
+CBB
+CONV
UNIT
+CBN dV/dt T1 T2 T3 T1 T2 T3
Line Main C.B. TRANSFORMER
Filter Reactor
PMSG
GRID
3
T4 T5 T6 TC T4 T5 T6
dv/dt Filter Dynamic braking resistor Harmonic Filter
DC Bus BAR Line Reactor
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25. Principio de Funcionamiento –
Potencia Activa
Precarga DC Bus
Interruptor
Lado Interruptor Transformador
T1 T2 T3 T1 T2 T3 Lado Red
Generador FILTRO Reactor Elevador
dV/dt de Línea
Resist.
DC Chopp.
PMSG BUS Hacia Red de
Interconexión
3
T4 T5 T6 TC T4 T5 T6
Filtro de
armónicos
Filtro dV/dt Rectificador Reactor de línea
Generador
- Sobretensiones BUS CC Filtro de armónicos
síncrono
- EMI Inversor THD <5%
Imanes
+ Vida aislación Chopper
permanentes
(RFD)
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26. Principio de Funcionamiento –
Potencia Reactiva
Precarga DC Bus
Interruptor
Lado Interruptor Transformador
T1 T2 T3 T1 T2 T3 Lado Red
Generador FILTRO Reactor Elevador
dV/dt de Línea
Resist.
DC Chopp.
PMSG BUS Hacia Red de
Interconexión
3
T4 T5 T6 TC T4 T5 T6
Filtro de
armónicos
Filtro dV/dt Rectificador Reactor de línea
Generador
- Sobretensiones BUS CC Filtro de armónicos
síncrono
- EMI Inversor THD <5%
Imanes
+ Vida aislación Chopper
permanentes
(RFD)
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Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

27. Aspectos reglamentarios para el
ingreso de generación eólica al SADI
Desafíos de la Energía Eólica en el SADI
• La Energía Eólica puede tener un crecimiento significativo en los
próximos años.
• El balance CONSUMO-GENERACIÓN debe asegurarse todo el tiempo.
• El aumento de energía eólica requerirá cambios en la OPERACIÓN,
PROTECCIÓN y CONTROL del SADI.
• Los efectos adversos de esta generación variable sobre la red deberán
ser minimizados.
• Es necesario identificar los DESAFÍOS TÉCNICOS y las SOLUCIONES
MÁS EFICIENTES para permitir la máxima integración posible de
energía eólica al SADI.
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28. Aspectos reglamentarios para el
ingreso de generación eólica al SADI
28
Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

29. Aspectos reglamentarios para el
ingreso de generación eólica al SADI
Anexo 40:
• Condición para ser generador del MEM: parque > 1 MW
• Cumplir requisitos para el ingreso de nueva generación al MEM.
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30. Aspectos reglamentarios para el ingreso
de generación eólica al SADI
Clasificación de Parques Eólicos
• Se define como “mayor variación rápida” al valor de la máxima variación estimada
de potencia activa, dentro de cada 10 minutos.
• Se define como “mayor variación frecuente” al valor de la máxima variación de
potencia activa dentro de cada hora, de los 6 valores de potencia media cada 10
minutos.
30
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31. Aspectos reglamentarios para el ingreso
de generación eólica al SADI
Clasificación de Parques Eólicos
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Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

32. Aspectos reglamentarios para el ingreso
de generación eólica al SADI
Clasificación de Parques Eólicos
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Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

33. Aspectos reglamentarios para el ingreso
de generación eólica al SADI
Requisitos técnicos a cumplir por el Parque Eólico
• Control Conjunto de Tensión del Parque, consignando
tensión ó potencia reactiva por aerogenerador Tipo A.
• Pendiente de toma de carga programable y limitación de
variaciones rápidas de potencia Tipo A
• Reducción controlada de potencia ó DAG Tipo A.
• Tolerancia a huecos de tensión (LVRT) Tipo A.
• Medición y pronóstico del viento Tipo A.
• Tolerancia a desvíos de la Frecuencia Tipo A y B
• Calidad del producto acorde IEC 61400-21 Tipo A y B
• Control de CosFi Tipo B
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34. Aspectos reglamentarios para el ingreso
de generación eólica al SADI
Curvas de Capacidad PQ y Control de tensión
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35. Diagrama de Capabilidad y modos de
Operación
Modos de operación y diagrama PQ
PQ Turbina DFIG PQ Turbina Full Converter
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36. Control Conjunto de Tensión en Parques
Eólicos
Esquema general Control Conjunto de Tensión (CCT) – Parques tipo A
ET Aimogasta ET La Rioja
AEROGENERADOR 1 AEROGENERADOR 12
PMSG PMSG
3 3
132 kV
SWITCH SWITCH
Conversor Conversor
PLC Lado PLC Lado
t t
oin GENERADOR oin GENERADOR
etp etp
Ps Ps
Controlador Controlador
Conversor de BUS CC Conversor de BUS CC
138kV
Frecuencia
Qs ....... Frecuencia
Qs
30 MVA etp etp
o Conversor oin Conversor
13.8kV int t
Lado RED Lado RED
10 MVA
33kV
Fibra Óptica
30 MVA
0.789/33kV 0.789/33kV
SCADA SWITCH
2.3 MVA 2.3 MVA
PARQUE
33kV
33kV/110V
Entrada SSAA Medición
12 Aerogeneradores V
IWP 83 - 2.1MW mA INTERFACE
Banco de
Capacitores/Inductores AI AO DI DO COM
(NO APLICABLE EN DO
ESTA ETAPA) DO P L C
Hardware CCT
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37. Modos de Operación
Pendiente de toma de carga programable – Parques tipo A
37
Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

38. Modos de Operación
Tolerancia ante huecos de tensión (LVRT)
• El Parque Eólico debe mantenerse conectado al sistema frente a huecos de
tensión debidos a fallas externas como por Ej. Cortocircuito o Desconexión de
generadores.
Perfil LVRT en PCC del parque Perfil LVRT en bornes aerogen.
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39. Requisitos de acceso Parques Eólicos -
Argentina
Medicion y prónóstico del viento – Tipo A
• Para la operación del Parque Eólico, el mismo
deberá contar con un pronóstico de viento:
• Con 48hs de anticipación, para la
programación diaria de despacho
• Actualizado cada 4 horas (6 veces por día)
• Se prevé una bonificación para aquellos
parques que cuenten con pronósticos más
exactos, así como se multarán a aquellos cuyo
pronóstico se aleje de la realidad en un
determinado margen de error.
• Todo esto lleva a implementar sistemas de
mediciones on-line, utilizando datos
instantáneos.
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40. Requisitos de acceso Parques Eólicos
- Argentina
Aptitud para soportar variaciones de frecuencia – Tipo A y B
• El parque debe tolerar excursiones transitorias de la frecuencia similares al
resto del parque generador
• Sin la actuación de relés instantáneos entre 47,5 Hz y 52 Hz
• 15 seg. mínimo entre 47,5 y 48 Hz, y 51,5 y 52 Hz
• 25 seg. mínimo entre 48 y 49 Hz, y 51 y 51,5 Hz
• Sin límite de tiempo entre 49 y 51 Hz
40
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41. Requisitos de acceso Parques Eólicos -
Argentina
Calidad de Energía
• Se deben instalar los equipamiento necesario para garantizar que la emisión
de armónicas emitidas por el parque eólico esté dentro del rango permitido.
• IEEE 519 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control
in Electrical Power Systems”
• Específico para aerogeneradores IEC 61400-21 “Measurement and
assessment of power quality characteristics of grid connected wind farm”
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Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

42. Requisitos de acceso Parques Eólicos -
Argentina
Procedimiento Técnico N°4 (PT4) - Cammesa
OBJETIVOS DE LOS ENSAYOS: Verificar
ENSAYOS
• La curva de capacidad P-Q del Parque Eólico en el Punto de conexión con la red.
• La capacidad operativa del Parque Eólico:
• Arranque de aerogeneradores
• Medición del máximo gradiente de toma de carga del parque eólico
• Reducción controlada de la potencia
• Medición de las variaciones de carga por variaciones rápidas del viento
• Transitorios de desconexión/conexión parcial o total de Parque Eólico
• El impacto de la Central Eólica sobre la calidad del servicio
• Medición contenido armónicas
• Medición Flicker
• La respuesta del Parque Eólico ante perturbaciones de la red
• Los parámetros clave para homologar el/los Modelo/s para estudios de transitorios
electromecánicos en el SADI.
NOTA: Los procedimientos nombrados se encuentran actualmente en confección por
parte de CAMMESA, por lo que el listado no es taxativo y puede sufrir modificaciones.
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Propiedad Intelectual de IMPSA – Prohibida su reproducción.

43. Requisitos de acceso Parques Eólicos -
Argentina
Diagrama PQ del Parque Eólico
En el Punto de Conexión del Parque Eólico con la red, se tomarán
MEDICIONES de P, Q, F y V en condiciones operativas normales, con el
objeto de relevar durante el primer mes de funcionamiento la capacidad
máxima de absorción e inyección de potencia reactiva de todo el parque
generador en RÉGIMEN PERMANENTE (valor medio en un período de 5
minutos).
Como mínimo se deberá presentar
los siguientes puntos:
Pg > 80 % Potencia nominal
50 % < Pg < 80% Potencia nominal
20 % < Pg < 50% Potencia nominal
Pg < 20% Potencia nominal
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44. Requisitos de acceso Parques Eólicos -
Argentina
Procedimientos homologación modelo del aerogenerador
• Para Aerogeneradores a ser conectados en parques tipo A, CAMMESA aún no
oficializa los procedimientos de homologación. Se está esperando que se hagan las
primeras experiencias en el parque Arauco I, Etapa II (25.2MW - La Rioja) para
plasmarlas en los procedimientos.
•Para aerogeneradores de parques tipo B, se verificará:
• Curva PQ
• Consigna de potencia reactiva
• Consigna de factor de potencia
• Medición del gradiente de toma de carga
• Ensayos de desconexión del aerogenerador
• Ensayos de calidad del servicio
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45. Convertidor de Frecuencia – Full
Converter
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46. Generador síncrono
46
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47. Aerogenerador I 70S – 1,5MW e I 83 II – 2,1MW
Aerogeneradores IMPSA
I-83 II La Rioja I-70 S Comodoro Rivadavia
47
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48. Desarrollos Parques Eólicos –
Generación Energía
Mapa eólico Modelo de estela
1800 16.0%
1600 14.0%
1400
12.0%
1200
10.0%
Power [kW]
1000
800 8.0%
600 6.0%
400
4.0%
200
0 2.0%
-200 0 5 10 15 20 25 0.0%
Wind speed [m/s]
Rho=1.225 Kg/m3 Rho=1.155 Kg/m3 Weibull
Layout optimizado Calculo de Energía 48
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49. Obras Eléctrica - Subestación -
Parques Eólico Arauco
Principales Características
• Niveles de Tensión
• 33/132kV
• Potencia Total
• 2 x30 MVA
• Normas y Requerimientos
• IEC- IRAM – Agua y Energía
• Disposición – Layout P/C
• Barra principal y Transferencia
• Protecciones
• Líneas: Sobrecorriente e
impedancia
• Transformadores:
Sobrecorriente y diferencial
• Expansiones
• Espacio para ampliación 30MVA
49
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50. Obra Eléctrica - Redes internas 33kV-
Parques Eólico Arauco
Principales Características
• Potencia Nominal
• 25,2MW
• Longitud
• 4,5km
• Tensión Nominal
• 33kV
• Aérea
• Conductor
• Aleación Aluminio
• Estructuras Concreto
• Pararrayos
• Comunicación FO
50
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51. Obras Civiles
Fundaciones
Las fundaciones deben ser diseñadas
para soportar los aerogeneradores
bajo cargas extremas.
Características Geométricas:
• Superficiales o profundas
• Fundación circular
• Diámetro base φ16m
• Volumen hormigón aproximado de
330 m3
• Cota fundación N-3.00
51
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52. Aerogenerador I 77S – Potencia 1.5MW
Montaje Torre Montaje Góndola
52
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53. Aerogenerador I 77S – Potencia 1,5MW
Montaje Rotor
Pala 34 mts
53
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54. Parque Eólico Arauco La Rioja Potencia 25,2MW
Arauco 12 Aerogeneradores IMPSA I-83 II
54
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55. ¡ Muchas Gracias por
vuestra atención !
55
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