Este documento resume los principales desafíos tecnológicos para la energía eólica desde una perspectiva académica. Explica los tipos de aerogeneradores más utilizados, los requisitos de conexión a la red y las estrategias de control propuestas, incluido el control de potencia activa y reactiva. También analiza la dinámica de los sistemas de potencia con aporte eólico usando técnicas de control lineal y no lineal, como las funciones de Lyapunov. El objetivo final es

1. DESAFÍOS TECNOLÓGICOS PARA LA
ENERGÍA EÓLICA. EL ENFOQUE
ACADÉMICO
Dr. Ing. Roberto Daniel Fernández
Facultad de Ingeniería
Dto. de Electrónica
Universidad Nacional de la Patagonia
San Juan Bosco
1

2. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
2

3. Introducción
• En 2001 "Hacia una estrategia europea de seguridad del
abastecimiento energético", de la Comisión Europea: "Si no se
toman medidas, en los próximos 20 a 30 años el 70% de la
energía de la Unión, en comparación con el 50% actual, serán
cubiertos por productos importados.”
• En términos geopolíticos, el 45% de las importaciones de
petróleo proceden de Oriente Medio y el 40% de gas natural, de
Rusia.
• Entre los objetivos que se que se persiguen son los de equilibrio
y diversificación de las diferentes fuentes de abastecimiento (por
productos y por región geográfica).
• El World Energy Council en 2050, el mix energético mundial
debería componerse de, al menos, ocho fuentes de energía
(carbón, petróleo, gas, nuclear, hidráulica, biomasa, eólica y solar)
ninguno con una participación del 30% del mercado.
• Reorganización de la red eléctrica tanto tecnológicamente como
en términos de mercado.
• La integración de las energías renovables y otras fuentes de
energía distribuidas en los sistemas de generación existentes y los
futuros sistemas de energía eléctrica representa un reto
tecnológico enorme.
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4. Introducción. Redes
actuales
• Redes actuales (en el mundo): la
mayoría de la electricidad es generada
en grandes centrales eléctricas.
• Red pasiva.
• Flujo de potencia en una sola
dirección.
La mayoría de los países europeos han comenzado a liberar el mercado de la
electricidad. Múltiples gestores de redes de transmisión (TSO´s) y
operadores de redes de distribución (DSO´s), participarán de una red
eléctrica transparente con el gobierno como ente regulador.
Este escenario permitirá un aumento de la penetración de las fuentes de
energía renovables y otra generación distribuida (DG) junto a un papel activo
de los DSO´s en el control de la estabilidad de la red, optimizando las
potencias centrales y distribuidas de la red, interconexión, etc. 4

5. Introducción. Redes
futuras
TIC´s y electrónica de potencia transformarán a la red
eléctrica existente en una red inteligente.
Las redes activas se conciben como una posible evolución
desde las redes de distribución pasivas. Técnica y
económicamente pueden ser la mejor manera de facilitar la
generación distribuida.
La estructura de este
modelo es modular en
comparación con las
conexiones actuales
lineales/radiales.
Pequeñas áreas (locales)
de control y servicios del
sistema basado en la
conectividad.
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6. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eólicas más empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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7. Energía eólica
7

8. Energía eólica
8

9. Aerogeneradores
Velocidad fija. Rotor
bobinado
Jaula de ardilla
(Clase C)
(Clase A)
Vel variable.
Sincrónico
(Clase D)
Aerogeneradores de velocidad variable pueden manejar potencia
reactiva de manera independiente. Aerogeneradores vel fija emplean
FACTS
9

10. Aerogeneradores
de velocidad variable
Generadores de rotor
bobinado (DFIG) y
sincrónicos: el control
vectorial permite manejar
las potencias activa y
reactiva de manera
independiente
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11. Aerog. de vel. variable
y fija
Aerogeneradores de La velocidad del viento
velocidad variable pueden cambia
seguir el óptimo.
Maximización de la potencia
generada
Aerogeneradores de
velocidad fija dependen
del resbalamiento.
Estrategia cuasi óptima
Ω inicial Ω final
Velocidad variable
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12. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eólicas más empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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13. Conexión de las granjas.
Requisitos.
Además de los requerimientos para las máquinas
eléctricas convencionales, cortocircuito, falta de fase, re
cierre, etc., se tienen:
Rangos de frecuencia y de tensión
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14. Conexión de las granjas.
Requisitos.
Requisitos de operación
durante y después de una
falla: debe permanecer
conectada durante fuertes
fallas de tensión (conocidas
como FRT: fault ride
through o huecos de
tensión).
Modelado y verificación de
las granjas eólicas.
Comunicaciones y control
externo: se deben
proporcionar varios
parámetros importantes.
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15. Potencia activa
Control de potencia activa:
• Rampas de crecimiento acotadas.
• Capacidad para llevar a cero la generación
de manera rápida.
• Limitación a la potencia generada
disponiendo de mayor potencia en el viento.
• Control delta.
• Control de frecuencia.
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16. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
–Control supervisor.
–Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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17. Control supervisor
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18. Control de granjas eólicas
18

19. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
–Modelos de granjas.
–Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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20. Estrategias de control
propuestas.
Por qué controlar a las granjas eólicas?
Valores normales de las variables eléctricas (frec y tensión).
Variabilidad del recurso eólico.
Red eléctrica intrínsecamente variable.
Estabilidad de un sistema de potencia: la capacidad de
mantener un estado de equilibrio de operación bajo
condiciones normales de funcionamiento y mantenerse en
un estado aceptable de equilibrio después de una
perturbación.
Es posible demostrar cómo las granjas eólicas pueden
contribuir a la estabilidad de la red de la cual forman parte.
20

21. Aerog. de vel. variable
y fija
La velocidad del viento
Propuesta de Control cambia
Pwf = PSC + ΔPe(Δf ) ,
ΔPe(Δf ) = KΔf ó
&
ΔPe(Δf ) = KΔf + K d Δf
0 ≤ Pwf ≤ Pto
Posibilidades de control de potencia activa de las granjas:
Maximizar la potencia generada
Mantener la potencia constante
Control de frecuencia
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22. Aerogeneradores de
velocidad “casi” fija
•La velocidad no puede
cambiar
instantáneamente. Es la
única máquina que
presenta efecto inercial.
Condición •En el aspecto dinámico,
inicial el transitorio (segundos),
V=cte los SCIG siempre
aportan potencia
adecuadamente
respecto del cambio de
frecuencia.
Ω inicial Ω final Ω casi constante
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23. Control de
potencia reactiva
En general:
Los cambios de potencia activa no producen cambios
apreciables en la magnitud de las tensiones.
Los cambios de potencia reactiva producen cambios
apreciables en las tensiones.
Posibilidades de control de potencia reactiva de las
granjas (Los aerogeneradores de velocidad constante
requerirán de dispositivos tipo FACTS):
Factor de potencia unitario.
Factor de potencia especificado.
Control de tensión. Qwf = KΔV ;
− S 2 − Pwf ≤ Qwf ≤ + S 2 − Pwf .
2 2

24. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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25. Aplicación del control
de potencia activa propuesto
Análisis comparativo:
SCIG (jaula de ardilla)
DFIGcp (potencia cte.)
DFIGfc ΔPe = KΔf ,
DFIGfc+d ΔP = KΔf + K Δf &
e d
Oscilación inter área

26. Resultados de
simulación
Se verifican mejoras
para las acciones de
control propuestas.

27. Osc. inter e intra área
Oscilaciones inter área:
comportamiento
coherente de todas las
máquinas de un área
frente a otra área.
Oscilaciones intra área:
representadas por las
oscilaciones entre
máquinas de una misma
área.
Casos de estudio:
– DFIGcp: pot cte
– DFIGfc: control de
frec Se considera una perturbación
– DFIGfcvc: control frec en el bus 1 de 40 MW. En cada
y tensión bus la carga es de 150 Mw.

28. Oscilación intra área
Con las acciones de control
se produce la mejora del
comportamiento de las
variables
La oscilación inter área
presenta resultados similares

29. Respuesta completa.
Inter más intra área
El lazo de potencia reactiva
degrada, levemente, el perfil
de la frecuencia. Es
necesario evaluarlo en
detalle.

30. Efecto del control
de potencia reactiva
ÚNICAMENTE
Desmejora la
frecuencia
Mejora el
perfil de la
tensión
El
esfuerzo
de control
es bajo

31. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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32. Técnicas de control
no lineal
Dada la creciente complejidad de los sistemas de
potencia, resulta apropiado estudiar y determinar otras
leyes de control a los efectos de prever fenómenos
altamente no lineales.
Se torna necesario desarrollar leyes de control que,
teniendo en cuenta la naturaleza no lineal de los sistemas
de potencia permitan operar a las granjas eólicas en un
amplio rango de funcionamiento y en presencia de fuertes
perturbaciones de red.

33. Empleo de las func.
de Lyapunov
Las funciones de Lyapunov son las funciones de
energía de cualquier sistema.
Si es que, a partir del control, se puede “armar” una
función con el punto de mínima energía en el
equilibrio deseado, entonces el sistema es estable.
Una función de Lyapunov, ampliamente utilizada,
para los sistemas de potencia es:
( )
~ 2 − P δ + ⎛ P θ + QLk dV ⎞,
NG NL
~ ~
ν =∑ 0.5 M k ω k Mk k ∑ ⎜ Lk k ∫ V k ⎟
⎜ ⎟
k =1 k =1 ⎝ k ⎠
Restricciones: las cargas activas son del tipo constante y
las conductancias de las líneas de transmisión se deben
despreciar.

34. Propuesta de control.
Potencia reactiva
&
~
si Pwf = K aθ wf , con K a > 0 ⇒ ν& < 0, acción proporcional ,
&& ⎞ 2 ~
&
⎛θ ⎟ θ ⇒ ν& < 0, acción proporcional con ganancia variable,
~
si Pwf = K a ⎜ wf
⎝ ⎠ wf
Qwf =K
d 2
dt
( )
Vwf con K > 0 ⇒ ν& < 0.
La acción de control de la potencia reactiva implica
considerar el comportamiento de la granja como una
capacidad variable.
La acción para la potencia activa es la propuesta para el
análisis lineal.
Existe un efecto inercial, acción derivativa, aunque dentro de la
acción proporcional.

35. Control por pasividad.
(Lo que se está estudiando)
Permite realizar el tratamiento no lineal de los sistemas
eléctricos incorporando la mayor generalidad posible.
Se puede obtener la Función de Lyapunov del sistema desde
los cálculos.
Conceptualmente es sencilla:
- energía entregada = energía almacenada + energía
disipada,
- se puede extraer una cantidad finita de energía,
- sin control, el efecto disipativo hace que el sistema se
detenga en el punto de mínima energía.
Matemáticamente es, relativamente, complicada.
Pueden requerirse la medición de variables o inaccesibles o
difíciles de obtener como el valor de una tensión luego de un
cortocircuito. Esto, obviamente, es imposible de saber, luego
se deben considerar las restricciones de la ingeniería y
replantear el problema.

36. Índice
Introducción
Tipos de máquinas eléctricas empleadas en los
aerogeneradores modernos y sus características.
Requerimientos de conexión. Tendencias.
Estrategias de control propuestas.
Dinámica de los sistemas de potencia con aporte
eólico. Técnicas de control lineal.
Empleo de técnicas de control no lineal.
Conclusiones.
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37. Conclusiones
• Independencia geopolítica.
• Necesidad de una generación distribuida para el ingreso a los
sistemas eléctricos de las energías renovables.
• Entre las tecnologías necesarias para hacer estos conceptos, las
TIC’s y la electrónica de potencia juegan un papel importante
(conversión de electricidad por equipos electrónicos de potencia).
•TIC´s permitirán el manejo inteligente de las redes eléctricas
mientras que los convertidores electrónicos de potencia serán los
músculos que permitan y garanticen un trabajo adecuado y seguro
de la red.
• El desafío es darle una mayor inteligencia en la gestión de flujo
de potencia posibilitando una red estable con gran número de
pequeños y medianos generadores dispersos conectados.
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38. Conclusiones
Control de granjas eólicas: contribuir a la estabilidad de la red
frente a perturbaciones externas y para evitar perturbar a la red
con la variabilidad del viento.
La red eléctrica es intrínsecamente variable.
Estabilidad.
Aporte para los aerogeneradores de veloc. fija y leyes de control
a los de velocidad variable. Leyes de control de la potencia
reactiva.
Conflictos entre controles. Posible “acoplamiento” en algunos
casos.
Leyes de control no lineales para las potencias activa y reactiva.
Permiten asegurar el funcionamiento de la red eléctrica en
condiciones de grandes perturbaciones (gran señal).
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39. A futuro
Se busca contribuir a la estabilidad de las redes eléctricas
con herramientas matemáticas avanzadas como la
pasividad.
Se están estudiando los controles de paso de las palas de
los aerogeneradores. Se buscan aplicar otras herramientas
como el denominado control predictivo.
Se están evaluando los comportamientos de las máquinas
eléctricas frente a los huecos de tensión y la manera de
superarlos.
Se están diseñando aerogeneradores de baja potencia.
Se va a instalar el Dornier para generación en el predio de
la Universidad y para desarrollo de la electrónica de
potencia. Implementación de TIC’s para el control
inteligente.
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40. DESAFÍOS TECNOLÓGICOS PARA LA
ENERGÍA EÓLICA. EL ENFOQUE
ACADÉMICO
MUCHAS GRACIAS
Facultad de Ingeniería
Dto. de Electrónica
Universidad Nacional de la Patagonia
San Juan Bosco
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