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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Industrial
Respuesta del generador asíncrono ante huecos de tensión
Autor:Miguel Ángel Sepúlveda González Tutor:Joaquín Eloy-García Carrasco Leganés, a 30 de Marzo de 2009
AGRADECIMIENTOS  En primer lugar a todas las persones que han participado directamente en este trabajo, a mi tutor Quino, a los profesores Santiago Arnaltes, Jose Luis Rodríguez, Miguel Montilla y personal de las empresas Wind to Power System y Energy to Quality. En segundo lugar a todos mis compañeros y amigos de la Universidad Carlos III de Madrid, en especial a Pedro, Juan, Jorge, Javi, Luís, María Luz, David, Ana, Ángel, Simón, y todos aquellos que por ser yo persona no recuerdo, pero que llevo conmigo siempre. Y en especial a mis padres, hermanos, amigos y todos aquellos que me han tenido que soportar todos estos años.  A Cecilia no solo se lo agradezco, sino que le dedico el trabajo, la carrera y la vida.
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UN POCO DE HISTORIA  
Durante el invierno de 1887-88, Charles F. Brush construyó la primera turbina eólica para generación eléctrica operada de forma automática. Se trataba de un gigantesco molino, el mayor del mundo, cuyo rotor tenía 17 m. de diámetro y constaba de 144 palas de madera. La turbina funcionó durante 20 años. A pesar de su tamaño, la potencia generada alcanzaba apenas 12 kW debido a la baja velocidad de rotación de las palas. Años después, el danés Poul La Cour descubría que las turbinas compuestas de unas pocas palas con grandes velocidades de giro eran mucho más eficientes para la producción de electricidad. Fragmento extraído de www.windpower.org
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ÍNDICE 1. Introducción............................................................................................................... 6 1.1 Antecedentes........................................................................................................... 71.2 Objetivos................................................................................................................. 81.3 Estructura del trabajo.............................................................................................. 92. Los huecos de tensión.............................................................................................. 102.1 Introducción.......................................................................................................... 11 2.2 Caracterización de los huecos de tensión ............................................................. 122.3 Origen de los huecos ............................................................................................ 132.3.1 Análisis de la red eléctrica ante huecos trifásicos ......................................... 14 2.3.2 Huecos desequilibrados ................................................................................. 183. El generador asíncrono. Modelado y control........................................................... 213.1 Introducción.......................................................................................................... 223.2 Ecuaciones en régimen dinámico de la máquina asíncrona ................................. 253.2.1 La transformación de Park............................................................................. 25 3.2.2 Modelo dinámico del generador asíncrono ................................................... 263.3 Control vectorial del generador asíncrono doblemente alimentado ..................... 283.3 Control vectorial del generador asíncrono doblemente alimentado ..................... 293.3.1 Aspectos sobre la orientación de los ejesd-q 30 ............en el control vectorial
3.3.2 Bases del control vectorial. Control independiente dePyQ........................ 31 3.3.3 Limitación de las corrientes de consigna....................................................... 32 3.3.4 Lazo de corriente ........................................................................................... 37 3.3.4 Sistema de control completo.......................................................................... 404. Inicialización y validación de los modelos de simulación ...................................... 434.1 Introducción.......................................................................................................... 444.2 Generador asíncrono de jaula ............................................................................... 444.3 Generador asíncrono doblemente alimentado ...................................................... 485. Resultados................................................................................................................ 53 5.1 Introducción.......................................................................................................... 54
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5.2 Generador asíncrono de jaula ............................................................................... 565.3 Generador asíncrono doblemente alimentado ...................................................... 645.4 Respuesta de generadores reales ante huecos de tensión ..................................... 746. Conclusiones............................................................................................................ 776.1 Síntesis.................................................................................................................. 786.2 Conclusiones......................................................................................................... 796.3 Líneas futuras ....................................................................................................... 797. Bibliografía.............................................................................................................. 80Anexo ............................................................................................................................. 83
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1. Introducción
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1.1 Antecedentes  Desde que en 1888 Charles F. Brush desarrollara la primera turbina eólica de generación eléctrica los aerogeneradores han experimentado un extraordinario desarrollo, en especial durante los últimos 30 años, pasando de ser una mera curiosidad técnica a acaparar una importante cuota en la producción de electricidad. Como ejemplo, durante el año 2008 la potencia total instalada en España alcanzó un valor de 16740 MW siguiendo una tendencia proveniente de años atrás, tal y como se observa en la Fig 1.1:
Fig 1.1. Evolución de la potencia eólica total instalada anual y acumulada en España. Fuente: Asociación Empresarial Eólica, [18]  La importancia de la generación eólica en el sistema eléctrico europeo, y en particular en el español, radica en que se ha llegado a unos niveles de cobertura de la demanda en los que se hace necesario el control y aseguramiento de la producción con el fin de mantener la estabilidad de la red. Así, el 22 de Noviembre de 2008 se produjo el record de cobertura de la demanda en el sistema español, con el 46% de la generación total de electricidad del sistema producida por energía eólica, equivalente a 9253 MW de potencia.  Como es bien sabido, en todo momento debe existir un compromiso entre la generación de electricidad y la demanda, bajo peligro de caer en desequilibrios que llegarían a provocar un colapso del sistema. Este es el caso del suceso ocurrido el 4 de noviembre de 2006 en la red eléctrica alemana, incidente que provocó la mayor parada de producción eléctrica de la historia de España, perdiendo en pocos segundos 3300 MW de potencia, el equivalente al 12% del consumo nacional. De estos 3300 MW, el 15% correspondieron a la desconexión de red de la central de ciclo combinado de Arcos de la Frontera. El resto de potencia, el equivalente a unas tres centrales nucleares a pleno rendimiento, fue el resultado de la desconexión de miles de pequeñas turbinas eólicas en toda la geografía española [19].  Hechos como el anterior han propiciado la creación de estudios y nuevos procedimientos con el fin de asegurar la estabilidad de la red [14]. Uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta en cuanto a la problemática de la generación eólica es la respuesta de estos generadores ante huecos de tensión. Un hueco de tensión es una
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disminución brusca de la tensión hasta un nivel dado seguido de un rápido restablecimiento, y puede ser provocado por una mala operación, cortocircuitos accidentales, arranque de grandes motores, conexión de transformadores, etc. Como ejemplo ilustrativo, a continuación se muestra la perdida de generación eólica provocada por dos faltas en una subestación:
Fig 1.2. Pérdida de generación eólica provocada por dos fallos en subestación. Fuente: Red Eléctrica de España [20].  Aunque parezca un fenómeno aislado, cada día, y varias veces al día, ocurren caídas en la tensión que podrían provocar este desequilibrio entre generación y demanda, por lo que muy frecuentemente aparece nueva normativa que cumplir por estos pequeños productores. En este proyecto se pretende describir las razones por las que los generadores asíncronos, que forman la mayor parte de la tecnología empleada en aerogeneración, desconectan como respuesta a una perturbación en la tensión como es un hueco.
1.2 Objetivos  El objetivo principal de este trabajo es describir, de la manera más exacta posible, la respuesta de los generadores asíncronos ante un hueco de tensión. En este sentido, se dividirá la familia asíncrona en los dos subgrupos que la forman: generadores asíncronos de jaula de ardilla y generadores asíncronos doblemente alimentados. Provocar un hueco de tensión a una máquina asíncrona no es en absoluto recomendable, pudiendo llegar a ser un ensayo destructivo. Por esto, en este trabajo se crearán modelos de simulación de este tipo de máquinas con la herramientaMatlab
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