Contenido Generadores Eléctricos I. Convertidores Electrónicos

Los generadores síncronos de las centrales eléctricas convencionales (térmicas e hidráulicas) han dejado paso a sistemas de generación basados en convertidores electrónicos de potencia para extraer la máxima energía de recursos variables como el viento o la radiación solar.

La transición energética que se está produciendo en la mayoría de los países industrializados va a suponer una serie de retos motivados por la descarbonización de la generación eléctrica. En este escenario la integración de las energías renovables jugará un papel decisivo en los próximos años con ayuda de sistemas de almacenamiento de energía basados en tecnologías como el bombeo hidráulico, supercondensadores, volantes de inercia, baterías electroquímicas o pilas de combustible.

En este contexto de cambio de modelo energético se desarrolla este libro de Generadores Eléctricos. que se ha dividido en dos volúmenes. En el primero Convertidores electrónicos se aborda el estudio de las topologías y métodos de control de los convertidores electrónicos de potencia empleados en las instalaciones de generación renovable. El segundo volumen Máquinas Rotativas está dedicado al estudio de los generadores eléctricos de corriente alterna funcionando a velocidad variable, los cuales se emplean fundamentalmente en las turbinas eólicas y en las centrales hidráulicas de agua fluyente.

En este primer volumen se aborda el estudio de las topologías y métodos de control de los convertidores electrónicos empleados en las instalaciones de generación renovable. Para abordar las técnicas de control de estos convertidores, que son habitualmente trifásicos, se presenta la teoría de los vectores espaciales. En los dos capítulos finales se presentan los generadores fotovoltaicos y los sistemas de almacenamiento de energía.

Los contenidos se han distribuido en 5 capítulos. En el capítulo 1 se discute el concepto de generador eléctrico en el nuevo contexto energético. En el capítulo 2 se presenta la teoría de los vectores espaciales como paso previo para entender el control vectorial de los convertidores electrónicos. En el capítulo 3 se analizan los convertidores electrónicos de potencia. El capítulo 4 está dedicado íntegramente a los generadores fotovoltaicos. En el capítulo 5 se aborda el estudio de los sistemas de almacenamiento de energía y su impacto en las redes eléctricas.

En todos los capítulos se han introducido ejemplos numéricos de aplicación para ayudar al lector a cuantificar los conceptos presentados.

A lo largo del texto se utilizan magnitudes normalizadas para representar los modelos dinámicos. En particular, la representación en p.u. de las ecuaciones dinámicas del convertidor c.c/c.a es especialmente interesante para el control vectorial de este dispositivo.

CONTENIDO

1. Introducción

1.1. Definición de generador eléctrico
   1.1.1. Evolución tecnológica de las centrales eléctricas
1.2. Revisión histórica
   1.2.1. Generación eléctrica
   1.2.2. Teoría de los circuitos eléctricos
   1.2.3. Electrónica de potencia y accionamientos eléctricos
   1.2.4. Generación solar fotovoltaica
   1.2.5. Sistemas de almacenamiento de energía

2. Teoría de los Vectores Espaciales
        
2.1. Introducción
2.2. Vectores espaciales
   2.2.1. Campos magnéticos alternativos
   2.2.2. Campos magnéticos giratorios. Teorema de Ferraris
   2.2.3. Expresión matemática 2.3. Transformación de Clarke (abc/??0)
2.4. Transformación de Park (abc/dq0)
   2.4.1. Cambio de sistema de referencia
2.5. Componentes simétricas
   2.5.1. Impedancias de secuencia
   2.5.2. Redes de secuencia
   2.5.3. Faltas en sistemas de potencia
2.6. Potencia en sistemas eléctricos
   2.6.1. Régimen sinusoidal
   2.6.2. Régimen no sinusoidal
   2.6.3. Sistemas trifásicos equilibrados
   2.6.4. Sistemas trifásicos desequilibrados
2.7. Teoría de la potencia instantánea
   2.7.1. Potencia instantánea mediante vectores espaciales
   2.7.2. Teoría pq
   2.7.3. Filtros activos de potencia
2.8. Compensación selectiva de armónicos
   2.8.1. Sistemas trifásicos no sinusoidales
   2.8.2. Fasores dinámicos
   2.8.3. Filtrado de armónicos de un retocador de tiristores

3. Convertidores Electrónicos

3.1. Introducción
3.2. Fundamentos básicos
   3.2.1. Modulación de tensión en c.c.
3.3. Convertidores c.c./c.c.
   3.3.1. Topologías básicas
   3.3.2. Convertidores elevadores de una etapa
   3.3.3. Convertidores elevadores multietapa con interleaving
3.4. Convertidores c.c./c.a. de dos niveles
   3.4.1. Modelo del convertidor de dos niveles
   3.4.2. Modulación de ancho de pulso (PWM) sinusoidal
   3.4.3. Modulación vectorial
3.5. Convertidores multinivel
   3.5.1. Convertidor enclavado por diodos
   3.5.2. Convertidor con condensadores flotantes
   3.5.3. Convertidores en cascada
   3.5.4. Convertidores MMC con submódulos de medio puente
   3.5.5. Convertidores MMC con submódulos de puente completo
3.6. Control vectorial de convertidores
   3.6.1. Modelo dinámico
   3.6.2. Filtros de salida
   3.6.3. Seguidores de fase en lazo cerrado PLL
   3.6.4. Control orientado a la tensión de red
   3.6.5. Control de sistemas desequilibrados
   3.6.6. Control en red aislada
        3.7. Diagrama de límites de funcionamiento
   3.7.1. Límite de corriente
   3.7.2. Límite de tensión
3.8. Normativas de conexión a red
   3.8.1. Normativas de aplicación IEEE 1547 y UL 1741
   3.8.2. Normativas de aplicación IEC
   3.8.3. Principales ensayos de certificación
   3.8.4. Huecos de tensión

4. Generadores Fotovoltaicos
        
4.1. Introducción
4.2. Radiación solar
   4.2.1. Caracterización de la radiación solar
   4.2.2. Inclinación y orientación de los paneles
4.3. Célula solar fotovoltaica
   4.3.1. Tipos de células
   4.3.2. Curva I(V)
4.4. Modulo fotovoltaico
   4.4.1. Circuito equivalente
   4.4.2. Ajuste de parámetros
   4.4.3. Cálculo de la curva I(V)
   4.4.4. Variación de parámetros
   4.4.5. Condiciones de operación
4.5. Generador fotovoltaico
    4.5.1. Conexión serie
    4.5.2. Conexión paralelo
    4.5.3. Circuito equivalente
4.6. Seguimiento del punto de máxima potencia
     4.6.1. Método de perturbación/observación
     4.6.2. Método de la conductancia incremental
     4.6.3. Modelo dinámico y control MPPT
4.7. Protecciones eléctricas
     4.7.1. Zona de protección interna
     4.7.2. Zona de protección externa
     4.7.3. Protecciones anti-isla

5. Sistemas de Almacenamiento de Energía
        
5.1. Introducción
     5.1.1. El almacenamiento de energía en las re-des eléctricas
5.2. Tecnologías de los SAE
     5.2.1. Parámetros característicos
     5.2.2. Clasificación de los sistemas de almacenamiento
     5.2.3. Comparación de los sistemas de almacenamiento
5.3. Supercondensadores
     5.3.1. Características técnicas
     5.3.2. Modelo dinámico
     5.3.3. Estrategia de control
5.4. Volantes de inercia
     5.4.1. Elementos de un almacenador cinético
     5.4.2. Características técnicas
     5.4.3. Modelo dinámico
     5.4.4. Estrategia de control
5.5. Baterías electroquímicas
     5.5.1. Principio de operación
     5.5.2. Baterías comerciales
     5.5.3. Características técnicas
     5.5.4. Sistema de gestión de baterías (BMS)
     5.5.5. Modelo dinámico
     5.5.6. Estrategia de control
5.6. Pilas de combustible
     5.6.1. Principio de operación
     5.6.2. Modelo dinámico
     5.6.3. Electrolizadores
5.7. Aplicaciones de los SAE
      5.7.1. Regulación potencia-frecuencia
      5.7.2. Suavizado de potencia y control de rampas
      5.7.3. Laminación de picos
      5.7.4. Autoconsumo sin vertido a red
      5.7.5. Arbitraje
       5.7.6. Despacho firme de energía
       5.7.7. Ahorro de combustible