Los ingenieros de Hydro-Québec utilizan Simulink® y Simscape Electrical™ para modelizar y simular turbinas eólicas individuales y parques eólicos completos. Utilizan Simulink Coder™ para generar código, que incorporan a Hypersim, el entorno de simulación multiprocesador de Hydro-Québec.
«Modelamos sistemas de control, máquinas, electrónica de potencia y sistemas de medición», explica Richard Gagnon, investigador del Institute de Recherche d’Hydro-Québec. «Al generar código C a partir de estos modelos, podemos utilizarlos con Hypersim para estudiar la integración de nuevos parques eólicos en las redes del sistema eléctrico».
El Reto
Hydro-Québec debe determinar la cantidad de equipos, como los compensadores estáticos de VAR (SVC), que serán necesarios cuando se conecten nuevos parques eólicos al sistema eléctrico. «Sin modelos precisos, corremos el riesgo de instalar equipos innecesarios por valor de millones de dólares o de no disponer de los equipos necesarios para cumplir nuestros objetivos de fiabilidad y producción», afirma Denis Laurin, director de innovación tecnológica de Hydro-Québec TransÉnergie.
Para obtener resultados de simulación precisos, Hydro-Québec necesitaba modelar no sólo la estabilidad transitoria, que tiene en cuenta los fenómenos electromecánicos, sino también los transitorios electromagnéticos (EMT). Los modelos EMT permiten a los ingenieros comprender la interacción dinámica entre los modos eléctricos de la red y las centrales eólicas.
Hydro-Québec necesitaba modelar el sistema de control y la potencia de salida de una sola turbina, simular las 70-100 turbinas de un solo parque eólico para validar un método de agregación para modelar los parques eólicos, y luego simular la interacción de los parques eólicos con la red del sistema eléctrico.
Los ingenieros de Hydro-Québec modelaron turbinas individuales y parques eólicos completos utilizando MATLAB®, Simulink y Simscape Electrical; generaron código a partir de los modelos con Simulink Coder; y utilizaron este código en su entorno multiprocesador para evaluar el rendimiento del parque eólico en el contexto del sistema eléctrico en su conjunto.
La Solución
Los ingenieros construyeron modelos de turbinas eólicas en Simulink utilizando generadores, convertidores, condensadores, filtros de armónicos y otros bloques de electrónica de potencia de Simscape Electrical. También construyeron modelos en Simulink de los sistemas de control del generador.
Para estudiar la estabilidad, Hydro-Québec simuló la mecánica de la turbina utilizando un modelo de sistema de dos masas en Simulink que tenía en cuenta el cabeceo de la pala y los efectos de torsión, entre otros detalles.
Los ingenieros de Hydro-Québec montaron un modelo en Simulink de un parque eólico completo, compuesto por 73 modelos de turbinas individuales y la red de colectores que las une.
Utilizando Simulink Coder, el equipo generó código C a partir de sus modelos Simulink y Simscape Electrical, que ejecutaron en el entorno de simulación Hypersim de Hydro-Québec en un superordenador de 32 procesadores.
En el entorno en tiempo real , el equipo realizó cientos de simulaciones con distintas condiciones de funcionamiento, velocidades del viento y escenarios de fallos.
Los resultados de la simulación confirmaron que su modelo de parque eólico agregado y el modelo de parque eólico completo producían la misma tensión y corriente en el punto de acoplamiento común entre el parque eólico y el sistema eléctrico.
A continuación, los ingenieros realizaron simulaciones en las que los parques eólicos se integraban con el sistema eléctrico para evaluar las necesidades de equipamiento y valorar el cumplimiento de la normativa. Utilizaron el software PSS®E de Siemens para verificar el cumplimiento de la estabilidad transitoria y las herramientas de MathWorks para construir modelos EMT robustos y precisos.
Hydro-Québec está utilizando los resultados de las simulaciones para orientar la planificación de nuevas centrales eólicas que añadirán 4.000 megavatios de capacidad a su sistema eléctrico.
Los Resultados
- La velocidad de simulación aumentó hasta el tiempo real. «Antes, completar una simulación sencilla de unos pocos segundos para las turbinas conectadas a un gran sistema eléctrico llevaba horas», dice Laurin. «Ahora podemos completar complejas simulaciones de EMT para parques eólicos enteros en segundos, obteniendo una velocidad de simulación en tiempo real para parques eólicos agregados conectados al mismo gran sistema de energía».
- Predicción precisa de las necesidades de los equipos. «Utilizando nuestras herramientas de simulación de la estabilidad con modelos basados en Simulink y Simscape Electrical de referencia, pudimos simular la integración de los parques eólicos en el sistema eléctrico y determinar con mayor precisión la cantidad de compensación dinámica en derivación necesaria», dice Laurin. «Cuando nuestras simulaciones muestran que podemos operar de forma fiable con un solo SVC menos, Hydro-Québec ahorra millones».
- Simulaciones dinámicas. «Con las herramientas tradicionales, no podíamos estudiar la interacción entre la capacitancia en serie y la planta eólica», señala Gagnon. «Los modelos de parques eólicos agregados de EMT nos permitieron realizar estudios de sistemas de energía a gran escala, como la interacción entre la compensación en serie y los parques eólicos».
Hydro-Québec es el autor de Simscape Electrical.
