Sincronizacion y Conexion de Generadores
a la Red Electrica

Generadores Sincronos · Energia Eolica · Biomasa · Sistemas Fotovoltaicos

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Requisitos de Sincronizacion del Generador Sincrono

Para conectar un generador sincrono a la red electrica, se deben cumplir cuatro condiciones simultaneas en el instante de cierre del interruptor de acoplamiento. El incumplimiento de cualquiera genera corrientes transitorias destructivas y pares mecanicos excesivos.

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Igualdad de Voltaje

|Vgen| = |Vred|

Controlado por el AVR (Regulador Automatico de Voltaje) ajustando la corriente de excitacion If. La diferencia maxima tolerable es tipicamente ≤ 5%.

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Igualdad de Frecuencia

fgen = fred

f = (n · P) / 120
donde n = RPM, P = numero de polos. La diferencia maxima admisible: Δf ≤ 0.067 Hz.

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Secuencia de Fases

ABCgen = ABCred

Verificacion mediante lamparas de sincronizacion (metodo de luminiscencia oscura/brillante) o mediante secuencimetro. Error genera par inverso.

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Angulo de Fase

δ = 0° en el instante de cierre

Verificado con sincronoscopio. La aguja debe estar en posicion de las 12 (cero grados) al cerrar el interruptor.

SYNC RAPIDO LENTO 180° fgen > fred fgen < fred SINCRONOSCOPIO

Diagrama del Sincronoscopio — Aguja en posicion 12 = Punto de sincronizacion (δ = 0°)

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Ecuaciones Fundamentales del Generador Sincrono

Potencia Activa
P = V · E · sin δ Xs [W]
Potencia Reactiva
Q = V Xs (E cos δ − V) [VAR]
Tension Interna (fasorial)
E = V + jXs · Ia
Par Electromagnetico
Te = 3 · V · E · sin δ ωs · Xs [N·m]
Velocidad Sincrona
ns = 120 · f P [RPM]
Nomenclatura del circuito equivalente: E = fem interna generada  |  V = tension terminal  |  Xs = reactancia sincrona  |  δ = angulo de potencia  |  Ia = corriente de armadura
~ E + − jXs Ia V (Terminal) Red CIRCUITO EQUIVALENTE DEL GENERADOR SINCRONO (POR FASE)
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Conexion de Aerogeneradores — Energia Eolica

DFIG — Generador de Induccion Doblemente Alimentado

  • Convertidor back-to-back en circuito del rotor (maneja ~30% de potencia nominal)
  • Estator conectado directamente a la red
  • Rango de velocidad variable: ±30% de velocidad sincrona
  • Control independiente de P y Q
  • Menor costo del convertidor (parcial)
  • Requiere caja multiplicadora

PMSG — Generador Sincrono de Imanes Permanentes

  • Convertidor full-scale AC→DC→AC
  • Desacoplamiento total generador-red
  • Mayor rango de velocidad variable
  • Toda la potencia pasa por el convertidor
  • Puede operar sin caja multiplicadora (direct-drive)
  • Mayor capacidad de soporte de huecos de tension (FRT)
Potencia Mecanica Extraida
Pmec = 1 2 · ρ · A · v3 · Cp
Coeficiente de Potencia
Cp = f(λ, β)  donde  λ = ω · R v
Limite de Betz
Cp,max = 16 27 ≈ 0.593
MPPT
Seguimiento del punto de maxima potencia variando ω del generador
VIENTO v (m/s) Nacela Torre Pala (Blade) Hub D = 2R
TURBINA EOLICA MULTIPLICADORA (Gearbox) GENERADOR DFIG / PMSG CONVERTIDOR AC-DC-AC TRANSFORMADOR Elevador RED ELECTRICA DIAGRAMA DE BLOQUES — SISTEMA EOLICO FLUJO DE POTENCIA →
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Conexion de Plantas de Biomasa

Las plantas de biomasa utilizan un generador sincrono convencional acoplado a una turbina de vapor mediante un ciclo Rankine. Al ser una maquina sincrona directamente acoplada, contribuye con inercia natural al sistema de potencia.

Sincronizacion y Control

  • Mismas 4 condiciones que generador convencional (V, f, secuencia, δ)
  • Control de potencia: regulacion de flujo de combustible → caldera → vapor → turbina
  • Respuesta inercial natural contribuye a estabilidad del sistema
  • Regulacion primaria: respuesta automatica del gobernador
  • Regulacion secundaria: AGC (Control Automatico de Generacion) restaura f al valor nominal

Parametros Caracteristicos

  • Estatismo (speed droop) tipico: R = 4-5% (0.04-0.05 p.u.)
  • Constante de inercia: H = 2-6 s
  • Tiempo de respuesta de caldera: 30s - varios minutos
  • Eficiencia del ciclo: 25-35% tipico
  • Potencia nominal: 5-50 MW tipico
Gobernador de Velocidad (Speed Droop)
Δf f0 = −R · ΔP P0
Constante de Inercia
H = Ecinetica Snominal [s]    tipico H = 2–6 s
DIAGRAMA DE BLOQUES — PLANTA DE BIOMASA (CICLO RANKINE) BIOMASA Combustible CALDERA Vapor TURBINA DE VAPOR GENERADOR SINCRONO TRANSFORMADOR Elevador RED ELECTRICA FLUJO DE ENERGIA TERMICA → MECANICA → ELECTRICA
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Conexion de Sistemas Fotovoltaicos con Inversores

TOPOLOGIA DE CONEXION — SISTEMA FOTOVOLTAICO PANEL FV DC CONV. DC-DC (Boost) BUS DC Vdc INVERSOR DC-AC FILTRO LCL Armonicos TRANSFORMADOR BT/MT RED ELECTRICA FLUJO: ENERGIA SOLAR → DC → DC (elevado) → AC → RED

Grid-Following (Seguidor de Red)

  • Se sincroniza mediante PLL (Phase-Locked Loop) con tension de red
  • Inyecta corriente controlada en fase con Vred
  • Requiere red energizada para operar
  • Modelo: fuente de corriente controlada
  • Ampliamente utilizado en generacion distribuida
  • No aporta inercia al sistema

Grid-Forming (Formador de Red)

  • Impone tension y frecuencia propias
  • Maquina Sincrona Virtual (VSM): emula inercia y droop
  • Puede operar en isla (standalone)
  • Modelo: fuente de tension detras de impedancia
  • Esencial para redes con alta penetracion renovable
  • Mayor complejidad de control
Potencia Activa (Inversor)
P = Vinv · Vred · sin δ Xfiltro
Potencia Reactiva (Inversor)
Q = Vinv · Vred · cos δ − V2red Xfiltro
MPPT — Perturbacion y Observacion (P&O)
Se perturba Vdc y se observa ΔP ΔV → si > 0, misma direccion; si < 0, invertir direccion
Proteccion anti-isla obligatoria segun normas IEEE 1547 / IEC 62116. Los inversores grid-following deben desconectarse ante perdida de red en un tiempo maximo definido por normativa. Los inversores grid-forming pueden mantener operacion en isla controlada si se habilita.
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Control de Potencia Activa y Reactiva

Curva Droop P-f

f = f0 − Rp · (P − P0)
f P f0 P0 pendiente = −Rp

Curva Droop Q-V

V = V0 − Rq · (Q − Q0)
V Q V0 Q0 pendiente = −Rq
DIAGRAMA DE CAPACIDAD P-Q DEL GENERADOR SINCRONO P Q SUBEXCITADO (absorbiendo Q) SOBREEXCITADO (inyectando Q) Limite termico de armadura (Ia) Limite excitacion maxima (calentamiento campo, If,max) Limite excitacion minima Limite de estabilidad Punto de operacion tipico REGION SEGURA 0 LEYENDA Limite termico de armadura (|Ia| = const) Limite de excitacion maxima (|If| = const) Limite de excitacion minima Limite de estabilidad en estado estable Punto de operacion tipico

Diagrama de Capacidad P-Q — Envolvente de operacion segura del generador sincrono

CONTROL JERARQUICO DE FRECUENCIA Y POTENCIA

Nivel Tipo Tiempo de Respuesta Alcance Funcion
Primario Gobernador / Droop 0 – 30 segundos Local (cada generador) Respuesta automatica proporcional; limita desviacion de frecuencia
Secundario AGC / LFC 30 s – 15 min Area de control Restaura frecuencia a valor nominal; corrige error de area (ACE)
Terciario Despacho Economico 15 min – horas Sistema interconectado Optimizacion economica; reprograma generacion al minimo costo