Uso dos Softwares TurbSim e FAST para a Simulação de Aerogeradores

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1 Uso dos Softwares TurbSim e FAST para a Simulação de Aerogeradores J. B. Cardoso, C. A. da S. G. Ribeiro, H. A. Pereira Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência Universidade Federal de Viçosa Viçosa, Brasil jason.cardoso@ufv.br, casgribeiro@gmail.com, heverton.pereira@ufv.br Abstract A crescente necessidade de energia, aliada à conscientização global para os problemas ambientais tem levado nas últimas décadas à crescente utilização de fontes renováveis. Entre as energias consideradas limpas, destaca-se a energia eólica. Antes de iniciar um projeto eólico é fundamental o estudo de algumas variáveis, como o potencial elétrico da região, a velocidade do vento, entre outros. Nessa perspectiva o presente estudo contempla uma ferramenta para o estudo da velocidade do vento. Para tal, será utilizado o programa TurbSim para gerar séries temporais de vento e o programa FAST para simular a dinâmica dos aerogeradores. Este trabalho visa simular um aerogerador de indução gaiola de esquilo, com potência de 1 MW utilizando os programas FAST, TurbSim e Matlab/Simulink. Além disso, a partir da resposta é realizado o estudo da qualidade da energia inserida na rede. I. INTRODUÇÃO O aumento vertiginoso da população do planeta, Figura 1, traz consigo uma maior degradação do mesmo. Um dos principais motivos para tal é a geração de energia a partir da queima do petróleo, resultando na emissão de CO 2, como visto na Figura 2. M. A. do N Nunes Universidade Federal do Ceará Ceará, Brasil marcos.nascimento83@gmail.com Figura 2 - Taxa de crescimento populacional, consumo de energia e concentração de CO2 na atmosfera (adaptada)[1]. Por essa razão, nas últimas décadas uma palavra que vem sendo muito difundida é sustentabilidade. Nessa perspectiva o setor elétrico busca formas de energia que não deteriorem o planeta. Entre as energias consideradas limpas, tem-se a energia eólica. Na Figura 3, disponível no relatório anual da WWEA World Wind Energy Association [2], nota-se o crescimento de tal energia, isso dada pela potência total instalada em GW no mundo desde 21, que de 24,3 GW passou 239, GW em 211. Figura 1 - Taxa de crescimento populacional [1]. Figura 3 - Potência Instalada no Mundo (adaptada) [2].

2 O passo inicial para fazer um projeto eólico é o estudo do potencial eólico da região. Esse requer trabalhos sistemáticos de coleta e análise de dados sobre a velocidade e o regime de ventos [3]. Isso porque há variações naturais do vento, como mostrado na Figura 4 [4]. Figura 4 - Espectro de van der Hoven (adaptado) [4]. Como esse é um dos principais parâmetros analisado no âmbito do setor eólico, este artigo apresenta ferramentas que viabilizam o estudo da velocidade do vento. II. METOLOGIA Para facilitar a abordagem das ferramentas utilizadas, essas serão expostas separadamente. Inicialmente tem-se o TurbSim, responsável por elaborar séries temporais de vento. Em seguida o FAST, através do qual será simulada a dinâmica do aerogerador. Por conseguinte é apresentada a estrutura de controle do ângulo da pá da turbina e o seu modelo matemático. Por fim, descreve-se o fenômeno da qualidade de energia, conhecido como inter-harmônicas. A. TurbSim O TurbSim é um software que foi desenvolvido pela NREL (National Renewable Energy Laboratory). Este programa é um simulador estocástico que gera uma série de dados contendo vetores da velocidade do vento [5]. Este software é disponibilizado gratuitamente no site da empresa [6]. Antes de executar o TurbSim pela primeira vez é necessário executar o arquivo CertTest. Este arquivo tem a finalidade de verificar se o programa foi instalado corretamente. Este programa é executado através do MS-DOS, em que o arquivo a ser executado possui a extensão.inp. Neste arquivo é usado RandSeed1 e RandSeed2 para a inicialização do PRNG (Pseudorandom Number Generator), onde são gerados os dados aleatórios. Os arquivos de saída são especificados no arquivo raiz. Neste local o usuário pode optar por diferentes formas de arquivos de saída. O que muda entre eles é a extensão, inserindo True se o usuário tem a intenção de extrair determinado arquivo e caso contrário False. Cada extensão de arquivo de saída possui uma comunicação com outras sub-rotinas, por exemplo, o TurbSim interliga-se com o AeroDyn através de arquivos com a extensão.bts, e a união entre o BLADED e o AeroDyn se dá com os arquivos com a extensão.wnd. Neste software existem oito modelos de turbulência, sendo que os parâmetros desses modelos indicam a intensidade com que a turbulência ocorre. Entre os modelos destacam-se dois: o IECKAI é o modelo IEC Kaimal que apresenta uma base empírica de turbulência atmosférica, porém não possui uma base teórica forte, e o modelo IECVKM, é o IEC Von Karman que descreve a turbulência em túnel de vento [5]. Na flag IECstandard, o usuário configura os dados referentes a norma da IEC 614 x, onde o x varia de 1 a 3, sendo que o valor 2 representa a escala para pequenas usinas eólicas e o valor 3 representa a escala para sistemas Offshore. No software pode também determinar a intensidade das turbulências com as categorias A, B e C, sendo A a mais turbulenta e C a menos turbulenta. No software é necessário entrar com os dados da altura onde será colocado o cubo, pois é nela onde se torna possível medir a velocidade média do vento total [5] [7]. B. FAST O FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence) é um software que foi desenvolvido pela NREL. Este programa é especifico para turbinas eólicas de eixo Horizontal de duas ou três pás [7]. Os códigos do FAST são compostos por: FAST2, que é o código para duas pás, o FAST3, que é o código para três pás e o código do AeroDyn, neste último que encontra as características para a turbina eólica. O programa FAST utiliza como entrada os vetores contendo a velocidade do vento gerado no TurbSim para modelar o comportamento mecânico da turbina. No FAST são modelados os tipos de turbinas, e em seguida na comunicação com o Simulink/Matlab, são inseridos o Gerador e a Rede Elétrica. Esse processo pode ser exemplificado na Figura 5. Figura 5 - Interligação dos programas [8]. Por fim, o FAST é um programa, que envolve toda a parte mecânica e elétrica do comportamento de uma turbina eólica. A comunicação entre o FAST com o Matlab ocorre através

3 do editor do último que irá fazer as leituras dos arquivos do FAST, em seguida é utilizado o Simulink que irá simular os parâmetros, através do compilador FAST_SFunc [5] [8]. Para inicializar a rotina o FAST utiliza-se dos vetores de velocidade do vento gerado pelo TurbSim. Neste software encontram-se alguns modelos de uma turbina eólica. O diagrama apresentado na Figura 6 ilustra como os arquivos do FAST são utilizados. Na pasta CertTest contém dois arquivos utilizados o Test1_AD.ipt, que são os arquivos gerados no TurbSim e o Test1.fst, que é as características físicas da turbina [5] [8]. polinomial visto em [9] [1]. E de (2) obtém-se a curva de x λ., = Sendo λ um fator dado por (3). 1 1 = Em que, o λ é a relação de velocidades, descrita por (4). (2) (3) λ= ω R V (4) Figura 6 - Modo de operação do FAST [8]. Neste programa seis corpos rígidos são usados (terra, nacele, base da nacele, armadura (referente ao gerador), ponto central e as engrenagens (responsável pelo aumento da velocidade)). Possuem disponíveis 15 (quinze) graus de liberdade (DOFs) que possibilitam caracterizar uma turbina: quatro para a flexibilidade da torre, um para a oscilação das pás, seis para a flexibilidade das pás, dois para a velocidade de rotação do gerador, um para o ângulo de guinada da nacele e um para o ângulo que a nacele faz com o eixo horizontal [7]. No arquivo principal deste programa deve fornecer algumas variáveis: Condição Ambiental, Condições Iniciais, por exemplo, a velocidade inicial, Configurações das turbinas, como tamanho raio, altura da torre, etc. C. Turbina O modelo da turbina eólica utilizado nesse trabalho é dado a seguir. A potência da mesma é apresentada em (1). = 1 2, Onde ρ é a densidade do ar, V a velocidade do vento, A é a área varrida pelas pás da turbina e (λ,β) é o chamado coeficiente de potência. Existem vários modelos para descrever o coeficiente de potência ( ), porém o mais usado é o modelo (1) D. Controle do Pitch A geração de energia eólica tem um custo relativamente alto, devem-se projetar as turbinas eólicas de modo torná-la mais barata. Sendo assim, elas são desenvolvidas para obter uma máxima potência, para uma dada velocidade de vento. Quando ocorre algum fenômeno natural, que mude a velocidade do vento é necessário que haja algum mecanismo que controle a potência gerada, assim evitando danos a máquina [11]. O controle da turbina eólica, com resposta dinâmica lenta, fornece sinais de referência tanto para o sistema pitch da turbina de vento como para controle nível de DFIG. Existem dois controles: Controle de velocidade e controle de potência. O controle de velocidade tem por objetivo controlar a velocidade do gerador durante ventos de altas velocidades. Este controle é feito através da alteração do ângulo de inclinação da turbina para evitar que a velocidade do gerador alcance valores acima do nominal[12]. O controle da máxima potência gera a referência de potência ativa para o circuito de controle. Este sinal de referência é determinado a partir da característica pré-definida, com base na velocidade medida do gerador. Esta característica é baseada em dados aerodinâmicos do rotor da turbina eólica e os seus pontos corresponde à aerodinâmica máxima eficiência [11] [12]. Para melhorar os resultados foi desenvolvido um controlador, Figura 7, que pudesse controlar o ângulo de passo, para isso utilizou-se (5) e (6) para determinar as constantes de e, em que o primeiro é o ganho integral e o segundo o ganho proporcional. Figura 7 - Controlador do Pitch.

4 = 3 (5) Onde K é rigidez da turbina, é a relação de transmissão, é a velocidade do rotor e é a função de sensibilidade, que é determinado através de uma interpolação do gráfico da Figura 8 [12]. Potência mecânica (W) 12 x 15 Gráfico de dp/dθ BetaxPot interpolação Ângulo de passo (rad) Figura 8 - Gráfico da determinação da função sensibilidade. =2ξ K i ω o (6) Em que ξé a razão de amortecimento e ω é frequência natural. Essas duas constantes foram obtidas de acordo[5], sendo ξ=.66 e ω =.6. E. Inter-harmônicas A análise, do ponto de vista da qualidade da energia, das respostas geradas pelo processo descrito permite verificar a presença de um distúrbio denominado inter-harmônicas. Para [13] defini-se inter-harmônica como um componente espectral de um sinal elétrico, com uma frequência entre duas frequências harmônicas consecutivas. Esta dinâmica descrita no presente artigo possibilita o estudo das inter-harmônicas originadas pela variação do vento. Para tal desenvolveu-se um script no Matlab a fim de avaliar o espectro da frequência da tensão e corrente injetadas na rede. F. Simulação Primeiramente foi realizada a montagem da turbina eólica no Simulink acoplada ao gerador, e os parâmetros destes foram adotados para uma geração de 1 Megawatt (MW) interligada à rede. Em seguida utiliza-se o TurbSim com as características de vento desejada. Uma vez a série gerada, usa-se o FAST para transmitir os dados do TurbSim para o Matlab. Para acoplar os dados vindos do FAST à turbina eólica fezse uso de um bloco existente no Matlab, chamado de Repeating Sequence Interpolated. A Figura 9 ilustra a configuração elaborada no Simulink. Figura 9 Esquema ilustrativo da configuração do projeto. Para esta simulação foram utilizados os seguintes dados para o gerador. Potência nominal 1MVA, tensão de linha 69 V, frequência 6 Hz, resistência e indutância do estator, respectivamente,.26 Ω, H, resistência e indutância do rotor, respectivamente,.31 Ω e.125 H, indutância mútua H, inércia kg.m^2, par de polos 2. III. RESULTADO Para obtenção dos resultados realizou-se simulações nos softwares Matlab/Simulink, TurbSim e FAST. Os ensaios foram obtidos com um tempo de simulação de 1s para todos os softwares, e no Matlab utilizou-se passo fixo. A Figura 1 apresenta os modelos de vento, a partir dos quais foram analisadas as respostas proporcionadas por eles. Neste gráfico notam-se duas curvas, uma constante com valor de 12 m/s, ou seja, não há variação do vento. A outra é uma série de vento gerada no TurbSim, na qual não tem uma dinâmica definida, sendo então vento variável. Velocidade(m/s) Velocidade do Vento Velocidade Constante Velocidade Variavel Figura 1 - Séries de ventos constante e variável O estudo dessas duas variáveis viabiliza um estudo aprofundado no controle do pitch, no coeficiente de potência, na relação de velocidade, assim como do ponto de vista da qualidade da energia gerada. A Figura 11 e Figura 12 ilustram a tensão e corrente, respectivamente, injetadas na rede para o caso com vento constante. Note que os sinais não possuem oscilações, ou seja,

5 o sinal de saída não contém ruído. Isso se deve ao fato de não haver variação do vento. 1 x 16 Potência de Saída 6 Tensão da Rede.5 4 Tensão(V) 2-2 Potência(W) Figura 11 - Sinal de saída da tensão, para vento constante Figura 13 - Potência Gerada vento constante. 1 Corrente do Estator.2 Análise das frequências contidas na corrente 8.18 Corrente(A) Magnitude(pu) Figura 12 - Sinal da corrente para vento constante. Pelo fato do vento se manter constante não há variação na potência de saída, como ilustrado na Figura 13, na qual se tem o valor nominal de 1 MW. Note que a potência leva em torno de,5 segundos para estabilizar. O estudo desses sinais no domínio da frequência permite concluir que não há sinais moduladores na onda resultante, como se observa na Figura 14 a qual representa o espectro da corrente Frequência(Hz) Figura 14 - Harmônicos para velocidade constante Para o segundo caso, no qual é considerada a variação do vento, é possível observar que a tensão na rede permanece sem variações, Figura 15. Já para a corrente observa-se uma distorção na corrente, como ilustrado na Figura 16, essa devido à variação do vento. Usando o intervalo de 2 a 3 segundos, observa-se o espectro de frequência da mesma nas Figura 16 Figura 17. Dessas nota-se que as ondas modulantes possuem frequências que variam de 55 Hz a 65 Hz.

6 6 4 2 Tensão da Rede Já na Figura 18 encontra-se a potência de saída do gerador para velocidade variável, pelo fato deste trabalho conter o controle do ângulo de passo (β) das pás, o gráfico da potência apresenta distúrbios na potência gerada, devido o mesmo levar algum tempo para atuar, mas o valor está próximo do almejado, que é 1 MW. Tensão(V) x 16 Potência de Saída Figura 15 - Sinal de saída da tensão, para vento variável. Potência(W) Figura 18 - Potência Gerada para velocidade variável. Magnitude(pu) Figura 16 - Sinal da corrente para vento variável. Análise das frequências contidas na corrente Frequência(Hz) Figura 17 - Harmônicos para velocidade variável. IV. CONCLUSÃO A construção de um parque eólico deve levar em consideração o perfil do vento local, pois o mesmo ajuda na escolha da melhor tecnologia de aerogerador. Os programas TurbSim e FAST proporcionaram o desenvolvimento de simulações mais realísticas e contribuem para um melhor entendimento de projeto de fazendas eólicas. Além disso, possibilita o estudo da qualidade da energia que está sendo gerada no parque. Nesse artigo mostrou-se um dos fenômenos inseridos na geração, o flicker. De posse desses, é possível projetar filtros que diminuam tal efeito. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a CNPQ, FAPEMIG e CAPES por eles nos oferecerem assistência e suporte financeiro. REFERENCES [1] INSTITUTE for Eletrical Engineering Efficient Energy Conversion, 26/27. Disponivel em: < [2] WORLD Wind Energy Association, 212. Disponivel em: < _content&task=view&id=345&itemid=43>. [3] AGÊNCIA Nacional de Energia Elétrica. Disponivel em: <

7 Energia_Eolica(3).pdf>. [4] SILVA, S. R. Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Disponivel em: < [5] JONKMAN, N. K. A. B. TurbSim User s Guide: Version 1.5. NWTC Design Codes. Colorado: National Renewable Energy Laboratory, Setembro 29. [6] NWTC Computer-Aided Engineering Tools (TurbSim by Neil Kelley, Bonnie Jonkman). Disponivel em: < />. Acesso em: 6 Agosto 212. [7] JR., J. M. J. A. M. L. B. FAST User's Guide. NREL National Renewable Energy Laboratory, Colorado, 25. [8] NUNES, M. A. D. N. Gerência de Especialista em Sistema Elétrico de Potência. Gesep, 211. Disponivel em: < Acesso em: 12 Maio 212. [9] MARQUES, J T185458Z- 1224/Publico/JEFERSON%2MARQUES.pdf. http: //cascavel.cpd.ufsm.br/tede/tde_arquivos/7/tde t185458z- 1224/Publico/JEFERSON%2MARQUES.pdf, 24. Acesso em: 14 Fevereiro 212. Documento retirado da pagina da web, tese de mestrado. [1] MENDES, V. F. Avaliaçãoo do Comportamento de um Sistema de Conversão de Energia Eólica Utilizando Gerador de Indução Duplamente Excitado Durante Afundamento de Tensão Equilibrado e Desequilibrado. Universidade Federal de Minas Gerais-UFMG. Belo Horizonte, p [11] PEREIRA, M. M. Um Estudo do Aerogerador de Velocidade Variável e Sua Aplicação para Fornecimento de Potência Elétrica Constante. Universidade Federal de Juiz de Fora. Juiz de Fora, p [12] HANSEN, M. H. et al. ieawind. /ris-r-15.pdf, 25. Disponivel em: < _Risoe/ris-r-15.pdf>. Acesso em: Julho 212. [13] Testing and measumerent techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto. International Electrotechnical Commission. [S.l.]. 22. BIOGRAFIA Jason Barbosa Cardoso Nascido em São Francisco, Brasil. Estudante de Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Viçosa, Brasil. Participou do grupo GESEP, onde desenvolveu trabalhos relacionados com geração de energia eólica. Atualmente, está no grupo de pesquisa NIAS, onde trabalha com Support Vector Machines (SVM). César Augusto da Silva Gonçalves Ribeiro Nascido na cidade de São Francisco MG. Ingressou no curso de Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Viçosa (UFV) em 29. Atualmente desenvolve atividades na área de qualidade de energia pela Gerência de Especialistas em Sistema Elétrico de Potência e Diretor Presidente da Empresa Júnior de Engenharia Elétrica dielétrica. Marcos Antonio do Nascimento Nunes Nascido na cidade de Campo Formoso - BA, 1983, ingressou no curso de Matemática na Universidade Estadual da Bahia (UNEB) em 23. Em 25 transferiu para o curso de Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Viçosa (UFV). Atualmente trabalha com Sistema Elétrico de Potência com ênfase em Energia Eólica na Universidade Federal do Ceará (UFC). Heverton Augusto Pereira Nascido em São Miguel do Anta, Brasil, em Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Viçosa - UFV, e mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP. Trabalhou na área de Riscos de Crédito do Itaú-Unibanco e atualmente é professor Assistente II do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Viçosa. Suas pesquisas estão relacionadas a Fontes Alternativas de Energia - Eólica e Solar, e também a Qualidade da Energia Elétrica.