Projeto de Controladores Digitais para Turbinas Eólicas à Velocidade Variável

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1 1 Projeto e Controlaore Digitai para urbina Eólica à Velociae Variável K. F. a Silva, UFBA/UNIFACS, M. A. Saiel, USP, S.R.Silva, UFMG Reumo Ete artigo apreenta um etuo o projeto e controlaore igitai para turbina eólica e ua relação com a qualiae a energia e itema e potência com a interligação e parque eólico compoto e turbina com geraore e inução uplamente alimentao. Nete ão utilizao no circuito o rotor, converore PWM, fonte e tenão, regulao em corrente, atravé o controle vetorial, para o controle inepenente a potência ativa e reativa o geraor. São analiaa a etratégia e controle igital uano o controle e velociae, e forma a maximizar a eficiência energética o conjunto turbina-geraor e a qualiae a energia geraa. Palavra-chave Central eólica, turbina eólica, controle e velociae, controlaore igitai, itema icreto, qualiae a energia. I. INRODUÇÃO O Brail é um o paíe com matriz e geração e eletriciae mai renovável o muno. Aproximaamente 71% a energia geraa no Brail avém e recuro hírico. Eta participação e fonte e energia renovávei aumentará aina mai em função o programa intitucional o governo para incentivar a expanão a geração e energia elétrica por fonte alternativa e energia (Proinfa), a exemplo a energia eólica. Atualmente já exitem 36MW e uina eólica em operação, aicionao a uma epectativa o Proinfa e mai 1.4MW e uina já autorizaa a ua contrução. Nete contexto, ivera emprea geraora etão e habilitano para a contrução e parque eólico, encaminhano à conceionária e energia elétrica a olicitaçõe para etuo e aceo e interligação à ree elétrica a mema, notaamente em regiõe remota one o itema elétrico ão mai fraco. A análie para a interligação e parque eólico à ree elétrica evem envolver etuo e curto-circuito, fluxo e potência, compenação e reativo, e também etuo inâmico que permitam avaliar o impacto na qualiae a energia a ree elétrica em função a particulariae operacionai o parque geraor com turbina eólica e eu iferente regime e vento [1]. Ete impacto na ree epenem principalmente a potência e curto-circuito no ponto e acoplamento comum K. F. a Silva é profeor a UFBA e a UNIFACS ( kfreire@unifac.br). M. A. Saiel é profeor a USP ( aiel@pea.up.br). S. R. Silva é profeor a UFMG ( elenio@cpee.ufmg.br). e a tecnologia utilizaa para a turbina eólica com ua repectiva etratégia e controle. Atualmente no muno, a tecnologia e turbina eólica operano à velociae variável é preominante, em função a maior eficiência energética reultante o controle a velociae a turbina para caa velociae o vento. Entre eta tecnologia à velociae variável etacam-e a turbina com geraor e inução em gaiola e com rotor bobinao (anéi) e a turbina com geraor íncrono, com excitação externa ou a ímã permanente. oa eta utilizam converore etático no etator ou no rotor. A turbina com geraor e inução em anéi, uplamente alimentao, apreenta como principal vantagem a utilização e um converor etático no rotor com potência nominal e cerca e 3 a 4% a potência nominal o geraor, poi proceará apena a potência e ecorregamento, e o acoplamento ireto o enrolamento o etator à ree elétrica, o que facilitará o eenvolvimento o itema e controle o conjunto turbina-geraor []. Em quaiquer a tecnologia citaa acima, o fatore mai importante para a qualiae a energia a ree elétrica com a turbina eólica interligaa e ua interação com a eficiência energética o conjunto geraor e energia ão a etratégia e controle aotaa e o repectivo ajute o ganho a ivera malha e controle, eja no nível o rotor eólico como no nível o geraor [3]. Ete artigo realiza uma análie a utilização a turbina com geraor e inução uplamente alimentao, num parque eólico e 19MW, compoto por 96 itema e converão e energia eólica (SCEE ) equipao com turbina e MW, 69V, 6Hz, a er interligao numa barra e 3kV a ree báica (fronteira CHESF COELBA) na ubetação e Bom Jeu a Lapa (BJLapa) cuja potência máxima e curto-circuito é e.43mva, ou aproximaamente 1 veze a potência o parque eólico, tornano ignificativo o impacto ete no funcionamento o itema elétrico e potência a conceionária. A interação o projeto o controlaore igitai a turbina e a qualiae a energia no itema e potência é o foco principal o trabalho. II. MODELO DO SISEMA ELÉRICO O moelo o SCEE com geraor e inução uplamente excitao (GIDE) ou oubly fe inuction generator (DFIG) e repectivo converore etático e potência no lao a máquina ou rotor (CLM) e no lao a ree elétrica (CLR), incluino o filtro elétrico intalao no circuito o rotor, para a turbina e MW foi eenvolvio e

2 implementao num programa em Matlab/Simulink. Nete, o itema elétrico e potência a conceionária foi repreentao em moelo equivalente reuzio e a 96 turbina o parque eólico foram agrupaa em conjunto e máquina equivalente ou em uma única máquina com inâmica equivalente, epeneno o objetivo o etuo (tranitório ou regime permanente o parque geraor eólico). Fig. 1. Sitema elétrico interligao A. Geraor e Inução Duplamente Alimentao (DFIG) O DFIG é compoto no circuito o rotor bobinao por oi converore etático, fonte e tenão (VSC), com barramento intermeiário e corrente contínua, enquanto o circuito o etator é conectao iretamente à ree elétrica. O converore poem operar no quatro quarante, como retificaor ou inveror, utilizano a moulação por largura e pulo (PWM), e forma que o enrolamento rotórico o geraor poam fornecer ou conumir potência ativa e reativa a ree elétrica. A técnica e controle vetorial permitem o controle eacoplao o fluxo e potência ativa e reativa, entre o enrolamento o etator / rotor e a ree elétrica. De forma a reuzir a potência nominal o converore etático, é mai comum operar a turbina com fator e potência unitário no converor o lao a ree (CLR), enquanto o fluxo e potência reativa entre o DFIG e a ree elétrica é too feito pelo etator, eno controlao pelo converor o lao o rotor (CLM) [4]. B. Moelo a urbina Eólica A turbina eólica realiza a converão a energia cinética o vento em energia mecânica. A potência extraível o vento pela turbina (P t ) é função a eniae o ar (ρ), a área e varreura a pá (A), a velociae o vento inciente (V w ) e o coeficiente e potência (C p ) que repreenta o renimento aeroinâmico a turbina [4]: 3 p ( ρ Pt C λ, β ).. A. V (1) w One (β) é o ângulo e pao a pá a turbina e (λ) é a velociae epecífica, que é a relação entre a velociae tangencial na ponta a pá e a velociae o vento inciente. O coeficiente e potência a turbina é função ete oi parâmetro e o moelo matemático para o cálculo ete coeficiente é ao por [1],[4]: C p 116 ( λ, β ),.,4. β 5. e λ i 1 1,35 λ +,8. β β λ i C. Moelo o Geraor e Inução 1,5 λi A máquina e inução é repreentaa utilizano a convenção motor, em coorenaa complexa, com o eixo e referência poicionao obre o vetor fluxo e etator ( ϕ r ), e o eixo q aiantao 9 grau em relação ao eixo [5]: r r r v R. i + ϕ + j. ω r. ϕ r r r vr Rr. ir + ϕr + j.( ω ω r r ). ϕr D. Repreentação o Sitema e Eixo Elático Para turbina eólica com tecnologia à velociae variável, utilizano a técnica o controle vetorial para a graneza o geraor, a ofiticação ete controle permite uma reação batante rápia, reuzino a influência a ocilaçõe torcionai no eixo e baixa velociae o acoplamento mecânico na graneza elétrica e mecânica a máquina, quano a realização e etuo e etabiliae eletromecânica por exemplo. Entretanto, para etuo e qualiae a energia no ponto e conexão, envolveno variaçõe e tenão e curta uração bem como a penetração e flicker, eta moelagem com eixo elático e torna extremamente importante. Aim, a equação mecânica a turbina é aa por [5]: J t. ωt mt t, one: mt orc + amort One orc é o torque e torção o eixo e baixa velociae a turbina e amort é o torque e amortecimento a ocilaçõe o itema elétrico. J t é o momento e inércia o rotor eólico. orc K mt θ. mt ω. K ω amort Dmt m t tr One K mt é a contante e elaticiae o eixo e baixa velociae; D mt é a contante e amortecimento o itema; θ mt é o ângulo e torção o eixo e baixa velociae; ω t e ω m ão repectivamente a velociae mecânica a turbina e o geraor. A equação mecânica o geraor e a equação inâmica o ângulo e torção ão aa por: J mt m. ωm e θ m mt ωt Ktr Ktr ω () (3) (4) (5) (6) (7) (8)

3 3 One J m é o momento e inércia o geraor e K tr é a relação e tranmião a caixa e engrenagen e acoplamento entre a turbina e o geraor. oo ete parâmetro para a turbina e MW etão relacionao no Apênice. III. CONROLE DE VELOCIDADE A etratégia e controle e velociae é implementaa ajutano-e continuamente a velociae a turbina em função a velociae o vento inciente, e forma a manter a velociae epecífica (λ) no valor ótimo. Com ito maximiza-e o coeficiente e potência a turbina e coneqüentemente a eficiência energética o conjunto geraor, para velociae e vento abaixo a nominal a turbina (1m/). O controle e velociae é realizao pelo converor o lao o rotor (CLM), utilizano-e o controle vetorial com o eixo e referência orientao no vetor fluxo etatórico. Como o etator o DFIG etá iretamente interligao à ree elétrica e potência, poe-e facilmente etimar ete vetor e fluxo etatórico implificano o algoritmo e controle. Conegue-e aim controlar e forma eacoplaa a corrente rotórica i r e i rq e conequentemente, a potência reativa o etator Q e a velociae mecânica o geraor ω m Para velociae e vento acima a nominal a turbina (1m/), eta última paa a operar na região e limitação e potência, atravé o aumento o ângulo e pao ( pitch control ), realizao pela malha e controle o ângulo e pao a pá. A velociae o geraor também é limitaa numa faixa egura e operação a máquina, tipicamente 13% a velociae nominal. Ete último controle é realizao atravé a corrente i rq o rotor, que coneqüentemente controla o torque eletromagnético o geraor, e forma eacoplaa em relação à magnetização a máquina A. Controle o Converor o Lao o Rotor (CLM) Para o projeto a malha e controle o CLM a eguinte equaçõe inâmica e eixo e q ão obtia [6]: σ. L r. irq + Rr. irq vrq vrqcomp vrq ' σ. L r. ir + Rr. ir vr + vrcomp vr ' One vr comp e vrq comp ão termo e tenõe a erem compenao com inai ireto na aía o controlaore e σ é o coeficiente e iperão e fluxo total a máquina [6]: (9) (1) v rcomp Lr. σ. ωe. irq (1 σ ). im Lm 1 L. Lr σ ; i ϕ m ; ωe ω ωr Lm Na equaçõe acima, i m repreenta a corrente e magnetização o fluxo o etator, eno que eta é obtia a partir a etimação ete fluxo. A eterminação o vetor fluxo o etator é funamental para a orientação o controle vetorial o geraor. A freqüência e chaveamento o converore PWM no circuito o rotor foi efinia em 5kHz. B. Controle Dicreto o Converor o Lao o Rotor (CLM) O projeto o controlaore icreto e corrente o rotor foi realizao a partir a função e tranferência o itema no omínio z, utilizano-e a técnica a invariabiliae a repota ao egrau unitário: G mo 1 e Ζ ,9. + 1,344 z,448,9989 Moelano-e o converor etático PWM, no lao o rotor, como um atrao e intervalo e amotragem e utilizano-e no fechamento a malha e controle um controlaor igital proporcional-integral (PI), ecreve-e a ua função e tranferência pulaa: K p.( z zc) K Gc one: i zc 1. K Para ete projeto o controlaore igitai, aotou-e o tempo e amotragem e 5µ, epecificano-e um coeficiente e amortecimento (ξ) e,8 e uma freqüência natural não amortecia (ω n ) e 3.15ra/ para o pólo ominante no plano z. Com ito reulta-e uma freqüência natural amortecia (ω a ) e 1.875ra/. Como a freqüência e amotragem é e khz, executa-e o proceo e amotragem 66 veze para caa ciclo completo e ocilação a repota a planta ao egrau unitário, ateneno-e ao recomenao e um mínimo e 1 amotra por ciclo completo a repota [6]. A topologia o controlaor PI igital implementaa no programa e imulação é apreentaa na Fig.. Oberva-e que ão incluío limitaore e forma a aturar a aía no valore máximo e mínimo a variável controlaa permitio para a operação egura o conjunto turbinageraor. p (1) (13) (14) (15).[ σ. i + (1 i ] v rqcomp Lr. ωe r σ ). m (11)

4 4 Boe Diagram Gm 7.75 B (at 1.16e+4 ra/ec), Pm 7.1 eg (at 5.54e+3 ra/ec) 5 Fig.. opologia o controlaor PI igital Magnitue (B) MG A malha e controle igital a corrente i rq é aa na Fig.3, one o termo e compenação a corrente o outro eixo (i r ) e a corrente e magnetização o etator (i m ) não ão conierao na inâmica a planta. Phae (eg) MF Frequency (ra/ec) Fig. 4. Repota em freqüência o itema igital Fig. 3. Malha e controle igital a corrente i rq Atravé a técnica e poicionamento o pólo ominante no plano-z, e garantino-e a etabiliae a malha, obteve-e a eguinte função e tranferência para o controlaor igital, eno o ganho proporcional K p,381 e o ganho integral K i 53,65: G c,381.( z,933) A função e tranferência e malha aberta reultante é aa por: G o,381.( z,933) 1.. z ( z,448,9989) (16) (17) A função e tranferência pulaa e malha fechaa é e 4 a orem, aa por:,171. z,1593 G mf 4 3 (18) z 1,9989. z +,9989. z +,171. z,1593 Eta função e tranferência, além o pólo complexo conjugao ominante o projeto, apreenta também um pólo real negativo (z-,3473), um pólo real poitivo (z,5888) e um zero real poitivo (z,935). O iagrama e repota em frequência o itema igital incluino a informaçõe e margem e ganho (MG1,7B), margem e fae (MF4,8 ), e repectiva freqüência aociaa ão apreentao na Fig.4. A largura e bana e malha fechaa foi e ω B 7.61ra/ (f B 1.1Hz). Eta freqüência poe er iretamente relacionaa com a repota tranitória (temporal), eno que quanto maior a largura e bana, mai rápia erá a repota tranitória, poeno comprometer entretanto a etabiliae o itema. No cao ete projeto, obteve-e margen e ganho e e fae aceitávei, reultano numa boa etabiliae relativa o itema para o tempo e repota temporai coneqüente. Malha e Controle e Velociae: Na etratégia e controle e velociae o conjunto turbina-geraor, mai externa à malha e controle a corrente rotórica e eixo q, projeta-e uma malha e controle e velociae, com uma freqüência e corte 1 veze menor [1], utilizano-e um controlaor PI igital. A função e tranferência a planta icretizaa é aa por: 1 e G( z) Ζ. 4,3547 4,77x z 1 A malha fechaa e controle igital a velociae é aa na Fig.5. Neta malha conierou-e ieal a malha mai interna, e controle a corrente i rq, em função eta er bem mai rápia, comparaa com a contante e tempo mecânica bem maiore. 7 Fig. 5. Malha fechaa e controle igital a velociae one: 3 Lm G1. p. L ϕ (19) () Atravé a técnica e poicionamento e pólo ominante, obteve-e a eguinte função e tranferência o controlaor PI igital, com o ganho proporcional K p ,18 e integral K i ,9:

5 5 G c ,18.( z,978) (1) G c,3643.( z,935) (4) Implementano-e o etuo e repota em freqüência o itema icreto em malha fechaa e também e repota tranitória ao egrau unitário, para o controle e velociae a máquina, oberva-e a preença e um zero e malha fechaa próximo à circunferência e raio unitário no planoz (z,978). Ito altera a repota tranitória eperaa, aociaa ao pólo ominante o itema e a orem típico, reultano em parâmetro e repota tranitória e e repota em frequência levemente iferente o valore epecificao no projeto o itema e controle, porém aceitávei. C. Controle Dicreto o Converor o Lao a Ree (CLR) O objetivo o converor o lao a ree elétrica (CLR) é manter a tenão o link CC (V cc ) contante, inepenente o valor e o entio o fluxo a potência o rotor. O controle vetorial foi utilizao, com o eixo e referência orientao na poição o vetor tenão e etator, o que permite o controle eacoplao a potência ativa e reativa fluino entre a ree elétrica e o converor o lao a ree (CLR). O converor PWM opera como uma fonte e tenão regulao em corrente, com a corrente e eixo uaa para regular a tenão o link CC (V cc ) e a corrente e eixo q uaa para regular o fluxo e potência reativa o CLR. Entretanto, e forma a reuzir a corrente harmônica injetaa pelo circuito o rotor na ree elétrica, um filtro LCL foi projetao conforme proceimento ecrito em [6], cujo parâmetro etão no Apênice. Aim, a partir a equaçõe inâmica para a corrente no CLR (i e i q ), utilizano-e o parâmetro reultante o filtro LCL e o tranformaor iolaor e rotor (R e L ), obtém-e a função e tranferência no tempo contínuo: G fo I( ) ,7 ( ). ' V ( ). L + R + 1,94 Epecificano-e o parâmetro e projeto a malha e controle a corrente i e i q : tempo e amotragem e 5µ, freqüência natural não amortecia (ω n ) e 3.15ra/, coeficiente e amortecimento (ξ) e,8 e uma freqüência natural amortecia (ω a ) e 1.875ra/, obtém-e a função e tranferência pulaa a planta: 1 e G( z) Ζ. 9.45,7, ,94 z,9995 () (3) Utilizano-e um controlaor igital PI no fechamento a malha e controle, obtém-e a eguinte função e tranferência o controlaor igital, com ganho proporcional (K p,3643) e integral (K i 56,37): Similarmente ao reultao obtio para o projeto e controle o CLM, obteve-e para o CLR uma margem e ganho e 1,7B, uma margem e fae e 4,7, e uma largura e bana (ω B ) e 6.41ra/, reultano em valore tecnicamente aceitávei. IV. RESULADOS DAS SIMULAÇÕES DIGIAIS Implementano-e o controlaore igitai projetao, conierano-e a turbina eólica e MW, 69V interligaa iolaamente ao itema e potência, apreenta-e a eguir o reultao para a imulação e uma rampa e vento e 8m/ para 1m/ num intervalo e 4 eguno: enao o Barramento CC (V) Potencia Ativa (MW) Etator Rotor otal empo () Real Referencia empo () Velociae Mecanica (rpm) Potencia Reativa (Mvar) Etator Rotor otal empo () Real Referencia empo () Fig. 6. Graneza o itema elétrico no tranitório Oberva-e no gráfico a Fig.6 o comportamento a potência ativa, influenciaa pela ocilaçõe torcionai o eixo elático urante o tranitório e vento, e etabilizano na potência geraa total e MW; a potência reativa e etator e rotor mantia nula pela etratégia e controle vetorial, operano-e o geraor com fator e potência unitário; a tenão o link CC (V cc ) mantia invariável em 1.4V (valor e etpoint ) e a aceleração a máquina bucano operar na nova velociae que maximiza a eficiência energética para o valor final o vento e 1m/. Na Fig.7 oberva-e o comportamento a tenõe na barra o itema elétrico quano a aplicação o tranitório e vento na uina eólica. Conclui-e portanto que o projeto o controlaore igitai proporcionou tenõe com pequena variaçõe, quano a aplicação e tranitório e vento, memo para a etratégia e controle e velociae que implica numa inâmica muito rápia a malha e controle o conjunto turbina-geraor.

6 6 enao na Barra o Sitema (pu) BJLapa 3kV Caetite 3kV Caetite 34,5kV Geraor 69V [3] Hanen, A.D., Iov, F., Sorenen, P., Blaabjerg, F. (4). Overall control trategy of variable pee oubly-fe inuction generator win turbine NWPC, Chalmer Univ. of ech. [4] Slootweg, J.G., Poliner, H.,Kling, W.L. (3). Repreenting win turbine electrical generating ytem in funamental frequency imulation, IEEE ran. on Energy Conv., Vol.18, N 4. [5] Kunur, P. (1993). Power Sytem Stability an Control, McGraw-Hill, USA. [6] Silva, K.F. a (6) Controle e integração e centrai eólica à ree elétrica com geraore e inução uplamente alimentao, Doutorao. ee. PEA, Univeriae e São Paulo, empo () Fig. 7. enõe na barra o itema elétrico V. CONCLUSÕES Conclui-e nete trabalho que o projeto o controlaore igitai para a ivera malha e controle que compõem o conjunto turbina-geraor, poe er utilizao e forma a obter-e uma melhor qualiae a energia o itema e potência com a uina eólica interligaa, memo utilizanoe a etratégia e controle e velociae. Eta etratégia maximiza a eficiência energética a uina eólica, apreentano entretanto inâmica muito rápia que poem implicar em elevao fluxo e potência ativa e reativa na ree, provocano problema na qualiae a tenõe. O artigo motrou que o controlaore igitai poem er projetao e forma a minorar ete efeito. VI. APÊNDICE abela 1: Parâmetro o geraor DFIG Parâmetro Valor/Uniae Pot. (P n ) / enão(v n ) / (f ) MW /69V /6 Hz Reitência (R ) e (R r ),381 Ω Inutância (L ) / (L r ) 1,9576 / 1,9448 mh Inutância mutua (L m ) 1,8944 mh Pare e pólo (p) Coef. e Elaticiae (K mt ),3pu /ra el. Coef. e Amortecimento(D mt ) 1,5pu Momento e Inércia (J m ) 59 Kg.m² abela : Parâmetro a turbina e MW Parâmetro Valor/Uniae Potência nom. / Veloc. Rotor MW / 9-1rpm Diâm.Rotor/ Rel. ran. (K tr ) 75m / 111,5 Momento e inércia total (J t ) 5,9x1 6 Kg.m² Vento cut-in / nominal / cutout / Deniae o ar (ρ) 4m/-1m/-5m/ /1,5 Kg/m³ VIII. BIOGRAFIAS Kleber Freire a Silva. Doutorao em 6 pela Univeriae e São Paulo e Metrao em 1991 pela Univeriae Feeral a Paraíba. Grauao em 1988 pela Univeriae Feeral a Bahia. Profeor o Departamento e Engenharia Elétrica a UNIFACS e a UFBA. Atua na área e eficiência energética, qualiae a energia, controle e acionamento e máquina elétrica, geração eólica, minitrano iciplina e grauação, pógrauação e curo e epecialização. Coorena o laboratório e converão eletromecânica a energia, qualiae a energia e e eficiência energética a UNIFACS. Marco Antonio Saiel Profeor Livre Docente, 5, pela Ecola Politécnica a Univeriae e São Paulo. Doutorao em 1995 e Metrao em Profeor o Departamento e Engenharia e Energia e Automação Elétrica, atua na área e getão e uo eficiente e energia e e regulação energética, minitrano iciplina e grauação, pó-grauação e curo e epecialização. em coorenao e participao e projeto e pequia junto à ANEEL, ANP, PEROBRAS, CAIXA ECONÔMICA FEDERAL, FINEP, INFRAERO, BNDES, PROCEL, ELEROBRAS, PREFEIURAS MUNICIPAIS, ELEROPAULO, USAID e CESP. Repone pela Coorenação o pureup Programa para o Uo Eficiente a Energia Elétrica na USP e Coorenação o GEPEA/EPUSP Grupo e Energia o Departamento e Engenharia e Energia e Automação Elétrica a Ecola Politécnica a Univeriae e São Paulo. Selênio R. Silva (M 93) receive the B.E.E. an M.E.E. egree in electrical engineering from the Feeral Univerity of Mina Gerai - UFMG, Brazil, in 198 an 1984, repectively an the PhD. from Feeral Univerity of Paraiba - UFPb, Brazil, in Since 198 he ha been with Department of Electrical Engineering of Feeral Univerity of Mina Gerai, a a Full Profeor. He ha publihe over 1 technical paper an avie 4 potgrauate thei. Hi main reearch area are a.c. motor rive, power quality an renewable energy ource (PV an win). Profeor Silva i a member of IEEE Inutry Application Society, Brazilian Power Electronic Aociation an Brazilian Automatic Control Aociation. VII. REFERÊNCIAS [1] Heier, S. (1998). Gri integration of win energy converion ytem, John Wiley & Son, Chiceter. [] Pena, R., Clare, J.C., Aher, G.M. (1996). Doubly fe inuction generator uing back-to-back PWM converter an it application to variable-pee win-energy generation, IEE Proc. Electr. Appl., Vol.143, N 3.