OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA ATRAVÉS DE CONTROLE FUZZY

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1 OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA ATRAVÉS DE CONTROLE FUZZY M. Godoy Simõe, N.N. Francechetti, Bimal K. Boe Univeridade de São Paulo Av. Prof. Mello Morae, São Paulo/SP * The Univerity of Tenneee Knoxville, TN / USA Reumo: Ete trabalho é o reultado de uma aplicação de lógica e controle fuzzy viando melhoria no deempenho de um itema de geração de energia eólica, em velocidade variável, para que eja tranferida potência máxima para a rede elétrica, capturada por uma turbina eólica de eixo vertical. Há um gerador de indução que alimenta um converor PWM duplo, com hardware projetado a partir de placa proceadora DSP TMS320C30, módulo IGBT Intellimod e um ASIC PWM Hanning. O oftware de controle em tempo real foi implementado em linguagem C, poibilitando a avaliação do algoritmo propoto em um itema experimental de 3,5 kw. O controle é realizado atravé de trê controladore fuzzy, o quai têm a função de ratrear o ponto de operação para tranferência de potência máxima, otimizar o fluxo rotórico do gerador de indução e controlar a malha de velocidade robutamente contra pulaçõe de torque caracterítica de turbina de eixo vertical e rajada de vento. O artigo também apreenta detalhadamente a etratégia de controle vetorial utilizada, o princípio de otimização de itema atravé de controle fuzzy, incluindo eu detalhe de implementação, referente à regra e funçõe de pertinência utilizada. Abtract - Thi work i an application of fuzzy logic control in the improvement of a variable peed wind generation ytem performance, o a to tranfer the maximum captured wind power to the utility main. There i an induction generator feeding a double PWM converter, with hardware baed on DSP TMS320C30 proceor board, Intellimod IGBT module and a PWM Hanning ASIC. The real time oftware control wa written in C language, allowing the evaluation of the propoed algorithm in an experimental 3,5 kw etup. The control i made up of three fuzzy controller, which have the function of maximum power point tracking, rotor flux induction generator optimization and robut peed loop control to torque pulation and wind gut. The paper preent in detail the required vector control trategie, the fuzzy optimization principle and their implementation apect concerning the rule and memberhip function. 1 INTRODUÇÃO O crecimento indutrial e o deenvolvimento utentado braileiro, neceitam do aumento da capacidade energética, a qual deve ocorrer com o mínimo de impacto ambientai, com o máximo de decentralização e flexibilidade de intalação, er não poluente, e modularizada atravé da poibilidade de paralelização de itema. Eforço governamentai etão incentivando a utilização de energia gerada de fonte alternativa: olar, eólica e biomaa, atravé da promoção de encontro com grupo de trabalho, oriundo de univeridade, centro de pequia e de divera emprea. O potencial eólico braileiro tem ido mapeado por ee grupo de trabalho, demontrando a poibilidade de invetimento em itema de geração de energia pelo vento em divera área da regiõe norte, nordete e na faixa litorânea (GTEE, 1997). Em ecala mundial o itema eólico têm encontrado um grande mercado, também evolução tecnológica do emicondutore de potência e do itema eletrônico dedicado, que poibilitam acionamento em freqüência variável e aplicação de ofiticado algoritmo de controle. Dentre o divero projeto de turbina, há dua clae gerai: (1) turbina de eixo-horizontal, imilare ao moinho holandee, onde o rotor do gerador gira ao redor de um eixo horizontal, e (2) a turbina de eixo-vertical, cuja configuração mai promiora é a chamada Darrieu, ilutrada na Fig. 1. Turbina de eixo vertical (TEV) poibilitam vantagen ignificativa: Não neceitam er orientada conforme a direção do vento, ou eja ão omnidirecionai; Não neceitam de controle do ângulo de ataque na pá, facilitando o proceo de fabricação; O itema mecânico de conexão com o gerador é localizado no olo, facilitando o erviço de manutenção. Todavia, a TEV não e tornaram de uo generalizado, devido a outra dificuldade: (1) a turbina Darrieu deve inicialmente er movida em modo de motorização, até que o vento impulione a lâmina, aim o inveror eletrônico deve Artigo ubmetido em 16/10/97 1a. Revião em 03/02/98; 2a. Revião em 14/08/98; er capaz de operar em quatro quadrante, (2) a lâmina ão Aceito ob recomendação da Eda. Cona. Profa.Dra Sandra ubmetida a força alternada, cauando fadiga no material e, Aparecida Sandri (3) tai força provocam pulaçõe de torque que podem cauar 48 SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de 1999

2 intabilidade no itema de controle de velocidade. Há divero avanço tecnológico no último ano que podem trazer a TEV à atenção novamente: novo materiai para a fabricação da lâmina, dentre ele o CFRP (polímero reforçado de fibra de carbono) e o GFRP (polímero reforçado de fibra de vidro), além de fibra de poliéter epecializada em redução de fadiga mecânica. Atualmente, o itema de eletrônica de potência ão muito mai eficiente, permitindo a variação uave da velocidade do gerador. Há itema microproceado, ou baeado em proceadore digitai de inai (DSP) que poibilitam a implementação de técnica moderna de controle, que podem er utilizada para a otimização e melhoria de deempenho do itema de controle. Ee trabalho motra uma implementação de algoritmo de controle fuzzy, tetada em laboratório, para o comando de turbina eólica. Apear de já terem ido relatado trabalho a repeito dee itema (Simõe et alii, 1997a; Simõe et alii, 1997), ee artigo apreenta detalhe não coberto anteriormente, motrando uma dicuão da metodologia que levou à contrução da regra de otimização do algoritmo fuzzy, além da decrição da etratégia de controle vetorial direto para o itema de interconexão à rede elétrica trifáica. 2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA A Fig. 2 apreenta o diagrama de bloco do controle do itema, um gerador de indução alimenta doi inverore: o inveror da máquina de indução, e o inveror da rede trifáica, ambo comandado em modulação enoidal de largura de pulo (SPWM) e ligado por um elo CC. No artigo paaremo a chamar o itema como um todo por converor PWM duplo. O inveror da máquina aborve a potência reativa do gerador de indução, enquanto que na rede trifáica a potência é empre ativa, devido ao controle de fator de potência unitário. O inveror da máquina pode operar em modo de motorização, durante a inicialização da turbina, e em modo de regeneração durante a produção de energia pelo vento, fluindo potência Fig. 1: Turbina de eixo vertical (TEV) Darrieu intantânea no quatro quadrante, empre operando em controle vetorial indireto (CVI) (Boe, 1986). O inveror conectado à rede trifáica permite que o capacitor do elo CC e carregue, atravé do diodo exitente em paralelo com o emicondutore de potência, chamado por IGBT (Inulated Gate Bipolar Tranitor), a potência pode fluir da rede trifáica para a máquina de indução, durante a motorização, e apó o capacitor do elo CC er controlado a uma tenão de operação mai elevada, o itema pode efetivamente gerar potência ao itema elétrico. O inveror da rede trifáica opera em controle vetorial direto, onde o inai de geração do vetor unitário ão Fig. 2: Diagrama de bloco do itema de geração eólica SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de

3 intetizado de forma a e impor tenõe e corrente em fae, ou eja fator de potência unitário, já que a ditorção harmônica é pequena, operação SPWM em alta freqüência. A técnica de controle vetorial é utilizada em ambo o inverore para e obter repota traniente atifatória à neceidade de robutez contra pulaçõe de torque, caracterítica de uma TEV. Há uma malha externa de controle e gerenciamento, contituída por trê controladore fuzzy denominado por FLC- 1, FLC-2, e FLC-3 que repectivamente ão reponávei por: buca de velocidade do gerador de indução otimizada para a velocidade de vento que etá ocorrendo, diminuição da corrente de excitação do gerador de indução e coneqüente aumento no rendimento da máquina, e controle fuzzy-pi da malha de velocidade, robuto à pulação de torque e rajada de vento. A operação detalhada do controladore fuzzy erá abordada poteriormente. Oberva-e na Fig. 2 que o controle da malha de velocidade, feito por FLC-3, recebe um valor de referência otimizado da rotação do gerador (ω r *), proveniente de FLC-1. O inal de torque intantâneo (T e * ) balanceia o torque de carga da turbina (T e ), onde uma malha interna contendo a potência intantânea no elo CC (P d ), dividida pelo valor da velocidade angular do gerador (ω r ), faz com que pulaçõe de torque da TEV provoquem uma modulação invera do inal de corrente (i q * ) reponável pelo comando do inveror da máquina de indução. A potência que flui no elo CC é alimentada em feedforward para o controle do inveror da rede trifáica (não motrado na figura), de forma a melhorar a flutuação de tenão do elo CC. Há uma indutância (L ) conectada entre a trê fae do inveror e a rede trifáica, importante para etabilização do controlador de corrente do controle vetorial direto, a indutância foi elecionada de forma a impor que o índice de modulação máximo eteja dentro do limite de largura de pulo mínima do IGBT (Zargari and Jo, 1995), conforme a equação (1). onde: vac + 0.5vd 2 iq + < L π f 2 f v (1) Fig. 3: Inicialização do itema m 50 SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de 1999 L = indutância de conexão v ac = tenão de linha na rede trifáica v d = tenão do elo CC f = freqüência do PWM v m = amplitude da portadora triangular i q = corrente ativa Durante a inicialização do itema converor PWM duplo, o inverore etão individualmente deligado, ito é, todo o pulo do IGBT etão deligado, e o capacitor do elo CC é inicialmente carregado atravé do diodo em paralelo, que formam um retificador na linha trifáica. Para prevenir corrente elevada, há uma reitência em érie que limita a corrente de carga do capacitor. Quando o elo CC atingir 95% do valor final um relê eletromagnético conecta o itema diretamente. A eguir o controle de malha da tenão do elo é habilitado, o gerador de indução é inicialmente excitado com a corrente de excitação (i d ) nominal e a máquina de indução é pota a movimentar a turbina. O vento ao impulionar a pá, faz com que a freqüência de ecorregamento e torne negativa, e a malha de controle automaticamente paa a impor torque negativo, com velocidade angular poitiva, fazendo com que o capacitor no elo CC aumente de tenão regeneração. Ao atingir o valor máximo, a malha de tenão do elo CC impõe que eja tranferida potência para a rede trifáica, completando a inicialização do itema, habilitando o controladore fuzzy para o gerenciamento e otimização do itema; o pao de inicialização etão motrado no fluxograma da Fig Controle Vetorial do Converor Duplo PWM O inveror do gerador de indução utiliza controle vetorial indireto. O controle da corrente i d e i q faz com que o fluxo rotórico eteja alinhado com a corrente i d (Boe, 1986). Com controle vetorial não há problema de intabilidade malha interna de controle de corrente, permitindo operação em quatro quadrante, incluive operação em velocidade nula. A freqüência de operação do gerador de indução é controlada atravé do vetor unitário, gerado pela adição da velocidade da máquina (ω r ) com a freqüência de ecorregamento (ω l ), em feedforward, conforme a Fig. 4. A freqüência angular ω e é integrada e o ângulo do vetor de fluxo rotórico é utilizado em uma tabela de eno/coeno para a operação de rotação vetorial invera, de acordo com a equaçõe (2) e (3). O controlador de corrente PI gera a tenõe de referência em quadratura v * q e v * d, e o circuito integrado Hanning PWM (Hanning, 1993) faz a operação de rotação vetorial, com o ângulo do fluxo rotórico, de forma a gerar o pulo para o tranitore IGBT. iq = iq coθe idin θ e (2) id = iq in θe + idcoθ e (3) O inveror conectado à rede elétrica utiliza uma etratégia de controle vetorial direto (CVD), onde uma repota tranitória rápida é importante para e controlar a tenão no elo CC e o fluxo de potência. O vetor unitário é gerado a partir da tenõe da rede (Sukegawa et alii, 19??), como indicado no diagrama faorial da Fig. 5,onde o vetor corrente I é mantido em fae com o vetor tenão V. Uma vez que a corrente (i d ) é mantida nula, não há fluxo de potência reativa, a corrente da rede trifáica paa pela rotação vetorial invera, e um controlador de corrente, com um deacoplamento feedforward mantém a corrente em fae com a tenõe trifáica, permitindo operação com fator de potência unitário. Se o inveror tiver margem para maior potência, o fator de potência

4 Fig. 4: Proceamento de inai do controle vetorial indireto (CVI) para o inveror do gerador de indução pode também er programado para e manter indutivo ou capacitivo, atravé do controle de i * d. A equaçõe utilizada na etratégia de controle vetorial direto ão: vq = va (4) 1 vd = ( vc vb) (5) 3 vq coθ = (6) e ( ) 2 v + ( v ) 2 q d vd inθ = (7) o e ( ) 2 v ( ) 2 q + vd ( v i v i ) 3 P = + 2 q q d d (8) vq vd vd vq θ e = 2 2 ( ) ( ) (9) vq + vd O diagrama de proceamento de inai para o controle vetorial direto do inveror da rede trifáica é dado na Fig. 6. Há uma rede de deacoplamento conectada ao controladore PI. Podee motrar que a indutância érie cria um efeito de acoplamento, ou eja, e i d é alterada, há uma queda de tenão (ωli d ) no eixo-q e e i q é alterada, também é criada uma queda de tenão no eixo-d. Ee efeito cruzado pode er cancelado pelo termo feedforward adicionai, ωli d na malha de i q e ωli q na malha de i d (K = ωl). A malha de v q contém a força-contraelemotriz intantânea da rede trifáica para melhorar o deempenho do controlador de corrente, porém a malha de v d não contém ea compenação poi a corrente reativa nee projeto foi mantida nula. O controle vetorial para cada inveror reponabiliza-e em manter o itema de acionamento etável e operante no quatro quadrante. Para que ocorra o ratreamento de potência máxima da turbina há trê controladore fuzzy com o eguinte objetivo: 1. Otimizar a aerodinâmica, ou eja a máxima tranferência de potência para a rede trifáica; 2. Ajutar o melhor nível de fluxo no gerador de indução que otimize o rendimento do conjunto inveror + máquina; 3. Controlar a velocidade do gerador de forma robuta, contra turbulência e vórtice do vento, robuto ao torque ocilatório da turbina. Fig. 5: Controle vetorial direto (CVD), (a) Faor para a corrente trifáica, (b) Faor para a corrente e tenõe bifáica, apó tranformação 3Φ-2Φ, (c) Corrente e tenõe bifáica intantânea, (d) Sinai no itema de referência, atravé da geração do vetor unitário in(θ e ) e co(θ e ), SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de

5 Fig. 6: Proceamento de inai para o controle vetorial direto (CVD) para o inveror conectado à rede elétrica A próxima eção decreve a metodologia do controladore fuzzy empregado no itema. 3 CONTROLADORES FUZZY A otimização de algum benefício ou a minimização de eforço que ocorrem em ituaçõe prática dependem de uma função, denominada função objetiva ou de cuto, onde expream-e a relaçõe entre a variávei de decião envolvida. A Fig. 7 motra uma função típica, onde o eixo-y repreenta uma variável fíica, tal como potência, força, velocidade, tenão ou reitência, e o eixo-x indica uma outra variável que pode er manipulada de forma a e maximizar a abcia. Por exemplo, um itema de bombeamento pode er controlado por uma válvula (eixo-x), conforme a válvula e abre, o fluxo de água aumenta, ma a preão diminui e a potência (eixo-y) inicialmente aumenta, alcançando um máximo e diminuindo conforme a válvula continua e abrindo. Embora pareça trivial o ratreamento do valor máximo de uma função imple como ea, o valor de pico pode e alterar devido a: variação de parâmetro tai como temperatura, denidade, impedância; não-linearidade tai como zona morta e atrao; dependência cruzada entre variávei de entrada e de aída. O enfoque para e tratar tai caracterítica poderia er atravé de utilização de enore para e melhorar a robutez paramétrica, preparação de equaçõe analítica e tabela experimentai, ou então atravé de deacoplamento matemático feedfoward. Todavia, a heurítica empregada por operadore humano poderia er intetizada na regra geral: Se a última alteração na variável de entrada (x) provocar o aumento da variável de aída (y), mova a variável de entrada na mema direção; e provocar uma diminuição, mova na direção opota. Um algoritmo de ratreamento de potência máxima pode er contruído baeado na regra geral acima, com dua entrada: a última variação da variável de controle e a variação da potência, de forma a e determinar a próxima variação da variável de controle, bucando atingir o máximo de potência. Ea metodologia foi empregada para e contruir o algoritmo do controladore FLC-1 e FLC-2 decrito a eguir. O algoritmo FLC-3 foi baeado em uma implementação de controle PI. O projeto da funçõe de pertinência e regra de controle pode também levar em conideração outro fatore, tai como o ponto de potência máxima pode er encontrado Fig. 7: Exemplo de otimização: fluxo de potência em termo de abertura de uma válvula 52 SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de 1999

6 Fig. 8: Diagrama de bloco do controlador fuzzy FLC-1 empre em uma direção, ou pode variar conforme algum parâmetro externo, o ponto de otimização pode e prender em um mínimo local, ou pode ocorrer problema de quantização devido ao hardware, influenciando o algoritmo de ratreamento. 3.1 Controlador Fuzzy FLC-1 Em uma turbina eólica a potência intantânea de entrada, dada pelo produto do torque e da velocidade do gerador, é idêntica à da linha trifáica, deconiderando-e a perda. Logo, para um determinado valor de velocidade de vento, a função do controlador fuzzy FLC-1 é a de procurar a melhor velocidade do gerador, onde o itema alcance a potência máxima na rede trifáica. A curva que relacionam a variação da potência da turbina em termo de velocidade do vento etão decrita em (GTEE, 1997; Simõe et alii, 1997a). O diagrama do controlador FLC-1 etá indicado na Fig. 8. Etando inicialmente em regime permanente, e a velocidade do vento aumentar, a potência de aída aumentará porém não para o ponto ótimo, então o controlador FLC-1 realizará uma buca do novo valor de referência de velocidade do gerador. A operação do controlador FLC-1 não neceita de qualquer informação obre a velocidade real do vento, ua procura baeada em tempo real oberva diretamente a potência gerada na linha e portanto o algoritmo de ratreamento e torna inenível à variação de parâmetro do itema. A regra do controlador FLC-1 etão indicada na Tabela 1, e etão baeada no princípio que um aumento (ou diminuição) da velocidade do gerador provoca um correpondente acrécimo ou decrécimo da potência de aída P o. A potência é calculada por intermédio de enore de tenão e corrente conectado à linha trifáica, conforme já indicado na Fig. 2. Obervando-e a Tabela 1 verifica-e que e P o for poitivo em relação à última variação do gerador de velocidade ( ω r *), a buca deve continuar na mema direção; e for ao contrário, ou eja + ω r * caua - P o, a direção de buca é então revertida. Quando a condição ótima é alcançada, a velocidade ocila dentro de uma margem pequena, alternando a polaridade do inal de variação de velocidade. A variávei P o (variação de potência), ω r * (variação de velocidade) e L ω r * (última variação da velocidade) ão decrita por funçõe de pertinência conforme a Fig. 9; uma regra típica para FLC-1 é: SE P o é PM (poitivo médio) E L ω r * ENTÃO ω r * é PM (poitivo médio) é P (poitivo), valore pequeno de variação de potência e velocidade; a cada intante, mai que uma (até quatro) regra ão válida. Na implementação do controle fuzzy, a variávei de entrada ão fuzzificada e a regra de controle ão avaliada e combinada, e finalmente a aída é defuzzificada convertendo-e para um valor real. O valore do inal de aída do controlador fuzzy ( ω r *) ão acumulado de forma a e gerar o inal de comando de velocidade. A aída ω r * é adicionada ao inal L ω r * para evitar mínimo locai (GTEE, 1997; Simõe et alii, 1997a). O controlador opera com variávei ecalada em p.u., portanto o algoritmo de buca é univeral a qualquer itema. O fatore de ecala KPO e KWR ão ganho dependente da faixa de velocidade de operação e ão também proveniente de um algoritmo fuzzy, conforme indicado pela funçõe de pertinência da Fig. 10 e Tabela 2. A ecolha de ganho de ecala variávei torna o controlador FLC- 1 inenível à variação de velocidade. Tabela 1: Regra do controlador fuzzy FLC-1 L ω * r(pu) P o(pu) P ZE N PVB PVB PVB NVB PB PB PVB NB PM PM PB NM PS PS PM NS ZE ZE ZE ZE NS NS NM PS NM NM NB PM NB NB NVB PB NVB NVB NVB PVB Tabela 2: Regra para ganho de ecala de FLC-1 ω r KPO KWR PSS PSB PMS PMB PBS PBB A funçõe de pertinência para P o e ω r * ão aimétrica, de forma a e obter mai enibilidade à variávei em torno de SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de

7 Fig. 10: Funçõe de pertinência para cálculo do ganho de ecala KPO e KWR Fig. 9: Funcõe de pertinência para a variávei do controlador fuzzy FLC-1: (a) Última variação de velocidade do gerador (entrada), (b) Variação da potência (entrada), (c) Variação da velocidade de referência do gerador (aída) 3.2 Controlador Fuzzy FLC-2 Uma turbina eólica etá ubmetida a uma carga proporcional ao quadrado da velocidade angular do vento, aim, em condiçõe de vento fraco, abaixo de 7 m/, o gerador trabalha tipicamente com carga (T L ) leve no rotor. Deta forma a intenidade de fluxo rotórico do gerador de indução (comandado no controle vetorial pela corrente i d ) pode er reduzida para valore menore que o fluxo nominal, reduzindoe a circulação de reativo, diminuindo-e a perda de ferro no núcleo da máquina, e conequentemente aumentando-e o rendimento global do conjunto inveror-máquina (Souza et alii, 1995), o que para condiçõe de vento fraco é eencial para e melhorar a capacidade de extração de potência. A Fig. 11 apreenta o diagrama de bloco do controlador FLC-2 que executa a programação do fluxo rotórico, apó ter ido etabelecida a velocidade de operação ideal. Para que o controlador FLC-2 inicie ua operação, a buca da referência de velocidade atravé de FLC-1 deve ter ido terminada. Aim o itema etará ujeito a uma determinada velocidade de vento (V ω ), em regime permanente, e com a correpondente velocidade ótima (ω r *) determinada por FLC-1. O fluxo do rotor (ψ R ) erá então diminuído, atravé da diminuição da corrente de excitação (i d ); a regra de FLC-2 obervam a variação de potência ( P O ) e a última variação da corrente de excitação (L i d * ). A diminuição de i d caua um aumento na corrente de torque (i q ), ação da malha de velocidade. Como o fluxo reduz, a perda no ferro da máquina diminuem, porém devido ao aumento da corrente de torque (i q ), a perda no cobre e no inveror aumentam. De maneira geral, a perda totai do itema (converor e máquina), reultam no aumento da potência total gerada (P o ) inicialmente, atingindo um ponto máximo de uma curva convexa e e houver uma tendência de diminuição de i d além dee limite, o controlador FLC-2 comandará o retorno, correpondente diminuição de potência. A Tabela 3 motra o conjunto de regra e a Fig. 12 motra a funçõe de pertinência do controlador FLC-2. O ganho para ecalamento da variávei de entrada ão calculado por (10) e (11), onde o fatore a, b, c 1, c 2 e c 3 ão ajutado atravé da modelagem da perda da máquina de indução, e depoi intonizado experimentalmente (Souza et alii, 1995). KP = aωr + b (10) KIDS = c 1 ωr c 2 Te + c 3 (11) Fig. 11: Diagrama de bloco do controlador fuzzy FLC-2 54 SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de 1999

8 3.3 Controlador Fuzzy FLC-3 A malha de controle de velocidade é realizada pelo controlador FLC-3, em uma configuração tipo Fuzzy-PI. Ee controlador é robuto à ocorrência de rajada de vento e à pulaçõe de torque que ocorrem em TEV. Tai ditúrbio ão modulado inveramente, prevenindo efeito advero de reonância mecânica e da repota de i q * que ocorre diminuição de fluxo impota por FLC-2 (Simõe et alii, 1997a). O diagrama de bloco do controlador fuzzy FLC-3 é motrado na Fig. 13. A tabela 4 contém a regra e a Fig. 14 contém a funçõe de pertinência utilizada para a variávei de entrada e aída do controlador. O controle fuzzy FLC-3 é eencialmente um controlador integral (PI) onde o ganho proporcional e integral ão não-lineare e controlado adaptativamente. O inai de erro da malha de velocidade (E ωr ) e de variação do Fig. 13: Diagrama de bloco do controlador fuzzy FLC 3 erro ( E ωr ) ão convertido em inai ecalado em p.u. pelo fatore K E e K CE, repectivamente, e então proceado. A aída do controlador fuzzy FLC-1 ( T e *) é acumulada de forma a produzir o torque de referência do gerador (T e *). O ganho KE, KCE e KTE ão utilizado para o ecalamento da variávei do controlador fuzzy FLC-3, repectivamente o erroem-velocidade, a variação-do-erro-de-velocidade e a variaçãodo-torque. O ganho KE é o máximo degrau de velocidade e KCE é o máximo degrau de aceleração no itema, tai caracterítica impõem o máximo degrau de torque permitido e por conequência o valor de KTE. Salienta-e que FLC-3 faz o controle de velocidade do itema, a buca efetivamente da velocidade ideal é feita pelo controlador FLC-1. Uma regra típica para FLC-3 é: SE erro ω wr(pu) é PS (poitivo pequeno) E variação no erro E wr(pu) é PM (poitivo médio) ENTÃO o torque incremental T e * (PU) é PL (poitivo grande) O controladore fuzzy FLC-1 e FLC-2 apreentam uma grande vantagem neta aplicação obre o controladore de ratreamento convencionai, implementado atravé de tabela, ou então baeado em hill-climbing, poi fornecem tamanho adaptativo do pao de buca, permitindo rápida convergência, além de poder aceitar inai ruidoo e imprecio. O controlador FLC-3 torna o itema eólico imune à reonância típica da turbina de eixo vertical além de melhorar a robutez quanto a vórtice, rajada de vento e perturbaçõe. Fig. 12: Funcõe de pertinência para a variávei do controlador fuzzy FLC-2: (a) Última variação de corrente de excitação, L i d * (entrada), (b) Variação da potência, P O (entrada), (c) Variação da próxima corrente de excitação, i d (aída) 4 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA É neceário um procedimento adequado para a inicialização do itema conforme decrito anteriormente, bem como o correto eqüenciamento de deligamento, no cao de falha. Além dio a operação do controladore fuzzy FLC-1 e FLC-2 deve er gerenciada: inicialmente FLC-1 opera de forma a otimizar a aerodinâmica da turbina, e em eguida FLC-2 opera de forma a otimizar o nível de fluxo no gerador Tabela 4: Regra do controlador fuzzy FLC-3 E CE NVL NL NM NS ZE PS PM PL PVL NVL NVL NL NM NS ZE NL NL NM NS ZE PS NM NL NM NS ZE PS PM NS NL NM NS ZE PS PM PL ZE NL NM NS ZE PS PM PL PS NL NM NS ZE PS PM PL PM NM NS ZE PS PM PL PL NS ZE PS PM PL PVL ZE PS PM PL PVL SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de

9 Fig. 14: Funcõe de pertinência para a variávei do controlador fuzzy FLC-3: (a) Erro de velocidade (entrada), (b) Variação do erro de velocidade (entrada), (c) Variação do torque de referência (aída) de indução. A Fig. 15 apreenta o diagrama do controle de tal equenciamento. Enquanto o controle de velocidade efetuado pelo controlador fuzzy FLC-3 é empre ativo, o controladore FLC-1 e FLC-2 operam em eqüência para variaçõe de velocidade do vento, ou para turbulência muito pequena. Inicialmente o capacitor do elo CC e carrega no valor de pico da tenão de linha, atravé de uma reitência érie. Apó a etabilização do elo CC a reitência é eliminada do circuito atravé de um relê, o fluxo nominal é impoto na máquina de indução, etabelecendo corrente contínua em dua fae da máquina. A turbina é ligada em controle de velocidade, e conforme o vento impõe operação regenerativa com freqüência de ecorregamento negativa, a potência começa a fluir fazendo com que a tenão do elo CC aumente. A malha de controle de tenão do elo CC entra em operação de forma a etabelecer um valor de tenão maior que o valor de pico da tenão de linha trifáica, aim o controle do inveror conectado à rede trifáica pode operar na região linear da modulação em largura de pulo. A partir dee intante o controlador FLC-1 começa a ratrear a velocidade de referência ótima (ω r *), a potência gerada começa a crecer até o controlador FLC-1 etabelecer-e em regime permanente, indicado por uma pequena variação em ωr *. A partir de então, a operação do itema é tranferida para o controlador FLC-2, que buca otimizar o fluxo de excitação do gerador pela diminuição de i d *. Conforme pode er obervado no diagrama de equenciamento de controle na Fig. 15, e durante a procura da velocidade, ocorrer variaçõe muito grande na potência, variação da velocidade do vento, o itema é tranferido de FLC-1 para um etado de epera não-fuzzy. Durante a otimização do fluxo, a corrente de excitação (i d *) é diminuída adaptativamente, atravé da variação de pao impota pela ação do controlador FLC-2 (GTEE, 1997; Simõe et alii, 1997a). O controle é tranferido para a operação ótima quando a variação i d * for pequena, então a procura de ponto ótimo de operação etará finalizada, e erão mantido o ponto de operação ω r * e i d *. A potência e a variação de potência ão armazenada de forma a e detectar qualquer variação na velocidade do vento que neceite de um novo proceo de ratreamento. Também, durante a operação de FLC-2, qualquer traniente no eixo do gerador, indicado pela variação do torque, tranferirá o itema para o etado de epera não-fuzzy. O itema poui indicaçõe externa de falha da turbina e do inverore, que podem incluive indicar operação em velocidade de vento muito elevada (o que é perigoo para um itema eólico), ou quando a geração não for atifatória velocidade do vento er demaiado baixa. A indicaçõe de falha provocam o deligamento do itema. Nee cao, o controladore fuzzy ão deabilitado e uma rampa de deaceleração é impota na velocidade, em malha aberta; a lâmina da turbina ão poicionada de forma a que o vento pae livremente, e finalmente o contator de linha deconecta o itema. A Fig. 16 motra o diagrama de bloco do hardware de um protótipo de 3,5 kw contruído em laboratório, para validação do algoritmo de controle neceário, viando uma futura Veloc. do vento (pu) Potência para r * fixo (0.575 pu) Tabela 5: da potência do itema atravé do controle por lógica fuzzy P O ação de FLC-1 (pu) P O ação de FLC-2 (pu) da FLC-1 (%) da FLC-2 (%) total de devido ao controle fuzzy (%) médio de ação de FLC-1 (%) médio de ação de FLC-2 (%) total médio de (%) SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de 1999

10 intalação com maior potência. Uma decrição detalhada do hardware e oftware de controle do projeto etá fora do ecopo dete artigo ua complexidade. Há dua placa proceadora digitai de inai (DSP) que utilizam o proceador TMS320C30 da Texa Intrument, ea placa ão conectada à via de um computador PC e pouem conexõe com placa analógica de entrada/aída. O TMS320C30 é um DSP que poui um ciclo de intrução de 60 n e executa operaçõe em ponto flutuante. A etrutura de oftware é multi-tarefa, baeada em linguagem C, com rotina de controle de interrupçõe e retauração de contexto ecrita em aembler. O doi DSP e comunicam atravé de dua porta eriai, que permitem comunicação em 6 Mbit/, uficiente para troca de variávei da rotina de controle. Cada inveror utiliza um circuito integrado PWM, um ASIC híbrido que incorpora um hardware digital dedicado e um microproceador RISC para rotação vetorial (Hanning, 1993). Ete circuito integrado recebe um comando de tenão da malha de controle de corrente íncrona, rotaciona-o vetorialmente no Fig. 15: Diagrama de equenciamento de controle itema d S -q S com a informação do vetor unitário, convertendo o inai no itema a-b-c, e finalmente o pulo de PWM comandam o inveror. Ete circuito também permite adição programada de terceira harmônica, para melhorar a da modulação, permite controlar o dead-time, corrigindo a ditorção cauada por ee parâmetro, além de impor tempo de condução mínima e máxima do inveror, viando a proteção do emicondutore IGBT. O inverore foram contruído com o módulo IntelliMod da Powerex, que pouem gatedrive interno, proteção de obrecorrente e obretemperatura, e tranitor interno para frenagem dinâmica. No laboratório foi utilizado um dinamômetro eletrônico para e comportar conforme uma turbina eólica, onde o modelo aerodinâmico da turbina eólica foi executado em tempo real (Simõe et alii, 1997a), o vento como uma variável de oftware, que poderia tanto er comandada externamente pelo operador do protótipo, como lida de um arquivo no computador hopedeiro do DSP a cada 1 m. Como o dinamômetro e o itema de geração etavam conectado na mema linha trifáica, a potência circulava entre ambo, a meno da perda. Fig. 16: Diagrama de bloco do hardware baeado em doi DSP SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de

11 corrente do gerador de indução têm baixa ditorção harmônica. 5 CONCLUSÃO Um itema de controle para geração de energia eólica, em velocidade variável, baeado em controle fuzzy, foi analiado e foi apreentado o projeto de um protótipo de laboratório, que permitiu a avaliação da etratégia de controle ugerida. Há trê controladore fuzzy no itema: o controlador FLC-1 buca a todo intante otimizar a velocidade do gerador, viando maximizar a aerodinâmica da turbina eólica, o controlador fuzzy FLC-2 programa o fluxo rotórico da máquina, de forma a melhorar a diminuir a perda do itema máquina-converor e o controlador fuzzy FLC-3 impõe uma malha de velocidade robuta à pulaçõe de torque e rajada de vento, além de minimizar o acoplamento na corrente de torque em quadratura do gerador ação de FLC-2. A vantagen da utilização do controladore fuzzy em um projeto como ee ão: inenibilidade à variação de parâmetro, rápida convergência, e aceitação de inai ruidoo e imprecio. O algoritmo utilizado no controladore fuzzy ão univerai, podendo er aplicado em itema imilare. O trabalho demontrou que o deempenho do itema, tanto em regime permanente, quanto dinamicamente, foi excelente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Boe, B. K. (1986). Power Electronic and AC Drive, Prentice-Hall, Englewood Cliff, New Jerey. GTEE, (1997).Grupo de Trabalho de Energia Eólica, Ata da III Reunião do GTEE - Belém, (3 a 6 de junho) Hanning Elektro-Werke GmbH, (1993). Outubro PWM Chip 1/87 data heet. Fig. 17: Operação do controle fuzzy: (a) Velocidade do vento, (b) Velocidade do gerador, (c) Corrente de excitação, (d) Potência de Saída O itema de energia eólica foi exautivamente avaliado em laboratório. Vário ponto de operação da região torque veru velocidade angular foram coberto para e impor o algoritmo de otimização de FLC-1 e FLC-2, com excelente deempenho tranitório e fator de potência unitário (GTEE, 1997). O deempenho foi comparado a um gerador operando com referência de velocidade fixa pelo operador; tal comparação foi realizada devido ao fato que em um itema tradicional de geração eólica a velocidade de referência do gerador é mantida contante, e o uuário caualmente altera o ponto de operação. A Fig. 17 motra a repota do itema com o controladore FLC-1, FLC-2 e FLC-3 quando a velocidade do vento é alterada para cima e para baixo. A melhoria da açõe de FLC-1 e FLC-2 etão decrita na Tabela 5, motrando que a operação de FLC-1 fornece uma maior potência, exceto quando a velocidade fixa do gerador já etá otimizada para aquela velocidade do vento. A operação de FLC-2 melhora o deempenho principalmente para vento fraco, redução do nível de fluxo rotórico no gerador de indução. A média total de melhoria de para a operação de FLC-1 é de 35,5%, e para a operação de FLC-2 de 8.6%. Em todo o modo de operação a tenõe e corrente da linha ão enoidai, com fator de potência unitário, e a Simõe, M. G., (1995). Fuzzy Logic and Neural Network Baed Advanced Control and Etimation Technique in Power Eletronic and AC drive, Ph.D. Diertation, (Dec.),The Univerity of Teneee. Simõe, M. G., B. K. Boe and Ronald J. Spiegel, (1997a). Deign and performance evaluation of a fuzzy-logicbaed variable-peed wind generation ytem IEEE Tranaction on Indutry Application,(July/Augut), vol. 33, pp Simõe, M.G., B. K. Boe, and R.J. Spiegel, (1997). Fuzzy logic baed intelligent control of a variable peed cage machine wind generation ytem, IEEE Tranaction on Power Electronic, (Jan.) vol. 12, pp , Soua, G.C.D., B.K.Boe and J.G.Cleland, (1995.). Fuzzy logic baed on-line efficiency optimization control of an indirect vector controlled induction motor drive, IEEE Tran. Ind. Elec., (April), vol.42, pp Sukegawa,T. K. Kamiyama, J. Takahahi, T. Ikimi, and M. Matutake, (19??). A multiple PWM GTO line-ide converter for unity power factor and reduced harmonic, IEEE/IAS Annu. Meeting Conf. Zargari, N. R., G. Joo, (1995) Performance invetigation of a currrent-controlled voltage- regulated PWM rectifier in rotating and tationary frame, IEEE Tran. on Ind. Electr., (Aug), vol. 42, no,. 4, pp SBA Controle & Automação Vol. 10 no. 01 / Jan., Fev., Mar, Abril de 1999