MATEUS COSTA MACCARINI INVERSOR MONOFÁSICO SINCRONIZADO PARA A CONEXÃO DE UM GERADOR EÓLICO À REDE ELÉTRICA: ESTUDO, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO

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1 MATEUS COSTA MACCARINI INVERSOR MONOFÁSICO SINCRONIZADO PARA A CONEXÃO DE UM GERADOR EÓLICO À REDE ELÉTRICA: ESTUDO, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO FLORIANÓPOLIS 2009

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA INVERSOR MONOFÁSICO SINCRONIZADO PARA A CONEXÃO DE UM GERADOR EÓLICO À REDE ELÉTRICA: ESTUDO, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. MATEUS COSTA MACCARINI Florianópolis, Março de 2009.

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4 Dedico este trabalho aos meus pais Dilson e Cleonice pelo afeto e incentivo sempre incondicional. Aos meus irmãos Márcio e Marcello pela amizade e apoio. iii

5 AGRADECIMENTOS Agradeço ao Professor Ivo Barbi pela orientação e admirável sabedoria, pela ajuda incomparável, pela amizade e por compartilhar uma pequena parte de seus conhecimentos. Com certeza uma das mentes mais brilhantes da Eletrônica de Potência. Aos membros da banca examinadora Professores Kefas Damazio Coelho, Denizar Cruz Martins e Marcelo Lobo Hedwein pelas sugestões e correções, que com certeza ajudaram a engrandecer este trabalho. A todos os professores do INEP, Ivo Barbi, Arnaldo J. Perin, Denizar C. Martins, Enio V. Kassick, João C. Fagundes, Hari B. Mohr e Samir A. Mussa, pelos ensinamentos durante a fase de créditos do mestrado. Aos grandes amigos de turma, Bruno S. Dupczak, Gabriel Tibola, Gierri Waltrich, Gláucio R. T. Hax, Gustavo C. Flores, Roberto F. Coelho, Rodrigo da Silva, Roniere H. Oliveira e Tiago K. Jappe, pela amizade e momentos de descontração. São com certeza jovens brilhantes que tem um futuro promissor. Aos amigos Doutorandos Telles B. Lazzarin e Márcio S. Ortmann pelas discussões e dúvidas sanadas. Não poderia deixar de agradecer a meus primos Leandro e Daniel, meu tio Luiz e minha tia Dulce pela amizade e ajuda durante o mestrado. Sem o apoio de vocês com certeza esse trabalho não seria possível. Agradeço também a minha tia Izabel (tia Nêga ) pela paciência e dedicação para revisar a ortografia da primeira versão deste documento. Aos funcionários do INEP, Regina, Pacheco, Fernando, Coelho e Filipe, pela disponibilidade e pela ajuda no decorrer desta pesquisa. Ao CNPq e à Universidade Federal de Santa Catarina, pelo apoio financeiro e pela estrutura oferecida para a realização do curso. Ao povo brasileiro por financiar meus estudos por meio do CNPq. iv

6 Toda a nossa ciência, comparada com a realidade, é primitiva e infantil - e, no entanto, é a coisa mais preciosa que temos. Albert Einstein ( ) v

7 Resumo da Dissertação apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. INVERSOR MONOFÁSICO SINCRONIZADO PARA CONEXÃO DE UM GERADOR EÓLICO COM À REDE ELÉTRICA: ESTUDO, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO Mateus Costa Maccarini Março/2009 Orientador: Ivo Barbi, Dr. Ing. Área de Concentração: Eletrônica de Potência e Acionamento Elétrico Palavras-chave: Energia Eólica, Inversor Monofásico, Três Níveis. Número de Páginas: xxv O objetivo principal deste trabalho é o estudo, projeto e implementação de um conversor CC/CA para a conexão de um gerador eólico à rede elétrica. Faz-se isso utilizando-se um inversor monofásico, com modulação PWM a três níveis, ligado à rede através de um transformador de baixa freqüência. São controladas três variáveis distintas no conversor: a corrente de saída, que deve ser senoidal e com baixa distorção harmônica, a tensão do barramento CC de entrada, que se deve manter regulada e com a ondulação projetada, e a componente média de corrente no primário do transformador, para se evitar que esse último sature. Inicialmente faz-se uma breve introdução sobre o uso da energia eólica, logo em seguida, estuda-se o estágio de potência, malhas de controle e compensadores utilizados e, por fim, implementa-se um protótipo para que seja feita a comprovação experimental de toda a teoria desenvolvida. vi

8 Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. SINGLE-PHASE INVERTER APPLIED AT CONNECTION OF A WIND POWER GENERATOR TO THE ELECTRIC GRID: STUDY, PROJECT AND IMPLEMENTATION Mateus Costa Maccarini March/2009 Advisor: Ivo Barbi, Dr. Ing. Area of Concentration: Power Electronics Key words: Wind Power, Single-Phase Inverter, Three-Level. Number of Pages: xxv The aims of this work are the study, design and implementation of a dc/ac converter for the connection of a wind power generator to the electric grid. It makes use of a single-phase inverter, with three-level PWM modulation, connected to the grid through a low frequency transformer. Three distinct variables are controlled in the converter: the output current, that must be sinusoidal and present low harmonic distortion, the DC link voltage, that must be regulated and within the designed ripple, and the average current component in the primary winding of the transformer, what prevents it from saturating. Initially, a brief introduction on the use of the wind power is performed. Afterwards, studies of the power structure, control models and employed compensators. Finally, a prototype is assembled and tested to validate through experimental results all developed theoretical analysis and design. vii

9 Sumário 1 Introdução Geral Introdução Aerodinâmica Tipos de Aerogeradores A Potência do Vento Potência de Saída de uma Turbina Eólica Ideal Cálculo do Coeficiente de Potência Sistema de Geração de Energia Eólica Considerações Sobre Conexão com a Rede Elétrica Regulação da Tensão Resposta a Perturbações de Tensão Resposta a Perturbações de Freqüência Harmônicas de Corrente Islanding Conclusão Inversor Ponte Completa Monofásico Conectado à Rede Introdução viii

10 2.2 Modulação Modulação a Dois Níveis Etapas de Operação Característica Estática Indutor de Saída Modulação a Três Níveis Etapas de Operação Característica Estática Indutor de Saída Capacitância de Entrada Conclusão Controle do Inversor Conectado à Rede Introdução Funções de Transferência do Inversor Função de Transferência do Inversor para a Malha da Corrente de Saída Função de Transferência do Inversor para a Malha de Tensão CC de Entrada Controle da Corrente de Saída Compensador da Corrente de Saída Ganho do Sensor de Corrente Ganho do Modulador Controle da Tensão CC de Entrada Compensador de Tensão Ganho do Sensor de Tensão ix

11 3.4.3 Ganho da F T MF I (s) Conclusão Projeto dos Compensadores, Estágio de Potência e Circuitos Auxiliares Introdução Dimensionamento do Estágio de Potência Transformador Principal Indutor Capacitor Semicondutores Projeto dos Compensadores Compensador da Corrente de Saída Compensador de Tensão Compensador de Corrente Média no Primário Transformador Auxiliar Circuito de Limitação da Corrente de Pré-carga Referência de Corrente Sensores de Corrente Sensor de Tensão Multiplicador Circuito Somador Condicionador de Sinal Circuito de Proteção Contra Sobretensão Fontes de Alimentação Microcontrolador Conclusão x

12 5 Simulações e Resultados Experimentais Introdução Operação Como Retificador Operação Como Inversor Com uma Fonte de Tensão Contínua na Entrada Com o Gerador na Entrada Conclusão Conclusão Geral 101 Apêndices 104 A Planilha MathCAD Três Níveis 105 B Ensaios Realizados no Transformador 120 C Projeto Físico do Indutor 126 D Código Fonte 130 E Diagrama Esquemático Completo 142 Referências Bibliográficas 153 xi

13 Lista de Figuras 1.1 Típico moinho de vento europeu. (Fonte: World Wind Energy Association - WWEA) Capacidade global instalada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) Capacidade global acumulada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) (a) Dez maiores produtores de energia eólica do mundo, (b) Dez países que mais instalaram usinas eólicas em (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) Capacidade global instalada - distribuição regional. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) Forças de sustentação e arrasto num aerofólio estacionário Sustentação e arrasto em um aerofólio em translação Definição de ângulo de passo θ P e de ataque γ Exemplos de turbinas: (a) Darrieus (vista frontal), (b) Eixo horizontal (vista frontal) e (c) Savonius (vista superior) Composição de um aerogerador de grande porte. (Fonte: World Wind Energy Association - WWEA) Fluxo de ar atravessando o disco atuador Velocidade e pressão do vento no volume de controle xii

14 1.13 Gráfico que representa o comportamento do coeficiente de potência quando varia-se o fator a Eficiência da turbina em função da razão de velocidades na ponta das pás Potência extraída da turbina ENERSUD GERAR246 em função da rotação da hélice para algumas velocidades do vento Diagrama de blocos do sistema eólico de pequeno porte Destaque para o objetivo do trabalho Inversor monofásico ponte completa Limites estabelecidos pela norma ANSI C84.1, Range A[1] Esquema do inversor ponte completa monofásico Modulação a dois níveis Modulação a três níveis Modulador a dois níveis Primeira etapa de operação Segunda etapa de operação Principais formas de onda para a modulação PWM a dois níveis Variação da razão cíclica em função de meio período da rede para alguns valores de M Variação da ondulação de corrente normalizada em função de meio período da rede para alguns valores de M Modulador a três níveis Primeira e terceira etapa de operação Segunda etapa de operação Quarta etapa de operação Principais formas de onda para a modulação PWM a três níveis xiii

15 2.15 Variação da razão cíclica em função de meio período da rede, para alguns valores de M Variação da ondulação de corrente normalizada em função de meio período da rede para alguns valores de M Comportamento da corrente no capacitor durante as etapas de operação do inversor para modulação PWM a três níveis. (a) Primeira e terceira etapas; (b) Segunda etapa; (c) Quarta etapa Forma de onda da corrente no capacitor para a modulação PWM a três níveis Formas de onda de tensão e corrente no capacitor Diagrama de blocos de controle do inversor Tensão v ab (t) para a operação a três níveis Modelo elétrico equivalente Modelo elétrico equivalente referenciado Circuito equivalente do inversor operando sem corrente na entrada Diagrama de blocos do controle da corrente (a) estrutura do controlador de corrente. (b) diagrama de Bode assintótico da função de transferência do compensador Diagrama de Bode do compensador utilizado e do que seria desejado Pulsos gerados pelo modulador de três níveis Diagrama de blocos do controle da tensão Estrutura do controlador de tensão Sensor de tensão Transformador principal Circuito equivalente do transformador principal Esquema do inversor Semikron xiv

16 4.4 FTMA da corrente de saída (a) estrutura do controlador de corrente. (b) diagrama de Bode assintótico da função de transferência do compensador Diagrama de Bode da F T MA I (s) (a) estrutura do controlador de corrente modificado. (b) diagrama de Bode assintótico da função de transferência do compensador modificado Diagrama de Bode da F T MA I (s) utilizando o controlador modificado FTMA da tensão de entrada (a) estrutura do controlador de tensão. (b) diagrama de Bode assintótico da função de transferência do compensador Resposta em freqüência da F T MA V (s) Implementação do compensador de corrente média do primário do transformador Esquema do transformador auxiliar Estágios da partida do inversor Circuito de pré-carga do capacitor Circuito de partida suave (a) Saída do compensador de tensão (V V cont ). (b) Referência de corrente. (c) Saída do compensador de corrente (V Icont ). (d) Saída do circuito de auxílio à partida suave Circuito comparador Circuito de auxílio a partida suave Circuito de geração da referência de corrente Medidor de corrente do secundário do transformador Medidor de corrente do primário do transformador Medidor da tensão do barramento CC xv

17 4.24 Circuito multiplicador Circuito para a compensação do ganho do multiplicador Circuito somador não inversor Circuito amplificador inversor Circuito subtrator Circuito de proteção contra sobretensões Circuito das fontes auxiliares Diagrama de blocos do inversor juntamente com o microcontrolador Fluxograma da rotina principal Fluxograma da interrupção do PWM e da rotina do barramento CC carregado Fluxograma das interrupções de alta prioridade Circuito de potência simulado para a operação como retificador Circuito de controle simulado Processo de inicialização. (a) Simulação. (b)resultado experimental Corrente e tensão de saída: (a) simulação; (b)resultado experimental Tensão entre os pontos a e b e de entrada: (a) simulação; (b) resultado experimental Circuito de potência simulado para a operação como inversor Circuito de teste para a operação como inversor Corrente e tensão de saída: (a) simulação; (b) resultado experimental Comparação das harmônicas de corrente com a norma IEEE Corrente e tensão no primário do transformador: (a) simulação; (b) resultado experimental Tensão entre os pontos a e b e de entrada: (a) simulação; (b) resultado experimental xvi

18 5.12 Curva de rendimento Comportamento da THD da corrente de saída em função da potência de saída Esquema de ligação do gerador com o inversor Gerador simulado Corrente e tensão de saída. (a) Simulação. (b)resultado experimental Corrente e tensão de linha no gerador. (a) Simulação. (b)resultado experimental E.1 Foto do Protótipo: 1) Inversor Semikron SKS 50 B6U+B2CI 10 V6 ; 2) Placa de controle; 3) Fontes auxiliares; 4) Transformador auxiliar; 5) Transformador principal; 6) Sensor Hall1 e Relé de pré-carga; 7) Chave seccionadora; 8)Indutor; 9) Sensor de tensão e sensor Hall2 ; 10) Resistor de pré-carga xvii

19 Lista de Tabelas 1.1 Especificações da turbina ENERSUD GERAR Constantes empíricas Especificações do inversor Resposta a anormalidades da tensão (IEEE 1547) Resposta do sistema para perturbações de freqüência (base 60 Hz) para IEEE Máxima distorção harmônica de corrente em porcentagem da fundamental (IEEE 1547) Parâmetros do transformador principal Requisitos para o capacitor de entrada Capacitores utilizados Esforços nos semicondutores medidos via simulação numérica Especificações dos semicondutores utilizados Especificações do inversor utilizado Componentes utilizados no compensador de corrente Componentes utilizados no compensador de tensão Especificações do sensor de corrente do secundário do transformador Especificações do sensor de corrente do primário do transformador xviii

20 4.11 Principais características do PIC18F Indicações dos LEDs Análise dos resultados experimentais para a operação como retificador Análise dos resultados experimentais para a operação como inversor Parâmetros simulados do gerador de fluxo axial a imã permanente Resultados experimentais Resultados experimentais e simulados xix

21 Nomenclatura Abreviaturas a.c. A/D Antes de Cristo Analog to Digital BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social CA CC Corrente Alternada Corrente Contínua EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory FAE FAIP Fonte Alternativa de Energia Fluxo Axial à Ímã Permanente FRIP Fluxo Radial à Ímã Permanente FTMA Função de Transferência de Malha Aberta IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor INEP Instituto de Eletrônica de Potência LED Light Emitting Diode MME Ministério das Minas e Energia PCC Ponto de Conexão Comum xx

22 PFC PI PIC Power Factor Correction (Correção do Fator de Potência) Proporcional Integral Peripheral Interface Controller PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulsos) UFSC Universidade Federal de Santa Catarina WWEA World Wind Energy Association Símbolos I Lb Ondulação de corrente na indutância de saída do inversor A V Cp Ondulação de tensão no barramento CC do inversor V ɛ I Sinal de erro da malha de controle da corrente de saída V ɛ V Sinal de erro da malha de controle da tensão de entrada V η Rendimento γ Ângulo de ataque da hélice rad λ Razão de velocidades na ponta das pás rad ω R Velocidade angular da turbina rad/s I Lb Ondulação parametrizada de corrente na indutância de saída do inversor ρ Densidade do ar kg/m 3 θ P Ângulo de passo da hélice rad ϕ m Margem de fase o a Fator de interferência do fluxo axial A D Área do disco atuador m 2 A R Área do rotor m 2 xxi

23 A + Área antes do disco atuador m 2 A Área depois do disco atuador m 2 C I (s) Compensador da corrente de saída C P Coeficiente de potência C V (s) Compensador de tensão C in Capacitância de entrada do inversor F D Razão cíclica D 1,2,3,4 Diodos do inversor E c Energia cinética J f c Freqüência de cruzamento Hz F D Empuxo axial na turbina N f R Freqüência da rede elétrica Hz f S Freqüência de comutação Hz f Ip1 Freqüência do pólo 1 do compensador de corrente da saída Hz f Ip2 Freqüência do pólo 2 do compensador de corrente da saída Hz f Iz Freqüência do zero do compensador de corrente da saída Hz F T MA I (s) Função de Transferência de Malha Aberta da corrente de saída F T MA V (s) Função de Transferência de Malha Aberta da tensão de entrada F T MF I (s) Função de Transferência de Malha Fechada para o controle da corrente de saída g Aceleração da gravidade m/s 2 H I (s) Função de transferência do inversor para a malha de controle da corrente de saída H V (s) Função de transferência do inversor para a malha de controle de tensão Hall1 Sensor de corrente do secundário do transformador Hall2 Sensor de corrente do primário do transformador xxii

24 I Bcc Corrente no barramento CC A I Cmpc Corrente média no capacitor de entrada para um período de comutação A I Cp Corrente de pico no capacitor de entrada A I in Corrente de entrada do inversor A I Lb Corrente na indutância de saída A I linha Corrente de no gerador A I op Corrente de pico na saída A I P pc Corrente no primário do transformador durante a pré-carga A K Hall1 Ganho do sensor Hall1 K Mv Ganho do sensor de tensão K P W M Ganho do modulador PWM L b Indutância de saída do inversor H M Índice de modulação m Massa kg N P Número de espiras do primário do transformador N S Número de espiras do secundário do transformador P Potência W P D Potência extraída do vento pelo disco atuador W P V Potência do vento W p Pressão atmosférica Pa p Dj Pressão à jusante do disco atuador Pa p Dm Pressão à montante do disco atuador Pa P o Potência de saída do inversor W Q 1,2,3,4 Interruptores do inversor xxiii

25 R R Raio do rotor m R P C Resistor de pré-carga Ω t Tempo s T S Período de comutação s V Velocidade m/s V in Tensão de saída do sensor de tensão V V D Velocidade do vento no disco atuador m/s v o (t) Tensão da rede elétrica V V V Velocidade do vento m/s V ab Tensão entre os pontos a e b do inversor V V ce Tensão coletor emissor do IGBT V V Hall1 Tensão de saída do sensor Hall1 V Hall2 Tensão de saída do sensor Hall2 V ICCcont Tensão de saída do compensador de corrente média V V V V Icont Tensão de saída do compensador de corrente de saída V V in Tensão de entrada do inversor V V IRefp Valor de pico da referência da corrente de saída V V Iref Referência da corrente de saída V V linha Tensão de linha no gerador V V op Tensão de pico da rede elétrica V V o Tensão eficaz da rede elétrica V V P prim Tensão de pico no primário do transformador V V tri Tensão de pico do sinal da triangular V V V cont Tensão de saída do compensador de tensão V xxiv

26 V V j Velocidade do vento depois da turbina m/s V V ref Referência da tensão de entrada V X C Impedância capacitiva Ω xxv

27 Capítulo 1 Introdução Geral O vento e as ondas estão sempre a favor do navegador habilidoso. Edward Gibbon 1.1 Introdução O uso da energia contida nos ventos não é recente, pois os europeus chegaram às Américas utilizando caravelas que eram movidas pelo vento. Muitos países prosperaram no período das grandes navegações utilizando a energia eólica. Em terra, tem-se notícias que o imperador da Babilônia Hammurabi planejou o uso de turbinas eólicas para irrigação em 1700 a.c.[2]. Na Europa, os moinhos de vento surgiram na idade média. Eles eram usados para moer grãos, serrar madeira e mover ferramentas em geral[3]. Um típico moinho de vento europeu está ilustrado na figura 1.1. Figura 1.1: Típico moinho de vento europeu. (Fonte: World Wind Energy Association - WWEA)

28 1. Introdução Geral 2 A Dinamarca foi o primeiro país a utilizar o vento para geração de eletricidade. Em 1890 os dinamarqueses já utilizavam turbinas eólicas de 23 m de diâmetro para gerar eletricidade. Em 1910 inúmeras unidades com capacidade de 5 a 25 kw estavam em operação na Dinamarca[2]. Atualmente o uso da energia eólica vem crescendo cada vez mais ano após ano. Em 2007 foram instalados mais de 20 GW em energia eólica, liderados pelos Estados Unidos, China e Espanha, aumentando a capacidade global instalada para mais de 94 GW, como pode ser visto nos gráficos das figuras 1.2, 1.3 e 1.4b. CAPACIDADE GLOBAL INSTALADA POR ANO MW Figura 1.2: Capacidade global instalada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) CAPACIDADE GLOBAL ACUMULADA POR ANO MW Figura 1.3: Capacidade global acumulada por ano. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC )

29 1. Introdução Geral 3 Resto do Mundo Portugal Reino Unido França Itália Alemanha Resto do Mundo Canadá Reino Unido Portugal Itália França EUA Dinamarca Alemanha China EUA Índia Índia Espanha Espanha China MW % Alemanha , 6 EUA , 9 Espanha , 1 Índia , 5 China , 4 Dinamarca , 3 Itália , 9 França , 6 Reino Unido , 5 Portugal , 3 Resto do Mundo , 8 Total Dez Maiores ,2 Total ,0 (a) MW % EUA , 1 Espanha , 5 China , 2 Índia , 6 Alemanha , 3 França 888 4, 4 Itália 603 3, 0 Portugal 434 2, 2 Reino Unido 427 2, 1 Canadá 386 1, 9 Resto do Mundo , 6 Total Dez Maiores ,4 Total ,0 (b) Figura 1.4: (a) Dez maiores produtores de energia eólica do mundo, (b) Dez países que mais instalaram usinas eólicas em (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC ) No ano de 2007 os Estados Unidos aumentaram sua capacidade instalada em 45%, totalizando agora 16 GW de capacidade. A China adicionou mais 3,5 GW, em 2007 somando mais de 6 GW de instalações eólicas. Já na Europa, a Espanha teve o maior crescimento, adicionando 3,5 GW, ficando em terceiro lugar no ranking global com uma capacidade instalada de mais de 15 GW, como é apresentado na figura 1.4a. A figura 1.5 apresenta a capacidade global instalada em energia eólica dividida por regiões. No Brasil o uso da energia eólica está apenas no início. Criado em 2002, o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA), programa criado pelo Ministério das Minas e Energia (MME), estabelece a contratação de 1,1GW em capacidade eólica instalada. Com o auxílio do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) uma linha de crédito financiará até 70%, da obra cabendo aos investidores garantir 30% por capital próprio.

30 1. Introdução Geral 4 CAPACIDADE GLOBAL INSTALADA (MW) - DISTRIBUIÇÃO REGIONAL Total em 2006 Novo 2007 Total em 2007 ÁFRICA & ORIENTE MÉDIO ÁSIA EUROPA AMÉRICA LATINA & CARIBE AMÉRICA DO NORTE OCEANIA Egito Morrocos Irã Tunísia Outros Total Índia China Japão Taiwan Coréia do Sul Filipinas Outros Total Alemanha Espanha Dinamarca Itália França Reino Unido Portugal Holanda Áustria Grécia Irlanda Suécia Noruega Bélgica Polônia Resto da Europa Total Europa Somente EU Brasil México Costa Rica Caribe (Sem Jamaica) Argentina Colombia Jamaica Chile Cuba Total EUA Canadá Total Austrália Nova Zelândia Melanésia, Micronésia e Polinésia Total Total no Mundo Cabo Verde, Israel, Jordânia, Nigéria, África do Sul; 2 Bangladesh, Indonésia, Sri Lanka; 3 Bulgária, Croácia, Chipre, República Tcheca, Estônia, Ilhas Faroé, Finlandia, Húngria, Islândia, Letônia, Liechtenstein, Lituânia, Luxemburgo, Malta, Noruega, Romênia, Rússia, Eslováquia, Eslovênia, Suíça, Ucrânia; 4 Áustria, Bégica, Bulgária, Chipre, República Tcheca, Dinamarca, Estônia, Finlandia, França, Alemanha, Grécia, Hungria, Irlanda, Itália, Letônia, Lituânia, Luxemburgo, Malta, Holanda, Polônia, Portugal, Romênia, Eslováquia, Eslovênia, Espanha,S uécia, Reino Unido; Figura 1.5: Capacidade global instalada - distribuição regional. (Fonte: Global Wind Energy Council - GWEC )

31 1. Introdução Geral 5 O conselho da World Wind Energy Association (WWEA) atribuiu ao Brasil o prêmio World Wind Energy Award 2007 pela implementação do PROINFA. Até 2008 o nosso país terá uma capacidade total instalada de 1,423 GW. Atualmente temos 237 MW (figura 1.5), dos quais 208 MW foram instalados com o auxílio do PROINFA em 2006[4]. Neste capítulo introdutório serão tratadas algumas generalidades acerca da energia eólica e sobre o sistema que será utilizado neste trabalho. A seguir, são apresentados alguns conceitos básicos sobre aerodinâmica, energia cinética do vento, rendimento das turbinas e também uma revisão sobre o gerador utilizado. 1.2 Aerodinâmica Existem basicamente duas forças que atuam sobre um perfil imerso em um fluido em movimento: sustentação e arrasto. A força de sustentação é perpendicular ao fluxo do fluido, já a de arrasto tem a mesma direção e sentido do fluxo, como pode ser visto na figura 1.6. Sustentação Fluxo Arrasto Figura 1.6: Forças de sustentação e arrasto num aerofólio estacionário. A força de sustentação existe somente quando há escoamento laminar sobre o aerofólio, Direção do Vento isto é, o fluido percorre suavemente a superfície do perfil. Fluxo turbulento faz com que se F Movimento 1 Sustentação anule a força de sustentação e aumente o arrasto. Relativo do Aerofólio Sobre o aerofólio, o ar possui uma velocidade maior do que na parte inferior, essa diferença Vento Relativo de velocidade faz com que a pressão seja menor na parte superior do perfil. Tendo-se uma Arrasto pressão reduzida acima do aerofólio, acaba surgindo uma força perpendicular ao fluxo de ar chamada sustentação. Em uma turbina eólica que utiliza a força de sustentação para gerar eletricidade, as forças de arrasto são indesejáveis e essas devem ser reduzidas ao máximo a fim de melhorar a eficiência da turbina. F 2 Direção do Vento Vento Relativo γ Movimento da Pá

32 Sustentação Fluxo Arrasto 1. Introdução Geral 6 Quando é permitido o movimento do aerofólio, a sua translação combina-se com o movimento do ar para gerar o que é chamado de vento relativo. A força de sustentação é perpendicular ao vento relativo como pode ser observado na figura 1.7[2]. Direção do Vento Vento Relativo Movimento Relativo do Aerofólio F 1 Sustentação Arrasto F 2 Figura 1.7: Sustentação e arrasto em um aerofólio em translação. Direção do Vento Sustentação Vento Relativo Bordo de Ataque Movimento da Pá Na decomposição da força de arrasto eγ de sustentação, encontram-se as forças F 1 e F 2, Fluxo figura 1.7. A força F 1 está na direção do movimento de translação e é a que realiza trabalho. A força F 2 tem a mesma direção que o vento. Essa última é utilizada para projetar-se a estrutura do aerogerador. Arrasto Corda Direção do Vento A figura 1.8 apresenta alguns termos que caracterizam um aerofólio. A parte mais à frente Plano de Rotação Sustentação Bordo de Fuga e a parte posterior são chamadas respectivamente Relativo do de bordo de ataque e bordo de fuga. A Vento Relativo Movimento Aerofólio linha que liga o bordo de ataque ao de fuga chama-se corda. O plano de rotação, é o plano que a ponta da hélice descreve no espaço. Obtém-se a potência máxima em um aerogerador, quando o plano de rotação é perpendicular à direção do vento. O ângulo de ataque, γ, é definido como o ângulo entre o vento relativo e a corda. Finalmente tem-se o ângulo de passo, θ P, que é o ângulo entre a corda e o plano de rotação. F 1 Arrasto F 2 Direção do Vento P Vento Relativo γ Movimento da Pá Bordo de Ataque Corda Plano de Rotação Bordo de Fuga Figura 1.8: Definição de ângulo de passo θ P e de ataque γ.

33 1. Introdução Geral 7 O ângulo de ataque é dinâmico e varia com a velocidade da hélice e do vento. As forças de sustentação e arrasto possuem valores ótimos para apenas um ângulo de ataque, logo, uma hélice eficiente deve possuir uma certa torção para manter um quase constante ângulo de ataque do centro até a ponta[2]. 1.3 Tipos de Aerogeradores As turbinas eólicas dividem-se basicamente em duas categorias: as de eixo vertical (figura 1.9a e 1.9c) e as de eixo horizontal (figura 1.9b). Existem basicamente duas configurações para aerogeradores de eixo vertical: a Darrieus e Savonius. As turbinas de eixo horizontal diferem-se entre si pelo número de pás. Figura 1.9: Exemplos de turbinas: (a) Darrieus (vista frontal), (b) Eixo horizontal (vista frontal) e (c) Savonius (vista superior).

34 1. Introdução Geral 8 O conceito de turbina do tipo Savonius diferencia-se das demais basicamente por utilizar a força de arrasto ao invés da de sustentação. Essas turbinas tem essencialmente dois problemas: baixo rendimento e a dificuldade de proteção contra rajadas de vento. Ela é utilizada apenas em pequenas aplicações. Turbinas de eixo horizontal utilizam a força de sustentação. Dentre essas turbinas, as de três pás são as que apresentam maior eficiência. Essa é a topologia utilizada nos aerogeradores de grande porte. Os principais componentes de uma grande turbina eólica são apresentados na figura Figura 1.10: Composição de um aerogerador de grande porte. (Fonte: World Wind Energy Association - WWEA) A turbina Darrieus, assim como as de eixo horizontal, também utiliza a força de sustentação. Apesar de algumas vantagens estruturais, esse tipo de aerogerador não alcançou a de eixo horizontal no custo da energia produzida[3].

35 1. Introdução Geral A Potência do Vento Para se transformar a energia contida no vento em energia elétrica é necessário fazer o uso de turbinas eólicas. A energia cinética do vento é capturada e transformada em movimento rotacional através das hélices da turbina eólica. Na equação 1.1 tem-se a definição de energia cinética[5]. E c = 1 2.m.V 2 (1.1) Potência é a taxa de variação da energia durante um certo intervalo de tempo. Dividindose a equação 1.1 pelo tempo, obtém-se a expressão da potência. P = 1 2.m.V 2 t (1.2) Conhecendo-se a densidade do ar e a área de varredura do rotor da turbina eólica, tem-se 1.3. m t = ρ.a R.V (1.3) A expressão da potência contida no vento, exposta na equação 1.4, é conseguida substituindose 1.3 em 1.2. P V = 1 2.ρ.A R.V 3 V (1.4) A equação 1.4 representa a potência contida no vento, a qual varia linearmente com a densidade e com o cubo da velocidade do ar. Nem toda a potência do vento pode ser extraída pelas pás do aerogerador, pois parte dela é perdida com o ar que atravessa a turbina. 1.5 Potência de Saída de uma Turbina Eólica Ideal Será utilizado o modelo do disco atuador para a determinação do máximo rendimento alcançado por uma turbina eólica. Esse modelo consiste em substituir o aerogerador por um

36 1. Introdução Geral 10 dispositivo genérico ideal que extrai a energia cinética do vento. Apresenta-se na figura 1.11 o modelo utilizado para análise da hélice idealizada. V V A + Fronteira das Linhas de Corrente A D Volume de Controle A - V Vj Figura 1.11: Fluxo de ar atravessando o disco atuador. Em relação à hélice, o escoamento à montante está a uma velocidade V V e na pressão ambiente e, à jusante, a velocidade é V V j e retorna a pressão ambiente. Para conservar a continuidade da vazão em massa para dentro do volume de controle[6], a área A + deve ser menor que a área do disco atuador A D e essas duas são menores que a área da seção transversal A. Ao atravessar o disco atuador o vento sofre uma queda de velocidade de V V V V j. Então, o empuxo axial existente em uma turbina pode ser dado pela equação 1.5. F D = (V V V V j ).ρ.a D.V D (1.5) No disco da turbina a velocidade do vento é desacelerada para V D = (1 a).v V onde a é conhecido como fator de interferência do fluxo axial. O empuxo axial é gerado pela queda de pressão que ocorre à jusante da turbina e é dado pela equação 1.6. F D = (p Dm p Dj ).A D = (V V V V j ).ρ.a D.V V.(1 a) (1.6)

37 1. Introdução Geral 11 A figura 1.12 ilustra a distribuição da velocidade e da pressão do vento através do volume de controle. V V Velocidade p Dm V D Volume de Controle p Pressão V Vj p p Dj Figura 1.12: Velocidade e pressão do vento no volume de controle. A equação de Bernoulli pode ser aplicada para determinar a queda de pressão através do disco. Esta equação afirma que, sob condições estáticas, a energia contida em um fluxo mantém-se constante se nenhum trabalho for realizado no fluido[7]. Pode-se aplicá-la no volume de controle da figura 1.12 antes e depois do disco atuador, pois apenas é realizado trabalho no disco. Logo, tem-se 1.7 e ρ.V 2 D + p Dm + ρ.g.h = 1 2.ρ.V 2 V + p + ρ.g.h (1.7) 1 2.ρ.V 2 D + p Dj + ρ.g.h = 1 2.ρ.V 2 V j + p + ρ.g.h (1.8) A variável g é a aceleração da gravidade e p é a pressão atmosférica. equações 1.7 e 1.8 obtém-se a expressão 1.9. A partir das (p Dm p Dj ) = 1 2.ρ.(V 2 V V 2 V j) (1.9)

38 1. Introdução Geral 12 Substituindo-se a expressão 1.9 em 1.6, tem-se a equação V V j = V V.(1 2.a) (1.10) A partir de 1.5 e 1.10, o empuxo axial no disco atuador no fluxo de ar é dado pela expressão F D = 2.ρ.A D.V 2 V.a.(1 a) (1.11) Fazendo-se o produto entre a velocidade do vento no disco atuador (V D = (1 a).v V ) e o empuxo axial da turbina (equação 1.11), tem-se na expressão 1.12 a potência extraída do vento. P D = F D.V D = 2.ρ.A D.VV 3.a.(1 a) 2 (1.12) Uma maneira convencional de caracterização da habilidade da turbina eólica de capturar a energia do vento é o coeficiente de potência (C P ), que por definição, é a razão entre a potência extraída pelo aerogerador e a potência do vento, como é exposto na equação C P = P D P V (1.13) Aplicando-se 1.4 e 1.12 em 1.13, tem-se a definição do coeficiente de potência em C P = 4.a.(1 a) 2 (1.14) O gráfico do coeficiente de potência versus o fator de interferência a é apresentado na figura O máximo valor de C P, conhecido como limite Betz que foi o primeiro a deduzir este resultado e a mostrar a máxima eficiência teórica, é C P max = 0, 593 e ocorre para um fator a = 1 3. O coeficiente de potência das turbinas eólicas da atualidade chega no máximo a 0, 45, bem abaixo do limite teórico.

39 1. Introdução Geral C P a Figura 1.13: Gráfico que representa o comportamento do coeficiente de potência quando varia-se o fator a Cálculo do Coeficiente de Potência Neste trabalho será utilizado um aerogerador da marca ENERSUD modelo GERAR246. Esse possui um gerador síncrono de fluxo axial à ímã permanente com potência de 1 kw e 14 pólos. Além disso, é dotado de um sistema de segurança que reduz a velocidade da turbina em dois terços, quando a velocidade do vento atinge 16 m/s. São apresentadas na tabela 1.1 as principais características técnicas da turbina e do gerador[8]. Tabela 1.1: Especificações da turbina ENERSUD GERAR246. Parâmetro Valor Diâmetro 2,46 m Potência (Vento a 12 m/s) 1000 W Início da Rotação Vento a 2,2 m/s N o de Pás 3 Sistema Elétrico Trifásico N o de Pólos do Gerador 14 Tensão de Linha no Gerador (700 rpm) 75 V rms Freqüência (700 rpm) 80 Hz

40 1. Introdução Geral 14 Para estimativa do coeficiente de potência da turbina utilizada neste trabalho, será empregada a expressão empírica 1.15[9]. C P (λ, θ P ) = c 1.(c 2 c 3.θ P c 4.θ x P c 5 ).e c6 (1.15) A variável θ P é o ângulo de passo da hélice e λ é conhecido como razão de velocidades na ponta das pás (tip speed ratio) que é dada pela equação λ = ω R.R R V V (1.16) Tendo-se os valores típicos das constantes da equação 1.15 na tabela 1.2[9] juntamente com os dados da turbina eólica que será utilizada neste trabalho (tabela 1.1), foi traçado o gráfico da figura 1.14, que mostra a variação do coeficiente de potência da turbina em função da razão de velocidades na ponta das pás. Pode-se perceber que o máximo rendimento que poderá ser alcançado pela turbina será C P = 0, Tabela 1.2: Constantes empíricas. c 1 c 2 c 3 c 4 c 5 c 6 x θ P 0, 5 116/λ 1 0, /λ 1 1, 5 10 o O coeficiente λ 1 está representado na equação λ 1 = 1 λ + 0, 08.θ P 0, 035 θ 3 P + 1 (1.17) A partir da figura 1.14, pode-se concluir que, para se operar com a máxima eficiência possível da turbina eólica é necessário manter-se a razão de velocidades na ponta das pás constante. Como essa última obedece a equação 1.16, verifica-se que, como o raio do rotor (R R ) e a velocidade do vento (V V ) não são possíveis de serem alteradas, a única variável que pode ser controlada para se manter a turbina no ponto de máxima potência é a velocidade angular da turbina (ω R ).

41 1. Introdução Geral C P [rad] Figura 1.14: Eficiência da turbina em função da razão de velocidades na ponta das pás. Como pode ser observado na figura 1.15, para cada velocidade do vento existe uma velocidade angular que faz a turbina operar em um ponto ótimo. Uma estratégia de controle bem projetada irá buscar sempre a maior potência da turbina eólica. Como o ponto de máxima potência varia com a velocidade do vento, a rotação deve ser continuamente ajustada para se extrair a maior potência possível do aerogerador. Potência (W) m/s 11m/s 10m/s 9m/s 8m/s 7m/s 6m/s 5m/s rrpm Figura 1.15: Potência extraída da turbina ENERSUD GERAR246 em função da rotação da hélice para algumas velocidades do vento.

42 1. Introdução Geral Sistema de Geração de Energia Eólica O sistema eólico proposto é formado pelos componentes apresentados na figura A seguir, faz-se uma breve descrição de cada bloco do diagrama. Vento CA/CC CC/CA Gerador Rede Turbina Figura 1.16: Diagrama de blocos do sistema eólico de pequeno porte. Turbina Eólica: Esse componente do sistema já foi estudado neste capítulo. Gerador Elétrico: Para se transformar a energia mecânica do vento captada pela turbina em elétrica, faz-se necessário o uso de um gerador. O sistema que será utilizado nesse trabalho, é uma máquina de Fluxo Axial à Ímã Permanente (FAIP), que é uma alternativa às máquinas de Fluxo Radial à Ímã Permanente (FRIP) por serem mais compactas e possuírem maior densidade de potência. As máquinas FAIP podem operar como pequenos ou médios geradores. A facilidade para acomodar um grande número de pólos nas máquinas FAIP, faz com que esses geradores sejam ótimos em aplicações de baixa velocidade, como por exemplo, em turbinas eólicas[10]. Conversor CA/CC: O uso do gerador FAIP faz com que a tensão e a freqüência na sua saída variem com a rotação da turbina. Dessa forma, faz-se necessário se utilizar um conversor CA/CC que transforme a tensão alternada do gerador em contínua e faça o rastreamento da máxima potência da turbina. Devido às especificações do inversor utilizado nesse trabalho, esse estágio também realizará a elevação da tensão do barramento CC. Conversor CC/CA: O conversor CC/CA transforma a corrente CC do estágio anterior em alternada e a transfere para a rede elétrica. O objetivo do trabalho é o projeto desse último estágio, apresentado no diagrama de blocos da figura 1.15, ou seja, o projeto

43 1. Introdução Geral 17 de um conversor CC/CA para a conexão do gerador eólico à rede elétrica. Para tanto, será utilizado um inversor de tensão monofásico, como o apresentado na figura 1.17, com um transformador elevador de tensão na saída do mesmo. Objetivo do Trabalho L b Vento CA/CC C in N P N S Gerador Inversor Rede Turbina Figura 1.17: Destaque para o objetivo do trabalho. A topologia escolhida para o inversor é a apresentada na figura Trata-se de um inversor monofásico ponte completa. O transformador de saída, eleva a tensão de saída para um nível adequado e provê isolação galvânica ao gerador eólico, fazendo com que o sistema seja mais seguro. Q 1 D 1 Q 3 D 3 V in a b L b N P N S v out(t) Q 2 D 2 Q 4 D 4 Figura 1.18: Inversor monofásico ponte completa. Definidos os objetivos do trabalho e a topologia a ser utilizada, são necessárias as especificações do projeto, que são apresentadas na tabela 1.3. Tabela 1.3: Especificações do inversor. Parâmetro Potência de saída Freqüência de comutação Tensão CC de entrada Tensão de saída Freqüência de saída Modulação Sistema Elétrico Valor 1 kw 20 khz 100 V 220 V rms 60 Hz 3 Níveis Monofásico

44 1. Introdução Geral 18 Para que o inversor opere da maneira desejada, é necessário que sejam controladas algumas variáveis, as quais são descritas a seguir: Corrente de Saída: Apenas a corrente de saída do inversor será controlada, pois a tensão de saída é imposta pela rede elétrica local; Corrente no Primário do Transformador: A utilização do transformador na saída do inversor faz com que seja necessário o uso dessa malha de controle adicional, para eliminar a componente contínua de corrente no seu primário, evitando-se que ele sature; Tensão no Barramento CC: Essa variável é controlada para se manter o valor médio da tensão de entrada constante. O controle do fluxo de potência transferido para a rede elétrica é realizado pelo compensador de tensão do barramento CC. 1.7 Considerações Sobre Conexão com a Rede Elétrica A conexão de fontes de geração distribuídas de energia à rede elétrica requer que várias considerações sejam feitas, no sentido de se garantir segurança e confiabilidade na execução dessa tarefa. A norma IEEE 1547, Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, aprovada em 2003, trata sobre o projeto, comercialização e uso de fontes distribuídas de energia conectadas a rede elétrica[11]. Serão tratados, a seguir, alguns itens dessa norma Regulação da Tensão A Fonte Alternativa de Energia (FAE) 1 deve ser capaz de manter a tensão no Ponto de Conexão Comum (PCC) 2 regulada, ou seja, dentro de limites aceitáveis para a rede elétrica local. Segundo a norma IEEE 1547, a FAE não deve degradar a tensão da rede elétrica onde ela é conectada, mantendo-a dentro dos limites estabelecidos pela norma ANSI C84.1, Range A[12], ilustrados na figura FAE também pode ser uma fonte de geração de energia distribuída. 2 PCC é o ponto em que a fonte de energia é conectada ao sistema elétrico comercial. 3 Na figura 1.19 é utilizado um sistema base de 120 V. Qualquer tensão pode ser convertida para base 120 V dividindo-se a tensão atual pela razão de transformação para a base 120 V. Por exemplo, a razão de transformação para um sistema de 480 V é 480/120 ou 4, então 460 V medidos no sistema de 480 V deve ser 460/4 ou 115 V na base de 120 V.

45 1. Introdução Geral 19 VOLTAGE ON A 120 V BASE MAXIMUM VOLTAGE LIMIT - RANGE A V ALLOWABLE VOLTAGE DROP IN THE DISTRIBUTION FEEDER ALLOWBLE VOLTAGE DROP IN THE DISTRIBUTION TRANSFORMER AND LOW-VOLTAGE CONNECTIONS ALLOWBLE VOLTAGE DROP IN THE BUILDING WIRING FOR LIGHTING EQUIPMENT ALLOWBLE VOLTAGE DROP IN THE BUILDING WIRING FOR OTHER THAN LIGHTING EQUIPMENT 117 V SERVICE VOLTAGE LIMITS 114 V TOLERANCE LIMITS FOR LIGHTING EQUIPMENT 125 V TOLERANCE LIMITS FOR OTHER THAN LIGHTING EQUIPMENT 110 V 108 V Figura 1.19: Limites estabelecidos pela norma ANSI C84.1, Range A[1] Resposta a Perturbações de Tensão A FAE deve possuir sistemas de segurança que monitorem a tensão eficaz, de linha ou de fase, no PCC. Quando a medida enquadrar-se em algum dos limites estabelecidos na tabela 1.4, deve-se iniciar o processo de desconexão da FAE da rede elétrica local, no tempo de seccionamento especificado. Tempo de seccionamento é o tempo entre o início da perturbação e a desconexão da FAE. Tabela 1.4: Resposta a anormalidades da tensão (IEEE 1547). Potência da FAE Tensão (PCC) [%] Tempo de seccionamento [s] 30 kw V < 50 0, V < 88 2, < V < 120 1, V 0, Resposta a Perturbações de Freqüência Além de proteções contra perturbações de tensão, a FAE deve ser equipada também por sistemas que desconectem-na caso ocorram variações na freqüência fundamental da tensão da rede elétrica local. A tabela 1.5, apresenta os limites de variação da freqüência e seus respectivos tempos de seccionamento para uma FAE de até 30 kw. Nota-se que, para pequenas variações de freqüência, a FAE deve ser desconectada em até dez ciclos de rede.

46 1. Introdução Geral 20 Tabela 1.5: Resposta do sistema para perturbações de freqüência (base 60 Hz) para IEEE Potência da FAE Intervalo de freqüência [Hz] Tempo de Seccionamento [s] 30 kw > 60, 5 0, 16 < 59, 3 0, Harmônicas de Corrente Quando a FAE está alimentando cargas lineares, a distorção harmônica da corrente no PCC não deve ultrapassar os limites estabelecidos na tabela 1.6. Devem ser excluídas as harmônicas de corrente causadas pela distorção harmônica da tensão presente na rede elétrica sem a FAE[12]. Tabela 1.6: Máxima distorção harmônica de corrente em porcentagem da fundamental (IEEE 1547). Harmônicas Individuais (Ímpares) Valor [%] < 11 4, 0 11 h < 17 2, 0 17 h < 23 1, 5 23 h < 35 0, 6 35 h 0, 3 THD [%] 5, 0 Harmônicas Pares Limitadas em 25% das ímpares Corrente CC [%] 0, 5 A corrente base utilizada na tabela 1.6 é a maior demanda integrada de corrente (15 ou 30 minutos) na rede elétrica local sem a FAE, ou a capacidade média de corrente da FAE (transferida ao PCC quando existe um transformador entre a FAE e a rede elétrica). Como é visto na tabela 1.6, a corrente CC injetada na rede elétrica é limitada em 0, 5%. A limitação de offset na corrente injetada serve para prevenir a saturação dos transformadores contidos no sistema elétrico de distribuição.

47 1. Introdução Geral 21 Como foi citado anteriormente, nesse projeto será utilizado um transformador para se fazer a conexão do inversor ao PCC. O uso desse componente elimina a possibilidade de injeção de corrente contínua na rede elétrica local Islanding Islanding é o fenômeno que ocorre quando há uma desenergização da rede elétrica no PCC de uma fonte de energia, e a mesma permanece alimentando as suas redondezas, fazendo com que exista uma ilha energizada com a rede elétrica local desligada. Segundo a norma IEEE 1547, a FAE deve possuir um sistema de segurança que detecte quando a mesma está ilhada e a desconecte em no máximo dois segundos. Os sistemas anti-islanding podem ser divididos basicamente em dois tipos: métodos passivos e ativos[1]: Nos métodos passivos, são monitoradas algumas variáveis no PCC. Assim que se detecte condições que indiquem a formação do islanding, a FAE é desconectada do sistema elétrico. Esse método baseia-se na incapacidade da FAE satisfazer uma mudança repentina na carga sem que haja um transitório na tensão e/ou freqüência de saída. Os métodos ativos, assim como os passivos, atuam diretamente no PCC. Esses métodos consistem em aplicar uma pertubação na rede elétrica e verificar o resultado. A partir dessa resposta, é determinado se o sistema está ou não ilhado. Um exemplo de método ativo anti-islanding consiste em aplicar um sinal de corrente diferente da freqüência da rede e verificar a tensão nesta freqüência. O islanding será detectado de acordo com a mudança da impedância do sistema. Na maioria dos casos, o fenômeno chamado islanding é indesejado em um sistema elétrico. Esse último pode arriscar a vida de operários que eventualmente tenham de fazer manutenção em uma rede que deveria estar desenergizada. 1.8 Conclusão Os principais tópicos pertinentes a este trabalho foram revisados neste capítulo. A situação da energia eólica no Brasil e no mundo foi abordada de forma sucinta, apresentando o ranking mundial dos maiores produtores dessa fonte alternativa de eletricidade.

48 1. Introdução Geral 22 O apelo mundial para redução das emissões dos gases causadores do efeito estufa faz com que a pesquisa e aperfeiçoamento da tecnologia utilizada na produção de energia elétrica, a partir do vento, esteja em evidência. O vento é gratuito, limpo e inesgotável. A exploração dessa e de outras fontes alternativas de energia elétrica é necessária para se poder frear o aquecimento global. No Brasil, um maior uso da energia eólica poderia eliminar o risco de apagão, ou a dependência da importação de combustíveis fósseis como o gás natural.

49 Capítulo 2 Inversor Ponte Completa Monofásico Conectado à Rede Não basta apreciar a beleza de um jardim, sem ter que imaginar que há fadas nele? Douglas Adams, O guia do mochileiro das galáxias 2.1 Introdução Como o objetivo deste trabalho é transferir potência ativa para a rede elétrica, uma estrutura que pode ser utilizada para a realização de tal tarefa é o inversor monofásico em ponte completa, ilustrado na figura 2.1. corrente senoidal em sua saída. O inversor é controlado de modo a impor uma Q 1 D 1 Q 3 D 3 V in a b L b N P N S v (t) out Q 2 D 2 Q 4 D 4 Figura 2.1: Esquema do inversor ponte completa monofásico.

50 2. Inversor Ponte Completa Monofásico Conectado à Rede 24 O estudo completo do inversor operando a dois e a três níveis será realizado neste capítulo. Primeiramente, os dois tipos de modulação serão apresentados, logo em seguida, serão expostas as etapas de operação e, por fim, são deduzidas as expressões para o projeto dos elementos de potência do inversor. Toda a análise realizada foi baseada na referência[13]. 2.2 Modulação As formas de se gerar os pulsos de comando para os interruptores do inversor diferenciamse pela característica da tensão entre os pontos a e b do mesmo, apresentados na figura 2.1. A maneira mais simples é aquela chamada modulação PWM (Pulse Width Modulation) a dois níveis, que se caracteriza por apresentar apenas dois níveis de tensão entre os pontos a e b. A geração dos comandos para os interruptores é realizada comparando-se o sinal modulante com um sinal modulador no formato dente de serra ou triangular. Um exemplo de modulação PWM a dois níveis é apresentado na figura Sinal Modulante e Moduladora Tensão Entre os Pontos "a" e "b" Figura 2.2: Modulação a dois níveis. Outra forma de se comandar o inversor, é utilizando a modulação PWM a três níveis, na qual a tensão entre os pontos a e b apresenta três níveis distintos de tensão. A geração dos pulsos de comando é realizada comparando-se o sinal modulante com duas moduladoras

51 2. Inversor Ponte Completa Monofásico Conectado à Rede 25 defasadas cento e oitenta graus entre si e com formato triangular. A figura 2.3 apresenta um exemplo da modulação a três níveis. Figura 2.3: Modulação a três níveis. Será estudado, nos itens seguintes, o comportamento da estrutura de potência escolhida, utilizando-se a modulação PWM a dois e três níveis. E então, será feita a escolha da modulação que se utilizará neste trabalho. 2.3 Modulação a Dois Níveis Inicialmente é feita a análise do inversor operando com modulação a dois níveis. A maneira analógica de se implementar o modulador a dois níveis é apresentada na figura 2.4. Cada par de interruptores, diagonalmente opostos recebe, o mesmo sinal de comando. Razão Cíclica Comparador Q 1 Q 4 Q 2 Q 3 Figura 2.4: Modulador a dois níveis.