MODELAGEM DE AEROGERADORES COMO FONTE DE CORRENTE NO ATP

Transcrição

1 MODELAGEM DE AEROGERADORES COMO FONTE DE CORRENTE NO ATP J. Tavares de Oliveira* S. R. Silva** U. H. Bezerra*** M. V. A. Nunes*** C. B. Mendonça* F. A. F. Matias* M. Firmino de Medeiros Jr.* * UFRN ** UFMG *** UFPA RESUMO Para a conexão de um aerogerador ou de um parque eólico a uma rede elétrica, existem requisitos operacionais a serem seguidos pelos acessantes. Em geral, o fabricante da máquina garante a manutenção de fator de potência unitário. Diante disso, desenvolveu-se um modelo matemático de aerogeradores síncronos com inversor como uma fonte de corrente, bastante simples, implementado no ATP, para estudos de impactos na rede elétrica, usando os dados fornecidos pelos fabricantes, como a curva de potência em função da velocidade do vento e critérios operacionais de rede, como a exigência de fator de potência fixo. PALAVRAS-CHAVE Aerogerador,fonte de corrente,conversor,inversor,atp. 1. INTRODUÇÃO A última década registrou um grande crescimento da demanda pela inserção da energia eólica na matriz energética mundial. Isso motivou o desenvolvimento científico e tecnológico para dar suporte à utilização dos parques eólicos isolados e conectados à rede elétrica. A instalação de um parque eólico, para fins de interligação ao sistema elétrico existente, exige a realização de vários estudos, como a escolha do terreno, posição das máquinas, levantamento de dados de vento, tipo de torre e de aerogerador, incluindo o seu sistema de controle, estudo econômico, impacto ambiental e estudo de impacto elétrico no ponto de conexão. Para todos esses estudos, foram desenvolvidos modelos matemáticos e programas de computador específicos. Dentre os estudos mais explorados na literatura técnica, destaca-se o impacto da conexão na rede elétrica [],[7], produzido por aerogeradores como o de indução em gaiola e o duplamente excitado [3],[4],[5],[6],[8], o síncrono bobinado e o síncrono de ímã permanente [1],[9]. Paralelamente, os sistemas de controle, tanto da parte elétrica, no tocante à qualidade da energia, como da parte mecânica, foram aperfeiçoados e incorporados aos aerogeradores modernos, atualmente em operação. 1

2 A tecnologia de controle, incorporada aos aerogeradores modernos pelos fabricantes, tem sido a responsável predominante pelo o aumento da produtividade dos parques eólicos, constituindo-se assim em segredo tecnológico. Assim, os fabricantes evitam fornecer dados relevantes para serem empregados em modelos matemáticos desenvolvidos por pesquisadores para estudos de impactos de conexão de aerogeradores à rede. Os dados relevantes mais comumente fornecidos pelos fabricantes são as curvas de potência e coeficiente de potência em função da velocidade do vento como mostra a Figura1. potência em ( kw ) curva de potência calculada de um aerogerador 900 "curva_aero_pot.dat" velocidade do vento à altura do eixo em (m/s ) curva do coeficiente de potência de um aerogerador 0.5 "curva_aero_coef.dat" Figura 1. Curva de potência e do coeficiente de potência de um aerogerador síncrono de 800 kw, em função da velocidade do vento.. MODELO DESENVOLVIDO Para a conexão de um aerogerador ou de 0.4 um parque eólico a uma rede elétrica, existem procedimentos de rede a serem 0.3 seguidos pelos acessantes. Um deles 0. estabelece que o fator de potência deve permanecer dentro de um intervalo 0.1 definido, para toda faixa de potência fornecida. Em geral, o fabricante da máquina garante fator de potência velocidade do vento à altura do eixo em (m/s ) unitário. Diante disso, desenvolveu-se um modelo matemático de aerogeradores síncronos com inversor como fonte de corrente, bastante simples, implementado no ATP, para estudos de impactos na rede elétrica, usando os dados fornecidos pelos fabricantes e critérios de rede, como por exemplo a curva de potência em função da velocidade do vento e o fator de potência fixo, respectivamente. coeficiente de potência

3 Ig Vg Figura. Modelo da fonte de corrente equivalente do modelo matemático implementado no ATP através do ATPDraw O modelo consiste em substituir o aerogerador ou o parque eólico por uma fonte de corrente equivalente, como mostra a Figura, cujo valor é obtido pela potência ativa gerada em função da velocidade do vento, do fator de potência fixado no ponto de conexão da rede elétrica e da tensão da rede, de acordo com as equações (1), () e (3). I d P Vd + Q Vq = (1) V + V d q I q P Vq Q Vd = () V + V d q Q P Fp = 1 Fp (3) Para se obter os valores de I d e I q nas equações (1) e (), obtém-se a potência ativa P da curva de potência em função da velocidade do vento e implementada no ATP [3], usando a linguagem Models [10], desenvolvida para implementação de modelos matemáticos para o ATP, através do ATPdraw [11]. As tensões V d e V q são obtidas a partir das tensões nos terminais do inversor, fazendo a transformação com a transformada direta de Park. Para se obter o valor de Q a ser fornecido pelo inversor, uma vez conhecido o valor de P, se fixa o valor do fator de potência desejado, Fp, e calcula-se Q, através da equação (3), que será utilizado nas equações (1) e (). Aplicando a transformada inversa de Park nas componentes I d e I q, obtêm-se as correntes em componentes de fase I a, I b e I c que serão injetadas pela fonte de corrente implementada no ATP como na Figura. 3

4 3. APLICAÇÃO DO MODELO Para empregar o modelo proposto idealizou-se como exemplo um parque eólico de 49,6 MW equivalente, constituído de 6 aerogeradores síncronos com inversor PWM no lado da rede, conectado a um sub-sistema, pertencente ao sistema elétrico da COSERN. Trata-se da rede do regional Natal II, NTD 30, conectado à subestação da cidade de Extremoz, em 69 kv, distante de 5 km do parque eólico em funcionamento. NTD69 NT30 T1 RFG P. EÓLIC U T T3 T4 CAP Figura 3. Rede pertencente ao sistema elétrico da COSERN, correspondente ao regional Natal II- NTD30. Os blocos ZN e ZS da Figura 3 representam a rede e as cargas da Zona Norte e da Zona Sul de Natal, respectivamente. Os dados das redes, das cargas e do aerogerador equivalente foram implementados no ATP em pu. 4. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados obtidos com este modelo, comparados aos resultados do modelo que usa conversores e controladores, com o inversor como fonte de tensão [9], também implementado no ATP, apresentam concordâncias satisfatórias com os estudos realizados. Para a utilização do modelo proposto, o vento foi substituído por uma função [3] representativa de uma rajada, cujo gráfico se encontra na Figura 4. 4

5 0 Velocidade do vento em ( m/s ) (f ile RIO_FOGO_AERO_TENSAO_PU.pl4; x-v ar t) t: VW Figura 4. Velocidade do vento imposta ao aerogerador equivalente Nos procedimentos de rede estabelecidos pelo ONS, o fator de potência do acessante precisa ficar dentro de uma faixa definida, variando entre indutivo e capacitivo. Contudo, os fabricantes garantem que os conversores de seus aerogeradores mantêm o fator de potência fixo no valor unitário para qualquer condição de operação em regime permanente. Diante disso, a simulação em regime permanente, em condição de rajada de vento, o fator de potência foi fixado em 1.0, como mostra o gráfico da Figura 5. Nesse gráfico pode-se ver que o fator de potência permanece em 1.0 para o aerogerador com o conversor como fonte de tensão e como fonte de corrente. 1,0 Fator de potência no barramento do inversor do aerogerador equivalente 0,8 0,6 0,4 0, 0,0 RIO_FOGO_AERO_TENSAO_PU.pl4: t: FP RIO_FOGO_AERO_CORRENTE_PU.pl4: t: FP Figura 5. Fator de potência no barramento do inversor do aerogerador equivalente. No gráfico da Figura 6 tem-se a variação da tensão no barramento do inversor como fonte de tensão e como fonte de corrente, para fator de potência unitário. Para os dois modelos verifica-se que as tensões são iguais para as condições de operação. Nesse gráfico, observa-se que a tensão aumenta à medida que a potência ativa entregue ao barramento aumenta até próximo de 0,7 pu e diminui quando a potência tende para 1,0 pu, conforme o gráfico da Figura 7. Isso ocorre devido à diminuição do fluxo de potência do barramento de NTD para as cargas, passando estas a serem alimentadas pelo aerogerador equivalente. 5

6 1, Tensão em pu no barramento do inversor do aerogerador equivalente 1,0 0,8 0,6 0,4 0, 0,0 RIO_FOGO_AERO_TENSAO_PU.pl4: t: VGRID RIO_FOGO_AERO_CORRENTE_PU.pl4: t: VGRID Figura 6. Tensão no barramento do inversor do aerogerador equivalente do parque eólico. Os gráficos da Figura 7 e da Figura 8 mostram as potências ativas e reativas entregues ao barramento do aerogerador equivalente com o inversor como fonte de tensão e como fonte de corrente. Pode-se observar que os valores são iguais nos dois modelos. Diante dos resultados obtidos e comparados com os dois modelos nesse trabalho, pode-se concluir que o aerogerador equivalente,com inversor como uma fonte de corrente, pode ser utilizado para fins de estudo do comportamento, em regime permanente, de um parque eólico conectado a uma rede elétrica e implementado em simuladores digitais como o ATP, utilizando os dados mais comuns fornecidos pelos fabricantes e adotando regras estabelecidas pelos agentes reguladores. 1, Potência ativ a entregue ao barramento do inv ersor do aerogerador equiv alente 1,0 0,8 0,6 0,4 0, 0,0-0, -0,4 RIO_FOGO_AERO_TENSAO_PU.pl4: t: PE(PU) RIO_FOGO_AERO_CORRENTE_PU.pl4: t: PE(PU) Figura 7. Potência ativa entregue ao barramento do inversor do aerogerador equivalente 6

7 0,4 Potência reativ a entregue ao barramento do inv ersor do aerogerador equiv alente 0, 0,0-0, -0,4-0,6 RIO_FOGO_AERO_TENSAO_PU.pl4: t: QE(PU) RIO_FOGO_AERO_CORRENTE_PU.pl4: t: QE(PU) Figura 8. Potência reativa entregue ao barramento do inversor do aerogerador equivalente. 5. CONCLUSÃO Este trabalho contribui no sentido de se utilizar um modelo bastante simples de ser implementado e de usar um software gratuito muito eficiente e conhecido como o ATP e usado internacionalmente por engenheiros e pesquisadores que atuam na área de sistemas de energia elétrica. 6. BIBLIOGRAFIA [1]. OLIVEIRA, José Tavares de; VIEIRA, João Paulo Abreu; NUNES, Marcus Vinicius Alves; BEZERRA,Ubiratan Holanda; NASCIMENTO, André Cavalcante Do; SILVA, Selênio Rocha E; MEDEIROS JUNIOR,Manoel Firmino de; FERREIRA, Simone Fonseca. Analysis of Ride Through With the Integration of Direct Drive Synchronous Wind Generators in Power Systems. In: VII CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAS, 006, Recife-PE. CD-ROM []. OLIVEIRA, José Tavares de; VIEIRA, João Paulo Abreu; NUNES, Marcus Vinicius Alves; BEZERRA,Ubiratan Holanda; NASCIMENTO, André Cavalcante Do; SILVA, Selênio Rocha E; MEDEIROS JUNIOR,Manoel Firmino de; FERREIRA, Simone Fonseca. Controlability Analysis of Wind Generators Connected to a real Electric Grid. In: VII CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAS, 006, Recife-PE. CD-ROM. 006 [3]. OLIVEIRA, José Tavares de; TAVARES, Francisco Luna; OLIVEIRA, Clóvis Bôsco Mendonça;BEZERRA, Ubiratan Holanda; MEDEIROS JUNIOR, Manoel Firmino de; NUNES, Marcus Vinicius Alves;SILVA, Selênio Rocha E. Representação de Aerogeradores de Indução Duplamente Excitados no ATP Através do Modelo de Máquina Universal. In: VII CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAS, 006, Recife-PE. CD-ROM [4]. OLIVEIRA, José Tavares de; TAVARES, Francisco Luna; MEDEIROS JUNIOR, Manoel Firmino de;pinheiro, Ricardo Ferreira; SILVA, Selênio Rocha E; NUNES, Marcus Vinicius Alves; BEZERRA,Ubiratan Holanda. Avaliação das Oscilações de Tensão Provenientes da Integração de 7

8 Aerogeradores de Velocidade Fixa e Variável na Rede regional Açu da COSERN. In: SENDI-004, Brasilia-DF., 004. [5]. OLIVEIRA, José Tavares de; MEDEIROS JUNIOR, Manoel Firmino de; PINHEIRO, Ricardo Ferreira;TAVARES, Francisco Luna; NUNES, Marcus Vinicius Alves; SILVA, Selênio Rocha E; BEZERRA,Ubiratan Holanda. Modelling Wind Turbines Based on Doubly Fed Induction Generators for Transient Stability Studies Using ATP. In: VI CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAS,004, Joinville-SC. CD-ROM [6]. OLIVEIRA, José Tavares de; NUNES, Marcus Vinicius Alves; ZURN, Hans Helmut; BEZERRA, Ubiratan Holanda; VIEIRA, J P A; MEDEIROS JUNIOR, Manoel Firmino de; MACHADO, Raimundo Nonato M;SILVA, Selênio Rocha E; PINHEIRO, Ricardo Ferreira; SANTOS, F M C S. New Representation of thr Variable Wind Generators in Transient Stability Studies. In: VI CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAS, 004, Joinville-SC. CD- ROM [7]. OLIVEIRA, José Tavares de; MEDEIROS JUNIOR, Manoel Firmino de; PINHEIRO, Ricardo Ferreira;NUNES, Marcus Vinicius Alves; BEZERRA, Ubiratan Holanda; ZURN, Hans Helmut; SILVA, Selênio Rocha E; MACHADO, Raimundo Nonato M; MATOS, Kayt Nazaré Do V. Novas Práticas Operacionais envolvendo Aerogeradores Interligados às Redes Elétricas Durante a Ocorrência de Faltas. In: 004 IEEE/PES TRANSMISSION AND DISTRIBUITION CONFERENCE AND EXPOSITION LATIN AMERICA, 004, São Paulo. CD-ROM. 004 [8]. OLIVEIRA, José Tavares de; NUNES, Marcus Vinicius Alves; ZURN, Hans Helmut; BEZERRA, Ubiratan Holanda; LOPES, J A P; MEDEIROS JUNIOR, Manoel Firmino de; MACHADO, Raimundo Nonato M;SILVA, Selênio Rocha E; PINHEIRO, Ricardo Ferreira; VIEIRA, J P A. Use of Variable Speed Wind Generators to Improve Transient Stability of Weak Grids. In: VI CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAS, Joinville-SC. CD-ROM. 004 [9]. Sebastian Achilles and Markus Poller. Direct Drive Synchronous Machine Models for Stability Assessment of Wind Farms. [10]. USERS GUIDE TO MODELS IN ATP. April ftp.ee.mtu.edu in directory pub/atp/models. [11]. ATPDraw Windows Version 4.0p1. Alternative Transient Program. ATP. [1]. Electromagnetic Transients Program (EMTP). Theory Book. July,