Estudos Pré-Operacionais do Controle de Corrente para Geradores Eólicos

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1 Estudos Pré-Operacionais do Controle de Corrente para Geradores Eólicos Camila M. V. Barros 1, Luciano S. Barros 2, Aislânia A. Araújo 1, Iguatemi E. Fonseca 2 1 Mestrado em Ciência da Computação Universidade Federal Rural do Semi-Árido e Universidade do Estado do Rio Grande do Norte Mossoró, RN Brasil 2 Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas Universidade Federal Rural do Semi-Árido Mossoró, RN - Brasil. {lsales, Abstract. For doubly fed induction generators, which operate in connection to wind turbines, the rotor is connected to the grid through converters. The converters make possible to control machine mechanical power and voltage. However, if disturbances at the grid occur, the rotor current can to increase and to damage the converters. In order to avoid the damages, the machine protection system, after a disturbance occurrence, turns the converters off. Without converters, the machine does not have the control possibility. In this work, it proposes a control technique which includes the rotor current. Simulation results suggest that the proposed technique reduces the high rotor current occurrence. Resumo. Em máquinas de indução duplamente alimentadas, que equipam turbinas eólicas, o rotor é conectado à rede elétrica através de conversores. Os conversores permitem o controle de potência e tensão da máquina. No entanto, se ocorrerem distúrbios na rede o valor da corrente do rotor pode crescer a ponto de danificar os conversores. Para que isto não ocorra, a máquina é equipada por um sistema de proteção que, após um distúrbio, curto-circuita os conversores. Com os conversores curto-circuitados a máquina perde a capacidade de controle. Neste trabalho propõe-se uma técnica de controle que inclui a corrente rotórica. Resultados de simulações sugerem que a técnica proposta reduz a ocorrência de correntes elevadas. 1. Introdução A energia eólica apresenta potencial tanto pela facilidade de acesso á sua fonte primária, o vento, como pela quantidade disponível da mesma. Além disto, possui baixo custo e o impacto ambiental é pequeno. Devido a fatores econômicos, simplicidade de operação e baixa manutenção, na maioria das vezes, o processo de conversão de energia é realizado através da conexão de turbinas eólicas de velocidade fixa a geradores de indução com rotor em gaiola (Squirrel Cage Induction Generation - SCIG). Uma alternativa para melhor aproveitamento da energia do vento é a utilização de turbinas eólicas de velocidade variável. No entanto, se faz necessário equipar estas turbinas com geradores de indução duplamente alimentados (Double Fed Induction Generator - DFIG). Este tipo de máquina tem um rotor bobinado e é conectado à rede através de conversores, o que possibilita realizar o controle de tensão e potência. No

2 entanto, se ocorrerem distúrbios na rede a corrente do rotor pode crescer a ponto ultrapassar os limites de operação segura dos conversores. Se isto ocorrer, um dispositivo de proteção, denominado crowbar, deverá retirar os conversores de operação para evitar que estes sejam danificados. Isto acarreta em o DFIG perder a capacidade de controle, e passar a se comportar como o SCIG. Este trabalho consiste na apresentação de uma técnica de controle ótimo que seja capaz de incluir a corrente do rotor como grandeza controlada. 2. DFIG e a Estratégia de Controle 2.1 DFIG Devido a avanços da eletrônica de potência, atualmente utiliza-se um esquema para turbinas com DFIG [Peças Lopes e Almeida 23]-[ Johnson et al 26]. A configuração adotada consiste em uma cascata de dois conversores, CA-CC-CA, permitindo realizar o controle de potência e tensão independentemente, como ilustrado na Figura. 1. Outras vantagens do DFIG são: participação no controle de tensão; capacidade de operação isolada, [Mota e Barros 25]; uso de conversores menores, e, portanto, de menor custo, uma vez que estes dispositivos processam apenas a potência rotórica, que corresponde a no máximo 3% da potência nominal, [Barros 26]; Figura 1. Representação de uma turbina eólica de velocidade variável equipada com um DFIG. 2.2 Características de Controle do DFIG O sistema de controle do DFIG fornece sinais de referência para os conversores atuarem [Muljadi e Butterfield 21]. Na Figura 2, é apresentado o esquema de controle do DFIG. Figura 2. Esquema de controle do DFIG. O conversor C 1 possui um funcionamento equivalente ao de uma fonte de tensão, é conectado ao rotor da máquina com o objetivo de controlar a potência

3 mecânica entregue pela turbina e a tensão terminal do gerador. O conversor C 2, conectado em cascata com o C 1, funciona como uma fonte de corrente controlada, podendo injetar na rede correntes capacitivas ou indutivas, de acordo com a potência reativa a ser trocada [Almeida et al 24]. 2.3 Estratégia de Controle Proposta para o Conversor C 1 Para o projeto de controle é proposta uma estratégia de controle baseada na realimentação de estados e que utiliza teoria de controle ótimo, método LQR, para o projeto do controlador [Barros 26]. Como ilustrado na Figura 3. Figura 3. Estratégia de controle proposta. Definindo-se os vetores: = de estados, =, de saídas e = de controle. em que, i dr é a corrente de eixo d do rotor, i qr é a corrente do eixo q do rotor, é a velocidade do rotor, δ é o ângulo de torque da máquina e V t é a tensão terminal. As componentes de eixo direto, E FD, e em quadratura, E FQ, da tensão do rotor do DFIG, são escolhidas como sinais de controle. 2.4 Sistemas Reguladores Quadráticos Ótimos (LQR) O projeto de controle no espaço de estados requer que o sistema seja representado de acordo com as equações abaixo [Kwakernaak e Silvan 1972]: = + = (2) A projeto de controle ótimo baseia-se na realimentação de estados: = Com sendo calculado via métodos de otimização. A estratégia de controle é ilustrada na Figura 4. Figura 4. Estratégia de controle ótimo. 3. Resultados 3.1 Cenário de Simulação Para avaliar o desempenho da estratégia de controle ótimo, foram simulados casos com

4 um gerador eólico equipado com o controlador PI convencional, e com gerador equipado com o controlador ótimo. Para a simulação foi adotado um sistema com 7 barras, apresentado em [Almeida et al 24], mostrado na Figura 5. Figura 5. Sistema Simulado Projeto do Controlador Ótimo Para o projeto do controlador ótimo, tomou-se como base o modelo do sistema.o modelo do sistema possui as seguintes matrizes no espaço de estados A = B = 1. C = Foram definidas as seguintes matriz peso do método LQR:.1 Q = R = Para as matrizes peso definidas, obteve-se a seguinte matriz ganho = Projeto do Controlador PI Para efeito de comparação, foi simulado o comportamento da máquina também com um controlador PI, uma vez que este esquema é o atualmente utilizado para o DFIG, Figura 6. Os ganhos e constantes de tempo ajustados para o sistema da Figura 5, foram apresentados em [Almeida et al 24]. Figura 6. Controladores PI usado para a comparação. Tabela 2. Parâmetros do Controlador PI Controle E FD Controle E FQ K A 2.2 M us.2 T A.275 T se.1 K E 2.2 K q.2 T E.275 T q2.1

5 3.2 Análise de Resultados Na Tabela 3 são mostrados os pólos do sistema sem controle, com controle e com controle PI. Verifica-se a necessidade da implementação de um sistema de controle para o sistema, visto que o mesmo possui um pólo positivo, o que implica na instabilidade. Observando os pólos do controle PI percebe-se que o sistema ainda possui um pólo positivo. Para o sistema com controle ótimo, todos os pólos estão à esquerda no plano complexo, garantindo a estabilidade. Nas Figuras 7 e 8 são apresentados os gráficos da tensão terminal e da corrente do rotor, respectivamente, para o sistema com controle ótimo. Estes gráficos representam a resposta livre do sistema. Podendo se constatar a rapidez na qual o sistema retorna a seu valor inicial e o fato da resposta ser bastante amortecida. Neste caso, as condições iniciais do sistema são: = Tabela 3. Pólos do Sistema Sem Controle Com Controle Ótimo Controle PI i i i i , com multiplicidade 5 Figura 7. Gráfico da tensão terminal (b) (a) Figura 8. Curva da corrente rotórica. (a) Comportamento em um período de t = 5s; (b) Redução do eixo do tempo para verificar o comportamento inicial em detalhe, t =.5s.

6 4. Conclusão Avaliando os resultados obtidos, pode-se afirmar que a estratégia proposta melhora o comportamento dinâmico do DFIG, em relação a quando este tipo de máquina é equipado por controladores PI. O sistema de controle ótimo projetado possibilita a diminuição do pico da corrente rotórica, o que pode evitar a atuação do crowbar e, portanto, evitar a retirada de operação dos conversores, não permitindo que o DFIG passe a operar sem a capacidade de controle. Além disto, as oscilações da tensão terminal são amortecidas rapidamente quando a máquina é equipada pelo controlador ótimo. Como trabalhos futuros pretende-se: - Montar experimentalmente uma turbina eólica equipada com microcontrolador para implementar o controle ótimo; - Avaliar a necessidade de se propor uma estratégia de controle adaptativo. Referências Barros, L. S. 26 Uma Estratégia de Controle para o Melhoramento do Comportamento Dinâmico de Máquinas de Indução Duplamente Alimentadas Operando como Geradores Eólicos. Tese de Doutorado, UFCG, Brasil. Muljadi, E. C. Butterfield P. 21 Pitch-controlled variable-speed wind turbine generation. Industry applications, IEEE Transations on, IEEE, v. 37, n.1, p Johnson, K. E. et al 26 Control of variable-speed wind turbines: standard and adaptive techniques for maximizing energy capture. IEEE. Control Systems Magazine, IEEE, v. 26, n.3, p. 7-81, junho. Peças Lopes, J. A. e Almeida, R. G. 23 Descrição de Modelos Matemáticos de Máquinas de Indução Convencional e Duplamente Alimentada e Estratégias de Controlo para estudo Dinâmico e de Estabilidade Transitória. Trabalho de Consultoria para o NOS Brasil, INESC PORTO. Mota, W. S. and Barros, L. S. 25 Dynamic Simulations of Wind Generators Connected to Distribution Systems. 18 TH CIRED Internacional Conference and Exhibition on Eletricity Distribution, Italy, 6-9 June. Almeida, R. G., Peças Lopes J. A. and Barreiros, J. A. L. 24 Improving Power System Dynamic Behavior Through Double Fed Indution Machines Controlled by Static Concerter Using Fuzzy Control. IEEE Transaction on Power Systems, vol. 19, n. 4, November. Kwakernaak, H., Silvan, R. ( 1972) Linear Optimal Control Systems. John Wiley & Sons, Inc., United Stats of America.

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