MONTAGEM LABORATORIAL PARA A ANÁLISE DA OPERAÇÃO INDEPENDENTE DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO EÓLICA DOTADO DE GERADOR SÍNCRONO

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1 MONTAGEM LABORATORIAL PARA A ANÁLISE DA OPERAÇÃO INDEPENDENTE DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO EÓLICA DOTADO DE GERADOR SÍNCRONO Raphael Ferrera Vera, Geraldo Caxea Gumarães, Arhur Fernando Bonell, José Carlos de Olera, Adélo José de Moraes, Carlos Henrque Salerno, Zéla da Sla Vóro Unersdade Federal de Uberlânda, Faculdade de Engenhara Elérca, Uberlânda MG e-mals: ferreraraphael@homal.com, gcaxeag@gmal.com, afbonell@gmal.com, jcolera@ufu.br, zela@furnas.com.br Resumo Ese rabalho em por mea aalar a represenação expermenal de um ssema eólco de elocdade aráel doado de gerador síncrono. Esa consse na prmera monagem práca fea nesa unersdade para smular a operação ndependene de um ssema eólco, so é, quando ese supre uma carga solada desconecada da rede de poênca da concessonára. A elocdade mecânca do exo do gerador é regsrada para mosrar a nfluênca da fone de energa prmára (o eno) sobre o ssema. Em seguda, seu desempenho elérco é analsado grafcamene por meo dos prncpas efeos causados em grandezas as como ensão e correne as quas são meddas em ponos dferenes da opologa esudada. Palaras-Chae Análse Expermenal, Fones de Energa Alernaa, Gerador Síncrono, Geração Dsrbuída, Ssema Eólco. LABORATORIAL ASSEMBLY FOR ANALYSIS OF THE INDEPENDENT OPERATION OF A WIND ENERGY CONVERSION SYSTEM EQUIPPED WITH SYNCHRONOUS GENERATOR Absrac Ths work ams o ealuae he expermenal represenaon of a arable speed wnd energy conerson sysem equpped wh synchronous generaor. Ths consss on he frs praccal assembly made n hs unersy so as o smulae he ndependen operaon of a wnd sysem, ha s, when supples an solaed load dsconneced from he power uly grd. The mechancal speed of he generaor shaf s regsered o show he nfluence of he energy prmary source (he wnd) on he sysem. Followng, s elecrcal performance s graphcally analyzed hrough he man effecs caused on quanes such as olage and curren whch are measured n dfferen pons of he suded opology. 1 Keywords Alernae Energy Source, Dsrbued Generaon, Expermenal Analyss, Synchronous Generaor, Wnd Energy. I. INTRODUÇÃO Há, aualmene, uma grande expecaa de desenolmeno em orno da geração eólca. Esse desejo é, em pare, jusfcado pelo fao de que essa fone alernaa é um po de energa lmpa e de baxo mpaco ambenal. Em comparação com as usnas hdroelércas, os parques eólcos podem gerar uma grande quandade de energa sem afear de manera sgnfcaa a fauna, flora e o mcro clma do meo em que exsem. Inundações de grandes áreas são desnecessáras conrbundo para a preseração hsórca do local. Embora apresene uma sére de anagens, esse po de energa em enfrenado problemas poencas dfculando sua nserção, de manera efea, no mercado. Um deles é sem dúda o preço, que anda não se apresena compeo. Problemas de orgem écnca ambém são muo abundanes, dedo à nspênca do processo produo. Denre eles podem ser cados, as fluuações de ensão produzdas em redes de dsrbução fracas conecadas ao ssema, ocasonadas em rude da aração da elocdade dos enos, índces de dsorção harmônca eleados. Ouro efeo prejudcal desse po de arranjo é a polução sonora gerada nas proxmdades dos grandes parques eólcos. Na maora dos casos, a geração é realzada em locas que concdem com roas mgraóras dos pássaros, ocasonando choques dos mesmos com as pás dos aerogeradores. Em função do crescmeno da economa do Brasl, a geração elérca propcada pelas cenras hdroelércas não consegurá em pequeno neralo de empo suprr oda a demanda emergene do processo de desenolmeno. Em função dsso, o país em começado a fornecer ímdos nesmenos no seor eólco, dedo ao alo poencal erfcado em algumas das regões brasleras. O Mnséro de Mnas e Energa esma que o poencal eólco braslero é da ordem de MW, o que sgnfcara um erço maor do que a poênca nsalada aual. Embora esse po de produção nerfra de manera mas sensíel no meo ambene, em muos locas os parques eólcos não podem ser mplanados dedo a les de naureza ambenal. Com sso, em-se a redução do poencal eólco do país para um alor da ordem de MW, o que equalera a aproxmadamene duas Iapus. No Brasl, embora com uma poênca nsalada reduzda dese po de aproeameno, a opção majorára aé o presene momeno é por ssemas doados de geradores síncronos, a exemplo do que se erfca na Alemanha, país deenor desa ecnologa.. Nesse sendo, orna-se necessáro um esudo dealhado das ecnologas que enolem al geração com o nuo de

2 efeuar possíes melhoras na efcênca do processo produo. O presene argo apresena uma análse expermenal de um ssema eólco suprndo uma carga solada consderando duas suações: sem e com urbulêncas de eno. Em odos os casos é adoada a opologa alemã, jusfcada pela grande aceação naconal. É nesgado o comporameno qualao das formas de onda de ensão e de correne em dferenes ponos da monagem. É mporane ressalar que o objeo do argo não é, no presene momeno, analsar dealhadamene os resulados obdos a ensaos laboraoras mas sm demonsrar de uma manera expermenal o comporameno de um ssema eólco de poênca, sob dferenes condções operaas, ulzando-se para sso, uma esruura laboraoral de baxa poênca. II. MODELAGEM MATEMÁTICA DO MODELO ESTUDADO Com o objeo de represenar o comporameno do eno orna-se necessáro efeuar sua modelagem, ransformando seu comporameno em um soma de snas [1,6]. Esse snal é composo de quaro componenes prncpas: a elocdade base do eno (componene prncpal), uma, uma rampa de elocdade e um ruído, conforme mosra a equação 1. Nem sempre odas as quaro componenes esarão presenes na modelagem [1,2] eno = (1) base rudo Velocdade base (méda) [m/s] base Componene do eno [m/s] ruído Componene ruído do eno [m/s] Componene rampa do eno [m/s] rampa rampa A componene base do eno ou eno médo esá presene sempre que o aerogerador eser em operação e é represenada pela equação 2. sendo K B é um alor consane. base = K B (2) A componene do eno é represenada pelas equações 3 e 4. onde: 0 = 0 < > I I < < + T + T cos I I (3) cos R = 2 1 cos 2π T período da [s]; empo de níco da [s]; R alor máxmo da [m/s]. T A componene de elocdade do eno denomnada rampa pode ser descra pelas equações 5 e 6. rampa 0 = 0 ramp < > Irampa Irampa frampa < < frampa (4) (5) ( frampa) ramp = RAM 1 (6) ( rampa frampa) RAM Valor máxmo da rampa [m/s] rampa Tempo de níco da rampa [s]; frampa Tempo fnal da rampa [s]. A úlma componene do eno a ser descra é o ruído, que ncorpora ao modelo de eno a sua aleaoredade [1,6]. Como ocorre com o alor médo do eno, esa componene esá sempre presene no modelo, em qualquer crcunsânca. O seu alor pode ser esmado ulzando-se a equação 7 [1,2,3]. onde: φ ruído n = 2 = [ S ( w ) w] cos( w + φ ) w 1 = w 2 Varáel randômca com densdade de probabldade unforme no neralo de 0 a 2 π ; w Varação da elocdade [rad/s]; N Número de ermos consderados. A função denomnada S w ) expressa a densdade ( especral e é defnda pela equação 9. (7) (8)

3 2 2 K n F w S ( w ) = 4 (9) F w π 1 + µ π K Coefcene de arraso da superfíce; F n Escala de urbulênca; µ Velocdade prncpal do eno na alura de referênca [m/s] As modelagens maemácas do gerador e do conersor serão omdas aqu por lmação de espaço. O desenolmeno maemáco do eno recebeu maor desaque dedo, sobreudo à mporânca desse nsumo no comporameno e na qualdade da geração. escolhdo para apresenar relação de ensão unára enre seus enrolamenos. Apresena uma poênca de 2 kva. O bloco E pode represenar a concessonára de energa ou a carga solada, dependendo do ssema eólco funconar conecado com a rede de dsrbução ou de forma ndependene. Ese argo aborda a segunda suação por se raar da monagem laboraoral realzada aé o momeno. Esudos prácos do ssema eólco conecado a rede prncpal esão anda na fase de eses e, por causa dso, não serão raados aqu. Para o esudo em quesão fo ulzado como carga solada um moor de ndução em gaola represenando uma carga dnâmca conecada ao ssema. Ese equpameno apresena 1 CV de poênca, 220/380 V, 60 Hz. A Fgura 2 represena uma foo geral do ssema monado. III. MONTAGEM LABORATORIAL Tendo em sa a obenção de resulados expermenas, no que dz respeo à opologa alemã, ornou-se necessáro a ablzação de uma esruura laboraoral, em baxa poênca, que permsse uma análse dealhada dos fenômenos que al ocorrem, sob dferenes condções operaas. A Fgura 1 apresena um esquema geral dos prncpas componenes que conrbuem para o funconameno do ssema eólco analsado. Fg. 2. Foo lusraa da monagem ulzada nos esudos laboraoras Fg. 1. Esquema geral da opologa alemã. O bloco A, represenao do eno, fo modelado na práca por um moor de correne conínua, com 2 kw de poênca, 220 V e 1800 rpm. Tal escolha decorre prncpalmene da facldade de aração de elocdade desse po de moor que, quando em confguração shun perme a smulação de possíes urbulêncas no ssema. O bloco B represena o gerador síncrono rfásco com poênca de 1,5 kva, 220 V, 4 pólos, responsáel por conerer a energa mecânca em energa elérca. O bloco C represena o conersor de freqüênca com poênca de 3 kw, responsáel pela refcação e nersão da energa enregue a carga. O bloco D represena um ransformador, ncluído nos esudos laboraoras para consderar o efeo da mpedânca do ransformador de acoplameno, que normalmene exse enre um ssema eólco e a rede elérca da concessonára, ou enre o ssema eólco e uma carga solada para solar o ssema e abaxar a ensão. Dedo à sua função ele fo Os prncpas equpamenos que compõem a monagem laboraoral da Fgura 2 esão enumerados a segur: 1 Oscloscópo dgal de 4 canas: ulzado para regsrar a correne e ensão nos ermnas do gerador síncrono e nos ermnas da carga, ou seja, anes e depos do conersor de freqüênca; 2 Oscloscópo dgal de 2 canas: ulzado para regsrar a elocdade do exo do moor CC ( e porano do gerador síncrono); 3 Encoder: ransduor ulzado para medr a elocdade roaconal do exo do moor CC; 4 Crcuo elerônco do encoder: desnado à conersão do snal de elocdade, de número de ponos para ols; 5 Moor CC: fone prmára de energa; 6 Gerador Síncrono: conere energa mecânca em energa elérca; 7 Conrole do campo do gerador síncrono: desnado a maner as condções operaas desejadas no gerador; 8 Conersor de freqüênca: refcação e nersão da energa enregue à carga; 9 Carga (Moor de Indução Trfásco): represenação da carga elérca.

4 IV. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL As grandezas exploradas durane odos os expermenos realzados foram meddas nos ponos ndcados na Fgura 3. Noa-se que houe uma preocupação em regsrar ncalmene a elocdade mecânca do ssema moor CC (que smula o comporameno da fone prmára de energa o eno) e, depos, são meddas as grandezas elércas as quas ndcam os efeos nas formas de onda de correne e ensão de uma manera geral. Pono 2: Tensão e correne nos ermnas do gerador síncrono Sem arações no aconameno prmáro, a ensão produzda nos ermnas do gerador síncrono não apresena osclações bruscas, manendo um comporameno pcamene comporado no empo. A Fgura 5 mosra um zoom da ensão nos ermnas do gerador elérco. De manera análoga com a ensão, a Fgura 6 fornece o comporameno da correne nos ermnas do gerador síncrono. Percebe-se claramene a nfluênca dos dsposos de esado sóldo exsenes no refcador e nersor na forma de onda dsorcda da correne. Fg. 3. Esquema geral da opologa alemã apresenando ponos de monorameno. A. Aconameno Sem Turbulêncas O presene ópco em por mea apresenar as prncpas aalações do desempenho de um ssema eólco doado de um gerador síncrono quando sujeo a um aconameno prmáro lre de urbulêncas, apresenando somene seu alor médo ou base. Fg. 5. Tensão nos ermnas do gerador síncrono Pono 1: Velocdade mecânca do aconameno prmáro Parndo-se de um aconameno sem urbulêncas, obsera-se por meo da Fgura 4, que a poênca mecânca enregue ao gerador síncrono rfásco é pracamene consane. Fg. 6. Correne nos ermnas do gerador síncrono Pono 3: Tensão e correne nos ermnas de saída do conersor de freqüênca Fg. 4. Velocdade mecânca no exo do gerador A Fgura 7 demonsra o comporameno da ensão obserado nos ermnas do conersor de freqüênca. Nesa obsera-se, como esperado, um comporameno bem próxmo a um nersor conrolado de ses pulsos po PWM, com freqüênca de chaeameno em orno de 5 khz. A forma de onda da ensão sob consderação edenca, como esperado, um consderáel coneúdo harmônco [4].

5 Fg. 9. Velocdade mecânca no exo do gerador sujeo a uma urbulênca da fone prmára Fg. 7. Tensão nos ermnas do conersor de freqüênca De manera análoga a forma de onda da correne na saída do conersor de freqüênca é lusrada na Fgura 8. Pono 2: Tensão e correne nos ermnas do gerador síncrono rfásco Durane o período de urbulênca, noa-se que a ensão sofre uma eleação ransóra, correspondene à mudança de elocdade no exo da máquna síncrona. A Fgura 10 demonsra o comporameno da ensão. Fg. 8. Correne nos ermnas de saída do conersor de freqüênca B. Aconameno com Turbulêncas: Ocorrênca de Dando seqüênca aos esudos, ese caso raa da aalação das mesmas grandezas elércas e mecâncas enfocadas no caso aneror, só que, desa ez, sob condções operaconas represenaas da presença de uma fone prmára de energa apresenado uma urbulênca. Tal suação pode ser assocada, por exemplo, a uma de eno. Fg. 10. Comporameno da ensão nos ermnas do gerador síncrono, na suação de urbulênca De uma manera análoga, o comporameno da correne é lusrado na Fgura 11. Pono 1: Velocdade mecânca do aconameno prmáro A prmera grandeza aalada é a elocdade no exo do gerador, cujo desempenho, para ese caso, esá demonsrado na Fgura 9. A análse da fgura reela que a perurbação orgnada pela urbulênca de eno afea a poênca mecânca enregue ao gerador, mplcando em um aumeno de sua elocdade no nsane da ocorrênca. Fg. 11. Comporameno da correne nos ermnas do gerador síncrono, na suação de urbulênca

6 Pono 3: Tensão e Correne nos ermnas de saída do conersor de freqüênca A ensão e a correne na saída do conersor de freqüênca podem, respecamene, serem represenadas pelas Fguras 12 e 13. Fg. 12. Comporameno da correne nos ermnas do conersor de freqüênca, na suação de urbulênca de qualdade de energa rfásco, equpameno com o qual será possíel realzar uma análse crerosa acerca do coneúdo harmônco produzdo nos dferenes ponos do ssema, o noo laboraóro conará ambém com um crcuo de conrole que perme o sncronsmo do ssema esudado com a rede possblando, porano a análse do comporameno do ssema quando nerlgado com a rede da concessonára. Por ouro lado, o laboraóro apresenará ambém condções para a realzação de expermenos nclundo oura opologa de geração, doada de gerador de ndução, e sua possíel conexão à rede. É mporane salenar que, no momeno em que ese argo fo redgdo, o laboraóro desa faculdade recebeu um conjuno de equpamenos noos, os quas se enconram em fase de eses pela empresa fornecedora, os quas permrão uma aalação expermenal mas apurada quer qualaa quer quanaa do funconameno de ssemas eólcos. AGRADECIMENTOS Os auores agradecem o apoo fnancero recebdo de Furnas Cenras Elércas S.A. e pelo órgão de fomeno à pesqusa do esado de Mnas Geras - FAPEMIG. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fg. 13. Comporameno da correne nos ermnas do gerador síncrono, na suação de urbulênca V. CONCLUSÕES O presene argo ee por mea fornecer os resulados da prmera monagem práca do comporameno de um ssema de geração de energa eólca doado de gerador síncrono quando ese opera de forma ndependene da rede da concessonára local. A ndsponbldade de resulados de campo sobre as grandezas elércas e mecâncas de um ssema real leou á necessdade de se monar um pequeno ssema, em escala reduzda, com o objeo de erfcar os prncpas comporamenos orundos de seu funconameno. Vale lembrar que, como esclarecdo ao longo do exo, a solução aqu adoada para a obenção de resulados reas, olados fundamenalmene para aspecos qualaos de desempenho, não dmnuíram a mporânca da meodologa ora apresenada. Nauralmene, em face da escassez ncal de recursos para a monagem laboraoral ocorreram muos mprosos laboraoras. Tendo em sa, uma análse mas crerosa a respeo do assuno, fo solcado, a nsução de fomeno à pesqusa, um noo laboraóro, apresenando máqunas e equpamenos monados exclusamene para a obenção de resulados prácos de um ssema eólco. Além de nclur um analsador [1] ACKERMANN, T. Wnd Power n Power Sysems. 1. ed. [S.l.]: John Wley and Sons, Ld The Arum, Souhern Gae, Chcheser, Wes Sussex PO19 8SQ, England, [2] CASTILLO, B. C. Desenolmeno de Modelo Compuaconal de Ssemas Eólcos Ulzando Geradores Síncronos para Esudos de Desempenho no Conexo da Qualdade da Energa Elérca, Tese de Douorado, FEELT-UFU, Uberlânda, 2006, 213 págnas. [3] PINTO, A. C. Modelagem e Análse de Desempenho Dnâmco de Complexos Elércos Conendo Cenras Eólcas Doadas de Geradores Síncronos, Tese de Douorado, FEELT-UFU. Uberlânda, 2006, 208 págnas. [4] L. H. Hansen, P. H. Madsen, F. Blaabjerg, H. C. Chrsensen, U. Lndhard, K. Eskldsen, Generaors and Power Elecroncs Technology for Wnd Turbnes, Indusral Elecroncs Socey, IECON'01-27h Annual Conference of he IEEE, Vol. 3, Noember, 2001, pp [5] M. V. Nunes, Aalação do Comporameno de Aerogeradores de Velocdade Fxa e Varáel Inegrados em Redes Elércas Fracas, Tese de Douorado, Unersdade Federal de Sana Caarna, [6] S. Heer, Grd Inegraon of Wnd Energy Conerson Sysems, John Wley & Sons, England, 1998.