Desenvolvimento e Comparação de Modelos Digitais de Aerogeradores Para Estudos de Transitórios Eletromagnéticos

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1 Desenvolvimento e Comparação de Modelos Digitais de Aerogeradores Para Estudos de Transitórios Eletromagnéticos Marco Antonio Peregrino Vianna PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Aprovado por: Prof. Robson Francisco da Silva Dias (Orientador) Júlio César de Carvalho Ferreira (Coorientador) Prof. Sérgio Sami Hazan (Examinador) Rio de Janeiro / RJ 2014

2 A ciência sem a fé é manca, a fé sem a ciência é cega. (Albert Einstein) ii

3 iii Dedicado ao meu pai, Marco Antonio, e à minha esposa, Graziela.

4 Agradecimentos A Deus, sem o qual eu não vislumbraria sentido para a vida. Ao Prof. Sérgio Sami Hazan, pelo apoio, pela disponibilidade e pelo incentivo. Ao Prof. Jorge Luiz do Nascimento, pelo auxílio no início desta empreitada. Ao Prof. Edson Hirokazu Watanabe, que permitiu que fossem utilizados os recursos do Laboratório de Eletrônica de Potência. Ao orientador deste trabalho, Dr. Prof. Robson Dias, pela disponibilidade e pela boa vontade. Ao coorientador deste trabalho, doutorando Júlio César Ferreira, cujo apoio técnico e pessoal foi imprescindível à elaboração deste projeto. Aos colegas e professores que, de alguma forma, me ajudaram durante a faculdade. A todos os meus poucos, porém valorosos, amigos verdadeiros. Ao meu pai, Marco Vianna, não somente pelo suporte e pelo incentivo durante a faculdade, mas, sobretudo, pelos valores que me transmitiu ao longo da vida. À minha querida esposa Graziela Leta, verdadeira amiga e parceira de todas as horas, que me ensinou o verdadeiro significado da palavra companheirismo. iv

5 Resumo Este trabalho visa ao estudo e ao desenvolvimento de modelos digitais completos de unidades de geração eólica, projetados a partir de geradores de indução duplamente alimentados (DFIG) e de geradores síncronos de ímã permanente (PMSG). São apresentados os conceitos pertinentes a cada tipo de máquina e às suas estratégias de controle. Os modelos desenvolvidos são avaliados através de simulações em programa computacional e da análise de transitórios eletromagnéticos. Os modelos digitais desenvolvidos apresentam-se como um bom ferramental para a análise do comportamento de sistemas de geração eólica de grande porte cuja estratégia de controle esteja fundamentada no controle vetorial da velocidade de rotação da máquina. No presente trabalho, tais simulações foram desenvolvidas considerando-se modelos individuais completos para as máquinas, os conversores e as malhas de controle. Eventuais alterações nos valores nominais de tensão e potência das máquinas demandam a realização de ajustes nos ganhos e variáveis da malha de controle. Como justificativa para o desenvolvimento de modelos digitais completos de sistemas de geração eólica, os quais abranjam geração, controle, modulação e conversão, pode-se mencionar a usual indisponibilidade de ferramentais deste tipo em bibliotecas de programas computacionais de simulação. Dessa forma, a utilização de modelos pré-concebidos representa um considerável ganho de tempo para o desenvolvimento de modelos de sistemas de maior porte, resguardando-se os eventuais ajustes necessários à adequação do modelo digital utilizado à topologia do tipo de sistema de geração eólica desejado. Os resultados de tensão, corrente, potência, torque mecânico e velocidade angular observados nas simulações desenvolvidas em programa computacional são coerentes com os conceitos de estabilidade e eficiência considerados, tanto no estudo de máquinas elétricas quanto no desenvolvimento do controle orientado pelo campo. Tal fato representa uma validação dos modelos digitais desenvolvidos no presente trabalho. v

6 Sumário Lista de figuras... xi Lista de tabelas... xx 1. Considerações iniciais Introdução Conceitos gerais Configuração básica de um sistema de geração eólica Aproveitamento e eficiência Conexão à rede e regime de velocidade Rastreamento da potência máxima Considerações de torque Impactos ambientais A geração eólica no Brasil Objetivos do trabalho Estrutura do trabalho Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) DFIG: síntese teórica e principais características Conexão do aerogerador à rede Modelo teórico da máquina Conceitos Transformação de variáveis Circuito equivalente Formulação a partir do crcuito equivalente Estratégia de controle Conversor CA-CC-CA Conversor do lado da máquina vi

7 Conversor do lado da rede Malhas de controle dos conversores Malha de controle do lado da máquina Malha de controle do lado da rede Gerador Síncrono de Ímã Permanente (PMSG) PMSG: síntese teórica e principais características Conexão da turbina à rede Modelo teórico da máquina Conceitos Transformação de variáveis Circuito equivalente Formulação a partir do circuito equivalente Estratégia de controle Conversor CA-CC-CA Conversor do lado da máquina Conversor do lado da rede Malhas de controle dos conversores Malha de controle do lado da máquina Malha de controle do lado da rede Simulações e resultados experimentais Introdução Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) Diagrama esquemático Bloco MGC_5x1: Módulo de Geração e Controle Cabo trifásico Transformador Linha de transmissão Modelo da máquina Malhas de controle Malha de controle do lado da máquina vii

8 Malha de controle do lado da rede Conversores Conversor do lado da máquina Conversor do lado da rede Normalização de variáveis Normalização de variáveis do lado da máquina Normalização de variáveis do lado da rede Moduladores PWM Moduladores PWM do lado da máquina Moduladores PWM do lado da rede Circuito de sincronismo - Phase Locked Loop (PLL) Tensão de forma de onda triangular Simulações do DFIG Análise sob torque mecânico constante Grandezas do lado da máquina Grandezas do lado da rede Tabela-resumo de grandezas obtidas: simulação do DFIG sob torque constante Análise em função da imposição de pequenas variações ao torque mecânico da máquina Grandezas do lado da máquina Grandezas do lado da rede Tabela-resumo de grandezas obtidas: simulação do DFIG sob a imposição de pequenas variações ao torque mecânico da máquina Análise em função da imposição de uma grande variação ao torque mecânico da máquina Grandezas do lado da máquina Grandezas do lado da rede Tabela-resumo de grandezas obtidas: simulação do DFIG sob a imposição de uma grande variação ao torque mecânico da máquina Gerador Síncrono de Ímã Permanente / PMSG Diagrama esquemático Bloco MGC_5x1: Módulo de Geração e Controle Cabo trifásico viii

9 Transformador Linha de transmissão Modelo da máquina Malhas de controle Malha de controle do lado da máquina Malha de controle do lado da rede Conversores Conversor do lado da máquina Conversor do lado da rede Normalização de variáveis Normalização de variáveis do lado da máquina Normalização de variáveis do lado da rede Moduladores PWM Moduladores PWM do lado da máquina Moduladores PWM do lado da rede Circuito de sincronismo - Phase Locked Loop (PLL) Tensão de forma de onda triangular Simulações do PMSG Análise sob torque mecânico constante Grandezas do lado da máquina Grandezas do lado da rede Tabela-resumo de grandezas obtidas: simulação do PMSG sob torque constante Análise em função da imposição de pequenas variações ao torque mecânico da máquina Grandezas do lado da máquina Grandezas do lado da rede Tabela-resumo de grandezas obtidas: simulação do PMSG sob a imposição de pequenas variações ao torque mecânico da máquina Análise em função da imposição de uma grande variação ao torque mecânico da máquina Grandezas do lado da máquina Grandezas do lado da rede ix

10 Tabela-resumo de grandezas obtidas: simulação do PMSG sob a imposição de uma grande variação ao torque mecânico da máquina Análise sob condições de falta DFIG: grandezas do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica DFIG: grandezas do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica PMSG: grandezas do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica PMSG : grandezas do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica Considerações finais e sugestões para trabalhos futuros Considerações finais Sugestões para trabalhos futuros A. Parâmetros dos controladores PI Referências bibliográficas x

11 Lista de Figuras 1.1. Conjunto aerogerador Gráfico C P vs λ, parametrizado pelo ângulo de passo β Esquema de conexão entre o DFIG e a rede elétrica Diagrama de eixos da transformada abc-dq e dq-abc Circuito equivalente do DFIG em coordenadas dq Diagrama do conversor do lado da máquina / DFIG Diagrama do conversor do lado da rede / DFIG Diagrama da malha de controle do conversor do lado da máquina / DFIG Diagrama da malha de controle do conversor do lado da rede / DFIG Esquema de conexão entre o PMSG e a rede elétrica Circuito equivalente do PMSG em coordenadas dq Diagrama do conversor do lado da máquina / PMSG Diagrama do conversor do lado da rede / PMSG Diagrama da malha de controle do conversor do lado da máquina / PMSG Diagrama da malha de controle do conversor do lado da rede / PMSG Diagrama esquemático / simulação do DFIG Modelo do DFIG Malha de controle do lado da máquina / DFIG Malha de controle do lado da rede / DFIG Conversor do lado da máquina / DFIG Conversor do lado da rede / DFIG Normalização de grandezas do lado da máquina / DFIG Normalização de grandezas do lado da rede / DFIG Modulador PWM do lado da máquina / DFIG Modulador PWM do lado da rede / DFIG PLL - Phase Locked Loop ou circuito de sincronismo / DFIG Tensão de forma de onda triangular / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina / DFIG xi

12 4.14. Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina - AMPLIAÇÃO / DFIG Tensões de referência do lado da máquina / DFIG Tensões de referência do lado da máquina - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Tensões de referência do lado da máquina - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Velocidade angular de rotação da máquina, torque mecânico imposto e torque mecânico interno / DFIG Velocidade angular de rotação da máquina / DFIG Torque mecânico imposto e torque mecânico interno / DFIG Correntes e tensões no rotor / DFIG Correntes e tensões no rotor - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Correntes e tensões no rotor - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Correntes e tensões no rotor - AMPLIAÇÃO 3 / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 3 / DFIG Trem de pulsos do lado da máquina / DFIG Trem de pulsos do lado da máquina - AMPLIAÇÃO / DFIG Escorregamento / DFIG Escorregamento - AMPLIAÇÃO / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede - AMPLIAÇÃO / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede - AMPLIAÇÃO / DFIG Tensões de referência do lado da rede / DFIG Tensões de referência do lado da rede - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Tensões de referência do lado da rede - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Potência no PCC / DFIG xii

13 4.43. Potência no PCC - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Potência no PCC - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Tensão no elo CC / DFIG Tensão no elo CC - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Tensão no elo CC - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Correntes e tensões na saída do conversor / DFIG Correntes e tensões na saída do conversor - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Correntes e tensões na saída do conversor - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 1 / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 2 / DFIG Trem de pulsos do lado da rede / DFIG Trem de pulsos do lado da rede - AMPLIAÇÃO / DFIG Ângulo de referência de fase da tensão da rede / DFIG Ângulo de referência de fase da tensão da rede - AMPLIAÇÃO / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Tensões de referência do lado da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Velocidade angular de rotação e torque mecânico interno em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Correntes e tensões no rotor da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a triangular em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Tensões de referência do lado da rede em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Potência no PCC em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Tensão no elo CC em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG xiii

14 4.68. Correntes e tensões na saída do conversor em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Velocidade angular de rotação e torque mecânico interno em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Velocidade angular de rotação e torque mecânico interno em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Correntes e tensões no rotor da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Correntes e tensões no rotor da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular, em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular, em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Potência no PCC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Potência no PCC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Tensão no elo CC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Tensão no elo CC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Correntes e tensões na saída do conversor em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Correntes e tensões na saída do conversor em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular, em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular, em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico - AMPLIAÇÃO / DFIG Diagrama esquemático / simulação do PMSG xiv

15 4.87. Modelo do PMSG Malha de controle do lado da máquina / PMSG Malha de controle do lado da rede / PMSG Conversor do lado da máquina / PMSG Conversor do lado da rede / PMSG Normalização de variáveis do lado da máquina / PMSG Normalização de variáveis do lado da rede / PMSG Modulador PWM do lado da máquina / PMSG Modulador PWM do lado da rede / PMSG PLL - Phase Locked Loop ou circuito de sincronismo / PMSG Tensão de forma de onda triangular / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Tensões de referência do lado da máquina / PMSG Tensões de referência do lado da máquina - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Tensões de referência do lado da máquina - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Potências ativa e reativa no estator / PMSG Potências ativa e reativa no estator - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Potências ativa e reativa no estator - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Velocidade angular de rotação da máquina / PMSG Velocidade angular de rotação da máquina - AMPLIAÇÃO / PMSG Correntes e tensões no estator / PMSG Correntes e tensões no estator - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Correntes e tensões no estator - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Trem de pulsos do lado da máquina / PMSG Trem de pulsos do lado da máquina - AMPLIAÇÃO / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede / PMSG xv

16 Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Tensões de referência do lado da rede / PMSG Tensões de referência do lado da rede - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Tensões de referência do lado da rede - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Potência no PCC / PMSG Potência no PCC - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Potência no PCC - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Tensão no elo CC / PMSG Tensão no elo CC - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Tensão no elo CC - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Correntes e tensões na saída do conversor / PMSG Correntes e tensões na saída do conversor - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Correntes e tensões na saída do conversor - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 1 / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular - AMPLIAÇÃO 2 / PMSG Trem de pulsos do lado da rede / PMSG Trem de pulsos do lado da rede - AMPLIAÇÃO / PMSG Ângulo de referência de fase da tensão da rede / PMSG Ângulo de referência de fase da tensão da rede - AMPLIAÇÃO / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Tensões de referência do lado da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Potências ativa e reativa no estator em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Velocidade angular de rotação em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Correntes e tensões no estator da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG xvi

17 Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Tensões de referência do lado da rede em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Potência no PCC em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Tensão no elo CC em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Correntes e tensões na saída do conversor em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Velocidade angular de rotação em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Potências ativa e reativa no estator em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Correntes e tensões no estator da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da máquina e a tensão triangular em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Potência no PCC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Tensão no elo CC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Correntes e tensões na saída do conversor em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Tensões de referência do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Potências ativa e reativa no rotor e no estator sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Velocidade angular de rotação da máquina e torque mecânico imposto sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG xvii

18 Correntes e tensões no rotor sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Comparação entre a tensão de referência do lado da máquina e a tensão triangular sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Trem de pulsos do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Trem de pulsos do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica - AMPLIAÇÃO / DFIG Escorregamento sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Tensões de referência do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Potência no PCC sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Tensão no elo CC sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Correntes e tensões na saída do conversor sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Comparação entre a tensão de referência da fase a do lado da rede e a tensão triangular sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Trem de pulsos do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Trem de pulsos do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica - AMPLIAÇÃO / DFIG Ângulo de referência de fase da tensão da rede sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Tensão medida no PCC sob a ocorrência de falta trifásica / DFIG Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Tensões de referência do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Potências ativa e reativa no estator sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Velocidade angular de rotação da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Correntes e tensões no estator sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Comparação entre a tensão de referência e a tensão triangular do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Trem de pulsos do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Trem de pulsos do lado da máquina sob a ocorrência de falta trifásica - AMPLIAÇÃO / PMSG xviii

19 Correntes de eixo direto e em quadratura do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Tensões de referência do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Potência no PCC sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Tensão no elo CC sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Correntes e tensões na saída do conversor sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Comparação entre a tensão de referência e a tensão triangular do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Trem de pulsos do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Trem de pulsos do lado da rede sob a ocorrência de falta trifásica - AMPLIAÇÃO / PMSG Ângulo de referência de fase da tensão da rede sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG Tensão medida no PCC sob a ocorrência de falta trifásica / PMSG xix

20 Lista de Tabelas 1.1. Matriz Energética Brasileira Principais grandezas obtidas na simulação do DFIG sob torque constante Variação do torque mecânico imposto ao modelo da máquina / DFIG Variação da corrente de eixo direto do lado da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Potências ativa e reativa no rotor da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Potências ativa e reativa no estator da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Amplitude das correntes no rotor da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Corrente de eixo em quadratura do lado da rede em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Potência ativa entregue à rede elétrica no PCC em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Amplitude das correntes na saída do conversor em função das variações impostas ao torque mecânico / DFIG Principais grandezas obtidas na simulação do DFIG sob a imposição de pequenas variações ao torque mecânico da máquina Variação de grande magnitude imposta ao torque mecânico da máquina / DFIG Potências ativa e reativa no rotor da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Potências ativa e reativa no estator da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Amplitude das correntes no rotor da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Potência ativa entregue à rede elétrica no PCC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Amplitude das correntes na saída do conversor em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / DFIG Principais grandezas obtidas na simulação do DFIG sob a imposição de uma grande variação ao torque mecânico da máquina xx

21 4.18. Principais grandezas obtidas na simulação do PMSG sob torque constante Variação do torque mecânico imposto ao modelo da máquina / PMSG Variação da corrente de eixo direto do lado da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Potências ativa e reativa no estator da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Amplitude das correntes no estator da máquina em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Corrente de eixo em quadratura do lado da rede em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Potência ativa entregue à rede elétrica no PCC em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Amplitude das correntes na saída do conversor em função das variações impostas ao torque mecânico / PMSG Principais grandezas obtidas na simulação do PMSG sob a imposição de pequenas variações ao torque mecânico da máquina Variação de grande magnitude imposta ao torque mecânico da máquina / PMSG Potências ativa e reativa no estator da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Amplitude das correntes no estator da máquina em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Potência ativa entregue à rede elétrica no PCC em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Amplitude das correntes na saída do conversor em função de uma grande variação imposta ao torque mecânico / PMSG Principais grandezas obtidas na simulação do PMSG sob a imposição de uma grande variação ao torque mecânico da máquina A.1. Parâmetros dos controladores PI xxi

22 Capítulo 1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 1.1. INTRODUÇÃO CONCEITOS GERAIS Uma das maiores preocupações da sociedade moderna tem sido a busca pelo desenvolvimento sustentável. O crescente aumento da demanda de energia elétrica em grandes centros urbanos é uma realidade concreta e irreversível, em função tanto das novas demandas tecnológicas quanto do crescimento populacional. Entretanto, nos dias atuais, existe uma melhor compreensão a respeito da forma como a utilização desta energia e a maneira de gerá-la devem ocorrer, em face à urgente necessidade de preservação do meio-ambiente. Tal necessidade fundamenta-se nas mudanças climáticas que têm ocorrido no planeta nas últimas décadas, ocasionadas, sobretudo, pelo aquecimento global decorrente da queima de combustíveis fósseis. Durante vários anos, a geração de energia através de matrizes hidrelétricas foi vista, em países com recursos hídricos consideráveis, como uma ótima alternativa à utilização dos derivados de petróleo. Entretanto, os impactos ambientais provocados pelo alagamento de grandes áreas para a construção dos lagos das usinas têm provocado crescentes reações adversas por parte de ambientalistas em todo o mundo, o que representa um entrave à expansão de sistemas elétricos através da construção de usinas hidrelétricas. Nesse sentido, o desenvolvimento de sistemas alternativos de geração, baseados em fontes de energia renováveis e de baixo impacto ambiental, assume um papel fundamental, uma vez que estes representam uma alternativa viável tanto à geração por queima de derivados de petróleo quanto por matrizes hidrelétricas. Entre as formas de geração que se enquadram de maneira mais adequada em todos os quesitos supracitados, a geração eólica se destaca por razões ambientais, de custo, de eficiência energética e, ainda, pela possibilidade 1

23 de ser utilizada em sistemas híbridos (com geradores a combustível) em áreas afastadas, nas quais a interligação com as redes de transmissão for inviável [1]. Muito embora o uso da energia eólica esteja aumentando gradativamente no País, ainda existe uma carência de modelos digitais detalhados para pesquisa e desenvolvimento de projetos de aerogeradores. Atualmente, encontram-se à disposição, apenas, modelos para regime permanente, nos quais o gerador é modelado como uma fonte de corrente, e modelos dinâmicos, nos quais o gerador é modelado como um gerador propriamente dito. Dentro desse contexto, o uso de ferramentas computacionais de simulação que proporcionem um conhecimento mais aprofundado do comportamento de sistemas de geração eólica faz-se pertinente, uma vez que permite, entre outros proveitos, a elaboração de modelos digitais aplicados a situações específicas, bem como uma redução considerável no tempo de desenvolvimento de projeto e uma maior precisão no dimensionamento de equipamentos e componentes, o que resulta em uma redução de custos. Neste trabalho são desenvolvidos modelos digitais completos de unidades de geração eólica, levando-se em conta as necessidades encontradas em sistemas reais. Nos itens subsequentes, são apresentados alguns conceitos gerais sobre geração eólica, com o intuito de se estabelecer uma visão mais ampla deste tipo de geração, bem como uma melhor caracterização dos problemas e particularidades inerentes à mesma. 2

24 CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO EÓLICA A figura 1.1 mostra os componentes de um sistema aerogerador: CAIXA MULTIPLICADORA DE VELOCIDADE ACOPLAMENTO ANEMÔMETRO PÁS CUBO GERADOR NACELE TORRE Figura 1.1: Conjunto Aerogerador. 3

25 A seguir, são descritos os principais componentes do aerogerador, a saber: pás, cubo, rotor, nacele, gerador, caixa multiplicadora de velocidade e torre. - Pás, cubo e rotor: realizam a transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. As pás são fixadas ao cubo em grupo de três, o qual, por sua vez, é conectado ao eixo do rotor. Este eixo é acoplado ao gerador, geralmente por intermédio de uma caixa multiplicadora de velocidade, transmitindo ao mesmo a energia mecânica rotacional proveniente do rotor. - Nacele: é o compartimento que abriga todo o conjunto de componentes do sistema de geração, o qual pode incluir: gerador, caixa multiplicadora de velocidade, freios, embreagem, mancais, acoplamentos, controle eletrônico, sistema hidráulico, etc. - Gerador: instalado na parte interna da nacele, o gerador realiza a conversão da energia mecânica de rotação do eixo em energia elétrica; - Caixa multiplicadora de velocidade: em situações normais, a intensidade dos ventos que incidem sobre as pás não é suficiente para que a velocidade de rotação do eixo do cubo seja da mesma ordem de grandeza da velocidade nominal de rotação do gerador (geralmente na faixa de 1000 a 1800 rpm). Somando-se a isso o fato de que a velocidade do vento não é constante, faz-se necessária a utilização de um jogo de engrenagens conhecido como caixa multiplicadora de velocidades, instalado na parte interna da nacele, a fim de realizar o acoplamento entre o eixo do cubo e o eixo do rotor do gerador, compatibilizando, assim, as diferentes velocidades de rotação. Cabe ressaltar, porém, que a utilização da caixa multiplicadora de velocidades não foi incluída no escopo do presente trabalho, sendo o controle baseado nas variações da velocidade do vento. - Torre: elemento que sustenta o conjunto nacele cubo pás na altura adequada ao melhor funcionamento da turbina eólica. Em geral, as torres são fabricadas de metal (treliçada ou tubular, sendo as tubulares utilizadas em sistemas de maior potência) ou de concreto. As torres de aerogeradores de pequeno porte são estaiadas (sustentadas por cabos tensores), enquanto as das turbinas de médio e grande porte são auto-portantes. 4

26 APROVEITAMENTO E EFICIÊNCIA O aproveitamento da energia eólica para fins de geração de energia elétrica pode ser realizado através da instalação de aerogeradores em sistemas híbridos, para o suprimento de cargas pontuais, ou através de parques ou fazendas eólicas. Parques eólicos são grupos de aerogeradores dispostos em espaços geográficos, sejam estes terrestres ou marítimos, destinados ao suprimento de grandes cargas locais ou à interligação com a rede elétrica, dependendo da proximidade desta com o parque em questão [5]. Quanto à viabilidade do aproveitamento eólico, esta depende, basicamente, da velocidade média do vento em uma dada região de análise. Tal velocidade pode apresentar variações decorrentes de fatores temporais, geográficos e topográficos, a saber: - Os fatores temporais podem ser classificados, basicamente, através dos seguintes tipos de variação de velocidade: variações anuais, decorrentes de alterações climáticas; variações sazonais, decorrentes das diferentes estações do ano; variações diárias, em função do micro clima local; variações horárias, brisas terrestre e marítima; e, por fim, variações de curta duração, popularmente conhecidas como rajadas. Todos esses tipos de variação temporal da velocidade do vento devem ser criteriosamente analisados antes da escolha de uma determinada região para a instalação de um parque eólico. - Os fatores geográficos e topográficos exercem grande influência sobre a velocidade do vento em um determinado local, uma vez que a energia eólica utilizável para geração de energia elétrica depende da altura de operação das turbinas, da rugosidade do solo na área de geração e da distância entre as torres instaladas. A velocidade de um fluido aumenta à medida que este se afasta das superfícies circunvizinhas, o que torna a velocidade do vento uma grandeza que aumenta de forma diretamente proporcional ao aumento da altura em relação à superfície da Terra e à diminuição da rugosidade do solo. Dessa forma, as características geográficas e topográficas de uma região tornam-se fatores determinantes para a incidência de ventos mais fortes ou mais fracos. Em terrenos planos, ou de baixa rugosidade, as variações da velocidade do vento são menos significativas do que em terrenos irregulares, ou de alta rugosidade, fato esse que faz com que as áreas urbanas não propiciem, usualmente, um bom aproveitamento eólico. Dessa forma, visando à 5

27 otimização do aproveitamento do vento, as turbinas eólicas são geralmente instaladas em torres elevadas, sendo que, atualmente, a ordem de grandeza da altura das torres de sistemas de grande porte gira em torno de uma centena de metros. Devido à influência da rugosidade do solo na velocidade média do vento e da escassez de áreas terrestres disponíveis em determinadas regiões, a instalação de parques eólicos em áreas marítimas pode ser uma opção interessante. A eficiência de turbinas eólicas situa-se, tipicamente, em uma faixa entre 20% e 40%, [13]. Esta eficiência é comparável, por exemplo, à de turbinas a gás, geralmente entre 25% e 37% [14]. Entretanto, a utilização de sistemas de geração eólica possui uma amortização de custos ao longo do tempo mais vantajosa, em função de não demandar gastos relativos à aquisição de combustível CONEXÃO À REDE E REGIME DE VELOCIDADE Os sistemas aerogeradores podem ser conectados à rede diretamente ou indiretamente, através da utilização de um conversor eletrônico bidirecional. No caso de conexão direta, utilizada em sistemas de geração eólica construídos a partir de geradores de indução com rotor gaiola de esquilo, os terminais do estator são conectados à rede sem o intermédio de conversor eletrônico. Neste tipo de configuração, a operação do sistema deve ser realizada em velocidade fixa, com o intuito de se evitar eventuais problemas em relação à qualidade da energia gerada. Tais problemas caracterizam-se por variações na frequência da tensão de saída, em decorrência de eventuais perturbações no regime de rotação da turbina. O estudo de sistemas de geração que operem em conexão direta, no entanto, não faz parte do escopo do presente trabalho. No caso de conexão indireta, realizada através da utilização de um conversor entre os terminais do estator (ou do rotor, dependendo do tipo de máquina) do gerador e a rede, a operação pode ser realizada em velocidade variável mantendo-se a freqüência da tensão de saída praticamente constante. 6

28 RASTREAMENTO DA POTÊNCIA MÁXIMA Usualmente, os fabricantes de aerogeradores fornecem a seus compradores, para fins operacionais, curvas de potência versus velocidade absoluta do vento. No entanto, o principal fator do processo de extração de potência do vento pelos modernos rotores aerodinâmicos é a razão entre a velocidade das pás do rotor e a velocidade do vento [1]. Esta relação é representada pela constante λ, sendo a mesma quantificada conforme a expressão a seguir: λ ω ν R t =, (1.1) VENTO sendo: - ω t R = V T, a velocidade tangencial da ponta de cada uma das pás, onde R é a distância da ponta de cada pá ao eixo de rotação; - ν VENTO, a velocidade do vento que incide sobre as pás. Uma relevante grandeza a ser considerada no estudo do rastreamento de potência máxima é o coeficiente de potência C P, que representa a parcela de potência que é retirada do vento pela turbina. O valor de C P está diretamente ligado a dois fatores: (i) às características aerodinâmicas da turbina eólica, as quais não podem ser modificadas; (ii) ao ângulo de passo, que é o ângulo de inclinação das pás em relação ao eixo, cujo valor pode ser ajustado. Para cada valor do ângulo de passo, há uma curva C P versus λ e, portanto, um valor ótimo distinto para C P, ou C P,OPT. Consequentemente, a cada valor de C P,OPT corresponde um valor ótimo de λ, ou λ OPT, que é o valor de λ para o qual o processo de conversão de energia atinge seu ponto de máxima eficiência, sendo também definido como a relação ótima entre a velocidade na extremidade das pás e a velocidade do vento. Cabe ressaltar que o valor máximo teórico de C P é igual a 0,59, uma vez que, segundo a Lei de Betz, o percentual máximo de energia cinética do vento que pode ser convertido em energia mecânica por uma turbina eólica é igual a 59% [1]. Um valor de C P bem próximo ao seu valor máximo teórico é obtido sob um ângulo de passo de 0º. 7

29 Em turbinas de velocidade variável, como as analisadas no presente trabalho, o controle de velocidade para a obtenção de λ OPT é realizado através de um conversor eletrônico, o qual é detalhado nos capítulos subsequentes. Já em turbinas de velocidade fixa, esta função é exercida por meio do controle de passo, um sistema ativo que atua no sentido de ajustar o ângulo de inclinação das pás de acordo com a velocidade do vento, controlando o ângulo de ataque do mesmo. Uma vez que o escopo deste trabalho não abrange turbinas de velocidade fixa, o estudo do controles de passo não será efetivamente pormenorizado. A fim de prevenir o sistema da ocorrência de danos, em caso de incidência de ventos com velocidade excessiva, há um sistema de segurança passivo denominado controle de estol, baseado nas características aerodinâmicas das pás. Este tipo de controle promove o aumento do ângulo de ataque, reduzindo a intensidade da força de sustentação e aumentando a força de arrasto, o que faz com que a velocidade de rotação das pás diminua. Na figura 1.2, é apresentado o gráfico C P versus λ parametrizado por um ângulo de passo β, sendo que a grandeza λ OPT apontada na figura corresponde a um valor de β igual a 0º [10]. O coeficiente de potência C P é adimensional, ao passo que o ângulo de passo β é expresso em graus. Cp λ OPT Lambda Figura 1.2: gráfico C P versus λ, parametrizado pelo ângulo de passo β. 8

30 CONSIDERAÇÕES DE TORQUE Uma das principais grandezas a serem consideradas no estudo de sistemas de geração eólica é o torque mecânico. O torque mecânico no eixo da turbina (T TUR ) é diretamente proporcional à velocidade do vento (ν VENTO ) e ao coeficiente de potencia (C P ), além de ser inversamente proporcional à velocidade de rotação da turbina (ω t ) [12], conforme pode ser observado na equação (1.2): T TUR 3 A ρ ν VENTO CP =, (1.2) 2 ω t sendo: - A, área do rotor da turbina, ou seja, da área da mesma percorrida pelo fluxo de ar; - ρ, densidade do ar. Ao nível do mar e sob uma temperatura de 15ºC, ρ é igual a, aproximadamente, 1,225 kg/m 3, de acordo com o modelo atmosférico ISA (International Standard Atmosphere), criado pela Organização de Aviação Civil Internacional (vide referência [9]); - ν VENTO, velocidade do vento que incide sobre as pás; - C P, coeficiente de potência; - ω t, velocidade de rotação do eixo da turbina. Manipulando-se algebricamente as equações (1.1) e (1.2), chega-se à equação (1.3): sendo: 2 3 π R ρ ν VENTO CP TTUR =, (1.3) 2 λ - R, a distância da ponta de cada pá ao eixo de rotação (ou raio do rotor); - λ, a razão entre a velocidade tangencial da ponta de cada uma das pás e a velocidade do vento, obtida através da equação (1.1). Em sistemas de geração eólica que utilizam caixa multiplicadora de velocidades acoplada entre a turbina e o gerador, há uma redução à razão de 1/G R no torque mecânico da turbina, não obstante o fato de ocorrer uma multiplicação no valor da velocidade [1]. 9

31 Portanto, o torque mecânico entregue ao gerador, em função da atuação da caixa multiplicadora de velocidades, é dado pela seguinte equação: sendo: T TUR T GER =, (1.4) G R - T GER, o torque mecânico entregue ao gerador; - T TUR, o torque mecânico da turbina; - G R, a relação de engrenagens utilizada. Cabe ressaltar que, em sistemas que não utilizam caixa multiplicadora de velocidades, tais como o sistema em estudo no presente trabalho, o valor de G R é unitário, sendo, portanto, o torque mecânico entregue ao gerador igual ao torque mecânico da turbina IMPACTOS AMBIENTAIS A energia eólica é considerada uma fonte de energia limpa e autossustentável, mas, ainda assim, existem implicações ambientais no que concerne à utilização da mesma, visto que a localização inadequada de parques eólicos pode causar problemas como mortandade de aves e morcegos, poluição sonora ou mesmo poluição visual. Nesse sentido, na maioria dos países, a construção destes parques depende da realização de estudos de impacto ambiental e da apresentação de relatório oficial aos órgãos competentes [1] A GERAÇÃO EÓLICA NO BRASIL A utilização da energia eólica para fins de geração de energia elétrica no Brasil ainda pode ser considerada incipiente, em virtude do potencial que pode ser vislumbrado sobre este tipo de geração no País. Segundo dados atualizados pela ANEEL em janeiro de 2014 [11], apenas kw dos kw da capacidade total instalada em território brasileiro provêm de sistemas eólicos, correspondendo, portanto, a somente 1,64% da matriz energética brasileira. Para se ter uma idéia do quanto a geração eólica ainda precisa ser explorada no Brasil, este valor corresponde ao segundo menor valor percentual entre todas as 10

32 matrizes energéticas instaladas no país, sendo maior apenas do que o percentual referente à matriz de energia nuclear (1,48%). Vale ressaltar que, ainda segundo dados da ANEEL [11], no período de novembro de 2011 até janeiro de 2014 houve um acréscimo de apenas 0,62 % na capacidade de geração eólica instalada em território brasileiro. A seguir, é apresentado o Banco de Informações de Geração (BIG) da ANEEL [11], quadro demonstrativo da matriz energética brasileira, atualizado em 14/02/2014. Tipo MATRIZ BRASILEIRA DE ENERGIA ELÉTRICA EMPREENDIMENTOS EM OPERAÇÃO Capacidade Total Instalada % N. de N. de (kw) (kw) Usinas Usinas Hidro , ,8 Gás Petróleo Biomassa Natural ,03 Processo ,28 Óleo Diesel ,61 Óleo Residual Bagaço de Cana , ,93 Licor Negro ,14 Madeira ,32 Biogás ,06 Casca de Arroz ,03 % , , ,47 Nuclear , ,48 Carvão Mineral Carvão Mineral , ,52 Eólica , ,68 Fotovoltaica , Paraguai ,46 Importação Argentina ,17 Venezuela ,19 Uruguai , ,06 Total Tabela 1.1: Matriz Energética Brasileira [11] 11