MÉTODO ANALÍTICO PARA ANÁLISE DA ESTABILIDADE DO GERADOR ASSÍNCRONO ATRAVÉS DO MONITORAMENTO DA TENSÃO

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA MÉTODO ANALÍTICO PARA ANÁLISE DA ESTABILIDADE DO GERADOR ASSÍNCRONO ATRAVÉS DO MONITORAMENTO DA TENSÃO João Luiz Bergamo Zamperin Laurence Duarte Colvara Orientador Ilha Solteira SP, Fevereiro de 2011

2 Campu de Ilha Solteira PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Método Analítico para análie da Etabilidade do Gerador Aíncrono Atravé do Monitoramento da Tenão JOÃO LUIZ BERGAMO ZAMPERIN Orientador: Prof. Dr. Laurence Duarte Colvara Diertação apreentada à Faculdade de Engenharia - UNESP Campu de Ilha Solteira, para obtenção do título de Metre em Engenharia Elétrica. Área de Conhecimento: Automação. Ilha Solteira SP Fevereiro/2011

3 FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Seção Técnica de Aquiição e Tratamento da Informação Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação da UNESP - Ilha Solteira. Zamperin, João Luiz Bergamo. Z26m Método analítico para análie da etabilidade do gerador aíncrono atravé do monitoramento da tenão / João Luiz Bergamo Zamperin. -- Ilha Solteira : [.n.], f. : il. Diertação (metrado) Univeridade Etadual Paulita. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira. Área de conhecimento: Automação, 2011 Orientador: Laurence Duarte Colvara Inclui bibliografia 1. Compenação dinâmica de reativo. 2. Etabilidade tranitória. 3. Geração eólica. 4. Gerador de indução. 5. Método analítico.

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5 Dedico ete trabalho ao meu pai, por erem uma fonte inegotável de incentivo a minha vida.

6 Agradecimento Acima de tudo agradeço a Deu, por etar empre ao meu lado, permitindo compreender a razão de e viver. Ao meu pai João e a minha mãe Maria, que e tornaram uma referência na minha vida, ao quai me repaaram eninamento o uficiente para ultrapaar obtáculo e conquitar o meu próprio objetivo, com a imple convicção de ter vontade de agir, obrigado pai e mãe você empre foram a bae em minha vida. Ao Profeor Laurence Duarte Colvara, por ua valioa orientação e por todo eninamento repaado ao longo dete trabalho. Ao profeore Dionízio Pachoareli Júnior e Percival Bueno de Araujo, pela informaçõe que contribuíram ignificativamente para o enriquecimento dete trabalho. À Roe, pelo companheirimo, incentivo, paciência e ao amor incondicional. A inúmera oraçõe da nona Thereza da Marlene, tio Zé, tia Edna e tia Marli. E ao grande carinho e incentivo da minha adorada irmã Ana Carolina. Ao meu grande amigo, Eduardo Forte e Ivan Brandt, pelo companheirimo, noa amizade empre uperou momento difícei. Ao Erick e Marlon com que tive o privilégio de vivenciar grande momento nete ano de convivência. Ao meu amigo de departamento e de laboratório com quem convivi a todo o momento na conhecida ala externa do antigo departamento de engenharia elétrica, que atualmente e tornou o GAESSE, obrigado a ele: Ápio, Adriano Cardoo, André Luiz, João Deroco, Marco Furini, Marcão, Maxwell, Ricardo Moura, muito obrigado pela troca contante de conhecimento. Ao Mauricio B. C. Salle, João P. V. Viera e ao Vandilberto P. Pinto que contribuíram no deenvolvimento do trabalho, com informaçõe importantíima.

7 Ao apoio financeiro da CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Peoal de Nível Superior. Obrigado ao crítico, para evolução deta ecrita.

8 Dêem-me um ponto de apoio e levantarei o mundo. Galileu Galilei

9 Reumo Propõe-e nete trabalho o deenvolvimento de uma metodologia analítica para análie do deempenho dinâmico/tranitório do geradore de indução conectado ao itema de energia elétrica. O método propoto para o etudo da etabilidade da máquina de indução baeia-e no monitoramento da tenão interna E' durante o período tranitório do itema, a qual pode comprometer a capacidade de tranmião de potência na linha, com conequente colapo da etabilidade da máquina. Dete modo, faz-e a análie do deempenho tranitório da máquina pela obervação da grandeza em que efetivamente reide a caua da intabilidade. O método deenvolvido foi validado por meio de imulaçõe digitai, em dua configuraçõe do itema: o primeiro cao, deprezando o uporte de potência reativa, para efeito de análie no etudo de etabilidade tranitória. No egundo, é realizada a compenação dinâmica de potência reativa via SVC (Static Var Compenator). Nete cao, memo na preença do compenador variável de reativo, o método da tenão interna revelou-e capaz de avaliar novo limite de etabilidade para o itema. Coniderado o reultado obtido, oberva-e que o método propoto apreenta reultado uficientemente precio para avaliar o comportamento do geradore de indução conectado à rede elétrica. Palavra chave: Compenação dinâmica de reativo. Etabilidade tranitória. Geração eólica. Gerador de indução. Método analítico.

10 Abtract Thi diertation propoe the development of an analytical methodology for analyi of dynamic/tranient performance of an induction generator connected to a bulk power ytem. The propoed method for tudying the tability of induction machine i baed on monitoring the internal voltage named E' ince during the tranient ytem, it magnitude may decreae and o cauing degeneration of the tranmiion ytem capability, with conequent collape of machine tability. Thu it i the analyi of tranient performance of the machine by oberving the variable that i actually the caue of intability. The analytical method wa validated by mean of digital imulation, in two ytem configuration: in the firt cae, no reactive upport i conidered, and the purpoe i to analye the machine tranient tability itelf. In the econd, a reactive upport i provided by mean of the dynamic reactive compenation via SVC (Static Var Compenator). In thi cae, even in the preence of variable reactive compenator, the method of internal voltage proved to be able to properly ae new tability limit. The reult o obtained lead to the indication that the propoed method reult are accurate enough in order to evaluate the behavior of induction generator, connected to the power grid. Keyword: Dynamic reactive compenation. Tranient tability. Wind generation. Induction generator. Analytical method.

11 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1.1 Capacidade global intalada de energia eólica de , (GWEC, 2011) 22 Figura 2.1 Equema de uma turbina eólica com gerador do tipo de indução (Reproduzida com permião de Pinto (2007))...26 Figura 2.2 Curva do C p λ para diferente tipo de rotore eólico...28 Figura 2.3 Curva C p (λ, β) em divero valore de β Figura 2.4 Repreentação da grandeza aerodinâmica da pá da turbina eólica...31 Figura 2.5 Sitema eólico de velocidade fixa com gerador SCIG...32 Figura 2.6 Gerador eólico de velocidade variável equipado com gerador de indução Duplamente Alimentado (DFIG)...33 Figura 2.7 Sitema eólico de velocidade variável com gerador íncrono de imã permanente Figura 3.1 Enrolamento do rotor e do etator da máquina de indução Figura 3.2 Ilutraçõe da repreentação do SCIG...36 Figura 3.3 Diagrama unifilar do gerador SCIG BI (barra infinita) Figura 3.4 Diagrama faorial do SCIG BI em regime permanente...39 Figura 3.5 Diagrama faorial do SCIG BI durante um tranitório...41 Figura 3.6 Ilutraçõe de repreentação do DFIG...42 Figura 3.7 Etratégia de controle vetorial...44 Figura 3.8 Malha do controle da tenão terminal, potência reativa...46 Figura 3.9 Malha do controle da potência ativa/velocidade angular...46 Figura 3.10 Principio de funcionamento do DFIG...47 Figura 4.1 Equema elétrico do Static Var Compenator (SVC)...49 Figura 4.2 Modelo dinâmico do SVC...50 Figura 4.3 Curva caracterítica V I SVC do SVC...50 Figura 4.4 SCIG BI com compenador hunt SVC...51 Figura 4.5 Sitema equivalente da Figura Figura 5.1 Modelo equivalente da máquina de indução conectada a uma barra infinita...54

12 Figura 5.2 Diagrama faorial da SCIG barra infinita...55 Figura 5.3 O parâmetro (Tenão interna E', ângulo θ, Máxima potência elétrica) que definem E' crit que etá no vértice da parábola...56 Figura 5.4 Curva de potência tranmitida com diferente valore da tenão interna do gerador de indução em função do ângulo teta (θ)...57 Figura 5.5 SMBI com medidore...59 Figura 5.6 Sitema equivalente MBI com SVC...60 Figura 5.7 Tenão interna crítica em função da uceptância do SVC, com uma e dua linha de tranmião...61 Figura 6.1 Diagrama unifilar do SCIG BI (barra infinita)...63 Figura 6.2 Tenão terminal tempo (pré-falta, falta, pó-falta)...64 Figura 6.3 Potência tempo...65 Figura 6.4 Tenão interna E' do gerador: ante, durante e apó o curto-circuito, identificando o limite da tenão E' crit...66 Figura 6.5 Velocidade do rotor (rad/) em 3 etágio (pré-falta, falta, pó-falta)...67 Figura 6.6 Vértice da parábola definido como E' crit...68 Figura 6.7 Conceito do critério da mínima tenão interna...69 Figura 6.8 Determinação do ponto de etabilidade, atravé do método da velocidade crítica...70 Figura 6.9 SCIG BI com SVC...71 Figura 6.10 Tenão interna E' tempo com t ch -580m...71 Figura 6.11 Tenão terminal tempo com t ch -580m...72 Figura 6.12 ω r (rad/) tempo...72 Figura 6.13 Ecorregamento tempo...72 Figura 6.14 Tenão interna E' tempo com t ch -590m...73 Figura 6.15 Tenão terminal tempo com t ch -590m...74 Figura 6.16 ω r (rad/) tempo...75 Figura 6.17 Ecorregamento tempo...75 Figura 6.18 Corrente do SVC tempo...76 Figura 6.19 Variação da uceptância do SVC tempo...76 Figura 6.20 Tenão interna crítica em função da uceptância do SVC...77 Figura 6.21 Tenão interna crítica B SVC...79 Figura 6.22 Superfície evidencianto ao aumento do carregamento do itema...80

13 Figura 6.23 Superfície evidencia o movimento da tenão interna crítica com aumento do carregamento do itema...81 Figura 6.24 Avaliação da tenão interna determinando o tempo crítico com aumento do carregamento do itema em 50%...82 Figura A.I.1 Sitema gerador eólico ligado a uma barra infinita atravé de uma rede de tranmião (MOTA, 2006)...91

14 LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 Capacidade acumulativa de geração de energia eólica no Brail (ANEEL, 2011; GWEC, 2011)...22 Tabela 6.1 Análie do itema com aumento do carregamento do itema com e em SVC 78 Tabela 6.2 Valore da tenão interna crítica em divera configuraçõe do itema...79 Tabela 6.3 Valore do tempo crítico e do E' crit para divero carregamento do itema...81 Tabela A.I.1 Dado da linha de tranmião em p.u. de 100MVA e tenõe do itema...91 Tabela A.I.2 Dado do gerador aíncrono...91 Tabela A.I.3 Dado do itema de excitação para controle de tenão da máquina tipo DFIG...91 Tabela A.I.4 Dado do itema de excitação para controle de velocidade da máquina tipo DFIG...91

15 LISTA DE ABREVIATURAS ANEEL BI CA DFIG FACTS GWEC MBI PACMTI PMSG SCIG SMBI STATCOM SVC TC TCR TP TSC Agência Nacional de Energia Elétrica Barra Infinita Corrente Alternada Doubly Fed Induction Generator Flexible AC Tranmiion Sytem Global Wind Energy Council Máquina veru Barra Infinita Partida da Aplicação do Critério da Mínima Tenão Interna Permanent Magnet Synchronou Generator Squirrel Cage Induction Machine Sitema Máquina Barra infinita Static Synchronou Compenator Static Var Compenator Tranformador de corrente Thyritor-Controlled Reactor Tranformador de potencial Thyritor-Switched Capacitor

16 LISTA DE SÍMBOLOS A Área de varredura da pá da turbina (m 2 ) arcen arctan BBmax, B min Arceno Arctangente Limite capacitivo e indutivo do SVC B SVC Suceptância do SVC C p Coeficiente de potência de uma turbina eólica C 1 C 2 co D d, d r E' ~ E E' crit E' crit 0 E' crit_vc E fd, E fq e' d, e' q d e q Converor interligado ao enrolamento do rotor do DFIG Converor do DFIG conectado à rede Coeno Força de arrato (drag) Tranformação d-q, eixo direto do etator e do rotor Tenão interna da máquina Faor da tenão interna do gerador Tenão interna crítica do gerador Tenão interna crítica inicial do gerador Tenão interna crítica coniderando o dipoitivo SVC Tenão de excitação no eixo direto e quadratura aplicada no rotor da máquina de indução DFIG Componente de eixo direto e quadratura da tenão interna da máquina e &, & Derivada de eixo direto e quadratura da tenão interna do gerador e' crit-vc 0 Tenão interna crítica inicial com a incluão do SVC e crit Tenão interna crítica para diferente valore de ganho do SVC kvc F f H i dr, i qr i d, i q Força reultante Velocidade angular íncrona no etator da máquina Contante de inércia Componente de eixo direto e quadratura da corrente do rotor Corrente de eixo direto e quadratura do etator da máquina i d vc, i qvc Corrente do eixo direto e quadratura com a incluão do SVC I drref, I qrref Componente de eixo direto e quadratura da corrente do rotor de referência

17 I a I grid I m I t I ~ t I r I Corrente injetada pelo converor C2 Corrente total fornecida a rede Eixo imaginário do plano carteiano Corrente terminal do gerador de indução Faor da corrente de armadura Corrente do rotor Corrente do etator I SVC Corrente do SVC i a, i b, i c Corrente do etator da fae a, b, c i A, i B, B ic Corrente do rotor da fae a, b, c K A K E K q2 K SVC L L m L rr L m M PA e, PA in P C2 P e Ganho do amplificador Ganho do itema de excitação Ganho de entrada do inal do etabilizador Ganho do SVC Força de utentação (lift) Indutância mútua entre etator e rotor Indutância de diperão do rotor Indutância de diperão do etator Miliengundo Contante de inércia Potência ativa etável e intável Potência ativa o converor C 2 troca com a rede Potência elétrica do gerador P e max Potência elétrica máxima endo tranferida pelo gerador P eref Potência elétrica de referência do gerador P grid Potência total do DFIG entregue a rede P m Potência mecânica da Turbina PQ e, PQ in Potência reativa etável e intável P r, P rotor Potência ativa do rotor do gerador P Potência ativa do etator do gerador p.u. q, q r Por unidade Tranformação dq, eixo quadratura do etator e do rotor

18 Q C2 Potência reativa que o converor C 2 troca com a rede Q grid Potência reativa do DFIG entre a rede Q r Q Potência reativa do rotor do gerador Potência reativa do etator do gerador Q SVC Potência reativa a qual o SVC troca com o itema rad/ R R r R R v en 0 cr α β t t ch t cr t e'crit t e'int t f Radiano por egundo, medida da velocidade do rotor Comprimento da pá, Eixo real do plano carteiano Reitência do rotor Reitência do etator Relação da velocidade (caixa de engrenagem) Seno Ecorregamento da máquina de indução, egundo, laplace Ecorregamento inicial ou nominal de operação Ecorregamento critico Eixo do etator Eixo do rotor Tempo Tempo de chaveamento Tempo crítico Intante de tempo da intalação do critério da tenão interna Tempo de detecção da intabilidade pelo critério da tenão interna Tempo de aplicação da falta T 0 Contante de tempo tranitória de circuito aberto T A T e T E T m T e T q T SVC V B V R v a, v b, v c Contante de tempo do amplificador Torque elétrico Contante de tempo da excitação Torque mecânico Contante de tempo de realimentação tranitória Contante de tempo do circuito wahout Contante de tempo do SVC Velocidade da pá Velocidade relativa Tenão do etator da fae a, b, c

19 v A, v B, B vc Tenão do rotor da fae a, b, c v d, v q v dr, v qr Tenão de eixo direto e quadratura do etator da máquina Tenão de eixo direto e quadratura do rotor da máquina V V d, q Tenão terminal o eixo direto e quadratura do gerador com atuação do SVC V, v V REF V w V ~ V, V' V MAX, V MIN X m X X' X X total X e Tenão terminal do gerador de indução Tenão terminal de referência do gerador Velocidade do vento (m/) Faor da tenão terminal do gerador Barra infinita, barra infinita do circuito equivalente com SVC Limite máximo e mínimo do regulador de tenão Reatância mútua entre etator e rotor de um gerador de indução Reatância de diperão do etator de um gerador de indução Reatância tranitória de um gerador de indução Reatância do etator Reatância total do itema coniderando, linha, tranformador e tranitória Reatância da linha de tranmião, Reatância equivalente coniderando linha e tranformador X epo X E X r X t X lt XV MAX XV MIN Reatância da linha de tranmião pó-falta Reatância equivalente da linha de tranmião com SVC Reatância do rotor Reatância do tranformador Reatância da linha de tranmião Limite máximo de aída de bloco do regulador de tenão Limite mínimo de aída de bloco do regulador de tenão α β Ângulo de ataque Ângulo de pao da pá da hélice pitch, ângulo do tranitório da defaagem angular entre a tenão interna e a barra infinita θ θ r θ Ângulo de defaagem entre barra infinita e a tenão interna Poição do rotor do DFIG Poição do fluxo do etator do DFIG

20 δ γ λ φ a, φ b, φ c Ângulo de defaagem angular entre a barra infinita e o eixo quadratura da máquina Ângulo da fae A do rotor ao da fae a do etator Razão entre a velocidade linear da ponta da pá e a velocidade do vento Fluxo do enrolamento do etator da fae a, b, c φ A, φ B, B φc Fluxo do enrolamento do rotor da fae a, b, c φ φ d φ q μ Fluxo do etator Fluxo do etator de eixo direto Fluxo do etator de eixo quadratura Ganho de realimentação tranitória ξ Ângulo de defaagem entre a tenão terminal e a tenão interna ρ Denidade do ar (kg/m 3 ) ω 0 ω cr ω r ω& r ω Velocidade inicial, velocidade angular íncrona no etator da máquina Velocidade crítica Velocidade angular do eixo rotor do gerador, Frequência angular do eixo de alta rotação do gerador eólico Derivada temporal da velocidade angular do eixo do gerador do rotor Velocidade angular do etator ω REF Velocidade angular de referência do etator

21 SUMÁRIO CAPÍTULO INTRODUÇÃO Organização da diertação CAPÍTULO AEROGERADORES: CONCEITOS E COMPONENTES Introdução Principai componente do Sitema Eólico (Apecto Contrutivo) Potência da Turbina Eólica Coeficiente de potência Controle aerodinâmico Tipo de geradore Gerador de Indução em Gaiola de Equilo (SCIG) Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) Gerador Síncrono (PMSG) CAPÍTULO MODELO MATEMÁTICO DO GERADOR DE INDUÇÃO Máquina de indução em gaiola de equilo (SCIG) Modelo dinâmico de um gerador de indução (SCIG) conectado à uma barra infinita atravé de um itema de tranmião Determinação do ponto de operação para SMBI em regime permanente Gerador de indução (SCIG) conectado à uma barra infinita durante um regime tranitório Máquina de indução duplamente alimentado (DFIG) Modelo dinâmico de um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) Etratégia de controle Modelagem e controle do converor ligado ao rotor CAPÍTULO SCIG COM SVC CONECTADO A UM SMBI Modelo dinâmico da conexão do dipoitivo SVC a um itema barra infinita com gerador SCIG Modelo matemático da conexão do SVC na barra terminal do itema com gerador de indução SCIG Equaçõe do SMBI com o SVC CAPÍTULO DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA O ESTUDO DA ESTABILIDADE DOS GERADORES DE INDUÇÃO POR MONITORAMENTO DATENSÃO E' Etudo da etabilidade do geradore de indução atravé da tenão interna E' Análie da etabilidade por meio da tenão E' Etudo da etabilidade do gerador de indução atravé da tenão interna E' com um compenador de reativo SVC A origem da intabolidade do gerador de indução SCIG... 62

22 CAPÍTULO SIMULAÇÕES E RESULTADOS Coniderando o método analítico da tenão E' Análie do comportamento do SCIG durante o tranitório Análie da etabilidade do SCIG atravé do método da tenão interna E' Método da tenão E' comparado com método da velocidade Etudo da etabilidade do geradore de indução atravé da tenão interna E' com a intalação do compenador etático de reativo (SVC) Tempo de falta t ch -580m (etável em o SVC) Tempo de falta t ch -590m (intável em o SVC) Comportamento do SCIG com SVC Análie da influência do critério da mínima tenão interna em rede forte e fraca Análie do deempenho do critério da mínima tenão interna E' em diferente condiçõe de carregamento do itema Análie do comportamento da tenão interna E' com aumento em 50% e com curto-circuito...81 CAPÍTULO CONCLUSÕES GERAIS Sugetõe para trabalho futuro REFERÊNCIAS APÊNDICE I DADOS DO SISTEMA TESTE ANEXO I ARTIGOS PUBLICADOS... 92

23 21 1 Introdução A energia, na ua mai divera forma, é indipenável à obrevivência da epécie humana e, mai do que obreviver, o homem procurou empre evoluir, decobrindo fonte e forma alternativa de adaptação ao ambiente em que vive, atendendo a ua neceidade. Dea forma, a exautão, ecaez ou inconveniência de um dado recuro tende a er compenada pelo urgimento de outro(). Em termo de uprimento energético, a eletricidade paou a er recuro indipenável e etratégico para o deenvolvimento ocioeconômico de uma nação (AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL, 2002). O grande deafio etá em atifazer a crecente demanda de energia elétrica no mundo, em agredir o meio ambiente. A olução encontrada etá no uo de fonte de energia alternativa, originada para diminuir o impacto ambientai. Dentre ela, detaca-e a energia eólica, que além de atender ao requiito anteriore, é coniderada uma fonte energética renovável e inegotável. A energia provinda do vento apreenta também como vantagen aociada à ua utilização, menore cuto operacionai e de manutenção, quando comparada com a fonte convencionai de converão de energia elétrica (ANEEL, 2002), e ainda menor impacto ambiental, poi não exige a queima de combutívei, nem a formação de grande reervatório de água. De acordo com o Global Wind Energy Council GWEC (2010), a capacidade intalada da centrai eólica tem evoluído não ó no Brail, como em todo o mundo. A ecolha deta fonte de energia etá relacionada à queda de cuto e ao aumento da potência do aerogeradore. O fornecimento de energia elétrica atravé da energia do vento etá e aproximando da forma convencionai de produção de energia elétrica, uma vez que a turbina moderna têm melhorado em eficiência e confiabilidade, (LI; CHEN, 2008). No mundo todo, o aproveitamento de energia eólica crece cerca de 31% a cada ano (GWEC, 2010). A expanão da capacidade de nova intalaçõe de centrai eólica é repreentada na Figura 1.1. A evolução do etor eólico braileiro e intituiu em 2002 pelo governo federal, coordenado pelo Minitério de Mina e Energia, e gerenciado pela Eletrobrá, com o Programa de Incentivo à Fonte Alternativa (PROINFA), que tem por objetivo a diverificação da matriz

24 22 energética braileira, viando epecificamente o aumento da utilização de fonte renovávei de energia. Capacidade mundial de energia eólica intalada ( ) Figura 1.1 Capacidade global intalada de energia eólica de , (GWEC, 2011). O Brail conta com 50 uina eólica intalada em operação, o que correponde a 0,76% da matriz energética do Brail, como verificado no documento Capacidade de Geração do Brail atualizado em 15 de janeiro de 2011 (ANEEL, 2011). A Tabela 1.1 apreenta a evolução da intalaçõe eólica no Brail. Tabela 1.1 Capacidade acumulativa de geração de energia eólica no Brail (ANEEL, 2011; GWEC, 2011). Ano MW Nete cenário de evolução da centrai eólica no mundo, o etore elétrico têm vindo a experimentar alteraçõe ignificativa na ua etrutura, levando a nova definiçõe e combinaçõe de condiçõe técnica, que aegurem a operação e a confiabilidade do itema. Devido à centrai eólica, equipada com máquina íncrona e aíncrona etarem ujeita a perturbaçõe dinâmica e tranitória originada por curto-circuito na rede elétrica, pode-e comprometer o fornecimento ininterrupto da energia, aim como a qualidade de erviço manifetada por nívei de tenão e frequência. Viando principalmente a continuidade do fornecimento de energia, é de todo intereante analiar a etabilidade do gerador, conectado a

25 23 um grande itema. Aim, procura-e etabelecer uma metodologia de análie, incluindo um critério de etabilidade. A motivação principal dete trabalho foi dada pela auência na literatura de um etudo claro à repeito da caua da intabilidade do gerador aíncrono. Sabe-e que o gerador de indução em gaiola de equilo (SCIG Squirrel Cage Induction Generator) apreenta deficiência de potência reativa e, conequentemente, não conegue controlar a tenão em eu terminai apó um tranitório, neceitando para ito de um uporte de potência reativa. Sabe-e também que a deterioração do perfil de tenão leva ao enfraquecimento da capacidade de tranmião de potência podendo prejudicar a etabilidade da operação. À vita deta conideraçõe, um método é propoto para o etudo da etabilidade do geradore de indução, detacando que o método de análie, além de proverem uma avaliação da etabilidade do itema, propiciam uma clarificação do entendimento obre o comportamento do geradore de indução conectado ao itema elétrico de potência. Nota-e que a tenão interna (uualmente deignada por E') de um gerador de aíncrono é afetada pelo movimento tranitório, e alterando conforme o deempenho do itema e, durante um regime tranitório pode comprometer a capacidade de tranmião de potência na linha, levando à intabilidade e conequente colapo da etabilidade do gerador de indução. Dete modo, faz-e a análie do deempenho tranitório da máquina, pela obervação da grandeza em que efetivamente reide a caua da intabilidade, ou eja, a própria tenão interna. A validação do método da tenão interna é realizada por meio de imulação digital. Neta diertação conidera-e o gerador SCIG viando etudar eu comportamento tranitório com vita à etabilidade eletromecânica, incluindo o dipoitivo FACTS (Flexible AC Tranmiion Sytem) compenador etático de reativo SVC (Static Var Compenator) o qual, além da compenação de potência reativa neceária ao deempenho atifatório do SCIG, propicia a poibilidade de regulação automática de tenão no terminai da máquina e, por conequência, controle do deempenho dinâmico/tranitório do itema. Embora a aplicação do SCIG em geradore eólico de grande porte (acima de 1MW) vem diminuindo no último ano (LI; CHEN, 2008), na geração ditribuída e teve uma crecente aplicação (GRILO, 2007), endo que a jutificativa para eu uo etá na implicidade contrutiva. No que e refere epecificamente a ete trabalho, o etudo é motivado pelo fato de apreentar reultado atifatório no deenvolvimento da metodologia analítica, obtendo reultado batante

26 24 acurado de detecção da condição de intabilidade do gerador, enejando a expectativa de, na evolução poterior do trabalho, tratar itema de maior complexidade. 1.1 Organização da diertação De forma implificada, a organização deta diertação permite obter uma vião clara do que vem a er abordado ao decorrer do capítulo. O Capítulo 2 trata brevemente da fundamentação teórica do aerogeradore como o conjunto mecânico e elétrico, e o tipo de máquina elétrica utilizada no aerogeradore. O Capítulo 3 decreve a modelagem matemática do gerador de indução em gaiola de equilo SCIG, e do rotor bobinado duplamente alimentado (DFIG Doubly Fed Induction Generator), para a repreentação em etudo dinâmico e tranitório de itema de potência. O Capítulo 4 evidencia a modelagem do compenador etático reativo SVC, conectado à um itema barra infinita com geradore de indução, para que eja realizado o etudo da etabilidade dinâmica/tranitória do itema. O Capítulo 5 apreenta o principal foco dete trabalho, o deenvolvimento do método analítico atravé da tenão E' da máquina de indução, com e em compenação dinâmica de reativo. O Capítulo 6 enfatiza o reultado de imulaçõe computacionai, realizada com a comprovação do método da tenão interna. O método analítico oferecido é uficientemente precio para avaliar o comportamento do geradore de indução, conectado a um compenador variável de reativo, poibilitando ganhar um maior entendimento obre a operação e o eu comportamento. O Capítulo 7 detaca a concluõe obtida com o deenvolvimento dete etudo.

27 25 2 Aerogeradore: conceito e componente 2.1 Introdução A jutificativa para o deenvolvimento dete capítulo e dá pelo fato de o geradore etudado neta diertação erem utilizado na geração eólica e uma da etapa deta pequia etá no conhecimento do aerogerador. Em razão dito, ete capítulo tem como principal finalidade decrever e abordar brevemente teoria que compõem o aerogeradore, como conceito relativo a aerodinâmica, tipo de turbina eólica, máquina elétrica utilizada na geração de energia eólica e por fim, o itema de controle. 2.2 Principai componente do Sitema Eólico (Apecto Contrutivo) De acordo com CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO CRESEB (2008), o aerogeradore ão contituído por vário componente mecânico e elétrico que devem trabalhar em conjunto da melhor forma poível, a fim de propiciar um maior rendimento final. O principai componente que formam um aerogerador ão apreentado na Figura 2.1 (PINTO, 2007): 1 Anemômetro: mede a velocidade do vento; 2 Pá: capta a energia cinética do vento; 3 Freio da turbina eólica; 4 Controlador de velocidade; 5 Caixa de engrenagem: Utilizada em itema de máquina de indução, que converte a engrenagem de velocidade baixa do rotor para engrenagem de velocidade rápida do gerador. A turbina eólica que não tem ete itema, geralmente ão turbina equipada com geradore íncrono, ligado diretamente ao rotor do gerador, eta máquina pouem um elevado n de pólo; 6 Gerador: Tranforma energia mecânica em energia elétrica;

28 26 7 Eixo de alta velocidade: Ligado ao gerador; 8 Eixo de baixa velocidade: Ligado à turbina eólica; 9 Nacele: É o compartimento intalado no alto da torre e que abriga todo o mecanimo do gerador, o qual pode incluir: caixa de engrenagem, freio, embreagem, mancai, controle eletrônico, itema hidráulico, etc; 10 Pitch: É um itema ativo que normalmente neceita de uma informação vinda do controlador do itema. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapaada, devido à um aumento da velocidade do vento, a pá do rotor giram em torno do eu eixo longitudinal. Em outra palavra, a pá mudam o eu ângulo de pao para reduzir o ângulo de ataque e, conequentemente, reduzir a potência extraída do vento; 11 Turbina Eólica: Capta parte da energia cinética do vento e a tranforma em energia mecânica; 12 Torre: É o elemento que utenta o rotor e a nacele na altura adequada ao funcionamento da turbina eólica; 13 Vento: Diponibilidade energética da natureza; 14 Medidor de direção do vento; 15 Engrenagem de poicionamento da turbina eólica; 16 Motor da engrenagem. Figura 2.1 Equema de uma turbina eólica com gerador do tipo de indução, (Reproduzida com permião de Pinto (2007).

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