Harrison García Tabares. Controle Direto de Torque aplicado em Aerogeradores que empregam o gerador de indução com rotor bobinado

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1 Harrison García Tabares Controle Direto de Torque aplicado em Aerogeradores que empregam o gerador de indução com rotor bobinado Santo André 2014 i

2 Universidade Federal do ABC Faculdade de Engenharia Elétrica Harrison García Tabares Controle Direto de Torque aplicado em Aerogeradores que empregam o gerador de indução com rotor bobinado Dissertação de Mestrado apresentada à Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do ABC, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de Concentração: Energia Elétrica Orientador: Dr. Alfeu J. Sguarezi Filho Coorientador: Dr. Edmarcio A. Belati Santo André 2014 ii

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5 iii A minha familia.

6 Agradecimentos Ao universo por conspirar para tudo dar certo; A minha mãe Esneda Tabares Giraldo por sua formação e amor; Meu irmão e família; Ao meu orientador Prof. Dr. Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho pela orientação deste trabalho; Ao meu coorientador Prof. Dr. Edmarcio Belati pela oportunidade e orientação; Meus amigos da Colômbia, os que apesar da distância sempre estão presentes; Aos amigos que encontrei no Brasil, em especial o Ronny Maciel, Diego Tunisi; Ao CNPq, FAPESP e à UFABC pelo apoio financeiro; Aos meus amigos e colegas do laboratório Thiago Ferreira, Roberta Rosa Ferreira, André Murari, Jose Luis Mejia Olivas, Nolman Barroso, Jaquelene Cardoso, Carlos Mario Rocha, especialmente a José Alberto Torrico pela ajuda na construção da bancada experimental e solução de dúvidas. iv

7 Quando tudo parece estar indo contra você, lembre-se que o avião decola contra o vento, não com ele. Henry Ford. v

8 Resumo Devido às preocupações com a redução do uso dos recursos fósseis e das emissões de CO 2 ocasionadas pelos mesmos, o interesse no uso de energias renováveis aumentou, sendo uma destas fontes a energia eólica. O Gerador de Indução de Rotor Bobinado (GIRB) tem demonstrado ser uma ferramenta capaz de otimizar o uso da energia eólica, dada a sua alta eficiência, rentabilidade e robustez mecânica, ainda assim é necessário superar os numerosos desafios que estão presentes nesta tecnologia, tais como qualidade da potência, estabilidade da rede, entre outros. O objetivo desta pesquisa se concentra no estudo de técnicas de controle de potência fornecida pelo GIRB aplicado a sistemas de geração eólica. No presente caso, o sistema de geração é composto por um GIRB com seu estator conectado diretamente à rede e seu rotor é conectado à rede através de um conversor bidirecional. Propõe-se estudar o método de controle direto de torque (CDT) com emprego de controladores PI e por modos deslizantes (SMC) mais PI. O controle direto de torque é uma técnica de alto desempenho dinâmico e possibilita o controle independente do torque e fluxo do gerador o que possibilitará o controle das potências ativa e reativa do GIRB. Da mesma forma, é estudado o conversor para o processamento da energia gerada. As simulações baseadas em modelos matemáticos destes métodos de controle foram revistos, analisados e comparados com as simulações de textos de referência. Resultados experimentais obtidos em uma bancada validaram o protótipo proposto. Palavras-chave: Gerador de Indução Duplamente Alimentado, Gerador de Indução com Rotor Bobinado, Controle Direto de Torque, Controle de Potência Ativa e Reativa, Controle por Modos Deslizantes. vi

9 Abstract Due to concerns about reducing the use of fossil resources and the CO 2 emissions caused by them, interest in the use of renewable energy increased, one of these sources is wind energy. The Wound Rotor Induction Generator (WRIG) has been proved to be a tool to optimize the use of wind energy, given its high efficiency, profitability and mechanical robustness, it is still necessary to overcome the many challenges that are present in this technology, such as power quality, grid stability, among others. This research focuses on the study of control techniques for power supply by WRIG applied to wind generation systems. In this case, the generation system consists of a stator WRIG is connected directly to the electrical network and its rotor too, but via a bidirectional converter. It is proposed to study the method of direct torque control (DTC) with the use of PI and sliding mode controllers (SMC) more PI. The direct torque control is a technique of high dynamic performance and enables independent control of torque and flux generator, which will enable the control of active and reactive power of WRIG. Likewise, it is studied the converter for processing the generated power. The simulations based on mathematical models of these control methods were reviewed, analyzed and compared with simulations of reference texts. Experimental results obtained on a bench validated the proposed prototype. Key-words: Doubly Fed Induction Generator, Wound Rotor Induction Generator, Direct Torque Control, Control of Active and Reactive Power, Sliding Mode Control. vii

10 Lista de Figuras 2.1 Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes com o inversor à tiristores Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes com inversor PWM Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes conversor de estágio intermediário Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes com conversor Back to Back Gerador de Indução Gaiola de Esquilo com o conversor Back to Back GIRB com conversor por retificador e inversor à tiristores GIRB com conversor Back to Back GIRB com conversor em Matriz Enrolamentos trifásicos ideais (Rotor e estator) Diagrama do vetor espacial v t Diagrama de blocos do CDT com emprego de controladores PI Resposta para entrada ao degrau de referência Respostas ao degrau de referência das potências Tensão e corrente de estator(corrente em escala maior) Resposta para entrada ao degrau de referência Respostas ao degrau de referência das potências Tensão e corrente de estator(corrente em escala maior) Correntes do rotor e velocidade do GIRB Regiões apartir da superfície de chaveamento s(x, y) = Plano de fase do subsistema I Plano de fase do subsistema II Aplicação da função de chaveamento no plano de fase Aplicação da função de chaveamento no plano de fase Funções eval utilizadas no SMC(a)Sinal (b)histerese (c)linear com saturação Controlador por modos deslizantes aplicado ao CDT do GIRB Controlador por modos deslizantes do torque SMC Controlador por modos deslizantes do fluxo SMC Conversor do lado da rede do GIRB Diagrama de blocos do PLL viii

11 4.12 Desempenho do PLL Resposta para entrada ao degrau de referência Respostas ao degrau de referência das potências Tensão e corrente de estator(corrente em escala maior) Resposta para entrada ao degrau de referência Respostas ao degrau das referência das potências ativa e reativa Tensão e corrente de estator(corrente em escala maior) Correntes do rotor e velocidade do GIRB Tensão do barramento de corrente contínua no conversor Back-to-Back Correntes dq do conversor do lado da rede Tensão e corrente da rede elétrica(corrente em escala maior) DSP Conjunto de máquinas elétricas Conversor back to back Placas de condicionamento con sensores hall Circuito condicionamento de sinais Encoder incremental acoplado ao GIRB Diagrama do Blocos bancada experimental Bancada experimental utilizada Fluxograma do sistema implementado no DSP Diagrama de blocos do PLL da bancada experimental Diagrama de blocos do sistema de sincronismo Tensões do estator do GIRB sincronizadas com as tensões da rede Resposta para entrada ao degrau de referência de torque e fluxo do rotor Resposta para entrada ao degrau de referência de torque e fluxo do rotor Resposta para entrada ao degrau de referência de torque e fluxo do rotor Respostas ao degrau das referência das potências ativa e reativa Tensões e correntes do estator na simulação computacional Tensões e correntes do estator na bancada experimental ix

12 Lista de Tabelas 2.1 Valores das constantes do coeficiente de potência C p Oferta e demanda de Energia Eólica no Brasil [1] A.1 Parâmetros e valores nominais da máquina de indução x

13 Glossário GIDA Gerador de Indução Duplamente Alimentado GIRB Gerador de Indução Rotor Bobinado GSIP Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes WRIG Wound Rotor Induction Generator DFIG Doubly Fed Induction Generator CDT Control Direto de Torque DTC Direct Torque Control DPC Direct Power Control PWM Pulse Width Modulation IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistors VSI Back-to-Back Voltage Source Inverter PLL Phase-Locked Loop MVE Modulação de Vetores Espaciais DSP Digital Signal Processor PI Proporcional-Integral CC Corrente Contínua DC Direct Current ONS Operador Nacional do Sistema SEP Sistema Elétrico de Potência WWEA World Wind Energy Association MPPT Maximum Power Point Tracking VSC Voltage Source Converter SCR Silicon Controlled Rectifier FOC Field Oriented Control SMC Sliding Mode Control SMD Surface Mount Technology FPGA Field Programmable Gate Away xi

14 Lista de Símbolos v, i, ψ Módulos da tensão, corrente e fluxo, respectivamente; v, i, ψ V dc V as,v bs,v cs V ar,v br,v cr V rms i as,i bs,i cs i ar,i br,i cr P mec P s,q s P r,q r C p V ω ρ R t β λ Vetores espaciais da tensão, corrente e fluxo, respectivamente; Tensão CC do inversor; Tensões por fase abc de estator; Tensões por fase abc de rotor; Valor eficaz da tensão da rede; Correntes por fase abc de estator; Correntes por fase abc de rotor; Potência mecânica do gerador; Potências ativa e reativa do estator, respectivamente; Potências ativa e reativa do rotor, respectivamente; Coeficiente de desempenho; Velocidade do vento; Densidade do ar; Raio da turbina; Ângulo de passo das hélices da turbina; Velocidade da ponta da hélice; xii

15 T e J R s,r r L s,l r,l m σ ω mec k i k p f f sw Torque eletromagnético; Momento de inércia; Resistências do estator e rotor, respectivamente; Indutâncias do estator, rotor e mutua, respectivamente; Coeficiente total de dispersão; Velocidade angular mecânica do rotor; Ganho do controlador integrador; Ganho do controlador proporcional; frequência; frequência de chaveamento; xiii

16 Subscripts s, r Estator, rotor; α, β Coordenadas do sistema de referência estacionário; d, q Coordenadas do sistema de referência síncrono; α r,β r mec slip ref act Coordenadas do sistema de referência rotórico; Referente às componentes mecânicas da máquina; Referente ao escorregamento; Referência; Actual; Superscripts Número complexo conjugado. xiv

17 Sumário 1 Introdução Estrutura do trabalho Gerador de Indução e Energia Eólica Modelo Mecânico da Turbina Energia eólica no país e no mundo Geradores e conversores utilizados Geradores Síncronos Geradores de Indução Revisão bibliográfica das Técnicas de Controle do GIRB Modelo Dinâmico da Máquina de Indução Referencial em coordenadas estacionárias Referencial em coordenadas síncronas Expressões das potências do estator e rotor Princípio do Controle Direto de Torque (CDT) CDT para o GIRB com a utilização de controladores PI Resultados de simulação Testes com o GIRB operando com velocidade do rotor constante Testes com o GIRB operando com velocidade do rotor variável CDT com emprego de controladores por modos deslizantes Introdução Controle por modos deslizantes Controle por modos deslizantes aplicado ao CDT do GIRB Controle do conversor conectado à rede Resultados de simulação Testes com o GIRB operando com velocidade do rotor constante Testes com o GIRB operando com velocidade do rotor variável Resultados do GIRB conectado à rede elétrica xv

18 5 Resultados Experimentais Introdução Sistema implementado Sincronização com a rede elétrica Resultados experimentais do controlador de potências com DTC para o GIRB 64 6 Conclusões 70 7 Publicações 72 A Parâmetros da Máquina 79 B Transformação de referênciais 80 B.1 Transformação de abc para αβ B.2 Transformação do referencial dq para αβ r B.3 Transformação do referencial αβ r para αβ xvi

19 Capítulo 1 Introdução Nos últimos anos o interesse no uso de energias renováveis aumentou, uma destas fontes é a eólica. Este aumento devido às preocupações com a redução dos recursos fósseis e a redução das emissões de CO 2 ocasionadas pelos mesmos. Desta maneira a geração de energia eólica e seus respectivos estudos cresceram consideravelmente, devido a suas vantagens como energia limpa e renovável. A energia eólica, obtida da energia cinética (do movimento) gerada pelo deslocamento das massas de ar, que por sua vez são provocadas pelas diferenças de temperatura existentes na superfície do planeta. A energia cinética do vento aciona as pás da turbina eólica que está conectada ao rotor de um gerador elétrico. Este gerador é responsável por converter energia mecânica em energia elétrica. A eletricidade gerada, esta diretamente relacionada à densidade do ar, à área coberta pela rotação das pás e à velocidade do vento [2]. Como o vento é intermitente o ajuste da potência gerada está relacionado às características do gerador. Da mesma forma que outros sistemas de geração, à geração eólica têm que seguir critérios e limites de operação nas quais o sistema deve operar em estado normal antes e depois de uma perturbação. É então que os novos estudos dos sistemas de controle dão ao operador da rede novas ferramentas para dirigir os sistemas em margens de estabilidade, sendo um ponto chave o controle das potências ativa e reativa. O controle da potência ativa em resposta dos requerimentos do operador do sistema em aerogeradores é agora possível, mediante o manejo da velocidade de giro das pás, troca de carga e uso da eletrônica de potência. Em termos de potência reativa, atualmente a maior parte dos geradores em produção e funcionamento correspondem a geradores de indução, os quais requerem desta potência para poder gerar. Se o sistema não tem controle sobre as potências, uma instabilidade de tensão ou o colapso do sistema poderia ocorrer [3, 4]. As dificuldades que surgem na hora de trabalhar com o sistema de geração eólica requerem a utilização de sistemas de velocidade variável, tais como os geradores de indução, para o qual o Gerador de Indução de Rotor Bobinado (GIRB) até agora demostrou ser 1

20 Capítulo 1. Introdução 2 uma ferramenta capaz de otimizar o uso da energia eólica, dada a sua alta eficiência, rentabilidade e robustez. Ele conectado diretamente na rede elétrica pelo estator e por meio de um conversor bidirecional através de seu rotor. O conversor processa, no máximo, 30% da potência total do GIRB [5]. No entanto, ainda há muitos desafios em sistemas de geração eólica baseados em tecnologias do GIRB com o fim da alta injeção de energia elétrica, entre eles, estabilidade da rede, problemas de qualidade da potência, comportamento ante falhas como baixa tensão, desequilíbrios de fase, entre outros. Todos os problemas que podem repercutir no sistema tem uma solução com algo em comum, o controle da máquina, onde podem ser abordados [5]. No presente trabalho o controle de potências do GIRB é realizado por meio da utilização da técnica de controle direto de torque com orientação de campo pelo fluxo do estator e utilização de controladores do tipo proporcional-integral(pi) [6] e controladores por modos deslizantes (SMC) mais controladores PI. Neste caso, os controladores geram as tensões que deverão ser aplicadas ao rotor de forma que as referências sejam atendidas. Devido ao uso do PI, é possível utilizar frequência de chaveamento fixa. 1.1 Estrutura do trabalho O Capítulo 2 apresenta o potencial do uso da energia eólica no mundo e no Brasil, um breve histórico da evolução dos tipos dos geradores, conversores e técnicas de controle empregadas na geração eólica. Da mesma forma apresenta o modelo dinâmico do gerador de indução com rotor bobinado. Finalmente apresenta os conceitos básicos de controle direto de torque para o GIRB, com os quais se pode obter o desacoplamento das potências ativa e reativa do estator. O uso da técnica de controle direto de torque com controladores PI e a etapa de estimação é apresentado de igual forma no Capítulo 2. Resultados de simulação computacional são apresentados para validar o método. No Capítulo 3 são apresentados os conceitos da técnica de controle direto de torque com controladores por modos deslizantes (SMC) mais PI, o controle do conversor conectado à rede elétrica também é apresentado neste capítulo. Os resultados da simulação computacional são apresentados com o fim de avaliar o método. Finalmente no capítulo 4 são apresentados os resultados da bancada experimental implementada no laboratório, com a finalidade de avaliar os resultados do controle de potências do GIRB. As conclusões da presente dissertação são apresentadas no Capítulo 5. O Apêndice A apresenta os parâmetros do GIRB empregado nas simulações. O Apêndice B apresenta as transformações de referenciais utilizados neste trabalho.

21 Capítulo 2 Gerador de Indução e Energia Eólica A presente seção apresenta os geradores mais utilizados, algumas topologias de conversores, o modelo matemático do gerador de indução com rotor bobinado que constitui o comportamento dinâmico do mesmo, baseado na notação de vetor espacial, a técnica de controle direto de torque, as equações para o cálculo das potências ativa e reativa do gerador e uma breve revisão bibliográfica das técnicas de controle utilizadas nos geradores de indução. 2.1 Modelo Mecânico da Turbina Com o modelo mecânico da turbina é possível calcular a potência e torque mecânico que estão sendo aplicadas no eixo do GIRB. Assim, a potência mecânica P mec (2.4) está em função da velocidade do vento V ω, densidade do ar ρ, raio da turbina R t e o coeficiente de desempenho C p [7,8]. P mec = 1 2 ρπr2 tc p (λ,β)v 3 ω (2.1) O coeficiente de desempenho C p a sua vez, depende do ângulo de passo das hélices da turbina β e da relação linear entre a velocidade do vento e a velocidade da ponta da hélice λ. Este coeficiente determina a eficiência da energia cinética contida nos ventos transformada pela turbina eólica em energia mecânica girante [7,8]. O C p pode variar de 0 até 0,59, desta forma ele varia com λ e β como segue: Onde, C p (λ,β) = c 1 ( c2 λ i c 3 β c 4 ) e c 5 λi +c 6 λ (2.2) λ = ω tr t V ω (2.3) 3

22 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 4 e 1 λ i = 1 λ+0,08β 0,035 β 3 +1 (2.4) Os parâmetros c 1 c 6 dependem das caraterísticas dinâmicas da turbina, para uma turbina moderna e obtidos empiricamente, são apresentados como segue: Tabela 2.1: Valores das constantes do coeficiente de potência C p. c 1 c 2 c 3 c 4 c 5 c 6 0, , ,0068 Estes valores são dados pelas três pás da turbina eólica, com modelo de turbina eólica de similares caraterísticas aerodinâmicas usadas nos sistemas reais [7]. 2.2 Energia eólica no país e no mundo Segundo World Wind Energy Association (WWEA), a capacidade de energia eólica instalada mundial chegou a 282,275 MW, dos quais 44,609 MW foram adicionados em Todas as turbinas eólicas instaladas até o final de 2012 em todo o mundo podem fornecer 580 TW/h por ano, mais de 3% da demanda global de eletricidade [9]. Já são 100 países e regiões que utilizam energia eólica para geração de eletricidade. Entretanto, China e Estados Unidos instalaram cerca de 13 GW de potência com as novas turbinas eólicas. Com isto Estados Unidos estabeleceu um novo recorde e se tornou o maior mercado do mundo para novas turbinas eólicas. A China continua sendo de longe o maior mercado asiático com 13 GW, em quanto a Índia voltou a ser o terceiro maior mercado para novas turbinas eólicas em todo o mundo, adicionando 2,5 GW, o terceiro maior mercado de energia eólica da Ásia, é Japão, cresceu lentamente com relação ao recém-chegado Paquistão. A Alemanha continua como o maior e mais estável do mercado na Europa, com 31 GW, seguida pela Espanha, com 22,8 GW. O Reino Unido assumiu a posição de segundo maior mercado Europeu para novas turbinas. Itália, França e Reino Unido continuam sendo os mercados de médio porte, com capacidade total entre 7,5 e 8,5 GW. Polónia, Roménia e Suécia tornaram-se grandes mercados para novas turbinas. Ásia representou a maior parcela das novas instalações 36, 3%, seguida pela América do Norte 31,3% e Europa 27,5%. América Latina e Leste Europeu continuam a serem as regiões do mundo mais dinâmicas, enquanto a África mostrou estagnação, sendo apenas Tunísia e Etiópia os que instalaram novos parques eólicos.

23 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 5 A proporção da energia eólica marinha aumentou sua capacidade global para 1, 9%, após 1% em Espera-se uma capacidade global de mais de 500 GW até o ano de Cerca de 1,000 GW são possíveis para o ano 2020 [9]. Energia Eólica no Brasil Em 2012, a América Latina tornou-se o continente mais dinâmico para o investimento de energia eólica, devido principalmente a Brasil e México. A taxa de crescimento foi de 56%, uma das mais elevadas no mundo. Segundo WWEA em o 2012 a capacidade de turbinas eólicas instaladas no Brasil foram 1,077 MW [9]. O Brasil é favorecido em termos de ventos, que se caracterizam por uma presença duas vezes superior à média mundial e pela volatilidade de 5% (oscilação da velocidade), o que dá maior previsibilidade ao volume a ser produzido. Além disso, como a velocidade costuma ser maior em períodos de estiagem, é possível operar as usinas eólicas como sistema complementar com as usinas hidrelétricas, de forma a preservar a água dos reservatórios em períodos de baixa chuva. Sua operação permitiria, portanto, o armazenamento de energia elétrica. Em relação a América Latina o mercado de energia eólica no Brasil é de longe o mais avançado, não só por causa de seu tamanho, mas também porque o Brasil conseguiu atrair vários fabricantes de turbinas eólicas a criação de fábricas no país [9]. A tabela 2.2 apresenta os dados da capacidade de geração e consumo do parque eólico do Brasil. Tabela 2.2: Oferta e demanda de Energia Eólica no Brasil [1]. GWh Fluxo Geração Total ,183 1,238 2,177 2, Geradores e conversores utilizados Dependendo da potência e da aplicação específica desejada nas turbinas eólicas escolhese o tipo de gerador e conversor necessários para o enlace entre o gerador e a rede elétrica, dos quais fazem possível a operação da turbina à velocidade variável operando com extração de energia melhorada. Apresentam-se a seguir os geradores utilizados na extração da energia eólica e alguns tipos de conversores utilizados em conjunto com cada gerador [10].

24 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica Geradores Síncronos Para aplicações em geração de energia eólica, existem duas classes de geradores síncronos de acordo a seu tipo do rotor, os quais são Gerador de Excitação Independente ou de Eletroímã (GSEI) e Gerador de Ímãs Permanentes (GSIP), estes apresentam as seguintes características: Gerador Síncrono de Excitação Independente Bons resultados para aplicações de alta potência (kw-mw) [11]. Vantagens: Menor desgaste mecânico devido à lenta rotação da máquina; Conexão direta entre o rotor do gerador e à turbina eólica, que baixa os custos, pois não precisam caixa de engrenagens; É uma máquina auto excitada, que não requer injeção de potência reativa permitindo o controle desta potência; Aceita em sistemas elétricos isolados ou com conexão na rede; Permite o controle independente das potências ativa e reativa. Desvantagens: Maiores custos de manutenção em comparação com o gerador de indução; O eletroímã necessário para à sincronização é custoso; O eletroímã tende a tornar-se desmagnetizado, enquanto trabalha com fortes campos magnéticos presentes no interior do gerador; Requer a sincronização do relé, para que haja perfeita sincronização da máquina com a rede. Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes Geralmente usado em turbinas de menor escala (kw) [11]. Vantagens: Projetos flexíveis, o qual permite que operem em alta rotação e que sejam mais pequenos;

25 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 7 Nível de potência de saída mais alta e é possível sem necessidade de aumentar o tamanho do gerador; Baixo custo de operação e de manutenção quando comparado com o gerador síncrono com eletroímãs pois os rolamentos duram mais; Poucas perdas geradas no rotor; Não precisa de caixa de engrenagens para regular a velocidade do gerador; Elimina a necessidade de excitação separada ou sistemas de refrigeração. Desvantagens: Maior custo inicial devido ao alto preço dos imãs usados; Os custos dos ímãs permanentes restringem à produção deste tipo de geradores a maior escala; Altas temperaturas, condições de sobrecarga e curtos-circuitos podem desmagnetizar os ímãs permanentes; O uso de retificadores de diodos em o estagio inicial de conversão de energia reduz a controlabilidade de tudo o sistema. A descrição das topologias de conversores eletrônicos de potências é apresentada nos itens a seguir: a. Inversor a tiristores conectado à rede elétrica: Com o inversor à tiristores conectado à rede elétrica, é possível o controle continuo do ângulo da tensão, assim como a regulação da velocidade da turbina através da tensão do circuito intermeio, para o qualaobtençãodaenergiaéótima. Asvantagensdesteéomenorcustododispositivo e uma maior disponibilidade da potência que inversores de comutação rápida. Um inconveniente é a necessidade de um compensador ativo para à demanda de potência reativa e a criação de distorção harmônica. Um conversor fonte de tensão (VSC) é utilizado pelo compensador e o erro entre o valor de referência e a corrente real do compensador é usado pelo modulador PWM. O diagrama que descreve o gerador síncrono de ímãs permanentes com o inversor a tiristores no lado da rede é mostrado na Fig. 2.1 [10]. b. Inversor PWM conectado à rede elétrica: O controle proposto consiste na manipulação do índice de modulação do algoritmo PWM. Isto é possível mediante à determinação da tensão do elo CC por uma técnica de mapeamento de potência, que

26 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 8 inclue a potência máxima frente a característica de tensão CC. Esta é comparada com o algoritmo de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT), à potência de referência se compara com a potência CC real extraída para determinar à nova tensão de serviço CC. A malha de controle de corrente do inversor recebe a nova tensão de corrente contínua de funcionamento e emite uma sinal de ativação para o PWM. O diagrama que descreve o gerador síncrono de ímãs permanentes com inversor de comutação no lado da rede elétrica se pode observar na Fig. 2.2 [10]. Figura 2.1: Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes com o inversor à tiristores.

27 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 9 Figura 2.2: Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes com inversor PWM. c. Conversor de estágio intermediário com emprego de fonte chaveada: Esta topologia conta com um conversor extra CC/CC o qual proporciona, controle de tensão CC no lado do gerador através da variação da razão de comutação, permite a eliminação seletiva de harmônicos o qual reduz as perdas, o inversor não precisa controlar à tensão CC e tem um controle mais flexível. A Fig. 2.3 apresenta o diagrama que descreve o gerador síncrono de ímãs permanentes com conversor de estágio intermedio CC/CC [10]. d. Conversor Back-to-Back: Este conversor é composto por um retificador e um inversor que compartilham o mesmo elo CC. O retificador do lado do gerador é controlado através de um controlador PI de tal forma que a corrente de eixo direto seja zero para obter um torque máximo com a corrente mínima. Um algoritmo de MPPT é utilizado na determinação da velocidade ótima do rotor para cada velocidade do vento, para obter a máxima potência do rotor. O inversor no lado da rede elétrica controla a corrente de linha através de um controlador por histereses. A tensão do elo CC é controlada por um regulador PI através do inversor no lado da rede elétrica. O diagrama que descreve o gerador síncrono de ímãs permanentes com conversor Back-to-Back se pode observar na Figura 2.4 [10].

28 Capítulo 2. Gerador de Indução e Energia Eólica 10 Figura 2.3: Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes conversor de estágio intermediário. Figura 2.4: Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes com conversor Back to Back. As topologias apresentadas podem ser empregadas nos geradores síncronos de excitação independente [10,12] com a adição de um circuito para a injeção de corrente contínua no rotor do gerador.

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