Efeito de um Limitador Supercondutor no Desempenho de um DFIG Durante Afundamento de Tensão

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1 Efeito de um Limitador Supercondutor no Desempenho de um DFIG Durante Afundamento de Tensão Flávio. D. C. Oliveira, Arthur E. A. Amorim, Jussara F. Fardin, Marcos T. D. Orlando, Selênio R. Silva e Domingos S. L. Simonetti Resumo Esse artigo investiga o desempenho do Gerador de Indução Duplamente Alimentado - DFIG sob efeito de afundamentos momentâneos de tensão. São estudados dispositivos de proteção com supercondutor que limitam a corrente no conversor e que permitem ao gerador permanecer conectado ao sistema elétrico, atendendo aos códigos de rede para aerogeradores. O dispositivo supercondutor utilizado para limitar a corrente é comparado com a metodologia tradicional, com crowbar, e analisado em diferentes configurações. A validação foi feita por simulação computacional, utilizando o software PSCAD/EMTDC da Manitoba-HVDC. Palavras-Chaves Gerador de Indução Duplamente Alimentado, DFIG, Turbina Eólica, Afundamentos de Tensão, Crowbar, Dispositivo Limitador de Corrente, Supercondutor. I. NOMENCLATURA DFIG Gerador de Indução Duplamente Alimentado GSC Conversor do Lado da Rede RSC Conversor do Lado do Rotor LCFS Limitador de Corrente de Falta Supercondutor V s Tensão nos terminais do estator V r Tensão nos terminais do rotor V CC Tensao no barramento CC R s Resistência do Estator R r Resistência do Rotor R crow Resistência do Crowbar I s Corrente do Estator I r Corrente do Rotor I c Corrente crítica do supercondutor Ψ s fluxo do estator Ψ r fluxo do rotor ω frequência angular síncrona ω slip frequência angular de escorregamento ω r frequência angular do rotor L σs Indutância de dispersão do estator L σr Indutância de dispersão do rotor L m Indutância de magnetização T s Constante de tempo do estator T r Constante de tempo do rotor II. INTRODUÇÃO Em todo o mundo, existe uma grande necessidade de diversificar a matriz energética. Esta necessidade leva a buscar novas fontes de energia capazes de suprir o aumento da demanda por energia prevista para os próximos anos, especialmente fontes de energia não poluentes e renováveis. Nesse contexto, a energia eólica vem crescendo e cada vez mais sendo empregada nos sistemas elétricos. Entre as tecnologias de geradores eólicos, uma das mais utilizada é a de Gerador de Indução Duplamente Alimentado DFIG [1,2,3], adequado à operação com turbinas de velocidade variável. O estator é diretamente conectado à rede. O rotor, por apresentar correntes de frequência bem mais baixa, é conectado através de um conversor do tipo back-toback (b2b), que faz a adequação de frequências. A Figura 1 mostra o esquemático do DFIG com alguns valores utilizados neste artigo. Os autores agradecem à UFES, ao CNPq e à FAPES (PRONEX /09). F. D. C. Oliveira é Professor Assistente do DCEL/CEUNES/UFES em São Mateus/ES e aluno de Doutorado do PPGEE/UFES em Vitória/ES - Brasil (flaviodco@gmail.com). A. E. A. Amorim é Aluno de Engenharia Elétrica da UFES em Vitória/ES - Brasil (arthuraamorim@gmail.com), bolsista IC FAPES. J. F. Fardin é Professora Associada do DEL/CT/UFES em Vitória/ES no Brasil (jussara@ele.ufes.br). M. T. D. Orlando é Professor Associado do DFIS/CCE/UFES em Vitória/ES - Brasil (mtdorlando@terra.com.br). S. R. Silva é Professor Titular do DEE /UFMG em Belo Horizonte/MG - Brasil (selenios@dee.ufmg.br). D. S. L. Simonetti é Professor Associado do DEL/CT/UFES em Vitória/ES - Brasil (d.simonetti@ele.ufes.br). Fig. 1. Esquemático do DFIG A maior vantagem do DFIG é que o conversor de rotor é projetado para uma fração da potência do gerador, em geral 30%. Com isso, os custos e as perdas ficam reduzidos [4]. Entretanto, sua desvantagem é a necessidade de uma caixa de transmissão e a susceptibilidade a distúrbios provenientes da rede, já que o estator se conecta diretamente à rede [5,6,7]. Entre os diversos distúrbios provenientes da rede, este trabalho volta sua atenção para os efeitos dos afundamentos de tensão na operação DFIG.

2 Quando o afundamento ocorre, o fluxo do gerador induz grandes tensões no rotor, originando altas correntes oscilatórias. As altas correntes podem danificar os componentes do inversor e a oscilação dessas correntes dá origem a pulsações no torque que levam a prejuízos mecânicos e oscilações na potência que são indesejáveis para o sistema elétrico. O Crowbar, que consiste de um resistor com acionamento controlado, tem sido a solução mais popular e confiável [8] adotada para proteger o conversor das sobrecorrentes no rotor. Em operação normal o crowbar permanece desconectado, porém quando ativo, durante o afundamento, os pulsos do conversor do lado do rotor são bloqueados e o crowbar acionado. As correntes do rotor passam a fluir pelo crowbar. Neste trabalho, será abordada uma nova solução para proteger o conversor do lado do rotor, utilizando Limitadores de Corrente de Falta Supercondutores - LCFS. Este dispositivo opera a baixas temperaturas, e utiliza em seu núcleo uma cerâmica supercondutora que quando em condições normais está submetida a correntes inferiores à corrente crítica, apresentando uma impedância nula. No caso de uma falta, a corrente que circula pelo LCFS torna-se superior à corrente crítica e o dispositivo apresenta uma impedância que pode ser utilizada para limitar a corrente que circula por ele [9,10,11,12,13]. Com objetivo de uniformização, esse estudo utilizou as normas estabelecidas para aerogeradores da IEC 61400, adotada pela maioria dos fabricantes e publicações na área[4,5,6]. A International Electrotechnical Comission IEC é uma organização global que prepara e publica normas internacionais para sistemas elétricos, eletrônicos e tecnológicos. A IEC substitui diversas normas nacionais, formando uma base para uma certificação global de aerogeradores, que busca garantir que o projeto da turbina tenha suportabilidade contra danos decorrentes de sua vida útil. Este artigo utiliza a norma da IEC Medição e avaliação das características da qualidade da energia da rede conectada à turbina eólica, utilizada para realizar diversos testes na simulação para sua validação. Além disso, ela trata como devem ser realizados os testes de Afundamento de Tensão a que a turbina deve ser submetida, que podem ser vistos na Tabela 1. Tabela 1. Especificação de quedas de tensão, fonte IEC de Magnitude de tensão Caso fase a fase (fração de Duração tensão imediatamente (s) antes da queda ocorrer) VD1 Queda de tensão trifásica simétrica 0,90 ± 0,05 0,5 ± 0,02 VD2 Queda de tensão trifásica simétrica 0,50 ± 0,05 0,5 ± 0,02 VD3 Queda de tensão trifásica simétrica 0,20 ± 0,05 0,2 ± 0,02 III. MODELO DINÂMICO DO DFIG Nessa seção será apresentado o modelo clássico da máquina de indução [14,15,16,17,18] usado neste estudo. A Figura 2 apresenta o circuito equivalente do DFIG em coordenadas dq síncrona, e as convenções adotadas. =. + Ψ +.. Ψ (1) =. + Ψ +.. Ψ (2) Ψ =. +. (3) Ψ =. +. (4) = + (5) = + (6) Fig. 2. Circuito equivalente dq da máquina de indução [5]. O DFIG utilizado tem as características apresentadas na Tabela 2. Tabela 2. Valores Nominais do DFIG. Potência Nominal 2,6 MW Tensão de Linha do Estator 690 V Corrente Nominal do Estator 1760 A Torque Nominal N.m Velocidade Nominal 1500 RPM Relação Estator/Rotor 0,3333 Conexão do Estator/Rotor Y/Y Pares de polos 2 Indutância de Magnetização 2,5 mh Indutância de Dispersão do Estator 0,783 mh Indutância de Dispersão do Rotor 0,087 mh Resistência Estatórica 2,6 mω Resistência Rotórica 26,1 mω IV. CROWBAR A. Cálculo da Resistência do Crowbar Pode-se dizer que o crowbar é um elemento de proteção do circuito de rotor. Deve ser ativado quando a corrente rotórica alcança um valor que possa ser considerado crítico para operação contínua do rotor. O valor deve ser superior à corrente de rotor de plena carga, e inferior à corrente de falta. O crowbar pode ser desativado quando a corrente, ainda que superior à corrente nominal do rotor, alcança um valor que possa ser considerado seguro ao DFIG. Neste projeto adotouse um valor de 1,3 pu para ativação do crowbar e 1,15 pu para desativação. O crowbar é extremante importante para o funcionamento do DFIG, pois ele é capaz de limitar a corrente do rotor do gerador em uma condição de falta, desativando o conversor e adicionando um caminho alternativo para a corrente através da adição de uma resistência no rotor. Sua desvantagem é elevar a tensão nos terminais do rotor e reduzir a velocidade do decaimento da corrente de falta. Apesar desses problemas, essa proteção tem sido a mais aplicada neste tipo de situação, pois sua implementação é simples e segura. No momento em que o crowbar é ativado o controle do conversor é ajustado para que as referências de potência ativa e reativa sejam zero até que o afundamento termine,

3 atendendo grande parte dos códigos de rede. Alguns códigos de rede, como o alemão e o espanhol, exigem que neste momento a máquina forneça potência reativa para a rede, então a referência de potência reativa deve ser ajustada para um valor pré-determinado, conforme estabelecido no código de rede local. De acordo com Wei Zhang[8,19], para projetar o crowbar é necessário determinar as correntes de falta do estator e rotor, tensão máxima de linha no rotor e constantes de tempo do rotor e estator. As correntes de falta do estator e rotor são descritas por ele como: profundidade 0,8pu, conforme a última linha da tabela 1, com o crowbar de resistência 1,2 Ω. O afundamento ocorre em t=0,05s e dura 200ms, retornando então aos valores nominais. No momento do afundamento a corrente do rotor atinge um valor aproximado de 2,0 pu. Sem a resistência do crowbar essa corrente atingiria um valor de 5,4 pu. A corrente do GSC alcança 1,8 pu, e a de estator um valor máximo aproximado de 2,3 pu. As potências seguem rapidamente suas referências.. (. ) (7) = + (8) A tensão de linha do rotor não pode ser superior à tensão do Barramento CC no momento da entrada do crowbar. Caso ocorra, os diodos paralelos às chaves do RSC conduzem, e a tensão do Barramento CC cresce. Para tal:... (. ) < (9) As constantes de tempo do estator e rotor na entrada do crowbar são dadas por: =...( ). (10) = (11) Fig. 4. Simulação do DFIG com CROWBAR para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20%: a) Tensão trifásica no estator - v s, b) Corrente trifásica no conversor do lado da rede - i gsc, c) Corrente trifásica do rotor - i r, d) Corrente trifásica do estator - i s. A Figura 3 mostra o circuito equivalente por fase do DFIG (ABC) com o crowbar ativado. Fig. 3. Circuito Equivalente do DFIG com crowbar ativo De acordo com as equações (7) e (9), a resistência do crowbar que atende às especificações do conversor é de 1,2 Ω para uma tensão do Barramento CC igual a 2,5 kv. B. Simulação do DFIG com Crowbar As simulações aqui apresentadas foram realizadas utilizando o programa PSCAD/EMTDC 4.4 da MANITOBA HVDC. Inicialmente, o gerador opera com tensão e potência nominais, ou seja, a rede com tensão de 13,4 kv e o DFIG fornece 2,6 MVA, sendo 2 MVA via estator e 600 kva via rotor. Na Figura 4 são apresentadas as curvas de corrente e na Figura 5, são apresentadas as potências ativa e reativa do gerador, para um afundamento trifásico equilibrado de Fig. 5. Simulação do DFIG com CROWBAR para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20%: a) Potência ativa do estator, b) Potência reativa do estator. V. LIMITADOR DE CORRENTE DE FALTA SUPERCONDUTOR Como proposta deste artigo, será analisada a influência de um LCFS de alta temperatura na operação de um DFIG sob afundamento de tensão. O LCFS de alta temperatura usualmente mudam de estado a uma temperatura crítica de 134K (-139 ºC) e para garantir a operação no estado supercondutor operam a um valor bem

4 menor, aproximadamente 77K (-196ºC). Assim o LCFS se comporta como um curto circuito (R = 0) se a corrente é inferior à corrente crítica, I C. Se por algum problema a corrente sobe acima de valores de segurança, o supercondutor transita ao estado normal por corrente (i > I C ), inserindo no circuito a resistência do dispositivo (usualmente a resistência do supercondutor em paralelo com outra resistência). O LCFS permanece em estado normal, como avaliado nas simulações, por um tempo em torno de 1 ciclo da rede, e por isso aqui é considerado que o supercondutor transita apenas por corrente. Esse comportamento limita a corrente de falta do circuito, adicionando uma resistência em série no caminho da falta. O modelo do Limitador utilizado para simulações (figura 6) foi apresentado e validado em [8,9]. estator chega a 1,7 pu. A potência do estator seguiu os valores de referência, mas de uma forma mais lenta que a configuração com crowbar: A potência com crowbar transita em menos de 30 ms, enquanto que com a configuração 1 em 200ms ainda não terminou de transitar. Fig. 6. Modelo do LCFS = 0, <, (12), > VI. LCFS NA PROTEÇÃO DO DFIG A. Configuração I Nesta configuração o LCFS fica localizado entre a rede e o gerador DFIG sem crowbar, como na Figura 7. Essa é uma aplicação clássica do LCFS em sistemas elétricos, e sua influência na operação do DFIG também foi analisada em [20]. Quando ocorre um afundamento, as referências de potência são zeradas para não ocorrer saturação dos controladores do RSC e, com isso, reforçar a atuação do dispositivo supercondutor. O LCFS foi projetado para atuar com uma corrente crítica (I C ) de 200A e uma resistência (R F ) de 7Ω, sendo o valor de pico de i rede em operação normal de 160 A. Fig. 8. Simulação do DFIG com LCFS para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20%: a) Tensão trifásica no estator - Vs, b) Corrente trifásica no conversor do lado da rede - Igsc, c) Corrente trifásica do rotor - Ir, d) Corrente trifásica do estator - Is, Fig. 7. Esquemático do DFIG com o LCFS na Configuração I. A Figura 8 apresenta as curvas de correntes CA dos terminais e na Figura 9 a potência do gerador. A corrente do rotor atinge o valor máximo de 1,60 pu, mas o seu decaimento foi lento, aproximadamente 0,2s. A corrente do conversor GSC alcança um valor máximo de 1,3 pu, enquanto a de Fig. 9. Simulação do DFIG com LCFS para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20%: a) Potência ativa do estator, b) Potência reativa do estator; B. Configuração II O LCFS fica localizado entre o RSC e o rotor do DFIG sem crowbar, Figura 10. No momento em que ocorre um afundamento, as referências de potência são zeradas. Enquanto o afundamento se mantém, todas chaves inferiores do RSC passam a conduzir enquanto a corrente é superior a 1,3pu. A corrente crítica (I C ) do dispositivo supercondutor é de 1,3pu e sua resistência (R F ) é de 3Ω. A Figura 11 apresenta as curvas de corrente CA dos terminais e na Figura 12 são apresentadas à potência ativa e

5 reativa do gerador. A corrente do rotor atinge o valor máximo de 1,5 pu. A corrente I gsc chega a 1,0 pu, e a de estator alcança 2,0 pu. A potência do estator seguiu rapidamente os valores de referência. Fig. 10. Esquemático do DFIG com o LCFS na configuração II. C. Configuração III Este sistema usa o mesmo esquemático da Configuração II, Figura 10, mas ela diferencia da outra pelo método de controle. Quando ocorre o afundamento, as referências de potência são zeradas até o afundamento ser finalizado. As chaves do RSC são desativadas enquanto a corrente for superior a 1,3pu. O limitador adiciona resistências no caminho do rotor e utiliza os diodos do conversor e o Barramento CC para fechar um circuito durante o afundamento. As curvas de correntes CA dos terminais são apresentadas na Figura 13 e a potência do gerador na Figura 14. Devido a essa configuração utilizar o Barramento CC, as correntes do GSC alcançam valores altos, neste caso 3,5 pu. As correntes de estator e rotor alcançam valores similares aos obtidos com a configuração II. Fig. 11. Simulação do DFIG com LCFS no rotor para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20% na Configuração II: a) Tensão trifásica no estator - Vs, b) Corrente trifásica no conversor do lado da rede - Igsc, c) Corrente trifásica do rotor - Ir, d) Corrente trifásica do estator - Is, Fig. 13. Simulação do DFIG com LCFS no rotor para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20% na Configuração III: a) Tensão trifásica no estator - Vs, b) Corrente trifásica no conversor do lado da rede - Igsc, c) Corrente trifásica do rotor - Ir, d) Corrente trifásica do estator Is; Fig. 12. Simulação do DFIG com LCFS no rotor para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20% na Configuração II: a) Potência ativa do estator, b) Potência reativa do estator; Fig. 14. Simulação do DFIG com LCFS no rotor para um afundamento tensão Trifásico para amplitude de 20% na Configuração III: a) Potência ativa do estator, a) Potência reativa do estator;

6 VII. CONCLUSÃO Esse artigo investigou o comportamento de um DFIG de 2,6MW durante um afundamento de tensão severo, através da simulação do seu modelo dinâmico. Utilizou quatro configurações possíveis para analisar o seu comportamento na presença de um afundamento: uma com crowbar, e três configurações com limitadores de corrente supercondutores. Observou-se que o crowbar adotado, devido a limitações impostas pela tensão do Barramento CC, só foi capaz de limitar a corrente, nos dois lados do conversor b2b, a 2,0pu, atendendo às Equações 7 e 9. A corrente de estator no caso em estudo chega a alcançar 2,3 pu, mas as potências seguem rapidamente suas referências. Nas análises considerando o emprego de LCFS, uma das configurações analisadas foi recentemente divulgada na literatura, e a outras duas configurações estão sendo apresentadas pela primeira vez. As três configurações apresentam resultados próximos para a corrente de estator durante o afundamento, em torno de 1,7pu, já o DFIG com crowbar alcançou 2,3 pu. Com relação ao rotor, a configuração I conseguiu limitar a corrente do rotor para 1.6pu, porém o sistema ficou muito lento para sua recuperação (superior a 200ms), em relação ao sistema com crowbar (inferior a 30ms). As Configurações II e III se diferenciam somente no método como tratam o RSC durante o afundamento. Essas duas configurações apresentaram um desempenho muito eficaz para as correntes do rotor, limitando-as em 1,5pu, recuperando o controle rapidamente após o distúrbio, inferior a 30 ms. A Configuração III utilizou o Barramento CC para fechar o circuito do rotor, isso elevou a corrente do conversor GSC bruscamente para 3,5pu. Para essa configuração o circuito do GSC tem que ser superdimensionado, o que torna inviável sua aplicação. Entretanto, na Configuração II a corrente do GSC atingiu no máximo 1,0 pu durante o afundamento, por um tempo inferior a 25 ms. Após o fim do afundamento, o controle restabeleceu o sistema em 450 ms, esses tempos são bem similares ao do sistema simulado com crowbar. Foi o melhor resultado de corrente do GSC, uma vez que o crowbar limitou a 1,8 pu, e a Configuração I a 1,6 pu. Durante o afundamento, a configuração II isola o barramento CC do circuito de rotor, impedindo que o barramento CC sofra influência do circuito do rotor. Isso possibilita utilizar uma tensão no barramento CC com valores inferiores comparadas à configuração com crowbar, e uma rápida capacidade de retorno de operação. Esses resultados demonstram que a Configuração II é uma alternativa promissora para limitar a corrente do rotor e manter a controlabilidade do sistema, durante e logo após o afundamento de tensão. VIII. REFERÊNCIAS [1] E. Muljadi, C. P. 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7 IX. BIOGRAFIAS Flávio Duarte Couto Oliveira, recebeu os títulos de graduação e mestrado em engenharia elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo em 2003 e 2005, respectivamente.. Atualmente Flávio é professor da Universidade Federal do Espírito Santo. Estão entre seus principais campos de investigação: geração de energia eólica, qualidade de energia e Dispositivos Supercondutores. Arthur Eduardo Alves Amorim, nasceu em Barra de São Francisco, Brasil, em Foi bolsista de Iniciação Científica da FAPES no projeto PRONEX: Ações Avançadas para Aumento de Robustez de Geradores Eólicos a Afundamentos de Tensão. Atualmente é aluno finalista do curso de graduação em Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Domingos Sávio Lyrio Simonetti, possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (1984), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (1987) e doutorado em Eletrônica Industrial - ETSII - Universidad Politécnica de Madrid (1995). Pósdoutorado na Universidade de Alcalá - UAH (Espanha, 2012). Professor Associado da Universidade Federal do Espírito Santo. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica de Potência e Qualidade da Energia Elétrica. Atua principalmente nos seguintes temas: qualidade de energia, retificadores com alto fator de potencia, reator eletrônico, conversão em energias renováveis e aplicações de supercondutores. Jussara Farias Fardin, possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (1978), mestrado em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (1983) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (2001). Atualmente é professor associado da Universidade Federal do Espírito Santo. Desenvolve trabalhos na área de microrredes, smart grid, supercondutividade aplicada a sistemas de energia e identificação de sistemas. Marcos Tadeu D azeredo Orlando, possui graduação em Física pela Universidade de São Paulo (1989), mestrado em Tecnologia Nuclear pela Universidade de São Paulo (1991), doutorado em Física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (1999), pós-doutorado em Física com ênfase em Teoria de Campos realizado no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (2006). Realizou um segundo pósdoutorado na área de difração de neutrons sob pressões hidrostáticas externas (2008). É professor concursado do quadro permanente desde 1993 da Universidade Federal do Espírito Santo. Selênio Rocha Silva, Doutor em Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Campina Grande, (ainda UFPb à época), em Professor Titular do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG, onde ingressou em julho de Tem desenvolvido vários projetos de pesquisa científica e tecnologica com órgãos de fomento oficiais, com indústrias do setor elétrico brasileiro e em cooperação internacional com instituições européias. Atua em pesquisa nos temas acionamentos elétricos, dinâmica de máquinas, qualidade da energia e conversão e geração de energia, tendo como principais temas de interesse: controle vetorial de motores e geradores elétricos, dinâmica de máquinas elétricas, qualidade da energia (fenômenos de baixa frequência: VTCD s, flutuações de tensão e harmônicos) e as fontes alternativas de energia (turbinas eólicas e painéis fotovoltáicos conectados na rede ou em aplicações isoladas)."