Variable Speed Wind Turbine Modeling Using ATPDraw

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1 Antonio S. Neto, Fancisco A. S. Neves, Pedo A. C. Rosas Univesidade Fedeal de Penambuco UFPE Recife - PE asneto01@yahoo.com.b, fneves@ufpe.b, posas@ufpe.b Eduado L. R. Pinheio, Selênio R. Silva Univesidade Fedeal de Minas Geais UFMG Belo Hoizonte - MG edulp@yahoo.com, selenios@eee.ufmg.b Abstact This pape pesents a vaiable speed wind tubine model with fequency convetes that contibutes to the studies of tansient analysis and dynamic opeation. The model is implemented in ATPDaw pogam which is widely used by powe system enginees to study the electomagnetic tansient poblems. The vaiable speed wind tubine model includes: the contol system of the wind tubine and of the fequency convetes, as well as the wind acting on the wind oto, the mechanical convesion and tansmission system and the gid connection with the distibution utility. Index Tems Wind tubines, Stability, Powe quality, Fequency convetes. I. INTRODUÇÃO Nos póximos anos, o aumento da ofeta de enegia elética no Basil deveá ocoe com gande paticipação de tubinas eólicas. O Basil enconta-se no momento paa inicia a instalação de pelo menos 1100MW de tubinas eólicas paa atende ao PROINFA Pogama de Incentivo às Fontes Altenativas de enegia [1]. Seja po azões ambientais, políticas ou econômicas, as tubinas eólicas estaão pesentes na matiz enegética basileia em beve. As tubinas eólicas podem inteagi de divesas fomas no sistema elético, causando desde intefeências nos padões de qualidade de enegia até na estabilidade do sistema elético. Desta maneia, a instalação em laga escala de tubinas eólicas demanda estudos especiais paa detemina o nível de impacto das mesmas sobe a estabilidade e a qualidade do supimento da enegia elética. Neste sentido, este tabalho colaboa com o desenvolvimento de modelos computacionais que possam auxilia na avaliação do impacto das tubinas eólicas nas edes eléticas. A tubina eólica modelada é do tipo de velocidade vaiável que utiliza convesoes de feqüência paa efetua a conexão elética. O modelo foi implementado no APTDaw o que possibilita obseva as fomas de onda de tensão e coente inseidas na ede elética e avalia os impactos na qualidade do supimento local. Adicionalmente, a feamenta de simulação pemite investigações da estabilidade eletomecânica das tubinas e da ede elética. II. SISTEMA MODELADO A modelagem e simulação dos impactos eléticos em sistemas de potência com tubinas eólicas levam em consideação divesos fatoes, eles podem abange desde a estabilidade até a qualidade da enegia ofetada. Geneicamente, pode-se afima que o modelo deve epesenta de foma suficientemente pecisa os fenômenos físicos envolvidos na convesão da enegia e na inseção da mesma na ede elética. O nível de complexidade do modelo depende dos objetivos das simulações[2]. O modelo aqui apesentado visa os estudos de estabilidade tansitóia devidos a faltas no sistema elético. Deste modo, pode-se limita os estudos a tempos de simulação da odem de alguns segundos. Modelos paa estudos tansitóios pemitem algumas simplificações efeentes à epesentação das tubinas eólicas [3]. Os modelos de tubinas eólicas simulam o compotamento dos componentes eléticos como: geadoes, convesoes estáticos de potência, a ede elética juntamente com as cagas e o sistema de contole, assim como os elementos mecânicos da tubina, contemplando o efeito da convesão eólica-mecânica paa estudos de tansitóios eletomecâncios. A tubina eólica simulada tem potência nominal de 1MW e é do tipo de velocidade vaiável utilizando convesoes de feqüência paa efetua a conexão elética. No sistema modelado, apesa do tansfomado se uma pate integante da tubina eólica, nas simulações ele esta incluído na epesentação da ede elética nos teminais dos convesoes a qual epesenta o tansfomado de integação e todo o equivalente do sistema elético de potencia atavés de uma cuta linha paa conexão da tubina ao ponto de conexão do concessionáio o qual é epesentado atavés da impedância de cuto cicuito e um baamento infinito. O diagama da Figua 1 apesenta de foma sucinta os componentes da tubina eólica, onde a ede elética inclui o tansfomado de integação. Na Figua 1, no lado esquedo, pode-se identifica o oto aeodinâmico, onde ocoe a convesão eólica, e o multiplicado de velocidade esponsável pelo acoplamento

2 mecânico dos eixos de baixa do oto aeodinâmico e de alta velocidade do geado elético. O conveso de feqüência é composto de duas unidades sendo uma esponsável pelo Contole do Lado do Geado (aquela que contola o geado de indução) e outa esponsável pelo Contole do Lado da Rede (aquela esponsável pelo contole da enegia injetada na ede). Adicionalmente, existe um baamento em coente continua (CC) com um banco de capacitoes. Fig. 1- Conexão do Geado Assíncono Paa as simulações e estudos apesentados neste atigo, a vesão gáfica do Altenative Tansient Pogam ATPDaw é utilizada [4]. O ATP foi escolhido po se uma feamenta de simulação amplamente difundida e pemiti a adaptação do algoitmo desenvolvido paa epesenta a conexão de tubinas eólicas em edes eléticas eais. A biblioteca do ATP não dispõe de modelos adequados paa a simulação das pates mecânicas da tubina, ventos e convesoes. Esses elementos, assim como todo o sistema de contole e modelagem do geado de indução, foam implementados utilizando-se a feamenta TACS (Tansient Analysis of Contol Systems) [4]. Apenas a ede elética foi modelada no ATP empegando os elementos de cicuitos disponíveis na sua biblioteca, confome mostado na Figua 02. Chaves ideais foam usadas paa epesenta o conveso, mas os comandos dessas chaves foam implementados atavés de feamentas TACS. A ede simulada possui nos teminais dos convesoes de feqüência uma potência de cuto cicuito de MVA, coespondente a apoximadamente 12 vezes o tamanho da tubina eólica. Esta elação é azoável uma vez que inclui os tansfomadoes abaixadoes [2]. Um fato impotante a se obsevado é que a conexão ente a ede elética e o conveso demanda obigatoiamente um filto na entada do conveso paa gaanti que o chaveamento do conveso do lado da ede não venha a ealiza um cuto cicuito na ede elética. No caso em estudo, foi utilizado um filto LCL na entada do conveso, dimensionado a pati de [5]. A Tabela 1 apesenta os dados básicos utilizados nas simulações. TABELA 1 DADOS DA SIMULAÇÃO Paâmetos eléticos Valoes Impedância de cuto-cicuito (na entada do conveso) j0.036Ω Tensão nominal 690V Potência de cuto cicuito 12.66MVA Coente nominal dos convesoes 400 A Resistência do filto 0.01 Indutância total do filto 0.815e-3 H Capacito do filto µF Resistência em séie com o Capacito 1.5Ω Capacito do Baamento CC F Tensão nominal do baamento CC 1400V III. MODELAGEM DA TURBINA EÓLICA Nesta seção, são apesentados os modelos da pate mecânica da tubina eólica e o modelo de vento simulado no ambiente do ATPDaw. Sistema Elético Filto Conveso de Feqüência Fig. 2 - Sistema modelado Conexão do Geado Assíncono

3 A. Repesentação dos ventos Os ventos podem se caacteizados como uma complexa estutua composta de divesos fenômenos. Dente eles, pode-se destaca os fenômenos deteminísticos, elacionados com a velocidade média do vento e efeitos de: somba da toe, vaiação vetical das das velocidades do vento etc, e os fenômenos estocásticos, elacionados com a tubulência do vento. Poém, paa os estudos aqui ealizados, as dinâmicas elevantes do sistema elético estão em uma faixa de feqüência elevada, bem supeio a 30Hz e, desta maneia, a tubulência pode se despezada [2]. No modelo aqui apesentado, as caacteísticas da geação da tubina eólica foam estudadas consideando um vento que inclui: ajadas, o seu valo médio e uma ampa, confome usado em [6]. Adicionalmente, foi incluída uma senóide paa epesenta a tubulência, sendo a feqüência da mesma bem eduzida, da odem de gandeza de 1Hz. Foi consideado que o vento simulado é o mesmo em todo o oto e os fenômenos de alisamento devidos à coelação da tubulência são despezados. Desta maneia, as vaiações da potência eólica simulada podem se consideadas mais seveas do que as pesentes em uma tubina eólica eal. A equação (1) mosta a epesentação do modelo analítico do vento. ( m s) VT VConst + VR + Vajada + Vsenoide / (1) onde V T é o vento total, V Const epesenta a velocidade média do vento no intevalo estudado, V R epesenta o vento em ampa, V ajada modela uma ajada e V senoide a tubulência. B. Repesentação da pate mecânica A potência mecânica convetida no oto aeodinâmico de uma tubina eólica pode se caacteizada atavés da equação (2): P ρ A C p V T (2) onde ρ é a densidade do a, A é a áea vaida pelas pás da tubina eólica, C p é o coeficiente de potência da tubina, o qual pode se intepetado como a eficiência de convesão do oto aeodinâmico, e V T é a velocidade de vento simulada na seção anteio. A pati da potência mecânica no eixo de baixa velocidade calculada de acodo com a equação (2) pode-se detemina o conjugado de entada no sistema de tansmissão como sendo: 1 3 ρ A C p V T 2 (3) ωoto onde ωoto é a velocidade de otação do oto aeodinâmico. Paa epesenta o coeficiente de potência, foi utilizado um modelo não polinomial confome indicado em [7]. O sistema de tansmissão mecânica do oto aeodinâmico ao geado assíncono basicamente conecta dois eixos mecânicos giantes. No caso pesente ele foi tatado de foma ideal, conectando os dois eixos po uma simples elação de velocidade. C. Modelagem do geado assíncono Uma vez que o objetivo pincipal do algoitmo é o estudo de fenômenos tansitóios de cuta duação, a máquina de indução foi epesentada utilizando-se o modelo vetoial de quinta odem, confome mostado nas equações a segui, em efeencial abitáio giante à velocidade ω : v s v eixos Rs is + s + jωeixos λs λ (4) R i + + j eixos ( ω ω ) λ λ (5) 2J ω& Te Tl (6) P onde os subescitos s e são empegados paa designa gandezas de estato e oto. v, i, e λ, epesentam tensões, coentes e fluxos e ω, ω eixos, T e e T l são a velocidade do oto do geado, velocidade do sistema de efeências dq, e os conjugados eletomagnético e mecânico. P é o númeo de pólos e J é a inécia do oto do geado elético. As elações fluxo-coente e a expessão do conjugado eletomagnético são: λs Lsis + L i λ L i + L i T e m s 3 P L 2 2 L m m ( λ i λ isd ) d sq q No modelo descito, utilizou-se notação de moto, ou seja, as coentes são consideadas positivas quando entam nos enolamentos e o conjugado eletomagnético positivo tende a faze o oto gia no sentido positivo. Esta convenção pecisa se levada em conta quando do contole do sistema e deve-se considea o conjugado imposto pelo vento como negativo. É impotante essalta que, emboa os esultados de simulação apesentados adiante consideem oto tipo (7) (8) (9)

4 gaiola, o modelo acima é válido também paa a máquina com dupla alimentação. Além disso, atavés da intodução de pequenas modificações, pode-se chega a um modelo mais simples, em que se despezam as dinâmicas mais ápidas, o qual seia adequado paa o estudo de fenômenos de maio duação [2]. D. Modelagem dos convesoes Os convesoes foam epesentados po chaves ideais, mas os comandos dessas chaves foam implementados atavés de feamentas TACS. O conveso esponsável pela injeção de potência no sistema elético possui um sistema de contole especial paa evita sobetensões no baamento CC e, adicionalmente, pode se usado paa o contole do nível de tensão no lado da ede elética atavés do contole da potência eativa. O conveso esponsável pelo contole da geação da tubina eólica possui como caacteística impotante a extação da potência no geado de indução em CA paa o baamento CC e, adicionalmente, é usado paa otimiza a podução. A descição detalhada dos algoitmos de contole implementados é ealizada na seção a segui. IV. ESTRATÉGIAS DE CONTROLE A. Conveso do Lado da Rede - CLR Denominando as tensões dos capacitoes do filto LCL de v, e v C e as tensões na entada do CLR de A vb v AC, v BC e v CC, a equação que elaciona as tensões e coentes no induto de entada do CLR, despesando a dinâmica do capcito, seá: v A v AC i A i A d + vb vbc R ib L ib (10) dt vc vcc ic ic Desconsideando-se a componente homopola e aplicando a tansfomação de coodenadas ABC paa dq em efeencial abitáio, a equação (10) pode se eescita utilizando notação vetoial complexa: di v vc Ri + L + jω eixos Li (11) dt O pincipal objetivo é contola os fluxos de potência ativa e eativa ente o CLR e a ede. Paa ealiza este contole, seá utilizado um efeencial síncono, oientado pelo veto tensão do capacito do filto, tonando a componente de eixo q nula ( v v d ). Com isso, a potência ativa e a potência eativa entegues pela ede ao conveso seão dadas espectivamente pelas equações (12) e (13): P 3 2 v d i d (12) Q 3 2 v d i q (13) Nos esultados apesentados, foi consideado que se deseja a injeção de potência eativa nula, fazendo com que o valo de efeência da coente de eixo em quadatua seja também nulo. Poém, o sistema pemite que o conveso tenha a função adicional de compensado estático da enegia eativa, auxiliando no contole da tensão da ede em níveis adequados. O uso de efeencial dq síncono faz com que as componentes d e q da coente sejam contínuas em egime pemanente, tonando adequado o contole do tipo popocional-integal (PI). Despezando-se as pedas no conveso, a difeença ente a enegia entegue pelo geado ao conveso e a enegia entegue pelo conveso à ede é amazenada no capacito do baamento CC. Assim, a potência ativa entegue à ede é mantida igual à potência geada ealizando-se o contole da tensão do baamento CC. Pela equação (12), veifica-se que uma gandeza adequada paa o contole da potência ativa injetada na ede é a coente de eixo dieto. É impotante pecebe que a manutenção da tensão do baamento CC fixa, significa foça a injeção imediata na ede de toda a potência geada. Assim, todas as oscilações de potência geada devidas às vaiações na velocidade do vento apaeceiam na potência injetada na ede. O algoitmo desenvolvido pemite o estudo de estatégias de contole paa admiti alguma flutuação na tensão do baamento CC e suaviza as flutuações de potência ativa injetada na ede. As gandezas empegadas paa o contole das componentes de coente de eixos d e q foam as espectivas componentes de tensão a seem disponibilizadas no lado CA do CLR. Vale salienta que, paa que essas tensões sejam capazes de foça as vaiações desejadas nas coentes, seus valoes devem se supeioes aos das componentes de tensão da ede. Este fato é possível, tendo em vista que o pópio filto faz o CLR se compota como um conveso CA/CC do tipo boost (ou elevado de tensão). A fim de impo a tensão de efeência, ealiza-se o comando das chaves empegando um método de modulação po lagua de pulso, ou Pulse Width Modulation (PWM). A Figua 3 apesenta o contole do CLR, confome implementado em ATPDaw utilizando os blocos disponíveis na biblioteca TACS.

5 b) c) Fig. 3 - Contole do Conveso do Lado da Rede: a) Contole de injeção de potência ativa. b) Contole da coente de eixo em quadatua. c) Contole da coente de eixo dieto B. Conveso do Lado da Máquina -CLM Paa pemiti a opeação ótima da tubina, deve-se contola a velocidade angula do oto de modo a maximiza o coeficiente de potência Cp. Paa cada valo de velocidade de vento, detemina-se a velocidade angula do oto paa a qual Cp é máximo. Tal velocidade angula deve se usada como valo de efeência e qualque método de contole de velocidade é, então, empegado. No pesente caso, implementou-se o método indieto de contole de velocidade em efeencial oientado pelo veto fluxo de oto [8]. Como foma de ameniza as flutuações de injeção de potência ativa na ede pode-se, ao invés de contola a velocidade de modo a mante máximo Cp, suaviza as vaiações na potência ativa convetida pelo CLG, tendo como conseqüência flutuações na velocidade mecânica do oto e, potanto, na sua enegia cinética. Uma estatégia neste sentido pode se facilmente incopoada ao algoitmo desenvolvido. Paa modela o efeito do geado (modelado atavés de TACS) sobe a ede elética (epesentada no ATP atavés de blocos de cicuitos de sua biblioteca), foam empegados os blocos tipo fonte de coente contolada via TACS (um bloco paa cada fase). O valo de cada coente é definido a pati do modelo da máquina de indução, confome indicado na seção anteio. Estas fontes de coente estão epesentadas na Figua 2. Um método atavés de PWM foi implementado paa a podução das tensões de efeência pelo conveso. Nas Figuas 4 e 5 são apesentados o diagama de blocos simplificado do contole executado na máquina e as malhas de contole implementadas via TACS. Fig, 4 - Esquema de contole da máquina de indução. a) b) c) Fig. 5 - Malhas de contole em ATPDaw: a) Contole da velocidade do geado assíncono. b) Contole da coente de eixo em quadatua. c) Contole da coente de eixo dieto. V. SIMULAÇÃO A fim de simula a opeação da tubina e dos convesoes sob divesas condições, o vento simulado aplicado na tubina eólica (confome descito na seção 3) seá apoveitado de foma ótima se a velocidade acompanha a cuva de máximo C p. A velocidade coespondente à opeação ótima e a velocidade eal estão apesentadas na Figua 4. Pode-se veifica que existe um pefeito contole de velocidade, possibilitando a extação máxima de potência devido a sempe se opea na elação ótima de velocidade.

6 VI. CONCLUSÃO Figua 6 - Velocidade de efeência e do contole do geado de indução O conjugado imposto à tubina eólica é esponsável pela podução de enegia. Devido ao compotamento oscilatóio do conjugado aplicado ao geado assíncono, povocado pelo vento simulado, a potência elética injetada na ede também teá o mesmo compotamento confome veifica-se na Figua 7. Nas condições de baixa potência é onde se obtêm os maioes ganhos com velocidade vaiável. Po esse motivo pefeiu-se ealiza as simulações com baixa potência. Na figua 8, a coente em média tensão injetada na ede, esta epesentada paa uma das fases. Veifica-se que a coente apesentou um uma Distoção Hamônica Total (THD) de 3.31 %. Paa a mesma aplicação obsevou-se uma THD paa a tensão de 0.4%. Sendo assim, pode-se considea os neveis como sendo bastante satisfatóios e que está de acodo com [9]. Fig 7 - Potência injetada Este atigo apesentou um modelo de tubina eólica de feqüência vaiável implementado no ATPDaw. O modelo tem como pincipais caacteísticas eduzi o gau de complexidade e facilita a avaliação dos impactos da opeação das tubinas eólicas na estabilidade e qualidade de enegia elética. O algoitmo apesentou eduzido tempo de simulação, mesmo incluindo dinâmicas de 5º odem na máquina assíncona. O pogama apesenta-se viável paa análises de qualidade de enegia em opeação nomal, bem como paa simula a opeação das tubinas eólicas duante e após faltas no sistema de potência.. O algoitmo apesentado possibilita também a investigação de estatégias de contole das injeções de potência ativa e eativa geadas, com vistas a melhoa a qualidade da enegia. VII. BIBILIOGRAFIA [1] Ministéio de Minas e Enegia, página na intenet: janeio de 2004 [2] Rosas, P. A. C, Estanqueio, A. I. Guia de Pojeto Elético de Centais Eólicas, Vol. I Pojeto Elético e Impacto de Centais Eólicas na Rede Elética, Cento Basileio de Enegia Eólica, disponível na pagina Recife 2003; [3] Vladislav Akhmatov Analysis of Dynamic Behaviou of ElecticPowe System s with Lage Amount of Wind Powe Tese de doutoado, Univesidade Técnica da Dinamaca, Lyngby, 2003; [4] CAUE Comitê Agentino de Usuáio EMTP-ATP, Rule Book, 2001 [5] M. Lisee, F. Blaabjeg, S. Hansen Design and Contol of na LCL-filte based Thee-phase Active Rectifie, Conf. Rec. IAS, Chicago, USA, [6] Selênio R. Silva Análise da Integação de Usinas Eólicas na Rede Elética V SBQEE Agosto de 2003; [7] Slootweg, J.G., Polinde, H. & Kling, W.L. Initialization of Wind Tubine Models in Powe Systems Dynamics Simulations, IEEE Poto Powe Tech Confeence, Potugal, Sep/2001. [8] D. Novotny e T. Lipo, Vecto Contol and Dynamics of AC Dives. Claendon Pess, Oxfod, [9] IEEE Recommended Pactices and Requiements fo Hamonic Contol in Electical Powe Systems, IEE Std Fig. 8 - Coente da ede