Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos

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1 Encontro Internacional de Energia Eólica 3o. Painel Tecnologia e Integração de Centrais Elétricas à Rede Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Natal, RN 22 de Setembro de 2005 Nelson Martins Sérgio Gomes Jr. Ricardo Diniz Rangel Júlio C. R. Ferraz

2 Modelos para Avaliação de Sistemas com Aerogeradores 1. Introdução Grupo de Trabalho de Geração Eólica (Grupo ELETROBRAS e ONS) 2. Programa de análise de transitórios eletromecânicos ANATEM Considerações Gerais 3. Avaliação de aproveitamento eólico utilizando ANAREDE e ANATEM Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Máquina de Indução com Dupla Alimentação Máquina Síncrona com Velocidade Variável 4. Considerações Finais 2

3 1. Introdução Grupo de Trabalho de Geração Eólica Esforço de âmbito nacional Composto pelas empresas do Grupo ELETROBRAS e pelo ONS CEPEL, ELETROBRAS, FURNAS, CHESF, ELETROSUL, ELETRONORTE, ONS Coordenação do CEPEL Diversas reuniões de trabalho realizadas desde 2003 Objetivo Permitir a avaliação de sistemas que possuam aerogeradores Definição dos modelos a serem prioritariamente implementados 3

4 1. Introdução Grupo de Trabalho de Geração Eólica A partir da determinação das tecnologias mais utilizadas Implementação de modelos nos programas ANAREDE e ANATEM Programas de uso corrente em estudos de planejamento e operação pelas empresas do setor elétrico brasileiro Modelos disponíveis são bastante gerais São capazes de reproduzir o comportamento de diversos equipamentos mediante ajustes inerentes a cada fabricante Avaliação dos modelos utilizando sistemas teste Análise do sistema na ocorrência de distúrbios no vento (potência mecânica) e na rede 4

5 2. Programa ANATEM Possui dois tipos de modelos Pré-definido ( built built-in in ) Controlador Definido pelo Usuário (CDU) Modelo Pré-definido ( built built-in in ) Modelos não flexíveis As equações que modelam o equipamento são conhecidas Possuem estrutura fixa Modelos bem estabelecidos na literatura As equações são descritas no manual O usuário apenas altera os valores dos parâmetros Ex.: modelo de máquina síncrona, modelo IEEE de RT, etc. 5

6 2. Programa ANATEM Controlador Definido pelo Usuário (CDU) Criado através de uma linguagem própria do tipo script Intrinsecamente flexível Composto por uma série de blocos elementares Funções de transferência Funções lineares e não-lineares Operadores lógicos e chaves Utilizando os blocos básicos, o usuário pode construir o seu próprio controlador Ex.: RT, RV, PSS, FACTS, turbina eólica, controle de conversores, etc. 6

7 3. Avaliação de Aproveitamento Eólico Turbina eólica Controle por stall stall Controle do ângulo de posição da pá ( pitch control ) Três tecnologias básicas para o gerador Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Máquina de Indução com Dupla Alimentação Máquina Síncrona com Velocidade Variável 7

8 3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica Potência mecânica é função de: Densidade do ar (ρ)( Área varrida pelo rotor (A)( Velocidade do vento (v) Curvas de desempenho da turbina Cp (λ,β) Velocidade da turbina (ω)( Considerações: Caixa de engrenagens Controle do ângulo de posição da pá (controle de "pitch" pitch ) 8

9 3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica P 3 = 0,5 ρ A v C ( λ, β) ; λ = ω R v p Cp x λ x β Cp λ 9

10 3.1. Equação Eletromecânica e Controle de Posição da Pá 10

11 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Máquina conectada a uma barra infinita Reatância X=20% na base da máquina Distúrbios Variação na velocidade do vento 1s: degrau de +1 m/s 5s: degrau de 11 m/s Curto circuito trifásico na barra terminal Aplicado no instante t=1s Duração de 100 ms 11

12 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Velocidade do vento 15. CDU V_VENT TURB_EOLICA

13 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Tensão na barra terminal do parque eólico 0.96 VOLT 101 Ger_Eolica

14 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Escorregamento 0.0E+1 SLIP Ger_Eolica -1.5E-3-3.0E-3-4.5E-3-6.0E

15 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico 1.3 Fluxo de Potência Ativa Fluxo de Potência Reativa

16 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Tensão na barra terminal do parque eólico 1. VOLT 101 Ger_Eolica

17 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Escorregamento 0.0E+1 SLIP Ger_Eolica -5.0E-3-1.0E-2-1.5E-2-2.0E

18 3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico 2. Fluxo de Potência Ativa Fluxo de Potência Reativa

19 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação 2 P G + jqg 1 P s + jqs estator Gerador de Indução Pturb eixo mecânico Turbina eólica Xs P cs + jqcs P r + jqr rotor bobinado Xt P cr + jqcr Conversor V C Conversor 2 19

20 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação I S Rs+jXs Modelo da Turbina E Modelo da Máquina Modelo do Controle X t I 2 = I R V C2 = V R V C1 + I C1 V C I C2 - Conversor 1 Conversor 2 20

21 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade do Vento Coeficiente de Desempenho (Cp) Cp Turbina Pmec Gerador Beta W W Variação de Potência Controle de Posição da Pá (Pitch Control) Pmáx Variação de Velocidade Controle do Conversor Referência de Velocidade Pele * Qele * Pele Medida 21

22 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Conversor 1 (conectado ao estator) Potência Ativa Controle da tensão no capacitor Potência Reativa Controle do fator de potência no conversor Conversor 2 (conectado ao rotor) Potência Ativa Controle da velocidade ótima (escorregamento) da máquina Potência Reativa Controle da geração de potência reativa Q constante, V constante ou f.p. constante 22

23 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Distúrbios Variação na velocidade do vento 1s: degrau de +1 m/s Curto circuito trifásico na barra terminal Aplicado no instante t=1s Duração de 260 ms 23

24 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade do vento 15. CDU V_VENT TURB_EOLICA

25 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Tensão na barra terminal do parque eólico VOLT 101 Ger_Eolica

26 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico 125 FLXA 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 1 FLXR 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf

27 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade da máquina e velocidade de referência CDU WR DFIM_CONTROL CDU WRREF DFIM_CONTROL

28 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Ângulo de posição da pá 2.5 CDU BETA TURB_EOLICA

29 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Tensão na barra terminal do parque eólico e valor de referência (1 pu)

30 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico

31 3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade da máquina e velocidade de referência

32 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável m 1 m 2 φ 2 P turb i CC1 i CC2 V T2 V T1 X T1 + X T2 eixo mecânico V CC1 V C - Turbina eólica Gerador síncrono Conversor 1 Chopper Conversor 2 32

33 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Regulador de Tensão V CA1 I CC2 E fd T m Gerador Síncrono E" Sistema Retificador CA 1 a Diodo ω I CA1 V CC1 Sistema CC I CC1 m 1 V CC2 Inversor de Tensão m 2 ψ 2 E T ψ 2 V CA2 P G Turbina β Controle do Chopper ω Controle do Inversor V V Posição da Pá ω ω ref Curva de Referência de Velocidade 33

34 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Chopper Controle da tensão no capacitor Conversor (conectado à rede) Potência Ativa Controle da velocidade ótima da máquina Potência Reativa Controle da geração de potência reativa Q constante, V constante ou f.p. constante 34

35 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Sistema teste Parque eólico conectado a uma barra infinita através de uma reatância de 45% (base da máquina) 10 unidades de 850 kw Despacho de 0,75 pu (6,4 MW) ou de 1,00 pu (8,5 MW) Controle da tensão na barra terminal do parque eólico Distúrbios Variação na velocidade do vento Curto-circuito próximo ao parque (causando queda na tensão terminal para 0,20 pu) 35

36 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Velocidade do vento 12, CDU V_VENT TURB_GSE_01 10, 8, 6, 4, 2, 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 36

37 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Velocidade da máquina 24, FGSE 1 10 ParqueEolico 23, 22, 21, 20, 19, 18, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 37

38 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Tensão na barra terminal 1,02 VOLT 1 ParqueEolico 1,01 1, 0,99 0,98 0,97 0,96 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 38

39 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Geração de potência ativa 10,5 PE2E 1 10 ParqueEolico 9,5 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 39

40 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Geração de potência reativa 2,4 QE2E 1 10 ParqueEolico 2, 1,6 1,2 0,8 0,4 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40

41 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Ângulo de posição da pá 6, CDU BETA TURB_GSE_01 5, 4, 3, 2, 1, 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 41

42 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Tensão na barra terminal 1,2 VOLT 1 ParqueEolico 1, 0,8 0,6 0,4 0,2 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 42

43 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Velocidade da máquina 21, FGSE 1 10 ParqueEolico 20,5 20, 19,5 19, 18,5 18, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 43

44 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Condutância do resistor de dissipação (inserido no curto) 0,6 GGSE 1 10 ParqueEolico 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 44

45 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Energia Dissipada pelo Resistor 2,4 CDU ENERG CHOPPER 2, 1,6 1,2 0,8 0,4 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 45

46 3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Geração de potência ativa 10, PE2E 1 10 ParqueEolico 8, 6, 4, 2, 0, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 46

47 4. Considerações Finais Modelos para avaliação do sistema com aerogeradores ANAREDE e ANATEM disponibilizam as 3 tecnologias de aproveitamento eólico mais utilizadas na atualidade Os modelos são bastante gerais O equipamento específico pode ser facilmente modelado a partir dos dados pertinentes a cada fabricante Controle realizado via CDU permite a alteração da filosofia de controle de acordo com cada fabricante A versão dos programas ANAREDE e ANATEM encontram-se disponíveis para os usuários autorizados, permitindo realização de estudos elétricos 47