Sistemas de Geração Eólica

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1 Cronograma Aula 1. Panorâma de geração eólica 22/11 Sistemas de Geração Eólica Aula 2. Operação de sistemas de geração eólica 29/11 Prof. Romeu Reginato Outubro de Aula 3. Tecnologias de geração eólica 06/12 Aula 4. Modelagem de sistemas de geração eólica 13/12 2 Operação Básica de Aerogeradores Velocidade fixa Aspectos Tecnológicos Velocidade variável Faixa limitada Faixa plena / ampla 3 4 Aspectos Tecnológicos Tipo de turbina eólica Tipo de gerador Emprego de conversores estáticos Tipos de Turbinas Eólicas Capacidades / recursos operativos Controles envolvidos 5 6

2 Aerogeradores de eixo horizontal São os mais utilizados atualmente Opções com diferentes números de pás, com operação em diferentes faixas de velocidade de vento Modelo de 3 pás mais utilizado Necessita de controle de orientação do vento para garantir bom aproveitamento Duas pás do vento disponível 7 11kW Três pás 100kW 8 Multipás Três pás residencial Aerogeradores de eixo vertical Vantagem. Responde bem para ventos em todas direções não necessita de controle de orientação. Desvantagens. Velocidades baixas na parte inferior das hélices Precisa de arranque auxiliar Manutenção mais complexa Necessidade de cabos auxiliares para sustentação 9 Eixo vertical 1kW Torre tubular X em treliça 10 Comportamento de C p para diferentes turbinas Evolução das turbinas eólicas Adaptado de: Molly, J.P.; Global Renewable Energy Forum; Foz do Iguaçu, 2008.

3 Ajuste do ângulo de passo das pás Tecnologias Emergentes Altura: 300m 10-15kW Eficiência: 50% Em teste: 2008 MARS Magenn Power Air Rotor System Orientação da turbina Wind Power; Power House; 13 Empresa Canadense. Sistema baseado nos princípios do dirigível Magnus. (Inovação Tecnológica; Balão que gera eletricidade a partir do vento começa a ser testado; ) (Magenn, Wind Power Anywhere; 14 Geradores Tipos de Geradores Gerador de indução Rotor em gaiola de esquilo (SQIG) Rotor bobinado (WRIG) Rotor bobinado sem anéis coletores Gerador síncrono Imã permanente (PMSG) Excitação independente (WRSG) Miltipólos Classificação Topologias de Sistemas de Geração Eólica Critérios Controle/variação de velocidade Velocidade Fixa Velocidade Variável Controle de potência aerodinâmica (pás) Controle stall passivo Controle pitch Controle stall ativo 17 18

4 Classificação (Ackermann, 2005) Controle de velocidade Velocidade Fixa Tipo A Controle de potência (pás) Stall 0 Tipo A0 Pitch 1 Tipo A1 Stall ativo 2 Tipo A2 Tipo A Velocidade Variável Tipo B Tipo B0 Tipo B1 Tipo B2 Tipo C Tipo C0 Tipo C1 Tipo C2 Tipo D Tipo D0 Tipo D1 Tipo D Tipo A Velocidade Fixa Tipo A Velocidade Fixa Gerador assíncrono indução de rotor em gaiola de esquilo (SQIG) Gerador conectado diretamente à rede Amplificador de velocidade (caixa de engrenagens) Soft-starter efetua a conexão automaticamente Velocidade definida pela frequência da rede Gerador velocidade supersíncrona Adaptado de Tarnowski, Gerador de Indução de Rotor em Gaiola (SCIG) Turbinas Tipo A Aproveitamento da potência eólica Dois modos de funcionamento 1. Motor. Velocidade subsíncrona 2. Gerador. Velocidade supersíncrona 23 24

5 Tipo A Velocidade Fixa Turbinas Tipo A Curva de potência ativa Potência ativa Definida pela velocidade do vento Sem capacidade de controle, a não ser atuando nas pás da turbina A0 Stall passivo A1 Pitch A2 Stall ativo 25 Adaptado de Tarnowski, Tipo A Velocidade Fixa Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona P m P Potência reativa Gerador consome reativos excitação Banco de capacitores compensação de reativos Resultado do balanço entre consumo de reativos pelo gerador e banco de capacitores Q Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona P m P P a P m P REDE REDE Q Compensação de reativos Compensação de fator de potência 29 Q Flutuações de velocidade do vento são traduzida em 30 flutuações na potência elétrica

6 Tipo B Velocidade Variável Limitada Tipo B Caixa de engrenagens amplificadora Gerador assíncrono indução de rotor bobinado Conexão direta do gerador na rede 31 Soft-starter 32 Tipo B Velocidade Variável Limitada Tipo A x Tipo B Características de Variação de Velocidade - escorregamento Velocidade Freqüência da rede Variação da resistência de rotor variação do escorregamento do gerador Faixa 0-10% da velocidade síncrona Tecnologia OptiSlip (Vestas) Tipo B Velocidade Variável Limitada Turbinas Tipo B Aproveitamento da potência eólica Potência ativa Velocidade do vento Resistência de rotor 35 36

7 Tipo B Velocidade Variável Limitada Potência reativa Gerador consome reativos Banco de capacitores compensação de reativos Resultado do balanço entre consumo de reativos pelo gerador e banco de capacitores 37 Tipo C 38 Tipo C Velocidade Variável Conversor Estático Bidirecional Fluxo de potência em ambas direções Doubly-fed induction generator (DFIG) Gerador assíncrono de rotor bobinado Dois conversores acoplados back-to-back Link CC comum Conversor do lado da rede (GSC) Conversor do lado do rotor (RSC) Configuração típica: inversor de tensão PWM Conversor estático bidirecional entre rotor e rede Caixa de engrenagens amplificadora 39 Potência cerca de 30% da potência do gerador 40 Conversor Estático Estrutura do DFIG conectado à rede elétrica Controles Qualquer lado pode ser retificador/inversor Potência reativa em cada lado pode ser diferente Potência ativa deve ser igual 41 Estator conectado diretamente à rede Rotor conectado via conversor estático 42

8 DFIG conectado à rede elétrica: Frequências Frequência de escorregamento Frequência zero CC Velocidade Desacoplamento entre frequência da rede e velocidade do gerador Velocidade da turbina Estratégia de controle utilizada Velocidade do vento Controle via conversor estático Controle via pás da turbina Frequência da rede Fluxo das potências Velocidade subsíncrona Fluxo das potências Velocidade supersíncrona Pr Pr Qr Qs Qc Q Qr Qs Qc Q Ps P 45 Ps P 46 Características estáticas ticas do DFIG Potência Ativa Estator Características estáticas ticas do DFIG Potência Ativa Rotor Ir = 0, 1, 2, 3, 4. Ir = 0, 1, 2, 3,

9 P = Ps + P r Características estáticas ticas do DFIG Potência Ativa Total Ir = 0, 1, 2, 3, 4. Características estáticas ticas do DFIG Potência Reativa Estator Ir = 0, 1, 2, 3, Fluxo de Potências - Síntese Modo gerador Velocidade subsíncrona Velocidade supersíncrona Potência ativa Flui do estator para a rede Flui do rotor para rede supersíncrona Flui da rede para o rotor subsíncrona Fluxo de Potências - Síntese Potência reativa Flui entre estator e rede conforme controle Controle atua no rotor Conversor estático back-to-back Desacopla fluxo de potência reativa entre rotor e rede Permite controle pela atuação sobre as variáveis de rotor DFIG: Estratégias de Operação Máxima eficiência aerodinâmica (Maximum power tracking MPT) Regulação de Potência Ativa Controle de Potência Reativa Controle de Tensão 53 DFIG: Estratégias de Operação Máxima eficiência aerodinâmica (Maximum power tracking MPT) OU Regulação de Potência Ativa Controle de Potência Reativa Controle de Tensão OU 54

10 DFIG: Variáveis de controle Onde se pode atuar para controlar o DFIG? DFIG: Variáveis de controle Onde se pode atuar para controlar o DFIG? 55 Velocidade do vento: conforme o vento Frequência de estator = freqüência da rede 56 Princípio do controle MTP Maximizar o coeficiente de potência a cada velocidade do vento Pás fixas Princípio do controle MTP Maximizar o coeficiente de potência a cada velocidade do vento Pás fixas C p (λ,ϕ) C p (λ,ϕ) t λ = R ω V w 57 λ = λ MPT - fixo t λ = R ω V w 58 Estratégia de controle MPT Controle MPT Estratégia de operação comumente adotada: Máximo desempenho aerodinâmico da turbina (Cp máx) MPT. P MPT = K ω 3 t [ pu] Para cada velocidade de vento há uma velocidade de rotação que maximiza a potência capturada PI 60

11 Faixa ampla / completa Tipo D Gerador síncrono Imã permanente Excitação independente Gerador assíncrono (rotor bobinado) Estator ligado à rede via conversor estático Conversor estático de potência plena Frequência da rede e velocidade da turbina são desvinculadas Com caixa de engrenagens Similar aos Tipos A, B, C Direct drive (sem caixa de engrenages) Gerador multipólos (síncrono) Variáveis de atuação 65 66

12 Velocidade da turbina Desacoplada da frequência da rede Potência ativa gerada Estratégia de controle Potência ativa Velocidade pode ser variada em toda faixa Estratégia MPT (faixa completa) Conversor do lado da rede regula o fluxo de potência ativa do gerador para a rede Potência reativa Lado do gerador e da rede desacoplados pelo link DC do conversor Lado da rede controlada através do conversor estático Outras funções do conversor estático Conexão/desconexão da rede Excitação do gerador (se necessário) Evolução Histórica Primeiras turbinas: Tipo A0 Potência: centenas de kw Velocidade variável Ganhos de eficiência Ganhos de flexibilidade (controle) para níveis maiores de penetração de geração éolica Atualmente Evolução Histórica Mercado dividido principalmente entre Tipo C Tipo D Tipo A e B ainda existem em operação, mas vêm caindo em participação 71 72