UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA Setor de Tecnologia Faculdade de Engenharia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Um Estudo do Aerogerador de Velocidade Variável e Sua Aplicação para Fornecimento de Potência Elétrica Constante Marcello Monticelli Pereira Juiz de Fora, MG - Brasil Outubro de 2004
Um Estudo do Aerogerador de Velocidade Variável e Sua Aplicação para Fornecimento de Potência Elétrica Constante Marcello Monticelli Pereira Dissertação submetida ao Corpo Docente da Coordenação do Programa de Pós- Graduação de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Aprovada por: Márcio de Pinho Vinagre, D. Eng. Júlio César Rezende Ferraz, D. Sc. Pedro Gomes Barbosa, D. Sc. Paulo Augusto Nepomuceno Garcia, D. Sc. Juiz de Fora, MG - Brasil Outubro de 2004 i
PEREIRA, MARCELLO MONTICELLI Um Estudo do Aerogerador de Velocidade Variável e Sua Aplicação para Fornecimento de Potência Elétrica Constante [Juiz de Fora] 2004 86p. 29,7cm (UFJF, M.Sc., Engenharia Elétrica, 2004) Dissertação Universidade Federal de Juiz de Fora 1. Despacho de Potência 2. Máquinas de Indução 3. Turbinas Eólicas I.UFJF II.Título (Série) ii
Aos meus Pais, Sebastião César e Neuza Maria pelo apoio. A Gilson Carvalho e Oswaldo Kaschini, CDI Automação, pelas cartas de recomendação. iii
Resumo da Dissertação apresentada à UFJF como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Um Estudo do Aerogerador de Velocidade Variável e Sua Aplicação para Fornecimento de Potência Elétrica Constante Marcello Monticelli Pereira Outubro/2004 Orientador: Márcio Pinho de Vinagre, D. Eng. Área de Concentração: Sistemas Elétricos de Potência. Palavras-chave: Turbina eólica, gerador de indução duplamente alimentado, despacho de potência, conversor de tensão, modelagem, simulação. Número de Páginas: 86. Este Trabalho descreve uma metodologia para controlar potência ativa e reativa despachadas para a rede elétrica a partir de geradores de indução duplamente alimentados (GIDA) acoplados a turbinas eólicas. A metodologia utiliza o conceito de turbinas eólicas de velocidade variável acopladas a geradores de indução duplamente alimentados e requer a existência de uma fonte de potência disponível no rotor. Com a utilização de um inversor de tensão e alguns controles convenientes, é possível injetar na rede tanto potência reativa quanto potência ativa constantes. São apresentados resultados de simulação de um GIDA ligado a uma barra infinita para ilustrar a aplicação da metodologia. iv
Abstract of Dissertation presented to UFJF as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electric Engineering. A Study of a Variable Speed Wind Turbine and Its Application for Delivery of Constant Electric Power Marcello Monticelli Pereira October /2004 Supervisor: Márcio Pinho de Vinagre, D. Eng. Concentration: Power Electric Systems. Key Words: Wind turbine, doubly feed induction generator, power dispatch, voltage source converter, modeling, simulation Number of Pages: 86. This work describes a methodology for controlling active and reactive power delivered to a power system from a double fed induction generator (DFIG) coupled to a wind turbine. This methodology uses a variable speed wind turbine coupled to doubly fed induction generator, and requires a power source available for feeding the rotor circuits. With the utilization of a voltage source inverter connected to the rotor circuits and some suitable controls, it is possible to deliver required reactive and active power as well. Some simulation results of a DFIG connected to an infinite bus are shown in order to illustrate the application of the methodology. v
Índice ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABELAS IX XII CAPÍTULO 1 1 Considerações iniciais. 1 1. Introdução. 1 2. Revisão bibliográfica. 4 3. Objetivos. 6 4. Principais contribuições do trabalho. 6 5. Publicações oriundas deste trabalho. 6 6. Estrutura do trabalho. 7 CAPÍTULO 2 8 Os aerogeradores. 8 1. Introdução. 8 2. Estado atual da energia eólica. 8 3. Sistemas de geração. 9 4. Sumário do capítulo. 14 CAPÍTULO 3 15 Modelagem da máquina de indução. 15 1. Introdução. 15 2. Modelagem da máquina de indução. 15 3. Simulação do modelo da máquina de indução. 22 4. Sumário do capítulo. 29 CAPÍTULO 4 30 Modelagem do inversor de freqüência. 30 1. Introdução. 30 2. Principio de funcionamento. 30 vi
3. Simulação do modelo do inversor de freqüência. 32 3.1. Espectro de freqüências do inversor modelado. 33 3.2. Influência dos harmônicos de tensão do inversor sobre a máquina de indução. 35 3.2.1. Sobre a elevação de temperatura. 35 3.2.2. Sobre o rendimento. 36 3.2.3. Características do sistema de isolamento. 36 3.3. Resultados obtidos. 36 4. Sumário do capítulo. 40 CAPÍTULO 5 41 Modelagem da turbina eólica. 41 1. Introdução. 41 2. A modelagem da velocidade do vento. 41 3. A modelagem da turbina eólica. 44 4. A modelagem do controle da potência mecânica. 46 5. Simulação do modelo completo da turbina eólica. 50 6. Sumário do capítulo. 52 CAPÍTULO 6 53 A estratégia de controle. 53 1. Introdução. 53 2. Formulação matemática. 53 3. Simulações do aerogerador e do sistema de controle. 56 3.1. Simulação I. 59 3.2. Simulação II. 62 3.3. Simulação III. 66 3.4. Simulação IV. 71 4. Sumário do capítulo. 76 CAPÍTULO 7 77 Conclusões. 77 1. Considerações gerais. 77 vii
2. Conclusões. 77 3. Trabalhos futuros. 78 APÊNDICE A 80 Diagrama de blocos do modelo do aerogerador. 80 APÊNDICE B 81 Condições iniciais das variáveis de estado. 81 BIBLIOGRAFIA 83 viii
Índice de Figuras Figura 1-Localização dos projetos eólicos outorgados no Brasil (Situação em Janeiro de 2002).... 3 Figura 2-Desenho esquemático de um aerogerador... 10 Figura 3-Principio de funcionamento básico de um aerogerador.... 11 Figura 4-Sistemas de geração usados em aerogeradores.... 11 Figura 5-Desenho de uma nacele de um aerogerador com a caixa de engrenagens e um gerador de indução de rotor em gaiola ou rotor bobinado... 13 Figura 6-Desenho de uma nacele de um aerogerador com um gerador síncrono acionado diretamente pelo rotor da turbina eólica.... 13 Figura 7-Disposição espacial das bobinas no estator e no rotor de uma máquina de indução trifásica.... 16 Figura 8-Circuito equivalente da máquina de indução, dois pólos, trifásica conectada em estrela.... 16 Figura 9-Circuitos elétricos equivalentes da máquina de indução trifásica para um sistema de coordenadas arbitrário: (a) eixo q; (b) eixo d e (c) eixo Zero.... 20 Figura 10-Diagrama de blocos da simulação da máquina de indução trifásica e simétrica em coordenadas qd0.... 23 Figura 11-Curvas de (a) Conjugado eletromagnético (b) Velocidade mecânica do eixo em RPM.... 24 Figura 12-(a) Correntes no estator da máquina de indução (b) Correntes no rotor da máquina de indução de 3HP.... 25 Figura 13-Curvas de (a) Potência ativa (b) Potência reativa (c) Fator de potência da máquina de indução de 3HP.... 26 Figura 14-(a) seqüência positiva aplicada no estator e no rotor; (b) seqüência positiva aplicada no estator e seqüência negativa no rotor... 27 Figura 15-(a) seqüência negativa aplicada no estator e seqüência positiva aplicada no rotor; (b) seqüência negativa aplicada no estator e no rotor.... 28 Figura 16-Inversor em ponte básico... 31 Figura 17-Forma de onda da tensão de saída do inversor operado por bloqueio de grupo.... 31 Figura 18-Forma de onda da tensão de saída do inversor operado por variação de largura de pulso (PWM).... 32 Figura 19-Diagrama de blocos da simulação do inversor de freqüência trifásico operado por variação de largura de pulso (PWM)... 33 Figura 20-Onda triangular versus sinal de controle para um inversor PWM... 34 Figura 21-Onda triangular versus sinal de controle trifásico para um inversor PWM... 35 Figura 22-Tensões de fase na saída do inversor... 38 Figura 23-Espectro das freqüências para as tensões de fase.... 38 Figura 24-Tensões de linha na saída do inversor... 39 Figura 25-Espectro das freqüências para as tensões de linha... 39 Figura 26-Curva da velocidade do vento obtida da modelagem matemática.... 43 Figura 27-Exemplo de um rotor de uma turbina eólica.... 44 ix
Figura 28-Exemplo de um aerogerador... 44 Figura 29-Forças que atuam em uma turbina eólica e a produção de conjugado.... 45 Figura 30-Principio do estol.... 47 Figura 31-Curvas características do controle por estol e controle por variação do ângulo de passo das pás... 48 Figura 32-Curva utilizada para a geração do ângulo de referência para uma turbina eólica de 2MW. 49 Figura 33-Diagrama de blocos do controlador do ângulo de passo das pás de uma turbina eólica de 2MW.... 49 Figura 34-Curva de Velocidade do vento aplicada à turbina eólica de 2MW... 50 Figura 35-Potência mecânica desenvolvida pela turbina eólica de 2MW.... 51 Figura 36-Conjugado mecânico gerado pela turbina eólica de 2MW.... 51 Figura 37-Variação do ângulo das pás do rotor durante a simulação... 52 Figura 38-Esquema da estratégia de controle para uma aerogerador de velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado.... 54 Figura 39-Controladores PI utilizados para processar os resíduos de potência ativa e reativa do GIDA.... 55 Figura 40-Diagrama de blocos da simulação da estratégia de controle da potência.... 56 Figura 41-Diagrama de blocos sintetizado mostrando a interação dos diversos subsistemas que compõe o modelo do aerogerador... 57 Figura 42-Exemplo de cadeia cinemática... 57 Figura 43-Curvas de (a) Velocidade do vento (b) Conjugado de mecânico (c) Potência Mecânica. Simulação I.... 59 Figura 44-Curvas de (a) Potência ativa (b) Potência reativa (c) Fator de potência. Simulação I... 60 Figura 45-Curvas de (a) Potência mecânica (b) Potência ativa (c) Potência no rotor. Simulação I... 61 Figura 46-Curvas de (a) Velocidade mecânica eixo de alta rotação (b) Velocidade mecânica eixo de baixa rotação. Simulação I.... 62 Figura 47-Curvas de (a) Potência ativa (b) Potência reativa (c) Fator de potência. Simulação II... 63 Figura 48-Curvas de (a) Potência mecânica (b) Potência ativa (c) Potência no rotor. Simulação II... 64 Figura 49-Curva velocidade do vento utilizada na simulação II... 64 Figura 50-Curvas de (a) Velocidade mecânica eixo de alta rotação (b) Velocidade mecânica eixo de baixa rotação. Simulação II.... 65 Figura 51-Diagrama de blocos que ilustra o balanço de potência no GIDA para a simulação II... 66 Figura 52-Curvas de (a) Potência ativa (b) Potência reativa (c) Fator de potência. Simulação III... 67 Figura 53-Curvas de (a) Potência mecânica (b) Potência ativa (c) Potência no rotor. Simulação III... 68 Figura 54-Curvas de (a) Velocidade mecânica eixo de alta rotação (b) Velocidade mecânica eixo de baixa rotação. Simulação III.... 69 Figura 55-Diagrama de blocos que ilustra o balanço de potência no GIDA para a simulação III... 70 Figura 56-Curvas de (a) Potência ativa (b) Potência reativa (c) Fator de potência. Simulação IV.... 71 Figura 57-Curvas de (a) Potência mecânica (b) Potência ativa (c) Potência no rotor. Simulação IV... 72 x
Figura 58-Curvas de (a) Velocidade mecânica eixo de alta rotação (b) Velocidade mecânica eixo de baixa rotação. Simulação IV... 73 Figura 59-Diagrama de blocos que ilustra o balanço de potência no GIDA para a simulação IV no intervalo de: (a)145s a 150s. e (b)280s a 300s... 74 Figura A-1-Diagrama de blocos do Simulink utilizado na simulação do aerogerador.... 80 xi
Índice de Tabelas Tabela 1-Amplitude harmônica para as tensões de fase.... 40 Tabela 2-Amplitude harmônica para as tensões de linha.... 40 Tabela 3-Características da turbina eólica usada nas simulações... 50 Tabela 4-Características da máquina de indução usada nas simulações.... 58 Tabela 5-Resultados obtidos na simulação II no intervalo de tempo entre 140s e 160s... 66 Tabela 6-Características da simulação III.... 67 Tabela 7-Resultados obtidos na simulação III no intervalo de tempo entre 120s e 140s.... 70 Tabela 8-Características da simulação IV.... 71 Tabela 9-Resultados obtidos na simulação IV no intervalo de tempo entre 145s e 150s.... 75 Tabela 10-Resultados obtidos na simulação IV no intervalo de tempo entre 280s e 300s... 75 Tabela B-1-Condições iniciais das variáveis de estado para as simulações I, II, e IV.... 81 Tabela B-2-Condições iniciais das variáveis de estado para a simulação III... 82 xii
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 1 Capítulo 1 Considerações iniciais. 1. Introdução. Assim como a energia hidráulica, a energia eólica é utilizada há milhares de anos, com a mesma finalidade: bombeamento de água, moagem de grãos e outras aplicações que envolvem energia mecânica. Para a geração de eletricidade, as primeiras tentativas surgiram no final do século XIX, mas somente um século depois, com a crise internacional do petróleo (década de 70), é que houve interesse e investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento e a aplicação de equipamentos em escala comercial. O primeiro aerogerador comercial ligado à rede elétrica pública foi instalado em 1976, na Dinamarca. Em 2002 haviam mais de 30 mil aerogeradores em operação no mundo. Em 1991 a Associação Européia de Energia Eólica estabeleceu como metas a instalação de 4000MW de energia eólica na Europa até o ano 2000 e 11500MW até o ano 2005. As metas atuais são de 75000MW na Europa até 2010. Nos estados Unidos, o parque eólico existente é da ordem de 6400MW e prevê-se uma instalação anual de em torno de 1500MW para os próximos anos. O custo dos equipamentos, que era um dos principais entraves ao aproveitamento comercial da energia eólica, caiu muito entre os anos 80 e 90, sendo que.os custos implantação, operação e manutenção variam de acordo com o país e a existência ou não de subsídios. Recentes desenvolvimentos tecnológicos (sistemas avançados de transmissão, melhor aerodinâmica, estratégias de controle e operação dos aerogeradores, etc.) tem reduzido o custo e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos. Espera-se, portanto, que a energia eólica venha a ser muito mais competitiva economicamente na próxima década. Segundo a AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA [1], em 1990, a capacidade instalada no mundo era inferior 2000MW. Em 1994 ela subiu para 3734MW, divididos entre Europa, América, Ásia e outros países. Quatro anos mais tarde, chegou a 10000MW e, em 2000, a capacidade instalada no mundo já era superior a 15000MW. O mercado tem crescido substancialmente nos últimos anos, principalmente na Alemanha, EUA, Dinamarca e Espanha, onde a potência adicionada anualmente supera 3000MW. Esse crescimento fez com que a Associação Européia de Energia Eólica estabelecesse novas metas, indicando que até 2020, a energia eólica poderá suprir 10% de toda a energia elétrica requerida no mundo. De fato, em alguns países e regiões, a energia
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 2 eólica já representa uma parcela considerável da eletricidade produzida. Na Dinamarca, por exemplo, a energia eólica representa 13% de toda a eletricidade gerada. Em termos de capacidade instalada, estima-se que até 2020, a Europa já tenha instalado 100000MW. A participação da energia eólica na geração de energia elétrica no Brasil ainda é praticamente desprezível. Em janeiro de 2002 havia apenas seis centrais eólicas em operação no país, perfazendo uma capacidade instalada de 18,8MW. Entre essas centrais destacam-se Taíba e Prainha no estado do Ceará, que representam 80% do parque eólico nacional. De acordo com o ALDABÓ [2], o país planeja construir um parque com 1600 turbinas com capacidade média de 600kWh para geração de energia elétrica. O Brasil possui um grande potencial eólico, confirmado pelas medições realizadas até o momento, sendo que a região nordeste possui o maior potencial eólico do país. Os órgãos responsáveis pela energia elétrica no país trabalham com a expectativa de uma produção por fontes alternativas de 5645MW. Para tanto os seguintes prérequisitos técnicos e econômicos para implantação de parques eólicos da classe de MW no Brasil devem ser satisfeitos: Interesse declarado pelas concessionárias de energia elétrica, motivado, principalmente, pela necessidade de expansão da geração de energia elétrica; Diversidade das características dos projetos quanto à localização, aspectos topográficos e características da rede; Possibilidade de garantias de financiamento; Desenvolvimento da indústria nacional de sistemas eólicos; Estabelecimento de uma legislação favorável à disseminação da tecnologia para geração de eletricidade em grande escala. No entanto, a conjuntura atual do setor elétrico brasileiro tem despertado o interesse de muitos empreendedores. Em 5 de julho de 2001, foi instituído o Programa Emergencial de Energia Eólica (PROEÓLICA, atualmente incorporado ao PROINFA), com o objetivo de agregar ao sistema elétrico nacional 1050MW de energia eólica. Entre outros fatores que deverão estimular o uso da energia eólica no Brasil destaca-se o Programa de Incentivo ao Uso de Fontes alternativas de Energia Elétrica (PROINFA). Em janeiro de 2002, havia o registro de 38 empreendimentos eólicos autorizados pela ANEEL, que deverão agregar ao sistema elétrico brasileiro 3338MW, o que corresponde à cerca de 15% de todas as usinas outorgadas pela ANEEL. A grande maioria dos projetos se localizam no litoral dos estados do Ceará e Rio Grande do Norte conforme mostrado na Figura 1. Observam-se, porém, projetos no interior de Pernambuco, Bahia e no Rio de Janeiro.
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 3 Figura 1-Localização dos projetos eólicos outorgados no Brasil (Situação em Janeiro de 2002). Neste cenário favorável ao uso de geradores eólicos e considerando que os investimentos se concretizem para todos os pedidos homologados, blocos significativos de energia proveniente das usinas eólicas serão introduzidos na rede elétrica. Como a velocidade do vento varia continuamente ao longo do tempo, ocorrerão oscilações em baixa freqüência da potência mecânica nas turbinas eólicas e estas se propagarão pela rede interligada em forma de potência elétrica. Quando as oscilações de potência são pequenas, o desequilíbrio não requer a ação dos geradores de oscilação, os quais são os reguladores do equilíbrio de potência na rede elétrica. Por outro lado, se as oscilações forem na ordem de dezenas de MW, os geradores de oscilação ficarão operando praticamente o tempo todo e, possivelmente, sem alcançar um regime permanente. Devido às oscilações de potência, os geradores de indução duplamente alimentados (GIDA) vêm ganhando preferência para instalações de usinas eólicas de grande porte, acima de 1MW, possuindo a vantagem de controlar o fator de potência além de permitir a geração de potência elétrica em várias velocidades, conforme MULLER ET ALLI [3] e SLOOTWEG ET ALLI [4]. Além das vantagens citadas, se houver disponibilidade de suprimento de energia a partir de uma fonte de tensão nos terminais do rotor, pode-se obter também o controle sobre a potência ativa do estator. Segundo VINAGRE ET ALLI [5], este controle é conveniente no sentido de diminuir as oscilações de potência ativa na rede de distribuição. Com a estratégia de controle de potência ativa aplicada a alguns GIDAS, poder-se-á ter um despacho de potência elétrica mais constante, o que favorecerá a qualidade de energia elétrica do sistema de distribuição, além de retardar a
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 4 ação dos geradores de oscilação, que poderiam vir a ser, teoricamente, os próprios GIDAS. A utilização do controle de potência ativa despachada pelo GIDA requer algumas análises de operação que necessitam de modelagens detalhadas, tanto da máquina elétrica quanto da turbina eólica. Algumas simulações devem ser feitas para que os detalhes dinâmicos e transitórios do conjunto turbina eólica e GIDA sejam evidenciados e estudados sob ponto de vista de operação. Este trabalho é uma contribuição no estudo do comportamento dinâmico do conjunto turbina eólica e GIDA, quando se objetiva o despacho de fluxo de potência constante para a rede elétrica ligada ao estator do gerador de indução. Como requisito básico para a aplicação do despacho constante deve-se ter uma fonte independente de potência ligada ao rotor do GIDA. As simulações levadas em conta adotaram modelos matemáticos detalhados da turbina eólica e do GIDA e apontaram para uma forma alternativa de operação a qual é mais adequada a um parque de geração que possui muitas turbinas hidráulicas, e no qual as constantes de tempo de ajustes de despacho de carga são maiores. 2. Revisão bibliográfica. Para a implementação da estratégia de controle proposta e modelagem dos diversos subsistemas que envolvem este trabalho, além das referências citadas anteriormente, realizou-se um levantamento bibliográfico o qual é resumido a seguir. MUTSCHLER E HOFFMANN [6] fazem um comparativo entre oito tipos de aerogeradores existentes no mercado: aerogeradores de velocidade constante, aerogeradores de duas velocidades e aerogeradores de velocidade variável, sendo que a potência mecânica gerada por essas máquinas pode ser regulada ou por estol passivo, ou por estol ativo ou por variação do ângulo de passo das pás. HOFMANN E OKAFOR [7] apresentam as vantagens de se usar um GIDA acoplado a uma turbina eólica de grande potência em relação aos geradores síncronos de imãs permanentes. BOGALECKA [8] propõe 3 métodos de controle para um GIDA, sendo investigadas as possibilidades da operação em paralelo dos geradores síncronos e dos geradores de indução duplamente alimentados. MACHMOUM ET ALLI [9] propõe uma estratégia de controle de um GIDA acoplado a uma turbina eólica de velocidade variável no qual é possível controlar as potências ativa e reativa entregues a rede elétrica. LEITHEAD E CONNOR [10] investigam o controle de um aerogerador de velocidade variável o qual emprega a regulação do ângulo de passo das pás e o conjugado de reação do gerador elétrico para controlar a velocidade do rotor da turbina eólica. Já em LEITHEAD ET ALLI [11] é apresentada uma formulação baseada em
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 5 funções de transferência para a modelagem do vento, da turbina eólica e de seus controles. NOVAK ET ALLI [12] descrevem a modelagem física, com a posterior identificação dos parâmetros, e o equacionamento do controle de um aerogerador de velocidade variável. Em JANGAMSHETTI E GURUPRASADA [13] é apresentado um novo método para identificação dos parâmetros ótimos de uma turbina eólica através de suas curvas de potência e do coeficiente de performance de forma a se produzir a máxima potência mecânica. SLOOTWEG ET ALLI [14] apresentam um algoritmo para inicialização dos diversos tipos de aerogeradores em estudos dinâmicos dos sistemas de potência. EDUARD MULIJADI E BUTTERFIELD [15] mostram dois métodos para ajustar a potência mecânica de uma turbina eólica de velocidade variável: ajuste do ângulo de passo das pás do rotor e o controle do carregamento do gerador. Neste trabalho, a modelagem do vento é elaborada seguindo o equacionamento proposto por SLOOTWEG ET ALLI [16]. Para a modelagem do inversor foi utilizada a técnica PWM (modulação por largura de pulso). Essa técnica tem por objetivo eliminar os componentes harmônicos de baixa ordem e permitir que o inversor trabalhe em uma faixa de freqüência de chaveamento mais alta, conforme LANDER [17] e MOHAN ET ALLI [18]. Os efeitos do uso dos inversores de freqüência em máquinas de indução são descritos na referência [19]. Para a modelagem da máquina de indução foram utilizadas as equações de enlace de fluxo descritas em KRAUSE [20] e considerados os transitórios de estator e rotor. Os resultados obtidos através dessa modelagem foram analisados de acordo com a teoria encontrada em FITZGERALD ET ALLI [21]. Em CARVALHO ET ALLI [22], além de serem citados os diversos tipos de turbinas eólicas, são apresentadas as várias características do projeto das centrais eólicas e as implicações de sua conexão às redes elétricas. SLOOTWEG E KLING [23] apresentam o que há de mais recente na área da energia eólica, além de contextualizarem as diversas tecnologias de aerogeradores utilizados atualmente. ANDERSON E BOSE [24] realizaram um estudo dinâmico da turbina eólica e do gerador elétrico utilizando um programa de estabilidade transitória. No primeiro caso estudado o aerogerador pôde ser representado separadamente e o balanço do sistema foi modelado por um equivalente dinâmico. No segundo caso estudado uma fazenda eólica pôde ser representada pelo seu equivalente dinâmico. De toda a revisão bibliográfica realizada, conclui-se que os aspectos mais relevantes a serem considerados são: (a) as potências das turbinas são cada vez maiores (1MW a 2MW podendo chegar até 4,5MW); (b) devido aos grandes blocos de potência a operação de turbinas eólicas deve ser estudada sob enfoque dinâmico; (c)
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 6 existe uma tendência do uso de turbinas eólicas de velocidade variável e do GIDA acoplado a elas; (d) o estudo dinâmico pode incluir o aspecto transitório para análise mais realista. 3. Objetivos. Geralmente toda a energia que o vento pode fornecer deve ser entregue a rede elétrica de forma a maximizar a venda da energia elétrica produzida e retornar, no menor prazo, os custos de investimento da central eólica. Contudo se um ou vários geradores eólicos forem usados para entregar à rede elétrica uma determinada potência ativa definida pelo despacho, será necessário realizar o controle desse fluxo de potência. Nesse caso supõe-se que exista uma fonte de potência independente que fornece ou retira energia elétrica do rotor do GIDA. Esta fonte independente pode ser uma rede secundária de energia, proveniente da própria fazenda eólica. O presente trabalho tem três objetivos: 1. Apresentar a modelagem dinâmica necessária ao estudo da conexão com a rede elétrica, da turbina eólica e do gerador de indução duplamente alimentado sujeitos a ventos variáveis; 2. Propor uma estratégia de operação do sistema eólico que possibilite o despacho de potência elétrica controlado em um valor de referência preestabelecido; 3. Validar a estratégia proposta através de simulações de casos de teste. 4. Principais contribuições do trabalho. Apresentação de um modelo matemático para realização do controle da potência a ser despachada por geradores eólicos; Proposta da utilização da máquina de indução como agente regulador da potência elétrica fornecida à rede elétrica; Em sistemas com predominância de geradores hidráulicos a modelagem proposta alivia a ação dos geradores de oscilação; Melhoria da qualidade da energia entregue pelos aerogeradores ao sistema elétrico devido à supressão das oscilações em baixa freqüência; Controle do fator de potência de forma simples. 5. Publicações oriundas deste trabalho. A Strategy for Delivery of Constant Electric Power in a Doubly Fed Induction Generator, apresentado no 7 Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência, Fortaleza, CE, Brasil, 2003. Estratégia de Controle para Fornecimento de Potência Elétrica Constante Utilizando Turbinas Eólicas e Geradores de Indução Duplamente
Capítulo 1 - Considerações Iniciais 7 alimentados, apresentado no 15 Congresso Brasileiro de Automática, Gramado, RS, Brasil, 2004. 6. Estrutura do trabalho. O Capítulo 2 discorre sobre o aerogerador apresentando os aspectos construtivos dessas máquinas e os sistemas de geração eólicos utilizados atualmente. O Capítulo 3 trata da modelagem da máquina de indução. São mostrados os resultados das simulações do modelo atuando como máquina de indução de rotor em gaiola e de rotor bobinado, sendo que neste último caso o modelo foi alimentado com fontes senoidais tanto no estator quanto no rotor. O Capítulo 4 aborda a modelagem do inversor de freqüência. Nesse capitulo são apresentados os resultados obtidos nas simulações e as curvas do conteúdo harmônico gerado pelo modelo implementado. O Capítulo 5 apresenta a modelagem matemática da turbina eólica de velocidade variável com limitação da potência mecânica gerada através do controle de ângulo de passo das pás e são mostrados os resultados obtidos na simulação do modelo em questão. O Capítulo 6 trata da estratégia de controle da potência fornecida por um aerogerador conectado a um barramento infinito. Utilizando-se um inversor de freqüência acoplado ao circuito do rotor do GIDA é feito o controle da potência elétrica. Os resultados obtidos são apresentados e comentados no final desse capítulo. O Capítulo 7 apresenta as conclusões do trabalho e sugestões para possíveis trabalhos futuros. No Apêndice A é apresentado o diagrama de blocos do aerogerador. Este diagrama foi elaborado utilizando o softwear Simulink. No Apêndice B é apresentado um resumo das condições iniciais das variáveis de estado, que compõe os diversos sistemas utilizados nas simulações do aerogerador.
Capítulo 2 - Os Aerogeradores 8 Capítulo 2 Os aerogeradores. 1. Introdução. A tecnologia de aproveitamento da energia eólica vem se desenvolvendo bastante ao longo das últimas décadas. Atualmente o aproveitamento eólico atinge até 4,5MW de potência, fazendo que o conceito de aerogeradores de velocidade constante perca espaço para os aerogeradores de velocidade variável. Quanto aos aerogeradores de velocidade variável, pode-se perceber, também, a concorrência entre as máquinas que utilizam geradores de indução duplamente alimentados (GIDA), e as máquinas que utilizam geradores síncronos e inversores de potência. Este capítulo descreve algumas características destas tecnologias e suas principais vantagens e desvantagens. 2. Estado atual da energia eólica. Durante a última década, a produção de energia elétrica através do uso dos ventos cresceu rapidamente o que ocasionou uma substancial evolução na área de energia eólica. O tamanho e a potência dos novos aerogeradores introduzidos no mercado tem aumentado significativamente nos últimos anos. Hoje em dia, para aproveitar os bons ventos efetivamente e para concentrar geograficamente o impacto visual dos aerogeradores, há uma tendência de agrupar os mesmos em parques ou fazendas eólicas. Melhores que os aerogeradores isolados ou em pequenos grupos, as fazendas eólicas com dezenas ou centenas de máquinas levam a um aumento substancial da geração eólica. Em países densamente povoados e perto de águas rasas, como em muitos países do nordeste Europeu, a construção de fazendas eólicas off shore (fora da costa) é considerada uma promissora opção. As vantagens de projetos off shore são os reduzidos problemas de visibilidade e ruídos, ventos constantes com altas velocidades resultando na geração de grandes quantidades de energia elétrica. A desvantagem é o aumento dos custos, quando comparado com as instalações feitas em terra firme. Este aumento de custo é causado pela construção das fundações e as grandes distâncias que devem ser cobertas pelos cabos de energia que conectam as fazendas eólicas ao sistema elétrico.