UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Estatégias de Contole de Sistemas de Geação Eólica com Máquinas de Indução po Angela Cistina de Souza Leitão Guimaães Dissetação submetida ao Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética da Univesidade Fedeal de Penambuco como pate dos equisitos paa a obtenção do gau de Meste em Engenhaia Elética. ORIENTADOR: Fancisco de Assis dos Santos Neves, D. Recife, Agosto de 2003. Angela Cistina de Souza Leitão Guimaães, 2003
Dedico este tabalho a meus pais, a Luiz e a Maia Luiza.
Agadecimentos Agadeço a Deus, po ilumina meus caminhos. A meus pais, Angela e Paulo, que apoiaam toda a minha vida acadêmica e pofissional. A meu maido, Luiz, po sempe te me incentivado e colaboado duante todo este tabalho. A minha filha, Maia Luiza, que teve de abdica das minhas hoas de atenção. Às avós, Angela e Cleide, que me ajudaam na taefa de mãe. Ao meu oientado, Fancisco Neves, que esteve lado a lado na ealização deste pojeto. Ao Pofesso Manoel Afonso, que pimeio aceditou no meu tabalho. A CAPES que investiu na nossa pesquisa. A todos os colegas do GEPAE, em especial a Seveino Nascimento, Macelo Cabal e Andé Accioly, po teem colaboado pessoalmente paa o témino deste tabalho. A todos os funcionáios e pofessoes da UFPE, paentes e amigos que dieta ou indietamente contibuíam po mais esta conquista pofissional.
Resumo da Dissetação apesentada à UFPE como pate dos equisitos necessáios paa a obtenção do gau de Meste em Engenhaia Elética. Estatégias de Contole paa Sistemas de Geação Eólica com Máquina de Indução Angela Cistina de Souza Leitão Guimaães Agosto/2003 Oientado: Fancisco de Assis dos Santos Neves, D. Áea de Concentação: Pocessamento de Enegia. Palavas-chave: Tubinas Eólicas, Máquina de Indução, Estatégias de Contole, PWM Númeo de Páginas: 103. RESUMO: As pespectivas de um gande númeo de acessos de tubinas eólicas ao sistema elético basileio incentivaam estudos sobe os contoles desses geadoes e os impactos que causaão na ede elética. Este tabalho, dividido em duas etapas, contempla o estudo de técnicas de contole de geadoes de indução, com oto tipo gaiola ou bobinado, quando acionados po tubinas eólicas, conectados à ede ou isolados. Na pimeia etapa, são desenvolvidos os algoitmos de simulação. São analisadas as conexões à ede de aeogeadoes com estato dietamente ligado a ela ou duplamente alimentados, com o uso de oto bobinado. Também é estudado o uso isolado do geado com oto tipo gaiola. Na segunda etapa, são apesentados os ensaios ealizados em uma montagem, que simula um conjunto de aeogeação isolada, alimentando uma caga CC. Todo o tabalho busca analisa estatégias paa contole instantâneo das potências ativa e eativa geadas pela máquina de indução. Paa o acionamento das máquinas, são escolhidas as técnicas de contole vetoial, incluindo oientação pelo fluxo da máquina, usando o método dieto e alimentação em coente. Po fim, são apesentados e analisados os esultados dos casos de simulação com conexão à ede elética e compaados os esultados das simulações do uso isolado do geado com o expeimental.
Abstact of Dissetation pesented to UFPE as a patial fulfillment of the equiements fo the degee of Maste in Electical Engineeing. Contol Stategies fo Wind Tubines with Induction Geneatos Angela Cistina de Souza Leitão Guimaães August /2003 Supeviso: Fancisco de Assis dos Santos Neves, D. Aea of Concentation: Enegy Pocessing Keywods: Wind Tubines, Induction Geneato, Contol Stategies, PWM Numbe of Pages: 103. ABSTRACT: The pespectives of a geat numbe of accesses of wind tubines to the Bazilian electical system have stimulated studies on the contols of these geneatos and the impacts that they will cause in the electical gid. This two stages wok, consideed the study of contol techniques of induction geneatos with squiel cage type o doubly fed, when set in motion by wind tubines, connected to the gid o isolated. In the fist phase, algoithms of simulation fo the study had been developed. The wind geneatos connection with the gid has been analyzed using the doubly fed oto. Also it was studied, the isolated use of the geneato with the use of the squiel cage type oto. In the second stage, assays in an assembly have been caied though, that simulated a set of isolated wind geneation, feeding a DC load. All wok seached to analyze the stategies fo instantaneous contol of the active and eactive powe geneated by the induction machine. Fo the machines motion, the techniques of contol stategies had been chosen, including the oientation fo the machine flow, using the diect method and chain feeding. Finally the cases simulation esults was pesented and analyzed in connection to the electical gid and the simulations esults of the isolated use compaed with the expeimental one.
Índice Capítulo 1...1 Intodução...1 1.1 Objetivos e Contibuições Petendidas...5 1.2 Oganização do Texto...9 Capítulo 2...11 2.1 Panoama Intenacional...11 2.2 A Tecnologia atual de Tubinas Eólicas...16 2.3 O Estado da Ate...26 Capítulo 3...34 Modelagem do Sistema...34 3.1 Tubina Eólica... 34 3.2 Geado de Indução... 35 3.3 Convesoes... 39 3.4 Modulação po Lagua de Pulso (PWM) : Regula Tifásico Simético [Seixas, 1988]... 40 Capítulo 4...45 Sistema de Geação Isolado da Rede Elética...45 4.1Descição do Sistema...46 4.2 Estatégias e análise dos esultados...54 Capítulo 5...66 Sistema de Geação Conectado à Rede Elética...66 5.1 Geado de Indução com Roto tipo Gaiola...66 5.2 Geado de Indução com Roto Bobinado:...78 Capítulo 6...87 Conclusão...87 6.1 Poposta de Tabalhos Futuos...89 Refeências Bibliogáficas...91 ANEXO 1...98 ANEXO 2...100 ANEXO 3...102 1
Capítulo 1 Intodução Capítulo 1 Intodução Pogamas de incentivo às fontes altenativas, como o Poinfa (ANEEL), pometem dete uma atenção especial à geação de enegia eólica. Os custos dessa geação já estão cada vez mais se tonando competitivos com as tecnologias convencionais. Até mesmo o fato de capacidade dessas máquinas, atualmente em ceca de 40%, tem evoluído paa melhoes pespectivas. Hoje, a instalação de uma tubina está po ceca de U$ 1.000 po kw instalado [NORDEX, 2002] conta apoximadamente uma média ente U$ 500 e 2000/kW ente algumas possibilidades de usinas hidoeléticas [Annel, 2003], [Eletobás, 2003]. Compaando-se então o impacto ambiental, os custos-benefícios da geação a pati dos ventos são ainda melhoes. Emboa a geação a pati de tubinas eólicas se apesente no Basil ainda com esultados em sistemas isolados, o desenvolvimento da tecnologia na áea tem dado cada vez mais confiança paa injeção de maioes blocos de potência dieto na ede. A enegia geada pelos ventos tem sido exploada comecialmente há pouco mais de 30 anos gaças ao desenvolvimento dado pela indústia aeonáutica. Na Euopa e Estados Unidos desde a década de 70, com a cise mundial de petóleo, 1
Capítulo 1 Intodução buscaam-se altenativas paa diminui a dependência do petóleo e cavão [CBEE,2002 ]. No Basil, a maio difusão de geação a pati dos ventos ainda é no uso de bombeamento d água e no caegamento de bateias. A conexão de tubinas eólicas à ede elética existe em pontos da ede onde a capacidade das fazendas não petuba o sistema ou em locais onde a mesma é supida po sistema de geação a diesel [CBEE,2002]. O conjunto do sistema de aeogeação envolve muitos pontos ainda em estudo, com melhoamentos a seem analisados. A escolha do tipo de máquina a se utilizada, po exemplo, divide gupos na indústia do seto, ou seja, a opção po uso da máquina síncona ou de indução. Aspectos econômicos de fabicação ou até mesmo de manutenção entam nessa disputa de mecado. Mante a qualidade da enegia e também baixos níveis de inteupção de fonecimento eque o contole das injeções de potência ativa e eativa, o qual pode se eficientemente ealizado com as modenas técnicas de acionamento de máquinas e eletônica de potência. Valoosas técnicas foam discutidas e gandes avanços foam conseguidos nos últimos anos. No passado, a geação elética com o uso da máquina síncona só exigia acionamentos com otação constante. Numa usina hidoelética, o ajuste do ponto de opeação é feito em função da altua manomética da água disponível no esevatóio, tabalhando de acodo com o máximo endimento da tubina. A busca po altenativas de enegia, despontou os estudos da geação em ampla faixa de velocidade [Rüncos, 2000]. O desenvolvimento das técnicas de contole vetoial po Hasse e Blaschke na década de 70 na Alemanha paa as máquinas de coente altenada e as divesas estatégias de acionamento que foam popostas em seguida abiam caminho paa geação com máquina assíncona, possibilitando o contole com velocidade vaiável. A pati delas, os contoles de fluxo e conjugado podem se feitos 2
Capítulo 1 Intodução independentemente e, assim, pemitem o contole das injeções de potência ativa e eativa. Quando os aeogeadoes estão conectados a uma ede elética alimentada po outas fontes de enegia, gealmente com faixas de potência acima de 50 kw, o mais comum é utiliza os geadoes de indução com a excitação vinda da pópia ede, mas tabalhando com velocidade quase constante. Neste caso o contole de potência e otimização do sistema se dá pelo contole de ângulo das pás. A aplicação de contole com máquinas acionadas a velocidade vaiável utiliza o geado conectado à ede atavés de convesoes estáticos. As altenativas mais comuns são o uso de geado de indução com oto tipo gaiola, geado síncono ou geado de indução com oto bobinado. Nos dois pimeios casos, o estato da máquina é conectado à ede atavés de um conveso CA-CC-CA totalmente contolado. Quando do uso de geado de indução com oto bobinado, ecomenda-se a conexão do estato dietamente à ede, sendo o oto alimentado via conveso CA-CC-CA. Em qualque caso, as técnicas de contole vetoial possibilitam o máximo apoveitamento da tubina, mantendo-se o conjugado eletomagnético de foma a se obte o endimento máximo em toda a faixa de velocidade. Simultaneamente, ealiza-se o contole das injeções de potência ativa e eativa na ede elética [Leidhold et all, 2002]. Hoje também há gande disseminação em escala industial, paa geação a baixas velocidades, do uso de máquinas de pólos vaiáveis [Muljadi and McKenna, 2002]. Devido a intemitência do egime dos ventos, ecomenda-se que a potência instalada dos aeogeadoes não ultapasse fações eduzidas da potência de cuto-cicuito do sistema no ponto de instalação, a fim de evita poblemas de flutuações excessivas de tensão ou de estabilidade. Assim, estudos sobe o impacto da inclusão de geadoes eólicos em edes eléticas facas pecisam se ealizados paa podeem avalia melho esses efeitos. O desenvolvimento de algoitmos de simulação da ede elética, incluindo os aeogeadoes e seus 3
Capítulo 1 Intodução contoles, se tona impescindível paa a ealização de tais estudos. Com o sistema funcionando conjuntamente é possível estabelece limites de opeação. Este tabalho contempla o estudo de estatégias de contole paa geação com velocidade vaiável, utilizando máquina de indução, atavés de simulação de algoitmos desenvolvidos e esultados expeimentais. Acedita-se que, as técnicas de contole investigadas podeão se usadas em tabalhos futuos a fim de gaanti o atendimento às condições opeacionais impostas paa o bom funcionamento do sistema de potência, contibuindo paa aumenta a qualidade da enegia e a confiabilidade do sistema. 4
Capítulo 1 Intodução 1.1 Objetivos e Contibuições Petendidas O objetivo do tabalho é a implementação e avaliação de técnicas de contole de geadoes assínconos acionados po tubinas eólicas. São estudadas tês possibilidades de geação : geado isolado e geado conectado à ede elética, sendo a máquina de indução com oto tipo gaiola; e geado conectado à ede, com oto bobinado. As tês estatégias de geação são simuladas em velocidade vaiável, estando incluídos nos algoitmos de simulação: uma fonte pimáia de enegia capaz de impo um conjugado mecânico de entada; o geado de indução ( com oto tipo gaiola ou bobinado); o conveso CA/CC/CA, incluindo a técnica de comando PWM das chaves; a ede elética (exceto na simulação de geado isolado) e todas as malhas de contole. Na geação isolada, considea-se um geado de indução com oto tipo gaiola, onde o estato está conectado a um conveso CA/CC. A fim de pemiti a magnetização da máquina, foam incluídas bateias alimentando o baamento CC, as quais são desconectadas quando o geado é acionado acima de uma velocidade mínima, suficiente paa pemiti sua auto-excitação. O contole do fluxo do geado é ealizado atavés da imposição da coente de estato de eixo dieto, em efeencial oientado pelo fluxo de oto. O contole do conjugado é, então, ealizado atavés do contole da coente de eixo em quadatua. 5
Capítulo 1 Intodução Consideando notação de moto e, sendo a máquina de indução acionada a uma velocidade ( W ) positiva, a imposição de conjugado negativo esulta na injeção de potência da máquina paa o baamento CC do conveso, tendendo a faze essa tensão subi. O contole do conjugado é, potanto, ealizado com o objetivo de mante a tensão do baamento em seu valo de efeência. Valendo salienta que, mesmo havendo potência de entada disponível, nem sempe ela seá apoveitada, pois, se não houve caga suficiente no baamento a tensão subiia. No segundo caso, o geado de indução é conectado à ede elética pelo estato atavés de um conveso CA/CC/CA, totalmente contolado. Assim, como no caso anteio, seá ealizado contole de fluxo e conjugado em efeencial oientado pelo fluxo de oto. A pincipal difeença é que, agoa toda a potência mecânica pimáia pode se apoveitada, sendo injetada dietamente na ede tifásica. O lado do conveso conectado à ede elética, atavés de indutoes, seá contolado de modo a mante a tensão do baamento CC em seu valo de efeência e ainda impo o fato de potência desejado. Paa atingi esse objetivo, os indutoes e o conveso são modelados, sendo a elação tensão-coente escitas em efeencial oientado pelo veto tensão da ede. A componente de coente de eixo dieto é contolada paa impo a injeção de potência ativa, que mantém a tensão no valo de efeência desejado. O contole da componente de eixo em quadatua pemite a imposição do fato de potência desejado, devendo se nula caso se deseje fato unitáio. As componentes de coente do lado da máquina contolaão o fluxo e o conjugado similamente ao caso isolado. A teceia topologia estudada, contempla a chamada dupla alimentação. Nela, o oto bobinado de uma geado de indução é conectado à ede atavés de um 6
Capítulo 1 Intodução conveso CA/CC/CA contolado pelos dois lados e o estato ligado dietamente à mesma ede. Com essa ligação, o fluxo de estato é paticamente gaantido pela tensão da ede. Sabendo disso, em efeencial oientado po esse fluxo, o conjugado eletomagnético (e, potanto, a potência ativa geada) é contolado pela imposição da componente de eixo dieto da coente de oto, sendo a componente de eixo em quadatua usada paa contola a potência eativa injetada na ede. No lado do conveso conectado à ede, as chaves são acionadas de modo a contola a tensão no baamento CC e impo fato de potência unitáio na ede. Os algoitmos de simulação foam desenvolvidos em MATALAB e em C. O sistema analisado foi submetido a divesas situações tansitóias, validando o desempenho dos contoladoes e das estatégias analisadas. As simulações também seviam como pepao paa a montagem de uso isolado e futuamente paa a conexão à ede elética, visto que a pati delas também pôde-se ajusta os ganhos iniciais dos contoladoes PI das divesas malhas de contole envolvidas. É apesentada, também, a montagem ealizada paa o uso isolado do geado. São descitos e analisados os ensaios paa obtenção dos esultados expeimentais. As pincipais contibuições geadas po este tabalho são: Desenvolvimento de algoitmos de simulação de sistemas com geadoes eólicos incluindo a epesentação dos convesoes e os detalhes elacionados ao contole vetoial; Disponibilização dos algoitmos, com a incopoação da ede elética, paa análise dos efeitos de conexão desses aeogeadoes em edes facas sobe a qualidade da enegia. O algoitmo pemite a avaliação de aspectos 7
Capítulo 1 Intodução como flutuações de tensão, aumento do conteúdo hamônico ou edução de estabilidade; Implementação de tês estatégias de contole vetoial de máquinas de indução aplicadas ao contole de potências ativa e eativa geadas, em nível de simulação; Obtenção de esultados de simulação no uso de aeogeadoes com máquinas assínconas em vazio ou com caga, conectados baamento infinito; a um Realização de montagem e pogamação com contole digital paa ensaios no geado isolado; 8
Capítulo 1 Intodução 1.2 Oganização do Texto A oganização do texto foi feita de acodo com as etapas desenvolvidas duante a pesquisa e assim, foi dividido em 6(seis) capítulos. O capítulo 1 esume o uso e as pesquisas desenvolvidas com os aeogeadoes. Taz também os objetivos e as expectativas de contibuições dadas pelo tabalho. O capítulo 2 apesenta pimeiamente o estudo de como a geação eólica e as tecnologias das tubinas avançaam até hoje no mundo. Numa segunda pate, exploa-se o estado da ate do que se tem desenvolvido nas pesquisas paa esse fim. O capítulo 3 desceve a modelagem matemática dos componentes das topologias estudadas, como: a máquina de indução, os convesoes, a tubina e a ede elética. O capítulo 4 detalha a topologia de Geação Isolada, incluindo as técnicas de contole implementadas, e as paticulaidades de cada malha, como: o estimado de fluxo, contoladoes de fluxo, injeção de potência pelo geado, coente, etc e cicuitos ineentes ao desenvolvimento dos algoitmos popostos. São apesentados esultados de simulação e expeimentais. 9
Capítulo 1 Intodução O capítulo 5 apesenta os estudos sobe o geado de indução conectado à ede elética. São apesentadas as estatégias de contole paa as duas topologias estudadas(única ou dupla alimentação), as paticulaidades das malhas e os cicuitos que as compõem. Nos esultados de simulação são apesentados o desempenho das técnicas escolhidas. O capítulo 6 conclui as popostas e esultados apesentados, além de sugei novas contibuições. Em anexo, seguem as efeências bibliogáficas utilizadas e outos dados elevantes. 10
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica Capítulo 2 2.1 Panoama Intenacional Até 1970 o cescimento e as expeiências com fontes enováveis de enegia aconteceam em casos isolados. Desde a cise mundial de petóleo o mundo voltou-se paa a busca de desenvolvimento dessas técnicas [Rosas, 1997]. A peocupação com o impacto ambiental e até mesmo com o monopólio de geadoas convencionais tem mobilizado gandes países paa estaem pepaados paa altenativas viáveis e seguas [Hammons et al, 2000]. Os avanços tecnológicos das últimas décadas elevaam, em paticula as tubinas, do uso em sistemas isolados paa aplicações em laga escala. Hoje, as tubinas chegam a faixas de até Megawatts, pincipalmente nas instalações offshoe [Rosas,1997] e [Mandelbaum,2002]. A instalação de aeogeadoes a níveis consideáveis de potência elética está pincipalmente disseminada na Alemanha, Dinamaca, Espanha, Índia e EUA, como pode se obsevado na Figua 2.1, segundo [ENERCON,2002]. 11
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica Pincipais países no uso de Enegia Eólica Megawatts Instalados India País MW. Instalado Dinamaca E.U.A Espanha Alemanha 0 2000 4000 6000 8000 Alemanha 7,270.00 Espanha 2,789.00 E.U.A. 2,782.00 Dinamaca 2,374.00 Índia 1,340.00 Figua 2.1 Ranking dos pincipais países usuáios de Tubinas Eólicas segundo os Megawatts instalados Na Dinamaca, a contibuição da enegia eólica é de 12% da enegia elética total poduzida; no note da Alemanha (egião de Schleswig Holstein) a contibuição eólica já passou de 16%; e a União Euopéia tem como meta gea 10% de toda eleticidade a pati do vento até 2030[CBEE,2002 ]. Líde também na fabicação de tubinas, a Alemanha é hoje um gande efeencial das tecnologias aplicadas. No Basil, algumas medidas pecisas de vento, ealizadas ecentemente em divesos pontos do teitóio nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico ainda não exploado[cbee,2002]. No Nodeste, detento de 48,9% do potencial eólico [Eletobás, 2002], a gande atenção tem sido diigida paa os Estados do Ceaá e Rio Gande do Note, entetanto, não foi apenas nessa costa que áeas de gande potencial eólico foam identificadas. Em Minas Geais, po exemplo, uma cental eólica está em funcionamento, desde 1994, em um local (afastado mais de 1000 km da costa) com boas condições de vento[cbee,2002 ]. Atualmente, nove usinas eólicas de médio e gande pote estão em funcionamento no país nos estados de Penambuco, Ceaá, Minas Geais, Paaná e Santa Cataina. Juntas, elas geam 22 MW, o que epesenta 0,03% da capacidade de geação do Basil, hoje em tono de 83 mil MW, [ANEEL, 2003]. 12
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica Além disso, segundo o CBEE, existem dezenas de tubinas eólicas de pequeno pote funcionando em locais isolados da ede convencional paa aplicações divesas bombeamento e caegamento de bateias paa atende comunidades, toes de telecomunicações e outos. Hoje, se tabalha o objetivo de instala no País 1.000MW em geação a pati da enegia eólica até 2005; meta estabelecida duante Enconto do Fóum Pemanente de Enegias Renováveis, ealizado em Basília. Mas, a falta de egulamentação no segmento de enegias enováveis no Basil, ainda em fase de Estudos no Goveno Fedeal, inibe a viabilização de pojetos e investimentos estangeios. Em [Eletobás, 2002] afima se que na União Euopéia, 12% de toda enegia compada pelas empesas de distibuição devem se po lei povenientes de fontes enováveis. Segundo [ANEEL(1),2002], uma das espeanças paa o Basil é o Pogama de Incentivo a Fontes de Enegia (Poinfa), finalmente egulamentado pelo deceto n 4.541, de dezembo de 2002. O Poinfa pevê a adição de pelo menos 3,3 mil megawatts de enegia eólica, biomassa e Pequenas Centais Hidoeléticas (PCH s) até 2006. O peço, obviamente, seá mais alto do que a enegia hidelética, cujas usinas já estão amotizadas. Mas, o Goveno decidiu inclui esse custo no mix enegético do País, ateando ente todos os consumidoes. Numa segunda fase do pojeto, pevê-se que, em 20 anos as fontes altenativas deveão se esponsáveis po 10% de toda a eleticidade consumida no Basil. E o mínimo a se contatado é 15%. Mesmo assim, 74 pojetos de usinas eólicas já estão autoizados, somando 5,7 MW, distibuídos ente os estados do Ceaá, Rio Gande do Note, Rio Gande do Sul, Penambuco, Rio de Janeio, Piauí e Segipe [ANEEL(1),2003]. Já em Feveeio de 2003, um gupo espanhol ecebeu a licença de instalação - pate do licenciamento ambiental - paa constui um paque geado de enegia eólica em Osóio, no litoal gaúcho. O pojeto pevê capacidade instalada de 150 megawatts (MW), num investimento estimado em US$ 150 milhões, [EFEI,2003]. No Rio Gande do Note vai opea, com 180,2 megawatts (MW) de capacidade instalada, a usina eólica Paque Eólico Salinas. A usina beneficiaá os habitantes 13
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica do município de Galinhos e deveá enta em opeação até dezembo de 2005, [ANEEL(2), 2003]. No município de Maapanim (PA) está autoizada a implantação da usina eólica Cispim. A usina vai opea com 100 unidades aeogeadoas, totalizando 60 megawatts (MW) de capacidade instalada. A oba está pevista paa enta em opeação até maio de 2006 e beneficiaá 240 mil habitantes, [ANEEL (2), 2003]. Ainda segundo [ANEEL(2), 2003], está autoizada a implantação da usina eólica Santa Mata no município de Laguna (SC). A usina vai opea com 66 unidades aeogeadoas, totalizando 39,6 megawatts (MW) de capacidade instalada. A oba está pevista paa enta em opeação até janeio de 2005, e beneficiaá 150 mil habitantes. Os pincipais pojetos ealizados de enegia eólica do Basil, hoje, são mostados na figua. 2.2. Figua 2.2 Mapa Basileio de Instalações de Tubinas Eólicas até 2002 14
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica Na tabela 2.1 pode se acompanhado um esumo das autoizações de Centais Geadoas Eólicas no Basil segundo [ANEEL I,2003] desde 1998 até 2003. 1998 1999 2001 2002 2003 Ato Nº Potência(MW) Nº Potência(MW) Nº Potência(MW) Nº Potência(MW) Nº Potência(MW) Autoização 2 15,00 1 2,50 38 3.337,65 46 2.784,40 12 800,80 Tabela 2.1 Quado Resumo de Autoizações ANEEL paa instalação de Tubinas Eólicas no Basil 15
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica 2.2 A Tecnologia atual de Tubinas Eólicas Paa se entende como se faz uso das tecnologias aplicadas às tubinas eólicas, foam analisadas as suas pincipais caacteísticas. A figua 2.3 mosta os pincipais componentes de uma tubina eólica, incluindo os equipamentos mecânicos, eléticos e eletônicos. Figua 2.3 Componentes de uma Tubina Eólica 16
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica A Nacele é a célula que abiga os componentes eleto-eletônicos do aeogeado. A áea do Roto é quem detemina quanto de enegia mecânica a tubina é capaz de extai dos ventos. Ente o Roto e o Geado pode se encontada a caixa de engenagens (Geabox), que é um ecuso mecânico multiplicado de velocidade. A unidade de contole e potência se encaega de monitoa todas as pincipais funções, uma vez que otimiza de foma contínua um ponto de opeação do aeogeado paa difeentes condições de vento. A toe é esponsável pela estabilidade física do conjunto Roto-Nacele e é também abigo paa os painéis de contole monitoados pelos opeadoes locais da máquina. As equações, estudadas em [Feis, 1990], [Heie,1998] e [Costa,2001], que descevem a enegia captada dos ventos e a convesão em enegia mecânica nas tubinas, são : Onde, E Enegia Cinética (J) m - massa de a ( kg) v - velocidade do vento (m/s) 1 mv 2 E = 2 (2.1) Pd 1 Av 2 3 = ρ (2.2) P d - Potência eólica disponível ( W) ρ - densidade do a (kg/m 3 ) A Áea do oto da tubina ( m 2 ) Seja, Cp (endimento aeodinâmico) o coeficiente de potência, que indica a fação da potência eólica disponível Pd convetida em potência mecânica no eixo do oto. Tem-se : 17
Aonde, P - Potência eólica apoveitável ( W ) a P 1 2 Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica 3 = C p( v) ρav (2.3) a 1600 Cuva de Potencia EW 1.5s 1400 1200 Potencia (kw) 1000 800 600 400 200 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Velocidade do Vento(m/s) Figua 2.4 : Cuva típica de Potência de uma tubina GE Modelo EW-1.5s A figua 2.4 apesenta uma cuva típica da potência de uma tubina eólica em função da velocidade do vento. O coeficiente Cp é uma caacteística intínseca de desenho da tubina eólica, tendo como valo máximo teóico o valo de 16/27 (~ 0,593), valo conhecido como Limite de Betz. Tipicamente, as mais modenas tubinas eólicas apesentam valo paa Cp ente 0,4 e 0,5. 18
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica A azão definida como a velocidade especifica da ponta ( tip speed atio) é dada po : ΩR λ = (2.4) v Onde, ë Velocidade específica da ponta ( adimensional) Ù Velocidade angula do oto ( ad/s) R Raio do oto (m) Cq é a elação adimensional dada po : C p C q = (2.5) λ Po um sistema mecânico simples a caixa multiplicadoa tansfee ao eixo do geado uma velocidade multiplicada, favoecendo baixas velocidades de vento. Mas, os poblemas de manutenção, de atito e inécia do pópio sistema geam pedas que fazem com que alguns fabicantes eliminem-nas do conjunto. Quando uma tubina possui caixa de engenagens, as gandezas podem se efeidas como segue : Onde, Ω G - Velocidade angula do Geado Ω T - Velocidade angula da tubina n Constante multiplicadoa da caixa Ω G = Ω T n ( 2.6) Despezando as pedas, tem-se : P = P T Ω = T Ω e então, G T G G T T 19
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica T = T TGn ( 2.7) Onde, T T - Conjugado elético no lado da Tubina; T G - Conjugado elético no lado do Geado Assim, se o momento de inécia do oto, do lado da tubina, é J T, pode-se esceve: d Ω d T J 1 Ω dt n dt T T J T = Tes T = nt Ges ( 2.8) Substituindo a equação 2.7 em 2.8, tem-se : J J = T G 2 n ( 2.9) Onde, J G - Constante de Inécia efeida ao lado do Geado Dente os dados técnicos de um equipamento, uma impotante caacteística que pode se apoveitada pelo contole paa faze a máquina tabalha dento da máxima eficiência é a cuva Conjugado (T) vesus Velocidade mecânica da máquina ( ω ), como exemplifica a figua 2.5. 20
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica Paa se faze uso da cuva, deve-se a pati de valoes medidos de velocidade do vento e velocidade angula, escolhe o conjugado eletomagnético a se imposto no geado de foma a gaanti opeação com a máxima potência extaível. PTe Te(ótima) P V3 V1 V2 V1<V2<V3 W Figua 2.5 : Cuvas de Potência vesus Velocidade de uma tubina em difeentes condições de vento Quanto ao geado, no mecado ainda pode se enconta o uso de máquinas sínconas ou assínconas. Pelo último levantamento feito na Alemanha [Bundesveband Windenegie,2002], a maioia dos fabicantes optaam pela obustez, simplicidade, baixo custo de aquisição e manutenção da máquina de indução. Mas, mesmo utilizando esse geado, ainda há divegências quanto ao tipo de oto (Gaiola ou Bobinado) e às técnicas aplicadas. Há os que optaam pelo uso de máquinas com pólos vaiáveis, também chamadas de tubinas com dupla velocidade, favoecendo a geação a baixas velocidades [Muljadi e McKenna, 2002]. 21
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica A pati de dados dos pincipais fabicantes de tubinas [Bundesveband Windenegie,2002], pode se visto como as difeentes tecnologias estão divididas em algumas faixas de potência (figua 2.6). Tipos de Geadoes em Tubinas Eólicas Pecentual (%) 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% <= 300 <= 600 <=1000 <=1500 >1500 Faixas de Potências (kw) Indução Síncona Figua 2.6 Tipos de geadoes utilizados em Tubinas Eólicas em difeentes faixas de Potência O melho apoveitamento da enegia dos ventos, ou seja, a máxima enegia mecânica tansfeida ao eixo do geado acoplado, é obtido gealmente com os atifícios de contole mecânico ineentes à tubina. Os atifícios disponíveis na tecnologia da eletônica de potência têm sido difundidos no contole de sinal das máquinas, na patida e paada suaves e também no link AC-DC-AC. Em busca da dieção de maio ajada do vento, a tubina pode possui um contole que faz todo o conjunto de pás gia em tono da toe, conhecido com contole de Yaw. Uma tubina pode possui pás fixas ou móveis. O contole po Pitch pemite a otação da pá em tono do seu eixo pincipal e assim egula o ângulo ótimo paa 22
Capítulo 2 Revisão Bibliogáfica cada condição de vento. Po meio de sevomecanismos, a tubina podeá contola a velocidade e potência da máquina. Na figua 2.7 pode-se obseva o compotamento de uma tubina no contole de Yaw. Cp 0gaus Ângulo de Yaw 40gaus 60gaus Tip speed atio λ Figua 2.7 Cuvas típicas de Cp em difeentes ângulo de gio da Toe. O contole po Stall mantém as pás das tubinas fixas. Então, quando a velocidade do vento ultapassa a velocidade de pojeto, ocoe uma mudança no compotamento do escoamento, passando a se tubulento, eduzindo a potência extaída. Em esumo, [Hanse e outos,2001] classificaam como a tecnologia das tubinas eólicas enconta-se no mecado segundo o tipo de tansmissão, máquina, oto, estato e conexão à ede, segundo os maioes fabicantes do mundo, como mosta o diagama da figua 2.8. 23