ESTUDO DA ESTABILIDADE DO GERADOR EÓLICO ASSÍNCRONO ATRAÉS DA TENSÃO INTERNA JOÃO L. B. ZAMPERIN, LAURENCE D.COLARA Campus III, Dparamno d Engnharia Elérica UNESP Univrsidad Esadual Paulisa Campus d Ilha Solira Caixa Posal 31, 15385-000, Ilha Solira, São Paulo, Brasil E-mails: zamprin@d.fis.unsp.br, laurnc@d.fis.unsp.br Absrac This papr proposs an analyical mhod o analyz h sabiliy of wind gnraors of Suirrl Cag Inducion Gnraor (SCIG) yp basd on inrnal volag (E) monioring along sysm ransin movmn. Th SCIG is considrd conncd o a larg sysm rprsnd by an infini bus hrough a ransmission lin. Th validiy of h rion is shown by mans of digial simulaions. Kywords Inducion gnraor, Transin sabiliy, Sabiliy Cririon, Movmn monioring. Rsumo Propõ-s ns rabalho uma modologia analíica para o sudo da sabilidad d gradors ólicos do ipo d indução, com bas no monioramno da nsão inrna (E) ao longo d um movimno ransiório do sisma. O grador considrado é o d gaiola d suilo (SCIG - Suirrl Cag Inducion Gnraor) concado a um grand sisma rprsnado por uma barra infinia por mio d linha d ransmissão. A validad do ério dsnvolvido é mosrada por mio d simulação digial. Palavras-chav Grador d indução, Esabilidad ransiória, Criério d Esabilidad, Monioramno d movimno. 1 Inrodução D acordo com o conslho Global d Enrgia Eólica (2010) (Global Wind Enrgy Council GWEC) a capacidad insalada d cnrais ólicas m voluído não só no Brasil como m odo mundo. A scolha dsa fon d nrgia sa rlacionada à uda d cuso, aumno da poência dos arogradors por sr uma fon oalmn rnovávl. O forncimno d nrgia lérica a parir da nrgia do vno sá s aproximando das formas convncionais d produção d nrgia lérica, uma vz u as urbinas modrnas êm mlhorado m ficiência confiabilidad, (Li Chn, 2008). No mundo odo, o aproviamno d nrgia ólica crsc crca d 31% a cada ano. O Brasil s dsacou com aumno d 77,7% m 2009, m rlação ao ano anrior, rprsnando mais do u o dobro da média mundial. Com isso o país passou a r uma capacidad insalada d 606 MW, conra os 341 MW d 2008, (GWEC, 2010). A xpansão da capacidad d novas insalaçõs d cnrais ólicas é ilusrada na figura 1. Ns cnário, o sor lérico brasiliro vm xprimnando alraçõs significaivas na sua sruura, lvando a novas dfiniçõs combinaçõs d condiçõs écnicas u assgurm a opração a confiabilidad do sisma, dvido a u as cnrais ólicas são sujias a prurbaçõs dinâmicas ransiórias originadas por curo circuio na rd lérica, podndo compromr a coninuidad do forncimno da nrgia assim como a ualidad d srviço manifsada nos nívis d nsão fruência. Capacidad mundial d nrgia ólica insalada (1996 2009) Figura 1. Capacidad global Insalada d nrgia ólica d 1996 2009, (GWEC, 2010). Considrando a uilização d máuinas assíncronas como gradors, é d odo inrssan analisar a sabilidad do grador d indução concado a um grand sisma. Assim, procura-s sablcr uma modologia d anális incluindo um ério d sabilidad. A visa dsas considraçõs um méodo é proposo para o sudo da sabilidad dos gradors d indução, noando u a nsão inrna (E) d um grador d indução do ipo gaiola d suilo (Suirrl Cag Inducion Gnraor SCIG) sofr variaçõs duran 432
um ransiório, podndo prdr innsidad compromr a capacidad d ransmissão d poência na linha com consun colapso da sabilidad da máuina. 2 Tipos d gradors mprgados na gração ólica Uilizam-s dois ipos d máuinas léricas para a produção d nrgia lérica aravés dos arogradors: as assíncronas síncronas. Os gradors assíncronos, uando d indução m gaiola d suilo (SCIG), são uilizados para aplicaçõs m vlocidad fixa, nuano u os gradors assíncronos d roor bobinado síncronos são, gralmn, uilizados m aplicaçõs com vlocidad variávl, (Akhmaov, 2003). As figuras a sguir ilusram os modlos ciados. SCIG Figura 2. Grador d indução d vlocidad fixa, (SCIG). DFIG na volução posrior, raar máuinas d maior complxidad. 3 Norma Criérios para sabilidad Enconram-s na liraura spcializada alguns rsulados d sudos nfocando as normas opraivas sabilidad do grador d indução, com rsulados inrssans, dsacando-s os dois aprsnados a sguir. 3.1 Ruisios d suporabilidad m fala para Cnrais Eólicas - Criérios d Opração para gradors d indução Há poucos anos, as proçõs inrínscas dos gradors ólicos dsligavam as máuinas uando da ocorrência d um dfio na rd lérica d ranspor /ou d disribuição dsd u a nsão no pono d ligação foss infrior a 0,8 p.u., só volando ss a srm ligados uando a rd sivss plnamn rcuprada do dfio, isso ra aciávl dvido ao fao d su impaco na rd sr puno. Porém com o aumno da paricipação da gração ólica a procupação com a sabilidad dos sismas após os curo circuios, os procdimnos da rd dmandam u os arogradors prmançam m opração conínua. A ncssidad d viar a saída d grands volums d produção ólica moiva a alração dsa filosofia d proção, (Almida, 2006). Dfin-s como ruisios d suporabilidad a subnsõs dcorrns d falas na rd básica (ONS, 2009) (faul-rid hrough) com o sguin xmplo: ~ ~ Figura 3. Grador d indução vlocidad variávl, (DFIG). PMSG ~ ~ Figura 4. Grador Síncrono d Imã prmann concado aravés d um convrsor d fruência, (PMSG). Ns rabalho é abordado o SCIG sudado su comporamno ransiório com visas à sabilidad lromcânica. Embora a aplicação do SCIG m gradors ólicos vm diminuindo nos úlimos anos (Li Chn, 2008), na gração disribuída s v uma crscn aplicação (Grilo, 2007), sndo u a jusificaiva para su uso sá na simplicidad consruiva. No u s rfr spcificamn a s rabalho, o sudo é moivado plo fao d s alcançar, m ságio inicial d sudo, rsulados saisfaórios no dsnvolvimno da modologia analíica, nsjando a xpcaiva d, Figura 5. Gráfico d suporabilidad a afundamno momnânos d nsão, (ONS, 2009). caso haja afundamno d nsão m uma ou mais fass no pono d conxão na rd básica da cnral d gração ólica, a cnral dv coninuar oprando s a nsão nos rminais prmancr acima da curva (par hachurada) indicada na Figura 5. Dnro ds ruisio xigido por norma, uma das soluçõs para o funcionamno dos gradors ólicos duran o príodo ransiório é uilizar cnologias auxiliars u possam vir a razr soluçõs aos gradors d indução convncionais, (Akhmaov, 2004). 433
Por ouro lado, pod ocorrr um ransiório d duração maior u o prviso plo ério dfinido na norma sm no nano u o grador prca a sabilidad dsconcá-lo podria implicar m um problma maior u olrar a subnsão naul inrvalo. Ns snido orna-s inrssan moniorar o movimno do sisma duran o rgim ransiório dsconcar a máuina somn na iminência ral da insabilidad. 3.2 Anális d Esabilidad por monioramno da vlocidad D acordo com Grilo (2007) a insabilidad dcorrn d uma fala s caracriza por aumno significaivo da vlocidad do grador, o ual s orna insávl com a vlocidad aumnando indfinidamn não rornando a um valor normal d opração após a liminação da fala. Enão é dfinido um valor críico d vlocidad u, uma vz ulrapassado, o sisma não mais rcupra a sabilidad. 1 To [ ( X X ) i ] sω ss s ds o d (2) m u T 0 é a consan d mpo ransiória d circuio abro, s o scorrgamno do grador, ω 0 a vlocidad nominal X ss é a raância d disprsão do roor somada à raância d acoplamno saorroor. O diagrama uivaln ilusra uma máuina assíncrona concada a um grand sisma rprsnado por uma barra infinia d nsão, X s I E X 3.3 O inrss m um rciro ério anális d para a sabilidad. O ério d suporabilidad m fala sablc limis opraivos a srm obsrvados como filosofia d auação da proção, basado m margm d sgurança basan consrvadora. Por sua vz, o ério d sobrvlocidad é mais ralisa, uma vz u considra a volução do sisma duran o ransiório, basando-s, porano, na própria manifsação da insabilidad. Por ouro lado, parc sr inrssan um ério u considr a obsrvação da causa da insabilidad ao invés d su fio. A proposição ds ério é aprsnada na sção a sguir. 4 Esudo da sabilidad dos arogradors uipados com gradors do ipo d indução com bas na nsão E 4.1 Esudo da sabilidad dos gradors d indução aravés da nsão inrna E Considra-s uma máuina do ipo d indução m gaiola d suilo (SCIG), rprsnada plo diagrama d impdâncias da Figura 6 com a dinâmica da nsão inrna E govrnada plas dinâmicas d suas componns d ixo diro m uadraura 1 d To, (Kundur, 1994). d [ + ( X X ) i ] + sω d ss s s o (1) Figura 6. Modlo uivaln máuina concada a uma barra infinia. sndo, X s raância ransiória da máuina, X a raância uivaln da ransmissão incluindo linha ransformador, I corrn rminal, a nsão rminal do grador. A dinâmica mcânica do roor é dsa por, (Kundur, 1994). Mω& P P (3) r m m u ω r é a vlocidad angular do roor, P m a poência mcânica, P a poência lérica, M a consan d inércia. Nauralmn, o sisma nconra-s m uilíbrio uando & d & ω& r 0, o u drmina os valors d rgim prmann das variávis d sado, incluindo a óbvia igualdad Pm P. 4.2 Anális da sabilidad por mio da nsão E Na figura 7 mosra-s sa nsão m diagrama fasorial para o grador d indução concado a um grand sisma aravés d uma linha d ransmissão. 434
I m I d s E θ X s I X I Figura 7. Diagrama fasorial da SCIG BI (barra infinia). A poência lérica ransmiida do grador para o sisma é dada por: E P snθ (4) X oal O ângulo θ é o ângulo d dfasagm nr a nsão inrna (E) a nsão da barra infinia, como mosrado na figura 7, porém é imporan obsrvar u s ângulo não m o msmo significado u o ângulo d carga (normalmn dsignado por δ) das máuinas síncronas, assim como é ncssário noar u a nsão inrna E, ambém difrnmn do caso da máuina síncrona, sgu a dinâmica dsa plas uaçõs (1) (2). s R A uação da poência lérica m função das variávis E θ drmina uma suprfíci como mosrada na figura 8, ond s sobrpõ um plano rprsnando a poência mcânica (consan). A inrsção nr as duas suprfícis é o lugar dos possívis ponos d opração o su véric drmina a mínima nsão inrna como condição ncssária para a xisência d uilíbrio. Dio d ouro modo, a nsão inrna E avaliada no véric da curva drmina a capacidad d ransmissão jusamn igual à poência nrgu ao ixo da máuina, s a nsão inrna da máuina aprsnar valor infrior a s não há possibilidad d xisência do uilíbrio a máuina insabiliza por aclração angular. Es valor da nsão inrna é aui dfinido como nsão inrna ica (E ). A figura 9 vidncia rês siuaçõs d poência lérica ransmiida, com E 1 > E, E E E 2 < E. A primira, raçada com E 1 > E, aprsna capacidad d ransmissão suprior à poência mcânica aplicada no ixo da máuina, porano aprsnando possibilidad d opração sávl caracrizada pla xisência d oru rsauraivo do uilíbrio. A sgunda, angnciando o valor da poência aplicada ao ixo, caracriza a siuação limi, com a capacidad d ransmissão jusamn igual à poência no ixo da máuina. A rcira, com E 2 < E aprsna capacidad d ransmissão infrior à poência mcânica aplicada no ixo da máuina, ou sja, é impossívl u a poência injada no ixo da máuina sja ransmiida. Nsa siuação, não xis pono d uilíbrio o xcdn d poência mcânica é uilizado para aclrar o roor, u insabiliza, com crscimno monoônico da vlocidad dgradação coninuada da nsão inrna consunmn da capacidad d ransmissão d poência. P 1 Pmax ( E ) Pmax ( E ) 2 Pmax ( E ) Pm π 2 θ Figura 9. Curvas d poência ransmiida com difrns valors da nsão inrna do grador d indução. Figura 8. Os parâmros (Magniud nsão inrna d E, Ângulo θ, Poência lérica), dfinm o véric da parábola E. Considrado o xposo, drmina-s o valor críico da nsão inrna para posrior uso como um aponador d icalidad duran ransiório da máuina assíncrona. A xprssão u dfin a nsão inrna críica (E ), é obida a parir da uação da máxima poência ransfrida plo grador, obndo-s P E max (5) X oal 435
Pm X oal E (6) O procdimno d anális d sabilidad não consis m, duran um ransiório, moniorar a nsão inrna E, comparando com o valor críico E, drminando-s prcisamn o insan m u o sisma prd a capacidad d sabilizar uando E fica mnor u E. Considr-s como xmplo a ocorrência d um curo circuio rifásico próximo aos rminais do grador. Duran o príodo m u a fala sá aplicada, a nsão rminal é nula ou basan próxima diso, o forncimno d poência aiva plo grador ao sisma, assim como o rcbimno, plo msmo d poência raiva, é inrrompido, ocasionando a aclração do roor uda da nsão inrna. Uma vz liminada a fala, a nsão rminal lva-s insananamn, mbora não ncssariamn a valor d opração normal. Porém, a dinâmica própria da nsão inrna drmina u sua rcupração não ocorra insananamn. Assim, a aplicação do ério da nsão E no insan imdiaamn após a liminação da fala podrá lvar a falsa conclusão d insabilidad. Enão, visando conornar s possívl problma, considra-s u o s da nsão E dva sr aplicado somn após cro inrvalo, o ual é nauralmn associado com a consan d mpo da própria nsão inrna ( T 0 ). Das xprimnaçõs ralizadas obsrvou-s u um inrvalo d crca d 1/3 da consan d mpo é suficin. Não é possívl mdir a nsão E mas la pod sm dificuldad sr obida a parir d grandzas mdidas no rminal da máuina, como ilusrado na figura 10. E P ϕ arccos (8) I a nsão inrna é drminada como: E + jx s I ϕ (9) O procdimno a fuar duran um ransiório consis m moniorar o valor da nsão inrna da máuina. Enuano a nsão inrna s manivr acima do valor críico o sisma é doado d oru rsauraivo podndo alcançar o uilíbrio. S, no nano, o valor da nsão inrna cair abaixo do valor críico, ou sja, E < E, não há mais possibilidad d rsauração do uilíbrio o sisma insabiliza. 5 Simulaçõs O sudo d sabilidad ransiória dsnvolvido ns rabalho rfr-s à anális d um sisma simplificado consisindo somn d um grador concado a uma barra infinia, prmi obr uma visão clara dos rsulados conribuindo para a prcisão do dsnvolvimno do méodo analíico. Considra-s um grador m gaiola d suilo (SCIG) concado por mio d uma linha d ransmissão a um grand sisma, rprsnado por uma barra infinia. O sisma d ransmissão cona com duas linhas como indicado na Figura 11. E Figura 11. Diagrama unifilar do SCIG BI (barra infinia). v A W Figura 10. SMBI com mdidors. Têm-s não as sguins mdidas:, I, P.. Enão, d obém-s P I cosϕ (7) 5.1 Analis da nsão E duran um curo circuio Considrando a opologia da figura 11 para o sisma com SCIG BI, foram ralizados ss com curo circuios, com variação no mpo da fala d 200ms a 594ms. Considra-s u o sisma opra m condiçõs normais, uando, no insan d mpo 2s ocorr um curo circuio rifásico na linha d ransmissão no rminal próximo do local do grador, o ual é liminado com abrura da linha. Considram-s alguns valors d mpo d duração da fala, como sgu. Eliminada a fala aos 200 ms, considrando o inrvalo da consan d mpo aplicando o ério da nsão E a curva da nsão s maném acima do va- 436
lor E conform mosrado na figura 12 com o u a máuina é doada d oru rsauraivo suficin para rornar a condiçõs normais d opração. A figura 13 aprsna a vlocidad do roor voluindo claramn para sabilidad. Como s d validação do méodo, considram-s as siuaçõs críicas para sabilidad insabilidad. Para a fala com mpo d duração d 593ms, prcb-s, na figura 12, u a nsão inrna não aprsna uma rcupração insanâna após o curo circuio. S o méodo da nsão E foss aplicado no insan da liminação da fala lvaria o sisma a uma falsa conclusão d insabilidad. locidad do roor (rad/s) 540 520 500 480 460 440 420 400 ch - 200 ms ch - 593 ms ch - 594 ms 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tmpo (s) 0.8 0.7 ch 200 ms ch 593 ms ch 594 ms Figura 13. locidad do roor (rad/s) após uma aplicação d um curo circuio. 0.6 Tnsão inrna E (p.u) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 ico 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tmpo (s) Figura 12. Tnsão inrna do grador (E) duran um curo circuio, idnificado o limi da nsão E. Enão é considrado um inrvalo corrspondn a 1/3 do valor da consan d mpo após a liminação da fala aplicado o ério da nsão inrna, a curva da nsão E maném-s suprior a E, dian dsa circunsância o sisma aprsna capacidad d ransmissão suprior à poência mcânica aplicada no ixo da máuina. Porano, a condição d opração sávl é caracrizada pla xisência d oru rsauraivo do uilíbrio. Noa-s u na figura 13 o comporamno sávl da vlocidad, mas a forma da curva prmi considrar u o oru rsauraivo nconra-s inicialmn dbiliado. Após a liminação do curo circuio com duração d 594ms, considrando o inrvalo da consan d mpo aplicando o ério E a nsão inrna não consgu sablcr um valor nominal d opração ao longo da sua rajória a nsão E ulrapassa o valor ico vindo a oprar abaixo do E (vr figura 12), dian dsa condição não há mais possibilidad d uilíbrio o xcdn d poência mcânica é uilizada para aclrar o roor a máuina insabiliza por aclração angular, como aprsna a figura 13. 6 Conclusão Traou-s ns rabalho a sabilidad d grador d indução do ipo SCIG mprgado m gração ólica, considrando u a insabilidad d vlocidad u a máuina pod sofrr é dvida à drioração da capacidad d ransmissão d poência do sisma, moivada pla dgnração da nsão inrna da própria máuina. O principal objivo ds rabalho foi d aprsnar uma modologia analíica para o sudo da sabilidad d gradors ólicos do ipo d indução, com bas no monioramno da nsão inrna (E) ao longo d um movimno ransiório do sisma. Embora nha sido raado um modlo d considrávl simplicidad ransiório dvido a curo circuio rifásico, considra-s u o ério da nsão E sja promissor para aplicaçõs m sismas máuinas d maior complxidad, bm como para avaliar o dsmpnho dinâmico/ransiório do sisma dian d prurbaçõs originadas d ouros ipos d coningências. 7 Apêndic Parâmros do sisma: Dados do grador SCIG m p.u. d 100 MA: P n 0,0066; n 0,69 Kv; R s 0,001941; X s 0,131695; R r 0,008040; X- r0,070145; X m 3,2107; H4; Parâmros da rd: X r 6,667; X l1 5,22; X l2 5,22. Rfrências Bibliográficas Akmaov,. (2003). Analysis of Dynamic Bhaviour of Elcric Powr Sysms wih Larg Amoun of Wind Powr. Ts douorado - Tchnical Univrsiy of Dnmark. 437
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