UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO DEEC / Secção de Energia Energias Renováveis e Produção Descentralizada EQUIPAMENTO ELÉCTRICO DOS GERADORES EÓLICOS 1ª Parte Princípio de funcionamento J.M. Ferreira de Jesus Rui M.G. Castro Março de 2004 (edição 0)
ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO 3 2. MÁQUINA DE INDUÇÃO COM ROTOR EM GAIOLA 7 3. MÁQUINA DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADA 10 4. MÁQUINA SÍNCRONA DE VELOCIDADE VARIÁVEL 17 5. BIBLIOGRAFIA 20 ii
Introdução 3 1. INTRODUÇÃO Os primeiros Geradores Eólicos (GEOL) que se instalaram em Portugal (no final dos anos 80, início dos anos 90) encontravam-se equipados com máquinas de indução de rotor em gaiola. A diferença entre os diversos sistemas residia na forma como a turbina controlava a potência mecânica: turbinas em que o controlo da potência mecânica é conseguido através do desenho das pás do rotor, denominadas turbinas tipo stall na literatura, e turbinas em que o controlo da potência mecânica é realizado por variação do passo das pás do rotor, denominadas turbinas tipo pitch. Estes GEOL caracterizavam-se por possuírem uma velocidade de rotação praticamente constante (sendo as variações da velocidade de rotação contabilizadas pelo escorregamento) e por possuírem caixas de velocidade para adaptação da velocidade de rotação nominal da turbina (cerca de 38 rpm) à velocidade de sincronismo da máquina de indução (tipicamente 1500 rpm). No final da década de 90 foram instalados, em Portugal, os primeiros GEOL equipados com máquinas síncronas, operadas a velocidade variável. Estes caracterizam-se pela ausência de caixa de velocidades, sendo a adaptação da frequência das grandezas eléctricas do gerador à frequência da rede, realizada através de um sistema de conversão corrente alternada / corrente contínua / corrente alternada (ca/cc/ca). As turbinas que equipam estes GEOL são do tipo pitch. No final da década de 90, são ainda instalados em Portugal GEOL equipados com máquinas de indução de rotor bobinado, em que existe a possibilidade de variar uma resistência colocada em série com o rotor da máquina e, consequentemente, a gama de variação de velocidade do rotor. As turbinas que equipam estes GEOL são do tipo pitch, sendo a adaptação da velocidade do rotor da turbina ao rotor da máquina de indução realizada através de uma caixa de velocidades. Actualmente encontram-se em instalação em Portugal GEOL equipados com máquinas de indução de rotor bobinado com aproveitamento da energia do escorregamento, uma montagem designada na literatura por máquina de indução de
Introdução 4 dupla alimentação 1. Estes GEOL são equipados com turbinas do tipo pitch e possuem uma caixa de velocidades por forma a adaptar a velocidade da turbina à velocidade de rotação da máquina de indução. Os diferentes tipos de tecnologia que, ao longo do tempo, têm sido instalados em Portugal, reflectem a evolução tecnológica que se tem verificado nos GEOL ao longo dos anos. A Figura 1 ilustra os diferentes tipo de configuração possíveis para os GEOL. Tanto quanto é do conhecimento dos autores, das configurações ilustradas, apenas a correspondente à utilização da máquina de indução de rotor em gaiola ligada à rede de energia eléctrica através de um sistema de conversão ca/cc/ca, não é oferecida pelos fabricantes de GEOL. Figura 1 Configurações dos GEOL. [Cigrè]. 1 Em inglês estas máquinas designam-se por DFIG Double Fed Induction Generator ou DOIG Double Output Induction Generators.
Introdução 5 As turbinas que equipam as configurações ilustradas na Figura 1 podem ser quer do tipo pitch quer do tipo stall, contudo, nas configurações equipadas com sistemas de conversão ca/cc/ca para interligação com a rede de energia eléctrica, as turbinas são geralmente do tipo pitch. Dados disponibilizados pelo INEGI 2 com data de Março de 2003, que se apresentam no Quadro 1, permitem quantificar a potência instalada e em construção em Portugal Continental por tipo de GEOL. Quadro 1 Potência instalada em operação/construção por tipo de configuração dos GEOL em Março de 2003. Tipo Turbina Tipo Gerador Ligação à Rede P instalado [MW] P construção [MW] Stall Indução, Gaiola de Esquilo Directa 39,4 38,1 Indução, Gaiola de Esquilo Directa 36,7 - Pitch Indução, Duplamente alimentado Sistema de conversão ca/cc/ca (rotor) 7,85 21 Síncrono Sistema de conversão ca/cc/ca 100,5 6 Os dados constantes no Quadro 1 reflectem uma tendência que se vem verificando por parte dos fabricantes que ofereciam sistemas baseados em máquinas de indução de rotor em gaiola com turbinas de tipo pitch, que consiste em, para a gama de potências actualmente disponibilizadas nos GEOL (2-3 MW), passarem a oferecer máquinas de indução duplamente alimentadas. Idêntica filosofia pode ser observada nos fabricantes que oferecem turbinas de tipo stall acopladas a máquinas de indução de rotor em gaiola: na gama dos GEOL com potência nominal de 2-3 MW começam a oferecer turbinas do tipo pitch acopladas a máquinas de indução duplamente alimentadas. É assim expectável que a penetração de GEOL equipados com turbinas do tipo pitch e máquinas de indução duplamente alimentadas aumente consideravelmente num futuro próximo. 2 Instituto Nacional de Engenharia e Gestão Industrial, ligado à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
Introdução 6 No horizonte temporal de 2010, é expectável que em Portugal Continental os parque eólicos sejam predominantemente equipados com GEOL de três tipos a saber: Turbinas tipo stall com geradores de indução de rotor em gaiola. Turbinas tipo pitch com geradores síncronos de velocidade variável ligados à rede de energia eléctrica através de conversores ca/cc/ca. Turbinas tipo pitch com geradores de indução duplamente alimentados, com o estator directamente ligado à rede de energia eléctrica e o rotor ligado à rede de energia eléctrica através de conversores ca/cc/ca. Neste documento descrevem-se os tipos de GEOL que, previsivelmente, estarão instalados em Portugal até 2010. A caracterização dos GEOL é realizada separadamente para a máquina de indução com rotor em gaiola (MIRG), para a máquina de indução duplamente alimentada (MIDA) e para a máquina síncrona de velocidade variável (MSVV).
Máquina de Indução com Rotor em Gaiola 7 2. MÁQUINA DE INDUÇÃO COM ROTOR EM GAIOLA A máquina de indução com o rotor em gaiola (MIRG) funciona como gerador nas situações em que a velocidade angular do rotor é superior à velocidade angular do campo girante, ou seja, para escorregamentos, s, negativos, conforme ilustrado na Figura 2. 60 Tmec [Nm] 40 20 0-1,5-1 -0,5 0 0,5 1 s 1,5-20 -40-60 -80 Figura 2 Característica binário velocidade da máquina de indução de rotor em gaiola. No modo de funcionamento como gerador a máquina funciona entre os pontos correspondentes ao escorregamento (aproximadamente) nulo e o correspondente ao valor máximo da intensidade de corrente admissível no estator, o qual, para a máquina a que corresponde a característica representada na Figura 2, se verifica para um valor de s igual a -0.8%. Este valor é consideravelmente inferior àquele para o qual ocorre o binário máximo (cerca de -8% para a característica representada na Figura 2). Em virtude da variação da velocidade admissível da máquina em relação à velocidade de sincronismo ser muito pequena, na prática, esta máquina comporta-se como tendo velocidade constante.
Máquina de Indução com Rotor em Gaiola 8 A Figura 3 ilustra a potência reactiva consumida pela máquina de indução em função da potência activa gerada. -200-220 -240 Q [kvar] -260-280 -300-320 0 100 200 300 400 500 600 700 P [kw] Figura 3 Potência reactiva, Q, consumida em função da potência activa gerada, P. Na MIRG, o campo electromagnético, essencial para a conversão de energia mecânica em energia eléctrica, é estabelecido através do estator da máquina. Tal facto implica que a máquina absorve sempre potência reactiva da rede, conforme ilustrado na Figura 3. Note-se a escala negativa no eixo dos y, para ilustrar a absorção de potência reactiva, na convenção gerador. O factor de potência da máquina aumenta com o aumento da potência activa gerada, sendo esta variação não linear, conforme ilustrado nesta figura. Para a máquina com a característica ilustrada na Figura 3, o factor de potência varia entre 0,18 e 0,91 (capacitivo) para valores da potência activa entre 40 kw e 660 kw, respectivamente.
Máquina de Indução com Rotor em Gaiola 9 Os GEOL equipados com MIRG são sempre equipados com baterias de condensadores por forma a compensar o factor de potência das máquinas. Os fabricantes compensam, geralmente, o factor de potência para o valor unitário, por meio de bancos de condensadores, tipicamente com dois escalões. Alguns fabricantes oferecem MIRG com um número variável de pares de pólos (tipicamente 2-3): o número a usar depende da velocidade da turbina. Esta solução permite adaptar a velocidade específica da ponta da pá, λ, a um valor que maximize o coeficiente de potência, C p.
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 10 3. MÁQUINA DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADA O principio de funcionamento da máquina de indução (com rotor bobinado) duplamente alimentada (MIDA) baseia-se na possibilidade de controlar a sua velocidade por variação da resistência do rotor. A Figura 4 ilustra a alteração das curvas binário / escorregamento da máquina de indução devido à variação de uma resistência ligada em série com a do enrolamento do rotor. Rr1 Rr2 Rr3 Rr4 Tmec 60 T [Nm] 40 20 0-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 s [pu] -20-40 -60-80 Figura 4 Curvas características binário - velocidade para diferentes valores de resistência do rotor: R r4 > R r3 > R r2 > R r1 Na Figura 4 observa-se que, para um dado binário mecânico, T, é possível variar a velocidade da máquina de indução variando a resistência rotórica. Se em lugar de uma resistência variável, se instalar um sistema de conversão ca/cc/ca ligado ao rotor, é possível extrair potência activa pelo rotor da máquina e assim controlar a velocidade. É este o princípio do aproveitamento da energia de escorregamento nos motores de indução de rotor bobinado.
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 11 O modo de funcionamento das MIDA utilizadas nos GEOL baseia-se no princípio acima descrito: para escorregamentos negativos, até se atingir a intensidade de corrente nominal do estator da máquina, a potência extraída pelo rotor da máquina é controlada por forma a optimizar a velocidade específica da ponta da pá do rotor, λ, e assim maximizar o valor do coeficiente de potência, C p, da turbina. Para escorregamentos negativos, superiores (em módulo) àquele em que a intensidade da corrente no estator atinge o valor nominal, a potência activa no estator e rotor permanecem constantes. Este princípio do controlo da velocidade por aproveitamento da energia de escorregamento, leva a que esta máquina possa funcionar como gerador para escorregamentos positivos. Por forma a garantir este modo de operação, torna-se necessário fornecer potência activa ao rotor. A Figura 5 ilustra a característica C p (v) para turbinas de velocidade fixa (v f) e de velocidade variável (v v). v v v f 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 Cp 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 5 10 15 20 25 30 v [m/s] Figura 5 Característica C p (v) para turbinas de velocidade fixa (v f) e de velocidade variável (v v).
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 12 Para a mesma velocidade do vento incidente, as turbinas apresentam as características P mec (v) representadas na Figura 6. v v v f 800 700 600 500 Pmec [kw] 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 v [m/s] Figura 6 Características P mec (v) para turbinas de velocidade variável (vv) e explorada a velocidade fixa (vf). A Figura 5 e a Figura 6 ilustram as vantagens de explorar uma turbina a velocidade variável: a potência mecânica disponível para conversão em potência eléctrica é claramente superior, quer na zona das mais baixas quer na das mais elevadas velocidades de vento. A Figura 7 ilustra a velocidade do rotor de uma máquina de indução com dois pares de pólos acoplada a uma turbina eólica operada a velocidade fixa ou variável. Da Figura 7 conclui-se que, para a máquina ser operada a velocidade variável e assim optimizar o valor de C p da turbina, necessita funcionar como gerador para velocidades abaixo da velocidade de sincronismo (1500 rpm neste caso).
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 13 v v v f 1650 1600 1550 1500 Nr [rpm] 1450 1400 1350 1300 1250 1200 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 v [m/s] Figura 7 Velocidade do rotor em função da velocidade do vento de uma máquina de indução com 2 pares de pólos num sistema operado a velocidade fixa (v f) ou a velocidade variável (v v). A Figura 8 ilustra as potências activas no estator, P s (vv), no rotor, P r, e total P t (vv) (=P s -P r ) de uma MIDA que equipa o GEOL explorado a velocidade variável e a potência activa no estator, P s (vf), da MIRG de velocidade constante. A análise da Figura 8 permite a identificação de três zonas na característica potência velocidade de rotação da MIDA: uma zona abaixo da velocidade de sincronismo em que é fornecida potência activa ao rotor da máquina; uma zona próximo da velocidade de sincronismo em que o trânsito de potência activa no rotor da máquina é praticamente nulo; uma zona, a partir de cerca de 1512 rpm, em que a máquina fornece potência activa à rede pelo estator e pelo rotor. Estas zonas que se observam na Figura 8 são típicas nos GEOL equipados com MIDA correntemente comercializados.
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 14 650 Ps (v v) Pr Ps (v f) Pt (v v) 550 450 350 P [kw] 250 150 50 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650-50 Nr [rpm] Figura 8 Potências activas das MIRG (v f) e MIDA (v v) em função da velocidade do rotor. Na Figura 9 apresenta-se o esquema de ligações da máquina de indução duplamente alimentada. Figura 9 Esquema de ligações da máquina de indução duplamente alimentada [Ekanayake]. O estator da máquina de indução encontra-se directamente ligado à rede de energia eléctrica; o rotor está ligado à rede através de um sistema de conversão ca/cc/ca e de um transformador elevador.
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 15 Os conversores ca/cc/ca que interligam o rotor da máquina à rede, através do transformador elevador, são pontes conversoras a seis pulsos equipados com transistores bipolares de porta isolada (IGBT s) com um sistema de comando por modulação da largura do impulso. Tipicamente, nos GEOL equipados com MIDA, o conversor ligado ao transformador elevador controla a tensão contínua aos terminais do condensador do subsistema de corrente contínua e controla o factor de potência no ponto comum aos circuitos do rotor e estator. O conversor directamente ligado ao rotor da máquina de indução controla o módulo e argumento da intensidade de corrente injectada / extraída pelo circuito rotórico. O princípio de funcionamento do sistema de controlo por modulação da largura de impulso dos conversores permite impor uma forma de onda alternada sinusoidal com frequência, amplitude e fase ajustáveis aos terminais de corrente alternada dos conversores [Mohan]. No caso que ora se apresenta, o conversor ca/cc ligado ao rotor da máquina de indução, permite o controlo da frequência da forma de onda aplicada ao rotor (igual à frequência de escorregamento da máquina num dado ponto de operação) e, simultaneamente, o controlo do módulo e argumento da intensidade de corrente no rotor. No conversor ca/cc ligado ao transformador elevador, é controlada a amplitude da tensão contínua aos terminais do condensador, a frequência da onda de corrente alternada é igual á frequência da rede com que o conversor se encontra interligado e o controlo de fase permite impor o factor de potência. Esta propriedade do sistema de comando por modulação da largura do impulso de ajustar a fase da onda de tensão/intensidade de corrente, permite dispensar a utilização de baterias de condensadores na grande maioria dos casos. Tipicamente, os fabricantes asseguram um controlo do factor de potência entre cerca de 0,9 indutivo e cerca de 0,9 capacitivo aos terminais da máquina.
Máquina de Indução Duplamente Alimentada 16 O sistema de controlo dos conversores ca/cc/ca visa assegurar a maximização do valor do coeficiente de potência, C p, da turbina, na região da característica P(v) em que a potência não é controlada. Adicionalmente, o sistema de controlo destes conversores mantém um dado valor do factor de potência no ponto de interligação da MIDA com a rede de energia eléctrica. Na região de potência controlada da característica P(v) da turbina, o controlador do sistema de conversão ca/cc/ca mantém constante a potência total, P t, extraída pelo estator e rotor da máquina, sendo complementado pelo sistema de controlo do ângulo de passo das pás do rotor. Do exposto conclui-se que o sistema de controlo dos GEOL equipados com MIDA visa maximizar a potência eléctrica entregue à rede na gama de variação da velocidade do vento.
Máquina Síncrona de Velocidade Variável 17 4. MÁQUINA SÍNCRONA DE VELOCIDADE VARIÁVEL A Figura 10 ilustra o esquema de ligações dos geradores eólicos equipados com máquinas síncronas de velocidade variável (MSVV). Figura 10 Esquema de Ligações de um GEOL equipado com um gerador síncrono explorado a velocidade variável. Nestes sistemas a máquina síncrona encontra-se ligada à rede através de um sistema de conversão ca/cc/ca, já que a frequência das grandezas estatóricas (idêntica à frequência angular de rotação do rotor) é diferente da frequência da rede de energia eléctrica. Os GEOL deste tipo instalados em Portugal, não possuem caixa de velocidades, pelo que a velocidade mecânica de rotação do rotor é idêntica à velocidade de rotação da turbina. Tipicamente a velocidade de rotação da turbina (e do rotor da máquina síncrona) varia entre 17 rpm e 36 rpm, pelo que a máquina possui um número de pares de pólos elevado (32 nalgumas das instalações existentes).
Máquina Síncrona de Velocidade Variável 18 O estator da máquina síncrona é hexafásico e encontra-se ligado a dois sistemas de conversão ca/cc/ca independentes. O paralelo entre os dois sistemas de conversão é efectuado à saída dos conversores cc/ca (conversores de rede) que se encontram ligados ao transformador elevador. Cada um dos conversores ca/cc ligados ao gerador (conversores de gerador) é constituído por uma ponte conversora a seis pulsos equipadas com tiristores. Estes tiristores funcionam com um ângulo de disparo constante. A tensão contínua aos terminais do condensador colocado em paralelo na ligação em corrente contínua tem de ser regulada para um valor constante. Contudo, para valores baixos da velocidade do rotor, o sistema de excitação da máquina síncrona não tem capacidade para assegurar aquele valor, sendo necessário recorrer a um chopper (conversor cc/cc) instalado entre o conversor do gerador e o condensador, o qual é desligado quando a velocidade do rotor excede um determinado valor. O conversor de rede é constituído por uma ponte conversora a seis pulsos equipada com IGBT s, com um sistema de comando por modulação da largura do impulso. Este conversor controla a potência activa injectada na rede e o factor de potência. O controlo de potência activa no conversor de rede permite a imposição de um binário electromagnético (resistente) ao gerador, tornando assim possível o controlo da velocidade de rotação do grupo turbina eólica gerador, por forma a obter a velocidade específica da ponta da pá óptima, λ, para cada valor da velocidade de vento. A Figura 11 ilustra a potência activa e reactiva fornecida pelo conversor de rede de um GEOL deste tipo em função da velocidade de rotação do rotor.
Máquina Síncrona de Velocidade Variável 19 P Q 700 600 500 P; Q [kw/kvar] 400 300 200 100 0 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Nr [rpm] Figura 11 Potência activa e reactiva fornecida por um GEOL equipado com gerador síncrono explorado a velocidade variável em função da velocidade do rotor.
Bibliografia 20 5. BIBLIOGRAFIA [Akhmatov] Akhmatov; Variable-Speed Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generators Part I: Modelling in Dynamic Simulation Tools, Wind Engineering, Vol 26, nº 2, 2002. [Cigrè] CIGRÉ Task Force 38.01.10, 2001. [Ekanayake] Ekanayake; Holdsworth; Wu; Jenkins; Dynamic Modelling of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines, IEEE Transactions on Power Systems, vol.18, nº 2, May 2003. [Manwell] Manwell; McGowan; Rogers; Wind Energy Explained, John Wiley & Sons, 2002. [Mohan] Mohan; Undeland; Robbins; Power Electronics Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, 2003.