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Interligação de um Gerador Eólico com a Rede Elétrica
P&D CELESC e FEESC/UFSC
Apresentação: Carlos Eduardo Marcussi Gomes
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Interligação de um Gerador Eólico com a Rede Elétrica
INTEGRANTES:CELESC:
Gerente do projeto•Carlos E. Marcussi Gomes, M.Eng.
UFSC/FEESC/INEP:Coordenação:
•Prof. Samir Ahamd Mussa, Dr. Eng•Prof. Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc.
Alunos de Doutorado:•Eduardo Valmir de Souza, M. Eng.•Gabriel Tibola, M. Eng.•Márcio Silveira Ortmann, M. Eng.•Romero Andersen, M. Eng.
Aluno de Mestrado:•Daniel F. Collier
Alunos de Graduação:•Alan D. Callegaro•Marcelo C. Maccarini
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Dados da Energia Eólica no Brasil:
•Hoje: 51 usinas eólicas ( 929 MW);
•Leilão de Energia de Reserva dez/2009 ---> 1800MW;
•Leilão de Energia de Reserva/A3 ago/2010 ---> 2800MW;
•Nova estimativa de potencial eólico: > 350GW ( torres de 80 a 100 m);
•Estimativa de 5 GW de potência instalada para o final de 2013.
Interligação de um Gerador Eólico com a Rede Elétrica
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Objetivos gerais:•Desenvolvimento e implementação de um sistema baseado em conversores estáticos para interligação de um aerogerador de pequeno porte (1-10 kW) com a rede elétrica comercial.
Meta final:•Construção de um sistema de conversão estática capaz de controlar o conjunto turbina eólica – gerador, transferindo a maior potência disponível em seus terminais para uma rede elétrica de distribuição, trifásica comercial (380 V/60 Hz), condicionando apropriadamente as correntes injetadas e minimizando as perdas globais do sistema
Contribuições:•Aplicação de uma topologia de retificador PWM trifásico unidirecional com interruptores conectados em delta para controlar um conjunto turbina eólica – gerador síncrono a ímãs permanentes;•Desenvolvimento de uma técnica para rastreamento de máxima potência baseada nas características estáticas e dinâmicas do sistema mecânico.
Interligação de um Gerador Eólico com a Rede Elétrica
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Duas etapas/equipes trabalhando simultaneamente:
•Bancada de emulação de vento+turbina eólica:•Independência das condições do vento;•Independência do tipo de rotor eólico;•Propiciar as condições necessárias para avaliar experimentalmente o desempenho do sistema de conversão projetado;•Versatilidade e flexibilidade.
•Conversor estático de potência:•Operação com correntes senoidais no gerador (minimização das perdas e esforços no gerador);•Retificador PWM unidirecional, menores perdas internas;•Estratégia de rastreamento do ponto de máxima potência sem utilização de sensores;•Injeção de correntes senoidais na rede elétrica.
Desenvolvimento
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Arquitetura geral do sistema:
Desenvolvimento
Sistema de Emulação de Turbina+Vento
Conversor Back-to-Back
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Arquitetura geral do sistema:
Desenvolvimento
Inversor de frequência
Motor Redução Gerador
Rede elétrica (380 V/ 60 Hz)
Link CC
Conversor Back-to-Back
Transformador
Retificador Inversore filtro
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Sistema de emulação do aerogerador
•Simular o comportamento do conjunto rotor/gerador para condições de vento pré-
estabelecidas;
•O emulador deve apresentar o mesmo comportamento dinâmico do aerogerador;
•O controle do emulador é realizado através de um computador, onde um programa
reproduz as equações que modelam o sistema.
Desenvolvimento
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Sistema de Emulação do Aerogerador:
Desenvolvimento
•Software de interface com
usuário;
•Ajuste e programação das
condições de testes;
•Conexão direta com o drive
do motor;
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Sistema de emulação de vento+turbina eólica
•Bancada de testes
Desenvolvimento
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Projeto e desenvolvimento do conversor: Escolha das topologias
•Arquitetura de dupla conversão do tipo back-to-back, formada por um retificador PWM trifásico unidirecional e um conversor PWM trifásico em fonte de tensão (VSC – Voltage Source Converter) bidirecional.
Desenvolvimento
Retificador Inversor
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Projeto e desenvolvimento do conversor: Retificador
•O retificador caracteriza o primeiro estágio de processamento de energia (CA-CC), drenando energia do GSIP e transferindo-a ao barramento em corrente contínua (CC).
Desenvolvimento
•Correntes senoidais na máquina;
•Topologia unidirecional, menores perdas e maior robustez;
•Conexão direta no gerador, sem indutores externos;
•Controle com leitura apenas de duas correntes da máquina;
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Projeto e desenvolvimento do conversor: Conversor VSC
•O conversor bidirecional faz a conversão e o condicionamento da energia disponível no barramento CC para transferi-la à rede elétrica através de um transformador de conexão.
Desenvolvimento
•Correntes senoidais na rede elétrica;
•Bidirecionalidade do fluxo de energia;
•Controle vetorial;
•Modulação Space Vector;
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Projeto e desenvolvimento do conversor.
•Potência: 7,5 kW;
•Tensão nominal do barramento CC 235 V
•Transformador de conexão com a rede 380 V (Y) /146 V (Δ)
•Frequência de comutação do VSC:19,98 kHz;
•Frequência de comutação do retificador:3,996 kHz;
•Controle digital.
Desenvolvimento
Projeto 3D
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Projeto e desenvolvimento do conversor: Protótipo Construído
Desenvolvimento
Retificador
Inversor
Processador248 m
m
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Resultados Experimentais
Energização da estrutura através do VSC:
•Processo progressivo e suave;
•Correntes limitadas;
•Tensão do barramento bem amortecida;
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Resultados Experimentais
Tensão e correntes na rede elétrica:
•Baixo conteúdo harmônico das correntes;
•Baixa ondulação de alta freqüência;
•Alto fator de potência.
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Correntes no PMSG:
•Baixo conteúdo harmônico das correntes;
•Baixa ondulação de alta freqüência;
•Perdas reduzidas na máquina;
Resultados Experimentais
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Retificador PFC:
Melhor aproveitamento e controle da energia do vento;
Menores perdas na máquina;
Menores perdas e maior robustez, quando comparado ao conversor VSI tradicional;
Maior complexidade de operação;
Maior custo, quando comparado ao retificador não controlado;
Conclusões
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Conversor VSC:
Controle adequado garante boa qualidade das correntes injetadas na rede, mesmo
com tensões distorcidas;
Topologia bem conhecida e consagrada, com diversas soluções tecnológicas
disponíveis;
Bidirecionalidade do fluxo de energia, podendo agregar outras funções (filtro ativo,
compensador de reativos,etc.);
Conexão com transformador: isolação galvânica e redução da tensão do
barramento;
Conclusões
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Contribuição direta:•Proposição, projeto e implementação de um conversor estático para interligação de um aerogerador de pequeno porte (1-10 kW) com a rede elétrica comercial.
•Demais Contribuições:
•Aplicação de uma topologia de retificador PWM trifásico unidirecional com interruptores conectados em delta para controlar um conjunto turbina eólica – gerador síncrono a ímãs permanentes. Maior robustez e menores perdas;
•Desenvolvimento de uma técnica para rastreamento de máxima potência baseada nas características estáticas e dinâmicas do sistema mecânico;
Conclusões
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Carlos Eduardo Marcussi Gomes, M.Eng. [email protected]
OBRIGADO
Prof. Samir Ahamd Mussa, Dr. Eng. [email protected]
Márcio Silveira Ortmann, M. Eng. [email protected]
