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7/23/2019 Para Controle Classico240715
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HLIO VOLTOLINI
MODELAGEM E CONTROLE DE GERADORES DE
INDUO DUPLAMENTE ALIMENTADOS COM
APLICAO EM SISTEMAS ELICOS
FLORIANPOLIS
2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PS-GRADUAOEM ENGENHARIA ELTRICA
MODELAGEM E CONTROLE DE GERADORES DE
INDUO DUPLAMENTE ALIMENTADOS COMAPLICAO EM SISTEMAS ELICOS
Tese submetida
Universidade Federal de Santa Catarina
como parte dos requisitos para a
obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.
HLIO VOLTOLINI
Florianpolis, Maro de 2007.
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MODELAGEM E CONTROLE DE GERADORES DE INDUO
DUPLAMENTE ALIMENTADOS COM APLICAO EM SISTEMAS
ELICOS
HLIO VOLTOLINI
Esta Tese foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Doutorem Engenharia Eltrica, rea de concentrao em Concepo de Dispositivos
Eletromagnticos, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao emEngenharia Eltrica da Universidade Federal de Santa Catarina.
______________________________________Prof. Renato Carlson, Dr
Orientador
______________________________________Prof. Nelson Sadowski, Dr.
Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica
Banca Examinadora:
______________________________________Prof. Renato Carlson, Dr.
Presidente
______________________________________Prof. Patrick Kuo-Peng, Dr.
_____________________________________Prof. Guillermo O. Garcia, Dr.
______________________________________Prof. Joachim Holtz, Dr.
______________________________________Prof. Nelson J. Batistela, Dr.
______________________________________Prof. Kefas D. Coelho, Dr.
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minha esposa Lilian e minha filha Giulia.
Aos meus pais, Elizeu e Maria.
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AGRADECIMENTOS
minha esposa Lilian, pelo apoio e compreenso nos momentos difceis. minha filha Giulia, pela sua alegria e carinho.
Aos meus pais, pelo incentivo em todas as conquistas da minha vida.
Ao meu orientador Prof. Renato Carlson, pelo seu grande apoio e contribuio nesta
nova conquista.
Aos professores Nelson Jhoe Batistela e Patrick Kuo-Peng, que participaram do
projeto e a todos os professores do Grucad, pela contribuio, amizade e apoio.
Aos meus colegas mestrandos, Cristiano Blum Weingartner e Thiago Bazzo, pelaamizade, companheirismo e imprescindvel colaborao na obteno dos resultados
experimentais apresentados nesta tese.
Aos bolsistas de iniciao cientfica Tiago Fernandes Barbosa, Rafael Barbeta e
Rodrigo Cianfroni, pela colaborao no desenvolvimento do sistema experimental.
A todos os colegas e a secretria Celly D. Melo, pela amizade e timo ambiente de
trabalho proporcionado neste perodo.
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Resumo da Tese apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios para a
obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.
MODELAGEM E CONTROLE DE GERADORES DE
INDUO DUPLAMENTE ALIMENTADOS COM
APLICAO EM SISTEMAS ELICOS
Hlio Voltolini
Maro/2007
Orientador: Renato Carlson, Dr.rea de Concentrao: Anlise e Concepo de Dispositivos Eletromagnticos.
Palavras-chave: Geradores elicos, Geradores duplamente alimentados, Controle vetorial.
Nmero de pginas: 136.
RESUMO: Esta tese apresenta a anlise, modelagem e o controle vetorial dos geradores de
induo duplamente alimentados com escovas (DFIG) e sem escovas (BDFIG) com
aplicao em sistemas elicos em velocidade varivel. Inicialmente realizada uma anliseda modelagem dos geradores nos eixos de referncia ortogonais dq. Os respectivos
modelos e controles so implementados em ambiente de programao do
MatlabSimulink/SimPowerSystems. A estratgia de controle do DFIG foi implementada
no microcontrolador SH 7047 da Hitachi. So apresentados resultados de simulao e
experimentais para um sistema elico baseado no DFIG 3kW, 380 V, 60 Hz. Uma
metodologia de sincronizao do DFIG com a rede eltrica na partida do sistema foi
desenvolvida e implementada experimentalmente. Atravs de resultados obtidos com a
simulao, foi realizada uma anlise comparativa entre oDFIGeBDFIGcom potncia de
75 kW. Demonstrou-se que o BDFIG pode substituir o DFIG em sistemas elicos,
associando a robustez das mquinas sem escovas com baixo custo dos conversores de
potncia utilizados nos geradores duplamente alimentados. So propostas diferentes
estratgias de compensao de potncia reativa para o BDFIG visando a reduo do
tamanho dos conversores de potncia e o aumento do rendimento do sistema.
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Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the
degree of Doctor in Electrical Engineering.
MODELING AND CONTROL OF DOUBLY FED
INDUCTION GENERATORS FOR WIND TURBINES
SYSTEMS
Hlio Voltolini
March /2007
Advisor: Renato Carlson, Dr.
Area of Concentration: Conception and Analysis of Electromagnetic Devices.
Keywords: Doubly Fed, Induction generators, Brushless, vector control.
Number of Pages: 136.
ABSTRACT: This thesis presents the modeling and vector control of Doubly Fed
Induction Generators with Brushes (DFIG) and Brushless (BDFIG) for variable speed
wind turbine applications. Firstly, an analysis of the generators model in the orthogonal dq
axis reference frame is realized. The generators models and controls are implemented in
the simulation program MatlabSimulink/SimPowerSystems. The DFIG strategy was
experimentally implemented in the microcontroller SH 7047. The simulations and
experimental results are presented for wind systems based inDFIGof the 3 kW, 380 V,
60Hz. A methodology of synchronization of the DFIGwith the grid was developed and
implemented in the laboratory. The performance comparison betweenDFIGandBDFIGin
the wind turbine applications is realized in over all speed range. The results show that the
kVA rating of power converter of theDFIGandBDFIGgenerators are comparable and the
systems efficiency are very similar, especially at the rated speed. For the wind turbine
based on a 75 kWBDFIG, different power factor compensations strategies are analyzed.
The result shows that, depending on the adopted strategy, the kVA rating of the power
converters can be reduced and the efficiency of the system is improved over all speed
range.
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SUMRIO
RESUMO........................................................................................................................................vi
ABSTRACT ..................................................................................................................................viii
SUMRIO ......................................................................................................................................viii
ACRNIMOS E ABREVIATURAS ...................................................................................xii
LISTA DE SMBOLOS ............................................................................................................xiii
CAPTULO 1
INTRODUO GERAL
1.1 Preliminares .................................................................................................................. 1
1.2 Objetivos gerais ............................................................................................................ 3
1.2.1 Objetivos especficos ............................................................................................. 4
1.3 Contribuies do trabalho............................................................................................. 4
1.4 Organizao da tese...................................................................................................... 5
CAPTULO 2
SISTEMAS ELICOS ESTADO ATUAL DA ARTE
2.1 Introduo..................................................................................................................... 7
2.2 Aerogeradores e seus componentes.............................................................................. 8
2.3 Turbinas com controle de estol (stall) e passo (picth) .................................................. 8
2.4 Configurao dos sistemas elicos sob ponto de vista do gerador eltrico................ 10
2.5 Panorama mundial da energia elica.......................................................................... 12
2.6 Concluso ................................................................................................................... 13
CAPTULO 3
SISTEMAS DE ENERGIA ELICA PRINCPIOS DE CONVERSO
DE ENERGIA
3.1 Introduo................................................................................................................... 14
3.2 Potncia de uma turbina elica................................................................................... 14
3.3 Trajetria de mxima potncia ................................................................................... 15
3.4 Caracterstica de uma turbina de 4 kW....................................................................... 163.5 Concluso. .................................................................................................................. 19
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CAPTULO 4
SISTEMA DE CONTROLE DO DFIG
4.1 Introduo................................................................................................................... 20
4.2 Configurao doDFIGem sistemas elicos. ............................................................. 21
4.3 Modelo doDFIGnas variveis dq ............................................................................. 22
4.4 Controle doDFIGcom orientao pelo campo do estator......................................... 24
4.5 Modelo doDFIGnas variveis dqincluindo as perdas no ferro................................ 25
4.6 Modelagem do controle doDFIGconsiderando as perdas no ferro .......................... 27
4.7 Clculo da potncia ativa (P) e reativa (Q) no estator e rotor doDFIG..................... 28
4.7.1 Clculo dePse Qs ................................................................................................ 28
4.7.2 Clculo dePre Qr................................................................................................ 29
4.8 Sistema de controle do conversor do lado do rotor ................................................... 30
4.8.1 Obteno da posio do fluxo do estator ............................................................. 30
4.8.2 Resultados de simulao do PLL estimador de fluxo.......................................... 35
4.8.3 Malhas de controle de corrente do rotor. ............................................................. 38
4.8.4 Malha de controle de velocidade ......................................................................... 43
4.8.5 Malha de controle de potncia reativa do estator. ............................................... 45
4.9 Sincronizao com a rede.......................................................................................... 47
4.10 Concluso .................................................................................................................. 48
CAPTULO 5
SISTEMA DE CONTROLE DO CONVERSOR DO LADO DA REDE
5.1 Introduo................................................................................................................... 50
5.2 Controle do conversor do lado da rede....................................................................... 50
5.3 Controle vetorial do conversor do lado da rede.......................................................... 53
5.4 Sistema de controle do conversor do lado da rede ..................................................... 55
5.4.1 Clculo da posio e mdulo do vetor tenso da rede......................................... 55
5.4.2 Projeto dos controladores de corrente.................................................................. 58
5.4.3 Projeto do controlador da tenso Vc .................................................................... 61
5.5 Clculo da reatncia e do capacitor ............................................................................ 63
5.6 Desempenho dinmico do conversor do lado da rede ................................................ 64
5.7 Concluso ................................................................................................................... 66
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CAPTULO 6
RESULTADOS DE SIMULAO E EXPERIMENTAIS
6.1 Introduo................................................................................................................... 67
6.2 Anlise dos resultados de simulao .......................................................................... 67
6.3 Descrio do sistema experimental ............................................................................ 72
6.4 Caractersticas do microcontrolador utilizado............................................................ 75
6.5 Processo de sincronizao .......................................................................................... 76
6.6 Obteno da posio do fluxo do estator.................................................................... 77
6.7 Correntes no rotor na velocidade de 1260 rpm e 1800 rpm ....................................... 78
6.8 Ajuste dos parmetros dos controladores de corrente do rotor .................................. 79
6.9 Anlise de desempenho das malhas de corrente dqno rotor doDFIG ...................... 81
6.10 Concluso .................................................................................................................. 82
CAPTULO 7
SISTEMA DE CONTOLE DO BDFIG
7.1 Introduo................................................................................................................... 83
7.2 Principio de operao doBDFIG ............................................................................... 84
7.3 Modelo dinmico doBDFIGnas variveis dq ........................................................... 85
7.4 Controle vetorial e modelagem doBDFIG................................................................. 87
7.5 Clculo da potncia ativa e reativa noBDFIG ........................................................... 89
7.6 Sistema de controle doBDFIG................................................................................... 90
7.6.1 Sistema de comando do conversor do lado enrolamento de controle.................. 91
7.6.2 Clculo da posio do fluxo produzido pelo enrolamento de potncia. .............. 91
7.6.3 Malhas de controle de corrente do enrolamento de controle ............................... 94
7.6.4 Malha de controle de velocidade ......................................................................... 97
7.6.5 Malha de controle de potncia reativa ................................................................. 98
7.7 Simulao e anlise de desempenho dinmico doBDFIG....................................... 100
7.7.1 Modelo doBDFIGimplementado na simulao ............................................... 100
7.7.2 Desempenho dinmico do sistema de controle doBDFIG................................ 105
7.8 Concluso ................................................................................................................. 107
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CAPTULO 8
ANLISE COMPARATIVA DO BDFIG COMDFIG
8.1 Introduo................................................................................................................. 109
8.2 Caracterstica da turbina elica utilizada.................................................................. 109
8.3 Anlise das potncias ativa e reativa e da corrente RMS dos geradores.................. 111
8.4 Anlise do rendimento dos sistemas elicos baseados noDFIGeBDFIG.............. 115
8.5 Concluso ................................................................................................................. 116
CAPTULO 9
ESTRATGIAS DE CORREO DO FATOR DE POTNCIA NOBDFIG
9.1 Introduo................................................................................................................. 118
9.2 As diferentes estratgias de correo de fator de potncia....................................... 118
9.3 Clculo do valor do banco capacitivo. ..................................................................... 119
9.4 Anlise da potncia e corrente eficaz no enrolamento de potncia.......................... 121
9.5 Concluso ................................................................................................................. 125
CAPTULO 10
CONCLUSO FINAL
10.1 Concluses gerais .................................................................................................... 126
10.2 Proposta de continuidade......................................................................................... 128
APNDICE A .............................................................................................................. 129
APNDICE B .............................................................................................................. 130
REFERNCIAS .......................................................................................................... 132
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ACRNIMOS E ABREVIATURAS
DFIG Gerador de induo duplamente alimentado com escovas(Doubly Fed Induction
Generator);
BDFIG Gerador de induo duplamente alimentado sem escovas(Brushless Doubly Fed
Induction Generator);
CA Corrente alternada;
CC Corrente contnua;
DSP Processador digital de sinal(Digital Signal Processor);
FP Fator de potncia;
FT Funo de transferncia;
GWEC Conselho global de energia elica(Global Wind Energy Council);
IGBT Transistor bipolar de porta isolada(Insulated Gate Bipolar Transistor);
PI Proporcional integral;
PLL Malha de deteco de fase(Phase Locked Loop);
PWM Modulao por largura de pulso (Pulse Width Modulation);
RMS Valor eficaz(Root Mean Square).
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LISTA DE SMBOLOS
Smbolo Descrio Unidade
ngulo de passo da turbina elica; [rad]
Rendimento;
Densidade do ar; [kg/m3]
Razo entre a velocidade da ponta de p da turbina elica e avelocidade do vento ou tip speed ratio;
dc, qc Fluxo dqproduzidos pelo enrolamento de controle doBDFIG [Wb]
dp, qp Fluxo dqproduzido pelo enrolamento de potncia doBDFIG; [Wb]
dr, qr Fluxo dqproduzido pelo enrolamento do rotor; [Wb]
ds, qs Fluxo dqproduzidos no estator doDFIG; [Wb]
p Fluxo produzido pelo enrolamento de potncia doBDFIG; [Wb]
s Fluxo produzido pelo enrolamento do estator doDFIG; [Wb]
s Fluxo sbase; [Wb]
cPosio dos eixos dqdo enrolamento de controle doBDFIG; [rad]
e Posio do vetor tenso da rede; [rad]
p Posio do fluxo do enrolamento de potncia doBDFIG; [rad]
r Posio do rotor doDFIGe doBDFIG; [rad]
s Posio do fluxo do estator doDFIG; [rad]
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Constante de tempo [s]
c Freqncia angular do campo produzido pelo enrolamento de
controle doBDFIG;
[rad/s]
d Freqncia natural amortecida; [rad/s]
m Velocidade angular mecnica do eixo do gerador; [rad/s]
n Freqncia natural no amortecida; [rad/s]
p Freqncia angular do campo produzido pelo enrolamento depotncia;
[rad/s]
r Velocidade angular do rotor doDFIGe doBDFIG; [rad/s]
rp,rc Freqncia angular das correntes induzidas no rotor pelo
enrolamento de potncia e de controle doBDFIG;
[rad/s]
s Freqncia angular sncrona da rede; [rad/s]
slip Freqncia angular de escorregamento; [rad/s]
t Velocidade angular da turbina elica; [rad/s]
Coeficiente de amortecimento;
ie Variao das correntes nas fases do conversor do lado da rede; [A]
Vc Variao da tenso Vcdo barramento CC; [V]
A rea do crculo varrido pelas ps da turbina elica; [m2]
aB Relao entre o nmero de espiras do enrolamento de potncia
e de controle doBDFIG;
aD Relao entre o nmero de espiras do estator e rotor doDFIG;
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BB Coeficiente de atrito doBDFIG;
BDCoeficiente de atrito doDFIG;
Bo(s) FT contnua do sustentador de ordem zero;
C Valor do capacitor do barramento CC; [F]
Cb Valor da capacitncia por fase do banco capacitivo na rede; [F]
Cp Coeficiente de potncia da turbina elica;
Cpmax Coeficiente de potncia mximo da turbina elica;
dq Sistemas de eixos ortogonais d(direto) e q(quadratura);
evds, evqs Erros entre as tenses dqda rede e do estator doDFIGdurante
o processo de sincronismo;
[V]
GcfB(z) FT discreta do controlador PI do PLL do clculo de p;
GcfD(z) FT discreta do controlador PI do PLL do clculo de s;
GciB(z) FT discreta do controlador PI das malhas de correntes dqdo
enrolamento de controle doBDFIG;
GciD exp(z) FT discreta do controlador PI das malhas de controle de
corrente no rotor doDFIGimplementado experimentalmente;
GciD(z) FT discreta do controlador PI das malhas de controle corrente
no rotor doDFIG;
Gcie(z) FT discreta do controlador PI das malhas de controle de
correntes dqdo conversor do lado da rede;
GcQp(z) FT discreta do controlador PI da malha de controle de potncia
reativa do enrolamento de potncia doBDFIG;
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GcQs(z) FT discreta do controlador PI da malha de controle de potncia
reativa do estator doDFIG;
GcvB(s) FT contnua do controlador PI de velocidade doBDFIG;
GcVc(z) FT discreta do controlador PI da malha de tenso Vc;
GcvD(s) FT contnua do controlador PI da malha de velocidade do
DFIG;
GcvD(z) FT discreta do controlador PI da malha de velocidade do
DFIG;
GcVe(z) FT discreta do controlador PI do PLL da posio do vetor
tenso Ve;
GiD(z) FT discreta do produto de GiD(s) com Bo(s);
Gie(z) FT discreta em malha fechada da malhas de controle de
corrente idedo conversor do lado da rede;
GiFD(z) FT discreta em malha fechada das malhas de controle de
corrente dqno rotor doDFIG;
GpiB(s) FT contnua da planta das malhas de correntes dqdo
enrolamento de controle doBDFIG;
Go(z) FT discreta em malha aberta do ramo direto;
GpiB(z) FT discreta da planta das malhas de correntes dqdo
enrolamento de controle doBDFIG;
GpiD(s) FT contnua da planta das malhas de controle de corrente dq
no rotor doDFIG;
GpiD(z) FT discreta da planta das malhas de correntes dqdo rotor do
DFIG;
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GQs(z) FT discreta em malha fechada da planta da malha de controle
de potncia reativa doDFIG;
ip, ip Correntes no enrolamento de potncia doBDFIG; [A]
is, is Correntes no enrolamento do estator doDFIG; [A]
iar, ibr, i
cr Correntes abcno circuito do rotor doDFIG; [A]
idc, iqc Correntes dqno enrolamento de controle doBDFIG; [A]
i
dr, i
qr Correntes dqno circuito do rotor doDFIG; [A]
ia, ib, ic Correntes abcnas fases do conversor do lado da rede; [A]
iac, ibc, icc Correntes abcnas fases do enrolamento de controle doBDFIG
referidas ao enrolamento de potncia;
[A]
iap, ibp, icp Correntes abcde fases do enrolamento de potncia doBDFIG; [A]
iAs, iBs, iCs Correntes de linha abcno circuito do estator doDFIG; [A]
icap Corrente no capacitor do barramento CC; [A]
idc, iqc Correntes dqno enrolamento de controle doBDFIGreferidas
ao enrolamento de potncia;
[A]
ide, iqe Correntes nos eixos dqdo conversor do lado da rede; [A]
idp, iqp Correntes dqno enrolamento de potncia doBDFIG; [A]
idr, iqr Correntes dqno circuito do rotor doDFIGouBDFIGreferidas
ao enrolamento do estator ou de potncia;
[A]
ids, iqs Correntes dqno circuito do estator doDFIG; [A]
iL Corrente de carga do barramento CC; [A]
ims Corrente magnetizante doDFIG; [A]
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io Corrente fornecida ao barramento CC pelo conversor do lado
da rede;
[A]
iqm, idm Correntes dqna indutncia magnetizante doDFIG; [A]
iqrfe, idrfe Correntes dqna resistncia rfer referidas ao estator doDFIG; [A]
iqsfe, idsfe Correntes dqna resistncia rfes doDFIG; [A]
ir Correntes abcno rotor referidas ao estator doDFIG; [A]
is Correntes abcno estator doDFIG; [A]
JB Coeficiente de inrcia doBDFIG; [kg m2]
JD Coeficiente de inrcia doDFIG; [kg m2]
Kc Ganho dos controladores PI no formato zero-plo;
L Indutncia da reatncia; [H]
Llr Indutncia de disperso do circuito do rotor doDFIG; [H]
Lls Indutncia de disperso do circuito do estator doDFIG; [H]
Lm Indutncia magnetizante doDFIG; [H]
Lmc Indutncia mtua entre o enrolamento de controle e do rotor do
BDFIG;
[H]
Lmp Indutncia mtua entre os enrolamentos de potncia e do rotor
doBDFIG;
[H]
Lp, Lr, Lc Indutncia prpria dos enrolamentos de potncia, rotor e
controle doBDFIG;
[H]
Lr Indutncia prpria do circuito do estator doDFIG; [H]
Ls Indutncia prpria do circuito do estator doDFIG; [H]
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P Nmero de pares de plos doDFIG;
Pe Potncia ativa do conversor do lado da rede; [W]
Pe(nom) Potncia nominal do conversor do lado da rede; [W]
Pmec Potncia mecnica aplicada ao eixo do gerador; [W]
PMFQs Posio do plo da FT em malha fechada da malha de controle
de controle de potncia reativa no estator doDFIG;
pp, pc Nmero de pares de plos dos enrolamentos de potncia e de
controle doBDFIG;
Pp, Pc, Prede Potncia ativa no enrolamento de potncia, no enrolamento de
controle e na rede;
[W]
Ps,Pr Potncia ativa no estator e rotor doDFIG; [W]
Qcap Potncia reativa compensada pelo banco capacitivo; [VAr]
Qe Potncia reativa do conversor do lado da rede; [VAr]
Qp, Qc,Qrede Potncia reativa no enrolamento de potncia, no enrolamento
de controle e na rede;
[VAr]
Qs, Qr Potncia reativa no estator e rotor doDFIG; [VAr]
R Resistncia interna da reatncia; []
rfer Resistncia de perdas no ferro do rotor doDFIG; []
rfes Resistncia de perdas no ferro do estator doDFIG; []
rp, rr, rc Resistncia dos enrolamentos de potncia, rotor e controle do
BDFIG;
[]
s Escorregamento do gerador;
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Sp, Sc, Srede Potncia aparente nos enrolamentos de potncia, de controle e
na rede;
[VA]
Tch Perodo de chaveamento do conversor; [s]
Te Torque eletromagntico; [Nm]
Tep, Tec Torque eletromagntico produzido pelo enrolamento de
potncia e de controle doBDFIG;
[Nm]
Tmec Torque mecnico no eixo do gerador; [Nm]
tr5% Tempo de acomodao (settling time) a 5%; [s]
Ts Passo de clculo da simulao (200 s); [s]
Tsb Passo de clculo base da simulao (2 s); [s]
Vs, Vs Tenses do estator nos eixos de referncia ; [V]
Vs, Vs Tenses geradas no estator doDFIGdurante o processo desincronismo;
[V]
vdc, vqc Tenses dqno enrolamento de controle doBDFIG; [V]
vdr, vqr Tenses dqno circuito do rotor doDFIG; [V]
vds, vqs Tenses dqgeradas no estator doDFIGdurante o processo de
sincronismo;
[V]
Va, Vb, Vc Tenses abcde fase da rede; [V]
Vabp, Vcap Tenses de linha abe ca do enrolamento de potncia; [V]
Vabs, Vcas Tenso entre as fases ae be fases ce a do estator; [V]
Vae, Vbe, Vce Tenses abcde fase do conversor do lado da rede; [V]
Vap, Vbp, Vcp Tenses abcde fase do enrolamento de potncia doBDFIG; [V]
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Vas mx Tenso Vade pico aplicada no estator doDFIG; [V]
Vabs mx Tenso Vabde pico aplicada no estator doDFIG; [V]
Vas, Vbs, Vcs Tenses abcde fase do estator doDFIG; [V]
Vc Tenso no lado CC do conversor; [V]
vdc, vqc Tenses dq no enrolamento de controle do BDFIG referidas ao
enrolamento de potncia;
[V]
vdp, vqp Tenses dqno enrolamento de potncia doBDFIG; [V]
vdr, vqr Tenses dqno circuito do rotor doDFIGouBDFIGreferidas
ao estator ou ao enrolamento de potncia;
[V]
vds, vqs Tenses dqno estator doDFIG(durante o processo de
sincronismo so iguais s tenses dqda rede);
[V]
Ve Vetor tenso da rede; [V]
VL Tenso eficaz de linha da rede; [V]
Vv Velocidade do vento; [m/s]
X/R Relao entre a reatncia e resistncia da fonte de alimentao;
Zc Posio do zero dos controladores PI no formato zero-plo;
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CAPTULO 1
1 INTRODUO GERAL
1.1 Preliminares
O grande desafio que enfrentamos hoje no setor energtico atender a crescente
demanda de energia eltrica com o mnimo impacto ao meio ambiente. O mundo est cada
vez mais preocupado com os crescentes nveis de emisso de CO2que contribuem para o
aquecimento global e mudanas climticas. As fontes renovveis de energia podem
desempenhar um papel importante na soluo do dilema de aumento da capacidade de
produo de energia minimizando a interferncia no meio ambiente [1].Dentre as formas ecologicamente corretas de produo de energia, a energia elica
uma das tecnologias mais eficazes disponveis hoje para adoo em escala global, com
eficcia em magnitude suficiente para responder a esses problemas. Sua instalao muito
mais rpida do que as demais opes. Esse um fator crucial em economias que
apresentam rpido crescimento na demanda energtica.
A gerao de energia eltrica a partir da fora do vento um desenvolvimento
relativamente recente, final do sculo XIX. Ganhou importante impulso a partir da dcada
de 70, com a crise mundial do petrleo. Muitos governos repensaram suas polticas
energticas e, como conseqncia, comearam a investir mais em pesquisas e no
desenvolvimento tecnolgico de fontes renovveis de energia, onde a energia elica
demonstrou ser uma das mais promissoras. Mais recentemente, questes ecolgicas
resultaram em um novo impulso na utilizao das chamadas fontes energticas limpas, no
poluidoras.
Atualmente, a utilizao dos chamados aerogeradores para a obteno da energia
eltrica a partir da energia do vento vem ganhando destaque. Nas ltimas dcadas, vem
crescendo o interesse na utilizao dos aerogeradores, muitas vezes formando conjuntos
denominados fazendas elicas (Wind farms) ou parques elicos, interligados s redes
eltricas convencionais de grande porte, operando em conjunto com fontes convencionais
de energia. Exemplos desse tipo de arranjo podem ser encontrados em vrias partes do
mundo, principalmente na Europa e nos Estados Unidos.
Existem basicamente duas categorias de sistemas elicos: os de velocidade constante
e os de velocidade varivel. Em aplicaes de velocidade fixa, mquinas de induo com
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2
rotor em gaiola tm sido usadas como geradores conectados diretamente rede eltrica
devido sua simplicidade, robustez. Devido capacidade do gerador de induo com rotor
de gaiola de manter a velocidade praticamente constante na faixa de operao normal estes
sistemas so considerados de velocidade constante. Este conceito foi bastante aplicado na
dcada de 80 e 90 [2] e ainda utilizado hoje em dia em sistemas que priorizam o baixo
custo e simplicidade. Estes sistemas tm a desvantagem de exigir um multiplicador de
velocidade para adaptar a baixa velocidade de rotao da turbina elica , relativamente,
elevada velocidade de operao dos geradores de induo, normalmente de 4 ou 6 plos.
Pode-se obter um melhor aproveitamento da energia do vento utilizando solues com
velocidade varivel. Sistemas de velocidade varivel so mais complexos e exigem a
interveno de conversores estticos. Dois tipos de geradores so encontrados emaplicaes de velocidade varivel em turbinas de mdio e grande porte: o gerador sncrono
e o de induo. Atualmente alguns fabricantes de turbinas elicas utilizam o gerador
sncrono com grande nmero de plos e acoplamento direto turbina elica. Neste caso, a
vantagem que se trata de um sistema sem escovas e sem multiplicador de velocidade e a
desvantagem que o conversor eletrnico, que se interpe entre os terminais do gerador e
a rede, dimensionado pela potncia nominal do gerador. Com o intuito de reduzir o custo
do conversor, outros fabricantes esto utilizando o gerador de induo de rotor bobinado[2], ou mais conhecido na literatura internacional como DFIG (Doubly Fed Induction
Generator). O rotor mecanicamente acoplado turbina elica atravs de um
multiplicador de velocidade (gearbox). O circuito do estator ligado rede eltrica de
tenso e freqncia fixa, enquanto o circuito do rotor ligado rede atravs de um
conversor de freqncia na configurao back-to-back,permitindo um fluxo de potncia
bidirecional no rotor de acordo com a velocidade do gerador. A vantagem desta soluo a
baixa potncia do conversor, normalmente da ordem de 30% da potncia nominal dogerador.
Os primeiros sistemas utilizando o DFIG como gerador de velocidade varivel
empregavam um circuito retificador a diodo e um inversor a tiristor com comutao pela
linha, cuja funo era simplesmente devolver rede a potncia no circuito do rotor [3].
Entretanto, estes sistemas eram limitados operao apenas na regio supersncrona do
gerador. Atravs da utilizao de circuitos eletrnicos totalmente controlados no rotor, o
fluxo de potncia no rotor pode ser bidirecional. Isto possibilitou a operao do DFIGna
velocidade subsncrona e supersncrona. Em [4] realizada uma anlise em regime
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3
permanente doDFIGnas regies subsncrona e supersncrona com um circuito totalmente
controlado no rotor. Neste caso, o mdulo e a direo da potncia no rotor foram
controlados visando a otimizao de potncia entregue rede.
Em [5] foi apresentado um sistema elico de velocidade varivel com o DFIG
empregando dois conversores PWMno rotor conectados na forma Back-to-back. Com a
aplicao do controle vetorial, a potncia ativa e reativa foi controlada tanto acima quanto
abaixo de velocidade sncrona do gerador. Foram apresentados resultados experimentais
para um gerador de 7,5kW, 415 V, 50 Hz. Os resultados demonstraram uma operao
suave do controle em toda a faixa de velocidade doDFIGcom baixa distoro de corrente
injetada na rede.
Em [6], o modelo dinmico e o controle vetorial doDFIGso analisados atravs de
resultados de simulao e experimentais para um sistema elico com 1,5 MW.
ODFIG uma soluo utilizada nos modernos geradores elicos com potncias da
ordem de at 5 MW. Este sistema de gerao, apesar de ser uma soluo tcnica e
economicamente vivel, apresenta a desvantagem de exigir a manuteno das escovas.
Como em sistemas elicos o baixo ndice de manuteno e a confiabilidade so pontos
importantes no sentido de tornar esta forma de energia competitiva, tem-se pesquisado o
uso do gerador de induo duplamente alimentado sem escovas ou BDFIG (BrushlessDoubly Fed Induction Generator). Este gerador associa as vantagens do DFIG e no
necessita de escovas, o que o torna mais confivel e reduz os custos de manuteno.
A mquina de induo duplamente alimentada sem escovas foi proposta no incio do
sculo passado [7]. Recentemente, vrios autores desenvolveram o conceito do BDFIG
[8,9]. O controle vetorial doBDFIGtem sido desenvolvido com o objetivo de substituir o
DFIGem aplicaes de sistemas elicos [10,11,12].
1.2 Objetivos gerais
Este trabalho resultado de um acordo de cooperao de intercmbio cientfico e
tecnolgico entre a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e a WEG S/A firmado
em setembro de 2004. Este acordo visa a pesquisa e desenvolvimento de conversores e
estratgias de controle para o uso em geradores assncronos duplamente alimentados.
Esta tese tem como principal objetivo a anlise dinmica do DFIG e BDFIG com
aplicao em sistemas elicos.
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4
1.2.1 Objetivos especficos
Caracterizar o estado da arte dos sistemas elicos dando enfoque aos
sistemas velocidade varivel onde os geradores duplamente alimentados
so utilizados;
Descrever e analisar matematicamente o modelo dinmico e o controle
vetorial doDFIG;
Implementar o modelo e o controle vetorial doDFIGno modo discreto no
ambiente de Simulao doMatlab/Simulink/SymPowerSystems;
Implementar o controle vetorial do DFIG em um prottipo utilizando o
microprocessador SH7047, fabricado pela Hitachi, com a finalidade de
controle de um prottipo doDFIGde 3 kW;
Obter os resultados experimentais para validar o modelo e o controle do
DFIGde 3kW;
Desenvolver e implementar estratgias de sincronizao do DFIG com a
rede eltrica;
Desenvolver e implementar o modelo e o controle vetorial do BDFIGem
ambiente de simulao doMatlab/Simulink/SymPowerSystems;
Realizar uma anlise comparativa entre oBDFIGe oDFIGem sistemas de
energia elica;
Analisar e propor solues de correo do fator de potncia no BDFIG
visando a reduo do custo e tamanho dos conversores de potncia.
1.3 Contribuies do trabalho
Dentro do objetivo principal desta tese podem-se destacar como principais
contribuies:
O modelo e o sistema de controle digital doDFIGeBDFIGimplementados
em simulao no Matlab/Simulink/SimPowerSystem. Isto facilita a gerao
do programa de controle num microcontrolador ou DSP;
A implementao experimental e em simulao de uma estratgia de
sincronizao aplicada na partida do sistema com oDFIG;
A anlise comparativa entre os prottipos de 75 kW do DFIG e BDFIG
com aplicao em sistemas elicos;
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5
A anlise de estratgias de compensao de potncia reativa no prottipo
doBDFIGde 75 kW;
Em funo da parceria entre a UFSC e a empresa WEG S.A. no
desenvolvimento de novas tecnologias de controle do DFIG e BDFIG, a
transferncia de tecnologia para esta empresa tambm uma importante
contribuio deste trabalho.
1.4 Organizao da tese
Esta tese organizada em 10 captulos, 2 apndices e referncias bibliogrficas. Os
captulos 1 e 10 se referem introduo e concluso, respectivamente. O tema
abordado nos captulos restantes, sendo brevemente descritos nos prximos pargrafos.
No captulo 2 so apresentados conceitos relativos aos modernos aerogeradores
produzidos atualmente pela indstria. So apresentados os principais tipos de geradores
utilizados em sistema elicos. Tambm so apresentados dados, segundo o GWEC, do
panorama da potncia elica instalada no mundo.
No captulo 3, o modelo da turbina elica apresentado e analisado. O conceito da
trajetria de mxima transferncia de potncia das turbinas desenvolvido. So
apresentados tambm os princpios aerodinmicos que definem as foras atuantes sobre os
perfis das ps da turbina elica. Uma turbina elica de 4 kW modelada e sua
caracterstica de potncia em funo de sua velocidade mostrada.
Nos captulos 4 e 5, um prottipo de um sistema elico de 4 kW baseado numDFIG
foi modelado e analisado em simulao. A estratgia de controle, desenvolvida em
simulao, foi convertida em linguagem C para a programao de um microcontrolador da
Hitachi(SH7042).
O sistema experimental baseado em um DFIG de 3 kW descrito no captulo 6.
Com o objetivo de desenvolvimento de um produto comercial, o hardware utilizado no
sistema experimental baseado na integrao da placa de controle SCA 04
(Servoconversor de Corrente Alternada Modelo 04) com o circuito de potncia do
conversor de freqncia CFW 09 (Conversor de Freqncia WEG Modelo 09). Neste
mesmo captulo 6, so obtidos resultados experimentais que validam a modelagem e a
simulao realizada.
No captulo 7 realizada uma anlise da modelagem dinmica de um prottipo doBDFIG de 75 kW. O modelo e o sistema de controle do BDFIG foi desenvolvido e
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6
implementado em simulao no Matlab/Simulink/SimPowerSystems. So apresentados os
resultados de simulao que demonstram o funcionamento do modelo e do sistema de
controle doBDFIG.
No captulo 8 desenvolvido, em simulao, um sistema que permite uma anlise
comparativa de desempenho entre oBDFIGe oDFIGem um sistema elico com potncia
nominal igual a 100 kW.
No captulo 9 realizada uma anlise de 4 diferentes estratgias de correo do fator
de potncia do BDFIGde 75 kW. realizada uma anlise das potncias ativa e reativa e
das correntes nos enrolamentos da mquina e no conversor do lado da rede. As estratgias
apresentadas neste captulo consideram que o conversor do lado da rede seja utilizado na
correo do fator de potncia do BDFIG em conjunto com o conversor do lado doenrolamento de controle. Alm disso, so verificadas as vantagens e desvantagens do uso
de um banco capacitivo ligado aos terminais da rede com intuito de compensao do fator
de potncia doBDFIG via enrolamento de potncia.
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7
CAPTULO 2
2 SISTEMAS ELICOS ESTADO ATUAL DA ARTE
2.1 Introduo
A fora dos ventos j era utilizada desde a antiguidade com os barcos vela,
moinhos, sistema de irrigao entre outros. Nos tempos modernos, a partir da dcada de
70, com a crise no setor petrolfero, a gerao de energia eltrica a partir da energia elica
ganhou impulso gerando interesses comerciais no setor. Desde ento, a capacidade
individual das turbinas elicas cresceu desde algumas dezenas de kW at acima dos 4MW.
Uma das turbinas elicas comerciais de maior potncia individual instalada atualmente aEnercon E112, mostrada na Figura 2.1, com uma potncia de 4,5 MW e dimetro de
112m.
Figura 2.1 - Turbina elica de alta potncia Enercon E112 com potncia de 4,5MW e
dimetro de 112 m.
Neste captulo, sero apresentados tpicos relativos ao estado da arte no campo das
turbinas elicas. Os principais componentes dos modernos aerogeradores sero
apresentados, bem como, conceitos relativos ao controle aerodinmico de potncia
aplicado s turbinas elicas. Sero discutidas as diversas configuraes dos sistemas
elicos sob o ponto de vista do gerador eltrico utilizado. Sero tambm apresentados
dados que revelam o panorama mundial da energia elica, segundo dados do GWEC.
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2.2 Aerogeradores e seus componentes
O termo aerogerador se refere s modernas turbinas elicas fabricadas atualmente.
Um aerogerador constitudo de vrios componentes que devem trabalhar em harmonia de
forma a propiciar um maior rendimento final. A seguir esto listados os principais
componentes de um aerogerador [13]:
Ps - As ps ou hlices so responsveis pela captura da energia do vento e sua
transferncia para o eixo da turbina. Os modernos aerogeradores possuem ps, cujo
dimetro de sua circunferncia varrida varia de aproximadamente 20 m at 120m;
Cubo (Hub) - responsvel pela fixao das ps no rotor (de baixa rotao) do
aerogerador;
Multiplicador de velocidade (gearbox) - realiza o acoplamento do rotor de baixa
rotao ao rotor do gerador (alta rotao);
Gerador eltrico - converte a energia mecnica rotacional em energia eltrica. Pode
ser assncrono (de induo) ou sncrono;
Mecanismo de orientao (Yaw mechanism) - mecanismo de ajuste da direo do
aerogerador de acordo com a direo do vento;
Controle eletrnico - Constitudo por um controlador eletrnico responsvel pelo
controle contnuo do gerador eltrico e/ou de mecanismos, como por exemplo,controle da potncia ativa e reativa entregue rede, ajuste de direo do aerogerador
(yaw mechanism), controle de passo (pitch control), etc;
Sistema hidrulico - Responsvel pelo acionamento do mecanismo de controle de
passo e freio mecnico;
Torre- Sustenta o aerogerador na altura onde os ventos possuem melhores condies
para o aproveitamento elico.
As turbinas elicas utilizadas nos aerogeradores modernos de mdia e alta potncia(de500kW a 5MW), geralmente so de eixo horizontal, utilizam trs ps com controle de
passo e so sustentadas por uma torre do tipo tubular [13]. O aspecto visual deste tipo de
turbina semelhante ao mostrado na Figura 2.1.
2.3 Turbinas com controle de estol (stall) e passo (picth)
Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princpios de controle
aerodinmico para limitar a extrao de potncia na potncia nominal do aerogerador. So
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chamados de controle de estol (stall) e controle de passo (pitch). No passado, a maioria dos
aerogeradores usava o controle de estol simples; atualmente, entretanto, com o aumento do
tamanho das mquinas, os fabricantes esto optando pelo sistema de controle de passo que
oferece maior flexibilidade na operao das turbinas elicas [2,13]
O controle de estol um sistema passivo que reage velocidade do vento. As ps do
rotor so fixas em seu ngulo de passo e no podem girar em torno de seu eixo
longitudinal. O ngulo de passo escolhido de forma que, para velocidades de vento
superiores a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da p do rotor descola
da superfcie da p, reduzindo as foras de 1sustentao e aumentando as foras de 2arrasto.
Sob todas as condies de ventos superiores velocidade nominal, o escoamento em torno
do perfil das ps da turbina , pelo menos parcialmente, descolado da superfcieproduzindo menores foras de sustentao e elevadas foras de arrasto. Menores foras de
sustentaes e maiores foras de arrastos atuam contra um aumento da potncia do rotor.
Para evitar que o efeito de estol ocorra em todas as posies radiais das ps ao mesmo
tempo, o que reduziria significativamente a potncia do rotor, as ps possuem uma
pequena toro longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.
O controle de passo, por sua vez, um sistema ativo que normalmente necessita de
uma informao vinda do controlador do sistema. Sempre que a potncia nominal dogerador ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do vento, as ps do rotor giram
em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as ps mudam o seu ngulo de
passo para reduzir o ngulo de ataque. Esta reduo do ngulo de ataque diminui as foras
aerodinmicas atuantes e, consequentemente, a extrao de potncia. Para todas as
velocidades do vento superiores nominal, o ngulo escolhido de forma que a turbina
produza apenas a potncia nominal.
Sob todas as condies de velocidade de vento inferior nominal, o escoamento emtorno do perfil das ps do rotor bastante aderente superfcie produzindo sustentao
aerodinmica e pequenas foras de arrasto.
1Fora de sustentao: fora ao longo da p da turbina no sentido perpendicular direo do vento
(produz torque mecnico rotacional).
2
Fora de arrasto: fora sobre a p na mesma direo do vento (no produz torque mecnicorotacional).
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10
2.4 Configurao dos sistemas elicos sob ponto de vista do gerador
eltrico
Outro conceito introduzido na indstria diz respeito ao gerador eltrico utilizado,
onde diversas configuraes esto sendo atualmente empregadas. Nos ltimos 15 anos,
alguns fabricantes de aerogeradores esto substituindo o tradicional gerador de induo
tipo gaiola por geradores sncronos, enquanto outros esto optando pelo uso de geradores
de induo duplamente alimentados de rotor bobinado [2].
A Figura 2.2 mostra um sistema elico de velocidade fixa que utiliza o gerador de
induo com rotor em gaiola. Alguns sistemas deste tipo podem operar em duas
velocidades diferentes atravs da mudana do nmero de plos do gerador realizada pela
alterao da forma de conexo dos enrolamentos. O multiplicador de velocidade
necessrio para realizar o acoplamento da turbina elica com o gerador eltrico. Conforme
mostra a Figura 2.2, um circuito de partida soft starter utilizado para realizar a conexo
do gerador rede eltrica na entrada em operao. O banco de capacitores tem a funo de
compensar a energia reativa consumida pelo gerador.
Figura 2.2 - Sistema elico de velocidade fixa com gerador de induo de rotor em gaiola.
A Figura 2.3 mostra um esquema de um sistema elico com gerador de induo de
rotor bobinado. De forma semelhante ao caso anterior, neste sistema, o multiplicador de
velocidade tambm necessrio para adaptar a velocidade da turbina do gerador. O
circuito do estator do gerador de induo conectado diretamente rede eltrica. Entre o
circuito do rotor e a rede um conversor de potncia back-to-back (bidirecional em
potncia) inserido a fim de controlar o fluxo de potncia no estator mesmo em velocidade
varivel. Este sistema vem sendo cada vez mais utilizado, pois alm da operao em
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velocidade varivel, o conversor de potncia da ordem de 20 a 30% da potncia nominal
do gerador.
Figura 2.3 - Sistema elico de velocidade varivel com gerador de induo
de rotor bobinado.
A Figura 2.4 mostra um sistema elico onde o gerador acoplado diretamente ao
eixo da turbina. Portanto, no utiliza o multiplicador de velocidade. Neste sistema utiliza-
se um gerador sncrono com ms permanentes ou bobinas no rotor que pode ser construdo
com grande nmero de plos. Isto permite a operao do gerador em baixas velocidades,
sendo possvel o acoplamento direto turbina elica. O conversor de potncia ligado ao
gerador, que deve possuir a mesma potncia do gerador, permite a operao do sistema em
velocidade varivel [2,13,14].
Figura 2.4 - Sistema elico de velocidade varivel com gerador sncrono.
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2.5 Panorama mundial da energia elica
Segundo dados do GWEC(Global Wind Energy Council), em dezembro de 2006, a
capacidade mundial de potncia elica instalada era de 74.223 MW. No ano de 2006 foram
instalados 15.197 MW no mundo todo, representando um aumento de 25,6% na
capacidade elica instalada s naquele ano.
A Figura 2.5 mostra o grfico do panorama mundial da potncia elica instalada
destacando os dez pases lderes neste setor. Na Europa, principalmente nos pases com
bom potencial elico e polticas favorveis, a indstria da energia elica tem crescido
substancialmente nos ltimos anos e respondem por 48.545 MW (65% do total mundial).
20622
11615 11603
6270
3136 2604 2123 1963 1716 1567
11004
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
Alem
anha
Esp
anha
EUA
India
Dinam
arca
China
Italia UK
Portu
gal
Frana
Outrosp
ases
Potncia(MW)
Figura 2.5 - Panorama mundial da potncia elica instalada no final do ano de 2006.
No perodo 1995-2006 o crescimento mdio anual da gerao elica no mundo foi de
28,4%. A capacidade instalada acumulada neste mesmo perodo mostrada na Figura 2.6.
Na Amrica do Sul, o Brasil assumiu uma posio de liderana no potencial elico
instalado, conforme mostra a Figura 2.7. No final de 2005, o Brasil possua apenas
29MW. Com a criao do PROINFA (Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de
energia), durante o ano de 2006 foram instalados 208 MW, totalizando 237 MW de
potncia elica instalada no final de 2006.
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13
4.800 6.1007.600
10.20013.600
17.400
23.900
31.100
39.431
47.620
59.091
74.223
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
80.000
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Potncia(MW)
Figura 2.6 - Potncia elica instalada acumulada no perodo de 1995-2006.
237
8874
35 27 20 207
0
50
100
150
200
250
Brasil Mxico Costa Rica Regio do
Caribe
Argentina Colombia Jamaica Outros
pases
Potncia(MW)
Figura 2.7 - Sete pases da Amrica do Sul e Regio do Caribe com maior potncia elica
instalada no final do ano de 2006 (MW).
2.6 Concluso
Neste captulo foram descritos os principais componentes de um sistema elico
utilizados atualmente. Os principais tipos de geradores utilizados em sistemas elicos
foram apresentados. O Gerador de induo com rotor bobinado vem ganhando espao
neste campo, pois possibilita a operao em velocidade varivel com baixo custo do
conversor eletrnico de potncia. Para sistemas de alta potncia, esta opo torna-se
bastante vantajosa.
O crescimento verificado na capacidade elica instalada, no Brasil e no mundo,
mostra que este setor tem potencial para se tornar um empreendimento dinmico e
inovador, ajudando a satisfazer as demandas globais por energia e a deslanchar uma novaera de crescimento econmico, progresso tecnolgico e proteo ambiental.
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CAPTULO 3
3 SISTEMAS DE ENERGIA ELICA PRINCPIOS DE
CONVERSO DE ENERGIA
3.1 Introduo
As turbinas elicas so mquinas que transformam a energia cintica dos ventos em
energia mecnica rotacional, que tanto pode ser usado como tal, como tambm pode ser
transformada em energia eltrica atravs de um gerador eltrico.
Neste captulo sero apresentadas as caractersticas que definem o modelo
aerodinmico da turbina elica, como por exemplo, o clculo de potncia extrada do ventoe a trajetria de mxima potncia.
3.2 Potncia de uma turbina elica
Uma turbina elica capaz de transformar a energia cintica do vento em energia
mecnica rotacional e pode ser vista como um motor cujo nico combustvel o vento.
A potncia extrada do vento por uma turbina pode ser calculada pela seguinte
expresso:
3p
1 A C (,)
2m vP V= (3.1)
O rendimento de uma turbina elica fortemente influenciado pelo coeficiente de
potncia Cp(,), cujo valor pode variar de 0 at 0,59. O limite superior conhecido como
limite de Betz. Este limite afirma que a mxima potncia extrada por uma turbina elica
de 59% da energia total de uma coluna de ar que atravessa a rea varrida pelas ps [13].
Dentro dos limites mnimo (zero) e mximo (0,59), o coeficiente de potncia Cpvaria com
e . O valor de calculado pela equao:
R= t
vV
(3.2)
Uma equao genrica usada para clculo de Cp(,). Esta equao baseada nas
caractersticas aerodinmicas da turbina [15]
( )
5c-
2 p 1 3 4 6
cC , = c -c -c e +c
(3.3)
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15
onde:
3
1 1 0.035= -
+0.08 +1 (3.4)
Os parmetros c1, c2, c3, c4e c5dependem da caracterstica aerodinmica da turbina.
Para uma turbina moderna estes parmetros so obtidos empiricamente: c1 = 0,5176;
c2= 116; c3= 0,4; c4= 5; c5= 21; c6= 0,0068.
A Figura 3.1 mostra o comportamento de Cpem funo de para diferentes valores
de , de acordo com o modelo definido pelas equaes (3.3), (3.4) e os parmetros
definidos acima. Neste caso especfico, o mximo valor de Cp(Cpmx= 0,48) encontrado
para = 8,1. Este valor de definido como nominal (nom).
Figura 3.1 - Comportamento de Cpem funo de e .
3.3 Trajetria de mxima potncia
Atravs da Figura 3.1 e da equao (3.2), conclui-se que existe uma relao tima
entre a velocidade de operao de uma turbina elica e a velocidade do vento para se obter
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16
a mxima potncia. Portanto, se a velocidade da turbina for alterada de forma a manter
no seu valor nominal, a potncia extrada pela turbina mxima.
A Figura 3.2 mostra a trajetria de mxima potncia de uma turbina elica para
vrias velocidades de vento. A cada velocidade de vento, o ponto de mxima potncia
ocorre em diferentes velocidades de operao da turbina. Se a cada velocidade de vento a
velocidade da turbina for adaptada, ocorrer um ganho de energia produzida. De acordo
com [16,17], nos sistemas elicos com velocidade varivel, o ganho de energia pode variar
de 3 a 28% quando comparados com os sistemas de velocidade fixa, dependendo das
condies do vento e dos parmetros da prpria turbina elica.
Figura 3.2 - Trajetria de mxima potncia.
3.4 Caracterstica de uma turbina de 4 kW
Na prtica, uma turbina elica no pode operar sobre a trajetria de mxima potncia
para qualquer velocidade de vento. Existem limites prticos de velocidade mnima e
mxima de operao da turbina que necessitam ser respeitados.
A Figura 3.3 representa a trajetria de mxima potncia de uma turbina elica com
potncia nominal igual a 4 kW em funo da velocidade de um gerador eltrico (DFIGde60 Hz, 4 plos). Neste caso, foi escolhida uma faixa de variao de velocidade de 30% em
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17
torno da velocidade sncrona (1800 rpm) doDFIG. Entre os limites de velocidade mnima
e mxima a potncia varia de acordo com a linha tracejada entre o intervalo A-D. Este
intervalo pode ser dividido em trs diferentes subintervalos:
Subintervalo A-B- neste intervalo a turbina elica opera com velocidade constante
no seu valor mnimo. Neste trabalho, a velocidade mnima da turbina elica de 4 kW ser
ajustada tal que o gerador opere na velocidade mnima de 1260 rpm (30% abaixo da
velocidade sncrona);
Subintervalo B-C- Neste intervalo a velocidade da turbina elica ajustada de modo
que a potncia seja mxima para cada velocidade de vento. Neste intervalo a turbina
realiza a trajetria de mxima potncia (Maximum Power Tracking);
Subintervalo C-D- Neste intervalo a potncia varia de acordo com a velocidade dovento e a velocidade da turbina mantida constante no seu valor mximo.
A potncia nominal do sistema atingida na velocidade de vento igual a 11,5 m/s e
velocidade do gerador igual a 2340 rpm. Na Figura 3.3, o ponto Dindica a operao do
sistema nestas condies. O ponto A define o inicio da operao do sistema com a
velocidade de vento de 5 m/s e velocidade do gerador de 1260 rpm.
Figura 3.3 - Comportamento da potncia extrada pela turbina em funo da velocidade
de rotao do gerador para diferentes velocidades de vento.
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18
A potncia extrada do vento pela turbina elica definida pela equao (3.1) e,
conhecendo sua velocidade, o torque imposto ao eixo do gerador pode ser obtido:
mec
mecr
P
T = (3.5)
A turbina elica impe um torque ao eixo do gerador e a velocidade imposta pelo
torque eletromagntico do gerador. Este modo de ajuste de velocidade, onde a equao
(3.2) obedecida com no seu valor nominal, vlido entre os pontos de mnima e
mxima velocidade do gerador. Quando a velocidade do vento ultrapassar seu valor
nominal, o aumento do ngulo de passo () ir limitar a energia capturada pela turbina
atravs da reduo do valor de Cp, de forma a manter a potncia constante no seu valor
nominal.
A Figura 3.4 mostra as curvas de potncia e do ngulo de passo em funo da
velocidade do vento. Abaixo da velocidade de vento nominal, de 11,5 m/s, o ngulo de
passo igual a zero mantendo as condies de mximo aproveitamento da energia do
vento. Quanto a velocidade do vento ultrapassa o valor nominal, a potncia da turbina
limitada em seu valor nominal atravs do aumento do valor de . A velocidade do vento
mxima de operao da turbina de 25 m/s. Acima deste valor, o sistema desligado, as
ps da turbina so levadas posio de embandeiramento (mnima fora de sustentao) e
atravs de um freio mecnico a turbina travada.
Figura 3.4 Curvas da potncia e ngulo de passo em funo da velocidade do vento.
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19
3.5 Concluso.
Neste captulo foram apresentados os principais conceitos de converso
aerodinmica de energia aplicada s turbinas elicas. Atravs de conceitos aerodinmicos,
o modelo matemtico que descreve o comportamento da turbina elica foi analisado.
Conforme o modelo apresentado, a potncia extrada dos ventos por uma turbina elica
depende da velocidade de vento ao cubo. P ara uma variao na velocidade do vento, por
exemplo, de 10 para 11m/s, a potncia captada aumenta em 33,1%. Devido a esta grande
dependncia entre a potncia e velocidade do vento, para que um determinado local tenha
um bom potencial de produo de energia elica, conveniente ter condies de alta
velocidade com mnima variao dos ventos.
As curvas de potncia em funo da velocidade da turbina para diferentes valores de
velocidade de vento salientam a grande vantagem dos sistemas que operam em velocidade
varivel. Alm do ganho extra de energia produzida, as turbinas elicas velocidade
varivel so vantajosas, se comparadas com as de velocidade fixa, pela reduo dos
impactos das turbulncias do vento sobre a estrutura mecnica e da qualidade da energia
entregue rede.
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20
CAPTULO 4
4 SISTEMA DE CONTROLE DO DFIG
4.1 Introduo
Dentre os vrios tipos de geradores utilizados em sistemas de gerao elica, o
gerador de induo de rotor bobinado (DFIG Doubly Fed Induction Generator) j est
consolidado em aplicaes de mdia e alta potncia. Apesar do uso de escovas, o DFIG
apresenta caractersticas como: reduzido tamanho do conversor conectado ao circuito do
rotor e operao em velocidade varivel.
O controle vetorial do DFIG com orientao pelo fluxo do estator tem sidoamplamente utilizado por vrios autores [4,5,10,18]. Por exemplo, em [5] o controle
vetorial doDFIGconectado a rede utilizado num sistema com potncia de 7,5 kW. So
apresentados resultados experimentais que demonstram o bom desempenho do sistema no
seguimento da trajetria de mxima potncia da turbina elica.
Em sistemas elicos, o processo de sincronizao doDFIGcom a rede tratado por
alguns autores. Em [19], o sincronismo realizado aplicando a estratgia de controle direto
de torque ou DTC (Direct Torque Control) modificado. No controle vetorial com
orientao pelo fluxo do estator foram encontrados apenas dois artigos que tratam o tema.
Em [20], o sincronismo entre as tenses do estator e da rede realizado no apresentando
detalhes da estratgia adotada para controlar a corrente magnetizante do gerador. Em [21],
o processo de sincronizao realizado atravs de um sistema sem a utilizao do sensor
de posio do rotor.
Neste captulo ser realizada uma anlise do modelo do DFIG em sistemas de
gerao elica. Ser apresentada uma anlise matemtica do balano de potncia doDFIG.
O controle vetorial do DFIG com orientao pelo fluxo do estator ser abordado
considerando a parcela de perdas no ferro. Sero utilizados conceitos de modelagem das
perdas no ferro aplicadas ao acionamento do motor de induo com o rotor em gaiola
[22,23]. Ser apresentado o procedimento de projeto das malhas de controle envolvidas no
sistema de controle doDFIG. O sistema de controle doDFIGimplementado em ambiente
de simulao ser mostrado na forma de diagrama de blocos. O processo de sincronizao
entre as tenses do estator e rede descrito e resultados de simulao so apresentados.
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21
4.2 Configurao do DFIG em sistemas elicos.
O sistema de gerao eltrica a partir da energia elica baseado no DFIG est
representado na Figura 4.1. Neste sistema, o eixo do rotor acoplado turbina elica
atravs de um multiplicador de velocidade (gearbox) responsvel pela amplificao da
baixa velocidade da turbina maior velocidade de operao doDFIG. O circuito do estator
ligado diretamente rede eltrica de tenso e freqncia fixa. O enrolamento do rotor
ligado rede atravs de um conversor de freqncia bidirecional em potncia composto de
dois conversores eletrnicos acoplados via barramento CC. Os dois conversores sero
denominados de conversor do lado do rotor e conversor do lado da rede, conforme
representado na Figura 4.1.
O sentido do fluxo de potncia no circuito do rotor depende da velocidade de
operao do gerador. Para velocidades menores que a velocidade sncrona (modo
subsncrono), o circuito do rotor consome potncia. Para velocidades maiores que a
sncrona (modo supersncrono), o circuito do rotor fornece potncia rede de alimentao.
O objetivo do conversor do lado do rotor controlar a potncia ativa e reativa no estator do
DFIGatravs do circuito do rotor. A principal funo do conversor do lado rede manter
constante o valor da tenso CC entre os conversores, independente do sentido da potncia
no rotor [5]. O conversor do lado da rede ser discutido com mais detalhes no prximocaptulo desta tese.
DFIG
Conversor do
lado do rotor
Conversor do
lado da rede
c
Reatncia
Multiplicador
de velocidade
Rede
Figura 4.1 - Sistema elico baseado no DFIG.
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22
Fazendo uma anlise ideal do balano de potncia do sistema, a turbina elica
transfere energia para o gerador que a transforma em energia eltrica no estator. Este, por
sua vez, fornece uma parcela desta potncia ao circuito do rotor. Em termos de potncia:
mec s r P P P= (4.1)
A potncia mecnica definida como:
mec r mecP T = (4.2)
Em regime permanente, os torques mecnico e eltrico se igualam. Portanto,
substituindo a velocidade mecnica pela velocidade eltrica, obtm-se:
( ) s1 mec eP T s= (4.3)
ou:
s s mec e eP T sT= (4.4)
As potncias desenvolvidas pelo estator e rotor so dadas, respectivamente, por (4.5)
e (4.6):
ss eP T= (4.5)
sr mec s eP P P sT= = (4.6)
ou:
r sP sP= (4.7)
Portanto, no sistema representado pela Figura 4.1, se a variao de velocidade do
gerador permanecer dentro de uma faixa limitada, em torno da velocidade sncrona, a
potncia dos conversores eletrnicos poder ser dimensionada para apenas uma parcela da
potncia total da mquina. Por exemplo, sendo r a velocidade do gerador e s a
velocidade sncrona, se for considerado uma regio de operao tal que 0,7sr1,3s,os conversores e demais componentes associados sero dimensionados para 30% da
potncia do gerador.
4.3 Modelo do DFIG nas variveis dq
O DFIGpode ser convenientemente analisado atravs das equaes de tenso nos
eixos de referncia ortogonais dqcom velocidade sncrona s[24].
Para o circuito do estator:
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23
s s
s s
r
r
qs qs ds qs
ds ds qs ds
dv i
dt
dv i
dt
= + + = +
(4.8)
Para o circuito do rotor:
( )
( )
s
s
r p
r p
qr r qr r dr qr
dr r dr r qr dr
dv i
dt
dv i
dt
= + + = +
(4.9)
As relaes matemticas entre os fluxos e as correntes do estator e rotor so
expressas a seguir:
s m
s m
m r
m r
L L
L L
L L
L L
qs qs qr
ds ds dr
qr qs qr
dr ds dr
i i
i i
i i
i i
= +
= +
= + = +
(4.10)
onde,
s ls m
r lr m
L =L +L
L =L +L
(4.11)
Substituindo (4.10) em (4.8) e (4.9), o circuito equivalente do DFIGnos eixos de
referncia dqpode ser obtido por observao das equaes (4.12) e (4.13), como mostrado
na Figura 4.2.
( )
( )
s s ls m
s s ls m
r L L
r L L
qs qs ds qs qs qr
ds ds qs ds ds dr
d dv i i i i
dt dt
d dv i i i i
dt dt
= + + + + = + + +
(4.12)
e
( ) ( )
( ) ( )
r s lr m
r s lr m
r p L L
r p L L
qr qr r dr qr qr qs
dr ds r qr dr dr ds
d dv i i i i
dt dt
d dv i i i i
dt dt
= + + + + = + + +
(4.13)
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24
Figura 4.2 - Circuito equivalente nos eixos de referncia dqs.
O torque eletromagntico desenvolvido pela mquina definido:
( )3 P
2 2e ds qs qs dsT i i
=
(4.14)
O acoplamento entre as variveis eltricas e mecnicas obedece a seguinte equao:
D DJ Br
r L e
dT T
dt
+ + = (4.15)
4.4 Contro le do DFIG com orientao pelo campo do estator
O controle doDFIGcom orientao pelo fluxo do estator realizado com o sistema
de eixos de referncia ortogonais dqsgirando na velocidade sncrona s e com o eixo ds
alinhado com o fluxo do estator, de tal forma que o fluxo constante na direo do eixo ds
e zero segundo a direo do eixo qs,ou seja:
0ds s
qs
= = (4.16)
Como o estator est conectado diretamente rede de tenso e freqncia fixa e a
influncia da impedncia do estator pequena, a corrente de magnetizao ( ims) pode ser
considerada constante.
Logo:
mLs ds msi = = (4.17)
De (4.10) e (4.16):
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25
m
s
L
Lqs qr i i= (4.18)
A partir de (4.10), (4.17) e (4.18), resulta:
r
2m
rs
L
LL
L
qr qr
msdr dr
i
ii
=
= +
(4.19)
onde:
2m
s r
L1
L L= (4.20)
Substituindo (4.19) em (4.9):
2m
r r rs
r r r
Lr L L
L
r L L
qrqr qr slip ms dr
drdr dr slip qr
div i i i
dt
div i i
dt
= + + +
= +
(4.21)
onde:
s pslip r = (4.22)
A equao do torque eletromagntico em funo da corrente no rotor pode ser obtida
substituindo as equaes (4.18) e (4.17) na equao (4.14). Desta forma:
2m
s
L3 P
2 2 Le ms qr T i i
=
(4.23)
ou em funo do fluxo do estator:
m
s
L3 P
2 2 L
e s qr T i =
(4.24)
A dinmica da mquina de induo de rotor bobinado, com controle por orientao
de campo no fluxo do estator se resume matematicamente s equaes (4.21), (4.23) e
(4.15).
4.5 Modelo do DFIG nas variveis dq incluindo as perdas no ferro
Geralmente, no controle da mquina de induo, as perdas no ferro no so
consideradas. Na prtica, as perdas no ferro provocam uma diminuio do torque
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eletromagntico, reduzindo a eficincia da mquina. O controle doDFIGpode considerar
esta parcela de perdas se, atravs do circuito equivalente nos eixos dq, forem includas uma
resistncia no circuito do estator e outra no rotor, conforme representado na Figura 4.3
[22,23].
Figura 4.3 - Circuito equivalente dq do DFIG com a incluso das perdas no ferro.
Na modelagem doDFIGcom a incluso das perdas no ferro, as equaes de tenso
do estator e rotor so expressas, respectivamente, por:
s s
s s
r
r
qs qs ds qs
ds ds qs ds
dv i
dt
dv i
dt
= + + = +
(4.25)
( )
( )
r s
r s
r p
r p
qr qr r dr qr
dr dr r qr dr
dv i
dt
dv i
dt
= + + = +
(4.26)
onde:
ls m
ls m
ls m
ls m
L L
L L
L L
L L
qs qs qm
ds ds dm
qr qr qm
dr dr dm
i i
i i
i i
i i
= +
= +
= + = +
(4.27)
qm qs qr qsfe qrfe
dm ds dr dsfe drfe
i i i i i
i i i i i
= +
= + (4.28)
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27
O torque eletromagntico calculado pela expresso:
( ) ( )m m3 P
L L2 2e qs dr dfe ds qr qfe
T i i i i i i =
(4.29)
4.6 Modelagem do controle do DFIG considerando as perdas no ferro
A orientao dos eixos de referncia do estator poder ser realizada da mesma forma
como citado no item anterior, isto :
0ds s
qs
= =
(4.30)
Fazendo:
qfe qsfe qrfe
dfe dsfe drfe
i i i
i i i
= +
= + (4.31)
Com (4.27), (4.28) e (4.31), as correntes no estator so calculadas:
m
s
m
s
L( )
L
L( )
L
qs qr qfe
ds dr dfe
i i i
i i i
= =
(4.32)
Os fluxos dqno rotor so obtidos:
( )
mr m
s
mr m
s
LL 1 L
L
LL L
L
qr qr qfe
dr dr s dfe
i i
i i
= +
= + +
(4.33)
Substituindo (4.33) em (4.26), resulta:
( )mr r r ms
mr r r m
s
Lr L L L
L
Lr L L 1 L
L
qrqr qr slip dr s dfe
drdr dr slip qr qfe
div i i i
dt
div i i i
dt
= + + + +
= + +
(4.34)
Comparando (4.34) com (4.21), possvel concluir que o fato de considerar as
perdas no ferro doDFIGocasiona uma pequena alterao no algoritmo de controle. Por
outro lado, se em (4.34) as perdas no ferro forem desconsideradas, zerando as correntes idfe
e iqfe, chega-se no modelo descrito em (4.21).
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28
4.7 Clculo da potncia ativa (P) e reativa (Q) no estator e rotor do DFIG
NoDFIG, conforme mostra a Figura 4.1, o fluxo de energia se d tanto pelo circuito
do estator quanto pelo circuito do rotor. O conversor bidirecional em potncia ir impor no
rotor valores de tenso e corrente para que as potncias ativa e reativa no estator sejam
controladas de acordo com as condies do sistema. Neste item ser apresentada a deduo
matemtica das potncias ativa e reativa no circuito do estator e rotor.
4.7.1 Clculo de Pse Qs
A forma geral das potncias ativa e reativa no estator em funo da tenso e corrente
nos eixos de referncia dqs:
( )
( )
323
2
s ds ds qs qs
s qs ds ds qs
P v i v i
Q v i v i
= + =
(4.35)
Em regime permanente o fluxo ds constante, portanto, o termo que contm sua
derivada em (4.25) igual a zero. Considerando (4.30), as tenses vqs e vds em regime
permanente podem ser expressas:
s
s
r
r
qs s qs s
ds ds
v i
v i
= + = (4.36)
Substituindo (4.36) em (4.35) e usando as relaes (4.27), (4.28) e (4.30), as
potnciasPse Qs sero calculadas em funo das correntes no rotor:
( ) ( )
( )
2 2ms s
s
2s m s
L3 r
2 L
L 3 3
2 L 2 L
s s qr qfe qs ds
s ss dr dfe
s s
P i i i i
Q i i
= + +
=
(4.37)
Se o termo ( )2 2sr qs dsi i+ , que representa as perdas no cobre do circuito do estator, for
desprezado juntamente com as correntes iqfe e idfe, que representam as perdas no ferro, a
potncias ativa e reativa so calculadas por:
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29
ms
s
2s m s
L3
2 L
L 3 3
2 L 2 L
s s qr
s s
s drs s
P i
Q i
(4.38)
Analisando-se (4.38), conclui-se que Ps e Qs podem ser controladas atravs das
correntes iqre idr, respectivamente.
4.7.2 Clculo de Pre Qr
De forma semelhante ao clculo de potncia no estator, as potncias ativa e reativa
no rotor (Pre Qr) so expressas em funo das tenses e correntes nos eixos de refernciadqrno rotor:
( )
( )
3
23
2
r qr qr dr dr
r qr dr dr qr
P v i v i
Q v i v i
= + =
(4.39)
Se em (4.26) forem consideradas apenas as tenses no rotor em regime permanente e
considerando (4.33), as potncias ativa e reativa no rotor so expressas pelas equaes a
seguir:
( ) ( )
( ) ( )
2 2m mm m r
s s
22 2m m
r ms
L L3L 1 L r
2 L L
L L3L L
2 L Ls
r slip qr s dfe dr qfe qr dr
r slip s dr qr dr dr dfe qr qfe qr qfe
P i i i i i i
Q i i i i i i i i i
= + + + +
= + + + +
(4.40)
Analisando (4.40), se o gerador opera na velocidade sncrona, onde slip = 0, a
potncia ativa no rotor ser apenas a parcela das perdas no cobre. Existir uma velocidade,
pouco alm da sncrona, em que a potncia ativa no rotor nula. Neste ponto, a parcela de
perdas no cobre do rotor suprida pelo prprio efeito gerador do circuito do rotor. Se a
parcela ( )2 2rr qr dr i i+ , que representa as perdas no cobre do rotor, for desprezada, a potncia
ativa no rotor proporcional velocidade de escorregamento slip.
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30
A potncia reativa, conforme definida por (4.40), diretamente proporcional
velocidade de escorregamento slip. A potncia reativa positiva para a regio
subsncrona, negativa na regio supersncrona e zero na operao doDFIGna velocidade
sncrona.
Se em (4.40), tanto as perdas no cobre do rotor quanto as perdas no ferro forem
desprezadas, o clculo das potncias no rotor pode ser bastante simplificado, como
expresso pelas equaes a seguir:
3
2
3
2
mr s slip qr
s
mr s slip dr
s
LP i
L
LQ i
L
(4.41)
4.8 Sistema de controle do conversor do lado do rotor
A Figura 4.4 mostra o diagrama esquemtico do controle do conversor do lado do
rotor doDFIG. Neste sistema, a posio do fluxo do estator calculada atravs das tenses
e correntes medidas no estator. A posio dos eixos de referncia dqr obtida atravs da
diferena entre a posio do fluxo do estator e a posio do prprio rotor. Por meio de duas
malhas de controle, as correntes no rotor so controladas nos eixos de referncia dqr. Otorque eletromagntico do gerador controlado atravs da malha de corrente iqr e a
potncia reativa atravs da malha de corrente idr. A seguir sero apresentados tpicos
detalhando o funcionamento do sistema apresentado no diagrama de controle da Figura
4.4.
4.8.1 Obteno da posio do fluxo do estator
As tenses e correntes de linha, Vabs, Vcase iAs, iBs,. iCs,so medidas e transformadas
nas respectivas tenses e correntes nos eixos de referncia estacionrios do estator.
Devido ligao tringulo do enrolamento do estator, o eixo s alinhado com a tenso
Vabs, como representado na Figura 4.5:
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31
abc
dq
Sensor de
posio
dq
dq
+-
r
s
V s
dsPLL
slip
iAs iBs iCs
Clculo do
fluxo-+
PI
++
+-
qs
sslip
ds
+-
-+
100
101
110
011
001
010
DFIG
r*
r
PWM
vetorial
PI
Ssinc
.
Vas Vbs VcsVas Vbs Vcs
abs
PI
riqr
rb
a
Trajetria demxima potncia
r Mx
r Mn
a Modo de controle de torqueb Modo de controle de velocidade
Clculo da
potncia reativa
Filtro
PI -+
Qs*
Qs
abc
S1
i s
abc
Processo de
sincronizaao
Clculo de
re slip
abc
Rede
V s
p
s
,bri ,cri
,ri
,ri
,dr
i,qri
,dr
i
,qri
, *qri , *dr
i
,sin *qr ci
,sin *cdri
,sin *qr ci
,sin *cdri
,qrv
,drv
,rV
,rV
cqrv'
cdrv'
Figura 4.4 - Diagrama do controle do conversor do lado do rotor do DFIG.
Figura 4.5 Tenses de fase e de linha do estator e o sistema de eixos .
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32
As tenses e correntes nos eixossso calculadas pelas expresses:
( )
3
23
s abs
s abs cas
V V
V V V
=
= +
(4.42)
( )
( )
1
2
32
6
s As Bs
s As Bs Cs
i i i
i i i i
= + = +
(4.43)
O fluxo produzido pelo enrolamento do estator calculado atravs da integrao da
fora contra-eletromotriz [25]:
( )
( )
s
s
r
r
s s s
s s s
V i dt
V i dt
=
=
(4.44)
O clculo do fluxo atravs da integrao da fora contra-eletromotriz, adotado neste
trabalho, relativamente simples e requer apenas o conhecimento da resistncia do estator
da mquina. A resistncia do estator foi considerada constante, entretanto, dependendo da
aplicao, sua variao em funo da temperatura pode ser compensada [26].
A integrao da fora contra-eletromotriz por um integrador puro gera problemas desaturao e offsetno clculo do fluxo. Isto ocorre devido condio inicial, offset e no
idealidades dos sinais das tenses e correntes. Para resolver este problema, o valor do offset
a cada perodo do sinal de sada compensado na entrada do integrador discreto, como
representado na Figura 4.6 [27]. O valor mdio do fluxo detectado atravs da mdia entre
os pontos de mximo e mnimo a cada perodo. O valor de Kf define a velocidade da
correo do offsete pode ser ajustado dependendo da amplitude do offset. Neste trabalho,
com tempo de amostragem (Tsb) de 2s, foi adotado um Kf= 100.1
z
( )srV i V
i
Figura 4.6 Integrador discreto no clculo do fluxo do estator.
7/23/2019 Para Controle Classico240715
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33
A partir dos fluxos e da posio s, a transformada de Park(ou /dq) usada
para obter os fluxos no sistema de eixos girantes dqs, conforme as expresses a seguir:
( ) ( )
( ) ( )
cos sin
sin cos
ds s s s s
qs s s s s
= + = +
(4.45)
A posio do fluxo s calculada por um PLL conforme o digrama mostrado na
Figura 4.7 [28]:
s
s
s
0qs =
qs s
ds
s
1
z
-1
sT z
z
Figura 4.7 Clculo da posio do fluxo do estator com PLL.
De acordo com a Figura 4.7, os fluxos nos eixos de referncia so transformados
para o sistema dqsa partir da posio sfornecida pelo PLL. A posio s obtida atravsda integrao do sinal de velocidade que constantemente ajustado pelo controlador PI de
tal forma que o fluxo sna direo do eixo qsseja nulo, ou seja:
=
=
0qs
sds
(4.46)
O valor s adicionado sada do controlador PI usado para ajustar a condio
inicial do PI e levar o PLL condio de regime permanente mais rapidamente.
O controlador PI foi projetado considerando a malha de controle do fluxo segundo o
eixo qs. A Figura 4.8 pode ser utilizada para analisar a dinmica do PLL.
Na Figura 4.8 considerado um erro de posio de sentre a posio do fluxo se
a posio do fluxo estimada pelo PLL, ou seja:
' = -s s s (4.47)
O fluxo segundo a direo do eixoqs dado por:
( )qs s ssen = (4.48)
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Para valores pequenos de s, pode-se aproximar:
sqs s (4.49)
Figura 4.8 Alinhamento do fluxo scom o eixo ds.
O controlador PI, no formato zero-plo, definido pela funo de transferncia (FT)
no planozcom um plo em +1, um zero em Zce um ganho Kc. Desta forma, a FT GcfD(z)
do controlador expressa da seguinte forma:
( )
( )c c
cfD
K ZG (z) 1
z
z
= (4.50)
A Figura 4.9 mostra a malha de controle do fluxo qs utilizada no projeto do
controlador GcfD (z), de acordo com o diagrama apresentado na Figura 4.7.
qs = 0 qsss
( )
( )c cK z - Z
z - 1
1
z( )sT z
z - 1
Figura 4.9 Malha de controle do fluxo segundo a direo qs.
O controlador GcfD (z) foi projetado no plano z, tal que o par de plos dominantes em
malha fechada tenha um coeficiente de amortecimento de 0,7 e um tempo de
acomodao (settling time) a 5% de 0,01s. Com os dados apresentados no Apndice A, o
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valor de s pode ser calculado com boa aproximao, desprezando-se a influncia das
correntes no estator, da seguinte forma:
s
3 311
= = = 1,43 Wb 120abs mx
s
V
(4.51)
Portanto, com o tempo de amostragem Ts =200 s e s=1,43Wb, os parmetros do
controlador so calculados:
( ) ( )
( )cfD567 z - 0,9246
G z =z - 1
(4.52)
O procedimento de projeto do controlador Gcf (z), neste caso, semelhante ao projeto
dos controladores de corrente, que ser apresentado detalhadamente ainda neste captulo.
4.8.2 Resultados de simulao do PLL estimador de fluxo
Os resultados apresentados neste item foram obtidos atravs da simulao do sistema
realizada no Matlab/Simulink. Estes resultados se referem ao sistema nas condies
nominais, c