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APLICAO DO CONTROLE VETORIAL E TEORIA PQ NO CONTROLE DE

AEROGERADORES CONECTADOS REDE ELTRICA

Jlio Csar de Carvalho Ferreira

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS

PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM

ENGENHARIA ELTRICA.

Aprovada por:

________________________________________________

Prof. Lus Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.

________________________________________________

Prof. Edson Hirokazu Watanabe, D.Eng.

________________________________________________

Prof. Sergio Gomes Junior, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

ABRIL DE 2005

Engenharia Eltrica, 2005)

FERREIRA, JLIO CSAR DE CARVALHO

Aplicao do Controle Vetorial e Teoria PQ

no Controle de Aerogeradores Conectados Rede

Eltrica [Rio de Janeiro] 2005

IX, 76 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Dissertao Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE

1. Energia Elica

2. Teoria PQ

3. Sistema Hbrido Diesel Elico

I. COPPE/UFRJ II. Ttulo (srie)

ii

O que a escultura para o bloco de mrmore,

a educao para a alma humana.

Joseph Addison

(poeta ingls e escritor de ensaios morais e crticos)

iii

Eu dedico este trabalho a minha Amada Juliana, guerreira incansvel, companheira

fiel, uma das mais belas razes do meu viver. Eu te amo.

Aos meus pais Pricles, Cristina e a minha irm Beatriz.

A minha tia Maria Tereza.

Vocs so as principais razes para eu continuar nessa viagem fantstica chamada

VIDA.

Amo Vocs.

iv

AGRADECIMENTOS:

Agradeo a Deus, Senhor de todas as coisas, pelo dom da vida e por me guiar ao longo dela atravs de caminhos cheios de luz, paz e felicidade.

Ainda hoje, procuro palavras para agradecer aos meus pais Pricles e Cristina,

por me trazerem vida, pelas noites de sono perdidas me amando, cuidando de mim e

da minha irm, pelos esforos em nos dar educao, sade, amor e carinho. No entanto,

vejo que a forma de expressar a gratido pelos meus pais e pela minha irm Beatriz

com amor. Amo vocs incondicionalmente.

Da mesma forma eu poderia ficar horas, dias tentando expressar atravs de

palavras o quanto a minha tia Maria Tereza importante em minha vida. Porm seria

impossvel. Nutro um profundo carinho, amor e gratido por ela, que sempre me

orientou, sempre ofereceu seus ombros e ouvidos em momentos tristes e felizes da

minha vida e sempre torceu por mim.

Desde que conheci Juliana, minha vida realmente se iluminou. A capacidade de

transmitir paz e luz atravs de seu sorriso, sua pacincia, carinho, confiana e amor me

tornam mais feliz a cada dia e foram, sem sombra de dvidas, fundamentais para a

concluso desse trabalho. Eu te amo Juliana e agradeo a voc, sua me e seu irmo por

todo o carinho a mim dedicado.

Ao amigo e orientador Prof. Lus Guilherme Barbosa Rolim, agradeo pela

confiana, pacincia, dedicao e apoio a este trabalho. Nossas discusses foram de

extrema importncia para o meu crescimento profissional.

Agradeo ao Prof. Edson Hirokazu Watanabe pelas muitas horas dedicadas a

mim e ao meu trabalho. Agradeo por ampliar os meus conhecimentos e por me mostrar

o quanto ainda tenho a aprender.

v

Serei eternamente grato ao Amigo e Prof. Maurcio Aredes pela ajuda, carinho,

ateno e confiana dedicadas a mim dentro e fora do Laboratrio.

Ao Prof. Richard Magdalena Stephan, agradeo pela confiana e por acreditar

no meu potencial. As horas dedicadas a mim e ao meu trabalho sero lembradas com

carinho.

Agradeo aos Professores Edson Hirokazu Watanabe, Maurcio Aredes, Richard

Magdalena Stephan e Walter Issamu Suemitsu por me aceitarem na COPPE e

acreditarem no meu potencial.

Agradeo a grande Famlia ELEPOT pelo carinho, ajuda, fora e pacincia

dedicadas a mim.

Amizade um bem extremamente valioso. Graas a Deus sempre tive amigos

com quem pude compartilhar minhas dores, mgoas, felicidades e vitrias. Aos meus

amigos, um dos maiores bens que possuo, gostaria de expressar minha gratido e

carinho.

Agradeo a CAPES/CNPq pelo apoio financeiro recebido.

Agradeo aos Engs Fredemar Rncos e Csar Augusto Montejunas pelas

informaes, pela ajuda e ateno.

Sem vocs a concretizao deste trabalho seria impossvel. Podem estar certos

de que lembrarei de todos o resto de minha vida.

vi

Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

APLICAO DO CONTROLE VETORIAL E TEORIA PQ NO CONTROLE DE

AEROGERADORES CONECTADOS REDE ELTRICA


Abril/2005

Orientador: Lus Guilherme Barbosa Rolim

Programa: Engenharia Eltrica

Este trabalho consiste no desenvolvimento de modelos para simulao de

geradores elicos baseados em mquina de induo com rotor gaiola de esquilo

conectados rede fraca ou sistemas de gerao diesel, em um programa de simulao de

transitrios eletromagnticos, PSCAD/EMTDC. Uma metodologia de controle no-

convencional tambm foi desenvolvida para este tipo de sistema, baseado na teoria da

potncia instantnea (teoria-pq), e na tcnica do controle orientado pelo fluxo do rotor.

A consistncia dos modelos desenvolvidos foi verificada por meio da anlise dos

resultados de simulao de um sistema completo controlado a partir da metodologia

desenvolvida.

vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

APPLICATION OF VECTOR CONTROL AND PQ THEORY ON THE CONTROL

OF GRID-CONNECTED WIND GENERATORS


April/2005

Advisor: Lus Guilherme Barbosa Rolim

Department: Electrical Engineering

This work consists on the development of models for simulation of wind generators

based on squirrel cage rotor induction machines connected to a weak grid or a diesel

generation system, using an electromagnetic transient simulator software,

PSCAD/EMTDC. A non-conventional control methodology was also developed for

that kind of system, based on the instantaneous power theory (pq theory), combined

with rotor flux oriented control technique. The consistency of the developed models was

verified by analysis of the simulation results of the complete system controlled by the

proposed methodology.

viii

Sumrio

Lista de Figuras ............................................................................................................. xi

Lista de Smbolos ......................................................................................................... xiv

Captulo 1 Introduo ................................................................................................. 1

1.1 Motivao ............................................................................................................ 3

1.2 Objetivos.............................................................................................................. 4

1.3 Estrutura da dissertao....................................................................................... 4

Captulo 2 Principais Fundamentos da Gerao Elica .......................................... 6

2.1 Aerogeradores......................................................................................................... 7

2.1.1 Fundamentos e Principais Tipos de Turbinas.................................................. 7

2.1.2 Rastreamento da Potncia Mxima ............................................................... 11

2.1.3 Sistemas Tpicos de Acionamento Mquinas e Conversores ..................... 14

2.2 Sistema de Gerao Elica ................................................................................... 19

2.2.1 Sistemas Autnomos .................................................................................. 19

2.2.2 Aerogeradores Conectados Rede............................................................. 20

2.2.3 Sistemas Hbridos (Diesel Elico)........................................................... 22

2.3 Problemas Tpicos da Conexo com a Rede ........................................................ 24

2.3.1 Consumo excessivo de potncia reativa ..................................................... 25

2.3.2 Flutuaes de tenso................................................................................... 25

2.3.3 Efeito Flicker.............................................................................................. 26

Captulo 3 Modelagem do Sistema.......................................................................... 28

3.1 Gerador Diesel, Regulador de Velocidade e Excitatriz ..................................... 29

3.2 Gerador Sncrono............................................................................................... 29

3.3 Excitatriz............................................................................................................ 34

3.4 Turbina Elica e Acoplamento com o Aerogerador.......................................... 34

3.5 Sistema Hbrido Rede Fraca ........................................................................... 41

3.5.1 Modelo utilizado............................................................................................ 43

3.6 Sistema de Controle Proposto............................................................................ 45

ix

3.6.1 Transformao de Coordenadas ................................................................. 46

3.6.2 Controle do Conversor do Lado do Gerador .............................................. 49

3.6.3 Controle do Conversor do Lado da Rede Eltrica...................................... 59

3.6.4 Controle de Tenso do PCC ....................................................................... 63

Captulo 4 Simulao e Anlise dos Resultados...................................................... 65

4.1 Turbina elica com gerador de induo diretamente conectado ....................... 66

4.1.1 Anlise do Perfil de Tenso........................................................................ 70

4.2 Turbina de velocidade varivel com controle e passo fixo ............................... 78

4.2.1 Compensao de Potncia Reativa............................................................. 84

4.3 Comparao dos Resultados.............................................................................. 87

Captulo 5 Concluses e Trabalhos Futuros ........................................................... 90

5.1 Concluses......................................................................................................... 90

5.2 Trabalhos Futuros .............................................................................................. 91

Referncias Bibliogrficas ........................................................................................... 93

x

Lista de Figuras

Figura 2.1 Rotor de uma turbina elica tpica. .............................................................. 8

Figura 2.2 Diagrama de velocidades e foras atuantes sobre as ps do rotor do

aerogerador ....................................................................................................................... 9

Figura 2.3 Curva de potncia tpica de uma turbina elica ......................................... 10

Figura 2.4 Curva de coeficiente de potncia - CP........................................................ 11

Figura 2.5 - Grfico de CP versus parametrizado pelo ngulo de passo ................... 12

Figura 2.6 Conexo de uma turbina elica rede eltrica atravs de um GI .............. 17

Figura 2.7 Conexo de uma turbina elica rede atravs de transmisso em corrente

contnua .......................................................................................................................... 17

Figura 2.8 Conexo de uma turbina elica rede atravs de um GI com rotor

bobinado ......................................................................................................................... 18

Figura 3.1 Modelo do regulador de velocidade e gerador diesel................................. 29

Figura 3.2 Modelo do gerador sncrono e da excitratriz.............................................. 30

Figura 3.3 Caixa de dilogo para a parametrizao da mquina sncrona. ................. 31



Figura 3.6 Diagrama em blocos da funo de transferncia do modelo da excitatriz. 34

Figura 3.7 Seo longitudinal de um tubo de corrente de ar ....................................... 35

Figura 3.8 Modelo da turbina elica e sistema de rastreamento da potncia mxima. 38

Figura 3.9 Caixa de dilogo do bloco Non-Linear Transfer Characteristic............. 39

Figura 3.10 Modelo do gerador de induo do PSCAD/EMTDC............................... 39

Figura 3.11 Caixa de dilogo para configurao da mquina de induo................... 40

Figura 3.12 Caixa de dilogo para parametrizao da mquina de induo ............... 41

Figura 3.13 Diagrama unifilar do sistema de potncia da Ilha de Fernando de

Noronha. ......................................................................................................................... 42

Figura 3.14 Modelo do sistema eltrico desenvolvido no PSCAD/EMTDC.............. 44

Figura 3.15 Diagrama em blocos do sistema de controle proposto............................ 45

Figura 3.16 Representao vetorial de transformada de coordenadas......................... 46

xi

Figura 3.17 Diagrama vetorial das correntes............................................................... 51

Figura 3.18 Diagrama em blocos do modelo da mquina de induo nas coordenadas

do fluxo........................................................................................................................... 55

Figura 3.19 Diagrama em blocos do estimador da posio angular do fluxo ............. 56

Figura 3.20 Diagrama em blocos do sistema de controle do conversor do lado do

gerador ............................................................................................................................ 56

Figura 3.21 Diagrama esquemtico do controlador de corrente por histerese ............ 58

Figura 3.22 Diagrama em blocos do controle do conversor do lado da rede .............. 61

Figura 3.23 Controle de corrente vetorial.................................................................... 63

Figura 3.24 Diagrama em blocos do controle de tenso no PCC................................ 64

Figura 4.1 Perfil da velocidade do vento..................................................................... 66

Figura 4.2 Comportamento da potncia ativa do gerador de induo e do diesel....... 67

Figura 4.3 Velocidade angular eltrica da mquina de induo.................................. 68

Figura 4.4 Relao entre Cp e ................................................................................... 69

Figura 4.4 Comportamento do coeficiente de torque CT............................................. 70

Figura 4.5 Tenso nos terminais do lado de baixa do gerador diesel. ......................... 71

Figura 4.6 Tenso na carga do alimentador 1............................................................... 71

Figura 4.7 Potncia reativa do gerador diesel e do banco de capacitores. .................. 72

Figura 4.8 Potncia reativa do gerador diesel e do banco de capacitores. .................. 73

Figura 4.9 Tenso RMS no ponto de conexo comum (PCC) .................................... 73

Figura 4.10 Tenso RMS na carga .............................................................................. 74

Figura 4.11 Potncia reativa do gerador diesel e do gerador de induo .................... 75

Figura 4.12 Tenso nos terminais do gerador diesel e do gerador de induo............ 76

Figura 4.13 Tenso RMS no ponto de conexo comum ............................................. 76

Figura 4.14 Tenso RMS na carga. ............................................................................. 77

Figura 4.15 Comparao entre a tenso no PCC dos casos 1 e 2. ............................... 77

Figura 4.16 Potncia eltrica do gerador de induo................................................... 79

Figura 4.17 Potncia da turbina em funo da velocidade do vento parametrizada por

...................................................................................................................................... 80

Figura 4.18 Velocidade de referncia e velocidade angular do gerador de induo ... 81

Figura 4.19 Comportamento do coeficiente de potncia, CP....................................... 82

Figura 4.20 Tenso no elo de corrente contnua.......................................................... 83

Figura 4.21 Potncia ativa do gerador diesel e do conversor valores base do gerador

diesel............................................................................................................................... 84

xii

Figura 4.22 Diagrama em blocos do controle de p* .................................................... 85

Figura 4.23 Potncia reativa do diesel, do conversor do aerogerador e do banco de

capacitores ...................................................................................................................... 86

Figura 4.24 Potncia ativa e reativa do gerador diesel ................................................ 86

Figura 4.25 Energia produzida pelo aerogerador para as duas configuraes adotadas.

........................................................................................................................................ 87

Figura 4.26 Coeficiente de potncia da turbina elica para as duas configuraes

adotadas .......................................................................................................................... 88

Figura 4.27 Tenso no ponto de conexo comum para as duas configuraes da

turbina elica. ................................................................................................................. 89

xiii

Lista de Smbolos

A rea [A] = m

CP coeficiente de potncia [CP] = 1

Ecintica energia cintica [Ecintica] = J

GR razo de multiplicao da caixa de engrenagens [GR] = 1

iSd componente no eixo direto da corrente do estator [iSd] = A

iSq componente no eixo em quadratura da corrente do estator [iSq] = A

iS corrente do estator [iS] = A

iR corrente do estator [iR] = A

imR corrente de magnetizao [imR] = A

Lo indutncia mtua [Lo] = H

LS indutncia de disperso do estator [LS] = H

LR indutncia de disperso do estator [LR] = H

m massa [m] = kg

Po potncia mecnica extrada pela turbina elica [Po] = W

Pvento potncia mecnica extrada do vento [Pvento] = W

P nmero de par de plos [P] = 1

p potncia real [p] = 1

Psc potncia de curto circuito [Psc] = W

Pwt potncia da gerao elica [Pwt] = W

q potncia imaginria [q] = 1

RR resistncia do estator [RR] =

r o raio da p da turbina elica [r] = m

S potncia aparente [S] = VA

Tm torque mecnico no eixo do gerador [Tm] = Nm

Ttur torque mecnico no eixo da turbina elica [Ttur] = Nm

TE torque eltrico [TE] = Nm

TR constante de tempo rotrica [TR] = H/

ventoVur

vetor velocidade do vento [ ventoVur

] = m/s

SVur

vetor velocidade tangencial da seo da p [ SVur

] = m/s

xiv

Vpcc tenso no ponto de conexo comum [Vpcc] = V

Vcc tenso no elo de corrente contnua [Vcc] = V

v velocidade [v] = m/s

Zth impedncia equivalente de Thvenin [Zth] =

ngulo de ataque [] = rad

ngulo de passo [] = rad

posio angular do eixo do rotor [] = rad

razo entre a velocidade tangencial da ponta da p e a velocidade

do vento [] = 1

posio angular do fluxo enlaado pelo campo [] = rad

fator de disperso magntica [] = 1

R fator de disperso magntica do rotor [R] = 1

S fator de disperso magntica do estator [S] = 1

R fluxo enlaado pelo campo [R] = Wb R velocidade angular [R] = rad/s

* velocidade angular de referncia [*] = 1

mR velocidade angular do fluxo do rotor [mR] = rad

xv

Captulo 1

Introduo

O aquecimento global causado pela emisso de gases poluentes na atmosfera fez com que os governos, organizaes no governamentais, comunidades preservacionistas e demais setores da sociedade voltassem suas atenes para fontes de

energia renovveis. Alm do aspecto ecolgico, uma outra vantagem a ser destacada no

uso de tais fontes a possibilidade de levar energia s regies mais afastadas, onde a

conexo com a rede eltrica seria invivel por motivos fsicos ou econmicos.

Entre as principais fontes de energia alternativa em estudo podemos citar:

biomassa, biodiesel, energia solar e energia elica. Dentre essas fontes, por motivos de

custo e eficincia, pode-se destacar a energia elica, cujo crescimento tem sido

considervel no mundo inteiro.

A energia elica j vem sendo utilizada pelo homem h muitos sculos. Os

egpcios j usavam a energia do vento em atividades como navegao no rio Nilo em

5000 A.C. Em 200 A. C. moinhos de vento eram usados na China para o bombeamento

de gua e, sculos depois de cristo, moinhos de vento passaram a serem utilizados no

mundo para a moagem de gros.

O uso da energia elica na produo de energia eltrica teve incio em 1890 na

Dinamarca [1]. Desde ento as turbinas elicas, como so comumente chamadas, tm

passado por constante desenvolvimento, atrelado, entretanto, s variaes do custo dos

combustveis. Quando o custo desses combustveis aumenta, o interesse em fontes de

energia renovveis cresce, ao passo que a queda no custo faz com que o interesse em

tais fontes de energia diminua. Na dcada de 40, por exemplo, tem-se notcia de uma

turbina elica de 1,25 MW para uma velocidade do vento de cerca de 13 m/s. Esta

1

Captulo 1 Introduo

turbina, localizada em Vermont, EUA, chegou a fornecer energia rede local por vrios

meses durante a II Guerra Mundial.

Aps a II Guerra Mundial, com a queda no preo dos combustveis fsseis, o

interesse nos sistemas de gerao de energia elica sofreu uma grande queda.

Entretanto, na dcada de 70 com a crise do petrleo, a gerao de energia eltrica por

meio de turbinas elicas voltou a ser de interesse no mundo inteiro.

Em 1997, na cidade japonesa de Kioto, foi aprovado um documento chamado

Protocolo de Kioto [2]. Neste documento, alguns pases concordaram em adotar um

compromisso de reduo de suas emisses combinadas de gases de efeito estufa em

pelo menos 5% em relao aos nveis de 1990 at o perodo entre 2008 e 2012. Uma das

propostas deste Protocolo a pesquisa, promoo, desenvolvimento e o aumento do uso

de formas novas e renovveis de energia, de tecnologias de seqestro de dixido de

carbono e de tecnologias ambientalmente seguras, que sejam avanadas e inovadoras.

No Brasil, programas como o PROINFA (Programa de Incentivo s Fontes

Alternativas), tm estimulado o crescimento do uso de turbinas elicas. O PROINFA foi

institudo pela lei n 10.438 de 26 de Abril de 2002 e revisado pela lei n 10.762, de 11

de novembro de 2003. O principal objetivo a diversificao da matriz energtica

brasileira. Este programa promover a implantao de 3.300 MW de gerao com incio

previsto para at 30 de dezembro de 2006 (este prazo foi recentemente adiado para

2008) [3]. Estima-se que at 2022 as fontes alternativas sejam responsveis por 10% da

gerao de energia eltrica do pas.

Desta forma, com o provvel crescimento do parque gerador elico no Brasil,

torna-se necessria a realizao de estudos para regulamentar e auxiliar a entrada da

fonte de energia elica na matriz energtica brasileira.

Este trabalho apresenta um estudo sobre sistemas hbridos diesel-elico. Os

modelos desenvolvidos nesta dissertao para os geradores elicos podem ser divididos

em dois: turbina elica com gerador de induo rotor gaiola de esquilo conectado

diretamente rede eltrica e turbina elica de velocidade varivel com controle de

potncia e passo fixo. A energia gerada por esta ltima turbina entregue rede eltrica

2

1.1 Motivao

por meio de um gerador de induo com rotor gaiola de esquilo e dois conversores fonte

de tenso na configurao back-to-back.

Geradores de induo com rotor bobinado e geradores sncronos so opes que

podem ser utilizadas em geradores elicos. Entretanto, o uso do gerador de induo com

rotor gaiola de esquilo para os modelos desenvolvidos neste trabalho, foi motivado pela

sua robustez, baixo custo e fcil manuteno.

Para o controle do conversor do modelo de turbina elica de velocidade varivel,

foram empregadas tcnicas de controle no convencionais como controle orientado pelo

fluxo do rotor e teoria da potncia real e imaginria instantnea ou teoria pq.

O sistema hbrido diesel-elico modelado neste trabalho baseado no sistema de

mesmo tipo implantado na Ilha de Fernando de Noronha. Atravs do programa de

simulao de transitrios eletromagnticos, PSCAD/EMTDC, foram ajustados os

parmetros dos modelos desenvolvidos, e obtidos resultados de resposta dinmicas

simuladas para variaes na velocidade do vento, buscando a validao da metodologia

empregada.

1.1 Motivao

Conforme descrito na seo anterior, o PROINFA tem estimulado o crescimento

do uso de aerogeradores no Brasil. A conexo de sistemas de gerao elica com a rede

eltrica pode dar origem a problemas de naturezas diversas, principalmente no caso da

rede ser fraca no ponto de conexo. Por exemplo, distrbios de qualidade (e.g. flicker

etc.) e problemas de instabilidade de tenso podem ocorrer com a reduo da razo

entre a potncia de curto-circuito do sistema e a potncia da turbina [4, 5]. Assim, com

o aumento do nmero de parques elicos no pas, tornou-se crescente a necessidade de

estudos para a implantao de parques elicos como, por exemplo, estudos de controle

de tenso, reativos, curto-circuito e fluxo de carga em condies nominais e de

contingncias.

3

1.2 Objetivos

Outro motivo que permitiu a difuso do uso dessa fonte de energia foi o

desenvolvimento de dispositivos de eletrnica de potncia e de modernos e velozes

microcontroladores. Tcnicas como o controle orientado pelo campo do rotor [6, 7] e a

teoria da potncia instantnea [8, 9, 10], possibilitaram o desenvolvimento de sistemas

de controle sofisticados. Tais sistemas de controle podem atuar rastreando o ponto de

mxima eficincia, aumentando consideravelmente a eficincia das turbinas elicas, e

permitem que seja feita a compensao do fator de potncia ou a regulao de tenso no

ponto de conexo comum. Dessa forma, possvel aumentar a qualidade da energia

produzida e diminuir, at mesmo em alguns casos evitar, distrbios causados pela

conexo e reconexo de turbinas elicas no sistema eltrico.

1.2 Objetivos

Os objetivos principais deste trabalho so:

Desenvolver modelos para simulao de Geradores elicos baseados em

mquina de induo de gaiola de esquilo conectados redes fracas ou sistemas

de gerao diesel, em um programa de simulao de transitrios

eletromagnticos (PSCAD/EMTDC);

Desenvolver uma metodologia de controle no-convencional para este tipo de sistema, baseado na teoria p-q e controle vetorial;

Verificar a consistncia dos modelos desenvolvidos, pela anlise dos resultados de simulao de um sistema completo controlado a partir da metodologia

desenvolvida.

1.3 Estrutura da dissertao

Os tpicos abordados neste trabalho so divididos nos seguintes captulos.

4

1.3 Estrutura da Dissertao

O segundo captulo apresenta uma descrio dos principais fundamentos da

converso da energia elica em energia eltrica. Neste captulo feita uma reviso

bibliogrfica sobre o princpio de gerao elica, principais tipos de turbinas e

acionamentos, rastreamento do ponto de eficincia mxima, sistemas hbridos e

principais efeitos da conexo de turbinas elicas na rede eltrica.

O terceiro captulo apresenta uma descrio da modelagem da turbina elica, do

sistema hbrido e do gerador diesel. As estratgias baseadas na tcnica do controle

orientado pelo campo do rotor e na teoria da potncia instantnea, ambas empregadas no

controle do conversor back-to-back so descritas.

O quarto captulo apresenta e analisa os resultados das simulaes do sistema

hbrido, feitos no programa PSCAD/EMTDC .

Por fim, no quinto captulo so apresentadas as concluses do trabalho e as

consideraes sobre os trabalhos futuros.

5

Captulo 2

Principais Fundamentos da Gerao Elica

STE captulo descreve os principais tipos de aerogeradores, detalhando o

princpio de funcionamento e os fundamentos de converso da energia elica

em energia eltrica. As caractersticas de construo de turbinas elicas, as curvas de

potncia, os tipos de aerogeradores, a forma com que so conectados rede e o controle

utilizado, so aspectos importantes e devem ser levados em considerao no projeto de

um sistema de gerao elica. Tais aspectos podem ser responsveis pelo aumento da

eficincia do processo de converso e da qualidade da energia gerada. Os principais

foram destacados e sero descritos neste captulo. O acionamento dos aerogeradores

pode ser feito de diversas formas, levando em considerao diferentes tipos de

mquinas eltricas e conversores; mais uma vez, as principais formas de acionamento

foram destacadas e sero detalhadas neste captulo.

E

De acordo com PATEL [11] e SLOOTWEG e VRIES [12], as turbinas elicas

podem ser classificadas quanto forma como so operadas e podem ser dividas em:

turbinas com velocidade fixa e velocidade varivel, sendo o segundo tipo o mais

empregado atualmente, por apresentar uma srie de vantagens sobre o primeiro. Uma

dessas vantagens a possibilidade do uso de um sistema de controle adequado que

possa atuar rastreando a potncia mxima da turbina, isto , permitindo que a turbina

opere prximo ao ponto timo, maximizando a sua eficincia. Esse processo de

rastreamento tambm ser discutido neste captulo.

6

2.1 - Aerogeradores

Segundo apresentado por HUNTER e ELLIOT [13], os sistemas de gerao

elica podem ser classificados em: autnomo ou isolado, conectado rede forte ou

fraca, e como um sistema hbrido. Cada uma dessas classificaes e os problemas

tpicos da conexo de aerogeradores com a rede eltrica sero descritos e detalhados

neste captulo.

2.1 Aerogeradores

2.1.1 Fundamentos e Principais Tipos de Turbinas

Conforme PATEL [11] e RASILA [14], aerogeradores1 so dispositivos

responsveis pela converso da energia cintica dos ventos em energia eltrica. A

energia cintica capturada em um rotor, que por sua vez consiste de uma, duas ou mais

ps mecanicamente acopladas a um gerador eltrico por meio de um sistema de

engrenagens, mais conhecido como caixa multiplicadora, detalhada mais adiante. A

forma com que a turbina elica conectada a rede eltrica, assim como os principais

sistemas de acionamento sero discutidos mais adiante na seo 2.1.3. A Figura 2.1

mostra detalhadamente um aerogerador tpico, identificando seus principais

componentes.

A Figura 2.2 mostra a seo transversal de uma p do rotor de uma turbina

elica em movimento. O deslocamento da p resultado da ao das foras

aerodinmicas, que tm origem quando o rotor da turbina movimenta-se numa corrente

de vento. A velocidade absoluta do vento representada pelo vetor . No

referencial da seo da p, a velocidade do vento vista como a soma vetorial de

com o vetor , que a velocidade tangencial da seo da p. O mdulo de dado

pelo produto

ventoVJG

ventoVJG

SVJG

SVJG

Rr , onde R a velocidade angular e r a distncia radial da seo da p ao eixo de rotao do rotor. A linha tracejada que interliga os pontos mais distantes

da seo da p a linha de comprimento ou linha de corda. O ngulo entre V a

linha de corda o ngulo de ataque e o ngulo entre

JG

SVJG

e a linha de corda o 1 Denominao dada ao conjunto turbina elica e gerador eltrico.

7

2.2 Sistemas de Gerao Elica

ngulo de passo . O escoamento visto a partir da p tem a direo de V , e dele

surgem duas foras: uma fora perpendicular ao escoamento chamada fora de

sustentao

JG

LJG

e uma outra na mesma direo do escoamento chamada fora de

arrasto DJG

[15] [16]. A soma vetorial de DJG

com LJG

produz a fora resultante FJG

.

Anemmetro

Nacele

Gerador

Torre

Caixa Multiplicadora Cubo

P

Anemmetro

Nacele

Gerador

Torre


P

Anemmetro

Nacele

Gerador

Torre


P

Figura 2.1 Rotor de uma turbina elica tpica2.

A intensidade das foras de sustentao est diretamente ligada ao ngulo de

ataque . A fora de arrasto DJG

ser mxima quando o ngulo de ataque estiver em torno

de 90 e ter intensidade mnima quando este ngulo for 0. A fora de sustentao LJG

atingir sua mxima intensidade quando o ngulo de ataque se aproximar de 15. Aps

esse valor sua intensidade comea a reduzir ao passo que a fora de arrasto comea a

aumentar. Esse efeito, conhecido como estol, utilizado para o controle da turbina e

ser visto com mais detalhes na seo 2.1.2.[15][16].

2 Figura adaptada de http://www.energy.qld.gov.au/infosite/eg_using_wind_turbines.html.

8


LF

VS=rR

VVENTO

Linha de Corda

D

V

Sentido de deslocamento da p

LF

VS=rR

VVENTO

Linha de Corda

D

V

Sentido de deslocamento da p

Figura 2.2 Diagrama de velocidades e foras atuantes sobre as ps do rotor do aerogerador3

O torque gerado pela turbina depende de fatores como [11]: a densidade do ar, a

rea do rotor e a velocidade do vento. Segundo RASILA [14], quando o vento atinge a

rea do rotor da turbina, uma parte da sua energia cintica convertida em energia

rotacional do rotor e transmitida ao gerador eltrico por meio do sistema de engrenagens

j mencionado. A converso de parte da energia cintica dos ventos causa uma reduo

na sua velocidade aps a passagem pelo aerogerador. Entretanto, no caso hipottico em

que a velocidade do vento aps a sua passagem pela turbina fosse nula, a parcela de

energia cintica do vento convertida para forma rotacional no aerogerador seria

mxima. Em um outro caso hipottico, em que a velocidade do vento fosse igual antes e

aps a passagem pelo aerogerador, nenhuma energia cintica estaria sendo extrada.

Existe ento um ponto de operao em que a converso da energia cintica em energia

mecnica alcana a sua eficincia mxima. Este ponto de operao pode ser

determinado pela lei de Betz [16]. De acordo com a lei de Betz, pode-se idealmente

converter no mximo 59% da energia cintica do vento em energia mecnica utilizando

uma turbina elica.

3 Figura adaptada de [14].

9


A viabilidade tcnica da implementao de um sistema de gerao elica pode

ser avaliada mediante o estudo dos recursos elicos de uma certa regio [11]. Esses

recursos so geralmente mapeados em termos de velocidade dos ventos, densidade da

potncia elica em Watts por metro quadrado da rea varrida pelo rotor e do potencial

da energia elica em kWh/m2 por ano.

Aps o estudo de viabilidade, torna-se importante o dimensionamento adequado

do aerogerador com relao potncia mxima gerada. Conforme ser visto no captulo

3, seo 3.5, a potncia gerada por uma turbina elica varia linearmente com a rea

formada pelas ps e pelo cubo da turbina elica [11]. Entretanto, quanto maior a turbina,

maior ser o seu custo.

Algumas ferramentas podem ser utilizadas tanto no auxlio do dimensionamento

da turbina, quanto no ajuste do controle do sistema de gerao elica. Uma dessas

ferramentas a curva de potncia da turbina [16]. Essa curva caracteriza uma turbina

elica, exibindo a potncia de sada da turbina correspondente a cada valor da

velocidade do vento. Uma curva de potncia tpica pode ser observada na Figura 2.3.

P

Vvento

P

Vvento Figura 2.3 Curva de potncia tpica de uma turbina elica

Apesar de muito utilizada, essa curva pode apresentar incertezas em decorrncia

da forma como obtida [16]. Sua obteno feita atravs de medies da velocidade do

10


vento que passa pela rea do rotor. Porm, como a velocidade do vento varia

constantemente, torna-se muito difcil a medio da velocidade da massa de ar no

momento em que esta passa pela rea varrida pelo rotor do aerogerador.

Assim, uma soluo prtica consiste em obter uma mdia da velocidade. Essa

mdia pode ser obtida atravs dos valores da velocidade do vento antes e aps a

passagem pela turbina [11]. No entanto, tal medida pode vir a apresentar incertezas da

ordem de 3% [16]. A energia convertida pelo aerogerador, conforme ser visto no

captulo 3, varia com o cubo da velocidade do vento. Dessa forma, a potncia de sada

da turbina elica pode sofrer variaes em at 10%, com relao aos valores dados pela

curva de potncia.

Uma outra ferramenta a curva de coeficiente de potncia [16]. Essa curva

muito utilizada na avaliao do processo de converso da energia cintica e no sistema

de controle dos aerogeradores. A sua obteno se d atravs da diviso da curva de

potncia da turbina elica pela correspondente curva da potncia do vento. A Figura 2.4

mostra uma tpica curva de coeficiente de potncia.

CP

Vvento

CP

Vvento Figura 2.4 Curva de coeficiente de potncia - CP

2.1.2 Rastreamento da Potncia Mxima

O coeficiente de potncia CP representa a parcela de potncia que extrada do

vento pela turbina. Conforme j mencionado, o valor mximo terico de CP 0.59,

segundo Betz [16].

11


Apesar de ser habitual que fabricantes de aerogeradores forneam curvas de

potncia em funo da velocidade absoluta do vento, o principal fator do processo de

extrao de potncia do vento pelos modernos rotores aerodinmicos a razo de

velocidades entre as ps do rotor e do vento. Em sistemas elicos completos, como os

descritos por curvas de fabricantes, esta informao fica implcita. Mas para que se

possa projetar controladores para aerogeradores visando maximizar o aproveitamento da

potncia do vento, preciso conhecer explicitamente esta relao. Para expressar a

dependncia de CP com a velocidade do vento e outras caractersticas de um dado rotor,

til quantificar a razo de velocidades conforme dado por [11, 14]:

t

vento

Rv = , (2.1)

onde tR = a velocidade tangencial da ponta da p, R a distncia da ponta da p

ao eixo de rotao (raio do rotor) e v

TVJG

vento a velocidade do vento.

Na Figura 2.5 pode-se observar o grfico de CP versus parametrizado pelo

ngulo de passo .

Figura 2.5 - Grfico de CP versus parametrizado pelo ngulo de passo

12


A busca da eficincia mxima pode tornar-se irrelevante quando a turbina est

operando em baixa ou alta velocidade. Quando a turbina opera em baixa velocidade,

no existe muita energia cintica disponvel. Quando a mesma opera em alta velocidade,

retirada de operao por motivos de segurana; logo, a maximizao de sua eficincia

torna-se importante quando a turbina pode operar em velocidades mdias, onde a

energia cintica pode ser melhor aproveitada.

Quando a turbina elica opera prxima a opt, o processo de converso de energia alcana mxima eficincia. De acordo com (2.1), dependente tanto da velocidade angular no eixo do rotor da turbina quanto da velocidade linear do vento.

Como em turbinas elicas de velocidade fixa, detalhadas na seo 2.1.3, a

velocidade do eixo do rotor deve ser mantida em torno de um valor fixo, o opt pode ser alcanado mediante dois tipos de controle: controle do ngulo de passo e controle por

estol.

O controle de passo um sistema ativo onde as ps giram em torno do seu

prprio eixo longitudinal, mudando o ngulo de passo a fim de controlar o ngulo de

ataque . Conforme mencionando anteriormente, este ngulo exerce influncia direta

sobre a intensidade das foras aerodinmicas atuantes sobre as ps da turbina. Dessa

forma, o controle de permite que as foras de sustentao e de arrasto permaneam em

torno de um valor desejado.

O controle por estol um sistema passivo. Esse tipo de controle baseado na

caracterstica aerodinmica da p. No caso do ngulo de passo ser fixo, quando a

velocidade do vento ultrapassa um determinado valor, o ngulo de ataque aumenta,

reduzindo a intensidade da fora de sustentao e aumentando a fora de arrasto,

diminuindo a velocidade de rotao das ps. Esse fenmeno conhecido como estol. A

fim de evitar que este efeito ocorra simultaneamente em todas as posies radiais, a p

possui uma pequena toro longitudinal, permitindo que o efeito estol ocorra

suavemente.

13


Uma outra concepo envolve o controle por estol e o de passo. Nessa

estratgia, denominada estol ativo, o ngulo de passo do rotor controlado at que a

regio de estol seja atingida.

O fato de admitir apenas os controles acima descritos caracterizado como uma

das desvantagens na utilizao das turbinas de velocidade fixa, uma vez que h pouca

margem para control-las de forma a mant-las operando prximo a sua mxima

eficincia.

No entanto, em turbinas com velocidade varivel, detalhadas na seo 2.1.3, a

velocidade do eixo do rotor pode ser controlada, ou seja, a turbina elica pode operar

sob diferentes velocidades do eixo do rotor. Dessa forma, opt pode ser alcanado mediante o controle da velocidade do eixo do rotor da turbina elica. Essa uma das

vantagens responsveis pela difuso do uso desses tipos de turbinas; ao mesmo tempo

em que sua operao torna-se possvel diante de diferentes valores da velocidade do

vento, a sua eficincia mantida prxima do mximo.

O sistema de rastreamento da potncia mxima baseado no controle da

velocidade angular do rotor da turbina elica, representado por

* OPT ventovR = , (2.2)

onde opt o valor timo da relao entre a velocidade do vento e a velocidade na extremidade da p da turbina, R o raio da mesma e * a velocidade angular de

referncia que ser utilizada no controle da turbina.

2.1.3 Sistemas Tpicos de Acionamento Mquinas e Conversores

As turbinas elicas podem ser classificadas quanto forma com que so

conectadas rede eltrica, e podem ser divididas em [11, 12, 13, 15, 16]: turbinas de

velocidade fixa e de velocidade varivel .

14


As turbinas elicas de velocidade fixa so conectadas diretamente ao sistema de

potncia, na maioria das vezes por meio do estator de um gerador de induo. A

velocidade angular do rotor dessas turbinas mantm-se em torno de um valor fixo, pela

ao de um controle do passo das ps ou pela ocorrncia planejada de efeito estol

conforme as especificaes de projeto do rotor. Dessa forma, essas turbinas precisam

ser mecanicamente mais robustas, uma vez que as flutuaes na velocidade do vento so

transferidas diretamente ao eixo do rotor da turbina em forma de variaes no torque.

Segundo GREEN e WIND [17], dependendo da potncia de curto circuito do sistema

eltrico, as variaes bruscas na velocidade do vento podem causar o surgimento do

efeito flicker (seo 2.3.3). A principal conseqncia do efeito flicker o incomodo

causado ao olho humano pela cintilao luminosa.

Uma outra desvantagem na utilizao desse tipo de turbina a prpria conexo

com a rede. Segundo KRAUSE [18], a corrente de partida do gerador de induo pode

alcanar um valor superior a seis vezes o nominal. Assim, em situaes em que sejam

necessrias desconexo e reconexo freqentes da turbina elica a uma rede fraca,

problemas de instabilidade podero ocorrer.

Por motivo de proteo, a operao das turbinas de velocidade fixa, assim como

as de velocidade varivel, possui um limite inferior e um superior de velocidade [11,

16]. A exemplo da regulao de velocidade, a limitao tambm pode ser feita de duas

formas [11, 14, 16]: controle de passo ou estol. No controle de estol, as ps so

construdas de forma a diminuir a velocidade de rotao da turbina, caso a velocidade

do vento aumente acima de um determinado valor. O controle de passo consiste em

controlar a rotao das ps em torno de seu prprio eixo, de forma a controlar a

velocidade de rotao da turbina.

As turbinas de velocidade amplamente varivel precisam ser conectadas ao

sistema eltrico por meio de conversores estticos. Uma das vantagens deste tipo de

conexo que o aerogerador pode continuar operando mesmo que a velocidade do

vento sofra variaes. O uso de um sistema de controle adequado permite que a

frequncia da corrente gerada pelo aerogerador seja constante mesmo que a velocidade

do rotor assuma diferentes valores.

15


Conforme apresentado por MARQUES et al. [15], o estresse mecnico nesse

tipo de turbina sofre uma considervel reduo devido liberdade de acelerao do

conjunto mecnico. Na presena de rajadas de vento, por exemplo, a energia

armazenada na inrcia mecnica da turbina, reduzindo as oscilaes de torque.

Uma outra conseqncia o aumento da extrao da energia do vento. Uma vez

que a velocidade do rotor pode ser controlada, o valor de opt pode ser alcanado. A existncia de um conversor, juntamente com um sistema de controle e as caractersticas

da turbina, permite que as potncias ativa e reativa sejam controladas.

Os geradores eltricos mais utilizados junto a este tipo de turbina so

basicamente de trs tipos: gerador de induo com rotor tipo gaiola de esquilo, gerador

sncrono e gerador de induo com rotor bobinado.

A vantagem do gerador de induo com rotor gaiola de esquilo o baixo custo

de manuteno em virtude de sua construo simples e robusta. Embora a utilizao da

mquina de induo com rotor bobinado seja atualmente preferida por muitos

fabricantes, h uma tendncia a utilizar-se o gerador de induo com rotor gaiola de

esquilo juntamente com conversor eletrnico em aplicaes offshore, uma vez que

evitam os problemas dos anis coletores [19]. A Bonus Energy A/S implantou em

setembro de 2004 um prottipo de uma turbina elica deste tipo, com potncia de 3,6

MW. Conforme apresentado por FERREIRA et al. [20], a energia reativa necessria ao

funcionamento do gerador de gaiola pode ser fornecida pelo conversor. No captulo 3, o

controle desse tipo de gerador ser descrito com mais detalhes. O diagrama esquemtico

da Figura 2.6 mostra um gerador de induo com rotor gaiola de esquilo conectado

rede eltrica por meio de um conversor Back-to-Back.

Segundo SOBRINK et al. [21], uma outra possibilidade que se mostra atrativa

com uma configurao semelhante a de se fazer a transmisso entre os geradores

elicos e o ponto de conexo com a rede eltrica em corrente contnua aproveitando-se

o elo de tenso entre os conversores. Esta configurao assemelha-se concepo

HVDC Light e pode ser, por exemplo, apropriada para aplicaes offshore, com

16


aerogeradores situados a poucas dezenas de quilmetros da costa e transmisso com

cabo submarino. Este tipo de configurao ilustrado na Figura 2.7.

Transformador

PCCConversor Back-toBack PWM

Rede Eltrica

13.8kV400V

Gerador deInduo

Turbina elica

Figura 2.6 Conexo de uma turbina elica rede eltrica atravs de um GI

Rede Eltrica

Cabo de Transmisso C.C.

Figura 2.7 Conexo de uma turbina elica rede atravs de transmisso em corrente contnua

O outro tipo de gerador utilizado o de induo com rotor bobinado. O

escorregamento e consequentemente o torque da mquina de induo com rotor

bobinado pode ser controlado atravs do uso de resistores externos, mas nesse caso as

perdas seriam excessivas. Alternativamente, o controle desse tipo de mquina pode ser

executado por meio de conversores eletrnicos acoplados ao rotor. Dessa forma, o

gerador de induo com rotor bobinado alimentado tanto pelo estator como pelo rotor,

conforme mostrado na Figura 2.8, da a denominao deste sistema como gerador de

induo duplamente alimentado.

A mquina de induo duplamente alimentada pode operar nos modos

subsncrono e supersncrono, tipicamente sob uma faixa de operao de 30% em torno

da velocidade sncrona; para tanto o conversor acoplado ao rotor deve ser bi-direcional

17


[22]. Quando o gerador se encontra no modo subsncrono, s > 0, a potncia flui da rede

para o rotor atravs do conversor back-to-back. De outra forma, quando o gerador se

encontra no modo supersncrono, s


Atualmente, os estudos do projeto do PROINFA tm priorizado o uso de

geradores de induo diretamente conectados, geradores de induo duplamente

alimentados e geradores sncronos com conexo por conversores de tenso. Apesar

disso, geradores sncronos tm sido utilizados pela Wobben/Enercon, em usinas como

por exemplo a Usina da Prainha, em Fortaleza (CE).


Os sistemas de gerao elica so classificados de acordo com a forma com que

so empregados e com as caractersticas da rede. Tais sistemas podem ser divididos em:

sistemas autnomos e sistemas conectados rede [11].

2.2.1 Sistemas Autnomos

Sistemas autnomos so caracterizados por operarem isoladamente do sistema

eltrico, ou seja, so a principal fonte de energia.

Uma das dificuldades encontradas em sistemas com essas caractersticas a

regulao de tenso e freqncia na carga. Por serem algumas vezes as nicas fontes de

energia de um sistema, a performance dos aerogeradores fortemente dependente no

s das caractersticas dos ventos locais, mas tambm da carga. Tais fatores devem ser

levados em considerao no projeto, evitando assim, que em determinados momentos, a

carga seja maior que a potncia gerada, ocasionado o desligamento da turbina ou de

parte da carga.

Porm, algo que nem sempre pode ser evitado, o momento em que a carga do

sistema menor que a potncia gerada pela turbina elica. Nesse caso, haver um

excesso de energia no sistema, sendo ento necessria a presena de um dispositivo que

possa armazenar ou consumir este excesso. Uma outra opo consiste em deixar de

gerar energia eltrica. Com o emprego de turbinas de velocidade varivel mais fcil

compatibilizar a gerao com a carga.

19


2.2.2 Aerogeradores Conectados Rede

Uma das principais caractersticas desse sistema a presena de uma outra fonte

de energia no sistema eltrico, alm do aerogerador.

A presena de uma fonte de energia forte que no a elica facilita a regulao

de tenso no ponto de conexo comum, PCC, embora no exclua problemas de

instabilidade devido ao aumento do nmero de aerogeradores ou entrada e sada

operacional das turbinas no dia a dia. Um fator ligado diretamente a essa questo de

instabilidade a potncia de curto-circuito da rede qual a turbina est conectada.

2.2.2.1 Razo de Curto Circuito

A natureza dos problemas associados interconexo entre a gerao elica e

sistemas de potncia fortemente dependente da suscetibilidade da rede a variaes na

gerao elica. Essa caracterstica pode ser quantificada mediante a determinao do

ndice denominado razo de curto circuito.

Segundo DATTA et al. [22], a razo de curto circuito definida por:

sc

wt

PRCCP

= , (2.3)

onde Psc a potncia de curto circuito do sistema e Pwt a potncia da gerao elica.

A potncia de curto circuito por sua vez, pode ser definida por:

2

pcc

scth

VP

Z= , (2.4)

onde Vpcc a tenso no barramento e Zth a impedncia equivalente de Thvenin do

sistema de potncia, excluindo a gerao elica.

20


Uma vez conhecido o valor da razo de curto-circuito, de acordo com ROSAS et

al. [5] e KUNDUR [23], possvel classificar a rede eltrica como sendo forte ou fraca.

Com o aumento da gerao de energia elica, a relao entre a potncia de

curto-circuito do sistema e a potncia produzida pelo aerogerador diminui. Dessa forma,

mesmo em redes consideradas fortes, a influncia da gerao elica sobre a rede

aumenta, assim como a possibilidade de ocorrncia de problemas como instabilidades,

m regulao de tenso e efeito flicker.

2.2.2.2 Rede Forte

Segundo ROSAS et al. [5], o termo rede forte pode ser empregado para

classificar sistemas de potncia onde a relao de curto-circuito maior que 20.

Sistemas com essa de relao de curto-circuito so caracterizados por uma forte

influncia da rede eltrica na regulao de tenso do ponto de conexo comum (PCC).

Nos casos em que a energia eltrica produzida pelo aerogerador seja maior que a carga

local, o prprio sistema eltrico capaz de consumir este excesso. Por outro lado, caso a

demanda seja maior que a energia produzida pela turbina, o sistema eltrico capaz de

supr-la.

2.2.2.3 Rede Fraca

O termo rede fraca pode ser empregado para classificar sistemas de potncia em

que a relao de curto-circuito menor que 20 [5].

A regulao de tenso no ponto de acoplamento comum, PCC, ainda feita pelo

prprio sistema eltrico. Porm, como algumas vezes a potncia gerada comparvel

potncia de curto-circuito da rede, a rede torna-se muito mais suscetvel aos problemas

de instabilidades.

21


Em situaes em que a demanda da carga local assume valores menores que a

gerao, ou no momento da conexo do aerogerador, a tenso pode assumir valores

maiores que o permitido. Logo, em tais sistemas percebe-se a necessidade de um

controle capaz de atuar na regulao de tenso.

2.2.3 Sistemas Hbridos (Diesel Elico)

Conforme apresentado por RASILA [14], sistemas hbridos so caracterizados

pela operao descentralizada, isto , no conectada ao sistema eltrico central, e muitas

vezes por serem encontrados em regies afastadas, onde a presena de uma conexo

rede eltrica central invivel, seja por motivos fsicos ou econmicos. O sistema

hbrido abordado neste trabalho possui como fonte principal um gerador diesel e como

fonte secundria um aerogerador.

Geradores diesel so uma das fontes de energia mais comumente empregadas

em regies remotas. Em regies onde a demanda da carga pequena, a utilizao de

apenas um gerador diesel vivel. Entretanto, em comunidades onde a demanda da

carga grande, torna-se aconselhvel a utilizao de mais de um gerador; o mais

eficiente opera como gerador principal e os outros funcionam como back-up,

entrando em operao em situaes de manuteno ou de falhas.

Algumas atenes devem ser dispensadas ao modo de operao do gerador

diesel, buscando uma melhor performance. Assim, os fabricantes recomendam que o

gerador diesel opere sobre um valor mnimo de 40% do valor da demanda da carga.

Dessa forma, pode-se buscar um melhor rendimento com relao ao consumo de

combustvel e evitar o desgaste da mquina.

Uma das principais vantagens do gerador diesel que, feita uma manuteno

correta, este se torna bem confivel. Por outro lado, a maior desvantagem o custo do

combustvel. Assim, o uso de aerogeradores juntamente com geradores diesel, tem

como finalidade a diminuio do consumo de combustvel e conseqentemente o custo

operacional, reduzindo ainda a emisso de gases poluentes.

22


Segundo HUNTER e ELLIOT [13], o projeto de um sistema hbrido deve levar

em considerao alguns aspectos importantes para o bom desempenho do sistema. O

mapeamento elico do local juntamente com o estudo das caractersticas da carga so

fatores fundamentais para o dimensionamento correto do aerogerador. A variao da

velocidade dos ventos tem influncia no somente sobre a potncia eltrica produzida

pela turbina elica, mas tambm sobre a eficincia do gerador diesel. Nestes sistemas, o

gerador diesel opera de forma complementar, isto , a carga que este deve suprir a

carga da rede descontando a potncia eltrica produzida pelo aerogerador. Em situaes

em que a velocidade dos ventos seja baixa, e consequentemente a potncia eltrica

produzida pelo aerogerador tambm, o gerador diesel opera produzindo a potncia

eltrica demandada pela carga. Entretanto, quando a velocidade dos ventos alta o

suficiente para permitir que o aerogerador opere prximo a sua capacidade mxima, a

potncia eltrica produzida pelo gerador diesel diminui, podendo at mesmo, em

situaes onde a potncia produzida pela turbina elica possa suprir exatamente a carga

sem que haja excesso de energia, ser desligado. Nesses casos, porm, o gerador diesel

pode operar abaixo da capacidade mnima recomendada pelo fabricante, o que

acarretaria uma queda na eficincia e, dependendo da freqncia com que este seja

ligado e desligado, uma diminuio de sua vida til.

Quando se busca aumentar a qualidade de energia em sistemas hbridos, a

variao da velocidade dos ventos um fator que deve ser levado em considerao. A

variao da velocidade dos ventos acarreta uma variao da potncia eltrica produzida

pela turbina elica. Nesse caso, a menos que a potncia de curto-circuito seja muito

superior potncia da turbina elica, podem ser observados efeitos como flutuaes na

tenso e variaes na freqncia, no momento de acoplamento ou desacoplamento da

turbina ao sistema eltrico. A fim de evitar e superar tais efeitos torna-se necessrio

ento um sistema de controle adequado que seja capaz de evitar variaes na freqncia

e na tenso mesmo que haja mudanas na velocidade do vento. Este sistema de controle

permitir tambm que a turbina elica opere sempre prximo ao ponto de mximo

rendimento. Entretanto, existem situaes em que este sistema de controle torna-se

incapaz, por exemplo, casos em que a gerao de energia eltrica produzida pela turbina

elica seja maior que a carga. A menos que exista uma carga auxiliar com a finalidade

de consumir esse excesso de energia ou um sistema de armazenamento, o aerogerador

23

2.3 Problemas Tpicos da Conexo com a Rede

deve ento ser desligado. Existem casos reais porm, em que o diesel pode operar, em

um curto perodo de tempo, consumindo esse excesso de energia; mas tal operao no

recomendada pelos fabricantes, uma vez que diminui a eficincia do gerador diesel.


De acordo com GREEN e WIND [17], o P1547 Working Group within

Standards Coordinating Committee 21 (SCC21) do Institute of Electrical and

Electronic Engineers (IEEE), comeou em dezembro de 1998 a escrever um Standard

contendo requisitos tcnicos para a interconexo de fontes distribudas com o sistema

eltrico.

Mesmo que este assunto no seja abordado em detalhes, esta seo descrever os

principais problemas causados pela conexo de turbinas elicas na rede eltrica.

Segundo ROSAS et al. [5], a conexo de turbinas elicas na rede eltrica pode causar

distrbios, que por sua vez, podem afetar significativamente a qualidade de energia do

sistema. Os principais so:

Consumo excessivo de potncia reativa Flutuaes de tenso Efeito flicker

Estes distrbios, de acordo com AMORA e BEZERRA [4], podem surgir

quando a quantidade de energia produzida pela turbina elica aumenta, pois a razo de

curto circuito diminui. Conforme mencionado na seo 2.2.2.1, razo de curto circuito

um parmetro importante para a anlise dos fenmenos causados pela conexo de

turbinas elicas na rede eltrica. Sua reduo fragiliza a rede eltrica frente turbina

elica no ponto de conexo.

A forma como a turbina elica conectada rede tambm pode exercer

determinada influncia sobre tais distrbios. O uso de turbina elica de velocidade

varivel permite que o consumo de potncia reativa do lado da rede seja evitado, pois a

24


energia reativa necessria operao do gerador de induo passa a ser fornecida pelo

conversor. Ao mesmo tempo, este tipo de turbina permite o conversor do lado da rede

injetar potncia reativa de forma independente e com um controle adequado atuar

diretamente na regulao de tenso. Conforme ser descrito na seo 2.3.3, um outro

distrbio que pode ser minimizado o efeito flicker.

2.3.1 Consumo excessivo de potncia reativa

O uso de geradores de induo em turbinas elicas conectadas diretamente

rede acarreta no consumo contnuo de energia reativa necessria operao do gerador.

Esse consumo pode ser reduzido mediante o uso de um banco de capacitores. No

entanto, um outro problema encontrado no uso de geradores de induo conectados

diretamente rede a corrente de partida, que, de acordo com KRAUSE [18], pode

alcanar um valor superior a seis vezes a corrente nominal. Tal fenmeno pode ser

minimizado com o uso de um equipamento de partida suave adequado, como

apresentado por ROSAS et al. [5].

O consumo excessivo de energia reativa pode, conforme CHOMPOO-INWAI et

al. [24], causar problemas de tenso, tais como:

Transitrio afundamento momentneo (SAG), instabilidade dinmica; Permanente m regulao de tenso.

2.3.2 Flutuaes de tenso

Alguns fatores exercem considervel influncia na regulao de tenso do

sistema de potncia. So eles [25]:

Variaes na velocidade do vento; Conexo e reconexo do aerogerador rede eltrica;

25


Perfil dos ventos locais; Razo de curto circuito; Tipo de conexo da turbina elica rede eltrica; Controle de tenso.

Como apresentado por SMITH et al. [25], em redes fracas, ou com baixa razo

de curto circuito, a variao na gerao de energia ativa e reativa, decorrente de

mudanas na velocidade do vento, assim como a conexo e reconexo de turbinas

elicas ao sistema, podem causar flutuaes na tenso da rede eltrica.

2.3.3 Efeito Flicker

Variaes cclicas na potncia de sada das turbinas elicas podem resultar em

flutuaes na magnitude da tenso em freqncias inferiores da rede. Estas variaes

podem ter como efeito a ocorrncia de cintilaes nos circuitos de iluminao,

fenmeno conhecido como flicker. Este tipo de variao na potncia de sada das

turbinas elicas pode ser causado basicamente pela passagem das ps do aerogerador

pela torre da turbina, resultando em oscilaes de torque [25]. De acordo com SMITH et

al. [25], o efeito flicker ocorre normalmente em redes fracas, com baixa razo de curto

circuito.

A passagem das ps do aerogerador pela torre ou as variaes na velocidade do

vento causam oscilaes de torque e conseqente flutuao na tenso do aerogerador.

Segundo THIRINGER et al. [26] a emisso de flicker menor em turbinas elicas de

velocidade varivel do que em turbinas de velocidade fixa. O uso do conversor esttico

em turbinas de velocidade varivel permite que as flutuaes na potncia mecnica

sejam suavizadas pela mudana gradual na velocidade do rotor da turbina, reduzindo o

efeito flicker. Alm disso, pode ser empregado um controle adequado no conversor do

lado do gerador, de forma que a potncia reativa seja utilizada para regular a tenso no

ponto de acoplamento.

26


Conforme apresentado por THIRINGER et al. [26], a conexo e reconexo de

geradores elicos de velocidade fixa rede exercem certa influncia na gerao de

flicker. Nesses dois momentos, o fluxo de corrente para a turbina elica pode ser alto,

acarretando em uma queda da tenso na rede.

No entanto, a gerao de flicker no se deve somente aos fatores mencionados

nos pargrafos anteriores. Esse efeito pode ser causado tambm devido prpria rede

qual a turbina elica est conectada. Segundo THIRINGER et al. [26], quando a rede

eltrica contm flutuaes de tenso, a turbina elica produz uma potncia de sada que

contm flutuaes na mesma freqncia.

A gerao de flicker de geradores elicos conectados rede eltrica descrita em [25],

onde definida a expresso que representa a contribuio de cada gerador no total de

flicker em um parque elico.

2

1

N

Ti

F=

= indf , (2.5) onde FT a contribuio total de flicker, find o contribuio de flicker de uma nica

turbina.

Caso as N turbinas sejam do mesmo tipo, (2.5) pode ser simplificada:

TF N f= ind . (2.6)

27

Captulo 3

Modelagem do Sistema

N este captulo os detalhes a respeito da modelagem da turbina elica, sistema hbrido e do grupo gerador diesel sero descritos.

A fim de tornar o estudo mais vinculado realidade, a modelagem do grupo

gerador diesel, da turbina elica e do sistema hbrido foi feita com base nos dispositivos

de mesmo tipo implantados na Ilha de Fernando de Noronha [28, 29]. Os parmetros

utilizados na configurao das mquinas eltricas so dados de catlogo.

O grupo gerador diesel foi modelado atravs de uma funo de transferncia de

primeira ordem com atraso [30, 31, 32]. Para o gerador sncrono do grupo gerador

diesel, utilizou-se o modelo existente no programa PSCAD/EMTDC. A excitatriz

responsvel pelo controle de tenso da mquina sncrona. Para este estudo foi utilizado

o modelo da excitatriz AC1A, recomendado por [33] [34]. As equaes que descrevem

o modelo da turbina elica so detalhadamente descritas na seo 3.5. Essas equaes

foram deduzidas com base em PATEL [11]. O gerador acoplado a essa turbina um

gerador de induo com rotor gaiola de esquilo e, assim como o gerador sncrono, o

modelo utilizado existente no programa PSCAD/EMTDC.

O gerador de induo conectado rede atravs de um par de conversores

estticos em configurao back-to-back. O controle do conversor pelo lado do gerador

responsvel por manter a turbina elica operando sempre prximo ao ponto de mxima

eficincia. O controle do conversor do lado da rede feito de acordo com a teoria de

potncia real e imaginria instantnea (Teoria pq). As duas estratgias de controle sero

detalhadas neste captulo.

28

3.1 Gerador Diesel, Regulador de Velocidade e Excitatriz

3.1 Gerador Diesel, Regulador de Velocidade e Excitatriz

O grupo gerador diesel foi modelado no programa PSCAD/EMTDC. O modelo

deste grupo formado por um gerador sncrono, uma excitatriz, o regulador de

velocidade e o modelo da mquina diesel [30, 31, 32].

O regulador de velocidade e o diesel foram modelados dinamicamente por uma

funo de transferncia de primeira ordem e por um controlador proporcional/integral,

como mostrado na Figura 3.1.

ControladorPI

Regulador de Velocidade

G1+ sT1

e ST2

Torque MecnicoTm

ziREf +

-

Atuador Combusto

ControladorPI

Regulador de Velocidade

G1+ sT1

e ST2

Torque MecnicoTm

ziREf +

-

Atuador Combusto

Figura 3.1 Modelo do regulador de velocidade e gerador diesel

A velocidade angular do rotor do gerador sncrono comparada com a

velocidade de referncia REF. A diferena entregue a um controlador proporcional/

integral com um filtro passa baixas, que representam o regulador de velocidade. O sinal

i de sada deste regulador representa o fluxo requerido de combustvel. O sinal z, que

representa a acelerao do motor diesel, proporcional ao fluxo de combustvel i,

porm com um atraso devido constante de tempo T1 do atuador. Assim, o torque

mecnico Tm do gerador diesel proporcional acelerao z, porm com um atraso

devido constante de tempo T2 do processo de combusto. O sinal Tm ento aplicado

ao gerador sncrono, que por sua vez responsvel pela converso da energia mecnica

em eltrica.

3.2 Gerador Sncrono

Complementando o modelo do grupo gerador/diesel, apresenta-se o gerador

sncrono e o seu respectivo controle de tenso.

29

3.2 Gerador Sncrono

O modelo utilizado para o gerador sncrono o existente no programa

PSCAD/EMTDC, mostrado com o modelo da excitatriz na Figura 3.2.

WSG

EF IF

TMSGTmstdy

1.0

G. SncronoVTIT

3

w

Te

A

B

C

IfEfEf0 Ef If

Tm0TmTm

VTIT 3

IfEfEf0

Vref

Exciter_(AC1A)

Figura 3.2 Modelo do gerador sncrono e da excitatriz

A Figura 3.3 mostra a caixa de dilogo de parametrizao do modelo da

mquina sncrona. Nesta caixa pode-se configurar:

Nome identificador da mquina; Nmero de bobinas no eixo de quadratura; Tipo de dado de entrada para a parametrizao da mquina (parmetros

transientes e sub-transientes ou parmetros do circuito equivalente);

Habilitar ou desabilitar a interface com o modelo multi-massas; Configurar a resistncia da armadura como um elemento resistivo ou constante

de tempo;

Habilitar ou desabilitar a saturao no eixo direto do modelo, Escolher entre potncia, corrente ou valores nulos para o ajuste das condies

iniciais.

30

3.2 Gerador Sncrono

Figura 3.3 Caixa de dilogo para a parametrizao da mquina sncrona.

Para o modelo adotado, a potncia real positiva indica que a mquina est

gerando potncia eltrica. Torque mecnico positivo indica que potncia mecnica est

sendo entregue ao gerador. Potncia reativa positiva indica que o gerador sncrono est

entregando potncia reativa carga.

A caixa de dilogo da Figura 3.4 responsvel pela parametrizao dos dados

bsicos da mquina: tenso, corrente e freqncia angular nominais, e constante de

inrcia entre outros.

31

3.2 Gerador Sncrono


O tipo de dado de entrada escolhido para a parametrizao da mquina foi

aquele que leva em considerao os parmetros transientes e sub-transientes. Tais

parmetros podem ser configurados atravs da caixa de dilogo da Figura 3.5. Esses

parmetros esto listados no Apndice A.

32

3.2 Gerador Sncrono


No programa PSCAD/EMTDC, o processo de inicializao das mquinas

eltricas requer um certo cuidado. Geralmente a inicializao de um sistema eltrico

feito com algumas simples sequncias de partida, como por exemplo, um rampeamento

de uma fonte de tenso. Consequentemente, tais sistemas alcanam o regime

permanente em menos de um segundo. Entretanto, a inicializao de uma mquina

eltrica, seguindo os mesmos procedimentos, poderia levar dezenas de segundos devido

inrcia e demais efeitos eltricos e mecnicos. A utilizao de mais de uma mquina

no sistema poderia aumentar ainda mais o tempo necessrio para que o regime

permanente seja alcanado. Assim, um procedimento especial para a inicializao das

mquinas eltricas utilizado no programa PSCAD/EMTDC. Este procedimento

consiste em inicializar o modelo da mquina sncrona a partir do tempo t=0 s como uma

33

3.4 Turbina Elica e Acoplamento com o Aerogerador

fonte de tenso de baixa resistncia. Logo em seguida, as equaes dinmicas que

representam os transientes eletromagnticos so inseridas no modelo, que deixa ento

de ser representado como uma fonte de tenso para ser representado como uma mquina

completa. Este procedimento foi adotado porque no foi considerado como parte do

escopo deste trabalho a anlise da dinmica de partida do grupo gerador diesel. Assim,

nas simulaes realizadas foi considerado como condio inicial para o estudo da

gerao elica a situao que o diesel encontra-se em regime permanente a plena carga.

3.3 Excitatriz

A excitatriz o dispositivo responsvel pelo controle de tenso nos terminais do

estator do gerador sncrono. O modelo utilizado, mostrado na Figura 3.2, o AC1A,

seguindo os padres recomendados por [33, 34]. A Figura 3.6 mostra o diagrama em

blocos da funo de transferncia deste modelo.

Figura 3.6 Diagrama em blocos da funo de transferncia do modelo da excitatriz.


A turbina elica, conforme j descrito na seo 2.1.1, um dispositivo responsvel pela

converso da energia cintica dos ventos em energia mecnica. Conforme apresentado

em [13], a massa de ar que passa atravs da rea formada pelas ps e pelo ncleo da

turbina, chamada neste estudo de rea do rotor da turbina, sofre uma reduo na

34


velocidade em decorrncia da extrao da energia cintica dos ventos. Esse efeito

formao tubo de corrente de ar, mostrado em seo longitudinal na Figura 3.7, cujo

volume aps o rotor sofre um aumento, inversamente proporcional reduo da

velocidade.

Conforme apresentado em PATEL [11], a energia cintica da massa de ar se

movendo com velocidade v dada por:

212cintica

E mv= [J], (3.1)

onde m a massa de ar, e v a velocidade do vento.

rea do Rotordo aerogerador

Presso Velocidade do Vento

Tubo de Ar

pp

Pd+

Pd-

rea do Rotordo aerogerador

Presso Velocidade do Vento

Tubo de Ar

pp

Pd+

Pd-

Figura 3.7 Seo longitudinal de um tubo de corrente de ar4

A potncia do vento dada pelo fluxo de energia cintica por segundo, dado

por:

21 (fluxo de massa por segundo)2vento

P v= [W] . (3.2)

Uma vez que o fluxo de massa de ar por segundo dado por Av, obtemos:

2 31 1( ) [W]2 2vento

P Av v Av = = (3.3)

4 Figura adaptada de [14]

35


De acordo com [10], a potncia extrada pela turbina elica a diferena entre a

potncia do vento antes e depois da passagem pelo seu rotor:

{ }2 21 (fluxo de massa por segundo)2o oP v v= [W] , (3.4) onde Po a potncia mecnica extrada pelo rotor da turbina, v e vo so as velocidades

antes e aps a passagem pela turbina, respectivamente.

Uma vez que a velocidade do vento apresenta descontinuidade ao passar pela

rea do rotor do aerogerador, o fluxo de massa de ar atravs das ps do aerogerador

obtido utilizando o valor mdio da velocidade. Assim:

fluxo de massa de ar = 2

ov vA + (3.5)

Substituindo (3.5) em (3.4), obtm-se a potncia mecnica extrada pelo rotor da

turbina elica:

2 21 (2 2

oo

v vP A v + = )ov (3.6)

Rearranjando algebricamente (3.6) tem-se: 2

3 3

(1 ) 11 [W]2 2 2

o o

o p

v vv v

P Av Av C + = = 1 , (3.7)

Onde Cp, conforme apresentado em PATEL [11], o coeficiente de potncia do

rotor e pode atingir um mximo valor terico de 0.59, quando o mecanismo

predominante de produo de torque na turbina o de sustentao (ver seo 2.1.1). O

fator Cp representa a frao da potncia do vento antes da passagem pela turbina, que

capturada pelo rotor.

O torque mecnico a razo entre a potncia mecnica produzida e a velocidade

t no eixo da turbina elica. Essa relao dada por (3.8):

31

2 ptur

t

A v CT

= (3.8)

Manipulando-se algebricamente (2.1):

36


tvr = (3.9)

Substituindo (3.9) em (3.8), chega-se expresso do torque mecnico em funo

de , dado por:

3 21

2 ptur

r v CT

= . (3.10)

As velocidades tpicas de rotao para turbinas de grande porte so baixas, da

ordem de 10 rpm.

Como a rotao nominal de mquinas de CA inversamente proporcional

quantidade de plos, natural pensar que geradores para aplicaes elicas devem ter

muitos plos. De fato, fabricantes de sistemas elicos com geradores sncronos

costumam utilizar geradores com grande nmero de plos (maior que 50), acoplados

diretamente ao eixo da turbina (exemplo Enercon/Wobben).

No entanto, h dificuldades tcnico-econmicas para fabricao de mquinas de

induo rotor gaiola de esquilo com elevada quantidade de plos (mais que 30), razo

pela qual faz-se necessria a utilizao de caixas multiplicadoras para compatibilizar a

baixa rotao do eixo da turbina elica com a rotao, em geral, mais alta do eixo do

gerador assncrono de poucos plos.

De acordo com (3.11), apesar de multiplicar a velocidade da turbina elica, a

caixa de multiplicao reduz razo de 1/GR o torque mecnico.

turmR

TTG

= (3.11)

Logo, o torque mecnico entregue ao gerador eltrico dado por:

3 21

2 wind pm

R

r v CT

G

+= . (3.12)

A Figura 3.8 mostra o diagrama em blocos do modelo na forma como foi

desenvolvido no PSCAD/EMTDC. Nesta figura pode-se observar o sistema de

37


rastreamento da potncia mxima e o modelo da turbina elica com destaque para a

curva Cp versus .

Modelo da Turbina Elica

Sistema de Rastreamento do Ponto de Potncia Mxima

7.0 * N

D

N/D

13.5

*10 w_ref_mec

376.9

N

D

N/D*6 w_ref

Velocidade do vento Raio da turbina

Caixa de multiplicao

Par de plos

Velocidadebase

w_wind

w_ref_pu

4731

.0

N

D

N/D *-1N

D

N/D

10.0

Torque base

Torquemecnico

G1 + sT

X2

wr *0.225

N

D

N/D N

D

N/D

*

Caixa de Multiplicaolambda

Coeficiente de Potncia

Razo entre a velocidadena extremidade da p e

a velocidadedo vento

vento

vento

Ts*4635

Curva Cp versus Lambda

Figura 3.8 Modelo da turbina elica e sistema de rastreamento da potncia mxima.

Para a modelagem da curva no linear Cp versus foi utilizado o bloco Non-

Linear Transfer Characteristic j existente no PSCAD/EMTDC. Para cada valor do

eixo das abscissas deve ser fornecido um valor do eixo das coordenadas. O valor entre

dois pontos ser calculado pelo mtodo de interpolao linear. A caixa de dilogo usada

para a configurao dos pontos de entrada e sada mostrada na Figura 3.9.

O gerador eltrico que constitui o modelo do aerogerador a mquina de induo com rotor gaiola de esquilo. O modelo da mquina utilizado foi o j existente

no PSCAD/EMTDC e pode ser visto na Figura 3.10. Este modelo pode ser operado

tanto com controle de velocidade como com controle de torque. Quando o modo de

controle de velocidade selecionado, a mquina de induo gira a uma velocidade

especificada na entrada W. Por outro lado, quando o modo de controle de torque

selecionado, a mquina gira a uma velocidade baseada na inrcia da mquina,

amortecimento mecnico, torque de entrada e torque de sada. Normalmente a mquina

inicializada no modo de controle de velocidade e ento chaveada para controle de

torque quando a mquina alcana o estado de regime permanente.

38


Figura 3.9 Caixa de dilogo do bloco Non-Linear Transfer Characteristic.

A Figura 3.11 mostra a caixa de dilogo de configurao de dados bsicos da

mquina de induo.

Ts_ind

Sto

t

TIME

Velocidade para torque1.19 s

1

1.01Ger. de Ind. A

C

1

0B

W

S

T

StoT

Figura 3.10 Modelo do gerador de induo do PSCAD/EMTDC

39


Figura 3.11 Caixa de dilogo para configurao da mquina de induo

A caixa da Figura 3.11 responsvel entre outros pela configurao da tenso,

corrente e freqncia angular nominal e tipo de dado para a parametrizao da mquina.

Os tipos de dados permitidos so:

Parmetros tpicos potncia da mquina, Parmetros do circuito equivalente e Dados de placa.

Na caixa de dilogo da Figura 3.12 possvel parametrizar a mquina de

induo com os dados de placa como fator de potncia, eficincia, escorregamento,

corrente e torque de partida, torque mximo, nmero de plos, momento polar de

inrcia e amortecimento mecnico entre outros.

40

3.5 Sistema Hbrido Rede Fraca

Figura 3.12 Caixa de dilogo para parametrizao da mquina de induo


O sistema eltrico em foco neste estudo um sistema hbrido diesel-elico, no

qual o sub-sistema de distribuio apresenta caractersticas de uma rede fraca.

Conforme mencionado na seo 2.2.2, rede fraca uma classificao dada a um sistema

eltrico cuja razo entre a potncia de curto circuito e a potncia do gerador principal

menor que 20 [15].

O sistema eltrico modelado baseado no existente no arquiplago de Fernando

de Noronha, Pernambuco e mostrado na Figura 3.13. Este arquiplago est localizado

no oceano Atlntico a 345 km da costa do Brasil. Sua maior parte um Parque Nacional

com reas restritas. A principal ilha do arquiplago recebe o mesmo nome e possui uma

populao fixa de 2000 pessoas, podendo ter ainda 500 turistas durante a alta

temporada.

41


Gerador Diesel2 X 910 kVA

380V - 60 HzGerador Diesel

410 kVA

380V - 60 Hz

13800V - 60 Hz 13800V - 60 HzAlimentador 2

Alimentador 3

Turbina Elica

225 (kW)Turbina Elica

75 (kW)

Alimentador 1

Transformadores

Figura 3.13 Diagrama unifilar do sistema de potncia da Ilha de Fernando de Noronha.

A tabela 3.1 mostra a capacidade e extenso dos alimentadores do sistema da

Figura 3.13.

Alimentador Capacidade (kVA) Extenso AT (m) Extenso BT (m)

1 975 5.420 6.150

2 405 3.340 4.080

3 615 3.480 5.560 Tabela 3.1 Capacidade e extenso dos alimentadores do sistema da Figura 3.10

Conforme apresentado por FEITOSA et al. [28] e ROSAS et al. [29], a rede

eltrica da ilha possui como fonte principal de energia um sistema de gerao a leo

diesel. Esse sistema composto por dois grupos geradores diesel. Um deles possui dois

geradores de 910 kVA e o outro grupo possui um gerador de 450 kVA que usado

somente como unidade de emergncia.

A ilha possui tambm duas unidades de gerao elica. Uma delas uma turbina

de 75 kW que est fora de servio desde 2000 devido a problemas de manuteno. A

outra uma turbina do tipo Vestas V 27 com dois geradores de induo de 225/50 kW.

No entanto, devido a problemas de instabilidade, a potncia da turbina foi

reduzida a 150 kW.

42

Documents

VER TESE DE MESTRADO ENERGIA EOLICA.pdf