Análise das Tecnologias de Aerogeradores Síncronos com

GESEP – Ger
cia de Especialistas e
Siste as El tricos de Pot
cia
Título:
A álise das Te ologias de Aerogeradores Sí ro os o Co versores Ple os
Autores:
PEREIRA, H. A.; Alla F. Cuperi o ; RESENDE, J. T. ; SOUZA, T. M. ; OLIVEIRA, R. R. S. ; SILVA, Sel
Ro ha.
Pu li ado em:
Co fer ia Brasileira so re Qualidade da E ergia El tri a
Data da pu li ação:
io
Citação para a versão pu li ada:
PEREIRA, H. A.; Alla F. Cuperi o ; RESENDE, J. T. ; SOUZA, T. M. ; OLIVEIRA, R. R. S. ; SILVA, Sel io
Ro ha . A álise das Te ologias de Aerogeradores Sí ro os o Co versores Ple os. I : Co fer ia
Brasileira so re Qualidade da E ergia El tri a,
, Araxá. CBQEE,
.
Análise das Tecnologias de Aerogeradores
Síncronos com Conversores Plenos
Heverton A. Pereira1,2, Allan F. Cupertino1, José T. de Resende, Thiago M. de Souza1, Ramon R. S. de Oliveira1,
Selênio R. Silva2
1
2
Universidade Federal de Viçosa, Av. P. H. Rolfs, s/n, Campus UFV, CEP: 365703000, Viçosa, MG, Brasil
Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627,CEP: 312703901, Belo Horizonte, MG, Brasil

!
"
&
'
"
 #
'
I.
$
%
INTRODUÇÃO
O impacto ambiental das tradicionais formas de geração de
eletricidade tem motivado diversas pesquisas relacionadas a
fontes renováveis. A energia eólica é atualmente a fonte
renovável mais utilizada e as projeções indicam que esta será
ainda mais utilizada no futuro.
Em junho de 2012 a potência mundialmente instalada em
aerogeradores alcançou um valor em torno de 254 GW. A
Fig. 1 apresenta a taxa de crescimento da energia eólica desde
2005. Observa3se que nos últimos três anos a taxa de
crescimento manteve3se constante, devido à crise econômica
que ocorreu neste período.
45
38,6
40
38,8
síncronos melhora o desempenho do sistema, pois elimina a
caixa de transmissão, reduzindo os custos de manutenção [3].
Além disso, o uso de conversores plenos permite que os
distúrbios existentes na rede elétrica (harmônicos, variações
de tensão) não sejam transmitidos diretamente para o gerador,
como ocorre nos geradores de indução duplamente
alimentados. Existem basicamente três topologias de
aerogeradores síncronos com conversores plenos, como
apresentado na Fig. 2.
A primeira topologia, Fig. 2 (a) consiste em um retificador
a diodos e um inversor PWM conectados por um barramento
de tensão contínua (CC). A tensão do barramento CC é
controlada a partir do sistema de excitação da máquina. O
inversor controla o fator de potência e injeta a máxima
potência da turbina na rede elétrica. Já a segunda topologia,
Fig. 2 (b) apresenta um conversor CC/CC que permite obter
um barramento CC de valor mais elevado e com uma melhor
regulação. O inversor dessa topologia realiza uma função
semelhante à realizada na tecnologia anterior.
A terceira topologia, apresentada na Fig. 2 (c) consiste em
um retificador e um inversor PWM conectados por um
barramento de tensão contínua. Este arranjo é conhecido
como conversor
A máxima potência da turbina
é controlada pelo conversor do lado do gerador. O conversor
do lado da rede controla o barramento CC e a potência reativa
injetada na rede.
40,6
()*+
35
26,6
30
25
19,9
20
&
15
(a)
15,2
11,5
10
5
0
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
#
Fig. 1. Taxa de crescimento da energia eólica desde 2005 [1].
Existem diversas topologias de aerogeradores. Comparada
com a geração em velocidade fixa, a geração em velocidade
variável é preferida atualmente porque é possível extrair mais
energia do vento [2]. Os geradores assíncronos são os mais
utilizados, pois são facilmente construídos e seu custo é
relativamente baixo. Apesar disso, o uso de geradores
(b)
(c)
Fig. 2. Topologias de aerogeradores síncronos com conversores plenos: (a)
Retificador a diodos; (b) Retificador a diodos com conversor CC/CC; (c)
Conversor PWM.
Este trabalho pretende analisar o des
desempenho das três
topologias descritas perante variaçõess da vvelocidade do vento
considerando toda a faixa de operação
ão da tturbina. Na seção II
será apresentada a modelagem do sistema
tema de
d geração eólico.
II.
METODOLOGIA
OGIA
Neste estudo foi usada uma turbina
bina eeólica modelada de
acordo com Akhmatov [4]. A potência
ncia mecânica gerada é
dada por:
1
2
,
(1)
ocidade do vento, a área
onde é a densidade do ar, a velocidad
varrida pelas pás da turbina.
, é o coeficiente de
potência representado por:
,
116
0.22
0.4
5% &
12.5
'
(2)
*+
,
+
-
*/
,
/
-
(+
(.
(/
(.
0$ -
/
+
(5)
0$ -
+
/
(6)
ponentes de eixo direto e */ e / as
onde*+ e + são as componen
componentes de eixo dee qua
quadratura da tensão e corrente,
respectivamente. -representa
senta a soma das indutâncias do
filtro e, é a soma das resistênc
sistências do filtro.
Neste trabalho, faz3see uso da DSOGI3PLL (do inglês,
& '
) proposta por
[8] para obter o ângulo dee orien
orientação do sistema ().
Como pode ser observad
servado na Fig. 4, esta estrutura
apresenta três estágios: no pprimeiro estágio são utilizados
dois SOGI’s a fim de gerar sinais de quadratura que são
utilizados no segundo estágio,
stágio, que por sua vez consiste em
um detector de sequência positiva
posit em coordenadas 1 .
No terceiro estágio, o ângulo
ângu da fase da tensão pode ser
obtido através do circuitoo SFR
SFR3PLL (do inglês, ( #
! " #
$
$ %) que analisa apenas a
sequência positiva da tensão
são na rede.
pende de e , a relação
O fator é calculado abaixo e depende
da velocidade de ponta de pá e ângulo das pás,
respectivamente e são calculados como
mo seg
segue.
1
1
0.08
λ
0.035
1
ωR
V
(3)
Fig. 4. Diagrama de blo
blocos da DSOGI3PLL[8].
(4)
Quando a velocidade do vento é maior
aior que
q o valor nominal
é necessário controlar o ângulo de passo
asso . Nesse trabalho, o
controle é realizado comparando a potência
po
elétrica da
turbina como valor nominal, como mostrado
mostr
na Fig. 3. Foi
utilizado um modelo simplificado para
ara o servomecanismo, o
qual considera um τ" constante de primeir
rimeira ordem e algumas
limitações no ângulo [4]. Os ganhos do controlador são
calculados segundo a metodologia propost
roposta por [5].
A estrutura de controle
ole ut
utilizada neste trabalho para o
controle das topologias
as com
co
retificador a diodos é
apresentada na Fig. 5. É utilizada
uti
uma estrutura clássica
consistindo em duas malhas
alhas em cascata: a malha interna,
mais rápida, que controlaa as correntes
co
do conversor e a malha
interna, mais lenta, que controla
contro as potência ativa e reativa
injetada na rede elétrica.
Fig. 3. Ilustração do controle do ângulo de passo.
No inversor, a modelagem de seus pparâmetros é feita
considerando um sistema trifásico equilibrado.
equili
É utilizado
um filtro LCL a fim de proporcionar
nar uum bom padrão de
qualidade de energia, reduzindo os harmôn
armônicos causados pelo
chaveamento dos conversores. Os parâmetros
parâm
do filtro são
calculados de acordo com a metodologia
dologia proposta por [6]
sendo que a segunda indutância do filtro é substituída pela
indutância de dispersão do transformador.
ador.
Considerando que o capacitorr do filtro pode ser
considerado um circuito aberto na frequên
equência fundamental da
rede (#$ ), as equações do sistema em coor
coordenadas () podem
ser escritas como [6], [7]:
Fig. 5. Estrutura de controle do inversor
invers para as topologias com retificador a
diodos.
Já a estrutura de controle
trole ddo inversor da topologia com
retificador PWM é apresentad
sentada na Fig. 6. Observa3se que a
única diferença em relação
ão a estrutura
es
da Fig. 5 é a existência
de uma malha de tensão do barramento
ba
CC externa a malha
de controle de corrente dee eixo direto.
5+
7
( 7
6
=
;<
89:
>?
@AB =
6 = @
; < ;<
>?
(8)
C?
onde +3 é a tensão nominal de saída do conversor, 4 é a
largura de pulso nominal,
é o valor da capacitância do
conversor e , é a carga nominal do conversor.
A dinâmica de altas frequências de 5 + pode ser
simplificada considerando que o barramento CC de saída
comporta3se como uma fonte de tensão [10]. Assim:
5+ 7
Fig. 6. Estrutura de controle do inversor para a topologia com retificador
PWM.
No controle do retificador PWM é utilizado um controle
com orientação de campo no sistema de coordenadas (). A
estrutura utilizada é apresentada na Fig. 7. Foi considerado o
modelo () da máquina síncrona, apresentado em [9].
7
89:
≈ 6;
( 7
6
(9)
Usualmente, a corrente no indutor apresenta ondulações
importantes, que não são consideradas na obtenção do
modelo médio. Os harmônicos de corrente em torno da
frequência de comutação podem afetar o desempenho do
sistema de controle e devem ser considerados no projeto do
compensador de corrente. Segundo[11], a função de
transferência considerando estes efeitos é dada por:
5+ 7
E
7F
GH;
7
2H;
F
1I
89:
6;
Para a malha de corrente é utilizado o controlador
dado por:
J
Fig. 7. Estrutura de controle do retificador PWM.
)
Para a segunda topologia de aerogerador com retificador a
diodos é utilizado um conversor CC/CC de topologia boost
que é responsavel por elevar a tensão contínua do barramento
CC da máquina além de regular o valor da tensão do
barramento CC do inversor.
O ganho desse conversor, relação entre entrada (2) e saída
( +3 ) no caso ideal é dado por:
+3
2
1
1
4
OP
onde4V
F X
W 89:
A função de transferência que relaciona a corrente no
indutor do conversor com a razão cíclica é dada por[10]:
7 M3
7 7 N3
7 ,
(11)
+3
6
7
7
T
QRS QU;<T
(12)
.
Para a malha de tensão é utilizado um compensador PI da
forma:
8
Fig. 8. Estrutura utilizada no controle do conversor CC/CC.
KLJ
J
Quanto ao projeto, deve ser notado que quanto maior o
zero do compensador, mais rápida é a resposta transitória, o
que pode aproximar o sistema da instabilidade. O poloN3 do
compensador reduz o efeito da frequência de comutação na
malha de corrente sendo posicionado na metade da
frequência de comutação. Já o ganho do compensador é
estabelecido de forma a garantir a frequência de cruzamento
por zero especificada que é limitada a um décimo da
frequência de chaveamento.
Já a função de transferência que relaciona a tensão de saída
e a corrente do indutor é dada por:
(7)
onde4 é a largura do pulso de chaveamento.
O controle da tensão do barramento CC é realizado a partir
de duas malhas de controle em cascata, sendo que a malha
externa, mais lenta, controla a tensão do barramento
fornecendo o valor de referência para a malha interna, mais
rápida, que controla a corrente no indutor do conversor.
7
(10)
7
KLJY
7
MLJY
7
(13)
O zero do compensador PI é posicionado sobre o polo da
planta. O ganho do compensador é estabelecido de forma a
garantir a frequência de cruzamento por zero especificada,
que neste trabalho foi definida como 12 Hz.
Neste trabalho foram utilizados cinco conversores
em paralelo devido a elevada potência da máquina.
*
+,
Como a dinâmica do controle do ângulo de passo da
turbina tem uma dinâmica relativamente lenta, para auxiliar o
controle de velocidade da máquina é realizado o controle da
tensão da excitação de campo da máquina síncrona.
A modelagem utilizada, semelhante a estrutura apresentada
por [12], considera o atraso causado pela dinâmica da ponte
de tiristores (Z[ ), a constante de tempo do enrolamento de
campo (Z\ ) e a constante de tempo dos enrolamentos
amortecedores (Z] ).
É utilizado um controlador PI cuja constante de tempo é
ajustada de modo a cancelar o polo dominante da planta. O
ganho do controlador é ajustado de forma que o sobressinal
da resposta ao degrau seja inferior a 10 %. A estrutura de
controle é apresentada na Fig. 9.
# %%
2MW
12.5 m/s
2500 kVA
34.5 kV
0.4 kV
5.51 %
8
.
4500 kVA
69 kV
34.5 kV
5.51 %
8
/
Primeira indutância
Capacitância
Resistência de amortecimento
0
Tensão
Nível de curto circuito
Relação XkR
70 μH
5500 μF
44.4 mW
69 kV
642.2 MVA
14.2
Neste trabalho todas as análises foram realizadas levando
em consideração a curva de variação de velocidade
apresentada na Fig. 9.
Fig. 9. Modelo linear de controle direto.
-
Potência nominal
Velocidade nominal do vento
,
Potência
Tensão primária
Tensão secundária
Impedância
Relação XkR
,
Potência
Tensão primária
Tensão secundária
Impedância
Relação XkR
+,
Diante dos Afundamentos Momentâneos de Tensão
(AMT), ocorre a limitação da corrente pelo inversor, o que
provoca um desbalanceamento entre as potências injetadas e
retiradas do barramento CC. Esta energia armazenada no
barramento tende a elevara sua tensão. Por essa razão, várias
topologias usam dispositivos de proteção a fim de dissipar o
excesso de energia do barramento.
Nesse trabalho, é usado o # %% de proteção, que limita a
tensão do barramento em um valor predeterminado através do
chaveamento de um resistor que dissipa a potência excedente,
como ilustrado na Fig. 10.
Fig. 11. Perfil do vento simulado.
III.
RESULTADOS
Fig. 10. Modelo linear de controle direto.
O resistor do chopper é calculado por [7]:
,3^P
+3$
F
$
(14)
onde +3$ é o valor nominal da tensão do barramento CC e
é a potência nominal da turbina.
!
"
$
+.
As três topologias foram simuladas em ambiente
Matlab/Simulink. Os parâmetros utilizados são apresentados
na TABELA I e representam uma turbina de 2 MW.
TABELA I. PARÂMETROS DAS SIMULAÇÕES.
*
Velocidade nominal
21.5 rad/s
Raio das pás
35.5 m
Densidade do ar
1.225 kg/m³
Com o perfil de vento apresentado na Fig. 11 é possível
submeter as três tecnologias de geradores síncronos a
diferentes pontos de operação, começando no vento nominal,
seguida de uma queda de velocidade do vento, e aumento da
velocidade do vento para valores acima do nominal.
A Fig. 12 mostra o comportamento da potência ativa
injetada na rede elétrica. É possível perceber que as três
tecnologias apresentam comportamentos semelhantes. Já em
relação à potência reativa, Fig. 13, que foi ajustada para
permanecer nula, é observado que a tecnologia a diodos é
mais sensível a variações de velocidade do vento.
Com o aumento da velocidade do vento para valores acima
do nominal é verificada a variação da inclinação das pás,
definido pelo ângulo β, para manter a potência nominal. A
Fig. 14 exibe o ângulo β para as três tecnologias, que
permaneceu próximo a 22°.
Como as três tecnologias apresentadas são de velocidade
variável, é interessante que todas possam operar na maior
faixa de velocidade do vento. A velocidade mínima do vento
nas simulações foi de 3,5 m/s que é a velocidade de
da
turbina. Entre os instantes 25 s e 30 s a velocidade do vento
permaneceu em 3,5 m/s de maneira que a potência injetada na
rede foi nula nas tecnologias a diodo e com conversor
,
e com uma pequena injeção de potência na tecnologia com
dois conversores PWM.
!
' + $%
*
' + $&
*
' + $
"# $ %
!
"# $ &
!
"# $
Fig. 15. Velocidade da turbina nas três tecnologias.
Fig. 12. Potência ativa gerada nas três tecnologias.
'
"
!
*
"
$%
A análise da tensão do barramento CC, Fig. 16, mostra que
as tecnologias com conversor
e com converores PWM
trabalham com tensão do barramento CC constante, com
pequenas oscilações em torno do valor de referência. A
tecnologia a diodos apresenta variações na tensão de
barramento, que limita a injeção de potência para valores
baixos de velocidade do vento. Destaca3se a tensão de
entrada do conversor
, exibida na Fig. 17, que apresenta
comportamento semelhante à tensão da tecnologia a diodos.
,
-
$%
,
-
$&
,
-
$
$&
$
!
"
$
$
Fig. 13. Potência reativa gerada nas três tecnologias.
! (
&
) $%
Fig. 16. Tensão no barramento CC do inversor nas três tecnologias.
! (
&
) $&
! (
&
) $
.
&
,
,
Fig. 14. Ângulo de passo das pás nas três tecnologias.
Fig. 17. Tensão no barramento CC de entrada do conversor
.
IV.
CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou resultados comparativos entre três
tecnologias de conversores plenos utilizados em geração de
energia eólica com velocidade variável de vento. As três
tecnologias apresentam vantagens e desvantagens
comparando questões como o custo, complexidade,
velocidade de resposta.
A tecnologia com conversores
apresenta
características operacionais semelhantes à tecnologia com
conversores PWM, mas com resposta a perturbações inferior.
A tecnologia com retificador a diodos, sem conversor
,é
muito susceptível a variações de velocidade do vento, sendo
que a relação entre a tensão no barramento CC e a tensão da
rede um ponto muito importante para viabilizar a máquina
operar em uma ampla faixa de velocidade.
V.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi desenvolvido com auxílio financeiro das
agências de fomento FAPEMIG e CAPES/CNPQ.
VI.
REFERÊNCIAS
[1] World Wind Energy Association, “Annual market update,”
% / Março 2012.
[2] W. Li, C. Abbey e G. Joos, “Rectifier, Control and
Performance of Wind Turbine Generators based on Permanent
Magnet Synchronous Machines Feeding a Diode,” 01 # &--2 %
/ p. 6, 2006.
[3] S. Achilles e M. Poller, “Direct Drive Synchronous Machine
Models for Stability Assessment of Wind Farms,”
'
# !
#&
# %
$ '
& '
2
3
"
4 2
#
! "
[4] V. Akhmatov, “Analysis of Dynamic Behaviour of Eletric
Power Systems with Large Amount of Wind Power,” Kgs.
Lyngby, 2003.
[5] M. Hansen, A. Hansen, T. Larsen, S. Oye, P. Sorensen e P.
Fuglsang, “Control design for a pitch3regulated, variable speed
wind turbine,” Roskilde, 2005.
[6] M. Liserre, F. Blaabjerg e S. Hansen, “Design and Control of
an LCL3 Filter3Based Three3Phase Active Rectifier,” &--3 4
3& 4 4 &4 5 3 6
$& 3& 4 / pp. 12813
1291, September 2005.
[7] S. K. Chaudhary, R. Teodorescu, P. Rodríguez e P. C. Kjaer,
“Chopper Controlled Resistors in VSC3HVDC Transmission
for WPP with Full3scale Converters,” &--- - )&
- '(/ p. 8, 2009.
[8] P. Rodríguez, R. Teodorescu, I. Candela e A. v. Timbus, “New
Positive3sequence Voltage Detector for Grid Synchronization
of Power Converters under Faulty Grid Conditions,” 01 # &--2 %
/ p. 7, 2006.
[9] P. C. Krause, O. Wasynczuk e S. D. Sudhoff, Anaysis of
electric machinery and drive systems, Wiley inter3 science,
2002.
[10] R. W. Erickson e D. Maksimovic´, Fundamentals of Power
Eletronics, 2ª ed., New York: Klumer Academic Publishers,
2004.
[11] R. B. Ridley, “A New, Continuous3Time Model For Current3
Mode Control,” vol. 6, pp. 271 3 280, April 1991.
[12] D. S. Mota e C. Goldemberg, “Comparison Between Voltage
Control Structures of Synchronous Machines,” &--- $ 3&4
- &
3 4
3& 4 / vol. 8, pp. 6313636, December
2010.
VII.
BIOGRAFIAS
1
#
&
(M’12) graduou3se em
engenharia elétrica pela Universidade Federal de
Viçosa, em 2007, mestrado em engenharia elétrica
pela Universidade Federal de Campinas, em 2009, e
atualmente
esta
cursando
doutorado
pela
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo
Horizonte, Brasil. Desde 2009 é professor do
departamento de engenharia elétrica da UFV. Seus
interesses incluem energia eólica e energia solar
fotovoltaica.
#
/
%
nasceu em Visconde do
Rio Branco, Brasil. Está graduando em engenharia
elétrica pela Universidade Federal de Viçosa (UFV),
Brasil. Atualmente é integrante do GESEP, onde
desenvolve trabalhos sobre eletrônica de potência
aplicada a sistemas de energia renovável. Seus
interesses incluem energia solar fotovoltaica, energia
eólica, controle aplicado a eletrônica de potência e
integração a rede de geração distribuída.
2 3,
0
. Mestrado em Engenharia
Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (1994)
e Doutorado em Engenharia Elétrica pela
Universidade Federal de Uberlândia (1999).
Atualmente é professor Adjunto III na Universidade
Federal de Viçosa. Trabalha na área de Sistemas
Elétricos de Potência, com ênfase em Máquinas
Elétricas, Eletromagnetismo e, Geração, Transmissão
e Distribuição de Energia Elétrica. Atualmente tem
pesquisas em Fontes Alternativas de Geração de
Energia e Modelagem de Máquinas Elétricas.
,
)
$ 4 nasceu em São
Francisco, Brasil. Está graduando em engenharia
elétrica pela Universidade Federal de Viçosa (UFV),
Brasil. Seus interesses incluem energia eólica e
controle aplicado a eletrônica de potência.
0
0
$
nasceu em
Coronel Fabriciano, Brasil. Está graduando em
engenharia elétrica pela Universidade Federal de
Viçosa (UFV), Brasil. Seus interesses incluem
energia eólica e controle de máquinas elétricas.
$
0
$
()5 67+ graduou3se e realizou
mestrado na Universidade Federal de Minas Gerais
(UFMG), Belo Horizonte, Brasil, em 1980 e 1984,
respectivamente. Obteve o doutorado em 1988 pela
Universidade Federal da Paraíba, atualmente
Universidade Federal de Campina Grande (UFCG),
Campina Grande, Brasil. Desde 1982, é professor do
departamento de engenharia elétrica da UFMG sendo
que em 1995 tornou3se professor titular.
Seus interesses de pesquisa incluem acionamentos elétricos, qualidade de
energia, aerogeradores de velocidade variável e integração a rede de geração
distribuída.