Adegas

Title:
FILTRO ATIVO PARALELO PARA MITIGAÇÃO DE
HARMÔNICAS EM GERADORES DE TURBINAS EÓLICAS
CORRENTES
Authors:
Fernando Soares dos Reis, Member, IEEE
**Syed Islam, Senior Member, IEEE
**Kelvin Tan Student Member, IEEE
Jorge Villar Alé
Fabiano Daher Adegas – Estudante Mestrado
Reinaldo Tonkoski Jr. – Student Member, IEEE
**School of Electrical and Computer Engineering
Curtin University of Technology - Australia
Mailing address:
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
FENG – DEE -LEPUC
Av. Ipiranga 6681, Prédio 30, Bloco E
CEP: 90470-000, Porto Alegre, RS - Brasil.
Phone: +55 (51) 3320-3540
Fax: +55 (81) 3320-3540
E-mail:
[email protected]
Contact author:
Fernando Soares dos Reis
Topic area:
9. Sistemas Energéticos Alternativos
Abstract — This paper presents an analysis and simulation of an active shunt
filter (ASF) for harmonic mitigation in wind turbines generators. Currents are
represented in d-q synchronous reference frame (SRF) and PWM carrier
strategy is used to control the active filter. A new scheme to synchronize d-q
currents using mechanical rotor angular speed is adopted. A dynamic wind
turbine model and the active filter are implemented on software PSIM©.
Representative waveforms and spectral analysis is presented.
FILTRO ATIVO PARALELO PARA MITIGAÇÃO DE CORRENTES
HARMÔNICAS EM GERADORES DE TURBINAS EÓLICAS
Abstract — This paper presents an analysis and
simulation of an active shunt filter (ASF) for harmonic
mitigation in wind turbines generators. Currents are
represented in d-q synchronous reference frame (SRF) and
PWM carrier strategy is used to control the active filter. A
new scheme to synchronize d-q currents using mechanical
rotor angular speed is adopted. A dynamic wind turbine
model and the active filter are implemented on software
PSIM©. Representative waveforms and spectral analysis is
presented.
Palavras-Chave - Filtro ativo paralelo, turbinas eólicas,
gerador síncrono de imã permanente, sistemas de
conversão eólica de energia.
I. INTRODUÇÃO
A topologia mais usual de turbinas eólicas de velocidade
variável sem caixa de engrenagens é formada por um gerador
síncrono de imãs permanentes (GSIM) multipólos, um
retificador trifásico com filtragem capacitiva, e um inversor
de fonte de tensão com corrente controlada (CC-VSI) ou um
inversor não autônomo a tiristor com ou sem compensação
ativa, para interligação à rede elétrica. O retificador
conectado nos terminais de saída do gerador apresenta
comportamento não-linear e conseqüentemente componentes
harmônicas de correntes irão circular pelo GSIM.
Componentes assíncronas no campo magnético do entreferro
do gerador induzem correntes parasitas no núcleo do rotor,
aumentando as perdas e a temperatura do GSIM, reduzindo
assim a sua vida útil de forma significativa.
Uma das formas empregadas para mitigar correntes
harmônicas consiste na utilização de filtros ativos na sua
configuração paralela (FAP). FAP está sendo utilizado com
sucesso para redução do conteúdo harmônico em indústrias e
linhas de distribuição. A utilização de FAP associados a
turbinas eólicas será investigada neste trabalho.
Fig. 1. Diagrama básico do sistema de conversão eólico de energia.
Um estudo de caso é apresentado a partir de um
aerogerador real cujos parâmetros foram obtidos e utilizados
para modelar o sistema. Na Fig. 2 são apresentadas as
correntes de saída e tensão de linha do GSIM na potência
nominal da turbina (20 kW carga resistiva, Cfiltro=5000uF,
Rcarga=6.5 Ω, Vcarga=360 V), em regime permanente. A
velocidade do vento neste caso é 12 m/s.
Fig. 2. Correntes de saída e tensão de linha div. por 4 do GSIM.
O conteúdo harmônico e a distorção harmônica total
(THD) das correntes e tensões de saída do GSIM estão
resumidos nas Fig. 3 e Fig. 4.
II. MODELAGEM DO SISTEMA EÓLICO DE
CONVERSÃO DE ENERGIA
O diagrama básico do sistema de conversão de energia
eólica a ser analizado neste artigo está ilustrado na Fig. 1. O
FAP é conectado no barramento principal entre o gerador e a
ponte retificadora. O equacionamento dinâmico das diversas
partes da turbina eólica de velocidade variável será abordado
na versão final deste trabalho.
Fig. 3. Conteúdo harmônico das correntes de saída do GSIM.
onde s é o operador de Laplace.
A corrente do filtro é gerada empregando-se uma
estratégia de modulação de largura de pulso (PWM). A Fig. 6
ilustra o controle de corrente do FAP por PWM.
Fig. 4. Conteúdo harmônico das tensões de linha do GSIM.
III. FILTRO ATIVO PARALELO TRIFÁSICO
O princípio básico de funcionamento do FAP consiste na
injeção em contra fase das correntes harmônicas que estão
sendo geradas pelas cargas não lineares, no ponto de
acoplamento comum PAC, de maneira que a forma de onda
de corrente da rede seja senoidal, claro esta que o problema é
muito mais complexo.
Aplicando a lei de Kirchoff’s no PAC do FAP como visto
na Fig. 1, a corrente iF pode ser determinada por (1).
(1)
i F  iGSIM  iC  i NL
Onde:
iGSIM - corrente fornecida pelo GSIM
iC - corrente drenada pelo capacitor de filtro C e iNL é a
corrente não-linear drenada pela carga.
A Fig. 5 ilustra o diagrama de blocos utilizado para a
determinação das correntes de referência e controle da tensão
vDC do capacitor do FAP mostrado na Fig. 6. O diagrama de
blocos apresentado utiliza a teoria potência ativa e reativa
instantânea nas coordenadas conforme popularizado
por Akagi et al. em (1983) e (1984).
Fig. 6. Controle de corrente do FAP por PWM
O limite máximo da indutância de filtragem, para o
esquema de chaveamento utilizado neste trabalho, é
(3)
V DC  Vn
LF 
max
di Ln (t )
dt
Onde:
Vn - valor pico da tensão de fase;
iLn - é a corrente da carga da fase n;
O dimensionamento do capacitor CDC pode ser realizado
baseado na corrente da carga iL e o ripple máximo de tensão
aceitável ΔvDCmax.
t
C DC 
max  i F (t )dt
0
(4)
v DC max
Observando-se a Fig. 1 não é difícil concluir que a
indutância LF de saída do FAP e capacitância C conectada na
saída do GSIM formam um filtro LC o qual é responsável
pela minimização das componentes de alta freqüência das
correntes injetadas, if, pelo FAP no PAC. A freqüência de
corte é deste filtro é dada pela expressão (5).
 corte 
Fig. 5. Diagrama de blocos utilizado para o cálculo das correntes de
referência do FAP e controle de tensão vDC
Para obter o ângulo de sincronismo das coordenadas d-q
θSRF foi utilizada a velocidade angular mecânica ωm. A idéia
é utilizar a relação entre ωm e ωe. No domínio da freqüência,
 SRF 
1P
m ( s )
s2
(2)
1
(5)
LF C
IV. DETERMINAÇÃO DAS PERDAS
A determinação das perdas na turbina eólica é realizada
nos seguintes componentes do sistema: no GSIM, no FAP e
na ponte retificadora PR. As perdas no GSIM podem ser
divididas em dois grupos principais: perdas no cobre e perdas
no núcleo. As quais são devidas respectivamente as
componentes harmônicas de corrente e tensão. Perdas
geradas pelo FAP consistem em perdas nos componentes
passivos (capacitor e indutores) e ativos (transistor IGBT).
Para a ponte retificadora, são calculadas as perdas nos
diodos. Um estudo completo da avaliação destas perdas será
apresentado na versão final deste trabalho.
V. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
TABELA I – PARÂMETROS DE SIMULAÇÃO
LF
C
fPWM
CDC
vDC
Clink
Rload
D
J
B
Ld
Lq
Ra
Descrição
Indutor de Filtro
Capacitor de Filtro
Frequência da Portadora PWM
Capacitor FAP
Tensão CC FAP
Capacitor da PR
Resistência de Carga
Diâmetro da Turbina
Momento de Inércia da Turbina
Coeficiente de Fricção da
Turbina
Indutância eixo d
Indutância eixo q
Resistência do Estator
1,2
THD=2.60 %
1,0
0,8
Para simulação da configuração proposta, o software
PSIM® foi utilizado. A tabela I é um resumo dos valores dos
parâmetros utilizados nas simulações.
Parâmetro
O conteúdo harmônico em percentual da componente
fundamental utilizando o FAP, para corrente e tensão de
saída do GSIM, estão ilustrados nas Figs. 8 e 9
respectivamente.
% 0,6
0,4
0,2
0,0
2
Valor
1.5mH
3.9F
20 kHz
10000F
500 V
5000F
6.5 Ω
10 m
1500 kg.m2
20 N s/rad
5.24 mH
5.24 mH
0.432 Ω
As principais formas de onda obtidas em simulação, em
regime permanente, na condição de carga máxima da turbina
eólica e com a velocidade do vento de 12 m/s estão ilustradas
na Fig. 7.
7
12
17
22
27
32
37
42
47
52
57
Order
Fig. 8. Conteúdo harmônico da corrente de saída do GSIM
utilizando FAP.
14
13
12
11
10
9
8
% 7
6
5
4
3
2
1
0
THD=20.77 %
2
7
12
17
22
27
32
37
42
47
52
57
Order
Fig. 9. Conteúdo harmônico da tensão de linha de saída do GSIM
utilizando FAP.
As perdas e eficiência dos diversos componentes da
turbina eólica com FAP são mostradas na Tab. II.
TABELA II – PERDAS E EFICIÊNCIAS DOS COMPONENTES
Topolog
y
Copper
Losses
(W)
BR
ASF
2318.93
2790.24
PERDAS GSIM
Friction
Core
&
Losses
Windage
(W)
(W)
180.82
120
150.73
120
Total
(W)
η (%)
2619.75
3060.97
88.42
86.73
PERDAS FAP
IGBT
Losses (W)
199.44
LF Losses
(W)
284.66
Topology
PMSG
Total (W)
2619.75
3199.92
C Losses
(W)
0.2166
CDC Losses
(W)
116.00
Total (W)
600.33
PERDAS SISTEMA ELÉTRICO
BR
ASF
Topology
Fig. 7. Principais formas de onda da turbina eólica com FAP em
carga plena.
BR
ASF
ASF Total
(W)
0
603.03
Rectifier
Total (W)
95.16
211.82
EFICIÊNCIA TURBINA EÓLICA
Aero
Electrical (%)
dynamical (%)
43.26
88.05
43.88
84.74
Efficiency
(%)
88.05
84.74
Overall (%)
38.09
37.18