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. Para simulação da configuração proposta, o software PSIM® foi utilizado. A tabela I é um resumo dos valores dos parâmetros utilizados nas simulações. Ld Lq Ra THD=2.60 % 1,0 % 0,6 0,4 0,2 0,0 TABELA I – PARÂMETROS DE SIMULAÇÃO LF C fPWM CDC vDC Clink Rload D J B 1,2 0,8 V. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO 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. 2 Descrição Valor 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 1.5mH 3.9F 20 kHz 10000F 500 V 5000F 6.5 Ω 10 m 1500 kg.m2 20 N s/rad 5.24 mH 5.24 mH 0.432 Ω 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 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 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. Na Tab. II são mostradas as perdas e eficiência da turbina eólica como um todo. As perdas e eficiência dos diversos componentes da turbina eólica com e sem FAP serão mostrados na versão completa do artigo. TABELA II – PERDAS E EFICIÊNCIAS DOS COMPONENTES Topology BR ASF EFICIÊNCIA TURBINA EÓLICA Aero Electrical (%) dynamical (%) 43.26 88.05 43.88 84.93 Overall (%) 38.09 37.27 VI. CONCLUSÕES Fig. 7. Principais formas de onda da turbina eólica com FAP em carga plena. O uso do filtro ativo paralelo para mitigação de harmônicos em geradores de turbinas eólicas foi analisado e simulado computacionalmente. O FAP consegue cancelar satisfatoriamente o conteúdo harmônico da corrente que flui no gerador síncrono de imã permanente. A sincronização das correntes no sistema d-q SRF utilizando a velocidade angular do rotor funciona, e sua implementação física através de sensores de velocidade deve ser investigada. O sistema proposto diminui as perdas por tensão harmônicas no núcleo, porém a eficiência do GSIM mostrou-se menor devido a maiores perdas por cobre. A eficiência global do sistema é também menor, então a utilização do FAP pode ser justificada somente se o GSIM obter maior vida útil.