Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
APLICAÇÃO DE MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE DE IMÃ PERMANENTE EM
GERADORES EÓLICOS
Marcelo José Fernandes Pereira
Sergio Henrique Lopes Cabral
Universidade Regional de Blumenau - FURB
RESUMO
O presente trabalho apresenta os principais conceitos e configurações de uma turbina eólica de imãs
permanentes com velocidade variável, conectada à rede elétrica, bem como seu comportamento de
funcionamento em um parque eólico. A interação dinâmica de turbinas eólicas com a rede elétrica é
determinada pelos parâmetros de vento, características estruturais e aerodinâmicas da turbina,
estratégias de controle, operação e características da rede elétrica existente. O efeito dinâmico da
turbina é analisado em sua operação normal. A análise enfoca o nível de tensão, a potência fornecida e
a influência da turbina na rede elétrica com relação a distúrbios na forma de onda devido a
componentes harmônicos. Toda análise é baseada em uma turbina de eixo horizontal instalada no
parque eólico de Bom Jardim da Serra em Santa Catarina com as seguintes características básicas:
Potência Nominal 1,5 MW, altura da torre 130m, diâmetro do rotor 80m. As condições operacionais
as suas características construtivas e a técnica de controle são abordadas neste trabalho.
PALAVRAS-CHAVE
Máquina elétrica girante. Imã permanente. Gerador eólico.
1. INTRODUÇÃO
No presente estudo procura-se descrever o funcionamento em condições normais dos aerogeradores de
imãs permanentes de velocidade variável, em turbinas de eixo horizontal instalados em um parque
eólico em Santa Catarina.
A qualidade de energia no contexto da geração eólica descreve o desempenho elétrico do sistema de
geração de eletricidade da turbina eólica, onde qualquer perturbação sobre a rede deve ser mantida
dentro dos limites técnicos considerados ao nível de exigência imposto pelo Operador Nacional do
Sistema (ONS).
O tipo de gerador utilizado produz diferentes níveis de flutuação na variável elétrica de saída. Os
geradores assíncronos conectados à rede elétrica, operando com velocidade constante geram
flutuações mais significativas do que os geradores síncronos com velocidade variável, conectados à
rede via unidade conversora. [1]
Os benefícios do sistema de velocidade variável e frequência constante visam praticamente à
redução de fadigas nos componentes mecânicos, a redução do ruído a baixas velocidades do
vento e o aumento da produção de energia da concessionária. A possibilidade oferecida por
estes sistemas de dispensarem uma caixa de engrenagens é uma vantagem importante, pois
diminuem as perdas e o ruído associado às baixas velocidades do vento, e aumentam em
princípio, a viabilidade do sistema.
1/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
Aspectos relacionados com a eficiência do conversor eletrônico, com a produção de
harmônicos, com o comportamento do sistema elétrico em condições extremas de vento e
com a compatibilidade eletromagnética assumem nesse quadro uma importância significativa.
Foram coletados em campo, informações para analisar e descrever o funcionamento de
operação e controle de uma máquina de imã permanente, em um parque eólico em Santa
Catarina.
2. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
2.1. SISTEMA DE CONTROLE DO CONVERSOR DE FREQUÊNCIA
O conversor de frequência para aerogeradores atende a norma internacional IEC e as regulamentações
nacionais e, é referida a mais recente orientação “GL Wind Guia” para Cerificação de Aerogeradores.
2.1.1. Descrição Funcional do Conversor
Na Figura 1 apresenta-se a descrição funcional do conversor da máquina em estudo na Usina eólica
de Bom Jardim da Serra em Santa Catarina.
t
Figura 1 - Diagrama do circuito principal-visão geral do sistema de potência [2]
2.1.1.1. Retificador passivo
O conversor do gerador é caracterizado por uma ponte retificadora de diodos de 12 pulsos com carga
capacitiva, que tem a vantagem de ter baixo custo, baixas perdas devido à retificação e baixa elevação
de tensão nos enrolamentos do gerador.
2.1.1.2. Conversor elevador
O conversor elevador é utilizado para lidar com a tensão variável do gerador de imã permanente, um
conversor elevador (boost) é utilizado entre o retificador e a ligação de corrente contínua do conversor.
Esse conversor funciona também como atuador elétrico para controlar o torque do gerador através da
regulação da corrente na ligação de corrente contínua.
2/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
2.1.1.3. Inversor IGBT
No lado da linha, dois módulos de meias-pontes retificadoras IGBT são usados para cada fase.
Os seis módulos utilizados no inversor são refrigerados a ar. A frequência de modulação dos dois
módulos é defasada de 180º para reduzir harmônicos e inter-harmônicos no lado da rede.
A seguir a Figura 2 demonstra a série de tempo medido de uma corrente de fase, IGBT1 (vermelho),
IGBT2 (azul), IGBT 1+ IGBT 2 (roxo), corrente de rede filtrada (verde).
Figura 2 - Série de tempo medido de uma corrente de fase, IGBT1 (vermelho),
IGBT2 (azul), IGBT 1+ IGBT 2 (roxo), corrente de rede filtrada (verde) [2]
A frequência de modulação dos dois módulos inversores IGBT de rede em cada fase e defasada de
180º para reduzir as distorções harmônicas, os ripples de corrente dos sinais “IGBT 1 “ e “IGBT 2”
são ainda consideráveis.
Porém, quando somadas no sinal “IGBT 1 + IGBT 2”, a amplitude da onda fundamental é dobrada,
enquanto os harmônicos de alta frequência são consideravelmente reduzidos, devidos a defasagem de
fase.
O ripple de corrente resultante tem aproximadamente metade da amplitude, mas o dobro da
frequência. Consequentemente um pequeno filtro senoidal e suficiente para remover quase que
completamente os harmônicos da corrente de rede.
2.2. ANÁLISE EM REGIME PERMANENTE
Todo sistema de medição dos aerogeradores instalados na usina eólica de Bom Jardim da Serra em
Santa Catarina está localizado após o conversor, conforme demonstrado na Figura 3.
Figura 3 - Circuito de localização das medições na usina eólica [2]
3/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
A análise em regime permanente é dividida em três grupos: análise do fluxo de potência, análise de
variação de tensão e análise da qualidade de energia, que são apresentados a seguir.
2.2.1. Análise do Fluxo de Potência
De acordo com o fabricante, o aerogerador começa a gerar com uma velocidade mínima de vento de
3m/s, com uma rotação de 8 a 9 rpm.
__ Potência ativa instantânea
em kW gerada no aerogerador
11:50
11:40
11:30
11:20
11:10
11:00
10:60
10:50
10:40
10:30
10:20
10:10
10:00
09:60
09:50
09:40
09:30
09:20
09:10
09:00
Tempo
Figura 4 - Potência ativa instantânea em kW gerada no aerogerador [2]
4/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
__ Velocidade em rpm do
aerogerador
11:50
11:40
11:30
11:20
11:10
11:00
10:60
10:50
10:40
10:30
10:20
10:10
10:00
09:60
09:50
09:40
09:30
09:20
09:10
09:00
Tempo
Figura 5 - Velocidade em rpm do aerogerador [2]
__ Velocidade do vento m/s no
aerogerador
11:50
11:40
11:30
11:20
11:10
11:00
10:60
10:50
10:40
10:30
10:20
10:10
10:00
09:60
09:50
09:40
09:30
09:20
09:10
09:00
Tempo
Figura 6 - Velocidade do vento no aerogerador [2]
O fluxo de potência durante o funcionamento da turbina do Aerogerador é apresentado nas Figuras 4,
5 e 6. Estes registros apresentam a variabilidade de potência gerada por essa turbina.
5/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
2.2.2. Análise de variação de Tensão
O nível de tensão esta relacionado com o fluxo de potência, apresentado nas Figuras 7, 8, 9 e 10.
27:00
26:00
25:00
24:00
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
horas
hHoras
TTRAB
ALHAD
AS tR
Figura 7 - Tensão trifásica no barramento do conversor do aerogerador
[2]
__ [A] Corrente Trifásica
27:00
26:00
25:00
24:00
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
Horas
09:00
09:00
__ [V] Fase R
__ [V] Fase S
__ [V] Fase T
Figura 8 - Corrente trifásica gerada no aerogerador [2]
6/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
24:00
25:00
26:00
27:00
__ Potência ativa em kW
Horas
Figura 9 – Potência ativa em kW aerogerador [2]
__ [Hz] Frequência no
barramento
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
24:00
25:00
26:00
27:00
Horas
Figura 10 - Frequência no barramento conversor aerogerador [2]
7/8
Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
2.2.3. Análise da Qualidade de Energia
As exigências da Norma IEC 61400-21 de qualidade de energia para aerogeradores ligados à rede,
limita a emissão, pois, a distorção harmônica total por corrente deve ser menor que 5% da corrente de
referência.
As principais causas para os desvios na qualidade de energia são a variabilidade do vento que se
manifesta como variações cíclicas, ocasionando variação lenta de tensão e as variações rápidas do
vento gerando flutuações de tensão.
A tecnologia da turbina eólica, a dinâmica da turbina e o valor relativo da potência de curto circuito
com relação à central eólica são fatores que influenciam na qualidade de energia. A determinação dos
principais problemas está relacionada com a variação lenta de tensão, com a flutuação de tensão, e
com o afundamento momentâneo e componentes harmônicos de tensão.
3. CONCLUSÕES
A máquina estudada utiliza como controle aerodinâmico de potência, ângulo de passo, de forma que
esse controle ativo da potência é extraído do vento pelo rotor e ajustada através da variação do ângulo
de pitch.
Verificou-se que uma das vantagens desse sistema é a utilização do conversor de frequência, que
desacopla a turbina eólica da rede elétrica permitindo que as perturbações na turbina não sejam
transferidas diretamente para a rede elétrica e as perturbações da rede elétrica não sejam transferidas
para a turbina eólica.
Na análise do fluxo de potência, os resultados mostram uma excelente concordância entre a curva de
potência do gerador e os dados reais em operação na verificação do desempenho. Em termos de curva
de potência tem a função de assegurar a produção de energia tendo como principal importância a
potência elétrica fornecida à rede elétrica.
Na análise de variação de tensão o comportamento da tensão da rede elétrica em função do tempo
resulta numa variação devida aos momentos de pico no sistema elétrico. Essa tensão é corrigida
através do efeito de cancelamento de flutuação de tensão, devido a existências de várias turbinas
instaladas nesse barramento e as relações entre as potências produzidas e a características do vento.
Outra forma de regulagem da tensão no barramento é obtida pela regulação dos derivadores dos
transformadores de potência localizados na subestação coletora da Usina Eólica.
Como as características desse sistema de controle de geradores de imã permanente com velocidade
variável a máquina já esta conectada diretamente a rede elétrica, com isso o nível de tensão não
expressa o real valor da potência da máquina inserida na rede e sim o nível da corrente fornecida que
esta sendo injetada na rede elétrica. Através desse valor se tem a real potência que a máquina oferece
ao sistema elétrico conectado ao parque, conforme apresentado nos gráficos.
Na análise da qualidade de energia, as exigências da Norma IEC 61400-21 é obtida através do controle
especial de rede e do filtro senoidal passa baixa, com uma frequência de corte para frequências
maiores. O controle por transistores IGBT, com modulação seno/triângulo, limita a emissão de
harmônicos, a produção de ressonâncias na rede e evitada pelas características da corrente de malha
não ser controlada por um simples controle, mas por uma modulação seno/triângulo de alto nível.
Essas ressonâncias podem ocorrer em redes com potência de curto circuito baixas e podem influenciar
os sinais de controle das concessionárias.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] PEREIRA, Marcelo José Fernandes. Aplicação de máquinas elétricas girantes de imã-permanente
em geradores eólicos, MSc. Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade
Regional de Blumenau, FURB, Blumenau, Brasil, 2012.
[2] USINA EÓLICA DE BOM JARDIM DA SERRA. Informações do sistema. 2012.
8/8