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Trabalho Eletrônica de Potência - Rômulo - Walder

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Conversores Estáticos para Sistemas de Energia Elétrica
Demercil de Souza Oliveira Júnior, Dr.
TRABALHO FINAL
Sistema eólico com gerador de indução trifásico controlado pela resistência rotórica
Rômulo Fernandes Silva Galdino
José Walder Pedrosa Costa
Fortaleza
5 de Dezembro de 2011
1. INTRODUÇÃO
O consumo global de energia elétrica continua crescendo, significando a firme demanda pelo
aumento de capacidade de geração e energia. Com isso, produção, distribuição e uso de energia
devem apresentar tecnologias mais eficientes possíveis e deve-se haver maior incentivo à
conservação de energia nos consumidores finais. Diante deste quadro, uma tendência é a maior
utilização de novas fontes de geração de energia elétrica para suprir essa demanda crescente.
Espera-se o aumento do número de fontes alternativas de energia em redes de distribuição em
vários locais. As principais vantagens do uso de energia alternativa são a eliminação de emissão de
gases poluentes, a sua inesgotável fonte primária e a diversificação da matriz energética. Com o
desenvolvimento de novas tecnologias e redução de custos de geração, fontes alternativas estão se
tornando cada vez mais competitivas no mercado, especialmente a energia eólica.
O aproveitamento da energia eólica ocorre por meio da conversão da energia cinética de
translação do vento em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas, também
denominadas aerogeradores, para a geração de eletricidade, ou cataventos (e moinhos), para trabalhos
mecânicos como bombeamento de água.
A abordagem dos diferentes tipos de turbinas eólicas pode ser dividida basicamente em dois
grupos: aerogeradores com sistema de velocidade fixa e aerogeradores com sistema de velocidade
variável. Um sistema com velocidade variável faz o uso da eletrônica de potência para controlar a
velocidade do gerador, enquanto que, em um sistema com velocidade fixa, não existe esse tipo de
controle.
Tanto geradores de indução quanto síncronos podem ser utilizados em turbinas eólicas.
Geradores de indução podem ser aplicados em sistemas de velocidade fixa ou variável, enquanto que
geradores síncronos são normalmente utilizados em sistemas de velocidade variável. Três tipos de
geradores de indução são utilizados na geração de energia elétrica em aerogeradores: gaiola de
esquilo, rotor bobinado com controle de escorregamento pela variação de resistência do rotor, e com
dupla alimentação.
O trabalho aqui exposto visa demonstrar uma das tecnologias de conexão à rede elétrica:
Aerogerador com gerador de indução trifásico com controle de escorregamento pela variação da
resistência rotórica. Será realizada explanação teórica e simulação do sistema no software PSCAD.
2. AEROGERADORES COM CONVERSOR PROJETADO PARA POTÊNCIA PARCIAL
Alguma turbinas eólicas utilizam conversores com potência parcial dos geradores. Ao utilizar
estas turbinas eólicas, um melhor desempenho de controle pode ser obtido, comparando-as com
aerogeradores com velocidade fixa. A figura 1 mostra dois sistemas que utilizam este princípio.
Figura 1 – Topologias de turbinas eólicas com conversores com potência parcial e com faixa de velocidade limitada: (a)
com conversor para controle de resistência do rotor) e (b) com gerador de indução com dupla alimentação.
3. GERADOR DE INDUÇÃO COM ROTOR BOBINADO E CONTROLE DINÂMICO DE
ESCORREGAMENTO
Na figura 2 uma resistência extra é adicionada no rotor, a qual pode ser controlada utilizando
eletrônica de potência. Este princípio faz o uso do controle dinâmico de escorregamento, o que torna
possível uma variação de velocidade do rotor. O seu princípio de funcionamento é o seguinte: em
velocidades supersíncronas, o excesso de potência gerada flui pelo conversor eletrônico e é dissipado
pela resistência controlável, reduzindo seu aproveitamento de energia.
Para reduzir (ou quase eliminar) a demanda de energia reativa da rede para o gerador, o uso de
um compensador de energia reativa se torna necessário. Bancos de capacitores chaveados podem ser
utilizados, sendo estes projetados para variar sua produção de energia reativa (podendo apresentar de
5 a 25 estágios).
Figura 2 – Gerador de indução com rotor bobinado e controle dinâmico de escorregamento.
A conexão direta na rede de energia gera transientes de curta duração, com correntes de surto (inrush
currents) muito elevadas causando tanto distúrbios na rede quanto aumentos bruscos de torque na caixa
multiplicadora e no eixo de acoplamento (que compõem o drive train) dos aerogeradores. Se nenhuma
precaução for tomada, as correntes do surto podem ser da ordem de 5 a 7 vezes a corrente do gerador. No
entanto, depois de um período muito curto (menos de 10 ms), o pico de corrente pode ser
consideravelmente maior, da ordem de 18 vezes a corrente nominal.
O sistema descrito na figura 2 utiliza soft-starters com o objetivo de reduzir as correntes de surto. Os
soft-starters, baseados na tecnologia de tiristores, limitam a corrente de surto para um nível em cerca de
1,5 vezes a corrente nominal do gerador . O soft-starter apresenta uma capacidade térmica limitada e por
isso é curto-circuitado por uma chave by-pass, o qual transmite toda corrente quando a conexão com a
rede estiver estável. Além de reduzir o impacto sobre a rede, o soft-starter também amortece efetivamente
os picos de torque associados com as correntes de surto e conseqüentemente, reduz a carga na caixa de
engrenagem.
4. SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA EÓLICO COMPOSTO DE GIT CONTROLADO
PELA RESISTÊNCIA ROTÓRICA
O sistema eólico proposto neste trabalho foi simulado utilizando o software PSCAD. A seguir
seguem os resultados e conclusões da simulação. Foi utilizado um modelo para a máquina primária,
um gerador de indução trifásico com o controle da resistência realizado de forma manual na
simulação, um banco de capacitores para suprir a demanda de reativos na rede, além de um softstarter que é curto-circuitado após 0.1 segundos.
+
Main ...
R_var
R_var
+
R_var
+
BRK_SS
R_var
Circuito de Potência
50
A
B
C
R_var
T1
0
T
0.1
Ir
T
Muda de controle de velocidade para
controle de torque.
Vr
T3
Rede - 20 kV.
R=0
0.01 [ohm]
1e-4 [H]
Irede
IN
#2
t2
W
A
B
#1
1.0541
S2TMODE
S
Vs_mi
T5
Cp
TL
C
Ps
BRK_CAP
Qs
Tm
P
T
A
T4
Power
Q
B
T
C
IM
Is
B
Vs
T
Vg
T
A
3 [MVA]
0.69 [kV] / 13.8 [kV]
Vw
N
Wind Park
Wm
W
0.28
10.33
B
C
A
Esta turbina está produzindo 1 MW.
1800 [uF]
1800 [uF]
1800 [uF]
T6
Figura 3 – Simulação do sistema proposto no PSCAD
Medidas e ajustes dos interruptores
Vs
1
2
Vsa
Is
1
Vsb
2
Isa
Vr
3
1
Vsc
Ir
3
Isb
2
Vs_mi
3
Vra
Vrb
Vrc
1
2
3
Isc
Ira
Irb
1
2
3
Vsa_miVsb_miVsc_mi
Ps
Irc
Qs
Te
Vg
1
Vga
BRK_SS
2
3
Vgb
Vgc
Timed
Breaker
Logic
[email protected]
BRK_CAP
Timed
Breaker
Logic
[email protected]
IN
Timed
Breaker
Logic
[email protected]
Figura 4 – Pontos de medição e lógica para abertura/fechamento dos disjuntores
´
No gráfico da figura 5 temos a potência reativa e o momento da entrada do banco de capacitores
de 1800uF que foi ajustado para 1 segundo.
TIME
Main : Graphs
Ps
0.450
Qs
0.400
0.350
0.300
y
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
-0.050
Isa
2.00
1.50
1.00
0.50
y
0.00
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
-2.50
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
...
...
...
Figura 5 – Potência reativa no momento da entrada do banco de capacitores (1 segundo) e corrente da fase a do
gerador.
Para demonstrar a utilização do soft-starter foram realizadas duas simulações: sistema eólico
sem utilização do soft-starter e sistema eólico utilizando soft-starter, respectivamente nas figuras 6 e
7. É demonstrada a eficiência da utilização deste sistema para a atenuação das correntes in-rush.
Main : Graphs
0.20
Te
0.00
-0.20
-0.40
-0.60
y
-0.80
-1.00
-1.20
-1.40
-1.60
-1.80
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
Figura 6 – Sincronismo com a rede sem utilização de Soft-starter
0.60
0.70
...
...
...
Main : Graphs
Te
0.0010
0.0000
-0.0010
-0.0020
y
-0.0030
-0.0040
-0.0050
-0.0060
-0.0070
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
...
...
...
0.60
Figura 7 – Sincronismo utilizando Soft-starter
A figura 6 mostra os resultados da simulação para a partida com conexão direta, onde se pode
observar que um alto torque de partida é solicitado para esta situação. Muitas oscilações na
velocidade do eixo também podem ser observadas. Utilizando um soft-starter, as correntes de surto e,
portanto, o alto torque de partida são limitados e a velocidade do eixo é suavizada, como mostra a
figura 7.
Na figura 8 é demonstrada a variação da potência ativa variando-se a resistência rotórica para os
valores de 5, 2.5 e 1.25 ohms.
Main : Graphs
0.50
Ps
Qs
0.00
y
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
-2.50
3.0
Isa
2.0
y
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Figura 8 – Potência ativa gerada para os valores de 5, 2.5 e 1.25ohms na resistência rotórica.
6.0
...
...
...
Main : Graphs
Ps
Qs
-0.480
-0.490
-0.500
-0.510
y
-0.520
-0.530
-0.540
-0.550
-0.560
-0.570
3.0
Isa
2.0
y
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
1.990
2.000
2.010
2.020
2.030
Figura 9 – Potência ativa gerada para uma resistência rotórica.de 5ohms.
2.040
2.050
...
...
...
Main : Graphs
Ps
Qs
-0.600
-0.650
-0.700
y
-0.750
-0.800
-0.850
-0.900
-0.950
-1.000
3.0
Isa
2.0
y
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
3.8200
3.8250
3.8300
3.8350
3.8400
3.8450
3.8500
3.8550
Figura 10 – Potência ativa gerada para uma resistência rotórica.de 2.5 ohms.
3.8600
3.8650
...
...
...
Main : Graphs
Ps
Qs
-0.840
-0.850
y
-0.860
-0.870
-0.880
-0.890
-0.900
3.0
Isa
2.0
y
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
5.160
5.170
5.180
5.190
5.200
5.210
5.220
5.230
Figura 11 – Potência ativa gerada para uma resistência rotórica.de 1.25 ohms.
De acordo com as simulações, temos que diminuindo-se a resistência rotórica obtemos maiores valores para a potência ativa
gerada.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
Apresentação “Aspectos Elétricos”, professor Demercil.
[2]
Wind Power in Power Systems, Thomas Ackerman.
[3]
PSCAD Based Simulation of the Connection of a Wind Generator to the Network
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