ACPintoDIS01PRT

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

TESE DE DOUTORADO

MODELAGEM E ANLISE DE DESEMPENHO DINMICO DE COMPLEXOS ELTRICOS CONTENDO CENTRAIS

ELICAS DOTADAS DE GERADORES SNCRONOS

ADEON CECILIO PINTO

MARO 2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA



Tese de Doutorado apresentada Universidade Federal de Uberlndia, por

Adeon Cecilio Pinto, como parte dos requisitos necessrios para obteno do

ttulo de Doutor em Cincias, aprovada em 30 de maro de 2007.

Banca examinadora:

Geraldo Caixeta Guimares, PhD (UFU) Orientador

Jos Carlos de Oliveira, PhD (UFU) Co-Orientador

Jos Carlos de Melo Vieira Jnior, Dr (UNICAMP)

Washington Luiz Arajo Neves, PhD (UFCG)

Adlio Jos de Moraes, Dr (UFU)

Uberlndia, 30 de Maro de 2007

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)

P659m

Pinto, Adeon Cecilio, 1974 - Modelagem e anlise de desempenho dinmico de complexos eltricos contendo centrais elicas dotadas de geradores sncronos / Adeon Cecilio Pinto. - 2007. 229 f. : il. Orientador: Geraldo Caixeta Guimares. Co-orientador: Jos Carlos de Oliveira. Tese (doutorado) Universidade Federal de Uberlndia, Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica. Inclui bibliografia. 1. Energia - Fontes alternativas - Teses. 2. Fora elica - Teses. I. Gui-mares, Geraldo Caixeta. II. Oliveira, Jos Carlos de. III. Universidade Federal de Uberlndia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia El-trica. III. Ttulo. CDU: 620.9

Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogao e Classificao



ADEON CECILIO PINTO

Tese de Doutorado apresentada Universidade Federal de Uberlndia, por

Adeon Cecilio Pinto, como parte dos requisitos necessrios para obteno do

ttulo de Doutor em Cincias.

_____________________________________

Prof. Geraldo Caixeta Guimares, PhD. ____________________________________

Prof. Darizon Alves de Andrade, PhD.Orientador Coordenador do Curso de Ps-Graduao

Dedico este trabalho aos meus pais,

Sebastio (in memorian) e Laida, as

minhas filhas Natlia e Larissa, e aos meus

irmos Claudemar, Snia, Sebastio Filho

e Sonilda pela compreenso e carinho,

essenciais para desenvolvimento desta

tese.

O Senhor meu pastor, nada me faltar.

Em verdes prados ele me faz repousar.

Conduz-me junto s guas refrescantes,

restaura as foras de minha alma.

Pelos caminhos retos ele me leva,

por amor do seu nome.

Ainda que eu atravesse o vale escuro,

nada temerei, pois estais comigo.

Vosso bordo e vosso bculo

so o meu amparo. (Sl 23, 1-4)

AGRADECIMENTOS

Acima de tudo Deus, por ter me dado fora e coragem em todos os momentos da minha

vida, principalmente nas horas em que mais precisei.

Ao professor Geraldo Caixeta Guimares meu agradecimento pela orientao, apoio e

confiana depositada, imprescindveis para que os objetivos fossem alcanados e este trabalho

realizado.

Ao professor Jos Carlos de Oliveira pela sua participao ativa como co-orientador ao longo

de todas as etapas desta tese.

Ao estimado amigo e companheiro de trabalho professor Bismarck Castillo Carvalho pelo

inestimvel auxlio na elaborao deste trabalho.

Aos professores Adlio Jos de Moraes e Carlos Henrique Salerno, membros participativos do

grupo de trabalho, pelas contribuies durante o desenvolvimento desta tese.

Aos amigos do grupo de Qualidade, Ana Claudia, Fernando Belchior, Paulo Henrique, Joo

Csar e Carlos E. Tavares pelo apoio fornecido durante o desenvolvimento deste trabalho.

Aos amigos do grupo de Dinmica, Andr Roger, Elise, Jordana e Rodrigo Rimoldi pela

amizade e constante incentivo.

Ao amigo e companheiro de todos os momentos Alexandre Mateus Coutinho pela agradvel

convivncia durante esta jornada.

Marli, pelos esclarecimentos, presteza e amizade, e da mesma forma Marclia, Ktia e

Jos Maria.

Furnas Centras Eltricas, na pessoa da Zlia da Silva Vitrio.

Aos demais amigos e funcionrios da faculdade.

Ao CNPq pelo apoio financeiro.

Tese de doutorado Adeon Cecilio Pinto

RESUMO Pinto, A. C., Modelagem e Anlise de Desempenho Dinmico de Complexos Eltricos Contendo Centrais Elicas Dotadas de Geradores Sncronos, FEELT-UFU, Uberlndia, 2007, 208p.

Novos recursos de gerao, com baixos custos de implantao e operao e que provoquem o mnimo impacto possvel ao meio ambiente, indiscutivelmente so focos de ateno de todos os segmentos da sociedade. Nessa direo, as fontes alternativas ou renovveis de energia, em particular o vento, seguramente a que tem tido uma significativa penetrao na composio da matriz energtica de diversos pases do mundo. Neste sentido, a energia elica vem assumindo um papel cada vez mais significativo no Brasil, em conseqncia de aes diretivas estabelecidas do incentivo estabelecido pela poltica governamental intitulada Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica PROINFA. Salienta-se, que o expressivo crescimento verificado no mundo todo na utilizao de sistemas de converso de energia elica (WECS - Wind Energy Conversion System) para a produo de eletricidade, foi devido, fundamentalmente, ao avano tecnolgico ocorrido na eletrnica de potncia, juntamente com a escassez de combustveis fsseis. Todavia, o desenvolvimento de tcnicas de controle mais eficientes, a exemplo da teoria vetorial, tambm tem contribudo para uma maior competitividade dos sistemas acionados pelo vento, comparativamente aos tradicionais sistemas hdricos e trmicos. O desenvolvimento mencionado permitiu o projeto de novos sistemas de converso de energia elica, adequados ao controle dos fluxos de potncias ativa e reativa, flexibilizando, dessa forma, a conexo dos mesmos s redes eltricas. nesse contexto que se enquadra a presente tese, ou seja, esta se dedica realizao de estudos com uma das topologias de WECS atualmente disponveis e com tendncia acentuada de crescimento no mundo todo. Trata a mesma, de apresentar a modelagem completa de um sistema de converso de energia elica, a velocidade varivel, de eixo horizontal, com controle do ngulo de passo (pitch control) das ps para a limitao da potncia aerodinmica. A topologia adotada emprega um gerador sncrono multiplos, sendo esta predominante no Brasil at o presente. A modelagem e implementao realizadas so iniciadas pela fonte primria, o vento, perpassando pelos demais componentes eletromecnicos e eletrnicos, at atingir, finalmente, a conexo com a rede eltrica. Especial ateno dada ao sistema de controle, fundamentado na teoria vetorial, que propicia o ajuste do fluxo da potncia ativa pela potncia aerodinmica suprida, e da potncia reativa em funo da tenso no ponto de acoplamento comum. Diversos estudos computacionais so realizados para aferir as potencialidades da ferramenta computacional desenvolvida. Neste sentido, so apresentadas investigaes do comportamento dinmico de um sistema eltrico de potncia com conexo de parque elico, tanto em condies de operao normal e como tambm quando submetido a contingncias do tipo curto-circuito. Palavras-chave Dinmica de sistemas eltricos, energia elica, gerador sncrono, modelagem, turbina elica a velocidade varivel.

Tese de Doutorado Adeon Ceclio Pinto

ABSTRACT Pinto, A. C., Modeling and Dynamic Performance Analysis of Electric Power Systems Containing Wind Installations Equipped with Synchronous Generators, FEELT-UFU, Uberlndia, 2007, 208p.

New generation resources, with low implantation and operation costs and that provoke the minimum possible impact to the environment, are undoubtedly focuses of attention to all the segments of the society. From this common sense, the alternative or renewable sources of energy, and particularly the wind, have certainly had a significant penetration in the composition of the energetic matrix of several countries in the world. Similarly, in Brazil, the wind energy is playing a more and more significant role as a consequence of directing established by the government policy called Program for Incentive of Alternative Electrical Energy Sources PROINFA. It can be pointed out that the expressive growth verified in the whole word for the use of Wind Energy Conversion System (WECS) to produce electricity was fundamentally due to the technological progress in power electronics together with the shortage of fossil fuels. However, the development of more efficient control techniques, as for instance the vector theory, has also contributed to a greater competitiveness of systems driven by the wind, when compared to traditional hydro and thermal systems. Such development allowed the design of new wind energy conversion systems, appropriate to control the active and reactive power flows, Therefore, making flexible their connection to the electric power grid. Within this context, this thesis was proposed which is turned to accomplish studies with one of the WECS topologies presently available and with strong growth trend worldwide. It aims to present the complete modeling of a wind energy conversion system, with variable speed, horizontal axis, with pitch control of blades to restrict the aerodynamic power. The adopted topology employs a multipole synchronous generator which is the predominant in Brazil until now. The mathematical and computer modeling are initiated at the primary source, the wind, going through the other electromechanical and electronic components, until, finally, reaching the connection with the electric grid. Special attention is given to the control system, based on the referred vector theory which propitiates the adjustment of the active power flow by the aerodynamic power, and the reactive power as function of the voltage at point of common coupling. Several simulations are accomplished to evaluate the potentialities of the developed software package. In this sense, investigations of the dynamic behavior of an electric power system including a wind park are presented for the normal operation condition as well as after short-circuit type contingencies.

Keywords Power system dynamics, wind energy, synchronous generator, modeling, variable speed wind turbine.

SUMRIO

Captulo I - Introduo Geral 1 1.1 Consideraes Iniciais 1

1.2 Contextualizao do Tema 3

1.3 O Estado da Arte 7

1.3.1 Unidades Elicas a Velocidade Fixa 7

1.3.2 Unidades Elicas a Velocidade Varivel 8

1.3.3 Unidades Elicas a Geradores Sncronos 13

1.3.4 Normas e Recomendaes 14

1.4 As Contribuies desta Tese 15

1.5 A Estrutura da Tese 16

Captulo II - Princpios Gerais e Arranjos Tpicos dos WECS 19 2.1 Consideraes Iniciais 19

2.2 Aspectos Scio-Econmicos e Ambientais Envolvidos em Aproveitamentos Elicos 20

2.3 Gerao dos Ventos 23

2.3.1 Estrutura do Vento 25

2.4 Clculos Energticos: Energia e Potncia Extradas do Vento 28

2.5 Razo de Velocidade na P 30

2.6 Caractersticas Eltricas do Aerogerador 33

2.7 Principais Componentes de um Sistema de Converso Elico 34

2.7.1 Rotor 35

2.7.2 Cabine ou Nacelle 39

2.7.3 Torre 41

2.8 Principais Conceitos sobre Turbinas Elicas 42

2.9 Sistemas de Controle de Potncia 44

2.9.1 Entrada em Perda Aerodinmica Stall 45

2.9.2 Variao do ngulo de Passo Pitch Control 47

2.9.3 Anlise Comparativa dos Mtodos para Controle da Potncia 49

2.10 Principais Topologias para os Sistemas de Converso Elicos 51

Sumrio

Tese de Doutorado Adeon Cecilio Pinto

ix

2.10.1 Sistemas de Converso Elica a Velocidade Fixa 51

2.10.2 Sistemas de Converso Elica a Velocidade Varivel 54

2.10.2.1 Sistema de Converso Elica a Velocidade Varivel Dotado de

Gerador de Induo 56

a) Sistema Dotado de Gerador de Induo de Dupla Alimentao

Conectado Rede Eltrica atravs de um Conversor de

Freqncia 56

b) Sistema Dotado de Gerador de Induo com Rotor Bobinado

Conectado Rede Eltrica atravs de um Dispositivo para Partida

Suave (Soft Starter) 57

2.10.2.2 Sistema de Converso Elica a Velocidade Varivel Dotado de

Gerador Sncrono 58

2.11 Comparao entre as Topologias de WECS a Velocidade Varivel 60

2.12 Interao de WECS com a Rede Eltrica 62

2.13 Consideraes Finais 66

Captulo III - Modelagem Matemtica e Implementao Computacional do

WECS 68 3.1 Consideraes Iniciais 68

3.2 Sistema de Converso Elica Foco das Investigaes 69

3.2.1 Modelagem do Vento 69

3.2.2 Modelagem do Rotor 72

3.2.3 Modelagem do Gerador Sncrono Multiplos 75

3.2.4 Modelagem do Conversor de Freqncia e Controle e Respectiva

Malha de Controle 83

a) Lgica de Controle 85

b) Controle Vetorial 88

c) Pulsos de Disparo do Inversor 90

3.2.5 Modelagem do Transformador Elevador 93

3.2.6 Modelagem da Concessionria de Energia 96

3.3 Implementao Computacional 97

3.3.1 Plataforma Computacional Utilizada - O Simulador SABER 97

3.3.2 Implementao Computacional do WECS 98

Sumrio


x

3.3.2.1 Unidade de Potncia 99

3.3.2.2 Unidade de Medio 100

3.3.2.3 Unidade de Controle 105

3.3.2.4 Unidade de Distribuio de Pulsos 107


Captulo IV - Estudos Computacionais com o WECS 110 4.1 Consideraes Iniciais 110

4.2 Sistema Eltrico Utilizado 111

4.3 Caractersticas Eltricas e/ou Mecnicas do Sistema Investigado 112

4.4 Casos Estudados 116

4.4.1 Caso 1: Sistema sob Condies Normais de Operao sem Parque Elico 118

4.4.2 Caso 2: Sistema sob Condies Normais, com a Presena do Parque

Elico e Vento sem Turbulncias 122

4.4.3 Caso 3: Sistema sob Condies Normais, com a Presena do Parque

Elico e Vento com Turbulncias 133

4.4.4 Caso 4: Sistema Submetido a um Curto-Circuito Trifsico com Durao

de 200 ms, com a Presena do Parque Elico e Vento com Turbulncias 145

4.4.5 Caso 5: Sistema Submetido Perda de Carga, com a Presena do Parque


4.4.6 Caso 6: Sistema Submetido Perda de Gerao, com a Presena do Parque


4.4.7 Caso 7: Sistema Operando sob Condies normais, com a Presena do

Parque Elico e Vento com uma Elevada Turbulncia do Tipo Rampa 180

4.5 Sntese dos Resultados 184


Captulo V Concluses Finais 190

Referncias Bibliogrficas 194

LISTA DE FIGURAS

Captulo II Princpios Gerais e Arranjos Tpicos dos WECS Figura 2.1 Formao dos ventos 24 Figura 2.2 Escoamento na zona envolvente de um obstculo 26 Figura 2.3 Ilustrao do fenmeno de sombreamento de torre 27 Figura 2.4 Efeito de esteira 27 Figura 2.5 Fluxo de uma massa de ar com velocidade v atravs da seo transversal A

de um tubo (correspondente ao dimetro do rotor de uma turbina elica) 29 Figura 2.6 Coeficiente de potncia de uma turbina elica (Cp) em funo da razo de

velocidade na p () 32 Figura 2.7 Caracterstica de desempenho de uma turbina elica de 660 kW 34 Figura 2.8 Ilustrao de um sistema de aproveitamento elico 35 Figura 2.9 Evoluo das dimenses e potncias de turbinas elicas 36 Figura 2.10 Tipos de turbinas quanto posio d as ps em relao ao vento incidente 37 Figura 2.11 Turbinas elicas: (a) de eixo vertical, tipo Darrieus e (b) de eixo horizontal 38 Figura 2.12 Tipos de torres utilizadas por WECS: (a) tubular e (b) treliada 41 Figura 2.13 Sistema de foras atuando num elemento de uma p de uma turbina elica 42 Figura 2.14 Ilustrao do efeito Stall no perfil de uma p 46 Figura 2.15 Controle de potncia aerodinmica 48 Figura 2.16 Malha de controle do ngulo de passo de uma turbina elica a velocidade

varivel 48 Figura 2.17 Curvas de potncia: por controle do ngulo de passo (Bonus) e por entrada

em perda aerodinmica (NEG Micon e Nordex) 51 Figura 2.18 Topologia de um sistema de converso elico a velocidade constante

acoplado rede eltrica que utiliza o chamado conceito dinamarqus - CSCF (Constant Speed Constant Frequency) 53

Figura 2.19 Topologia de um WECS equipado com um gerador de induo de dupla alimentao conectado rede eltrica atravs de um conversor de freqncia 57

Figura 2.20 Topologia de um WECS equipado com mquina de induo de rotor bobinado conectado a rede eltrica atravs de um dispositivo de partida suave 58

Figura 2.21 Topologia de um WECS equipado com gerador sncrono conectado rede eltrica atravs de um conversor de freqncia 59

Figura 2.22 Quadro consolidado das diversas topologias utilizadas em sistemas de converso de energia elica a velocidade varivel 61

Figura 2.23 Curva de suportabilidade proposta para aerogeradores (Transient Fault Ride-Through) 66

Lista de Figuras


xii

Captulo III Modelagem Matemtica e Implementao Computacional do

WECS Figura 3.1 Arranjo bsico do sistema de converso elico proposto conectado a um

sistema CA 69 Figura 3.2 Caracterstica CP- (ngulo de passo como parmetro) 75 Figura 3.3 Representao esquemtica de uma mquina sncrona mostrando os

enrolamentos (concentrados) e os eixos correspondentes 76 Figura 3.4 Modelo do conversor de freqncia empregado 84 Figura 3.5 Diagrama de blocos do controle do inversor 86 Figura 3.6 Vetores das tenses e correntes resultantes do controle vetorial 88 Figura 3.7 Formas de onda de controle para o inversor PWM senoidal 91 Figura 3.8 Formas de onda de tenso de sada para o inversor PWM senoidal trifsico 92 Figura 3.9 Sobremodulao com o inversor PWM senoidal 93 Figura 3.10 Circuito equivalente do transformador 94 Figura 3.11 Representao da rede eltrica 96 Figura 3.12 Esquema representativo do WECS enfocado 98 Figura 3.13 Diagrama de blocos da Unidade de Potncia do WECS 99 Figura 3.14 Diagrama de blocos de Unidade de Medio do WECS implementado 101 Figura 3.15 Diagrama de blocos da rotina Transformao_vetorial_normalizao 103 Figura 3.16 Diagrama de bloco da rotina Mdulo_v 104 Figura 3.17 Diagrama de bloco da rotina ngulo_v 104 Figura 3.18 Diagrama de blocos da Unidade de Controle do WECS 106 Figura 3.19 Diagrama de blocos da Unidade de Distribuio de Pulsos do WECS 107

Captulo IV Estudos Computacionais com o WECS Implementado 110 Figura 4.1 Diagrama unifilar do sistema simulado 112 Figura 4.2 Modelo do regulador de tenso IEEE Tipo II 116 Figura 4.3 Modelo do regulador de velocidade de turbina trmica/hidrulica 116 Figura 4.4 Tenses eficazes nos terminais de sada do gerador 1 Caso 1 119 Figura 4.5 Perfil rms das tenses, em pu, nas sadas dos geradores 1 e 2 Caso 1 119 Figura 4.6 Comportamento dos valores rms das correntes nos terminais de sada do

gerador 1 Caso 1 120 Figura 4.7 Comportamento das tenses de linhas nas fases a-b em pu, nas quatro

barras Caso 1 120 Figura 4.8 Potncia ativa fornecida pelos geradores 1 e 2 Caso 1 121 Figura 4.9 Potncia reativa fornecida pelos geradores 1 e 2 Caso 1 121 Figura 4.10 Comportamento das freqncias nas quatro barras Caso 1 122 Figura 4.11 Velocidade do vento incidente nas ps das turbinas Caso 2 122 Figura 4.12 Velocidade mecnica do eixo do rotor Caso 2 123 Figura 4.13 Coeficiente de potncia Caso 2 123 Figura 4.14 Comportamento da potncia aerodinmica para uma das 40 turbinas

Caso 2 124 Figura 4.15 Comportamento dos valores rms das tenses nos terminas de sada do

gerador eltrico Caso 2 125

Lista de Figuras


xiii

Figura 4.16 Valores eficazes das correntes de linha nos terminais de sada de um nico gerador eltrico do parque elico Caso 2 125

Figura 4.17 Tenses rms nos terminais de sada do inversor de uma turbina elica Caso 2 126

Figura 4.18 Correntes eficazes nos terminais de sada do inversor de uma nico aerogerador Caso 2 126

Figura 4.19 Comportamento das tenses rms no PAC Caso 2 127 Figura 4.20 Correntes rms da fazenda elica no PAC Caso 2 127 Figura 4.21 Comportamento das potncias ativa e reativa do parque elico Caso 2 128 Figura 4.22 Tenses rms nos terminais de sada do gerador 2 Caso 2 129 Figura 4.23 Perfil das tenses, em pu, nas sadas dos geradores 1 e 2 Caso 2 129 Figura 4.24 Perfil rms das correntes nos terminais de sada do gerador 2 Caso 2 130 Figura 4.25 Potncia ativa fornecida pelos geradores 1 e 2 Caso 2 131 Figura 4.26 Potncias reativa fornecidas pelos geradores sncronos 1 e 2 Caso 2 131 Figura 4.27 Comportamento das tenses nas quatro barras, em pu Caso 2 132 Figura 4.28 Freqncias nas quatro barras Caso 2 132 Figura 4.29 Detalhes das freqncias nas quatro barras Caso 2 133 Figura 4.30 Velocidade do vento incidente nas ps das turbinas elicas Caso 3 134 Figura 4.31 Velocidade mecnica do eixo Caso 3 134 Figura 4.32 Coeficiente de potncia das turbinas elicas Caso 3 135 Figura 4.33 Comportamento da potncia aerodinmica de uma nica turbina Caso 3 136 Figura 4.34 Tenses rms nos terminais de sada do gerador eltrico de uma turbina

elica Caso 3 137 Figura 4.35 Perfil rms das correntes nos terminais de sada de um gerador sncrono

de uma turbina elica Caso 3 138 Figura 4.36 Comportamento dos valores eficazes das tenses trifsicas nos terminais

de sada de um inversor de uma turbina elica Caso 3 138 Figura 4.37 Perfil rms das correntes nos terminais de sada do inversor Caso 3 139 Figura 4.38 Perfil rms das tenses no PAC Caso 3 139 Figura 4.39 Perfil rms das correntes trifsicas no PAC Caso 3 140 Figura 4.40 Comportamento das potncias ativa e reativa do parque elico Caso 3 141 Figura 4.41 Comportamento das tenses eficazes nos terminais de sada do gerador 2

Caso 3 141 Figura 4.42 Perfil das tenses nos terminais de sadas dos geradores 1 e 2, em pu

caso 3 142 Figura 4.43 Perfil rms das correntes nos terminais de sada do gerador 2 Caso 3 142 Figura 4.44 Potncias ativa fornecidas pelos geradores sncronos 1 e 2 Caso 3 143 Figura 4.45 Potncias reativa fornecidas pelos geradores sncronos 1 e 2 Caso 3 143 Figura 4.46 Comportamento das tenses de linha, em pu, nas quatro barras Caso 3 144 Figura 4.47 Comportamento das freqncias nas quatro barras Caso 3 144 Figura 4.48 Zoom das freqncias nas quatro barras Caso 3 145 Figura 4.49 Velocidade do vento incidente Caso 4 146 Figura 4.50 Velocidade mecnica do eixo do rotor de uma turbina elica Caso 4 146 Figura 4.51 Coeficiente de potncia das turbinas elicas Caso 4 147 Figura 4.52 Comportamento da potncia aerodinmica de uma turbina Caso 4 147 Figura 4.53 Tenses rms nos terminais de sada de um gerador eltrico Caso 4 148 Figura 4.54 Comportamento das correntes eficazes nos terminais de sada do gerador

de uma turbina Caso 4 149

Lista de Figuras


xiv

Figura 4.55 Tenses rms nos terminais de sada do inversor de uma nica turbina elica Caso 4 150

Figura 4.56 Comportamento das correntes eficazes nos terminais de sada do inversor de um nico aerogerador do parque elico Caso 4 150

Figura 4.57 Comportamento das tenses rms no PAC Caso 4 151 Figura 4.58 Correntes rms do parque elico no PAC Caso 4 152 Figura 4.59 Comportamento das potncias ativa e reativa do parque elico Caso 4 153 Figura 4.60 Comportamento dos valores rms das tenses nos terminais de sada do

gerador 2 Caso 4 153 Figura 4.61 Comportamento das tenses nas sadas dos geradores 1 e 2, em pu Caso 4 154 Figura 4.62 Correntes rms nos terminais de sada do gerador 2 Caso 4 154 Figura 4.63 Potncia ativa fornecida pelos geradores 1 e 2 Caso 4 155 Figura 4.64 Potncia reativa fornecidas pelos geradores 1 e 2 Caso 4 155 Figura 4.65 Comportamento das tenses, em pu, nas quatro barras Caso 4 156 Figura 4.66 Zoom das tenses nas quatro barras Caso 4 156 Figura 4.67 Comportamento das freqncias nas quatro barras Caso 4 157 Figura 4.68 Zoom das freqncias nas quatro barras Caso 4 157 Figura 4.69 Velocidade do vento incidente Caso 5 158 Figura 4.70 Velocidade mecnica do eixo rotor elico equivalente Caso 5 159 Figura 4.71 Coeficiente de potncia das turbinas elicas Caso 5 159 Figura 4.72 Comportamento da potncia aerodinmica de uma turbina elica Caso 5 160 Figura 4.73 Tenses rms nos terminais de sada de um gerador eltrico de uma turbina

elica Caso 5 161 Figura 4.74 Comportamento das correntes eficazes nos terminais de sada de um

gerador eltrico de uma turbina elica Caso 5 161 Figura 4.75 Comportamento dos valores eficazes das tenses trifsicas nos terminais

de sada de um inversor Caso 5 162 Figura 4.76 Perfil rms das correntes nos terminais de sada do inversor de uma turbina

da fazenda elica Caso 5 163 Figura 4.77 Comportamento das tenses rms no PAC Caso 5 163 Figura 4.78 Correntes rms injetadas pelo parque elico no PAC Caso 5 164 Figura 4.79 Comportamento das potncias ativa e reativa do parque elico Caso 5 165 Figura 4.80 Comportamento dos valores rms das tenses nos terminais de sada do

gerador 1 Caso 5 165 Figura 4.81 Comportamento das tenses nas sadas dos geradores 1 e 2, em pu Caso 5 166 Figura 4.82 Correntes rms nos terminais de sada do gerador 1 Caso 5 166 Figura 4.83 Potncia ativa fornecida pelos geradores 1 e 2 Caso 5 167 Figura 4.84 Potncia reativa fornecidas pelos geradores 1 e 2 Caso 5 167 Figura 4.85 Comportamento das tenses, em pu, nas quatro barras Caso 5 168 Figura 4.86 Zoom das tenses nas quatro barras Caso 5 168 Figura 4.87 Comportamento das freqncias nas quatro barras Caso 5 169 Figura 4.88 Zoom das freqncias nas quatro barras Caso 5 169 Figura 4.89 Velocidade do vento incidente nas ps das turbinas elicas Caso 6 170 Figura 4.90 Velocidade mecnica do eixo Caso 6 171 Figura 4.91 Coeficiente de potncia das turbinas elicas Caso 6 171 Figura 4.92 Comportamento da potncia aerodinmica de uma nica turbina Caso 6 172 Figura 4.93 Tenses rms nos terminais de sada de um gerador eltrico Caso 6 172 Figura 4.94 Perfil rms das correntes nos terminais de sada de um gerador sncrono

de uma turbina elica Caso 6 173

Lista de Figuras


xv

Figura 4.95 Comportamento dos valores eficazes das tenses trifsicas nos terminais de sada de um inversor Caso 6 173

Figura 4.96 Perfil rms das correntes nos terminais de sada do inversor de uma turbina elica Caso 6 174

Figura 4.97 Perfil rms das tenses no PAC Caso 6 174 Figura 4.98 Perfil rms das correntes trifsicas no PAC Caso 6 175 Figura 4.99 Comportamento das potncias ativa e reativa do parque elico Caso 6 176 Figura 4.100 Comportamento das tenses eficazes nos terminais de sada do

gerador 1 Caso 6 176 Figura 4.101 Perfil das tenses nos terminais de sadas dos geradores 1 e 2, em pu

caso 6 177 Figura 4.102 Perfil rms das correntes nos terminais de sada do gerador 1 Caso 6 177 Figura 4.103 Potncias ativa fornecidas pelos geradores eltricos 1 e 2 Caso 6 178 Figura 4.104 Potncias reativa fornecidas pelos geradores sncronos 1 e 2 Caso 6 178 Figura 4.105 Comportamento das tenses de linha, em pu, nas quatro barras Caso 6 179 Figura 4.106 Comportamento das freqncias nas quatro barras Caso 6 180 Figura 4.107 Zoom das freqncias nas quatro barras Caso 6 180 Figura 4.108 Velocidade do vento incidente nas ps das turbinas elicas Caso 7 181 Figura 4.109 Coeficiente de potncia das turbinas elicas Caso 7 182 Figura 4.110 Comportamento da potncia aerodinmica de uma nica turbina Caso 7 182 Figura 4.111 Potncia aerodinmica de uma turbina, em pu Caso 7 183 Figura 4.112 Comportamento do ngulo de passo de uma turbina elica Caso 7 183

LISTA DE TABELAS

Captulo II Princpios Gerais e Arranjos Tpicos dos WECS Tabela 2.1 Quadro comparativo entre os sistemas de controle de potncia por perda

aerodinmica (stall) e por ngulo de passo (pitch) 50

Captulo III Modelagem Matemtica e Implementao Computacional do

WECS Tabela 3.1 Valores das constantes para aproximao das curvas de potncia 74 Tabela 3.2 Valores do ngulo ij 78 Tabela 3.3 Parmetros internos da mquina sncrona 80 Tabela 3.4 Parmetros externos da mquina sncrona 81

Captulo IV Estudos Computacionais com o WECS Implementado Tabela 4.1 Dados dos geradores sncronos 1 e 2 [52] 113 Tabela 4.2 Dados dos reguladores de tenso [52] 114 Tabela 4.3 Dados dos reguladores de velocidade [52] 114 Tabela 4.4 Dados das cargas 115 Tabela 4.5 Dados das linhas 115 Tabela 4.6 Dados dos transformadores (conexo -Y) 115 Tabela 4.7 Caractersticas das unidades elicas individuais utilizadas nos estudos 115 Tabela 4.8 Casos analisados 117 Tabela 4.9 Locais de monitoramento e grandezas monitoradas 118 Tabela 4.10 Sntese dos resultados para o Caso 1 184 Tabela 4.11 Sntese dos resultados para o Caso 2 184 Tabela 4.12 Sntese dos resultados para o Caso 3 185 Tabela 4.13 Sntese dos resultados para o Caso 4 186 Tabela 4.14 Sntese dos resultados para o Caso 5 187 Tabela 4.15 Sntese dos resultados para o Caso 6 188 Tabela 4.16 Sntese dos resultados para o Caso 7 189

SIMBOLOGIA E energia cintica m massa A rea varrida pelas ps ar densidade do ar Cp coeficiente de potncia ou rendimento aerodinmico da turbina Pmec potncia mecnica no eixo da turbina razo de velocidade na p p velocidade angular da p Pdisp potncia disponvel num dado escoamento de ar Cp_timo coeficiente de potncia timo Pmec_tima potncia mecnica otimizada no eixo da turbina p_tima velocidade angular da p tima tima razo de velocidade na p tima Vcutin velocidade de entrada em operao da turbina Vcutout velocidade de sada de operao da turbina vad componente tangencial da velocidade relativa do vento vap velocidade relativa do vento atuante na p ngulo de ataque ou de incidncia do vento ngulo de passo das ps do rotor s constante de tempo ngulo de escoamento F vetor fora D fora de arrasto L fora de sustentao N componente da fora T componente da fora n nmero de ps c corda a 0,7 do raio das ps D dimetro do rotor velocidade angular do eixo do rotor vvento velocidade do vento vbase velocidade do vento mdia vrajada componente rajada do vento vrampa componente rampa do vento vrudo componente rudo do vento KB constante Trajada perodo da rajada tirajada tempo de incio da rajada RMAX valor mximo da rajada RAMMAX valor mximo da rampa tirampa tempo de incio da rampa tframpa tempo final da rampa i varivel randmica variao da velocidade N nmeros de termos considerados SV (i) funo de densidade espectral

Simbologia


xviii

KN coeficiente de arrasto da superfcie F escala de turbulncia velocidade principal do vento na altura de referncia vp velocidade linear na ponta da p R raio da p Tmec conjugado mecnico c1 constante c2 constante c3 constante c4 constante c5 constante c6 constante c7 constante c8 constante c9 constante aa, bb, cc enrolamentos de armadura (estator) FF enrolamentos de campo ou de excitao (estator) DD, QQ enrolamentos amortecedores (rotor) [v] matriz coluna das tenses [i] matriz coluna das correntes [] matriz coluna dos fluxos concatenados [R] matriz diagonal das resistncias dos enrolamentos a, b, c, F, D, Q [L] matriz de indutncias ngulo entre o eixo da fase a do estator e o eixo F do rotor LS e LM parcelas constantes da indutncia prpria de uma fase do estator Li parcelas constantes da indutncia prpria do rotor e dos enrolamentos de eixo direto e em

quadratura do enrolamento amortecedor li indutncia de disperso do enrolamento i MS parcela constante da indutncia mtua entre fases do estator Mj parcela constante das indutncias mtuas entre uma fase do estator e os enrolamentos F,

D e Q TT conjugado do acionamento primrio (turbina elica) Te conjugado eletromagntico p nmero de plos Xd reatncia sncrona de eixo direto Xq reatncia sncrona de eixo em quadratura Xl reatncia de disperso de uma fase do estator X'd reatncia transitria de eixo direto X''d reatncia sub-transitria de eixo direto X''q reatncia sub-transitria de eixo em quadratura T'd0 constante de tempo transitria de eixo direto em circuito aberto T''d0 constante de tempo sub-transitria de eixo direto em circuito aberto T''q0 constante de tempo subtransitria de eixo em quadratura em circuito aberto RS resistncia por fase do estator J ou H momento ou constante de inrcia das partes girantes (gerador e turbina elica) mp ndice de modulao rede ngulo de defasagem da tenso da rede

Simbologia


xix

ngulo de deslocamento id, iq componentes da corrente nos eixos rotativos d e q v, v componentes da tenso nos eixos estacionrios e vd, vq componentes da tenso nos eixos rotativos d e q |v| mdulo do vetor da tenso de referncia C1 matriz de converso pat potncia ativa instantnea qreat potncia reativa instantnea vp tenso fase-neutro aplicada aos terminais do enrolamento primrio vs tenso fase-neutro nos terminais do enrolamento secundrio ep fora contra-eletromotriz induzida no enrolamento primrio es fora eletromotriz induzida no enrolamento secundrio is corrente de fase no enrolamento secundrio is corrente do secundrio referida ao primrio i0 corrente de magnetizao iRm parcela da corrente de magnetizao associada s perdas no ncleo iLm parcela da corrente de magnetizao associada produo do fluxo eletromagntico ip corrente de fase no enrolamento primrio Rp resistncia hmica do enrolamento primrio Rs resistncia hmica do enrolamento secundrio Lp indutncia de disperso do enrolamento primrio Ls indutncia de disperso do enrolamento secundrio Rm resistncia do ramo magnetizante, associada s perdas no ferro Lm Indutncia associada magnetizao do ncleo Kt relao de transformao fluxo magntico no ncleo Np nmero de espiras do enrolamento primrio Ns nmero de espiras do enrolamento secundrio [vconc] vetores representativos das tenses terminais instantneas [econc] fontes ideais de tenses instantneas [iconc] correntes instantneas nas linhas de interconexo do sistema elico com o barramento

trifsico CA pr-existente. [RCC] Matriz diagonal das resistncias [LCC] Matriz diagonal das indutncias SCC potncia de curtocircuito do barramento CC ngulo potncia de curto-circuito va ,b, c tenso fase-neutro instantnea nas fases a, b e c ia ,b, c corrente de linha instantnea nas fases a, b e c vcap tenso instantnea no capacitor do elo CC vcapu tenso instantnea no capacitor do elo CC, em pu u velocidade angular do eixo do rotor em pu

CAPTULO I

INTRODUO GERAL

1.1 CONSIDERAES INICIAIS

O crescente aumento da demanda por energia eltrica motivo de contnua preocupao

por parte de todos os agentes envolvidos na busca de novas fontes de energia que sejam

economicamente viveis e ambientalmente aceitveis, contribuindo, dessa forma, com a

preservao do meio ambiente, reduzindo a poluio atmosfrica e o aquecimento global.

Nesse contexto, a implantao de novas unidades de gerao utilizando recursos

energticos ditos convencionais, tais como os combustveis fsseis e a energia hidrulica, vem

encontrando dificuldades crescentes para sua realizao. Isto se deve aos aspectos tcnicos e

econmicos e, principalmente, ambientais. De um lado, conflitos internos ou internacionais,

aliados a um horizonte muito prximo para seu esgotamento, tornam os preos dos derivados

do petrleo muito instveis e com freqentes altas. Somado a este fato, vale ressaltar que os

potenciais hidrulicos ainda inexplorados esto cada vez mais escassos e afastados dos

centros de consumo, acarretando altos investimentos para a sua explorao.

No que tange aos aproveitamentos hdricos, o Brasil um exemplo de pas cuja matriz

energtica, atualmente, possui uma forte predominncia deste tipo de fonte primria. No

obstante este reconhecimento, verifica-se, hoje, um conjunto de polticas governamentais que,

gradativamente, movem no sentido de estimular a utilizao de novos recursos de gerao,

notadamente originadas de fontes alternativas e renovveis.

Obviamente, outros fatores tambm tiveram e tm influncia na sensvel diversificao

vivenciada pelas fontes de gerao. A exemplo disto pode-se citar os desenvolvimentos na

rea de novos materiais e eletrnica de potncia. Tambm, novas e mais eficientes tcnicas de

controle, fundamentais para o desenvolvimento de dispositivos com melhores desempenhos e

confiveis, vem ganhando espao crescente no promissor mundo da produo da energia.

Assim sendo, o domnio e difuso das tecnologias emergentes, bem como a economia de

Cap. I Introduo Geral pg. 2


escala, tem provocado substanciais mudanas e tornado as fontes alternativas competitivas

comparativamente s tradicionais.

Diversas so as fontes alternativas de energia atualmente em explorao no mundo. A

opo por uma ou outra depende, alm dos potenciais naturais disponveis num determinado

pas, da tradio e do domnio da tecnologia. De uma forma geral, no entanto, pode-se

mencionar como sendo relevantes, no contexto atual, aquelas derivadas da energia solar, da

biomassa e dos pequenos aproveitamentos hidroeltricos.

No que tange energia produzida pelo sol, destaca-se, num primeiro momento, a

energia elica como sendo a forma que tem experimentado o maior crescimento nos ltimos

anos. Este tipo de aproveitamento constitui-se como uma das alternativas mais bem sucedidas,

com uma tendncia de crescimento acelerado e sustentado em muitos pases. importante

registrar que a utilizao da energia elica para a gerao de eletricidade no nova. A sua

retomada como opo energtica de forma mais vigorosa, no entanto, decorreu,

fundamentalmente, devido crise do petrleo vivenciada nos anos setenta, situao que serviu

para que diversos setores da sociedade direcionassem recursos tcnicos e financeiros na busca

de sistemas alternativos mais baratos, eficientes e confiveis. Como resultado dessa crise, das

diversas alternativas existentes, a energia proveniente da fora dos ventos se firmou como

uma das mais promissoras no mundo. Dentre os atrativos maiores desta forma de gerao

tem-se o domnio atual da tecnologia para a fabricao de turbinas elicas e, tambm, a sua

caracterstica limpa no processo de produo da energia eltrica.

Fatos como os mencionados foram responsveis pela mudana de postura de diversos

pases, resultando na adoo de metas para a substituio gradativa das fontes convencionais

por fontes alternativas. Neste particular destaca-se a Alemanha, com um tero de toda a

produo de energia elica mundial e a Dinamarca com 20 % de seu consumo atendido por

este tipo de energia [69]. Postura semelhante observa-se nos Estados Unidos da Amrica e

ndia, os quais, dentre outros pases, tambm passaram a integrar parques elicos aos seus

complexos eltricos. Enfim, o emprego de unidades elicas hoje uma tendncia mundial.

No Brasil o uso de parques elicos ainda tmido. Apenas nos ltimos tempos o pas

ingressou no grupo de pases que adotaram a energia do vento como um componente de sua

matriz energtica. Incentivos do Estado, regulamentados atravs do PROINFA (Programa de

Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica) instrudo pela Lei no 10.438, de 26 de

Abril de 2002 e revisado pela Lei no 1062, de 11 de Novembro de 2003, estimularam setores

econmicos do pas a destinar recursos financeiros de vulto para este tipo de aproveitamento,



o que resultou na contratao de aproximadamente 1400 MW provenientes de sistemas

elicos, com previso para instalao at o presente ano (2007). Dessa forma, a energia elica

est se consolidando como uma das mais importantes fontes renovveis de energia no Brasil.

Dentro deste cenrio, o desenvolvimento e disponibilizao de ferramentas

computacionais para a simulao de unidades ou parques elicos, e que permitam avaliar o

seu desempenho sob as mais distintas condies operacionais (regime permanente, dinmica,

transitrios, qualidade da energia, etc), constitui-se em uma infra-estrutura essencial ao

domnio desta tecnologia. Somente atravs destas ferramentas torna-se possvel a realizao

de estudos preditivos como, por exemplo, aqueles necessrios locao mais adequada de um

novo empreendimento, assim como tambm, dos impactos advindos de novas centrais de

gerao nos sistemas atuais [16].

As questes abordadas anteriormente constituem-se, pois, como indicativos da

relevncia que as fontes alternativas tm alcanado no mundo moderno, em particular a

energia elica, o que referenda a acertada escolha do presente tema de pesquisa, o qual

encontra-se voltado ao desenvolvimento de um software para os estudos avaliativos de

desempenho de sistemas eltricos contendo parques elicos, focando, de modo especial, sua

operao sob o ponto de vista da dinmica de sistemas.

1.2 CONTEXTUALIZAO DO TEMA

A energia do vento vem sendo utilizada h milhares de anos, conforme atestam registros

e publicaes diversas. Os primeiros aproveitamentos foram utilizados para impulsionar

embarcaes no rio Nilo, no antigo Egito, em seguida como fora motriz nos moinhos

rsticos na China e, depois, pelos holandeses e ingleses, os quais, aps aprimor-los, os

utilizaram para efetuar o bombeamento de gua e para a drenagem de terrenos alagados pelas

mars.

As primeiras experincias da utilizao da energia do vento para gerao de eletricidade

se deram no final do sculo XIX, com a adaptao dos moinhos de vento para esta finalidade

[77]. Isto aconteceu na Dinamarca, mais precisamente em 1890, utilizando, para tanto, uma

turbina elica de 20 metros de dimetro [50]. Contudo, devido s descobertas dos

combustveis fsseis, principalmente, o carvo e o petrleo, esta aplicao foi abandonada,

em particular, nos pases industrializados.



O ressurgimento em maior escala das energias renovveis, notadamente a elica e a

fotovoltaica, deu-se a partir da crise do petrleo da dcada de 1970, conjugada demanda

crescente de energia eltrica. Por outro lado, a maior conscientizao das sociedades do

mundo todo sobre a necessidade de proteger o meio ambiente, cuja degradao em boa parte

deve-se ao uso de combustveis fsseis, ganhou fora no final do sculo passado,

especialmente a partir da conferncia das Naes Unidas realizada em Estolcomo em 1972.

Este evento deu incio a uma srie de aes posteriores, tendo sempre como foco a

manuteno das condies de habitabilidade do planeta e a sua preservao para as futuras

geraes.

Num primeiro momento, as turbinas elicas eram utilizadas apenas como gerao

isolada, principalmente devido s suas baixas potncias nominais. Assim, at final do sculo

passado, tratava-se esse tipo de gerao como pequenas fontes de energia locais, portanto, de

pequena significao do ponto de vista do sistema de potncia. Adicionalmente, devido

natureza inerentemente estocstica do vento e, portanto, sua imprevisibilidade, a energia

elica era tratada com restrio por parte das concessionrias de energia eltrica [77], [108].

Atualmente a situao diagonalmente oposta. De fato, a utilizao da energia elica

para a gerao de eletricidade vista como uma das mais promissoras fontes de energia

renovveis. Alm disto, o processo emprega uma tecnologia j bastante evoluda tanto na

Europa como nos EUA [18]. Reconhecidamente, os avanos tecnolgicos das ltimas

dcadas, em diversas reas de conhecimento, possibilitaram o aumento da potncia nominal

dos aerogeradores e tambm a sua utilizao em grupos, fazendas (wind farms) ou parques

elicos. Com a instalao de centrais de maior potncia tornou-se possvel o fornecimento de

eletricidade para comunidades maiores e, na seqncia, a conexo destas turbinas s redes dos

sistemas eltricos.

Salienta-se, no entanto, que a produo de energia eltrica no o nico critrio a ser

considerado quando se pretende instalar novas unidades de gerao, sejam elicas ou no.

Outros fatores de importncia tais como: eficincia do sistema, custo do empreendimento,

impactos decorrentes da integrao com a rede eltrica, e possveis danos ao meio ambiente

tambm devem ser analisados. Alm dos fatores citados, certamente existem outros que

igualmente devero ser observados, sempre pensando na maximizao dos benefcios scio-

econmicos e ambientais.

A maior difuso e utilizao da energia elica e a sua utilizao de maneira mais

intensiva em anos recentes, tem provocado problemas decorrentes da integrao s redes



eltricas [57]. Estas situaes despertaram para a necessidade de estudos destinados a avaliar

os impactos causados pelas turbinas elicas e tambm a influncia que as redes eltricas tm

sobre a operao dos aerogeradores [43]. Nesse sentido, tm sido realizadas campanhas de

medio em usinas elicas e analisados os efeitos mtuos decorrentes da operao conjunta

entre as turbinas elicas e a rede eltrica. A experincia conseguida ao longo dos anos de

pesquisas resultou em normas e recomendaes para a conexo de geradores elicos rede

eltrica, cujo objetivo principal tornar mais segura e eficiente a utilizao da energia elica.

Um exemplo disso o documento IEC 61400-21 [42], que estabelece os requisitos mnimos

para a conexo de sistemas elicos aos sistemas eltricos, tendo como foco a qualidade da

energia eltrica produzida por este tipo de gerao.

Muito embora j existam algumas normas e recomendaes referentes operao de

centrais elicas, estas, mormente, so direcionadas para unidades individuais e de potncia

reduzida. Todavia, o crescente emprego da tecnologia tem ocasionado expressivos aumentos

no que denomina por Nvel de Penetrao, qual seja, da relao entre a potncia do parque

elico diante dos nveis de curto-circuito das redes onde se inserem os geradores elicos.

Nestas circunstncias crescem as preocupaes com a correlao entre os Sistemas de

Converso de Energia Elicos (WECS Wind Energy Conversion Systems) e as respectivas

redes eltricas, em especial junto ao ponto de conexo, ou seja, o Ponto de Acoplamento

Comum (PAC).

A ttulo de exemplificao da correlao operativa entre as duas partes supra

destacadas, a participao das turbinas elicas no controle de tenso e freqncia do sistema,

por exemplo, quando da ocorrncia de uma falta na rede de conexo, no eram temas tratados

com a devida relevncia. Estes dispositivos eram projetados para serem desconectados

durante a perturbao e reconectados uma vez cessado o fenmeno. Com essa filosofia, a

manuteno da freqncia e tenso era de responsabilidade do sistema, atravs dos

reguladores das grandes plantas convencionais de energia. Atualmente, com uma penetrao

elica bem mais significativa, a realidade diferente. O peso maior da energia elica passa a

influenciar sensivelmente o comportamento dinmico do sistema, tornando muito mais

complexo o controle da tenso e frequncia apenas com as usinas convencionais [100]. Diante

dessa nova realidade, as turbinas elicas modernas so projetadas de maneira a permanecer

conectadas durante e aps a ocorrncia de uma falta no sistema de potncia, contribuindo

dessa maneira diretamente com a manuteno da estabilidade do sistema eltrico. Como

exemplos dessa nova filosofia de controle (manuteno de WECS conectados) destacam-se os



procedimentos de rede estabelecidos por operadores dos sistemas eltricos de pases como

Dinamarca, Sucia, Alemanha e EUA, dentre outros.

No Brasil, apesar da modstia j destacada para os portes atuais da gerao elica,

vislumbra-se que, muito em breve, haver uma participao bem mais significativa deste

recurso em sua matriz energtica [96]. Como fatores que contribuem para tais perspectivas

destacam-se os incentivos governamentais e o enorme potencial elico existente no pas,

principalmente na regio nordeste [62]. Somado a estes elementos, h ainda a ressaltar a

presena de um fabricante de aerogeradores instalado no pas [83].

Alm disso, a natureza mostrou-se generosa particularmente com o Brasil, pois, as

melhores condies de vento ocorrem nos perodos de seca, coincidentes, portanto, com os

perodos do ano em que os reservatrios das usinas hidroeltricas apresentam seus menores

nveis. Assim sendo, verifica-se um comportamento complementar entre os dois tipos de

gerao mencionados, constituindo-se em mais um atrativo para os aproveitamentos elicos.

Outra particularidade aplicvel ao Brasil que a grande maioria das turbinas elicas

atualmente em operao est conectada s redes de distribuio [62], [111]. Dessa forma, o

papel passivo da distribuio, exclusivamente restrito interconexo entre o suprimento e a

carga, passar por uma mudana radical, qual seja, de ter um papel ativo [50]. Muitas

publicaes que tratam de gerao distribuda conectadas s redes de distribuio revelam que

tais redes podem ser afetadas de vrias maneiras, tais como aumento dos nveis de curto

circuito, necessidade de novas prticas de proteo, perdas das redes de distribuio,

problemas de qualidade da energia e at a introduo de problemas de estabilidade [23], [90].

Mais uma vez vislumbra-se a necessidade da disponibilizao de ferramentas para a

realizao de estudos que permitam antever, em seus aspectos dinmicos e outros, os

impactos da interao de turbinas elicas com o sistema eltrico de potncia.

Nessa perspectiva que a presente tese encontra sustentao. A investigao realizada e

ora apresentada, disponibiliza uma ferramenta computacional apropriada para a realizao de

estudos de natureza dinmica, enfocando justamente a interao de centrais elicas com a

rede eltrica. O programa desenvolvido reveste-se de particular importncia, num momento

em que os avanos tecnolgicos propiciam o desenvolvimento de mquinas com potncias

unitrias nominais da ordem de 5 MW. A implantao de parques elicos com potncias que

podem atingir centenas de mewawatts tambm j uma realidade no Brasil, com a entrada em

operao da usina de Osrio no Rio Grande do Sul e Rio do Fogo no estado do Rio Grande do

Norte.



Na atualidade existem diversas topologias de aerogeradores em operao no mundo. As

diferenas entre elas abrangem tanto aspectos tecnolgicos como de operao, sendo as mais

importantes o tipo de gerador empregado, sncrono ou de induo, a velocidade de operao,

fixa ou varivel e a tcnica utilizada para efetuar o controle da potncia extravel do vento.

Esses aspectos so devidamente tratados ao longo da tese. Contudo, importante salientar

que, em virtude do tipo de parques elicos atualmente em operao no pas, a opo feita para

os trabalhos aqui contemplados recaiu sobre um sistema a velocidade varivel, dotado de

gerador sncrono e controle da potncia aerodinmica pelo ngulo de passo das ps do rotor.

1.3 O ESTADO DA ARTE

Nesta seo feita uma sntese das principais referncias que contemplam questes

associadas com as topologias utilizadas para as turbinas elicas, os impactos dinmicos e

outros que estes dispositivos podem ocasionar nos sistemas eltricos, do ponto de vista de

estabilidade da tenso e freqncia e, finalmente, informaes sobre documentos orientativos

sobre a operao dos parques elicos isolados e em conjunto com suas redes de conexo so

tambm considerados.

1.3.1 Unidades Elicas a Velocidade Fixa

Sistemas a velocidade constante podem operar de modo isolado ou interligado ao

sistema eltrico de potncia. Estes, quando acoplados rede eltrica, tm a tenso e

freqncia do aerogerador determinadas pelo sistema de potncia ao qual esto interligados.

Nesta seo so abordadas ambas as possibilidades de operao (isolada ou interligada),

dando-se uma maior nfase ao segundo tipo, pois esta est em consonncia com os objetivos

desta investigao.

Diversas pesquisas para analisar o impacto da integrao da gerao elica s redes

eltricas tm sido realizadas. Iniciando pela referncia [77], esta apresenta um modelo de

turbina elica a velocidade fixa, com controle de potncia por entrada em perda aerodinmica

ou controle stall como tambm denominado. Este estudo descreve os impactos provocados

pela gerao elica do ponto de vista da qualidade da energia eltrica e tambm a



interferncia no desempenho da turbina, em decorrncia de faltas na rede eltrica de conexo.

Os resultados obtidos das simulaes so comparados com medies de campo, aferindo

dessa forma a desempenho do modelo computacional desenvolvido. O trabalho apresenta

ainda, um sistema a velocidade varivel dotado de um gerador de induo de dupla

alimentao ou DFIG (Doubly Fed Induction Generator).

Em aplicaes isoladas usual o emprego de sistemas a velocidade fixa (ou constante).

Nesse sentido, destaca-se o trabalho apresentado em [17], o qual analisa o comportamento

dinmico de um sistema hbrido elico/fotovoltaico autnomo, com dispositivo de

armazenamento de energia. Outro estudo semelhante mostrado em [67], empregando-se um

gerador sncrono dotado de regulador de tenso para o suprimento de duas unidades de

dessalinizao. Em ambos os trabalhos mencionados utilizaram-se sistemas elicos de

pequeno porte, ou seja, da ordem de poucos quilowatts.

A referncia [70] apresenta a implementao e estudos com um sistema elico equipado

com um gerador de induo, operando isoladamente, para o fornecimento de eletricidade em

corrente contnua para aplicaes rurais. O foco do trabalho est direcionado para o controle

da tenso gerada.

1.3.2 Unidades Elicas a Velocidade Varivel

Diferentemente das turbinas anteriores, os arranjos aqui considerados operam com

velocidades distintas e, por conseguinte, com freqncias variveis. A conexo com os

sistemas eltricos realizada com o auxlio de conversores de freqncia, destinados

compatibilizao da tenso e freqncia com as da rede eltrica [76]. Este tipo de sistema

apresenta uma srie de vantagens em relao aos a velocidade constante, motivo pelo qual, o

emprego de turbinas aqui focadas predomina como opo para a gerao de energia.

A referncia [71] analisa a estabilidade de dois tipos de turbinas elicas, um a

velocidade fixa com controle de potncia pelo ngulo de passo e outro a velocidade varivel,

que utiliza um gerador de induo duplamente alimentado. Os estudos computacionais

realizados evidenciaram que os sistemas a velocidade fixa com controle do ngulo de passo

aumentam a estabilidade transitria dos aerogeradores. No caso de grandes aproveitamentos

elicos a velocidade varivel dotados de geradores tipo DFIG, os estudos demonstraram uma



diferena significativa no comportamento transitrio desta configurao, devido aos sistemas

de controle adotados nos mesmos.

O trabalho desenvolvido em [78] destina-se igualmente apresentao de estudos com

sistemas a velocidade varivel, enfocando o comportamento dinmico e em regime

permanente. Neste caso, os WECS so dotados de geradores sncronos com rotor de m

permanente. Os estudos foram conduzidos utilizando o software ATP. Nessa mesma linha, a

referncia [89] analisa o comportamento dinmico de sistemas de gerao elica de

tecnologias diferentes, conectados rede de distribuio. Para avaliar o desempenho das

diversas topologias simuladas, foram contempladas condies de operao distintas, tanto

para a fonte primria de energia, atravs da imposio de diferentes velocidades do vento

como tambm contingncias na rede eltrica, tais como curtos-circuitos.

A referncia [84] aborda dois pontos que podem ser afetados pela energia elica: a

estabilidade dos sistemas de potncia e a qualidade da energia eltrica nos pontos de acesso.

Para tanto, faz uso de um modelo dinmico de turbina elica, apropriado para este tipo de

anlise. Inicialmente considerada uma unidade elica de pequena potncia e, na seqncia,

adota-se uma central representativa de um maior nvel de penetrao. Para o caso de elevada

penetrao elica apresentado um modelo agregado de aerogeradores, o qual inclui o

amortecimento que ocorre em grandes parques elicos, comparativamente ao caso de uma

nica turbina. O trabalho trata da modelagem do vento de maneira detalhada para as duas

situaes mencionadas. O foco da investigao est dirigido para as flutuaes de tenso

(flicker) e as variaes de freqncia e tenso e seus reflexos na estabilidade do sistema de

potncia. A referncia [101] trata de modelos agregados de turbinas elicas voltados para o

estudo do impacto da energia elica proveniente de grandes aproveitamentos ou fazendas

elicas.

A referncia [50] focaliza, fundamentalmente, a qualidade da energia produzida por

turbinas elicas tanto a velocidade fixa quanto a velocidade varivel. No estudo so

considerados todos os componentes mecnicos-eltricos que formam um complexo elico. Os

resultados analisados contemplam diversos itens de qualidade tais como: flicker, transitrios,

harmnicos, dentre outros. Nessa linha pode-se mencionar tambm a referncia [19], que

analisa tcnicas de simulao voltadas para estudos de flutuao de tenso e distoro

harmnica no ponto de conexo. O estudo evidencia, ainda, que os problemas encontrados

com os itens de qualidade mencionados podem ser minimizados com a utilizao de uma

interface eletrnica adequada.



O estudo realizado em [41] apresenta uma modelagem para plantas elicas de potncia

elevada, do tipo offshore, capaz de realizar estudos de natureza transitria e de regime

permanente. O estudo foca particularmente a estabilidade de tenso da rede de conexo. O

modelo desenvolvido utiliza geradores de induo.

Os estudos desenvolvidos na referncia [113] tratam dos aspectos dinmicos

relacionados com a integrao de fazendas elicas ao sistema eltrico de potncia, assim

como tambm, a contribuio para com a flutuao de tenso, o fenmeno flicker. Os

resultados alcanados deixam evidente a forte dependncia do tipo de modelo usado nas

investigaes.

A referncia [6] apresenta um modelo avanado de um gerador elico conectado rede

eltrica para simulaes dinmicas. O programa desenvolvido pode ser usado para simular

geradores individuas ou um nmero significativo de aerogeradores operando conjuntamente.

As potencialidades do software permitem a realizao de estudos de estabilidade de sistemas

de potncia e tambm investigaes sob a tica da qualidade da energia eltrica.

O trabalho desenvolvido em [104] ressalta a necessidade de um software para simulao

dinmica de sistemas de potncia ao qual modelos de turbinas elicas possam ser

incorporados. Estes modelos devem, ainda, possibilitar o clculo das condies iniciais para a

resoluo do sistema, por exemplo, um fluxo de carga, de maneira a permitir a inicializao

da simulao dinmica. Esse trabalho apresenta uma soluo para essa questo. Os mesmos

autores, na referncia [105] avaliam diversos mtodos de simulaes dinmicas existentes,

fundamentalmente investigaes de estabilidades de tenso e angular, destacando as

simulaes dinmicas na freqncia fundamental, tambm, conhecidas como simulaes

transitrias eletromecnicas, com o intuito de reduzir o tempo de simulao.

Na referncia [114] desenvolvido um programa computacional focando o modelo de

um sistema elico para estudos de desempenho dinmico. Os estudos enfocam o desempenho

nos instantes de partida, parada e operao em regime permanente, e ainda situaes em que o

vento apresenta rajadas. So avaliados os impactos que a relao entre a potncia de curto-

circuito e o grau de penetrao da energia elica exerce sobre a flutuao de tenso.

Demonstra-se que, em se ultrapassado um determinado valor de penetrao, muito possvel

que ocorra a perda de estabilidade.

A referncia [8] descreve a modelagem de um sistema de converso elico e apresenta

resultados de estudos computacionais com vistas avaliao de estabilidade de sistemas

eltricos, empregando para tanto, um programa de estabilidade transitria. A principal



contribuio deste artigo consiste na apresentao de um modelo matemtico para a

representao do vento, o qual possibilita representar uma grande variedade de fenmenos

associados a esta grandeza, inclusive a sua aleatoriedade. A respeito do modelo matemtico

do vento descrito em [8] e a conseqente energia cintica transportada por esse fludo, a

referncia [94] apresenta um novo desenvolvimento matemtico, alcanando um resultado

que diverge, quantitativamente, daquele constante na formulao bsica e de ampla aceitao

pela comunidade cientfica. Em sntese, a nova proposta de modelo matemtico do vento

encontra um fator multiplicativo igual a 1/3 contra 1/2 da formulao inicial, o que se

significa que a potncia transportada sofreria uma reduo igual apresentada pelos dois

termos.

O trabalho desenvolvido em [75], assim como os estudos anteriores, trata de sistemas de

converso a velocidade varivel que podem ser equipados tanto com geradores de induo

com rotor em gaiola de esquilo e conversores do tipo fonte de tenso/corrente ou gerador de

induo duplamente alimentados, com um conversor de freqncia nos terminais do rotor. O

trabalho destaca as melhorias obtidas com o emprego de conversores estticos e as novas

tcnicas de controle, adequadas para utilizao em turbinas a velocidade varivel,

comparativamente aos sistemas elicos a velocidade fixa. Um estudo semelhante

apresentado na referncia [69], mais uma vez fazendo uso de uma mquina assncrona

conectada rede eltrica atravs de um conversor de freqncia totalmente controlvel. A

modelagem dos componentes da turbina elica foi implementada utilizando a plataforma

computacional ATPDraw. As investigaes contemplam a conexo de vrias unidades elicas

rede eltrica, e avaliam-se os efeitos de perturbaes que possam ocorrer na rede eltrica ou

nos sistemas elicos possam ter sobre a estabilidade do sistema e a qualidade da energia

eltrica. So apresentadas tcnicas para efetuar o controle da energia reativa injetada no

sistema, com o objetivo de obter melhorias do perfil de tenso, quando da ocorrncia de

perturbaes transitrias.

O artigo [37] descreve a modelagem dinmica de uma turbina elica de freqncia

constante e velocidade varivel, empregando para tanto, um gerador de induo auto-

excitado, conectado concessionria atravs de um conversor CA-CC-CA (retificador no

controlado e inversor PWM). Esta configurao permite o controle do fluxo de potncia ativa

atravs da tenso do elo CC e assegura um carregamento suave de potncia reativa nos bancos

de capacitores de auto-excitao. Alm disso, consegue-se uma significativa reduo na

produo de harmnicas e ainda a maximizao da energia extrada do vento. A referncia



[48] apresenta um estudo semelhante, cuja principal diferena consiste na utilizao de um

gerador CC de m permanente sem escovas ao invs do gerador de induo.

A referncia [65] aborda a operao de turbinas a velocidade varivel com foco voltado

para o ngulo de passo (pitch control). O sistema em questo, atravs do ajuste dos controles,

permite a gerao maximizada de energia para condies de ventos mdios. Para ventos

considerados elevados, atravs da atuao dos controles, a potncia aerodinmica produzida

pela turbina mantida constante em seu valor nominal. A caracterstica varivel e os controles

propostos permitem uma operao mais suave, de forma que as cargas mecnicas nas

estruturas fsicas do dispositivo so reduzidas.

Em [95] apresentado um estudo detalhado do controle do ngulo de passo em turbinas

a velocidade varivel. Assim como em outras investigaes realizadas com o tema, mostra-se

que, devido s flutuaes da velocidade do vento, a tenso e freqncia de sada das mquinas

que empregam esta tecnologia, podem ser afetadas. Para minorar esses efeitos indesejveis,

destacada a importncia de um projeto adequado e ajuste dos sistemas de controle, para

alcanar um comportamento dinmico satisfatrio do aerogerador, principalmente no tocante

a sua influncia sobre a qualidade da energia gerada.

A referncia [46] analisa, atravs de estudos computacionais, os efeitos que turbinas

elicas a velocidade varivel podem causar s redes de distribuio que possuam

caractersticas de redes fracas. Neste trabalho feita uma comparao do efeito causado sobre

o perfil de tenso de dispositivos elicos a velocidade fixa e os a velocidade varivel,

utilizando, para ambos os casos, geradores de induo. Os estudos feitos, da mesma forma

que em outros desenvolvimentos correlatos, apontam a vantagem do desempenho de unidades

a velocidade varivel, o que justifica o crescimento no mundo todo deste tipo de topologia em

relao aos a velocidade fixa.

A publicao [22] compara um sistema elico equipado com gerador de induo de

rotor bobinado, controlado pelo lado do rotor, com sistemas a velocidade fixa e velocidade

varivel dotados de gerador de induo com rotor em gaiola. Todos os arranjos so

conectados a uma rede eltrica. O estudo mostra que geradores de induo com rotor

bobinado, a velocidade varivel, apresentam melhores rendimentos do que os sistemas a

velocidade fixa de capacidade semelhante, para uma mesma condio de vento.

A referncia [109] trata da tcnica do controle vetorial e do desacoplamento dos fluxos

das potncias ativa e reativa. A tcnica de controle proposta possibilita, adicionalmente, ajuste



do fator de potncia da energia gerada, o que se constitui em um atrativo adicional da

estratgia apresentada.

Um outro aspecto de suma importncia para a operao dos parques elicos,

principalmente a partir da instalao de centrais de maior porte, est associado com a

suportabilidade destas instalaes quando da ocorrncia de afundamentos de tenso no PAC.

Como sabido, tais fenmenos esto intimamente relacionados com a incidncia de faltas nos

sistemas de potncia [2], [44], [54], [55], [115]. A propriedade dos aerogeradores de resistir a

tais efeitos conhecida como Transient Fault Ride Through ou Low Voltage Ride Through,

Estas caractersticas de desempenho passaram a ser exigidas para as novas unidades de

gerao elica a partir de 2002 e, uma vez equipados com tais recursos, os sistemas elicos

tornam-se mais robustos quando da ocorrncia de faltas. Assim procedendo, h expressivos

ganhos operacionais e de segurana quando a questo em foco a estabilidade dos sistemas

interligados.

1.3.3 Unidades Elicas a Geradores Sncronos

No que se refere aos sistemas elicos que utilizam como unidade de converso a

clssica mquina sncrona, aps os levantamentos bibliogrficos feitos constatou-se que,

diferentemente das demais tecnologias, h uma grande carncia de artigos e outros

documentos sobre a matria.

Dentre aquelas encontradas, a referncia [112] apresenta os modelos dos diversos

subsistemas que compem um sistema elico a velocidade varivel empregando um gerador

sncrono de m permanente e um sistema a velocidade fixa dotado de gerador de induo

com rotor em gaiola de esquilo. So descritos estudos comparativos voltados para a

estabilidade transitria do sistema eltrico.

Nesta mesma linha de pesquisa, o trabalho [103] desenvolve uma modelagem dinmica

de uma turbina elica a velocidade varivel com gerador sncrono, com acionamento direto e

fazendo uso de um conversor de tenso back-to-back. O modelo inclui os controles de

velocidade do rotor, do ngulo de passo (pitch control) e da tenso terminal. O artigo

investiga, ainda, o impacto que uma grande penetrao de energia elica pode acarretar no

comportamento dinmico dos sistemas de potncia.



Na referncia [1] so apresentados modelos de aerogeradores a velocidade varivel,

dotados de geradores sncronos, acionados diretamente e conectados rede eltrica atravs de

conversores de freqncia. O foco dos estudos encontra-se voltado para a anlise da

estabilidade do sistema de potncia, muito embora os modelos possam ser utilizados para

outros tipos de estudos (flutuaes de tenso ou flicker, harmnicos e transitrios

eletromagnticos).

As referncias [92] e [93] abordam um assunto de grande relevncia e atualidade, qual

seja, a Qualidade da Energia Eltrica. So destacadas as principais configuraes de turbinas

elicas em operao, com nfase quelas que utilizam geradores sncronos. Outro fato

merecedor de destaque que, estes artigos apresentam medies de campo e comparaes

entre os dois principais conceitos de geradores, ou seja, o assncrono duplamente alimentado e

o sncrono acoplado rede atravs de um conversor de freqncia.

1.3.4 Normas e Recomendaes

No Brasil existe uma lacuna a respeito de legislao voltada para a normatizao da

fabricao, estabelecimento de requisitos para a conexo e operao da gerao elica. A

carncia existente pode ser explicada, principalmente, pelo fato de se tratar de uma tecnologia

considerada ainda inovadora. Para atender as necessidades presentes e enquanto no sanada

esta deficincia, a alternativa encontrada est na consulta s normas e recomendaes

internacionais. Na seqncia, sero destacadas as principais referncias reconhecidas pelos

agentes reguladores do pas e que serve como balizadoras para a definio dos requisitos

mnimos de desempenho deste tipo de gerao.

Apesar de no estar perfeitamente alinhada com o tema central desta tese, mas devido

sua grande importncia no campo da operao de sistemas elicos, cita-se a referncia [42].

Esta considerada como uma das publicaes mais completas sobre a matria, pois fornece

uma metodologia para a avaliao das caractersticas da qualidade da energia advinda da

conexo de turbinas elicas s redes eltricas.

A referncia [11] consiste numa recomendao prtica, cujo principal objetivo

proporcionar uma melhor compreenso das responsabilidades e exigncias daqueles

envolvidos com a interconexo de pequenos sistemas de converso de energia elica (SWECS

- small wind energy conversion system).



A referncia [12] tambm corresponde a uma recomendao prtica e apresenta

informaes de projeto e procedimentos para a interconexo de mltiplas turbinas elicas

(uma estao de gerao ou parque elico) a uma concessionria de energia. Trata ainda, de

assuntos relacionados com a interface do sistema eltrico entre as partes (concessionria e

gerao elica). O documento fornece recomendaes prticas para sistemas de

monitoramento, sistemas de proteo e normas de segurana para pessoas e equipamentos.

Em termos nacionais destaca-se a referncia [85], que serve como referncia para a

anlise do comportamento de turbinas elicas quando interligadas s redes eltricas. O texto

apresenta os principais mtodos para a realizao do projeto eltrico e de conexo de centrais

elicas e as ferramentas utilizadas para estimar o impacto de fazendas elicas na qualidade da

energia local. A avaliao do funcionamento de turbinas elicas e a anlise das protees

utilizadas, de maneira a evitar operaes indevidas, tambm so consideradas neste

documento.

Finalmente, ressalta-se que, adicionalmente s publicaes referenciadas nesta seo, ao

longo desta tese, sempre que necessrio, sero mencionadas outras fontes que serviro para

consubstanciar os desenvolvimentos a serem descritos.

1.4 AS CONTRIBUIES DESTA TESE

Atravs de um processo comparativo das atividades e avanos desta pesquisa em

relao ao atual estado da arte da matria, pode-se sintetizar as contribuies desta pesquisa

de doutorado nos seguintes pontos focais:

9 Modelagem matemtica de um sistema de converso de energia elica, realizando, para tanto, a proposio e adaptao de modelos dos diversos mdulos que o

compem, com destaque aos seguintes componentes: fonte primria (o vento),

rotor elico e respectivo controle das ps, gerador sncrono, conversor de

freqncia e controles utilizados, transformador elevador e o equivalente da rede

eltrica.

9 Desenvolvimento de um programa computacional, utilizando tcnicas de modelagem no domnio do tempo, para a representao de parques elicos que



fazem uso da tecnologia da gerao sncrona. Esta topologia vem se afirmando no

mundo todo, inclusive no Brasil, em funo de seu elevado desempenho,

comparativamente a outras estratgias comercialmente utilizadas neste campo de

conhecimento. O produto final, na forma de um software, preenche lacunas

existentes em relao s ferramentas computacionais de anlise atualmente

disponveis. O programa viabiliza a realizao de estudos de fenmenos

transitrios eletromecnicos e eletromagnticos, desempenho dinmico e de

regime permanente do complexo elico-eltrico, permitindo avaliar sua operao

individual e da rede de conexo. Os resultados obtidos permitem correlacionar o

funcionamento do complexo dentro do contexto dos procedimentos estabelecidos

pela legislao vigente.

9 Realizao de estudos investigativos e elucidativos do comportamento dinmico do parque elico e da rede de conexo, utilizando para tanto um sistema tpico

representativo da topologia aqui considerada. Assim procedendo, so obtidos

resultados que esclarecem sobre a potencialidade do programa e sobre os impactos

e atributos da operao conjunta de parques elicos e redes eltricas, sob

condies ideais e no ideais de funcionamento.

1.5 A ESTRUTURA DA TESE

Para alcanar os objetivos propostos, alm do presente captulo introdutrio, designado

por captulo I, esta tese encontra-se assim estruturada:

CAPTULO II Princpios Gerais e Arranjos Tpicos dos WECS

Este captulo dedicado a apresentar e conceituar os principais aspectos relacionados

com a fonte primria de energia associada aos sistemas elicos, ou seja, o vento. Alm disso,

trata das tecnologias atualmente utilizadas no cenrio internacional. Na seqncia, abordam-

se aspectos scio-econmicos e ambientais envolvidos neste tipo de aproveitamento

energtico, comparativamente a outros tipos de gerao de energia eltrica, notadamente



aqueles que se valem dos combustveis fsseis. Sendo a energia elica uma inovao

tecnolgica, torna-se necessrio uma descrio terica sobre o tema. Para tanto, este captulo

destina-se tambm apresentao e discusso dos arranjos mais comumente empregados para

compor os sistemas de converso de energia elica, ou, como j definido, as unidades WECS

(Wind Energy Conversion Systems).

CAPTULO III Modelagem Matemtica e Implementao Computacional do WECS

Considerando-se a importncia dos programas computacionais para avaliar o

comportamento dos sistemas eltricos de potncia, este captulo destina-se proposio de

modelos matemticos representativos dos diversos componentes que perfazem o complexo

eletro-mecnico de um WECS e a sua respectiva implementao computacional. Em

particular, as discusses so direcionadas para um sistema a velocidade varivel, de

acionamento direto e dotado de gerador sncrono. O captulo aborda ainda dois sistemas de

controle da potncia aerodinmica utilizando o controle do ngulo de passo ou pitch control.

So ainda considerados os subsistemas utilizados para o controle de potncia ativa e reativa

envolvidas no processo.

CAPTULO IV Estudos Computacionais com o WECS Implementado

Uma vez definidos os modelos dos diversos mdulos que compem um WECS e obtido

o produto final na forma de uma base computacional para estudos no domnio do tempo de

sistemas elicos e respectiva rede de conexo, este captulo destina-se a realizao de estudos

e investigaes computacionais propriamente ditos. Para tanto so realizados, descritos e

discutidos diversos casos que expressam o comportamento dinmico do complexo eltrico

destacado na tese. Num primeiro momento, investigado o desempenho do parque elico sob

a ao de faltas de naturezas diversas, de ocorrncia comum nos sistemas eltricos, a exemplo

dos curtos-circuitos. Na seqncia, so simuladas outras contingncias no sistema, como

perdas de linhas de transmisso e de gerao. Os efeitos destas situaes so detalhadamente

consideradas sob a tica da estabilidade e do controle das tenses diante das anormalidades

investigadas.



CAPTULO V Concluses Gerais

Este captulo, de carter conclusivo, destina-se a sintetizar os principais avanos e

constataes alcanadas ao longo da pesquisa. So ressaltadas questes associadas s

principais contribuies deste trabalho, bem como sugestes para futuros desenvolvimentos.

CAPTULO II

PRINCPIOS GERAIS E ARRANJOS TPICOS DOS

WECS

2.1 CONSIDERAES INICIAIS

Este captulo aborda, de maneira concisa, aspectos diversos relacionados com a

implantao de sistemas de converso de energia elica ou WECS. So contemplados temas

relacionados com a tecnologia e operao de centrais elicas, incluindo discusses a respeito

dos conceitos e arranjos fsicos mais usuais neste tipo de aproveitamento de energia. Fatores

outros, tais como as implicaes sociais, econmicas, ambientais e tcnicas, tambm so

analisados, objetivando oferecer uma viso ampla da interao de turbinas elicas com as

redes eltricas de conexo, como tambm, com o eco-sistema nas vizinhanas do

aproveitamento. Com tais objetivos em mente, os assuntos aqui tratados contemplam os

seguintes tpicos:

Discusses sobre os aspectos scio-econmicos e ambientais da utilizao das fontes renovveis;

Caracterizao do vento e a forma como o mesmo gerado; Formulao analtica da energia passvel de extrao do vento; Descrio da correlao entre a velocidade do vento e a potncia disponibilizada; Apresentao dos principais componentes de uma turbina elica; Descrio sinttica das funes de maior relevncia dos dispositivos que

compem os aerogeradores;

Caracterizao do sistema de foras que se processa num perfil aerodinmico de um WECS e sistemas de controle de potncia;

Descrio sucinta dos conceitos referentes s tecnologias atualmente utilizadas para sistemas elicos;

Cap. II Princpios Gerais e Arranjos Tpicos dos WECS pg.


20

Aspectos relacionados com a interao de WECS com o sistema CA de interligao.

2.2 ASPECTOS SCIO-ECONMICOS E AMBIENTAIS ENVOLVIDOS EM APROVEITAMENTOS ELICOS

A transformao ou aproveitamento de uma forma de energia impacta, em geral, o meio

ambiente com maior ou menor intensidade, dependendo da natureza da energia primria.

Nesse sentido, o grande avano tecnolgico ocorrido na explorao e utilizao da energia,

em suas diferentes formas, imputa um custo elevado sociedade e ao meio ambiente, atravs

da poluio do solo, do ar e da gua, tornando ainda mais precrias as condies de sade das

populaes. Tais danos, entretanto, so causados em grande parte pela utilizao inadequada e

ineficiente dos insumos energticos [81].

Recursos no-renovveis como o petrleo e o carvo mineral, inegavelmente so de

grande importncia para a economia mundial, que devido a seu uso intensivo, tm a sua

extrao realizada tambm em ritmo muito acelerado. Apesar dessa significativa participao

na produo de riquezas no mundo inteiro, contudo, o valor no mercado no internaliza os

custos ambientais decorrentes desse tipo de fonte de energia. Dessa forma, alm de uma

expectativa de acelerado esgotamento das reservas existentes, contribui-se para o

agravamento dos efeitos negativos ao meio ambiente e sade pblica. Decises de estado,

que objetivem o estabelecimento de uma poltica de preos para a correo das distores

constatadas, no tocante utilizao de recursos naturais, certamente contribuiriam para a

mudana do quadro atual, causado pelo uso de recursos no-renovveis. Igualmente

interessantes so as campanhas de conscientizao sobre a importncia de se preservar o meio

ambiente, apontando alternativas viveis para tal finalidade (protocolo de Kyoto) [58].

Em resumo, conservar os recursos energticos sem comprometer o crescimento

econmico, implica em abordar questes tais como a produo de equipamentos e

desenvolvimento de tcnicas que conduzam a uma operao mais eficiente. importante

tambm, preparar a sociedade em geral e o setor produtivo em particular, para uma utilizao

racional das novas tecnologias disponveis e, dessa forma, garantir a necessria proteo ao

meio ambiente.



21

O estabelecimento do custo para a implantao de um determinado aproveitamento

energtico de difcil consenso entre as diversas partes envolvidas: governo, investidores ou

comunidade internacional. Cada agente foca aspectos que dizem respeito prioritariamente a

seus prprios interesses. Assim sendo, em nvel de planejamento energtico, faz-se apenas o

estudo comparativo dos custos anuais da energia produzida para as diferentes fontes

energticas. Estas projees so feitas em fruns internacionais, onde nos clculos no so

contabilizados os custos ambientais e/ou sociais, produo de CO2, inflao, etc. Se, por outro

lado, os estudos esto na perspectiva dos investidores privados ou distribuidores de energia,

nesse caso consideram-se indicadores como taxa de atualizao, inflao, amortizao, etc.

Como conseqncia dos aspectos mencionados, verifica-se que a viabilidade de sistemas de

energia elica poder diferir muito de um pas para outro [66].

No obstante as indefinies e dificuldades encontradas nesta rea, estima-se que, na

grande maioria dos pases, a energia elica pode competir com as energias fssil e nuclear,

desde que sejam considerados os custos sociais e custos externos tais como o

desenvolvimento econmico, diversidade energtica, produo dispersa e benefcios

ambientais. Alm disso, estudos realizados pela EWEA (European Wind Energy Association),

mostram que o preo do kWh produzido por centrais elicas pode sofrer reduo de 25% nos

prximos anos. Isto se deve introduo de novos desenvolvimentos tecnolgicos e o

aumento da produo. Ratificando essa tendncia, projees feitas pela IAEA (International

Atomic Energy Agency), estimam que, at 2010, a energia elica tornar-se- competitiva com

as energias fssil e nuclear, sem que haja necessidade de levar em conta os custos externos e

sociais.

Sintetizando, a energia elica tem-se mostrado uma forma eficiente e limpa de produo

de eletricidade [98]. As caractersticas positivas apresentadas pela energia do vento, no

entanto, no dispensam a realizao de estudos rigorosos sobre possveis impactos que esta

forma de energia possa apresentar para o meio ambiente, o ser humano, ou a flora e fauna de

determinado aproveitamento. Na seqncia so comentados alguns aspectos afeitos com

aproveitamentos utilizando a fora dos ventos:

Parques elicos tm a vantagem de no limitar a utilizao do terreno ocupado para outras finalidades, como por exemplo, agrcolas, pecurias, etc. No obstante

essa possibilidade, no se deve esquecer que a implantao de obstculos ou o



22

aumento da rugosidade do terreno implica em uma diminuio da produo de

energia do parque elico.

A rea ocupada por um parque ou fazenda elica no excessiva quando comparada com outros tipos de aproveitamentos, como, por exemplo, os sistemas

hdricos, principal fonte de energia eltrica no Brasil. A relao entre a rea

varrida pelas ps e a potncia dos aerogeradores de aproximadamente 3 m2/kW.

Estudos aerodinmicos demonstram que as turbinas numa fazenda elica devem

ser distribudas no terreno de tal forma que o funcionamento de uma no seja

afetado pelas perturbaes aerodinmicas de outras vizinhas, ou seja, evitar-se-ia

o fenmeno conhecido como efeito esteira [18].

Sistemas de converso elica emitem rudos devido ao movimento de suas partes mecnicas e tambm aos efeitos aerodinmicos. Em WECS modernos, que

operam com velocidade varivel, o gerador de baixa rotao e a caixa de

velocidade dispensada. Nos sistemas de maior potncia (com dimetros acima

de 20 m), os efeitos aerodinmicos so mais acentuados, conseqentemente,

contribuindo tambm com maior emisso de rudos e, portanto, com maior

desconforto para as pessoas que s

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