Desenvolvimento de Modelos Digitais de Parques...
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Desenvolvimento de Modelos Digitais de Parques Eólicos para Estudos de Qualidade de Energia Mônica Andrade Portella de Araujo Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Robson Francisco da Silva Dias Rio de Janeiro Abril de 2014
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Desenvolvimento de Modelos Digitais de Parques Eólicos
para Estudos de Qualidade de Energia
Mônica Andrade Portella de Araujo
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador:
Robson Francisco da Silva Dias
Rio de Janeiro
Abril de 2014
DESENVOLVIMENTO DE MODELOS DIGITAIS DE PARQUES EÓLICOS
PARA ESTUDOS DE QUALIDADE DE ENERGIA
Mônica Andrade Portella de Araujo
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinada por:
Prof. Robson Francisco da Silva Dias, D.Sc.
Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.
Prof. Claudionor Francisco do Nascimento, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
Abril de 2014
1
Araujo, Mônica Andrade Portella de
Desenvolvimento de Modelos Digitais de Parques Eólicos
para Estudos de Qualidade de Energia / Mônica Andrade Portella de
Araujo – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2013.
Orientador: Robson Francisco Dias da Silva
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2013.
I. Robson Francisco Dias da Silva II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de
Engenharia Elétrica. III. Título.
2
Dedico esse trabalho a todos que me
auxiliaram e estiveram ao meu lado
nessa difícil e gratificante etapa da
vida.
3
AGRADECIMENTOS
Começo aqui agradecendo a base de tudo, a minha família. Obrigada a meu pai,
minha mãe e meu irmão por aturar os choros nas vésperas de algumas provas, os
ataques quando algo não acontecia na forma que imaginava que seria e por
principalmente me auxiliar e estar ao meu lado durante toda essa difícil jornada
chamada vida, que continua e não acaba por aqui. Agradeço também não só a eles, mas
também ao restante da família, pela compreensão da ausência durante alguns períodos.
Agradeço aos colegas de curso, que durante algumas épocas passavam mais
tempo comigo que minha própria família, por aguentarem minhas loucuras e manias
durante tantos anos.
Aos Professores, com os quais aprendi o máximo não somente sobre as matérias
lecionadas, mas sobre a vida e o mundo da engenharia em geral, a todo o tempo
dedicado e a vontade de nos passar o máximo possível. Em especial ao professor
Robson Dias, que conheci ainda antes de receber tal cargo, que durante certo tempo se
tornou mais que um professor, se tornou um conselheiro, me incentivando e mostrando
o potencial que havia em mim e que eu ainda não havia descoberto.
Ainda no ambiente da faculdade gostaria de agradecer a duas pessoas especiais
que compartilharam atenção não só comigo, mas com todos os alunos do departamento
todos esses anos. Eles são Katia e Osvaldo, aos quais agradeço pelo sorriso de cada
manhã, pela preocupação e disposição de ajudar a todos, sem a presença deles - o curso
seria muito mais difícil.
E por ultimo aos amigos de infância, que sempre estiveram ali para me auxiliar,
não somente com relação ao curso, mas também na vida em geral.
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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
DESENVOLVIMENTO DE MODELOS DIGITAIS DE PARQUES EÓLICOS PARA
ESTUDO DE QUALIDADE DE ENERGIA
Mônica Andrade Portella de Araujo
ABRIL/2014
Orientador: Robson Francisco da Silva Dias
Curso: Engenharia Elétrica
A eletricidade é insumo fundamental para o desenvolvimento econômico e social. Com
o crescimento do ritmo de consumo se torna cada vez mais importante que o mesmo
ocorra com o da geração. Porém a sociedade se tornou mais exigente com relação à
conservação do meio ambiente, sendo assim as fontes de energia renováveis se tornaram
uma ótima opção para suprir a demanda e solucionar o problema.
No Brasil, como no mundo, uma das formas de geração que mais cresce é a Eólica.
Porém ainda hoje a modelagem desses tipos de geradores não é amplamente divulgada
pelos fabricantes. Devido a isso se torna incerto para o ONS - Operador Nacional do
Sistema - prever como esse “novo” integrante do sistema se comporta frente a algumas
situações, tais como: curtos e análise da qualidade de energia, entre outras.
Pensando nisso esse trabalho visa desenvolver um modelo que possa ser usado nos
tipos de situações descritas no parágrafo anterior. Sendo assim será analisada a
qualidade de energia no ponto de conexão de um parque genérico para entender seu
comportamento frente a algumas situações.
Palavras-chave: Modelo Digital, Energia Eólica, Qualidade de Energia, Transitórios
Eletromagnéticos
5
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
DEVELOPMENT OF DIGITALS MODELS OF WIND FARM TO POWER
QUALITY STUDIES
Mônica Andrade Portella de Araujo
April, 2014
Advisor: Robson Francisco Dias da Silva
Course: Electrical Engineering
Electricity is an essential input for economic and social development of the
country. As the rate of consumption is growing it becomes increasingly important that
the same occurs with the power generation. However, society has become more critical
with respect to environment conservation, so the renewable energy sources have
become an option to meet energy demand to solve the problem.
In Brazil, as in the world, one of the fastest growing forms of generation is the
wind power .However; the modeling of wind generators is not widely spread by
manufacturers. These models are important to allow the Electric System National
Operator (ONS – Operador Nacional do Sistema, in Portuguese) to predict the electrical
behavior of these generators with respect to electrical disturbances, such as: faults and
power quality issues, among others.
This work aims to develop a detailed model of a wind farm so as it can be used
as a generic model of this energy source and allow analyzing those situations described
in the preceding paragraph. It will be analyzed the power quality at the connection point
of a generic wind farm to understand their behavior in some situations.
Keywords: Keywords: Digital Model, Wind Energy, Power Quality, Electromagnetic
Transients.
6
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 14
1.1 Identificação do problema ............................................................................... 15
1.2 Objetivos ......................................................................................................... 18
1.3 Estrutura do texto ............................................................................................ 19
2 ENERGIA EÓLICA .............................................................................................. 20
2.1 Histórico ......................................................................................................... 20
2.1.1 Uso para geração elétrica ......................................................................... 21
2.2 O recurso ......................................................................................................... 22
2.2.1 Geração dos ventos ................................................................................... 22
2.2.2 Influência nos ventos ................................................................................. 23
2.3 Energia e potência dos ventos .......................................................................... 23
2.4 Aplicações dos sistemas eólicos quando usados na geração de energia elétrica 26
2.4.1 Sistemas isolados ....................................................................................... 26
2.4.2 Sistemas híbridos ....................................................................................... 27
2.4.3 Interligados a rede..................................................................................... 27
3 AEROGERADORES ............................................................................................ 29
3.1 Rotor ............................................................................................................... 29
3.1.1 Eixo dos rotores ......................................................................................... 29
3.1.2 Eixo horizontal (HAWT) ............................................................................ 32
3.2 Transmissão .................................................................................................... 34
3.3 Torre ............................................................................................................... 35
3.4 Geradores ........................................................................................................ 35
3.4.1 Rotor gaiola de esquilo .............................................................................. 35
3.4.2 Rotor bobinado (DFIG) ............................................................................. 36
3.4.3 Gerador síncrono ...................................................................................... 37
3.5 Controle e acionamento ................................................................................... 38
3.5.1 Controle estol ............................................................................................ 39
3.5.2 Controle de passo ...................................................................................... 40
3.6 Conversores..................................................................................................... 40
3.7 Conexão com a rede ........................................................................................ 40
4 MODELO DIGITAL DO AEROGERADOR ........................................................ 42
7
4.1.1 Transformada de Clarke ............................................................................ 44
4.1.2 PLL ........................................................................................................... 45
4.1.3 Cálculo das correntes ................................................................................ 46
4.1.4 Controle da tensão no elo CC .................................................................... 46
4.1.5 Transformada inversa de Clarke ................................................................ 47
4.1.6 Realimentação ........................................................................................... 48
4.1.7 Transformada de DQ para ABC ................................................................ 49
4.1.8 Ordem do chaveamento dos elementos semicondutores.............................. 50
5 ANÁLISE DE RESULTADOS ............................................................................. 52
5.1 Análise em regime permanente ........................................................................ 52
5.1.1 Ponto de conexão ...................................................................................... 52
5.2 Análise em curto-circuito ................................................................................ 56
5.2.1 Curto trifásico ........................................................................................... 57
5.2.2 Curto monofásico ...................................................................................... 61
5.3 Comentários Finais .......................................................................................... 65
6 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 66
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 67
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Matriz energética brasileira.............................................................. 15
Figura 2 – crescimento percentual das fontes de energia para geração de
eletricidade ...................................................................................................... 16
Figura 3 - Velocidade média do vento e da energia eólica a 50m a cima da
superfície ......................................................................................................... 17
Figura 4 - Número de parques e potência totais (em operação, em construção e
contratada) de eólicas por estado...................................................................... 18
Figura 5 - Alguns marcos do desenvolvimento da energia eólica (FONTE: Dutra,
2001) ............................................................................................................... 20
Figura 6 - Marcos do desenvolvimento da energia eólica no século XX (Fonte:
Dutra, 2001) .................................................................................................... 21
Figura 7 - Formação dos ventos pelo deslocamento de massas de ar (Fonte:
CEPEL, 2001) ................................................................................................. 23
Figura 8 - Características da velocidade do vento ao passar por um conjunto de
pás (Fonte: Energia eólica Princípios e tecnologia, CRESESB) ....................... 25
Figura 9 - Esquemático de um sistema híbrido ................................................. 26
Figura 10 - Esquemático de um sistema híbrido ............................................... 27
Figura 11 - Esquemático de um sistema interligado a rede elétrica ................... 28
Figura 12 - Princípios básicos de funcionamento da geração eólica .................. 29
Figura 13 - Turbina de Darriues em Heroldstatt, Alemanha.............................. 31
Figura 14 - Ilustração de uma turbina de Savonius ........................................... 32
Figura 15 - Aerogerador de eixo horizontal ...................................................... 33
Figura 16 - Transporte das pás para montagem ................................................ 33
Figura 17 - Parte rotativa da nacele, cubo, pronta para instalação das pás ......... 34
Figura 18 - aerogerador com rotor gaiola de esquilo ........................................ 36
Figura 19 - Gerador elétrico com rotor bobinado (DFIG) ................................. 37
Figura 20 - aerogerador com gerador síncrono ................................................. 38
Figura 21 - Variação da curva potência X velocidade com o controle .............. 39
Figura 22 - Controle dos conversores ............................................................... 40
Figura 23 - Configuração usada na simulação .................................................. 42
Figura 24 - topologia do conversor utilizada .................................................... 43
Figura 25 - contadores de tempo ...................................................................... 43
Figura 26 - Cálculo realizado na etapa da transformada de Clarke.................... 45
9
Figura 27 - Diagrama de blocos do PLL com teoria PQ ................................... 45
Figura 28 - Cálculo das correntes ..................................................................... 46
Figura 29 - Controle da tensão no elo CC......................................................... 47
Figura 30 - Cálculo da transformada inversa de Clarke .................................... 48
Figura 31 - Transformada de Park .................................................................... 48
Figura 32 - Realimentação ............................................................................... 49
Figura 33 - Transformada inversa de Park ........................................................ 50
Figura 34 - Onda triangular .............................................................................. 50
Figura 35 - Chaveamento dos elementos semicondutores ................................. 51
Figura 36 - Corrente e tensão no ponto de conexão .......................................... 53
Figura 37 - Valor em porcentagem dos 7 primeiros harmônicos ....................... 54
Figura 38 - Momentos com maiores valores, em porcentagem, dos sete primeiros
harmônicos ...................................................................................................... 54
Figura 39 - Tensão e corrente no conversor eletricamente mais próximo do PCC
........................................................................................................................ 55
Figura 40 - Tensão e corrente no conversor mais distante eletricamente do PCC
........................................................................................................................ 55
Figura 41 - Tensão no elo CC .......................................................................... 56
Figura 42 – bloco com a representação do curto ............................................... 56
Figura 43 - Tensão e corrente no PCC durante o curto-circuito trifásico ........... 57
Figura 44 - Valor dos harmônicos em porcentagem durante o curto trifásico .... 58
Figura 45 - Potência inserida durante o curto trifásico ...................................... 59
Figura 46 - Tensão e corrente no conversor mais distante eletricamente do PCC
durante o curto-circuito trifásico ...................................................................... 59
Figura 47 - Tensão e corrente no conversor mais próximo eletricamente do PCC
durante o curto-circuito trifásico ...................................................................... 60
Figura 48 - Tensão no elo CC .......................................................................... 60
Figura 49 - Tensão e corrente no PCC durante o curto-circuito fase A - terra ... 61
Figura 50 - Valor dos harmônicos em porcentagem durante o curto monofásico
........................................................................................................................ 62
Figura 51 - Valor dos harmônicos durante o curto monofásico ......................... 62
Figura 52 - Potência inserida durante o curto monofásico ................................ 63
Figura 53 - Tensão e corrente no conversor mais próximo eletricamente do PCC
durante o curto-circuito monofásico ................................................................. 64
10
Figura 54 - Tensão e corrente no conversor mais distante eletricamente do PCC
durante o curto-circuito monofásico ................................................................. 64
Figura 55 - tensão no elo CC ........................................................................... 64
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Limites globais inferiores de tensão em porcentagem da tensão
fundamental ..................................................................................................... 41
Tabela 2 - Ações dos temporizadores no tempo ............................................... 43
Tabela 3 - Legenda .......................................................................................... 53
12
LISTA DE SÍMBOLOS
- Massa de ar em movimento;
- Velocidade da massa de ar.
ρ - Densidade da massa de ar
A - Seção transversal do tubo de escoamento ou área varrida pelo rotor
- Velocidade angular do rotor;
- Raio do rotor;
- Velocidade do vento incidente no rotor;
- Ângulo de passo das pás (pitch) do aerogerador
13
SIGLAS
ANEEL - AGENCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA;
CBEE - CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA EÓLICA;
CRESESB - CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E
EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO;
CELPE - COMPANHIA ENERGÉTICA DE PERNAMBUCO;
DFIG - DOUBLY FED INDUCTION (GERADOR DE INDUÇÃO
DUPLAMENTE ALIMENTADO);
EPE - EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA;
HAWT - HORIZONTAL AXIS WIND TURBINES (TURBINA DE EIXO
HORIZONTAL);
LER - LEILÃO DE ENERGIA RESERVA
PCC - PONTO DE CONEXÃO COMUM;
PLL - PHASE LOCKED LOOP;
PROEÓLICA - PROGRAMA EMERGENCIAL DE ENERGIA EÓLICA;
PROINFA - PROGRAMA DE INCENTIVO ÀS FONTES
ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA;
SIN - SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL;
UNSEGED - UNITED NATIONS SOLAR ENERGY GROUP FOR
ENVIROMENT AND DEVELOPMENT;
VAWT - VERTICAL AXIS SMALL WIND TURBINES (TURBINA DE
EIXO VERTICAL).
14
1 INTRODUÇÃO
No Brasil, a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) [1] estima que no período de
2011 a 2021 o consumo de energia crescerá cerca de 4,5%. Esse fenômeno de
crescimento da demanda não ocorre somente aqui, mas em todo o mundo, e isso gera
uma maior necessidade de geração de energia elétrica para atender a esse acréscimo.
Esse fator ocasiona uma necessidade de mais geração de energia e uma das
soluções encontradas para isso é a utilização de fontes de energia alternativas. Uma das
que ganhou maior visibilidade é a eólica, mesmo com os problemas de seu
armazenamento - já que não podemos guardar o eventual excesso de energia eólica para
usá-lo mais tarde e os sistemas químicos de armazenamento (baterias) são demasiado
caros e volumosos como para servir à escala do sistema elétrico nacional-, da poluição
sonora - ruídos que podem chegar até 43 decibéis-, do impacto sobre as aves do local -
muitas vezes elas se chocam com as pás, além de ter um efeito no comportamento de
migração desses animais-, entre outros.
O combustível usado por ela é o movimento do ar na atmosfera terrestre, que
ocorre principalmente pelo aquecimento da superfície da terra nas regiões próximas ao
equador e pelo resfriamento nas regiões próximas aos polos, ou seja, o vento. Sendo
assim, durante o processo de conversão não há a geração de gases poluentes e isso é um
fator positivo já que não emite gases de efeito estufa.
A disponibilidade desse tipo de energia está ligada a fatores físicos e geológicos.
A densidade do ar é afetada pela temperatura da superfície terrestre e incidência dos
raios solares. Para avaliar essa incidência e assim poder escolher os melhores locais para
instalação de aerogeradores foram desenvolvidos métodos estatísticos especiais.
Apesar desse tipo de energia variar bastante em curtos espaços de tempo, como
por exemplo, em minutos, ela é bastante consistente ao longo de intervalos maiores,
como em anos, o que a torna viável economicamente. Devido a essas variações em
curtos espaços de tempo para a geração de energia elétrica oriunda da eólica é
necessário que a rede seja robusta o suficiente para absorver os picos gerados pela
inconstância do vento e para suprir a carga nos momentos de baixa geração.
No Brasil, essa forma de gerar eletricidade teve seu primeiro relato em 1992,
quando o CBEE (Centro Brasileiro de Energia Eólica) e a CELPE (Companhia
Energética de Pernambuco) iniciaram a operação comercial do primeiro aerogerador
instalado no arquipélago de Fernando de Noronha. Porém nos dez anos seguintes essa
15
fonte pouco se desenvolveu no país devido à falta de investimentos governamentais e o
alto custo.
Os incentivos começaram durante a crise energética de 2001, com o
PROEÓLICA (Programa Emergencial de Energia Eólica), mas esse não obteve sucesso
e foi substituído pelo PROINFA (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de
Energia Elétrica).
A comercialização da energia eólica aconteceu em 2009, no segundo leilão de
energia reserva (LER). Nele aproximadamente 1,8GW foram contratados.
Atualmente, o Brasil possui cerca de 2,5GW de capacidade instalada de energia
eólica, em 117 usinas, o que equivale a cerca de 1,92% da matriz energética, conforme
pode ser visto na
1.1 Identificação do problema
De acordo com estudos apresentados pela United Nations Solar Energy Group
for Enviroment and Development (UNSEGED), no RIO-92, as energias renováveis
terão o maior crescimento percentual, esses dados podem ser vistos na Figura 2, sendo a
eólica uma das mais promissoras. Atualmente, a energia eólica já está competitiva com
diversas outras formas de geração, inclusive a hidráulica, em diversos países no mundo,
inclusive no Brasil.
Figura 1 - Matriz energética brasileira
FONTE: Banco de Informações de Geração (ANEEL)
16
Quando nos referimos à energia eólica no Brasil podem-se notar três fatores que
se tornam interessantes quando analisados a situação atual da geração no país. São eles:
Potencial eólico nacional;
Expansível para áreas no interior do país;
Complementariedade com a geração hidráulica;
Os primeiros estudos para levantamento do potencial eólico do país foram feitos,
principalmente, na Região Nordeste - Ceará e Pernambuco - e como resultado, em 1998,
foi lançado o Atlas Eólico da Região Nordeste [3]. Posteriormente, com a ampliação
desses foi lançado o Panorama do Potencial Eólico [3]. Na Figura 3 é possível verificar
a velocidade média do vento em cada região, possibilitando, avaliar a viabilidade da
instalação de parques eólicos e ainda observar as regiões com maiores ou menores
potenciais para o aproveitamento eólico, permitindo assim uma avaliação da viabilidade
econômica da instalação dos empreendimentos.
Outro ponto favorável para entrada de usinas eólicas no sistema elétrico é a
complementariedade que ocorre entre a geração eólica e a hidráulica em algumas
regiões. O maior potencial eólico brasileiro se encontra no Nordeste onde se verifica
que a maior produção sazonal ocorre no período seca da bacia do São Francisco.
Figura 2 – crescimento percentual das fontes de energia para geração de eletricidade FONTE: http://solar-e.com/articles/energy-consumption-growth/
17
Um fator social importante é a possibilidade de implantação desses parques no
interior do país, o que possibilita levar renda a população local e energia em pontos que
antes eram de difícil acesso.
Atualmente, além dos parques, já em operação, há outros 162 em fase de
construção, o que equivale 19,23% da potência dos empreendimentos nessa fase, e mais
135 já outorgados, de acordo com o banco de informações da geração da ANEEL
(Agência Nacional de Energia Elétrica).
Figura 3 - Velocidade média do vento e da energia eólica a 50m a cima da superfície
(Fonte: FEITOSA, E. A. N. et al. Panorama do Potencial Eólico no Brasil. Brasília:
Dupligráfica, 2003. (adaptado))
Quando analisamos a localização dos parques vemos que a maioria deles, seja
em operação, construção ou contratados, está localizado no Nordeste brasileiro, Figura 4
[2]. Todos esses aerogeradores são interconectados através de conversores, que são
elementos chaveados. Esse tipo de elemento pode inserir na rede dentre outras coisa
18
harmônicos, que podem acarretar problemas na rede. Sendo assim se torna de grande
importância o estudo da qualidade de energia nos pontos de conexão desses parques
com o Sistema Interligado Nacional (SIN).
Para instalação dos aerogeradores no SIN, o ONS exige através do Submódulo
3.6 do Procedimento de Rede, uma série de estudos, como por exemplo, curto-circuito e
variações de tensão. Porém nesses estudos é permitido considerá-los como fontes de
corrente, isso desconsidera os efeitos não lineares dos conversores.
Figura 4 - Número de parques e potência totais (em operação, em construção e contratada)
de eólicas por estado
(FONTE: Boletim mensal de dados do setor eólico 01/2014)
Atualmente, nos locais onde há muitos parques eólicos com PCCs próximos
eletricamente, tem-se detectados problemas na qualidade de energia. Como por
exemplo, flicker e harmônicos injetados na rede.
Sendo assim, se torna de suma importância a existência de modelos para a
realização de estudos de qualidade de energia e transitórios eletromagnéticos. Estudos
que são necessários levar em consideração os efeitos não lineares dos conversores.
1.2 Objetivos
Ciente da dificuldade de realizarem estudos da qualidade de energia nos pontos
de conexão de parques eólicos com o SIN, visto que os fabricantes não fornecem seus
modelos computacionais, esse trabalho visa criar um modelo digital desenvolvido em
um programa de análise de transitórios. O escolhido para a realização das simulações foi
o .
2.5 28.1 34.5 69.0 236.4 351.9
534.5
951.6
1978.9
2325.7
3320.0
3654.2
1 1 1 13 13 13
23 34
88 92
133 134
-100
-50
0
50
100
150
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
5000.0
PR RJ SE PB SC MA PE PI RS CE BA RN
Potência total (MW) Nº de parques total
19
O modelo desenvolvido leva em consideração o modelo detalhado dos
conversores bem como o modelo de linhas e cabos com parâmetros dependentes com a
frequência. Isso permite que seja analisada a propagação harmônica pela rede e outros
fenômenos como, por exemplo, ressonância.
Apesar da escolha desse programa, esse modelo pode ser replicado em qualquer
outro programa do mesmo tipo, como ATP/EMTP, EMTP-RV e outros.
1.3 Estrutura do texto
O texto foi estruturado da seguinte forma:
Capítulo 2 – Conterá alguns conceitos básicos da energia eólica, bem
como algumas equações que a descrevem;
Capítulo 3 – serão expostos os fundamentos teóricos sobre os modelos
dos aerogeradores bem como os componentes das turbinas eólicas;
Capítulo 4 – nesse capítulo estarão expostas as estratégias de controle e
acionamento desses aerogeradores, comentados no capítulo anterior e
também o modelo desenvolvido no PSCAD;
Capítulo 5 – nesse capítulo serão analisados os resultados obtidos nas
simulações;
Capítulo 6 – serão expostas as conclusões do trabalho.
20
2 Energia eólica
As variações das estações do ano e das horas do dia acarretam uma diferença
entre a quantidade disponível de energia do vento, além disso, outro fator que pode
acarretar isso é a rugosidade do solo e a topografia.
Para saber se o recurso proveniente desse meio é aproveitável ou não, é
necessário então fazer uma análise desses fatores. Sendo assim é necessário instalar uma
estação de coleta desses dados com capacidade de mapear o potencial eólico da região.
2.1 Histórico
O uso da energia gerada pelo vento adveio do avanço da agricultura, que passou
a necessitar de novas ferramentas já que as existentes exigiam muito esforço. Sendo
assim foi desenvolvido o moinho. O primeiro a ser desenvolvido foi o de rodas d’agua,
devido a sua simplicidade, porém devido a maior dificuldade em encontrar cursos de
rios em todos os lugares os moinhos de vento foram desenvolvidos. Eles, desenvolvidos
no início do século VII na Pérsia, eram sustentados por um eixo vertical e com pás
horizontais.
Essas máquinas primitivas foram usadas até o século XII quando na Europa, mas
exatamente na França e na Inglaterra, surgiram os moinhos de eixo horizontal. Os
moinhos então foram se desenvolvendo e ajudando a sociedade nos trabalhos agrícolas
até que na revolução industrial começaram a ser substituído por máquinas a vapor. A
Figura 5 mostra uma linha de tempo com os principais eventos indicados. Na Holanda
foi criada em 1923 uma sociedade para conservação, melhoria e desempenho e
utilização dos moinhos holandeses para evitar provável extinção ocasionada pelo
advento da máquina à vapor.
Figura 5 - Alguns marcos do desenvolvimento da energia eólica (FONTE: Dutra, 2001)
21
Mesmo com a revolução industrial, após a metade do século XIX, surgiu nos
Estados Unidos o moinho de pás múltiplas que serviu como base para os aerogeradores
modernos.
2.1.1 Uso para geração elétrica
A adaptação do moinho para geração elétrica começou no final do século XIX,
quando Charles F. Bruch ergue um cata-vento que fornecia 12kW em corrente contínua
para carregar baterias que alimentariam 350 lâmpadas incandescentes. O primeiro
aerogerador de grande dimensão tinha 20 metros de diâmetro e duas pás, e foi criado na
França em 1929.
Esse invento teve três importantes pontos para o desenvolvimento de
aerogeradores. Eles foram:
Altura - ela estava dentro da categoria dos moinhos de beneficiamento de
grãos e bombeamento de água;
Mecanismo de fator de multiplicação - funcionada em dois estágios e em
um fator de 50:1;
Combinação entre a aerodinâmica e estrutura de moinhos de vento e as
tecnologias recentes para geração de energia elétrica.
No começo do século XX, começaram-se a se realizar estudos sobre o potencial
eólico para geração de energia elétrica, Figura 6, enquanto nos Estados Unidos da
América foram difundidos para utilização em locais isolados, na Rússia foram para
conexão na rede de aerogeradores de porte grande ou médio, onde ocorreu a primeira
tentativa bem sucedida de conexão de um aerogerador com uma termoelétrica em
corrente alternada.
Figura 6 - Marcos do desenvolvimento da energia eólica no século XX (Fonte: Dutra, 2001)
22
Na segunda guerra houve um investimento em pesquisa de geração de energia
eólica, pois os países participantes estavam realizando esforços para poupar a
combustíveis fósseis, base da sua geração de energia. Durante esse período os países
que mais se envolveram nessas pesquisas foram Dinamarca e França, eles se
empenharam em pesquisas de conexão a rede elétrica, porém o país que construiu e
operou o aerogerador com maior número de inovações foi à Alemanha.
No final da guerra, porém os esforços para isso se extinguiram, pois os
combustíveis fósseis passaram a não ser mais um problema e a produção de energia por
eles passou a se tornar mais competitiva que a dos ventos, sendo assim a montagem de
aerogeradores no pós-guerra passou a ser somente para fins de pesquisa.
Porém, com o choque do petróleo os países se viram obrigados a buscar novas
alternativas para geração de energia já que o combustível fóssil se tornou mais uma vez
escasso, o que obrigou os países a serem menos dependentes desse tipo de energia. E
mais uma vez essa situação estimula a pesquisa em energia eólica.
2.2 O recurso
A radiação solar provoca um aquecimento na superfície terrestre em uma
superfície não uniforme, e isso gera os ventos, ou seja, é uma das formas de energia
proveniente da solar. Os em pequena escala são gerados por diferentes motivos como,
por exemplo, rugosidade do solo, relevo, altura e obstáculos.
2.2.1 Geração dos ventos
O ar quente, proveniente do aquecimento das regiões tropicais, se encontra em
altitudes mais baixas e tem a tendência de subir e serem substituídos por ar frio,
proveniente dos pólos, esses deslocamentos formam os ventos. Esse mecanismo pode
ser visto na Figura 7.
23
Figura 7 - Formação dos ventos pelo deslocamento de massas de ar (Fonte: CEPEL, 2001)
Os ventos continentais ou periódicos são gerados por variações na distribuição
de radiação devido às estações do ano. As brisas, ventos que vão do mar para o
continente ou o contrário, são geradas pela diferente capacidade de absorção da radiação
dos meios. Os ventos locais são gerados pela mesma situação das brisas, porém os
meios envolvidos não são o mar e continente, mas duas regiões diferentes, por exemplo,
vales e montanhas.
2.2.2 Influência nos ventos
A variação da velocidade do vento varia ao longo de um dia. Ela também varia
de acordo com a altura, variações topográficas e rugosidade do solo. Sendo assim para
escolha de locais aptos para serem instaladas as turbinas eólicas devem ser avaliados os
seguintes fatores:
Rugosidade do terreno;
Relevo;
Variação do vento com a altura;
Presença de obstáculos no horizonte.
2.3 Energia e potência dos ventos
A energia cinética de uma massa de ar em movimento pode ser descrita como:
Na qual:
– é a massa de ar em movimento;
24
– é a velocidade da massa de ar.
E a potência dessa massa seria:
=
Como:
Então podemos deduzir que a potência gerada por essa massa é proporcional à
densidade da massa de ar (ρ) e a seção transversal do tubo de escoamento, A. Podendo
ser equacionada por:
Porém nem toda essa potência pode ser convertida em energia elétrica nos
aerogeradores, isso ocorre devido às perdas, por isso se insere um índice chamado
coeficiente de potência, . De acordo com o físico Albert Betz podem-se dividir três
regiões de vento, conforme a Figura 8, sendo assim a energia e a potência extraível do
vento pelas pás pode ser descrito por:
Sabendo que pode ser escrito como:
A potência extraível pode ser equacionada como:
⁄
⁄
Pode-se então escrever a potência como:
⁄
⁄
Concluindo-se então que o coeficiente de potência é dado por:
(
⁄ )
(
⁄ )
(
⁄
⁄
⁄ )
25
Para a extração da potência máxima do vento a relação entre as velocidades deve
ser de:
⁄
(
⁄
⁄ )
⁄
⁄
⁄
Sendo assim a potência máxima, teórica, extraível será de:
⁄
⁄
Figura 8 - Características da velocidade do vento ao passar por um conjunto de pás
(Fonte: Energia eólica Princípios e tecnologia, CRESESB)
A potência que pode ser retirada do vento têm vários fatores dos quais
dependem. Porém para estudos elétricos, esse modelo é simplificado para:
Onde
– coeficiente de potência do aerogerador
– velocidade angular do rotor, medido em rad/s;
– raio do rotor, medido em m;
ρ – densidade do ar, medido em g/m³;
A – área varrida pelo rotor, dada em m²;
26
– velocidade do vento incidente no rotor, medida em m/s;
– ângulo de passo das pás (pitch) do aerogerador
2.4 Aplicações dos sistemas eólicos quando usados na geração de energia elétrica
Quando usados para gerar energia elétrica esses sistemas possuem basicamente
três aplicações. São elas:
Sistemas isolados;
Sistemas híbridos;
Interligados a rede.
2.4.1 Sistemas isolados
Nesses sistemas essa é a única fonte de geração de energia elétrica, sendo assim
é necessária à presença de elementos armazenadores de energia para a maioria das
aplicações.
Esses elementos, usualmente baterias, ficam ligados ao gerador através de um
controlador de carga, Figura 9. Esse é capaz de diagnosticar quando há falta ou excesso
de energia no sistema, sendo assim ele decide quando carregar o sistema armazenador
de energia e quando esse sistema irá suprir as cargas.
Figura 9 - Esquemático de um sistema híbrido
Entre o controlador de carga e a carga em si, pode haver inversores para que as
cargas que operam com corrente alternada sejam alimentadas. Porém caso esse sistema
alimente a carga em corrente contínua não é necessário à presença desse inversor.
27
2.4.2 Sistemas híbridos
Sistemas híbridos, Figura 10, são sistemas que possuem mais de uma fonte de
geração de energia e que não está conectada a rede, um exemplo é o Arquipélago de
Fernando de Noronha. Nesses casos, em vez de um controlador de carga é necessária
uma unidade de controle para que a máxima eficiência seja retirada do sistema e
entregue ao usuário.
Esse sistema também pode precisar de inversores dependendo das fontes
geradoras e das cargas consumidoras.
Figura 11 - Esquemático de um sistema híbrido
2.4.3 Interligados a rede
Esses sistemas, Figura 12, se caracterizam por não terem sistema de
armazenamento e terem um grande número de aero turbinas. Nele todos os
aerogeradores são interligados e em seguida ligados à rede através de um ponto de
conexão comum (PCC).
Nessa configuração cada aerogerador possui um conversor para que a frequência
da tensão injetada seja a mesma da do ponto de conexão. Esses conversores também
têm que garantir além de estarem na mesma frequência, que estejam em fase.
28
Figura 13 - Esquemático de um sistema interligado a rede elétrica
29
3 Aerogeradores
O conjunto formado pelo gerador, rotor, hélices e transmissor é conhecido como
aerogerador. Seu funcionamento ocorre da seguinte maneira: o gerador elétrico é
movido pelas hélices, que são empulsionadas pela força do vento que passa pelas pás,
convertem essa potência mecânica do eixo em elétrica, pelo princípio exposto na Figura
14. Quando um conjunto aerogeradores está ligado a uma rede de transmissão elétrica
são conhecidos como parques eólicos.
Figura 14 - Princípios básicos de funcionamento da geração eólica
Atualmente a tecnologia permite uma ampla gama de máquinas que podem ser
escolhidas de acordo com a aplicação desejada, operação isolada ou ligada ao sistema.
Geralmente as turbinas eólicas são compostas pelos seguintes componentes:
Rotor
Torre
Transmissão
Conversor
Nos tópicos a seguir alguns pontos desses componentes serão explicados.
3.1 Rotor
3.1.1 Eixo dos rotores
Esse é o componente que faz a conversão de energia efetivamente. Ele pode ser
classificado de acordo com a posição do seu eixo, como, vertical ou horizontal. Além
disso, está acoplado às pás que fazem a captação da potência mecânica.
30
3.1.1.1 Eixo vertical ou VAWT
Esses rotores, normalmente não precisam de mecanismos que acompanhem a
variação do vento o que consequentemente deixa o projeto mais fácil. Esses rotores
podem usar as forças de sustentação, perpendicular ao sentido do fluxo, e de arrasto,
paralela a ele, para movê-los.
Fazendo uma relação entre a velocidade do vento e a da pá é possível intuir qual
a força que a turbina foi projetada para atuar, se a velocidade da pá for maior que a do
vento ele funciona com força de sustentação, caso contrário será com força de arrasto.
Geralmente quando baseada em força de sustentação sua eficiência e potência geradas
são maiores que quando baseada em arrasto.
Os principais rotores desse tipo são:
Darrieus;
Savonius ;
Turbinas com torre vórtices.
3.1.1.1.1 Turbinas Darrieus
Essa turbina, que pode ser vista na Figura 15, é formada por um conjunto de
duas ou três lâminas em forma de aerofólios que realizam forças de sustentação, e essas
sustentam a turbina. Devido a isso essa turbina pode alcançar altas velocidades, às vezes
maior que a do vento em si.
Esse tipo de turbina apresenta duas grandes vantagens, uma delas é que esse
modelo é eficaz independente da direção do vento, a outra é que os outros equipamentos
da turbina podem ser postos próximo ao solo, o que facilita a manutenção. Porém ela
também apresenta algumas desvantagens, como por exemplo:
Baixa eficiência - devido ao vento forte nas pás podem causar frequentes
danos no turbina e nas pás;
Precisa de um sistema auxiliar para partir excluindo-se raras situações;
Baixa velocidade na base do rotor - isso ocorre devido à proximidade
com o solo;
Visualmente desinteressante - precisa de cabos para auxiliar na
sustentação o que torna sua estética feia.
31
Figura 15 - Turbina de Darriues em Heroldstatt, Alemanha
Devido a essas desvantagens essas turbinas não são indicadas para utilização em
larga escala. Porém elas tiveram uma grande importância histórica, já que, foi à base
para pesquisas e desenvolvimento de novos modelos.
Além dessas desvantagens, é necessário lembrar que para esses modelos é
necessário evitar algumas frequências naturais quando ela possuir longas palhetas.
3.1.1.1.2 Turbina Savonius
Essa turbina, Figura 16, tem seu princípio de funcionamento baseado na
deformação das suas pás. Ela funciona de forma semelhante a um anemômetro de copo
e é movida pela força de arrasto, predominantemente.
Esse esquema possui a vantagem de ser: silencioso, pequeno (podendo ser
instalado em topos de prédios) e ter torque elevado. Porém possui a desvantagem de ser
32
pouco eficiente, pois precisa de engrenagens para multiplicar a velocidade, e baixo
torque e velocidade.
Figura 16 - Ilustração de uma turbina de Savonius
Devido a essas características são mais usados pra geração de eletricidade de uso
residencial ou aplicações que não envolvam a geração de energia elétrica, como por
exemplo, moagem, bombeamento e etc.
3.1.1.1.3 Turbinas com torre vórtice
Essas turbinas ainda estão em fase de desenvolvimento. Porém já é sabido que
tem a vantagem de serem mais compactas que as outras com eixo vertical para trabalhar
com uma frequência definida [14].
3.1.2 Eixo horizontal (HAWT)
Assim como os rotores de eixo vertical, os de eixo horizontal, também são
movidos por forças de sustentação e arrasto. Porém a força que atua com a maior
parcela nesses é a de sustentação. Esse fenômeno físico acarreta em numa vantagem, já
que isso permite liberar mais potência que as de arrasto.
Uma das desvantagens desse modelo é que seu eixo necessita estar na direção do
fluxo de vento, caso contrário não há como gerar energia. Sendo assim necessita de
mecanismos para que seja possível que esteja na direção do fluxo.
Ele pode ter algumas configurações diferentes, sendo que os mais modernos
possuem duas ou três pás, Figura 17.
33
Figura 17 - Aerogerador de eixo horizontal
3.1.2.1.1 Pás
A ação dos ventos nas pás, Figura 18, é que faz o eixo do motor girar, ou seja, é
a parte responsável em transformar a energia cinética do vento em trabalho mecânico.
Elas podem ser dos mais diversos tamanhos e de diversos materiais diferentes. Porém é
válido lembrar que área do círculo imaginário formado por elas é diretamente
proporcional à potência gerada.
Figura 18 - Transporte das pás para montagem
A parte que prende as pás e permite que as mesmas girem é conhecida como
nacele. A nacele é a caixa que é montada no topo da torre onde além das pás são
instalados:
Gerador;
Sistema de controle;
Sistema para posicionamento do eixo em relação ao vento;
Caixa de engrenagens;
Medições.
34
São instaladas por flanges no cubo, Figura 19, do aerogerador. Alguns
aerogeradores que possuem um controle mais rebuscado permitem que as pás mudem
seu ângulo em relação ao fluxo de vento, conhecido como ângulo de ataque. Para isso
ocorrer é necessário que tenham pequenos enrolamentos nas bases das mesmas
próximas ao cubo.
Figura 19 – Parte rotativa da nacele, cubo, pronta para instalação das pás
O cubo ao girar transmite esse trabalho para o eixo e assim permite que o
gerador faça a conversão para energia elétrica.
3.2 Transmissão
Essa é a parte do aerogerador que transmite a energia do eixo do rotor para o
gerador. Ela e composta por mancais, eixos, acoplamentos e engrenagens de
transmissão.
Normalmente essa transmissão é realizada por um conjunto de engrenagens.
Esse aparato tem a função de adaptar a velocidade de rotação do rotor com a necessária
para os geradores tradicionais. Devido a isso tradicionalmente são colocados entre o
rotor e o gerador, pois a velocidade do rotor é menor que a necessária para a geração.
Recentemente a fabricação dos aerogeradores é feita com o uso de caixas
multiplicadoras, isso é, são usados geradores multipolos que funcionam com uma
velocidade mais baixa e maiores dimensões.
35
3.3 Torre
A função da torre é elevar o rotor a altura adequada para geração e sustentar a
nacele. Elas podem ser construídas de aço, concreto ou madeira, dependendo da altura
dos aerogeradores. Com relação à estrutura ela pode ser estaiada ou não.
É importante notar que para a construção das torres é necessário um projeto
cuidadoso, para que a estrutura não tenha a frequência de ressonância igual à frequência
de rotação das pás ou próxima a ela.
3.4 Geradores
O uso de geradores já é amplamente dominado, porém para sua utilização na
geração eólica é necessário atentar para os seguintes pontos:
Torque de entrada variante - pois a velocidade do vento varia;
A tensão de saída deve ter frequência e módulos constantes;
Dificuldades de manutenção e instalação.
Normalmente, para sistemas isolados, se utiliza geradores de corrente contínua
ou geradores síncronos com retificador; pois nesses casos a função principal do sistema
é carregar baterias, sendo assim o necessário é uma tensão CC na entrada delas.
Existem, para aplicações industriais, basicamente três tipos de aerogeradores,
são eles: gerador indução duplamente alimentadas (DFIG); gerador de indução em
gaiola de esquilo; e gerador síncrono.
3.4.1 Rotor gaiola de esquilo
Há alguns anos o gerador com rotor gaiola de esquilo conectado diretamente a
rede era o tipo de turbina mais usado, isso acontecia devido a sua robustez e baixo
custo. Porém possui um lado negativo, por ele estar diretamente ligado a rede qualquer
variação na velocidade do vento gera uma variação na potência injetada na rede
instantaneamente.
Na Figura 20 é possível ver um banco de capacitores cuja função é equilibrar o
fator de potência do gerador, já que o mesmo tem um fator de potência indutivo. O soft-
starter cumpre o papel de suavizar a conexão entre o gerador e a rede.
36
Figura 20 - aerogerador com rotor gaiola de esquilo
Esse gerador tem a sua velocidade determinada pela frequência da rede que está
interligado. Porém caso seja necessário alterar ou mesmo variar essa velocidade é
necessário instalar um conversor back-to-back (retificador ligado a um inversor por um
banco de capacitores), dessa forma é possível variar a frequência da rede que o gerador
enxerga.
3.4.2 Rotor bobinado (DFIG)
Esse modelo permite a operação com velocidade varável, sendo assim, vem
sendo amplamente utilizado para sistemas interligados com a rede. Essa possibilidade
existe devido à presença de um conversor.
O rotor bobinado pode ter esse elemento colocado em duas posições diferentes, e
dependendo da posição escolhida ele recebe uma nomenclatura diferente. A posição
mais comumente usada para essas aplicações é o conversor entre o rotor e a rede,
conforme a Figura 21.
37
Figura 21 - Gerador elétrico com rotor bobinado (DFIG)
Normalmente o primeiro conversor (AC-DC) é usado para controlar a potência,
tanto ativa quanto reativa, do circuito do estator. Enquanto o segundo (DC-AC) controla
a diferença angular, fator de potência, entre o circuito do rotor e a rede ao qual está
conectado. Algumas das características desse sistema são:
Alta eficiência;
Necessidade de caixa de engrenagens;
Baixo custo;
Manutenção periódica;
Ampla faixa de operação;
Forte dependência do circuito que está ligado.
3.4.3 Gerador síncrono
Para esse tipo é possível ligar o gerador diretamente a turbina, caso tenha vários
pólos e um potência elevada.
Assim como o gerador com rotor gaiola de esquilo, tem velocidade constante
definida pela rede que alimenta e caso seja necessário que ela seja variável é necessário
conectar um conversor, conforme a Figura 22. Outra similaridade é que a variação na
velocidade do vento gera um impacto direto e instantâneo na potência gerada. A questão
da flutuação da potência injetada na rede pode ser amenizada pelo conversor. Sendo
assim, esse elemento pode exercer duas funções distintas.
38
Figura 22 - aerogerador com gerador síncrono
Algumas vantagens dessa topologia são: menores perdas, pois não é necessário
incluir alguns elementos; isolação entre o gerador e a rede. Porém também existem
algumas desvantagens, como por exemplo, maior peso e tamanho, devido à necessidade
de uma quantidade grande de pólos, e alto custo do conversor de potência e do gerador.
3.5 Controle e acionamento
O bom funcionamento do gerador é garantido pelo controle. De acordo com a
complexidade do sistema o mesmo pode variar, porém se mantem com os mesmo
objetivos, que são:
Permitir que o aerogerador funcione de forma automática;
Ajustar a turbina ao vento;
Realizar de forma que impacte o sistema da menor forma possível às
partidas e paradas dos aerogeradores;
Proteger o aerogerador dos intemperes do tempo, como por exemplo,
sobre velocidade, sobreaquecimento e etc.;
Colocar o sistema em seu ponto ótimo;
Indicar os possíveis pontos de problema no conjunto do aerogerador,
evitando a manutenção de reparação reduzindo assim os custos;
39
Deixar a vida útil do conjunto do aerogerador maior.
Atualmente existem dois princípios para limitar a potência extraída, são eles:
controle estol (Stall) e de passo (Pitch), de acordo com o escolhido a curva Potência X
Velocidade do vento se altera, conforme observado na Figura 23.
Figura 23 - Variação da curva potência X velocidade com o controle
3.5.1 Controle estol
Nesse tipo de controle o ângulo de passo das pás é fixo, e por isso é conhecido
como um sistema passivo. O ângulo de passo é escolhido previamente de modo que
ocorra o efeito estol, (o escoamento em torno do perfil da pá descole da superfície da
mesma) para velocidades do vento a cima da nominal. Esse fenômeno faz com que as
forças de arrasto fiquem maiores que as de sustentação.
Algumas vantagens desse tipo de controle são: estrutura do cubo mais simples,
pois não há controle de passo, e menor necessidade de manutenção, devido ao menor
número de peças que gerem movimento, o que gera uma maior confiabilidade do
conjunto.
O que atualmente é conhecido como “estol ativo” é uma combinação entre o
controle estol e o de passo, nessa forma de controle as pás podem girar modificando o
ângulo de passo em pequenos intervalos. Nesse caso a pá gira na direção do estol, uma
das vantagens dessa mudança é possibilidade de controlar a potencia mesmo para ventos
baixos.
40
3.5.2 Controle de passo
Nesse controle as pás podem girar longitudinalmente, ou seja, podem alterar seu
ângulo de passo. Esse é mais complexo que o exposto anteriormente, pois necessita de
informações, como por exemplo, a velocidade do vento.
Com a alteração do ângulo de passo a uma redução da potência extraível para a
velocidade atual do vento, é o que faz com que o gerador tenha sua potência máxima
limitada a sua nominal.
Quando comparados os dois modelos algumas das vantagens de controle de
passo são a maior produção de energia sem redução da eficiência; partida mais simples,
através da alteração do ângulo de passo; entre outras.
3.6 Conversores
Os conversores podem ter múltiplas funções, como por exemplo, controlar a
velocidade da turbina, controlar a reativa ou aparente injetada na rede e etc.. Porém sua
principal é controlar a potência injetada bem como a tensão de saída, Figura 24. Sendo
assim seu controle deve ser planejado de modo que essas exigências sejam cumpridas
Figura 24 - Controle dos conversores
3.7 Conexão com a rede
Os parques podem ser conectados na rede de média, alta ou extra-alta tensão. A
escolha de qual delas será conectado está diretamente relacionada ao seu tamanho. O
ONS regulamenta essa conexão através dos procedimentos de rede submódulo 3.6.
41
Nesse submódulo é estipulado que cabe ao acessante avaliar, amenizar e realizar
os estudos necessários sobre os impactos que surgiram na rede após sua entrada. Além
disso, no ponto de conexão devem ser respeitados os limites globais inferiores expostos
na tabela 1.
Tabela 1 - Limites globais inferiores de tensão em porcentagem da tensão fundamental
42
4 Modelo digital do Aerogerador
Para a simulação a seguinte topologia foi usada, oito (8) aerogeradores de 5MW
cada interligado ao Sistema Interligado Nacional (SIN) em 138KV alimentando uma
carga a mesma tensão, conforme a Figura 25.
Figura 25 - Configuração usada na simulação
Para o projeto deseja-se modelar um gerador duplamente alimentado seguido de
um conversor “back-to-back”, ou seja, um conversor CA-CC conectado ao gerador e
um CC-CA ao transformador.
Para realizar a simulação o conversor CA-CC e o gerador foram modelados
como uma fonte de corrente em corrente contínua, essa simulação é válida, pois para
essa simulação será considerado que o retificador e muito rápido e ideal, sendo assim,
não é necessário considerar a dinâmica do retificador. Desta forma o conversor será
simulado com a configuração exposta na Figura 26.
O controle do conversor foi dividido em seis etapas, sendo elas:
Transformada de Clarke;
PLL;
Cálculo das correntes;
Controle da tensão no elo CC;
Transformada inversa de Clarke;
Realimentação;
Transformada de DQ para ABC;
Ordem do chaveamento dos elementos semicondutores.
43
Figura 26 - topologia do conversor utilizada
Nos itens abaixo essas etapas serão explicadas e os cálculos e as funções de cada
um dessas etapas.
Para realização da simulação foram inseridos alguns contadores de tempo
conforme o observado na Figura 27. As variações dos temporizadores podem ser vistas,
com seu tempo relacionado na Figura 27 - contadores de tempo
Tabela 2.
Figura 27 - contadores de tempo
Tabela 2 - Ações dos temporizadores no tempo
Variável T=0s T=0,5s T=0,6s
DJ_Abre Fechado Fechado Aberto
DJ_Fecha Aberto Aberto Fechado
Hab 0 1 1
Hab1 0 1 1
Esses contadores de tempo tem a função de:
Hab - tem a função de esperar que o circuito entre em regime permanente
para que só então o conversor comece a chavear;
44
Hab1 - tem a função de esperar que o circuito entre em regime
permanente para que só então o conversor comece a chavear;
DJ_Abre - comanda a abertura e fechamento de um dos disjuntores que
interliga o conversor CA-CC ao banco de capacitores;
DJ_Fecha - comanda a abertura e fechamento de um dos disjuntores que
interliga o conversor CA-CC ao banco de capacitores;
4.1.1 Transformada de Clarke
Nessa fase do controle as tensões de saída do conversor são normalizadas,
Equação 1, e convertidas do formato ABC para o 0αβ seguindo a Equação 2.
Equação 1 - Normalização
Equação 2 - Transformada de Clarke
[
] √
[
√
√
√
√
√
]
[
]
Na simulação a tensão na saída do conversor é de 0,69KV, a tensão típica nos
geradores eólicos. Sendo assim a tensão usada como √
⁄
. Os circuitos montados para esses cálculos estão expostos na Figura 28.
45
Figura 28 - Cálculo realizado na etapa da transformada de Clarke
4.1.2 PLL
O Phase locked loop (PLL) é um sistema de sincronismo que tem a função de
determinar a frequência, ângulo de fase e a componente fundamental de sequência
positiva. Esse sistema detecta a passagem pelo zero e então começa a estimar os ângulos
instantâneos da tensão.
O escolhido para o projeto tem como base o PLL fundamentado na teoria PQ,
exposto na referência [4]. O diagrama de blocos dele pode ser visto na Figura 29.
Nele a estabilidade só é alcançada quando a entrada do PI tem seu valor médio,
em regime, igual a zero. Porém normalmente, o controle usado para ele deve atenuar as
oscilações desse sinal de entrada, já que elas podem levar o circuito à instabilidade.
Figura 29 - Diagrama de blocos do PLL com teoria PQ
46
4.1.3 Cálculo das correntes
Essa parte do controle é a que se calcula a corrente de saída do conversor para
que o mesmo forneça à rede a potência desejada.
Esse cálculo é realizado conforme a Figura 30. Nela o sinal hab, um contador de
0,5s, que serve somente para que o sistema entre em regime permanente antes que os
conversores comecem a chavear. Assim se torna possível avaliar qual a real influência
do chaveamento sem ter a interferência do transitório do sistema.
Figura 30 - Cálculo das correntes
4.1.4 Controle da tensão no elo CC
Para o circuito também foi executada uma tensão do elo CC, para isso fez-se que
a potência fornecida pelo gerador fosse proporcional a ela. Esse controle pode ser visto
na Figura 31.
47
Figura 31 - Controle da tensão no elo CC.
O objetivo desse cálculo é permitir que a tensão no capacitor da Figura 26 seja
aproximadamente a soma da tensão dos diodos, ou seja, entre 1,2 e 1,4. Para isso os
valores escolhidos para o PI foram:
Ganho proporcional: 0,8;
Ganho do integrador: 0,005;
Limite superior: 2,5;
Limite inferior: -2,5.
4.1.5 Transformada inversa de Clarke
Nessa etapa é realizada a transformada inversa de Clarke para que as
componentes voltem a ser na forma ABC. Sendo assim para simulação a Equação 3 foi
traduzida em Figura 32.
Equação 3 - Transformada inversa de Clarke
[
] √
[
√
√
√
√
√
]
[
]
48
Figura 32 - Cálculo da transformada inversa de Clarke
4.1.6 Realimentação
Nessa etapa é feita a realimentação, ou seja, é uma tentativa de garantir que o
valor da saída seja realmente muito próximo do esperado. Para essa etapa a corrente do
conversor foi normalizada e posteriormente convertida do formato ABC para DQ pela
Equação 4, para simulação foi usado à formulação da Figura 33.
Equação 4 - Transformada de Park
[
] √
[
√
√
√ ]
[
]
Figura 33 - Transformada de Park
49
Após ser realizada a transformada de Park do valor medido e do calculado no
Cálculo das correntes pode-se calcular a tensão de que será usada para o chaveamento
dos inversores com base no erro entre elas como pode ser observado na Figura 34.
Para realização desses dados foi necessário usar um PI para cada ramo da
comparação, para que os erros sejam atenuados, ou idealmente anulados. Eles são
idênticos e possuem os seguintes valores:
Ganho integral: 0,001;
Ganho proporcional: 0,5;
Limite superior: 2;
Limite inferior: -2.
Mais uma vez aparece a variável hab que tem a função somente de permitir que
o sistema entre em regime permanente antes do início do chaveamento para que se
possa analisar a real influência da entrada dos conversores na rede.
Figura 34 - Realimentação
4.1.7 Transformada de DQ para ABC
Nessa etapa os valores calculados na etapa anterior serão transformados
novamente para sequência ABC para que esses sinais possam controlar o chaveamento
dos elementos semicondutores.
Para essa transformada foi usada a Equação 5 que foi transcrita como o exposto
na Figura 35 para ser usada na simulação.
50
Equação 5 - Transformada inversa de Park
[
] √
[
√
√
√
]
[
]
Figura 35 - Transformada inversa de Park
4.1.8 Ordem do chaveamento dos elementos semicondutores.
Para o chaveamento dos conversores foi usado o bloco Interpolated Fire Pulse.
Esse bloco consiste em um comparador de dois sinais que emite um pulso de um
determinado tempo quando um dos sinais fica com sua amplitude maior que o outro.
Para a simulação a comparação feita foi entre o sinal de tensão de saída dos
cálculos com uma onda triangular de amplitude igual a 1, Figura 36, conforme pode ser
visto na Figura 37.
Figura 36 - Onda triangular
51
Mais uma vez há um sinal, hab1, somente para que o chaveamento só inicie após
o regime permanente do sistema.
Figura 37 - Chaveamento dos elementos semicondutores
52
5 Análise de resultados
Para análise dos resultados serão consideradas as seguintes situações:
Análise em regime permanente;
Análise em curto-circuito;
o Curto trifásico;
o Curto monofásico.
5.1 Análise em regime permanente
5.1.1 Ponto de conexão
Nessa situação será analisada a entrada do conjunto de aerogeradores no sistema
e se obedece à indicação do ONS, Tabela 1.
Sabe-se que na simulação os conversores somente começam a chavear com 0,5
segundos, sendo assim essa análise será feita nesse tempo.
Observa-se na Figura 38 durante os 0,1 primeiros segundos de funcionamento a
corrente está menor que posteriormente, isso ocorre porque a fonte de corrente ainda
não está fornecendo seu valor nominal, e com isso a potência fornecida ainda não está
no máximo possível. Após esse tempo nota-se que a corrente estabiliza a quantidade de
harmônicos nela pode ser reduzido se o filtro na saída do conversor for ajustado de uma
forma mais refinada. Observamos também dois picos nesses mesmos valores esses
ocorrem pelo mesmo motivo.
-150
-100
-50
0
50
100
150
0.00
0.06
0.12
0.18
0.25
0.31
0.37
0.43
0.49
0.55
0.62
0.68
0.74
0.80
0.86
0.92
0.98
1.05
1.11
1.17
1.23
1.29
1.35
1.42
1.48
1.54
Ten
são
(KV
)
Tempo (s)
Tensão no ponto de conexão
Fase A
Fase B
Fase C
53
Figura 38 - Corrente e tensão no ponto de conexão
Ao observar o gráfico com a porcentagem dos sete primeiros harmônicos, Figura
41 e Tabela 3, observamos que somente nos instantes em que vemos os picos na tensão,
Figura 41, é que os valores ultrapassam os estipulados pelo ONS, vistos na Tabela 1,
para tensões maiores que 69KV.
Tabela 3 - Legenda
Harmônicos Cores
1° (Fundamental) Azul
2° Verde
3° Vinho
4° Azul petróleo
5° Roxo
6° Marrom
7° Azul
-0.50
-0.40
-0.30
-0.20
-0.10
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.00
0.06
0.13
0.19
0.26
0.32
0.38
0.45
0.51
0.58
0.64
0.70
0.77
0.83
0.90
0.96
1.02
1.09
1.15
1.22
1.28
1.34
1.41
1.47
1.54
Co
rre
nte
(KA
)
Tempo (s)
Corrente no ponto de conexão
Fase A
Fase B
Fase C
54
Figura 39 - Valor em porcentagem dos 7 primeiros harmônicos
Figura 41 - Momentos com maiores valores, em porcentagem, dos sete primeiros harmônicos
Nota-se que a diferença entre as formas de onda dos conversores mais próximos,
Figura 41, ou distantes eletricamente dos pontos de conexão, Figura 42, são muito
parecidas, isso ocorre porque no controle o ponto de tensão de referência é a tensão na
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.8000.
000.
070.
140.
210.
280.
350.
420.
490.
560.
630.
700.
770.
830.
900.
971.
041.
111.
181.
251.
321.
391.
461.
53
Har
mô
nic
os
Tempo (s)
Distorção Harmônica
2º harmônico
3º harmônico
4º harmônico
5º harmônico
6º harmônico
7º harmônico
1º harmonico
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.49
0.50
0.5
10
.52
0.5
30
.54
0.5
50
.56
0.5
70
.58
0.5
90
.60
0.6
00.
610.
620
.63
0.6
40
.65
0.6
60
.67
0.6
80
.69
Har
mô
nic
os
Tempo (s)
Distorção Harmônica
2º harmônico
3º harmônico
4º harmônico
5º harmônico
6º harmônico
7º harmônico
55
saída de cada conversor. Caso o ponto de referência fosse o ponto de conexão comum
(PCC) as formas de onda seriam diferentes, ou pelo menos as amplitudes, pois o
conversor mais distante teria que compensar todas as perdas na linha até o ponto que
seria maior que um mais próximo eletricamente.
Figura 43 - Tensão e corrente no conversor eletricamente mais próximo do PCC
Figura 44 - Tensão e corrente no conversor mais distante eletricamente do PCC
Nota-se que a diferença entre as formas de onda dos conversores mais próximos
ou distantes eletricamente dos pontos de conexão são muito parecidas, isso ocorre
porque no controle o ponto de tensão de referencia é a tensão na saída de cada
conversor. Caso o ponto de referência fosse o ponto de conexão comum (PCC) as
formas de onda seriam diferentes, ou pelo menos as amplitudes, pois o conversor mais
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
0.00
0.06
0.13
0.19
0.26
0.32
0.38
0.45
0.51
0.58
0.64
0.70
0.77
0.83
0.90
0.96
1.02
1.09
1.15
1.22
1.28
1.34
1.41
1.47
1.54
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no conversor maispróximo do PCC
Fase A
Fase B
Fase C
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
0.0
00
.06
0.1
30
.19
0.2
60.
320
.38
0.4
50
.51
0.5
80
.64
0.7
00
.77
0.8
30
.90
0.96
1.0
21
.09
1.1
51
.22
1.2
81
.34
1.4
11
.47
1.54
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no conversor mais distante do PCC
Fase A
Fase B
Fase C
56
distante teria que compensar todas as perdas na linha até o ponto que seria maior que
um mais próximo eletricamente.
Pela Figura 45, pode-se reparar que o controle do elo CC está funcionando
conforme o desejado e especificado no item referente a ele, 0. O degrau visto no gráfico
em 0,5 ocorre no momento que o chaveamento começa, o que gera uma variação na
potência injetada, posteriormente nota-se outra interferência ela ocorre no instante que
os disjuntores conectam a fonte de correte, que representa o retificador, ao sistema e
com isso há uma injeção maior de energia no sistema. Porém mesmo após essas
interferências nota-se que controle estabiliza o circuito rapidamente.
Figura 45 - Tensão no elo CC
5.2 Análise em curto-circuito
Os curtos aplicados foram aplicados por meio de um bloco, Figura 46, nele foi
ajustada a impedância de curto igual a 0,1Ω. Nele foi ajustado também o tipo de curto,
monofásico ou trifásico, e o instante de início, 2s, duração, 0,5s, do mesmo.
Figura 46 – bloco com a representação do curto
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.0
00
.06
0.1
20
.18
0.2
50
.31
0.3
70
.43
0.4
90
.55
0.6
20
.68
0.7
40
.80
0.8
60
.92
0.9
81
.05
1.1
11
.17
1.2
31
.29
1.3
51
.42
1.4
81
.54
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no elo CC
Vdc
57
5.2.1 Curto trifásico
Para essa análise foi aplicado um curto-circuito de 0,5 segundo entre o ponto de
conexão e a carga. Nota-se que mesmo durante o curto o parque continua fornecendo
tensão e corrente para o circuito, Figura 47. Porém nota-se que as tensões ficam
desbalanceadas. Isso ocorre porque a referência de defasagem das três fases é perdida e
após isso as fases A, vermelha, e C, azuis, ficam em fase, e as amplitudes ficam
diferentes.
Figura 47 - Tensão e corrente no PCC durante o curto-circuito trifásico
Devido a essa diferença durante o curto os valores dos harmônicos, Figura 48,
não ficam dentro dos padrões estabelecidos na Tabela 1, porém isso não é problema.
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
1.50
1.58
1.66
1.74
1.82
1.90
1.98
2.06
2.14
2.22
2.30
2.38
2.46
2.54
2.62
2.70
2.78
2.86
2.94
3.02
3.10
3.18
3.26
3.34
3.42
Ten
são
(KV
)
Tempo (s)
Tensão no ponto de conexão
Fase A
Fase B
Fase C
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
1.50
1.58
1.65
1.73
1.81
1.88
1.96
2.04
2.12
2.19
2.27
2.35
2.42
2.50
2.58
2.65
2.73
2.81
2.88
2.96
3.04
3.12
3.19
3.27
3.35
3.42
Co
rre
nte
(KA
)
Tempo (s)
Corrente no ponto de conexão
Fase A
Fase B
Fase C
58
Pois para o ONS os parques só tem que fornecer tensão durante o defeito não
precisando respeitar os limites de harmônicos nesse período.
Figura 48 - Valor dos harmônicos em porcentagem durante o curto trifásico
Nota-se ainda que mesmo durante o curto o parque continua gerando potência,
Figura 49, porém a mesma fica reduzida devido a diferença nas tensões o que ocasiona
uma diferença no controle do conversor. Há também um acréscimo no consumo de
potência reativa, isso ocorre, pois existe uma variação no ângulo da tensão o que gera
uma variação no consumo da parcela indutiva da linha.
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
1.50
1.58
1.67
1.75
1.83
1.92
2.00
2.08
2.17
2.25
2.33
2.42
2.50
2.58
2.67
2.75
2.83
2.92
3.00
3.08
3.17
3.25
3.33
3.42
Har
mô
nic
os
Tempo (s)
Distorção Harmônica
2º harmônico
3º harmônico
4º harmônico
5º harmônico
6º harmônico
7º harmônico
59
Figura 49 - Potência inserida durante o curto trifásico
Conforme ocorrido em regime, diferença entre as formas de onda dos
conversores mais próximos, Figura 51, ou distantes, Figura 50, eletricamente do ponto
de conexão são muito parecidas, isso ocorre porque no controle o ponto de tensão de
referencia é a tensão na saída de cada conversor. Caso o ponto de referência fosse o
ponto de conexão comum (PCC) as formas de onda seriam diferentes, ou pelo menos as
amplitudes, pois o conversor mais distante teria que compensar todas as perdas na linha
até o ponto que seria maior que um mais próximo eletricamente.
Figura 50 - Tensão e corrente no conversor mais distante eletricamente do PCC durante o curto-
circuito trifásico
-80
-60
-40
-20
0
20
40
1.50
1.60
1.69
1.79
1.88
1.98
2.07
2.17
2.26
2.36
2.45
2.55
2.64
2.74
2.83
2.93
3.02
3.12
3.21
3.31
3.41
Po
tên
cia
Tempo (s)
Potência no ponto de conexão
Potência ativa (MW)
Potência reativa (MVAr)
-1000
-500
0
500
1000
1500
1.5
01
.58
1.6
61
.74
1.8
21
.90
1.9
82
.06
2.1
42
.22
2.3
02
.38
2.4
62
.54
2.6
22
.70
2.7
82
.86
2.94
3.0
23
.10
3.1
83.
263
.34
3.4
2
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no conversor mais distante do PCC
Fase A
Fase B
Fase C
60
Figura 51 - Tensão e corrente no conversor mais próximo eletricamente do PCC durante o curto-
circuito trifásico
Ao analisar a Figura 52, nota-se uma variação muito grande na tensão do elo CC
durante o curto, variação essa que também ocorre com a potência injetada, Figura 49,
isso ocorre devido à perda de referência das tensões durante o curto. Porém percebe-se
que após a solução do problema e reestabelecimento da rede a tensão volta a estabilizar
rapidamente no mesmo valor que estava antes do defeito ocorrer, de forma semelhante à
potência, Figura 49. Essas relações comprovam a relação entre a tensão nesse elo e a
potência injetada, o que prova a eficiência do projeto.
Figura 53 - Tensão no elo CC
-1000
-500
0
500
1000
1500
1.50
1.58
1.66
1.74
1.82
1.90
1.98
2.06
2.14
2.22
2.30
2.38
2.46
2.54
2.62
2.70
2.78
2.86
2.94
3.02
3.10
3.18
3.26
3.34
3.42
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no conversor mais próximo do PCC
Fase A
Fase B
Fase C
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
1.5
0
1.5
7
1.64
1.71
1.79
1.8
6
1.9
3
2.0
02.
07
2.1
42.
21
2.2
9
2.3
62.
43
2.5
0
2.5
7
2.6
4
2.7
12.
79
2.8
6
2.93
3.00
3.0
7
3.1
4
3.2
13.
29
3.3
6
3.4
3
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no elo CC
Vdc
61
5.2.2 Curto monofásico
Para essa análise foi aplicado um curto-circuito de 0,5 segundo entre o ponto de
conexão e a carga. Nota-se que mesmo durante o curto o parque continua fornecendo
tensão e corrente para o circuito, Figura 54. Porém nota-se que as correntes ficam
desbalanceadas. Esse desbalanceamento ocorre quando todas as fases ficam com o
mesmo ângulo, sem defasagem de 120°.
Figura 54 - Tensão e corrente no PCC durante o curto-circuito fase A - terra
Devido a essa diferença durante o curto os valores dos harmônicos, Figura 56 e
Figura 55, não ficam dentro dos padrões estabelecidos na Tabela 1,no instante da falta e
no instante da solução da mesma, porém isso não é problema. Pois para o ONS os
parques só tem que fornecer tensão durante o defeito e não precisando respeitar os
-150
-100
-50
0
50
100
150
1.50
1.58
1.66
1.74
1.82
1.90
1.98
2.06
2.14
2.22
2.30
2.38
2.46
2.54
2.62
2.70
2.78
2.86
2.94
3.02
3.10
3.18
3.26
3.34
3.42
Ten
são
(KV
)
Tempo (s)
Tensão no ponto de conexão
Fase A
Fase B
Fase C
-2
-1
0
1
2
3
4
1.5
01
.58
1.6
51
.73
1.8
11
.88
1.9
62
.04
2.12
2.1
92
.27
2.3
52
.42
2.5
02
.58
2.6
52
.73
2.81
2.8
82
.96
3.0
43.
123
.19
3.2
73
.35
3.4
2
Co
rre
nte
(KA
)
Tempo (s)
Corrente no ponto de conexão
Fase A
Fase B
Fase C
62
limites de harmônicos nesse período, além disso, esse fato só ocorre durante um
pequeno transitório o que mesmo em regime não seria detectado como um problema.
Figura 56 - Valor dos harmônicos em porcentagem durante o curto monofásico
Figura 57 - Valor dos harmônicos durante o curto monofásico
Nota-se ainda que mesmo durante o curto, o parque continua gerando potência,
Figura 58, porém a mesma fica reduzida devido à diferença nas tensões o que ocasiona
uma diferença no controle do conversor. Há também um acréscimo no consumo de
potência reativa, isso ocorre, pois existe uma variação no ângulo da tensão o que gera
uma variação no consumo da parcela indutiva da linha.
63
Figura 58 - Potência inserida durante o curto monofásico
Conforme ocorrido em regime e no curto trifásico, diferença entre as formas de
onda dos conversores mais próximos, Figura 59, ou distantes eletricamente do ponto de
conexão, Figura 60, são muito parecidas, isso ocorre porque no controle o ponto de
tensão de referencia é a tensão na saída de cada conversor. Caso o ponto de referência
fosse o ponto de conexão comum (PCC) as formas de onda seriam diferentes, ou pelo
menos as amplitudes, pois o conversor mais distante teria que compensar todas as
perdas na linha até o ponto que seria maior que um mais próximo eletricamente.
-15-10
-505
10152025303540
1.50
1.60
1.69
1.79
1.88
1.98
2.07
2.17
2.26
2.36
2.45
2.55
2.64
2.74
2.83
2.93
3.02
3.12
3.21
3.31
3.41
Po
tên
cia
Tempo (s)
Potência no ponto de conexão
Potência ativa (MW)
Potência reativa (MVAr)
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1.50
1.5
81
.66
1.7
41.
821
.90
1.9
82
.06
2.14
2.2
22
.30
2.3
82
.46
2.5
42
.62
2.7
02
.78
2.8
62
.94
3.0
23
.10
3.1
83
.26
3.3
43
.42
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no conversor maispróximo do PCC
Fase A
Fase B
Fase C
64
Figura 59 - Tensão e corrente no conversor mais próximo eletricamente do PCC durante o curto-
circuito monofásico
Figura 60 - Tensão e corrente no conversor mais distante eletricamente do PCC durante o curto-
circuito monofásico
Assim como no curto trifásico nota-se, pela Figura 61, uma variação muito
grande na tensão do elo CC, isso ocorre devido à perda de referência das tensões
durante o curto. Porém percebe-se que após a solução do problema e reestabelecimento
da rede a tensão volta a estabilizar rapidamente.
Figura 61 - tensão no elo CC
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
1.49
9…1.57
4…1.64
8…1.72
2…1.
7963
1.87
0…1.94
4…2.01
8…2.09
2…2.
1667
2.24
0…2.31
4…2.38
8…2.46
3…2.
5371
2.61
1…2.68
5…2.75
9…2.83
3…2.
9075
2.98
1…3.05
5…3.12
9…3.20
3…3.
2779
3.35
1…3.42
6…
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no conversor mais distante do PCC
Fase A
Fase B
Fase C
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
1.5
0
1.5
71
.65
1.7
2
1.8
01
.87
1.94
2.0
22
.09
2.1
72
.24
2.3
1
2.3
92
.46
2.5
4
2.6
12
.69
2.76
2.8
32
.91
2.9
83
.06
3.1
3
3.2
03
.28
3.3
5
3.4
3
Ten
são
(V)
Tempo (s)
Tensão no elo CC
Vdc
65
5.3 Comentários Finais
Com as análises a cima, podemos verificar a eficiência do controle aplicado. Já
que mesmo após os defeitos os conversores conseguem voltar ao ponto de operação
anterior ao defeito de forma rápida.
Outro ponto importante de se ressaltar é com relação a corrente de saída. Nota-se
que a mesma ainda possui muitos harmônicos, mas esse fator pode ser reduzido se for
introduzido um filtro na saída do conversor para o sistema. Realizando essa operação os
índices de distorção harmônica serão ainda menores, garantindo assim que ficarão
dentro da recomendação do operador nacional do sistema.
66
6 Conclusão
Os empreendedores enfrentam dificuldades para realizarem estudos da qualidade
de energia nos pontos de conexão de parques eólicos com o SIN visto que os fabricantes
não fornecem seus modelos computacionais. O objetivo desse trabalho foi criar um
modelo digital desenvolvido no ambiente do para realização desses
estudos. Considerando a analise dos resultados obtidos nas simulações conclui-se que o
ambiente permite a realização de estudos de qualidade de energia
para a conexão de parques eólicos no SIN.
Observa-se que sem esse modelo mais detalhado dos conversores não seria
possível determinar o comportamento da tensão ou da corrente, já que usualmente, esses
conversores são representados como fontes de correntes que não sofrem qualquer
alteração devido a influências do circuito.
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