Introdução ao Controle de Aerogeradores 1. INTRODUÇÃO ... · velocidade do vento apenas...

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Welcome to Aalborg University No. 1 of 31

Introdução ao Controle de Aerogeradores

de Pequeno Porte

Fabiano D. Adegas

Universidade de Aalborg

Departamento de Sistemas Eletrônicos

Seção de Automação e Controle


AGENDA

1. INTRODUÇÃO / MOTIVAÇÃO

2. AERODINÂMICA DE ROTORES

3. ESTRATÉGIAS DE CONTROLE AERODINÂMICO

4. GERADOR E CARGAS EM SISTEMAS ISOLADOS

5. CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA ELÉTRICA


INTRODUÇÃO

• Variabilidade na velocidade e direção do vento afetam a capacidade da turbina

eólica de fornecer energia;

• Turbinas eólicas de grande porte têm sistemas de controle complexos que

automaticamente ajustam a orientação da turbina, o ângulo de passo das pás, e a

rotação do gerador elétrico para manter a potência elétrica de saída desejada;

• Sistemas de controle de turbinas de pequeno porte normalmente são menos

sofisticadas, porém eles geralmente ainda têm alguma forma de controle para

melhorar a sua vida útil e a produção de energia;

• Os objetivos principais de um controlador em um sistema de energia eólica são

(em ordem de prioridade):

• Evitar danos à turbina eólica

• Evitar danos na carga

• Maximizar a produção de energia


INTRODUÇÃO

• No passado foram predominantemente projetados para robustez, com controles

mecânicos robustos e relativamente modesto desempenho global;

• Avanços em microcontroladores e componentes eletrônicos de potência

aumentaram consideravelmente o nível de sofisticação dos sistemas de controle;

• Aqui apresenta-se aspectos básicos dos controles mecânicos e elétricos associados

à turbinas eólicas de pequeno porte.


AERODINÂMICA

• A Teoria do Elemento de Pá é útil para derivar expressões do torque e potência

mecânica produzidas, e força axial de empuxo experienciada pela turbina eólica.

• Baseia-se na análise das forças aerodinâmicas aplicadas a um elemento radial de pá

de comprimento infinitesimal.


AERODINÂMICA

)sin()()cos()(2

2

DLrelT CCV

cf

)cos()()sin()(2

2

DLrelr CCrV

c

(Empuxo)

(Torque)

2


EMPUXO, TORQUE E POTÊNCIA

• A força de empuxo que age sobre todo o rotor, e o torque total útil desenvolvido

pela turbina são obtidos por integração das forças ao longo do comprimento da pá;

• Comumente expressos em termos de coeficientes não-dimensionais de empuxo,

(CT), torque (CQ) e potência (CP)

onde CP e CQ satisfazem O ângulo de passo β e a razão de

ponta de pá definida como

determinam a condição de operação de uma turbina eólica.

32

2322

),(2

1),(

,),(2

1,),(

2

1

VCRPCP

VCRTVCRF

PVPr

QrTT

.),( PQ CC

,V

RΩλ r





β = 0 deg V = 12 m/sWelcome to Aalborg University No. 10 of 31

DISTRIBUIÇÃO DE VEL. DE VENTO E CURVA DE POTÊNCIA

• I : Maximizar energia gerada, III : Regular potência e rotação, minimizar cargas.

• Objetivo final: reduzir R$ / kWh (custo da energia)


ESTRAT. DE CONTROLE DE ROTAÇÃO E PASSO VARIÁVEL

“IDEAL”


SUBSISTEMAS DE UM AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE

• Controles Mecânicos Passivos (Sobrevelocidade)

• Ângulo de Passo das Pás;

• Furling, Pitching.

• Controles Eletrônicos Ativos

• Maximização da Potência Elétrica;

• Curto-circuito controlado e/ou Dump load (sobrevelocidade).

3


CONTROLE AERODINÂMICO DE SOBREVELOCIDADE

• Está relacionada com a dependência cúbica de energia da velocidade do vento:

velocidade do vento apenas ligeiramente mais alta do que a velocidade nominal

pode causar níveis inseguros de cargas estruturais nas pás e no sistema de geração

de energia;

• Note que a potência elétrica é indiretamente afetada (controlada);

• Há três formas principais de proteção de sobrevelocidade através da ação de

forças aerodinâmicas:

• Furling;

• Pitching;

• Controle passivo do ângulo de passo das pás.


CONTROLE PASSIVO DO ÂNGULO DE PASSO

• Ângulo de passo das pás varia com a velocidade

angular de rotação do rotor;

• Baseia-se em princípios de forças centrífugas

atuantes na pá ou em massas instaladas nesta;

• Atuação não inicia até que a velocidade de rotação

nominal for excedida, devido à utilização de molas

pré-tensionadas, favorecendo o aumento de

energia gerada.


FURLING DE CAUDA

• Eixo de yaw distanciado do eixo do rotor por um pequeno

deslocamento;

• Suporte da cauda é fixada à parte traseira da nacelle por

uma dobradiça inclinada a um ângulo d da vertical (eixo de

furl);

• Em ventos fracos, o empuxo sobre o rotor atuando no

eixo de yaw leva a turbina a operar a um constante

(pequeno) ângulo de yaw, balanceado por um momento

restaurador da cauda;

• Cauda é mantida sobre o eixo de furl por sua própria

massa;

• Com o aumento da velocidade do vento, tanto o empuxo

do rotor e o momento da cauda aumentam;

• Eventualmente o momento gravitacional da cauda sobre o eixo furl é menor que o

momento aerodinâmico na cauda,e a cauda começa a “furl” atrás da nacele;

• Isto desalinha o rotor da direção do vento,reduzindo sua velocidade e potência.


FURLING DE CAUDA

• Equilíbrio entre os momentos gravitacionais e aerodinâmicos da cauda para o ângulo

de inclinação do eixo de furl δ,

Onde:

mtf é a massa total da cauda,

rcm é a distância do eixo de furl para o centro de massa da cauda,

rcp é a distância do eixo de furl para o centro de pressão da cauda,

F é a força aerodinâmica normal agindo sobre a cauda.

)cos()sin()cos( cpcmtf rFrgm


FURLING DE CAUDA


CURVA DE POTÊNCIA

• Exemplo de curva de potência com controle passivo do ângulo de passo + furling;

• Mantém boa regulação até velocidade de furling (25 m/s).

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GERADOR E CARGAS EM SISTEMAS ISOLADOS

• Sistemas Eólicos de pequeno porte têm grande aplicação no suprimento de energia de

pequenas comunidades isoladas;


• Geradores de corrente alternada trifásicos de ímas

permanentes (GSIP) são os mais utilizados na

atualidade. Geradores de indução aparecem bem

distantes em segundo lugar.

• GSIPs:

• Têm boa eficiência se projetados adequadamente;

• São auto-excitados (imãs permanentes), não

necessitando de fonte externa;

• Com elevado número de pólos tem eficiente

desempenho em baixas rotações, favorecendo a

diminuição de ruído aerodinâmico;

• Produzem tensão e frequência variáveis com sua

rotação, as quais são normalmente retificadas para

corrente contínua (CC).

GERADOR E CARGAS EM SISTEMAS ISOLADOS


CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA

• Tensão constante nos terminais do GSIP

inviabiliza a extração da máxima potência

do aerogerador. Isso essencialmente por

conta de dois fatores:

• O rotor eólico não se encontra em

uma velocidade de rotação que

maximize a energia cinética extraída

do vento, para todas as velocidades

de vento [Muljadi et al1996],

• O GSIP não se encontra em um

ponto de máxima transferência de

potência, para todas as velocidades

do vento.0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

m [rad/s]

Pm

[W

]



• A necessidade de se alterar o comportamento da carga elétrica palavras, significa

fazer com que a tensão aparente enxergada pelo GSIP seja variável, é a justificativa

para a inserção de um conversor de potência CC-CC no sistema eólico;

• Vale dizer ainda que a modificação da carga elétrica é feita através da alteração da

razão cíclica do conversor CC-CC.



• Nesta apresentação:



0

50

100

150

200

250

300

350

400

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

U [m/s]

Pc

c W

]

Curva de Potência: AGPP GERAR 164 – Fabricante Nacional Enersud

•Rotor eólico de 1,64 metros de diâmetro;

•Gerador síncrono de imãs permanentes de 10 pólos;

•Retificador em ponte de Graetz.

5


Aspectos de Conversão de Energia em AGPP

Modelo Matemático: Partes de um AGPP (Topologia Típica)


Área varrida:2

mrA

3

2

1UACP pm Potência

Mecânica:

Razão de velocidade de ponta

(tip speed ratio - λ): U

r mm

Fração de potência extraída do vento :

coeficiente de potência (Cp)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5

Cp

otm= 4,268

Cpmáx= 0,394

Torque

Mecânico:m

mm

PT

Aspectos de Conversão de Energia em AGPPModelo Matemático: Rotor Eólico


c

b

a

c

b

a

a

a

a

c

b

a

dt

d

i

i

i

R

R

R

v

v

v

00

00

00

Tensão de Fase

32cos

32cos

cos

r

r

r

imã

c

b

a

cccbca

bcbbba

acabaa

c

b

a

i

i

i

LLL

LLL

LLL

Enlace de Fluxo

3

2sin

3

2sin

sin

2

3

22sin2sin

3

22sin

2sin3

22sin

3

22sin

3

22sin

3

22sin2sin

22

r

r

r

cbaimã

c

b

a

rrr

rrr

rrr

cbae iiip

i

i

i

iiiLp

T

Torque Eletromecânico


Modelo Matemático: Gerador Síncrono de Imã Permanente


Modelo em Regime Permanente

012

3LLLs

afphwaf NkfE 2

afasaaa EIjXIRV^^^^




Obtenção Experimental dos Parâmetros [Alé et al, 2006]

Parâmetro Valor

Resistência de Armadura (Ra) 0,95 Ω

Número de pólos (p) 10

Tensão induzida de linha pico a 1000 rpm (ELp/krpm) 92,63 V

Pico do fluxo induzido pelo IP (imã) 0,1021 Wb

Indutância eixo d (Ld) 0,00236 H

Indutância eixo q (Lq) 0,00236 H

Momento de inércia (JGSIP) 0,06 kg.m2

Coeficiente de atrito (B) 0




a

b

c

vr

Vr

-π/6 π/6 3π/6 5π/6 7π/6

vrVLp

ωt

ar VV

63 ar II

6


Modelo Matemático: Retificador em Ponte de GRAETZ

6


VEbat 24

Modelo de Thevenin

mRbat 150


Modelo Matemático: Banco de Baterias


Controle de Máxima Potência

•Lei de Controle: modificar razão

cíclica do retificador SEPIC;

•Maximizar Potência Elétrica do GSIP;

•Operação em Velocidade Variável.

Considerações Iniciais


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

m [rad/s]

Pm

, P

ca

[W

]

U=12 m/s

U=10 m/s

U=8 m/s U=6 m/s

U=4 m/s

Pcamax

Pmmax

Máxima Potência GSIP

Carga Resistiva (Pcamax)

Controle de Máxima PotênciaEstratégia para Maximização da Potência Elétrica

•Curvas obtidas

em simulação no

programa PSIM.


Lei de Controle para Máxima Geração de Potência Elétrica:

Realimentação de Potência de Fase

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

m [rad/s]

Pc

afm

ax

[W

]

Controle de Máxima Potência

•Curva de Referência de Potência

Máxima de Fase (Pcafmax).


Retificador SEPIC Trifásico de Chave Única

•Atuar no controle da

potência elétrica;

•Pré-regulação do fator de

potência no GSIP.



•Combinação em cascata de uma ponte de GRAETZ e um

conversor SEPIC monofásico;

•Colocado entre os terminais do gerador e o banco de baterias;

•Característica de elevação e redução de tensão.

Retificador SEPIC Trifásico de Chave ÚnicaConsiderações Iniciais

7


Simulação Computacional: PSIM 6.0

Bloco GSIP

Velocidade

de Vento U

Subcircuito

Rotor Eólico

Diagramas de Simulação: Topologia Típica de AGPP



Diagramas de Simulação: Topologia Proposta de AGPP

Subcircuito

Rotor EólicoBloco GSIP

Modulação por

Largura de

Pulso (PWM)

Velocidade

de Vento U

Controle MPPT

Retificador

SEPIC

Baterias


Malha de Controle

PI OK!

Aumento de

Potência do GSIP!


Resultados de

Simulação:

Topologia Proposta

Resposta ao Degrau

10-12 ms


Resultados de Simulação: Quadro Comparativo – U=12 m/s

Parâmetro

Topologia

Típica

Topologia

Proposta

Velocidade Angular Mecânica (ωm) 70,86 rad/s 78,17 rad/s

Potência Mecânica (Pm) 825,45 W 738,46 W

Potência Elétrica GSIP (Pca) 410,4 W 501,2 W

Rendimento GSIP (ηGSIP) 49,71 % 67,87 %

Taxa de Distorção Harmônica de Va 29,54 % 7,96 %

Taxa de Distorção Harmônica de Ia 5,20 % 3,45 %

Aumento de 22,12 % na Potência Elétrica do GSIP.



•Ambiente de ensaios experimentais para validar a metodologia de projeto do

AGPP proposto;


Bancada de Teste: Simulador de AGPP




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Protótipo do Retificador SEPIC Trifásico de Chave Única

Indutância de

Entrada Li e

Capacitor de

Filtro C1

Ponte

de Graetz

Retificador

SEPIC de

Chave Única

Placa

PWM

4 MOSFETS em Paralelo

Arranjo Circular


Resultados Experimentais

Simulador de Rotor Eólico: Dinâmica para Sistema Proposto

•Para t < 10 s, há uma diferença de2,1 rad/s entre o PSIM e o

experimental, ou 2,9 % da velocidade

medida;

•Com 12 m/s e regime permanente, a

diferença é de 2,2 rad/s, ou 2,7% davelocidade medida

Controle de

Velocidade Funciona !

ωm*= ωm




•Em regime permanente, uma diferençade 0,6 N.m entre o valor simulado no

PSIM e o medido é observada. Isto

representa 6% do valor medido.•Resultados são satisfatórios.




•Malha de controle PI segue o sinal dereferência;

•Em regime permanente o erro é nulo.

•A diferença entre PSIM e experimental,

em regime permanente é de 7 W

aproximadamente.•Em termos percentuais isto

corresponde a 4% do valor medido.

Controle de Potência

Funciona !

Pcaf*= Pcaf




•Coeficiente de potênciaexperimental está um pouco abaixo

do coeficiente simulado no PSIM

(velocidade angular experimental

maior que no PSIM).

Impressionante !

CP PSIM= CP Exper.



Controle de Máxima Potência (MPPT): Tensão e Corrente de Fase

•Controle MPPT reduz a tensão dos terminaisdo GSIP em baixas velocidades de vento, e

eleva em altas velocidades de vento !

•Em baixas velocidades de vento, o valor dacorrente aumenta, e para altas velocidades

de vento, o valor da corrente diminui !

•Menores perdas I2R !

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

U [m/s]

Va [

V]

Retif icador em Ponte

Retif icador SEPIC

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

U [m/s]

Ia [

A]


Retif icador SEPIC

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Controle de Máxima Potência (MPPT): Potência Ativa GSIP

•Velocidade de vento de 3 a 6 m/s, a potência ativa é maior;•Para 7, 8 e 9 m/s, a diferença é maior porém não significativa. O AGPP encontra-se próximo

à condição de máxima potência para estas velocidades de vento;

•Para 10, 11 e 12 m/s, a potência ativa volta a ser maior.

0

100

200

300

400

500

600

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

U [m/s]

Pca [

W]


Retif icador SEPIC

Aumento de

Potência !


Aalborg Universitet

Fredrik Bajers Vej 5

Postbox 159

9100 Aalborg

www.aau.dk

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