Modelagem de Aerogeradores em Estudos...

Encontro Internacional de Energia Eólica3o. Painel – Tecnologia e Integração de Centrais Elétricas à Rede

Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos

Natal, RN – 22 de Setembro de 2005

Nelson MartinsNelson Martins Ricardo Diniz RangelRicardo Diniz RangelSérgio Gomes Jr.Sérgio Gomes Jr. Júlio C. R. FerrazJúlio C. R. Ferraz

http://www.eletrobras.gov.br/

Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos Nelson Martins – CEPEL 2

Modelos para Avaliação de Sistemas com Aerogeradores

1. Introdução1. IntroduçãoGrupo de Trabalho de Geração Eólica (Grupo ELETROBRAS e Grupo de Trabalho de Geração Eólica (Grupo ELETROBRAS e ONS)ONS)

2. Programa de análise de transitórios eletromecânicos2. Programa de análise de transitórios eletromecânicosANATEM ANATEM –– Considerações GeraisConsiderações Gerais

3. Avaliação de aproveitamento eólico utilizando ANAREDE e 3. Avaliação de aproveitamento eólico utilizando ANAREDE e ANATEMANATEM

Máquina de Indução Diretamente Conectada à RedeMáquina de Indução Diretamente Conectada à Rede

Máquina de Indução com Dupla AlimentaçãoMáquina de Indução com Dupla Alimentação

Máquina Síncrona com Velocidade VariávelMáquina Síncrona com Velocidade Variável

4. Considerações Finais4. Considerações Finais


1. Introdução – Grupo de Trabalho de Geração Eólica

Esforço de âmbito nacionalEsforço de âmbito nacional

Composto pelas empresas do Grupo ELETROBRAS e pelo Composto pelas empresas do Grupo ELETROBRAS e pelo ONSONS

CEPEL, ELETROBRAS, FURNAS, CHESF, ELETROSUL, CEPEL, ELETROBRAS, FURNAS, CHESF, ELETROSUL, ELETRONORTE, ONSELETRONORTE, ONS

Coordenação do CEPELCoordenação do CEPEL

Diversas reuniões de trabalho realizadas desde 2003Diversas reuniões de trabalho realizadas desde 2003

ObjetivoObjetivo

Permitir a avaliação de sistemas que possuam Permitir a avaliação de sistemas que possuam aerogeradoresaerogeradores

Definição dos modelos a serem prioritariamente implementadosDefinição dos modelos a serem prioritariamente implementados


1. Introdução – Grupo de Trabalho de Geração Eólica

A partir da determinação das tecnologias mais utilizadasA partir da determinação das tecnologias mais utilizadas

Implementação de modelos nos programas ANAREDE e ANATEMImplementação de modelos nos programas ANAREDE e ANATEM

Programas de uso corrente em estudos de planejamento e Programas de uso corrente em estudos de planejamento e operação pelas empresas do setor elétrico brasileirooperação pelas empresas do setor elétrico brasileiro

Modelos disponíveis são bastante geraisModelos disponíveis são bastante gerais

São capazes de reproduzir o comportamento de diversos São capazes de reproduzir o comportamento de diversos equipamentos mediante ajustes inerentes a cada fabricanteequipamentos mediante ajustes inerentes a cada fabricante

Avaliação dos modelos utilizando sistemas testeAvaliação dos modelos utilizando sistemas teste

Análise do sistema na ocorrência de distúrbios no vento (potênciAnálise do sistema na ocorrência de distúrbios no vento (potência a mecânica) e na redemecânica) e na rede


2. Programa ANATEM

Possui dois tipos de modelosPossui dois tipos de modelos

PréPré--definido (“definido (“builtbuilt--in”in”))

Controlador Definido pelo Usuário (CDU)Controlador Definido pelo Usuário (CDU)

Modelo PréModelo Pré--definido (“definido (“builtbuilt--in”in”))

Modelos não flexíveisModelos não flexíveis

As equações que modelam o equipamento são conhecidasAs equações que modelam o equipamento são conhecidas

►► Possuem estrutura fixaPossuem estrutura fixa►► Modelos bem estabelecidos na literaturaModelos bem estabelecidos na literatura►► As equações são descritas no manualAs equações são descritas no manual

O usuário apenas altera os valores dos parâmetrosO usuário apenas altera os valores dos parâmetros

►► Ex.: modelo de máquina síncrona, modelo IEEE de RT, etc.Ex.: modelo de máquina síncrona, modelo IEEE de RT, etc.


2. Programa ANATEM

Controlador Definido pelo Usuário (CDU)Controlador Definido pelo Usuário (CDU)Criado através de uma linguagem própria do tipo Criado através de uma linguagem própria do tipo scriptscript

Intrinsecamente flexívelIntrinsecamente flexível

Composto por uma série de blocos elementaresComposto por uma série de blocos elementaresFunções de transferênciaFunções de transferência

Funções lineares e nãoFunções lineares e não--lineareslineares

Operadores lógicos e chavesOperadores lógicos e chaves

Utilizando os blocos básicos, o usuário pode construir o seu Utilizando os blocos básicos, o usuário pode construir o seu próprio controladorpróprio controlador

Ex.: RT, RV, PSS, FACTS, turbina eólica, controle de Ex.: RT, RV, PSS, FACTS, turbina eólica, controle de conversores, etc.conversores, etc.


3. Avaliação de Aproveitamento Eólico

Turbina eólicaTurbina eólica

Controle por “Controle por “stallstall””

Controle do ângulo de posição da pá (“Controle do ângulo de posição da pá (“pitchpitch controlcontrol”)”)

Três tecnologias básicas para o geradorTrês tecnologias básicas para o gerador

Máquina de Indução Diretamente Conectada à RedeMáquina de Indução Diretamente Conectada à Rede

Máquina de Indução com Dupla AlimentaçãoMáquina de Indução com Dupla Alimentação

Máquina Síncrona com Velocidade VariávelMáquina Síncrona com Velocidade Variável


3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica

Potência mecânica é função de:Potência mecânica é função de:

Densidade do ar (Densidade do ar (ρρ))

Área varrida pelo rotor (Área varrida pelo rotor (AA))

Velocidade do vento (v)Velocidade do vento (v)

Curvas de desempenho da turbina Curvas de desempenho da turbina CpCp ((λλ,,ββ))

Velocidade da turbina (Velocidade da turbina (ωω))

Considerações:Considerações:

Caixa de engrenagensCaixa de engrenagens

Controle do ângulo de posição da pá (controle de "Controle do ângulo de posição da pá (controle de "pitchpitch“)“)


3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica

),(CvA5,0P p3 βλ⋅⋅⋅ρ⋅= ; vR⋅ω=λ

Cp x λ x β

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20

λ

Cp


3.1. Equação Eletromecânica e Controle de Posição da Pá


3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede

Máquina conectada a uma barra infinitaMáquina conectada a uma barra infinita

Reatância X=20% na base da máquinaReatância X=20% na base da máquina

DistúrbiosDistúrbios

Variação na velocidade do ventoVariação na velocidade do vento

►► 1s: degrau de +1 m/s1s: degrau de +1 m/s►► 5s: degrau de 5s: degrau de ––1 m/s1 m/s

Curto circuito trifásico na barra terminalCurto circuito trifásico na barra terminal

►► Aplicado no instante t=1sAplicado no instante t=1s►► Duração de 100 msDuração de 100 ms



Velocidade do ventoVelocidade do vento

0.

3.

6.

9.

12.

15.

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

CDU 100 303 V_VENT TURB_EOLICA1



Tensão na barra terminal do parque eólicoTensão na barra terminal do parque eólico

0.9

0.915

0.93

0.945

0.96

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

VOLT 101 Ger_Eolica



EscorregamentoEscorregamento

-6.0E-3

-4.5E-3

-3.0E-3

-1.5E-3

0.0E+1

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

SLIP 101 15 Ger_Eolica



Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólicoPotência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico

-0.7

-0.2

0.3

0.8

1.3

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

Fluxo de Potência Ativa Fluxo de Potência Reativa




0.

0.25

0.5

0.75

1.

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

VOLT 101 Ger_Eolica



EscorregamentoEscorregamento

-2.0E-2

-1.5E-2

-1.0E-2

-5.0E-3

0.0E+1

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

SLIP 101 15 Ger_Eolica




-2.5

-2.

-1.5

-1.

-0.5

0.

0.5

1.

1.5

2.

0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)

Fluxo de Potência Ativa Fluxo de Potência Reativa


3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação

+

-VC Conversor 2

Gerador deIndução

Conversor 1

Turbinaeólica

1

2

sX

tX

GG jQP +

ss jQP +

rr jQP +cscs jQP +

crcr jQP +

turbP

estator

rotorbobinado

eixomecânico



+

-

I S

VC1

Conversor 1

Rs+jXs

X t

IC1 VC IC2

Conversor 2

VC2

Modelo daMáquina

I 2

E’

Modelo doControle

Modelo daTurbina

I R

VR

=

=



Coeficiente deDesempenho

(Cp)

Controle dePosição da Pá(Pitch Control)

Variação deVelocidade

Variação dePotência

GeradorTurbina

Pmec

W

PeleMedida

Beta W

Velocidadedo Vento

Cp

Referênciade

Velocidade

Controle doConversor

Pele *Pmáx

Qele *



Conversor 1 (conectado ao Conversor 1 (conectado ao estatorestator))

Potência AtivaPotência Ativa

►► Controle da tensão no capacitorControle da tensão no capacitorPotência ReativaPotência Reativa

►► Controle do fator de potência no conversorControle do fator de potência no conversor

Conversor 2 (conectado ao rotor)Conversor 2 (conectado ao rotor)


►► Controle da velocidade “ótima” (escorregamento) da máquinaControle da velocidade “ótima” (escorregamento) da máquinaPotência ReativaPotência Reativa

►► Controle da geração de potência reativaControle da geração de potência reativa•• QQ constante, constante, VV constante ou constante ou f.p.f.p. constanteconstante





►► 1s: degrau de +1 m/s1s: degrau de +1 m/sCurto circuito trifásico na barra terminalCurto circuito trifásico na barra terminal

►► Aplicado no instante t=1sAplicado no instante t=1s►► Duração de 260 msDuração de 260 ms




0.

3.

6.

9.

12.

15.

0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)

CDU 100 303 V_VENT TURB_EOLICA2




0.990

0.995

1.000

1.005

1.010

0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)

VOLT 101 Ger_Eolica




0

25

50

75

100

125

0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)

FLXA 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 1 FLXR 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 1



Velocidade da máquina e velocidade de referênciaVelocidade da máquina e velocidade de referência

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)

CDU 121 2001 WR DFIM_CONTROL CDU 121 2002 WRREF DFIM_CONTROL



Ângulo de posição da páÂngulo de posição da pá

0.

0.5

1.

1.5

2.

2.5

0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)

CDU 100 1310 BETA TURB_EOLICA2



Tensão na barra terminal do parque eólico e valor de Tensão na barra terminal do parque eólico e valor de referência (1 pu)referência (1 pu)

0.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.

1.1

0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)




-250

-176

-102

-28

46

120

0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)



Velocidade da máquina e velocidade de referênciaVelocidade da máquina e velocidade de referência

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1.

0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)


3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável

Conversor 2Conversor 1

+

-

Geradorsíncrono

Turbinaeólica

eixomecânico

m1 φ2

VC

iCC1 iCC2

VT1XT1

Chopper

m2

PturbVT2

XT2VCC1



Reguladorde Tensão

Controle doChopper

Controle doInversorTurbina

Posiçãoda Pá

Curva de Referência deVelocidade

GeradorSíncrono

Efd

ω ref

SistemaCA 1

E" Retificadora Diodo

ICA1

VCC1

SistemaCC

ICC1 m1

VCC2 Inversorde Tensão

ICC2

ψ 2m2

ψ 2ET

VCA1

VCA2

PG

ω

Tm

βVV

∆ω

∆ω



ChopperChopper

Controle da tensão no capacitorControle da tensão no capacitor

Conversor (conectado à rede)Conversor (conectado à rede)


►► Controle da velocidade “ótima” da máquinaControle da velocidade “ótima” da máquinaPotência ReativaPotência Reativa

►► Controle da geração de potência reativaControle da geração de potência reativa•• QQ constante, constante, VV constante ou constante ou f.p.f.p. constanteconstante



Sistema testeSistema teste

Parque eólico conectado a uma barra infinita através de uma Parque eólico conectado a uma barra infinita através de uma reatância de 45% (base da máquina)reatância de 45% (base da máquina)

10 unidades de 850 kW10 unidades de 850 kW

Despacho de 0,75 pu (6,4 MW) ou de 1,00 pu (8,5 MW)Despacho de 0,75 pu (6,4 MW) ou de 1,00 pu (8,5 MW)

Controle da tensão na barra terminal do parque eólicoControle da tensão na barra terminal do parque eólico



CurtoCurto--circuito próximo ao parque (causando queda na tensão circuito próximo ao parque (causando queda na tensão terminal para 0,20 pu)terminal para 0,20 pu)



0,

2,

4,

6,

8,

10,

12,

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

CDU 100 303 V_VENT TURB_GSE_01




18,

19,

20,

21,

22,

23,

24,

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

FGSE 1 10 ParqueEolico

Velocidade da máquinaVelocidade da máquina



0,96

0,97

0,98

0,99

1,

1,01

1,02

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

VOLT 1 ParqueEolico

Tensão na barra terminalTensão na barra terminal



4,5

5,5

6,5

7,5

8,5

9,5

10,5

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

PE2E 1 10 ParqueEolico

Geração de potência ativaGeração de potência ativa



0,

0,4

0,8

1,2

1,6

2,

2,4

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

QE2E 1 10 ParqueEolico

Geração de potência reativaGeração de potência reativa



0,

1,

2,

3,

4,

5,

6,

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

CDU 100 1310 BETA TURB_GSE_01

Ângulo de posição da páÂngulo de posição da pá



0,

0,2

0,4

0,6

0,8

1,

1,2

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

VOLT 1 ParqueEolico

Tensão na barra terminalTensão na barra terminal



18,

18,5

19,

19,5

20,

20,5

21,

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

FGSE 1 10 ParqueEolico

Velocidade da máquinaVelocidade da máquina



0,

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

GGSE 1 10 ParqueEolico

Condutância do resistor de dissipação (inserido no curto)Condutância do resistor de dissipação (inserido no curto)



0,

0,4

0,8

1,2

1,6

2,

2,4

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

CDU 3 2083 ENERG CHOPPER

Energia Dissipada pelo ResistorEnergia Dissipada pelo Resistor



0,

2,

4,

6,

8,

10,

0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)

PE2E 1 10 ParqueEolico

Geração de potência ativaGeração de potência ativa


4. Considerações Finais

Modelos para avaliação do sistema com Modelos para avaliação do sistema com aerogeradoresaerogeradores

ANAREDE e ANATEM disponibilizam as 3 tecnologias de ANAREDE e ANATEM disponibilizam as 3 tecnologias de aproveitamento eólico mais utilizadas na atualidadeaproveitamento eólico mais utilizadas na atualidade

Os modelos são bastante geraisOs modelos são bastante gerais

O equipamento específico pode ser facilmente modelado a partir O equipamento específico pode ser facilmente modelado a partir dos dados pertinentes a cada fabricantedos dados pertinentes a cada fabricante

Controle realizado via CDU permite a alteração da filosofia de Controle realizado via CDU permite a alteração da filosofia de controle de acordo com cada fabricantecontrole de acordo com cada fabricante

A versão dos programasA versão dos programas ANAREDEANAREDE ee ANATEMANATEMencontramencontram--se disponíveis para os usuários autorizados, se disponíveis para os usuários autorizados, permitindo realização de estudos elétricospermitindo realização de estudos elétricos

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