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Metodologia de Regulação da Potência Ativa para Operação de Sistemas de Geração Eólica com Aerogeradores de Velocidade Variável

Germán Claudio Tarnowski

Orientador: Prof. Dr. Romeu Reginatto

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Escola de Engenharia

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Agosto 2006Agosto 2006

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Estrutura da apresentação

1.1. Estado da arte.Estado da arte.2.2. MotivaçãoMotivação..3.3. Objetivos da dissertação.Objetivos da dissertação.4. Modelagem realizada.5. Controle de potências.6.6. Regulação da potência ativa do aerogerador.Regulação da potência ativa do aerogerador.7.7. Regulação da potência ativa de parques eólicos.Regulação da potência ativa de parques eólicos.8. Conclusões.9. Sugestões para trabalhos futuros.

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Dissertação

Estado da ArteEstado da Arte

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Estado da arteEstado da arte

• Conversão da energia cinética dos ventos em energia elétrica. Geração EólicaGeração Eólica.

Schafflund-Alemanha.

Geração Distribuída.Geração Distribuída.

• Aerogeradores agrupados formando Parques EólicosParques Eólicos.

• Integração na Rede ElétricaIntegração na Rede Elétrica, em níveis de distribuição e subtransmissão.

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• A Geração Eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo.

• O consumo elétrico mundial aumenta exponencialmente.O consumo elétrico mundial aumenta exponencialmente.

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• Preocupação com o meio ambiente.• Políticas governamentais de incentivos às energias renováveis.• Avanço tecnológico. Aerogeradores de velocidade variávelAerogeradores de velocidade variável.• Aerogeradores comerciais de maior potência (tamanho).

Constante diminuição da relação custo/benefício.Constante diminuição da relação custo/benefício.

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O nível de penetração da geração eólica ainda é baixoainda é baixo.

VantagemVantagem: aumento da produção anual de energia.: aumento da produção anual de energia.

MPT: Para cada velocidade de vento Para cada velocidade de vento há uma velocidade de rotação que há uma velocidade de rotação que

maximiza a potência capturada.maximiza a potência capturada.


Estratégia de operação comumente adotada:Estratégia de operação comumente adotada: Máximo desempenho aerodinâmico da turbina (Cp máx) MPT.

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• Existem problemas técnicos ligados à geração eólica.Existem problemas técnicos ligados à geração eólica. Variações da velocidade do vento grandes grandes variações da

potência injetada. Recursos eólicos estão afastados afastados dos centros de consumo,

onde a rede elétrica é fracaonde a rede elétrica é fraca. Variações da potência injetada variações da tensãovariações da tensão e,

eventualmente, variações da freqüência. Difícil prognosticarprognosticar a potência instantânea do recurso,

dificultando a operação do Sistema de Energia. Aerogeradores são suscetíveis de serem desconectadossuscetíveis de serem desconectados do

sistema ao acontecerem faltas na mesma, retirando uma importante quantidade de potência.

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A quantidade de Geração Eólica que um A quantidade de Geração Eólica que um Sistema de Energia admite Sistema de Energia admite é limitadaé limitada..

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Dissertação

MotivaçãoMotivação

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Necessidade de aproveitar os recursos disponíveis.Necessidade de aproveitar os recursos disponíveis.

Devido aos principais problemas serem Devido aos principais problemas serem causados pela variabilidade da potência do causados pela variabilidade da potência do recurso eólico, recurso eólico, propõe-se regular a potência propõe-se regular a potência injetada na redeinjetada na rede..

Pergunta:Pergunta:Como se poderia Como se poderia viabilizar o aumentoviabilizar o aumento da Geração da Geração Eólica no Sistema de Energia Elétrica?Eólica no Sistema de Energia Elétrica?

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• Todo o trabalho é feito encima de uma topologia de Todo o trabalho é feito encima de uma topologia de aerogerador particular:aerogerador particular:

Aerogerador de Velocidade Variável com Gerador de Aerogerador de Velocidade Variável com Gerador de Indução de Dupla Alimentação (AVV-DFIG).Indução de Dupla Alimentação (AVV-DFIG).

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Dissertação

ObjetivosObjetivos

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ObjetivosObjetivos

• Modelagem para a simulação e estudo dos sistemas de geração eólica, especialmente dos AVV-DFIG, com a flexibilidade necessária para implementar estratégias de controle.

• Estudar as características gerais de funcionamento dos AVV-Estudar as características gerais de funcionamento dos AVV-DFIG, DFIG, propondo uma estratégia de regulação da potência ativapropondo uma estratégia de regulação da potência ativa com vistas a flexibilizar a operação e minimizar o impacto na com vistas a flexibilizar a operação e minimizar o impacto na rede elétrica.rede elétrica.

• Regulação da potência ativa de parques eólicos compostos por Regulação da potência ativa de parques eólicos compostos por AVV-DFIG, visando uma maior integração da geração eólica AVV-DFIG, visando uma maior integração da geração eólica nos sistemas de energia.nos sistemas de energia.

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Dissertação

ModelagemModelagem

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Modelagem: topologia

Aerogerador de Velocidade Variável Com Gerador de Indução de Dupla Alimentação (AVV-DFIGAVV-DFIG).

• Flexibilidade para Flexibilidade para controle.controle.

• Desacopla Desacopla potências Ativa e potências Ativa e Reativa.Reativa.

• Potências geradas no estator e no rotor.

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Modelagem: velocidade do vento

• Modelo de vento já desenvolvido por outros pesquisadores.

• Velocidade média, sombreamento da torre, rajadas, Velocidade média, sombreamento da torre, rajadas, turbulência da turbinaturbulência da turbina.

• Simula uma velocidade de vento equivalente que Simula uma velocidade de vento equivalente que gera as perturbações no torque mecânico da turbina.gera as perturbações no torque mecânico da turbina.

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• Considerações energéticas. Conversão da potência do vento Considerações energéticas. Conversão da potência do vento em potência mecânica.em potência mecânica.

• Aproximação algébrica através do coeficiente de desempenho Aproximação algébrica através do coeficiente de desempenho aerodinâmico: aerodinâmico:

Modelagem: turbina eólica

Torque mecânico Torque mecânico desenvolvidodesenvolvido

na turbinana turbina

ângulo de passo das pásângulo de passo das pás

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Modelagem: turbina eólica

• Interação entre os modelos de vento e aerodinâmico.

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Modelagem: sistema mecânico

• Principais componentes.• Oscilações torsionais naturais.• Simplificação: modelo de duas massas.

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Modelagem: DFIG

• Modelo reduzido de 3ª ordem a partir do modelo clássico de 5ª ordem.

• Convenção gerador.Convenção gerador.• Referencial síncrono. Sistema d – q.• Simplificação da dinâmica do estator.Simplificação da dinâmica do estator.• Consideração da dinâmica do rotor.

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Modelagem: conversor bidirecional

• Inversores VSI com controle vetorialcontrole vetorial das correntes.• Representação ideal no referencial síncrono, na

freqüência fundamental.• Orientação do eixo direto, Orientação do eixo direto, dd, com a tensão do estator, com a tensão do estator • Consideração de tensão constante no elo CC.

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Modelagem

• Partes modeladas:

Velocidade do vento. Turbina eólica. Sistema mecânico. Gerador de Indução de Dupla Alimentação (DFIG). Conversor bidirecional.

Sistema por unidade: [Sistema por unidade: [pupu]]

Foi elaborada uma rotina de inicalização dos modelos.Foi elaborada uma rotina de inicalização dos modelos.

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Dissertação

Controle de potênciasControle de potências

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Controle de potências

Potência ativa: Potência ativa: Pa

• Estator + Rotor.• Controlável através da corrente do rotor

no eixo direto.

referência referência

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Controle de potências

• Estator + Conversor do lado da rede.• Depende das correntes em quadratura.

• Adota-se fator de potência unitário:Adota-se fator de potência unitário: Correntes constantes no eixo em quadratura.

Potência reativa: Potência reativa: Qa

...controláveis separadamente....controláveis separadamente.

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Dissertação

Regulação da potência ativa do Regulação da potência ativa do aerogeradoraerogerador

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Regulação potência ativa: AVV-DFIGRegulação potência ativa: AVV-DFIG

• Propõe-se que a referência do aerogerador seja dada pela seguinte expressão:

valor dado pelo operador da usina.valor dado pelo operador da usina.

máxima potência aproveitável para o vento atual: MPT.máxima potência aproveitável para o vento atual: MPT.

O valor estabelece um limite superior para a potência injetada na rede.O valor estabelece um limite superior para a potência injetada na rede.

Se a potência do vento não é suficiente, o sistema adota Se a potência do vento não é suficiente, o sistema adota MPTMPT..

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• O ângulo de passo limita a velocidade de rotação máxima.• Controle independente da potência gerada.• Anti-windup.• Dead zone.


Limite de velocidade de rotaçãoLimite de velocidade de rotação

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Sintonia de controladores através de simulações computacionais.Sintonia de controladores através de simulações computacionais.

• Simulações computacionais.• AVV-DFIG de 3,6 GW.• Barra de potência infinita através de

uma linha curta.• Única variável manipulada é sinal

Pcom.

• Funcionamento contínuo. Não são simuladas faltas.

• Software Matlab/Simulink®.

Estudo do comportamentoEstudo do comportamento

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Vento constante: diminuição de Vento constante: diminuição de Pcom

• Bom seguimento Bom seguimento de referência de referência (rápida resposta).(rápida resposta).

• Potência ativa a um cos fi constante.

• Tensão no Tensão no alimentador muda alimentador muda de acordo com o de acordo com o efeito da potência efeito da potência injetada.injetada.

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• O ângulo de passo limita a rotação máxima.

• É permitida uma É permitida uma dinâmica lenta sem dinâmica lenta sem comprometer a potência comprometer a potência injetada na rede.injetada na rede.

• Oscilações mecânicas não são transferidas para a rede.


Vento constante: diminuição de Vento constante: diminuição de P com

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Vento variável: Vento variável: PPcomcom constante. constante.

• Velocidade do vento equivalente leva implícitas as perturbações para o torque.


Velocidade média 0,85pu.

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• Variações da rotação amortecem as variações da potência do vento. Energia cinética de rotação.


• Comparação com o método exclusivo MPT. A potência MPT tem grande variação com o vento.


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• Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada



• Ângulo de passo limita rotação. Com MPT o ângulo de passo praticamente não atua.

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• Obteve-se uma redução de redução de 8% 8% da energia gerada com Pcom próximopróximo do valor de potência média do vento quando comparado com MPT.


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Dissertação

Regulação da potência ativa de Regulação da potência ativa de parques eólicosparques eólicos

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• As potências geradas são recolhidas em um ponto comúm: pc.

• Sistemas de energia Sistemas de energia obrigados a receber obrigados a receber toda a produção eólica.toda a produção eólica.

Regulação potência ativa: parques eólicosRegulação potência ativa: parques eólicos

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• Propõe-se a regulação da potência do parque através de Pcom. O controle O controle do parque é efetuado com apenas um sinal para todos os aerogeradores.do parque é efetuado com apenas um sinal para todos os aerogeradores.

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Estudo do comportamento: referência fixaEstudo do comportamento: referência fixa

• Distribuição do vento em cada aerogerador do parque.

• Defasagem temporal Defasagem temporal de acordo com a de acordo com a separação física separação física entre aerogeradores.entre aerogeradores.

Velocidade média 0,85pu.

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• Controlador do parque muda Pcom tentando regular Pparq.

• Os Os aerogeradores aerogeradores com excesso com excesso compensam compensam aerogeradores aerogeradores com defeito.com defeito.

• Quando o recurso eólico é insuficiente, gera-se MPT em todo o parque.

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• Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada pelo parque.

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Variação da referência do parqueVariação da referência do parque

• Bom seguimento Bom seguimento de referência de referência (rápida resposta).(rápida resposta).

• Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada pelo parque.

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Variação da referência do parqueVariação da referência do parque

• O ângulo de O ângulo de passo limita a passo limita a rotação máxima.rotação máxima.

• Dinâmica lenta Dinâmica lenta sem sem comprometer a comprometer a potência injetada potência injetada na rede.na rede.

• Pouca variação do vento no período simulado.

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Dissertação

ConclusõesConclusões

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Conclusões

• Modelagem do Aerogerador de Velocidade Variável com Modelagem do Aerogerador de Velocidade Variável com DFIG (AVV–DFIG) que permite estudar o seu DFIG (AVV–DFIG) que permite estudar o seu comportamento predominante, aplicar estratégias de comportamento predominante, aplicar estratégias de controle e avaliar o impacto causado na rede elétrica.controle e avaliar o impacto causado na rede elétrica.

• Metodologia de regulação da potência ativa do AVV-DFIG que permite:

Gerar potência ativa constante, ou diminuir as variações da potência injetada na rede.

Recuperar a operação usual MPT.Recuperar a operação usual MPT. Mudar a referência de potência, tendo-se uma rápida

resposta.

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Conclusões

• Limitação da velocidade de rotação, permitindo uma Limitação da velocidade de rotação, permitindo uma dinâmica lenta.dinâmica lenta.

• Metodologia de regulação da potência ativa de parques eólicos. O controle do parque é efetuado com apenas um sinal enviado a todos os aerogeradores:

Regular num valor constante a produção de potência, dentro do limite dado pela potência disponível do recurso.

Injetar na rede uma potência ativa com mínimas variações, valendo-se da não uniformidade do vento no parque.

Operar o parque com MPT permanentemente.Operar o parque com MPT permanentemente.Realizar rápidas mudanças da referência de potência do

parque, tendo-se um bom seguimento desta.

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Conclusões

• Melhora na qualidade da potência injetada. As variações da tensão local podem ser reduzidas ou eliminadas.

• As metodologias propostas concedem os sistemas eólicos As metodologias propostas concedem os sistemas eólicos de uma controlabilidade parcial.de uma controlabilidade parcial.

• A regulação facilita o despacho de potência eólica a curto prazo, valendo-se de ferramentas adequadas para a previsão da potência disponível.

• Os grandes parques eólicos podem ser vistos como Os grandes parques eólicos podem ser vistos como produtores convencionais de energia.produtores convencionais de energia.

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Dissertação

Sugestões para Trabalhos FuturosSugestões para Trabalhos Futuros

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Sugestões

• Validação experimental do estudo realizado.• Estudo da estabilidade do sistema de potência com presença de Estudo da estabilidade do sistema de potência com presença de

geração eólica operando com o método de regulação proposto.geração eólica operando com o método de regulação proposto.• Determinação dos limites de penetração da geração eólica,

comparando a operação usual MPT com o método de regulação proposto.

• Estudo do controle da tensão da barra de conexão do parque Estudo do controle da tensão da barra de conexão do parque usando a capacidade dos DFIG.usando a capacidade dos DFIG.

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Agradecimentos

• Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRGS – PPGEE.

• À CAPES, CNPq e FAURGS.• À Companhia Estadual de Energia Elétrica – CEEE.• Ao Romeu.• Aos colegas e amigos do LASCAR e do GMASP, e a

todos os que colaboraram.• Aos presentes.

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