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Sistemas de Geração Eólica

Prof. Romeu ReginatoOutubro de 2010

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Cronograma

• Aula 1. Panorâma de geração eólica– 22/11

• Aula 2. Operação de sistemas de geração eólica– 29/11

• Aula 3. Tecnologias de geração eólica– 06/12

• Aula 4. Modelagem de sistemas de geraçãoeólica– 13/12

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Aspectos Tecnológicos

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Operação Básica de Aerogeradores

• Velocidade fixa

• Velocidade variável– Faixa limitada

– Faixa plena / ampla

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Aspectos Tecnológicos

• Tipo de turbina eólica

• Tipo de gerador

• Emprego de conversores estáticos

• Capacidades / recursos operativos

• Controles envolvidos6

Tipos de Turbinas Eólicas

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Aerogeradores de eixo horizontal

• São os mais utilizados atualmente

• Opções com diferentes números de pás, com operação em diferentes faixas de velocidade de vento

• Modelo de 3 pás mais utilizado• Necessita de controle de

orientação do vento para garantir bom aproveitamento do vento disponível 8

Duas pás11kW

Três pás – 100kW

MultipásTrês pás – residencial

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Aerogeradoresde eixo vertical

• Vantagem. Responde bem para ventos em todas direções – não necessita de controle de orientação.

• Desvantagens. – Velocidades baixas na parte inferior

das hélices– Precisa de arranque auxiliar– Manutenção mais complexa– Necessidade de cabos auxiliares

para sustentação10

Eixo vertical – 1kW

Torre tubular X em treliça

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Comportamento de Cp para diferentes turbinas

12

Evolução das turbinas eólicas

Adaptado de: Molly, J.P.; Global Renewable Energy Forum; Foz do Iguaçu, 2008.

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Wind Power; Power House; http://www.powerhousetv.com

Orientação da turbina

Ajuste do ângulo de passo das

pás

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Tecnologias Emergentes

• Altura: 300m

• 10-15kW

• Eficiência: 50%

• Em teste: 2008

• MARS – Magenn Power Air Rotor System

• Empresa Canadense. Sistema baseado nos princípios do dirigível Magnus.

(Inovação Tecnológica; Balão que gera eletricidade a partir do vento começ a a ser testado; 13.05.08)

(Magenn, Wind Power Anywhere; www.magenn.com)

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Tipos de Geradores

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Geradores

• Gerador de indução– Rotor em gaiola de esquilo (SQIG)– Rotor bobinado (WRIG)– Rotor bobinado sem anéis coletores

• Gerador síncrono– Imã permanente (PMSG)– Excitação independente (WRSG)– Miltipólos

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Topologias deSistemas de Geração Eólica

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Classificação

• Critérios– Controle/variação de velocidade

• Velocidade Fixa • Velocidade Variável

– Controle de potência aerodinâmica (pás)• Controle stall passivo• Controle pitch• Controle stall ativo

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Classificação(Ackermann, 2005)

Tipo D2Tipo D1Tipo D0Tipo D

Tipo C2Tipo C1Tipo C0Tipo C

Tipo B2Tipo B1Tipo B0Tipo BVelocidade Variável

Tipo A2Tipo A1Tipo A0Tipo AVelocidade Fixa

Stall ativo2

Pitch1

Stall0

Controle de potência (pás)Controle de velocidade

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Tipo A

21

Tipo A – Velocidade Fixa

Adaptado de Tarnowski, 2006

• Gerador assíncrono –

indução de rotor em gaiola

de esquilo (SQIG)

• Amplificador de

velocidade (caixa de

engrenagens)

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Fonte: Ackermann, 2005.

• Gerador conectado diretamente à rede

• Soft-starter efetua a conexão automaticamente

• Velocidade definida pela frequência da rede– Gerador – velocidade supersíncrona

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Gerador de Indução de Rotor em Gaiola (SCIG)

1. Motor.

Velocidade subsíncrona

2. Gerador.

Velocidade supersíncrona

Dois modos de funcionamento

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Turbinas Tipo AAproveitamento da potência eólica

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• Potência ativa – Definida pela velocidade do vento

– Sem capacidade de controle, a não ser atuando nas pás da turbina

• A0 – Stall passivo• A1 – Pitch• A2 – Stall ativo

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Turbinas Tipo ACurva de potência ativa

Adaptado de Tarnowski, 2006

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Potência reativa – Gerador consome reativos – excitação– Banco de capacitores – compensação de reativos– Resultado do balanço entre consumo de reativos pelo

gerador e banco de capacitores

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Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona

PmP

Q

29

PmP

Q

REDE

Compensação de reativosCompensação de fator de potência


30

Pm P

Q

REDE

Flutuações de velocidade do ventosão traduzida em

flutuações na potência elétrica

Pa


31

Tipo B

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Tipo B – Velocidade Variável Limitada


• Caixa de engrenagens amplificadora

• Gerador assíncrono – indução de rotor bobinado

• Conexão direta do gerador na rede

• Soft-starter

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• Velocidade – Freqüência da rede– Variação da resistência de rotor – variação do escorregamento

do gerador – Faixa 0-10% da velocidade síncrona

• Tecnologia OptiSlip (Vestas) 34

Tipo A x Tipo BCaracterísticas de Variação de Velocidade - escorregamento

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• Potência ativa – Velocidade do vento– Resistência de rotor

36

Turbinas Tipo BAproveitamento da potência eólica

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• Potência reativa – Gerador consome reativos– Banco de capacitores – compensação de reativos– Resultado do balanço entre consumo de reativos pelo

gerador e banco de capacitores38

Tipo C

39

Tipo C – Velocidade Variável

• Doubly-fed induction generator (DFIG)

• Gerador assíncrono de rotor bobinado

• Conversor estático bidirecional entre rotor e rede

• Caixa de engrenagens amplificadora

Fonte: Ackermann, 2005.40

• Bidirecional– Fluxo de potência em ambas direções

• Dois conversores acoplados – back-to-back– Link CC comum– Conversor do lado da rede (GSC)– Conversor do lado do rotor (RSC)

• Configuração típica: inversor de tensão PWM

• Potência – cerca de 30% da potência do gerador

Conversor Estático

41

Conversor Estático

• Qualquer lado pode ser retificador/inversor• Potência reativa em cada lado pode ser

diferente• Potência ativa deve ser igual

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Estrutura do DFIG conectado à rede elétrica

• Estator conectado diretamente à rede• Rotor conectado via conversor estático

Controles

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DFIG conectado à rede elétrica: Frequências

Frequênciada rede

Frequênciade escorregamento

Frequência zeroCC

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Velocidade

• Desacoplamento entre frequência da rede e velocidade do gerador

• Velocidade da turbina– Estratégia de controle utilizada

• Velocidade do vento• Controle via conversor estático• Controle via pás da turbina

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Fluxo das potênciasVelocidade subsíncrona

Pr

Ps

Qs

Qr Qc

P

Q

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Fluxo das potênciasVelocidade supersíncrona

Pr

Ps

Qs

Qr Qc

P

Q

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CaracterCaracteríísticas eststicas estááticas do DFIG ticas do DFIG Potência Ativa Potência Ativa EstatorEstator

Ir = 0, 1, 2, 3, 4.

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CaracterCaracteríísticas eststicas estááticas do DFIGticas do DFIGPotência Ativa Rotor Potência Ativa Rotor

Ir = 0, 1, 2, 3, 4.

49

CaracterCaracteríísticas eststicas estááticas do DFIGticas do DFIGPotência Ativa Total Potência Ativa Total

Ir = 0, 1, 2, 3, 4.

rPPsP +=

50

CaracterCaracteríísticas eststicas estááticas do DFIGticas do DFIGPotência Reativa Estator Potência Reativa Estator

Ir = 0, 1, 2, 3, 4.

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Fluxo de Potências - Síntese

• Modo gerador– Velocidade subsíncrona

– Velocidade supersíncrona

• Potência ativa– Flui do estator para a rede

– Flui do rotor para rede – supersíncrona

– Flui da rede para o rotor – subsíncrona

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Fluxo de Potências - Síntese

• Potência reativa– Flui entre estator e rede conforme controle– Controle atua no rotor

• Conversor estático back-to-back– Desacopla fluxo de potência reativa entre

rotor e rede– Permite controle pela atuação sobre as

variáveis de rotor

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DFIG: Estratégias de Operação

• Máxima eficiência aerodinâmica (Maximum power tracking – MPT)

• Regulação de Potência Ativa

• Controle de Potência Reativa

• Controle de Tensão

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OU

OU

DFIG: Estratégias de Operação

• Máxima eficiência aerodinâmica (Maximum power tracking – MPT)

• Regulação de Potência Ativa

• Controle de Potência Reativa

• Controle de Tensão

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DFIG: Variáveis de controleOnde se pode atuar para controlar o DFIG?

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DFIG: Variáveis de controleOnde se pode atuar para controlar o DFIG?

Velocidade do vento: conforme o ventoFrequência de estator = freqüência da rede

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Princípio do controle MTP

• Maximizar o coeficiente de potência a cada velocidade do vento

Cp(λ,ϕ)

w

t

VR

ωλ =

Pás fixas

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Princípio do controle MTP

• Maximizar o coeficiente de potência a cada velocidade do vento

Cp(λ,ϕ)

w

t

VR

ωλ =

Pás fixas

fixo - MPTλλ =

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Estratégia de controle MPT

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

][3 puKP t

MPT ω=

Para cada velocidade de vento há uma velocidade de rotação que maximiza a potência capturada.

60

Controle MPT

+-

PI

61

Tipo D

62

Tipo D – Velocidade VariávelFaixa ampla / completa


• Gerador síncrono– Imã permanente

– Excitação independente

• Gerador assíncrono (rotor bobinado)

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Tipo D – Velocidade Variável


• Estator ligado à rede via conversor estático– Conversor estático de potência plena– Frequência da rede e velocidade da turbina

são desvinculadas64



• Com caixa de engrenagens– Similar aos Tipos A, B, C

• Direct drive (sem caixa de engrenages)– Gerador multipólos (síncrono)

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• Variáveis de atuação

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• Velocidade da turbina– Desacoplada da frequência da rede

– Potência ativa gerada

– Estratégia de controle

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• Potência ativa– Velocidade pode ser variada em toda faixa

– Estratégia MPT (faixa completa)

– Conversor do lado da rede regula o fluxo de potência ativa do gerador para a rede

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• Potência reativa– Lado do gerador e da rede desacoplados pelo

link DC do conversor

– Lado da rede – controlada através do conversor estático

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• Outras funções do conversor estático– Conexão/desconexão da rede

– Excitação do gerador (se necessário)

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Evolução Histórica

• Primeiras turbinas: Tipo A0– Potência: centenas de kW

• Velocidade variável– Ganhos de eficiência

– Ganhos de flexibilidade (controle) para níveis maiores de penetração de geração éolica

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Evolução Histórica

• Atualmente

• Mercado dividido principalmente entre– Tipo C

– Tipo D

• Tipo A e B ainda existem em operação, mas vêm caindo em participação

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