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

1. 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 2006

2. Estrutura da apresentação • Estado da arte. • Motivação. • Objetivos da dissertação. • Modelagem realizada. • Controle de potências. • Regulação da potência ativa do aerogerador. • Regulação da potência ativa de parques eólicos. • Conclusões. • Sugestões para trabalhos futuros.

3. Dissertação Estado da Arte

4. Estado da arte • Conversão da energia cinética dos ventos em energia elétrica.Geração Eólica. • Aerogeradores agrupados formando Parques Eólicos. • Integração na Rede Elétrica, em níveis de distribuição e subtransmissão.  Geração Distribuída. Schafflund-Alemanha.

5. Estado da arte • A Geração Eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. • O consumo elétrico mundial aumenta exponencialmente.

6. Estado da arte • Preocupação com o meio ambiente. • Políticas governamentais de incentivos às energias renováveis. • Avanço tecnológico. Aerogeradores de velocidade variável. • Aerogeradores comerciais de maior potência (tamanho).  Constante diminuição da relação custo/benefício.

7. Estado da arte O nível de penetração da geração eólica ainda é baixo. • Estratégia de operação comumente adotada:Máximo desempenho aerodinâmico da turbina (Cp máx)MPT. MPT: Para cada velocidade de vento há uma velocidade de rotação que maximiza a potência capturada. • Vantagem: aumento da produção anual de energia.

8. Estado da arte • Existem problemas técnicos ligados à geração eólica. • Variações da velocidade do vento  grandes variações da potência injetada. • Recursos eólicos estão afastados dos centros de consumo, onde a rede elétrica é fraca. • Variações da potência injetada  variações da tensão e, eventualmente, variações da freqüência. • Difícil prognosticara potência instantânea do recurso, dificultando a operação do Sistema de Energia. • Aerogeradores são suscetíveis de serem desconectados do sistema ao acontecerem faltas na mesma, retirando uma importante quantidade de potência.

9. Estado da arte  A quantidade de Geração Eólica que um Sistema de Energia admite é limitada.

10. Dissertação Motivação

11. Motivação Necessidade de aproveitar os recursos disponíveis. Pergunta: Como se poderia viabilizar o aumento da Geração Eólica no Sistema de Energia Elétrica?  Devido aos principais problemas serem causados pela variabilidade da potência do recurso eólico, propõe-se regular a potência injetada na rede.

12. Motivação • Todo o trabalho é feito encima de uma topologia de aerogerador particular: Aerogerador de Velocidade Variável com Gerador de Indução de Dupla Alimentação (AVV-DFIG).

13. Dissertação Objetivos

14. Objetivos • 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-DFIG, propondo uma estratégia de regulação da potência ativa com vistas a flexibilizar a operação e minimizar o impacto na rede elétrica. • Regulação da potência ativa de parques eólicos compostos por AVV-DFIG, visando uma maior integração da geração eólica nos sistemas de energia.

15. Dissertação Modelagem

16. Modelagem: topologia Aerogerador de Velocidade Variável Com Gerador de Indução de Dupla Alimentação (AVV-DFIG). • Flexibilidade para controle. • Desacopla potências Ativa e Reativa. • Potências geradas no estator e no rotor.

17. Modelagem: velocidade do vento • Modelo de vento já desenvolvido por outros pesquisadores. • Velocidade média, sombreamento da torre, rajadas, turbulência da turbina. • Simula uma velocidade de vento equivalente que gera as perturbações no torque mecânico da turbina.

18. Modelagem: turbina eólica • Considerações energéticas. Conversão da potência do vento em potência mecânica. • Aproximação algébrica através do coeficiente de desempenho aerodinâmico: Torque mecânico desenvolvido na turbina   ângulo de passo das pás

19. Modelagem: turbina eólica • Interação entre os modelos de vento e aerodinâmico.

20. Modelagem: sistema mecânico • Principais componentes. • Oscilações torsionais naturais. • Simplificação: modelo de duas massas.

21. Modelagem: DFIG • Modelo reduzido de 3ª ordem a partir do modelo clássico de 5ª ordem. • Convenção gerador. • Referencial síncrono. Sistema d – q. • Simplificação da dinâmica do estator. • Consideração da dinâmica do rotor.

22. Modelagem: conversor bidirecional • Inversores VSI com controle vetorial das correntes. • Representação ideal no referencial síncrono, na freqüência fundamental. • Orientação do eixo direto, d, com a tensão do estator • Consideração de tensão constante no elo CC.

23. Modelagem • Partes modeladas: • Velocidade do vento. • Turbina eólica. • Sistema mecânico. • Gerador de Indução de Dupla Alimentação (DFIG). • Conversor bidirecional. Sistema por unidade: [pu] Foi elaborada uma rotina de inicalização dos modelos.

24. Dissertação Controle de potências

25. Controle de potências Potência ativa: Pa • Estator + Rotor. • Controlável através da corrente do rotor no eixo direto. referência 

26. Controle de potências Potência reativa: Qa • Estator + Conversor do lado da rede. • Depende das correntes em quadratura. ...controláveis separadamente. • Adota-se fator de potência unitário: Correntes constantes no eixo em quadratura.

27. Dissertação Regulação da potência ativa do aerogerador

28. Regulação potência ativa: AVV-DFIG • Propõe-se que a referência do aerogerador seja dada pela seguinte expressão: valor dado pelo operador da usina. máxima potência aproveitável para o vento atual: MPT. O valor estabelece um limite superior para a potência injetada na rede. Se a potência do vento não é suficiente, o sistema adota MPT.

29. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Limite de velocidade de rotação • O ângulo de passo limita a velocidade de rotação máxima. • Controle independente da potência gerada. • Anti-windup. • Dead zone.

30. Sintonia de controladores através de simulações computacionais. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Estudo do comportamento • 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®.

31. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Vento constante: diminuição de Pcom • Bom seguimento de referência (rápida resposta). • Potência ativa a um cos fi constante. • Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada.

32. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Vento constante: diminuição de P com • O ângulo de passo limita a rotação máxima. • É permitida uma dinâmica lenta sem comprometer a potência injetada na rede. • Oscilações mecânicas não são transferidas para a rede.

33. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Vento variável: Pcom constante. Velocidade média 0,85pu. • Velocidade do vento equivalente leva implícitas as perturbações para o torque.

34. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Vento variável: Pcom constante. • 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.

35. Regulação potência ativa: AVV-DFIG Vento variável: Pcom constante. • Ângulo de passo limita rotação. Com MPT o ângulo de passo praticamente não atua. • Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada

36. Regulação potência ativa: AVV-DFIG • Obteve-se uma redução de  8% da energia gerada com Pcompróximodo valor de potência média do vento quando comparado com MPT.

37. Dissertação Regulação da potência ativa de parques eólicos

38. Regulação potência ativa: parques eólicos • As potências geradas são recolhidas em um ponto comúm: pc. • Sistemas de energia obrigados a receber toda a produção eólica.

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

40. Regulação potência ativa: parques eólicos Estudo do comportamento: referência fixa Velocidade média 0,85pu. • Distribuição do vento em cada aerogerador do parque. • Defasagem temporal de acordo com a separação física entre aerogeradores.

41. Regulação potência ativa: parques eólicos Estudo do comportamento: referência fixa • Controlador do parque muda Pcom tentando regular Pparq. • Os aerogeradores com excesso compensam aerogeradores com defeito. • Quando o recurso eólico é insuficiente, gera-se MPT em todo o parque.

42. Regulação potência ativa: parques eólicos Estudo do comportamento: referência fixa • Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada pelo parque.

43. Regulação potência ativa: parques eólicos Variação da referência do parque • Bom seguimento de referência (rápida resposta). • Tensão no alimentador muda de acordo com o efeito da potência injetada pelo parque.

44. Regulação potência ativa: parques eólicos Variação da referência do parque • O ângulo de passo limita a rotação máxima. • Dinâmica lenta sem comprometer a potência injetada na rede. • Pouca variação do vento no período simulado.

45. Dissertação Conclusões

46. Conclusões • Modelagem do Aerogerador de Velocidade Variável com DFIG (AVV–DFIG) que permite estudar o seu comportamento predominante, aplicar estratégias de 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. • Mudar a referência de potência, tendo-se uma rápida resposta.

47. Conclusões • Limitação da velocidade de rotação, permitindo uma 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. • Realizar rápidas mudanças da referência de potência do parque, tendo-se um bom seguimento desta.

48. Conclusões • Melhora na qualidade da potência injetada. As variações da tensão local podem ser reduzidas ou eliminadas. • As metodologias propostas concedem os sistemas eólicos 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 produtores convencionais de energia.

49. Dissertação Sugestões para Trabalhos Futuros

50. Sugestões • Validação experimental do estudo realizado. • Estudo da estabilidade do sistema de potência com presença de 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 usando a capacidade dos DFIG.