Para Controle Classico240715

7/23/2019 Para Controle Classico240715

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HLIO VOLTOLINI

MODELAGEM E CONTROLE DE GERADORES DE

INDUO DUPLAMENTE ALIMENTADOS COM

APLICAO EM SISTEMAS ELICOS

FLORIANPOLIS

2007


2/157

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAOEM ENGENHARIA ELTRICA


INDUO DUPLAMENTE ALIMENTADOS COMAPLICAO EM SISTEMAS ELICOS

Tese submetida

Universidade Federal de Santa Catarina

como parte dos requisitos para a

obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.

HLIO VOLTOLINI

Florianpolis, Maro de 2007.


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iii

MODELAGEM E CONTROLE DE GERADORES DE INDUO

DUPLAMENTE ALIMENTADOS COM APLICAO EM SISTEMAS

ELICOS

HLIO VOLTOLINI

Esta Tese foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Doutorem Engenharia Eltrica, rea de concentrao em Concepo de Dispositivos

Eletromagnticos, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao emEngenharia Eltrica da Universidade Federal de Santa Catarina.

______________________________________Prof. Renato Carlson, Dr

Orientador

______________________________________Prof. Nelson Sadowski, Dr.

Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Banca Examinadora:

______________________________________Prof. Renato Carlson, Dr.

Presidente

______________________________________Prof. Patrick Kuo-Peng, Dr.

_____________________________________Prof. Guillermo O. Garcia, Dr.

______________________________________Prof. Joachim Holtz, Dr.

______________________________________Prof. Nelson J. Batistela, Dr.

______________________________________Prof. Kefas D. Coelho, Dr.


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iv

minha esposa Lilian e minha filha Giulia.

Aos meus pais, Elizeu e Maria.


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v

AGRADECIMENTOS

minha esposa Lilian, pelo apoio e compreenso nos momentos difceis. minha filha Giulia, pela sua alegria e carinho.

Aos meus pais, pelo incentivo em todas as conquistas da minha vida.

Ao meu orientador Prof. Renato Carlson, pelo seu grande apoio e contribuio nesta

nova conquista.

Aos professores Nelson Jhoe Batistela e Patrick Kuo-Peng, que participaram do

projeto e a todos os professores do Grucad, pela contribuio, amizade e apoio.

Aos meus colegas mestrandos, Cristiano Blum Weingartner e Thiago Bazzo, pelaamizade, companheirismo e imprescindvel colaborao na obteno dos resultados

experimentais apresentados nesta tese.

Aos bolsistas de iniciao cientfica Tiago Fernandes Barbosa, Rafael Barbeta e

Rodrigo Cianfroni, pela colaborao no desenvolvimento do sistema experimental.

A todos os colegas e a secretria Celly D. Melo, pela amizade e timo ambiente de

trabalho proporcionado neste perodo.


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vi

Resumo da Tese apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios para a

obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.


INDUO DUPLAMENTE ALIMENTADOS COM

APLICAO EM SISTEMAS ELICOS

Hlio Voltolini

Maro/2007

Orientador: Renato Carlson, Dr.rea de Concentrao: Anlise e Concepo de Dispositivos Eletromagnticos.

Palavras-chave: Geradores elicos, Geradores duplamente alimentados, Controle vetorial.

Nmero de pginas: 136.

RESUMO: Esta tese apresenta a anlise, modelagem e o controle vetorial dos geradores de

induo duplamente alimentados com escovas (DFIG) e sem escovas (BDFIG) com

aplicao em sistemas elicos em velocidade varivel. Inicialmente realizada uma anliseda modelagem dos geradores nos eixos de referncia ortogonais dq. Os respectivos

modelos e controles so implementados em ambiente de programao do

MatlabSimulink/SimPowerSystems. A estratgia de controle do DFIG foi implementada

no microcontrolador SH 7047 da Hitachi. So apresentados resultados de simulao e

experimentais para um sistema elico baseado no DFIG 3kW, 380 V, 60 Hz. Uma

metodologia de sincronizao do DFIG com a rede eltrica na partida do sistema foi

desenvolvida e implementada experimentalmente. Atravs de resultados obtidos com a

simulao, foi realizada uma anlise comparativa entre oDFIGeBDFIGcom potncia de

75 kW. Demonstrou-se que o BDFIG pode substituir o DFIG em sistemas elicos,

associando a robustez das mquinas sem escovas com baixo custo dos conversores de

potncia utilizados nos geradores duplamente alimentados. So propostas diferentes

estratgias de compensao de potncia reativa para o BDFIG visando a reduo do

tamanho dos conversores de potncia e o aumento do rendimento do sistema.


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vii

Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the

degree of Doctor in Electrical Engineering.

MODELING AND CONTROL OF DOUBLY FED

INDUCTION GENERATORS FOR WIND TURBINES

SYSTEMS

Hlio Voltolini

March /2007

Advisor: Renato Carlson, Dr.

Area of Concentration: Conception and Analysis of Electromagnetic Devices.

Keywords: Doubly Fed, Induction generators, Brushless, vector control.

Number of Pages: 136.

ABSTRACT: This thesis presents the modeling and vector control of Doubly Fed

Induction Generators with Brushes (DFIG) and Brushless (BDFIG) for variable speed

wind turbine applications. Firstly, an analysis of the generators model in the orthogonal dq

axis reference frame is realized. The generators models and controls are implemented in

the simulation program MatlabSimulink/SimPowerSystems. The DFIG strategy was

experimentally implemented in the microcontroller SH 7047. The simulations and

experimental results are presented for wind systems based inDFIGof the 3 kW, 380 V,

60Hz. A methodology of synchronization of the DFIGwith the grid was developed and

implemented in the laboratory. The performance comparison betweenDFIGandBDFIGin

the wind turbine applications is realized in over all speed range. The results show that the

kVA rating of power converter of theDFIGandBDFIGgenerators are comparable and the

systems efficiency are very similar, especially at the rated speed. For the wind turbine

based on a 75 kWBDFIG, different power factor compensations strategies are analyzed.

The result shows that, depending on the adopted strategy, the kVA rating of the power

converters can be reduced and the efficiency of the system is improved over all speed

range.


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viii

SUMRIO

RESUMO........................................................................................................................................vi

ABSTRACT ..................................................................................................................................viii

SUMRIO ......................................................................................................................................viii

ACRNIMOS E ABREVIATURAS ...................................................................................xii

LISTA DE SMBOLOS ............................................................................................................xiii

CAPTULO 1

INTRODUO GERAL

1.1 Preliminares .................................................................................................................. 1

1.2 Objetivos gerais ............................................................................................................ 3

1.2.1 Objetivos especficos ............................................................................................. 4

1.3 Contribuies do trabalho............................................................................................. 4

1.4 Organizao da tese...................................................................................................... 5

CAPTULO 2

SISTEMAS ELICOS ESTADO ATUAL DA ARTE

2.1 Introduo..................................................................................................................... 7

2.2 Aerogeradores e seus componentes.............................................................................. 8

2.3 Turbinas com controle de estol (stall) e passo (picth) .................................................. 8

2.4 Configurao dos sistemas elicos sob ponto de vista do gerador eltrico................ 10

2.5 Panorama mundial da energia elica.......................................................................... 12

2.6 Concluso ................................................................................................................... 13

CAPTULO 3

SISTEMAS DE ENERGIA ELICA PRINCPIOS DE CONVERSO

DE ENERGIA

3.1 Introduo................................................................................................................... 14

3.2 Potncia de uma turbina elica................................................................................... 14

3.3 Trajetria de mxima potncia ................................................................................... 15

3.4 Caracterstica de uma turbina de 4 kW....................................................................... 163.5 Concluso. .................................................................................................................. 19


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ix

CAPTULO 4

SISTEMA DE CONTROLE DO DFIG

4.1 Introduo................................................................................................................... 20

4.2 Configurao doDFIGem sistemas elicos. ............................................................. 21

4.3 Modelo doDFIGnas variveis dq ............................................................................. 22

4.4 Controle doDFIGcom orientao pelo campo do estator......................................... 24

4.5 Modelo doDFIGnas variveis dqincluindo as perdas no ferro................................ 25

4.6 Modelagem do controle doDFIGconsiderando as perdas no ferro .......................... 27

4.7 Clculo da potncia ativa (P) e reativa (Q) no estator e rotor doDFIG..................... 28

4.7.1 Clculo dePse Qs ................................................................................................ 28

4.7.2 Clculo dePre Qr................................................................................................ 29

4.8 Sistema de controle do conversor do lado do rotor ................................................... 30

4.8.1 Obteno da posio do fluxo do estator ............................................................. 30

4.8.2 Resultados de simulao do PLL estimador de fluxo.......................................... 35

4.8.3 Malhas de controle de corrente do rotor. ............................................................. 38

4.8.4 Malha de controle de velocidade ......................................................................... 43

4.8.5 Malha de controle de potncia reativa do estator. ............................................... 45

4.9 Sincronizao com a rede.......................................................................................... 47

4.10 Concluso .................................................................................................................. 48

CAPTULO 5

SISTEMA DE CONTROLE DO CONVERSOR DO LADO DA REDE

5.1 Introduo................................................................................................................... 50

5.2 Controle do conversor do lado da rede....................................................................... 50

5.3 Controle vetorial do conversor do lado da rede.......................................................... 53

5.4 Sistema de controle do conversor do lado da rede ..................................................... 55

5.4.1 Clculo da posio e mdulo do vetor tenso da rede......................................... 55

5.4.2 Projeto dos controladores de corrente.................................................................. 58

5.4.3 Projeto do controlador da tenso Vc .................................................................... 61

5.5 Clculo da reatncia e do capacitor ............................................................................ 63

5.6 Desempenho dinmico do conversor do lado da rede ................................................ 64

5.7 Concluso ................................................................................................................... 66


10/157

x

CAPTULO 6

RESULTADOS DE SIMULAO E EXPERIMENTAIS

6.1 Introduo................................................................................................................... 67

6.2 Anlise dos resultados de simulao .......................................................................... 67

6.3 Descrio do sistema experimental ............................................................................ 72

6.4 Caractersticas do microcontrolador utilizado............................................................ 75

6.5 Processo de sincronizao .......................................................................................... 76

6.6 Obteno da posio do fluxo do estator.................................................................... 77

6.7 Correntes no rotor na velocidade de 1260 rpm e 1800 rpm ....................................... 78

6.8 Ajuste dos parmetros dos controladores de corrente do rotor .................................. 79

6.9 Anlise de desempenho das malhas de corrente dqno rotor doDFIG ...................... 81

6.10 Concluso .................................................................................................................. 82

CAPTULO 7

SISTEMA DE CONTOLE DO BDFIG

7.1 Introduo................................................................................................................... 83

7.2 Principio de operao doBDFIG ............................................................................... 84

7.3 Modelo dinmico doBDFIGnas variveis dq ........................................................... 85

7.4 Controle vetorial e modelagem doBDFIG................................................................. 87

7.5 Clculo da potncia ativa e reativa noBDFIG ........................................................... 89

7.6 Sistema de controle doBDFIG................................................................................... 90

7.6.1 Sistema de comando do conversor do lado enrolamento de controle.................. 91

7.6.2 Clculo da posio do fluxo produzido pelo enrolamento de potncia. .............. 91

7.6.3 Malhas de controle de corrente do enrolamento de controle ............................... 94

7.6.4 Malha de controle de velocidade ......................................................................... 97

7.6.5 Malha de controle de potncia reativa ................................................................. 98

7.7 Simulao e anlise de desempenho dinmico doBDFIG....................................... 100

7.7.1 Modelo doBDFIGimplementado na simulao ............................................... 100

7.7.2 Desempenho dinmico do sistema de controle doBDFIG................................ 105

7.8 Concluso ................................................................................................................. 107


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xi

CAPTULO 8

ANLISE COMPARATIVA DO BDFIG COMDFIG

8.1 Introduo................................................................................................................. 109

8.2 Caracterstica da turbina elica utilizada.................................................................. 109

8.3 Anlise das potncias ativa e reativa e da corrente RMS dos geradores.................. 111

8.4 Anlise do rendimento dos sistemas elicos baseados noDFIGeBDFIG.............. 115

8.5 Concluso ................................................................................................................. 116

CAPTULO 9

ESTRATGIAS DE CORREO DO FATOR DE POTNCIA NOBDFIG

9.1 Introduo................................................................................................................. 118

9.2 As diferentes estratgias de correo de fator de potncia....................................... 118

9.3 Clculo do valor do banco capacitivo. ..................................................................... 119

9.4 Anlise da potncia e corrente eficaz no enrolamento de potncia.......................... 121

9.5 Concluso ................................................................................................................. 125

CAPTULO 10

CONCLUSO FINAL

10.1 Concluses gerais .................................................................................................... 126

10.2 Proposta de continuidade......................................................................................... 128

APNDICE A .............................................................................................................. 129

APNDICE B .............................................................................................................. 130

REFERNCIAS .......................................................................................................... 132


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xii

ACRNIMOS E ABREVIATURAS

DFIG Gerador de induo duplamente alimentado com escovas(Doubly Fed Induction

Generator);

BDFIG Gerador de induo duplamente alimentado sem escovas(Brushless Doubly Fed

Induction Generator);

CA Corrente alternada;

CC Corrente contnua;

DSP Processador digital de sinal(Digital Signal Processor);

FP Fator de potncia;

FT Funo de transferncia;

GWEC Conselho global de energia elica(Global Wind Energy Council);

IGBT Transistor bipolar de porta isolada(Insulated Gate Bipolar Transistor);

PI Proporcional integral;

PLL Malha de deteco de fase(Phase Locked Loop);

PWM Modulao por largura de pulso (Pulse Width Modulation);

RMS Valor eficaz(Root Mean Square).


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xiii

LISTA DE SMBOLOS

Smbolo Descrio Unidade

ngulo de passo da turbina elica; [rad]

Rendimento;

Densidade do ar; [kg/m3]

Razo entre a velocidade da ponta de p da turbina elica e avelocidade do vento ou tip speed ratio;

dc, qc Fluxo dqproduzidos pelo enrolamento de controle doBDFIG [Wb]

dp, qp Fluxo dqproduzido pelo enrolamento de potncia doBDFIG; [Wb]

dr, qr Fluxo dqproduzido pelo enrolamento do rotor; [Wb]

ds, qs Fluxo dqproduzidos no estator doDFIG; [Wb]

p Fluxo produzido pelo enrolamento de potncia doBDFIG; [Wb]

s Fluxo produzido pelo enrolamento do estator doDFIG; [Wb]

s Fluxo sbase; [Wb]

cPosio dos eixos dqdo enrolamento de controle doBDFIG; [rad]

e Posio do vetor tenso da rede; [rad]

p Posio do fluxo do enrolamento de potncia doBDFIG; [rad]

r Posio do rotor doDFIGe doBDFIG; [rad]

s Posio do fluxo do estator doDFIG; [rad]


14/157

xiv

Constante de tempo [s]

c Freqncia angular do campo produzido pelo enrolamento de

controle doBDFIG;

[rad/s]

d Freqncia natural amortecida; [rad/s]

m Velocidade angular mecnica do eixo do gerador; [rad/s]

n Freqncia natural no amortecida; [rad/s]

p Freqncia angular do campo produzido pelo enrolamento depotncia;

[rad/s]

r Velocidade angular do rotor doDFIGe doBDFIG; [rad/s]

rp,rc Freqncia angular das correntes induzidas no rotor pelo

enrolamento de potncia e de controle doBDFIG;

[rad/s]

s Freqncia angular sncrona da rede; [rad/s]

slip Freqncia angular de escorregamento; [rad/s]

t Velocidade angular da turbina elica; [rad/s]

Coeficiente de amortecimento;

ie Variao das correntes nas fases do conversor do lado da rede; [A]

Vc Variao da tenso Vcdo barramento CC; [V]

A rea do crculo varrido pelas ps da turbina elica; [m2]

aB Relao entre o nmero de espiras do enrolamento de potncia

e de controle doBDFIG;

aD Relao entre o nmero de espiras do estator e rotor doDFIG;


15/157

xv

BB Coeficiente de atrito doBDFIG;

BDCoeficiente de atrito doDFIG;

Bo(s) FT contnua do sustentador de ordem zero;

C Valor do capacitor do barramento CC; [F]

Cb Valor da capacitncia por fase do banco capacitivo na rede; [F]

Cp Coeficiente de potncia da turbina elica;

Cpmax Coeficiente de potncia mximo da turbina elica;

dq Sistemas de eixos ortogonais d(direto) e q(quadratura);

evds, evqs Erros entre as tenses dqda rede e do estator doDFIGdurante

o processo de sincronismo;

[V]

GcfB(z) FT discreta do controlador PI do PLL do clculo de p;

GcfD(z) FT discreta do controlador PI do PLL do clculo de s;

GciB(z) FT discreta do controlador PI das malhas de correntes dqdo

enrolamento de controle doBDFIG;

GciD exp(z) FT discreta do controlador PI das malhas de controle de

corrente no rotor doDFIGimplementado experimentalmente;

GciD(z) FT discreta do controlador PI das malhas de controle corrente

no rotor doDFIG;

Gcie(z) FT discreta do controlador PI das malhas de controle de

correntes dqdo conversor do lado da rede;

GcQp(z) FT discreta do controlador PI da malha de controle de potncia

reativa do enrolamento de potncia doBDFIG;


16/157

xvi

GcQs(z) FT discreta do controlador PI da malha de controle de potncia

reativa do estator doDFIG;

GcvB(s) FT contnua do controlador PI de velocidade doBDFIG;

GcVc(z) FT discreta do controlador PI da malha de tenso Vc;

GcvD(s) FT contnua do controlador PI da malha de velocidade do

DFIG;

GcvD(z) FT discreta do controlador PI da malha de velocidade do

DFIG;

GcVe(z) FT discreta do controlador PI do PLL da posio do vetor

tenso Ve;

GiD(z) FT discreta do produto de GiD(s) com Bo(s);

Gie(z) FT discreta em malha fechada da malhas de controle de

corrente idedo conversor do lado da rede;

GiFD(z) FT discreta em malha fechada das malhas de controle de

corrente dqno rotor doDFIG;

GpiB(s) FT contnua da planta das malhas de correntes dqdo


Go(z) FT discreta em malha aberta do ramo direto;

GpiB(z) FT discreta da planta das malhas de correntes dqdo


GpiD(s) FT contnua da planta das malhas de controle de corrente dq

no rotor doDFIG;

GpiD(z) FT discreta da planta das malhas de correntes dqdo rotor do

DFIG;


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xvii

GQs(z) FT discreta em malha fechada da planta da malha de controle

de potncia reativa doDFIG;

ip, ip Correntes no enrolamento de potncia doBDFIG; [A]

is, is Correntes no enrolamento do estator doDFIG; [A]

iar, ibr, i

cr Correntes abcno circuito do rotor doDFIG; [A]

idc, iqc Correntes dqno enrolamento de controle doBDFIG; [A]

i

dr, i

qr Correntes dqno circuito do rotor doDFIG; [A]

ia, ib, ic Correntes abcnas fases do conversor do lado da rede; [A]

iac, ibc, icc Correntes abcnas fases do enrolamento de controle doBDFIG

referidas ao enrolamento de potncia;

[A]

iap, ibp, icp Correntes abcde fases do enrolamento de potncia doBDFIG; [A]

iAs, iBs, iCs Correntes de linha abcno circuito do estator doDFIG; [A]

icap Corrente no capacitor do barramento CC; [A]

idc, iqc Correntes dqno enrolamento de controle doBDFIGreferidas

ao enrolamento de potncia;

[A]

ide, iqe Correntes nos eixos dqdo conversor do lado da rede; [A]

idp, iqp Correntes dqno enrolamento de potncia doBDFIG; [A]

idr, iqr Correntes dqno circuito do rotor doDFIGouBDFIGreferidas

ao enrolamento do estator ou de potncia;

[A]

ids, iqs Correntes dqno circuito do estator doDFIG; [A]

iL Corrente de carga do barramento CC; [A]

ims Corrente magnetizante doDFIG; [A]


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xviii

io Corrente fornecida ao barramento CC pelo conversor do lado

da rede;

[A]

iqm, idm Correntes dqna indutncia magnetizante doDFIG; [A]

iqrfe, idrfe Correntes dqna resistncia rfer referidas ao estator doDFIG; [A]

iqsfe, idsfe Correntes dqna resistncia rfes doDFIG; [A]

ir Correntes abcno rotor referidas ao estator doDFIG; [A]

is Correntes abcno estator doDFIG; [A]

JB Coeficiente de inrcia doBDFIG; [kg m2]

JD Coeficiente de inrcia doDFIG; [kg m2]

Kc Ganho dos controladores PI no formato zero-plo;

L Indutncia da reatncia; [H]

Llr Indutncia de disperso do circuito do rotor doDFIG; [H]

Lls Indutncia de disperso do circuito do estator doDFIG; [H]

Lm Indutncia magnetizante doDFIG; [H]

Lmc Indutncia mtua entre o enrolamento de controle e do rotor do

BDFIG;

[H]

Lmp Indutncia mtua entre os enrolamentos de potncia e do rotor

doBDFIG;

[H]

Lp, Lr, Lc Indutncia prpria dos enrolamentos de potncia, rotor e

controle doBDFIG;

[H]

Lr Indutncia prpria do circuito do estator doDFIG; [H]

Ls Indutncia prpria do circuito do estator doDFIG; [H]


19/157

xix

P Nmero de pares de plos doDFIG;

Pe Potncia ativa do conversor do lado da rede; [W]

Pe(nom) Potncia nominal do conversor do lado da rede; [W]

Pmec Potncia mecnica aplicada ao eixo do gerador; [W]

PMFQs Posio do plo da FT em malha fechada da malha de controle

de controle de potncia reativa no estator doDFIG;

pp, pc Nmero de pares de plos dos enrolamentos de potncia e de

controle doBDFIG;

Pp, Pc, Prede Potncia ativa no enrolamento de potncia, no enrolamento de

controle e na rede;

[W]

Ps,Pr Potncia ativa no estator e rotor doDFIG; [W]

Qcap Potncia reativa compensada pelo banco capacitivo; [VAr]

Qe Potncia reativa do conversor do lado da rede; [VAr]

Qp, Qc,Qrede Potncia reativa no enrolamento de potncia, no enrolamento

de controle e na rede;

[VAr]

Qs, Qr Potncia reativa no estator e rotor doDFIG; [VAr]

R Resistncia interna da reatncia; []

rfer Resistncia de perdas no ferro do rotor doDFIG; []

rfes Resistncia de perdas no ferro do estator doDFIG; []

rp, rr, rc Resistncia dos enrolamentos de potncia, rotor e controle do

BDFIG;

[]

s Escorregamento do gerador;


20/157

xx

Sp, Sc, Srede Potncia aparente nos enrolamentos de potncia, de controle e

na rede;

[VA]

Tch Perodo de chaveamento do conversor; [s]

Te Torque eletromagntico; [Nm]

Tep, Tec Torque eletromagntico produzido pelo enrolamento de

potncia e de controle doBDFIG;

[Nm]

Tmec Torque mecnico no eixo do gerador; [Nm]

tr5% Tempo de acomodao (settling time) a 5%; [s]

Ts Passo de clculo da simulao (200 s); [s]

Tsb Passo de clculo base da simulao (2 s); [s]

Vs, Vs Tenses do estator nos eixos de referncia ; [V]

Vs, Vs Tenses geradas no estator doDFIGdurante o processo desincronismo;

[V]

vdc, vqc Tenses dqno enrolamento de controle doBDFIG; [V]

vdr, vqr Tenses dqno circuito do rotor doDFIG; [V]

vds, vqs Tenses dqgeradas no estator doDFIGdurante o processo de

sincronismo;

[V]

Va, Vb, Vc Tenses abcde fase da rede; [V]

Vabp, Vcap Tenses de linha abe ca do enrolamento de potncia; [V]

Vabs, Vcas Tenso entre as fases ae be fases ce a do estator; [V]

Vae, Vbe, Vce Tenses abcde fase do conversor do lado da rede; [V]

Vap, Vbp, Vcp Tenses abcde fase do enrolamento de potncia doBDFIG; [V]


21/157

xxi

Vas mx Tenso Vade pico aplicada no estator doDFIG; [V]

Vabs mx Tenso Vabde pico aplicada no estator doDFIG; [V]

Vas, Vbs, Vcs Tenses abcde fase do estator doDFIG; [V]

Vc Tenso no lado CC do conversor; [V]

vdc, vqc Tenses dq no enrolamento de controle do BDFIG referidas ao

enrolamento de potncia;

[V]

vdp, vqp Tenses dqno enrolamento de potncia doBDFIG; [V]

vdr, vqr Tenses dqno circuito do rotor doDFIGouBDFIGreferidas

ao estator ou ao enrolamento de potncia;

[V]

vds, vqs Tenses dqno estator doDFIG(durante o processo de

sincronismo so iguais s tenses dqda rede);

[V]

Ve Vetor tenso da rede; [V]

VL Tenso eficaz de linha da rede; [V]

Vv Velocidade do vento; [m/s]

X/R Relao entre a reatncia e resistncia da fonte de alimentao;

Zc Posio do zero dos controladores PI no formato zero-plo;


22/157

1

CAPTULO 1

1 INTRODUO GERAL

1.1 Preliminares

O grande desafio que enfrentamos hoje no setor energtico atender a crescente

demanda de energia eltrica com o mnimo impacto ao meio ambiente. O mundo est cada

vez mais preocupado com os crescentes nveis de emisso de CO2que contribuem para o

aquecimento global e mudanas climticas. As fontes renovveis de energia podem

desempenhar um papel importante na soluo do dilema de aumento da capacidade de

produo de energia minimizando a interferncia no meio ambiente [1].Dentre as formas ecologicamente corretas de produo de energia, a energia elica

uma das tecnologias mais eficazes disponveis hoje para adoo em escala global, com

eficcia em magnitude suficiente para responder a esses problemas. Sua instalao muito

mais rpida do que as demais opes. Esse um fator crucial em economias que

apresentam rpido crescimento na demanda energtica.

A gerao de energia eltrica a partir da fora do vento um desenvolvimento

relativamente recente, final do sculo XIX. Ganhou importante impulso a partir da dcada

de 70, com a crise mundial do petrleo. Muitos governos repensaram suas polticas

energticas e, como conseqncia, comearam a investir mais em pesquisas e no

desenvolvimento tecnolgico de fontes renovveis de energia, onde a energia elica

demonstrou ser uma das mais promissoras. Mais recentemente, questes ecolgicas

resultaram em um novo impulso na utilizao das chamadas fontes energticas limpas, no

poluidoras.

Atualmente, a utilizao dos chamados aerogeradores para a obteno da energia

eltrica a partir da energia do vento vem ganhando destaque. Nas ltimas dcadas, vem

crescendo o interesse na utilizao dos aerogeradores, muitas vezes formando conjuntos

denominados fazendas elicas (Wind farms) ou parques elicos, interligados s redes

eltricas convencionais de grande porte, operando em conjunto com fontes convencionais

de energia. Exemplos desse tipo de arranjo podem ser encontrados em vrias partes do

mundo, principalmente na Europa e nos Estados Unidos.

Existem basicamente duas categorias de sistemas elicos: os de velocidade constante

e os de velocidade varivel. Em aplicaes de velocidade fixa, mquinas de induo com


23/157

2

rotor em gaiola tm sido usadas como geradores conectados diretamente rede eltrica

devido sua simplicidade, robustez. Devido capacidade do gerador de induo com rotor

de gaiola de manter a velocidade praticamente constante na faixa de operao normal estes

sistemas so considerados de velocidade constante. Este conceito foi bastante aplicado na

dcada de 80 e 90 [2] e ainda utilizado hoje em dia em sistemas que priorizam o baixo

custo e simplicidade. Estes sistemas tm a desvantagem de exigir um multiplicador de

velocidade para adaptar a baixa velocidade de rotao da turbina elica , relativamente,

elevada velocidade de operao dos geradores de induo, normalmente de 4 ou 6 plos.

Pode-se obter um melhor aproveitamento da energia do vento utilizando solues com

velocidade varivel. Sistemas de velocidade varivel so mais complexos e exigem a

interveno de conversores estticos. Dois tipos de geradores so encontrados emaplicaes de velocidade varivel em turbinas de mdio e grande porte: o gerador sncrono

e o de induo. Atualmente alguns fabricantes de turbinas elicas utilizam o gerador

sncrono com grande nmero de plos e acoplamento direto turbina elica. Neste caso, a

vantagem que se trata de um sistema sem escovas e sem multiplicador de velocidade e a

desvantagem que o conversor eletrnico, que se interpe entre os terminais do gerador e

a rede, dimensionado pela potncia nominal do gerador. Com o intuito de reduzir o custo

do conversor, outros fabricantes esto utilizando o gerador de induo de rotor bobinado[2], ou mais conhecido na literatura internacional como DFIG (Doubly Fed Induction

Generator). O rotor mecanicamente acoplado turbina elica atravs de um

multiplicador de velocidade (gearbox). O circuito do estator ligado rede eltrica de

tenso e freqncia fixa, enquanto o circuito do rotor ligado rede atravs de um

conversor de freqncia na configurao back-to-back,permitindo um fluxo de potncia

bidirecional no rotor de acordo com a velocidade do gerador. A vantagem desta soluo a

baixa potncia do conversor, normalmente da ordem de 30% da potncia nominal dogerador.

Os primeiros sistemas utilizando o DFIG como gerador de velocidade varivel

empregavam um circuito retificador a diodo e um inversor a tiristor com comutao pela

linha, cuja funo era simplesmente devolver rede a potncia no circuito do rotor [3].

Entretanto, estes sistemas eram limitados operao apenas na regio supersncrona do

gerador. Atravs da utilizao de circuitos eletrnicos totalmente controlados no rotor, o

fluxo de potncia no rotor pode ser bidirecional. Isto possibilitou a operao do DFIGna

velocidade subsncrona e supersncrona. Em [4] realizada uma anlise em regime


24/157

3

permanente doDFIGnas regies subsncrona e supersncrona com um circuito totalmente

controlado no rotor. Neste caso, o mdulo e a direo da potncia no rotor foram

controlados visando a otimizao de potncia entregue rede.

Em [5] foi apresentado um sistema elico de velocidade varivel com o DFIG

empregando dois conversores PWMno rotor conectados na forma Back-to-back. Com a

aplicao do controle vetorial, a potncia ativa e reativa foi controlada tanto acima quanto

abaixo de velocidade sncrona do gerador. Foram apresentados resultados experimentais

para um gerador de 7,5kW, 415 V, 50 Hz. Os resultados demonstraram uma operao

suave do controle em toda a faixa de velocidade doDFIGcom baixa distoro de corrente

injetada na rede.

Em [6], o modelo dinmico e o controle vetorial doDFIGso analisados atravs de

resultados de simulao e experimentais para um sistema elico com 1,5 MW.

ODFIG uma soluo utilizada nos modernos geradores elicos com potncias da

ordem de at 5 MW. Este sistema de gerao, apesar de ser uma soluo tcnica e

economicamente vivel, apresenta a desvantagem de exigir a manuteno das escovas.

Como em sistemas elicos o baixo ndice de manuteno e a confiabilidade so pontos

importantes no sentido de tornar esta forma de energia competitiva, tem-se pesquisado o

uso do gerador de induo duplamente alimentado sem escovas ou BDFIG (BrushlessDoubly Fed Induction Generator). Este gerador associa as vantagens do DFIG e no

necessita de escovas, o que o torna mais confivel e reduz os custos de manuteno.

A mquina de induo duplamente alimentada sem escovas foi proposta no incio do

sculo passado [7]. Recentemente, vrios autores desenvolveram o conceito do BDFIG

[8,9]. O controle vetorial doBDFIGtem sido desenvolvido com o objetivo de substituir o

DFIGem aplicaes de sistemas elicos [10,11,12].

1.2 Objetivos gerais

Este trabalho resultado de um acordo de cooperao de intercmbio cientfico e

tecnolgico entre a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e a WEG S/A firmado

em setembro de 2004. Este acordo visa a pesquisa e desenvolvimento de conversores e

estratgias de controle para o uso em geradores assncronos duplamente alimentados.

Esta tese tem como principal objetivo a anlise dinmica do DFIG e BDFIG com

aplicao em sistemas elicos.


25/157

4

1.2.1 Objetivos especficos

Caracterizar o estado da arte dos sistemas elicos dando enfoque aos

sistemas velocidade varivel onde os geradores duplamente alimentados

so utilizados;

Descrever e analisar matematicamente o modelo dinmico e o controle

vetorial doDFIG;

Implementar o modelo e o controle vetorial doDFIGno modo discreto no

ambiente de Simulao doMatlab/Simulink/SymPowerSystems;

Implementar o controle vetorial do DFIG em um prottipo utilizando o

microprocessador SH7047, fabricado pela Hitachi, com a finalidade de

controle de um prottipo doDFIGde 3 kW;

Obter os resultados experimentais para validar o modelo e o controle do

DFIGde 3kW;

Desenvolver e implementar estratgias de sincronizao do DFIG com a

rede eltrica;

Desenvolver e implementar o modelo e o controle vetorial do BDFIGem

ambiente de simulao doMatlab/Simulink/SymPowerSystems;

Realizar uma anlise comparativa entre oBDFIGe oDFIGem sistemas de

energia elica;

Analisar e propor solues de correo do fator de potncia no BDFIG

visando a reduo do custo e tamanho dos conversores de potncia.

1.3 Contribuies do trabalho

Dentro do objetivo principal desta tese podem-se destacar como principais

contribuies:

O modelo e o sistema de controle digital doDFIGeBDFIGimplementados

em simulao no Matlab/Simulink/SimPowerSystem. Isto facilita a gerao

do programa de controle num microcontrolador ou DSP;

A implementao experimental e em simulao de uma estratgia de

sincronizao aplicada na partida do sistema com oDFIG;

A anlise comparativa entre os prottipos de 75 kW do DFIG e BDFIG

com aplicao em sistemas elicos;


26/157

5

A anlise de estratgias de compensao de potncia reativa no prottipo

doBDFIGde 75 kW;

Em funo da parceria entre a UFSC e a empresa WEG S.A. no

desenvolvimento de novas tecnologias de controle do DFIG e BDFIG, a

transferncia de tecnologia para esta empresa tambm uma importante

contribuio deste trabalho.

1.4 Organizao da tese

Esta tese organizada em 10 captulos, 2 apndices e referncias bibliogrficas. Os

captulos 1 e 10 se referem introduo e concluso, respectivamente. O tema

abordado nos captulos restantes, sendo brevemente descritos nos prximos pargrafos.

No captulo 2 so apresentados conceitos relativos aos modernos aerogeradores

produzidos atualmente pela indstria. So apresentados os principais tipos de geradores

utilizados em sistema elicos. Tambm so apresentados dados, segundo o GWEC, do

panorama da potncia elica instalada no mundo.

No captulo 3, o modelo da turbina elica apresentado e analisado. O conceito da

trajetria de mxima transferncia de potncia das turbinas desenvolvido. So

apresentados tambm os princpios aerodinmicos que definem as foras atuantes sobre os

perfis das ps da turbina elica. Uma turbina elica de 4 kW modelada e sua

caracterstica de potncia em funo de sua velocidade mostrada.

Nos captulos 4 e 5, um prottipo de um sistema elico de 4 kW baseado numDFIG

foi modelado e analisado em simulao. A estratgia de controle, desenvolvida em

simulao, foi convertida em linguagem C para a programao de um microcontrolador da

Hitachi(SH7042).

O sistema experimental baseado em um DFIG de 3 kW descrito no captulo 6.

Com o objetivo de desenvolvimento de um produto comercial, o hardware utilizado no

sistema experimental baseado na integrao da placa de controle SCA 04

(Servoconversor de Corrente Alternada Modelo 04) com o circuito de potncia do

conversor de freqncia CFW 09 (Conversor de Freqncia WEG Modelo 09). Neste

mesmo captulo 6, so obtidos resultados experimentais que validam a modelagem e a

simulao realizada.

No captulo 7 realizada uma anlise da modelagem dinmica de um prottipo doBDFIG de 75 kW. O modelo e o sistema de controle do BDFIG foi desenvolvido e


27/157

6

implementado em simulao no Matlab/Simulink/SimPowerSystems. So apresentados os

resultados de simulao que demonstram o funcionamento do modelo e do sistema de

controle doBDFIG.

No captulo 8 desenvolvido, em simulao, um sistema que permite uma anlise

comparativa de desempenho entre oBDFIGe oDFIGem um sistema elico com potncia

nominal igual a 100 kW.

No captulo 9 realizada uma anlise de 4 diferentes estratgias de correo do fator

de potncia do BDFIGde 75 kW. realizada uma anlise das potncias ativa e reativa e

das correntes nos enrolamentos da mquina e no conversor do lado da rede. As estratgias

apresentadas neste captulo consideram que o conversor do lado da rede seja utilizado na

correo do fator de potncia do BDFIG em conjunto com o conversor do lado doenrolamento de controle. Alm disso, so verificadas as vantagens e desvantagens do uso

de um banco capacitivo ligado aos terminais da rede com intuito de compensao do fator

de potncia doBDFIG via enrolamento de potncia.


28/157

7

CAPTULO 2

2 SISTEMAS ELICOS ESTADO ATUAL DA ARTE

2.1 Introduo

A fora dos ventos j era utilizada desde a antiguidade com os barcos vela,

moinhos, sistema de irrigao entre outros. Nos tempos modernos, a partir da dcada de

70, com a crise no setor petrolfero, a gerao de energia eltrica a partir da energia elica

ganhou impulso gerando interesses comerciais no setor. Desde ento, a capacidade

individual das turbinas elicas cresceu desde algumas dezenas de kW at acima dos 4MW.

Uma das turbinas elicas comerciais de maior potncia individual instalada atualmente aEnercon E112, mostrada na Figura 2.1, com uma potncia de 4,5 MW e dimetro de

112m.

Figura 2.1 - Turbina elica de alta potncia Enercon E112 com potncia de 4,5MW e

dimetro de 112 m.

Neste captulo, sero apresentados tpicos relativos ao estado da arte no campo das

turbinas elicas. Os principais componentes dos modernos aerogeradores sero

apresentados, bem como, conceitos relativos ao controle aerodinmico de potncia

aplicado s turbinas elicas. Sero discutidas as diversas configuraes dos sistemas

elicos sob o ponto de vista do gerador eltrico utilizado. Sero tambm apresentados

dados que revelam o panorama mundial da energia elica, segundo dados do GWEC.


29/157

8

2.2 Aerogeradores e seus componentes

O termo aerogerador se refere s modernas turbinas elicas fabricadas atualmente.

Um aerogerador constitudo de vrios componentes que devem trabalhar em harmonia de

forma a propiciar um maior rendimento final. A seguir esto listados os principais

componentes de um aerogerador [13]:

Ps - As ps ou hlices so responsveis pela captura da energia do vento e sua

transferncia para o eixo da turbina. Os modernos aerogeradores possuem ps, cujo

dimetro de sua circunferncia varrida varia de aproximadamente 20 m at 120m;

Cubo (Hub) - responsvel pela fixao das ps no rotor (de baixa rotao) do

aerogerador;

Multiplicador de velocidade (gearbox) - realiza o acoplamento do rotor de baixa

rotao ao rotor do gerador (alta rotao);

Gerador eltrico - converte a energia mecnica rotacional em energia eltrica. Pode

ser assncrono (de induo) ou sncrono;

Mecanismo de orientao (Yaw mechanism) - mecanismo de ajuste da direo do

aerogerador de acordo com a direo do vento;

Controle eletrnico - Constitudo por um controlador eletrnico responsvel pelo

controle contnuo do gerador eltrico e/ou de mecanismos, como por exemplo,controle da potncia ativa e reativa entregue rede, ajuste de direo do aerogerador

(yaw mechanism), controle de passo (pitch control), etc;

Sistema hidrulico - Responsvel pelo acionamento do mecanismo de controle de

passo e freio mecnico;

Torre- Sustenta o aerogerador na altura onde os ventos possuem melhores condies

para o aproveitamento elico.

As turbinas elicas utilizadas nos aerogeradores modernos de mdia e alta potncia(de500kW a 5MW), geralmente so de eixo horizontal, utilizam trs ps com controle de

passo e so sustentadas por uma torre do tipo tubular [13]. O aspecto visual deste tipo de

turbina semelhante ao mostrado na Figura 2.1.

2.3 Turbinas com controle de estol (stall) e passo (picth)

Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princpios de controle

aerodinmico para limitar a extrao de potncia na potncia nominal do aerogerador. So


30/157

9

chamados de controle de estol (stall) e controle de passo (pitch). No passado, a maioria dos

aerogeradores usava o controle de estol simples; atualmente, entretanto, com o aumento do

tamanho das mquinas, os fabricantes esto optando pelo sistema de controle de passo que

oferece maior flexibilidade na operao das turbinas elicas [2,13]

O controle de estol um sistema passivo que reage velocidade do vento. As ps do

rotor so fixas em seu ngulo de passo e no podem girar em torno de seu eixo

longitudinal. O ngulo de passo escolhido de forma que, para velocidades de vento

superiores a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da p do rotor descola

da superfcie da p, reduzindo as foras de 1sustentao e aumentando as foras de 2arrasto.

Sob todas as condies de ventos superiores velocidade nominal, o escoamento em torno

do perfil das ps da turbina , pelo menos parcialmente, descolado da superfcieproduzindo menores foras de sustentao e elevadas foras de arrasto. Menores foras de

sustentaes e maiores foras de arrastos atuam contra um aumento da potncia do rotor.

Para evitar que o efeito de estol ocorra em todas as posies radiais das ps ao mesmo

tempo, o que reduziria significativamente a potncia do rotor, as ps possuem uma

pequena toro longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.

O controle de passo, por sua vez, um sistema ativo que normalmente necessita de

uma informao vinda do controlador do sistema. Sempre que a potncia nominal dogerador ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do vento, as ps do rotor giram

em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as ps mudam o seu ngulo de

passo para reduzir o ngulo de ataque. Esta reduo do ngulo de ataque diminui as foras

aerodinmicas atuantes e, consequentemente, a extrao de potncia. Para todas as

velocidades do vento superiores nominal, o ngulo escolhido de forma que a turbina

produza apenas a potncia nominal.

Sob todas as condies de velocidade de vento inferior nominal, o escoamento emtorno do perfil das ps do rotor bastante aderente superfcie produzindo sustentao

aerodinmica e pequenas foras de arrasto.

1Fora de sustentao: fora ao longo da p da turbina no sentido perpendicular direo do vento

(produz torque mecnico rotacional).

2

Fora de arrasto: fora sobre a p na mesma direo do vento (no produz torque mecnicorotacional).


31/157

10

2.4 Configurao dos sistemas elicos sob ponto de vista do gerador

eltrico

Outro conceito introduzido na indstria diz respeito ao gerador eltrico utilizado,

onde diversas configuraes esto sendo atualmente empregadas. Nos ltimos 15 anos,

alguns fabricantes de aerogeradores esto substituindo o tradicional gerador de induo

tipo gaiola por geradores sncronos, enquanto outros esto optando pelo uso de geradores

de induo duplamente alimentados de rotor bobinado [2].

A Figura 2.2 mostra um sistema elico de velocidade fixa que utiliza o gerador de

induo com rotor em gaiola. Alguns sistemas deste tipo podem operar em duas

velocidades diferentes atravs da mudana do nmero de plos do gerador realizada pela

alterao da forma de conexo dos enrolamentos. O multiplicador de velocidade

necessrio para realizar o acoplamento da turbina elica com o gerador eltrico. Conforme

mostra a Figura 2.2, um circuito de partida soft starter utilizado para realizar a conexo

do gerador rede eltrica na entrada em operao. O banco de capacitores tem a funo de

compensar a energia reativa consumida pelo gerador.

Figura 2.2 - Sistema elico de velocidade fixa com gerador de induo de rotor em gaiola.

A Figura 2.3 mostra um esquema de um sistema elico com gerador de induo de

rotor bobinado. De forma semelhante ao caso anterior, neste sistema, o multiplicador de

velocidade tambm necessrio para adaptar a velocidade da turbina do gerador. O

circuito do estator do gerador de induo conectado diretamente rede eltrica. Entre o

circuito do rotor e a rede um conversor de potncia back-to-back (bidirecional em

potncia) inserido a fim de controlar o fluxo de potncia no estator mesmo em velocidade

varivel. Este sistema vem sendo cada vez mais utilizado, pois alm da operao em


32/157

11

velocidade varivel, o conversor de potncia da ordem de 20 a 30% da potncia nominal

do gerador.

Figura 2.3 - Sistema elico de velocidade varivel com gerador de induo

de rotor bobinado.

A Figura 2.4 mostra um sistema elico onde o gerador acoplado diretamente ao

eixo da turbina. Portanto, no utiliza o multiplicador de velocidade. Neste sistema utiliza-

se um gerador sncrono com ms permanentes ou bobinas no rotor que pode ser construdo

com grande nmero de plos. Isto permite a operao do gerador em baixas velocidades,

sendo possvel o acoplamento direto turbina elica. O conversor de potncia ligado ao

gerador, que deve possuir a mesma potncia do gerador, permite a operao do sistema em

velocidade varivel [2,13,14].

Figura 2.4 - Sistema elico de velocidade varivel com gerador sncrono.


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12

2.5 Panorama mundial da energia elica

Segundo dados do GWEC(Global Wind Energy Council), em dezembro de 2006, a

capacidade mundial de potncia elica instalada era de 74.223 MW. No ano de 2006 foram

instalados 15.197 MW no mundo todo, representando um aumento de 25,6% na

capacidade elica instalada s naquele ano.

A Figura 2.5 mostra o grfico do panorama mundial da potncia elica instalada

destacando os dez pases lderes neste setor. Na Europa, principalmente nos pases com

bom potencial elico e polticas favorveis, a indstria da energia elica tem crescido

substancialmente nos ltimos anos e respondem por 48.545 MW (65% do total mundial).

20622

11615 11603

6270

3136 2604 2123 1963 1716 1567

11004

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

Alem

anha

Esp

anha

EUA

India

Dinam

arca

China

Italia UK

Portu

gal

Frana

Outrosp

ases

Potncia(MW)

Figura 2.5 - Panorama mundial da potncia elica instalada no final do ano de 2006.

No perodo 1995-2006 o crescimento mdio anual da gerao elica no mundo foi de

28,4%. A capacidade instalada acumulada neste mesmo perodo mostrada na Figura 2.6.

Na Amrica do Sul, o Brasil assumiu uma posio de liderana no potencial elico

instalado, conforme mostra a Figura 2.7. No final de 2005, o Brasil possua apenas

29MW. Com a criao do PROINFA (Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de

energia), durante o ano de 2006 foram instalados 208 MW, totalizando 237 MW de

potncia elica instalada no final de 2006.


34/157

13

4.800 6.1007.600

10.20013.600

17.400

23.900

31.100

39.431

47.620

59.091

74.223

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Potncia(MW)

Figura 2.6 - Potncia elica instalada acumulada no perodo de 1995-2006.

237

8874

35 27 20 207

0

50

100

150

200

250

Brasil Mxico Costa Rica Regio do

Caribe

Argentina Colombia Jamaica Outros

pases

Potncia(MW)

Figura 2.7 - Sete pases da Amrica do Sul e Regio do Caribe com maior potncia elica

instalada no final do ano de 2006 (MW).

2.6 Concluso

Neste captulo foram descritos os principais componentes de um sistema elico

utilizados atualmente. Os principais tipos de geradores utilizados em sistemas elicos

foram apresentados. O Gerador de induo com rotor bobinado vem ganhando espao

neste campo, pois possibilita a operao em velocidade varivel com baixo custo do

conversor eletrnico de potncia. Para sistemas de alta potncia, esta opo torna-se

bastante vantajosa.

O crescimento verificado na capacidade elica instalada, no Brasil e no mundo,

mostra que este setor tem potencial para se tornar um empreendimento dinmico e

inovador, ajudando a satisfazer as demandas globais por energia e a deslanchar uma novaera de crescimento econmico, progresso tecnolgico e proteo ambiental.


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14

CAPTULO 3

3 SISTEMAS DE ENERGIA ELICA PRINCPIOS DE

CONVERSO DE ENERGIA

3.1 Introduo

As turbinas elicas so mquinas que transformam a energia cintica dos ventos em

energia mecnica rotacional, que tanto pode ser usado como tal, como tambm pode ser

transformada em energia eltrica atravs de um gerador eltrico.

Neste captulo sero apresentadas as caractersticas que definem o modelo

aerodinmico da turbina elica, como por exemplo, o clculo de potncia extrada do ventoe a trajetria de mxima potncia.

3.2 Potncia de uma turbina elica

Uma turbina elica capaz de transformar a energia cintica do vento em energia

mecnica rotacional e pode ser vista como um motor cujo nico combustvel o vento.

A potncia extrada do vento por uma turbina pode ser calculada pela seguinte

expresso:

3p

1 A C (,)

2m vP V= (3.1)

O rendimento de uma turbina elica fortemente influenciado pelo coeficiente de

potncia Cp(,), cujo valor pode variar de 0 at 0,59. O limite superior conhecido como

limite de Betz. Este limite afirma que a mxima potncia extrada por uma turbina elica

de 59% da energia total de uma coluna de ar que atravessa a rea varrida pelas ps [13].

Dentro dos limites mnimo (zero) e mximo (0,59), o coeficiente de potncia Cpvaria com

e . O valor de calculado pela equao:

R= t

vV

(3.2)

Uma equao genrica usada para clculo de Cp(,). Esta equao baseada nas

caractersticas aerodinmicas da turbina [15]

( )

5c-

2 p 1 3 4 6

cC , = c -c -c e +c

(3.3)


36/157

15

onde:

3

1 1 0.035= -

+0.08 +1 (3.4)

Os parmetros c1, c2, c3, c4e c5dependem da caracterstica aerodinmica da turbina.

Para uma turbina moderna estes parmetros so obtidos empiricamente: c1 = 0,5176;

c2= 116; c3= 0,4; c4= 5; c5= 21; c6= 0,0068.

A Figura 3.1 mostra o comportamento de Cpem funo de para diferentes valores

de , de acordo com o modelo definido pelas equaes (3.3), (3.4) e os parmetros

definidos acima. Neste caso especfico, o mximo valor de Cp(Cpmx= 0,48) encontrado

para = 8,1. Este valor de definido como nominal (nom).

Figura 3.1 - Comportamento de Cpem funo de e .

3.3 Trajetria de mxima potncia

Atravs da Figura 3.1 e da equao (3.2), conclui-se que existe uma relao tima

entre a velocidade de operao de uma turbina elica e a velocidade do vento para se obter


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16

a mxima potncia. Portanto, se a velocidade da turbina for alterada de forma a manter

no seu valor nominal, a potncia extrada pela turbina mxima.

A Figura 3.2 mostra a trajetria de mxima potncia de uma turbina elica para

vrias velocidades de vento. A cada velocidade de vento, o ponto de mxima potncia

ocorre em diferentes velocidades de operao da turbina. Se a cada velocidade de vento a

velocidade da turbina for adaptada, ocorrer um ganho de energia produzida. De acordo

com [16,17], nos sistemas elicos com velocidade varivel, o ganho de energia pode variar

de 3 a 28% quando comparados com os sistemas de velocidade fixa, dependendo das

condies do vento e dos parmetros da prpria turbina elica.

Figura 3.2 - Trajetria de mxima potncia.

3.4 Caracterstica de uma turbina de 4 kW

Na prtica, uma turbina elica no pode operar sobre a trajetria de mxima potncia

para qualquer velocidade de vento. Existem limites prticos de velocidade mnima e

mxima de operao da turbina que necessitam ser respeitados.

A Figura 3.3 representa a trajetria de mxima potncia de uma turbina elica com

potncia nominal igual a 4 kW em funo da velocidade de um gerador eltrico (DFIGde60 Hz, 4 plos). Neste caso, foi escolhida uma faixa de variao de velocidade de 30% em


38/157

17

torno da velocidade sncrona (1800 rpm) doDFIG. Entre os limites de velocidade mnima

e mxima a potncia varia de acordo com a linha tracejada entre o intervalo A-D. Este

intervalo pode ser dividido em trs diferentes subintervalos:

Subintervalo A-B- neste intervalo a turbina elica opera com velocidade constante

no seu valor mnimo. Neste trabalho, a velocidade mnima da turbina elica de 4 kW ser

ajustada tal que o gerador opere na velocidade mnima de 1260 rpm (30% abaixo da

velocidade sncrona);

Subintervalo B-C- Neste intervalo a velocidade da turbina elica ajustada de modo

que a potncia seja mxima para cada velocidade de vento. Neste intervalo a turbina

realiza a trajetria de mxima potncia (Maximum Power Tracking);

Subintervalo C-D- Neste intervalo a potncia varia de acordo com a velocidade dovento e a velocidade da turbina mantida constante no seu valor mximo.

A potncia nominal do sistema atingida na velocidade de vento igual a 11,5 m/s e

velocidade do gerador igual a 2340 rpm. Na Figura 3.3, o ponto Dindica a operao do

sistema nestas condies. O ponto A define o inicio da operao do sistema com a

velocidade de vento de 5 m/s e velocidade do gerador de 1260 rpm.

Figura 3.3 - Comportamento da potncia extrada pela turbina em funo da velocidade

de rotao do gerador para diferentes velocidades de vento.


39/157

18

A potncia extrada do vento pela turbina elica definida pela equao (3.1) e,

conhecendo sua velocidade, o torque imposto ao eixo do gerador pode ser obtido:

mec

mecr

P

T = (3.5)

A turbina elica impe um torque ao eixo do gerador e a velocidade imposta pelo

torque eletromagntico do gerador. Este modo de ajuste de velocidade, onde a equao

(3.2) obedecida com no seu valor nominal, vlido entre os pontos de mnima e

mxima velocidade do gerador. Quando a velocidade do vento ultrapassar seu valor

nominal, o aumento do ngulo de passo () ir limitar a energia capturada pela turbina

atravs da reduo do valor de Cp, de forma a manter a potncia constante no seu valor

nominal.

A Figura 3.4 mostra as curvas de potncia e do ngulo de passo em funo da

velocidade do vento. Abaixo da velocidade de vento nominal, de 11,5 m/s, o ngulo de

passo igual a zero mantendo as condies de mximo aproveitamento da energia do

vento. Quanto a velocidade do vento ultrapassa o valor nominal, a potncia da turbina

limitada em seu valor nominal atravs do aumento do valor de . A velocidade do vento

mxima de operao da turbina de 25 m/s. Acima deste valor, o sistema desligado, as

ps da turbina so levadas posio de embandeiramento (mnima fora de sustentao) e

atravs de um freio mecnico a turbina travada.

Figura 3.4 Curvas da potncia e ngulo de passo em funo da velocidade do vento.


40/157

19

3.5 Concluso.

Neste captulo foram apresentados os principais conceitos de converso

aerodinmica de energia aplicada s turbinas elicas. Atravs de conceitos aerodinmicos,

o modelo matemtico que descreve o comportamento da turbina elica foi analisado.

Conforme o modelo apresentado, a potncia extrada dos ventos por uma turbina elica

depende da velocidade de vento ao cubo. P ara uma variao na velocidade do vento, por

exemplo, de 10 para 11m/s, a potncia captada aumenta em 33,1%. Devido a esta grande

dependncia entre a potncia e velocidade do vento, para que um determinado local tenha

um bom potencial de produo de energia elica, conveniente ter condies de alta

velocidade com mnima variao dos ventos.

As curvas de potncia em funo da velocidade da turbina para diferentes valores de

velocidade de vento salientam a grande vantagem dos sistemas que operam em velocidade

varivel. Alm do ganho extra de energia produzida, as turbinas elicas velocidade

varivel so vantajosas, se comparadas com as de velocidade fixa, pela reduo dos

impactos das turbulncias do vento sobre a estrutura mecnica e da qualidade da energia

entregue rede.


41/157

20

CAPTULO 4

4 SISTEMA DE CONTROLE DO DFIG

4.1 Introduo

Dentre os vrios tipos de geradores utilizados em sistemas de gerao elica, o

gerador de induo de rotor bobinado (DFIG Doubly Fed Induction Generator) j est

consolidado em aplicaes de mdia e alta potncia. Apesar do uso de escovas, o DFIG

apresenta caractersticas como: reduzido tamanho do conversor conectado ao circuito do

rotor e operao em velocidade varivel.

O controle vetorial do DFIG com orientao pelo fluxo do estator tem sidoamplamente utilizado por vrios autores [4,5,10,18]. Por exemplo, em [5] o controle

vetorial doDFIGconectado a rede utilizado num sistema com potncia de 7,5 kW. So

apresentados resultados experimentais que demonstram o bom desempenho do sistema no

seguimento da trajetria de mxima potncia da turbina elica.

Em sistemas elicos, o processo de sincronizao doDFIGcom a rede tratado por

alguns autores. Em [19], o sincronismo realizado aplicando a estratgia de controle direto

de torque ou DTC (Direct Torque Control) modificado. No controle vetorial com

orientao pelo fluxo do estator foram encontrados apenas dois artigos que tratam o tema.

Em [20], o sincronismo entre as tenses do estator e da rede realizado no apresentando

detalhes da estratgia adotada para controlar a corrente magnetizante do gerador. Em [21],

o processo de sincronizao realizado atravs de um sistema sem a utilizao do sensor

de posio do rotor.

Neste captulo ser realizada uma anlise do modelo do DFIG em sistemas de

gerao elica. Ser apresentada uma anlise matemtica do balano de potncia doDFIG.

O controle vetorial do DFIG com orientao pelo fluxo do estator ser abordado

considerando a parcela de perdas no ferro. Sero utilizados conceitos de modelagem das

perdas no ferro aplicadas ao acionamento do motor de induo com o rotor em gaiola

[22,23]. Ser apresentado o procedimento de projeto das malhas de controle envolvidas no

sistema de controle doDFIG. O sistema de controle doDFIGimplementado em ambiente

de simulao ser mostrado na forma de diagrama de blocos. O processo de sincronizao

entre as tenses do estator e rede descrito e resultados de simulao so apresentados.


42/157

21

4.2 Configurao do DFIG em sistemas elicos.

O sistema de gerao eltrica a partir da energia elica baseado no DFIG est

representado na Figura 4.1. Neste sistema, o eixo do rotor acoplado turbina elica

atravs de um multiplicador de velocidade (gearbox) responsvel pela amplificao da

baixa velocidade da turbina maior velocidade de operao doDFIG. O circuito do estator

ligado diretamente rede eltrica de tenso e freqncia fixa. O enrolamento do rotor

ligado rede atravs de um conversor de freqncia bidirecional em potncia composto de

dois conversores eletrnicos acoplados via barramento CC. Os dois conversores sero

denominados de conversor do lado do rotor e conversor do lado da rede, conforme

representado na Figura 4.1.

O sentido do fluxo de potncia no circuito do rotor depende da velocidade de

operao do gerador. Para velocidades menores que a velocidade sncrona (modo

subsncrono), o circuito do rotor consome potncia. Para velocidades maiores que a

sncrona (modo supersncrono), o circuito do rotor fornece potncia rede de alimentao.

O objetivo do conversor do lado do rotor controlar a potncia ativa e reativa no estator do

DFIGatravs do circuito do rotor. A principal funo do conversor do lado rede manter

constante o valor da tenso CC entre os conversores, independente do sentido da potncia

no rotor [5]. O conversor do lado da rede ser discutido com mais detalhes no prximocaptulo desta tese.

DFIG

Conversor do

lado do rotor

Conversor do

lado da rede

c

Reatncia

Multiplicador

de velocidade

Rede

Figura 4.1 - Sistema elico baseado no DFIG.


43/157

22

Fazendo uma anlise ideal do balano de potncia do sistema, a turbina elica

transfere energia para o gerador que a transforma em energia eltrica no estator. Este, por

sua vez, fornece uma parcela desta potncia ao circuito do rotor. Em termos de potncia:

mec s r P P P= (4.1)

A potncia mecnica definida como:

mec r mecP T = (4.2)

Em regime permanente, os torques mecnico e eltrico se igualam. Portanto,

substituindo a velocidade mecnica pela velocidade eltrica, obtm-se:

( ) s1 mec eP T s= (4.3)

ou:

s s mec e eP T sT= (4.4)

As potncias desenvolvidas pelo estator e rotor so dadas, respectivamente, por (4.5)

e (4.6):

ss eP T= (4.5)

sr mec s eP P P sT= = (4.6)

ou:

r sP sP= (4.7)

Portanto, no sistema representado pela Figura 4.1, se a variao de velocidade do

gerador permanecer dentro de uma faixa limitada, em torno da velocidade sncrona, a

potncia dos conversores eletrnicos poder ser dimensionada para apenas uma parcela da

potncia total da mquina. Por exemplo, sendo r a velocidade do gerador e s a

velocidade sncrona, se for considerado uma regio de operao tal que 0,7sr1,3s,os conversores e demais componentes associados sero dimensionados para 30% da

potncia do gerador.

4.3 Modelo do DFIG nas variveis dq

O DFIGpode ser convenientemente analisado atravs das equaes de tenso nos

eixos de referncia ortogonais dqcom velocidade sncrona s[24].

Para o circuito do estator:


44/157

23

s s

s s

r

r

qs qs ds qs

ds ds qs ds

dv i

dt

dv i

dt

= + + = +

(4.8)

Para o circuito do rotor:

( )

( )

s

s

r p

r p

qr r qr r dr qr

dr r dr r qr dr

dv i

dt

dv i

dt

= + + = +

(4.9)

As relaes matemticas entre os fluxos e as correntes do estator e rotor so

expressas a seguir:

s m

s m

m r

m r

L L

L L

L L

L L

qs qs qr

ds ds dr

qr qs qr

dr ds dr

i i

i i

i i

i i

= +

= +

= + = +

(4.10)

onde,

s ls m

r lr m

L =L +L

L =L +L

(4.11)

Substituindo (4.10) em (4.8) e (4.9), o circuito equivalente do DFIGnos eixos de

referncia dqpode ser obtido por observao das equaes (4.12) e (4.13), como mostrado

na Figura 4.2.

( )

( )

s s ls m

s s ls m

r L L

r L L

qs qs ds qs qs qr

ds ds qs ds ds dr

d dv i i i i

dt dt

d dv i i i i

dt dt

= + + + + = + + +

(4.12)

e

( ) ( )

( ) ( )

r s lr m

r s lr m

r p L L

r p L L

qr qr r dr qr qr qs

dr ds r qr dr dr ds

d dv i i i i

dt dt

d dv i i i i

dt dt

= + + + + = + + +

(4.13)


45/157

24

Figura 4.2 - Circuito equivalente nos eixos de referncia dqs.

O torque eletromagntico desenvolvido pela mquina definido:

( )3 P

2 2e ds qs qs dsT i i

=

(4.14)

O acoplamento entre as variveis eltricas e mecnicas obedece a seguinte equao:

D DJ Br

r L e

dT T

dt

+ + = (4.15)

4.4 Contro le do DFIG com orientao pelo campo do estator

O controle doDFIGcom orientao pelo fluxo do estator realizado com o sistema

de eixos de referncia ortogonais dqsgirando na velocidade sncrona s e com o eixo ds

alinhado com o fluxo do estator, de tal forma que o fluxo constante na direo do eixo ds

e zero segundo a direo do eixo qs,ou seja:

0ds s

qs

= = (4.16)

Como o estator est conectado diretamente rede de tenso e freqncia fixa e a

influncia da impedncia do estator pequena, a corrente de magnetizao ( ims) pode ser

considerada constante.

Logo:

mLs ds msi = = (4.17)

De (4.10) e (4.16):


46/157

25

m

s

L

Lqs qr i i= (4.18)

A partir de (4.10), (4.17) e (4.18), resulta:

r

2m

rs

L

LL

L

qr qr

msdr dr

i

ii

=

= +

(4.19)

onde:

2m

s r

L1

L L= (4.20)

Substituindo (4.19) em (4.9):

2m

r r rs

r r r

Lr L L

L

r L L

qrqr qr slip ms dr

drdr dr slip qr

div i i i

dt

div i i

dt

= + + +

= +

(4.21)

onde:

s pslip r = (4.22)

A equao do torque eletromagntico em funo da corrente no rotor pode ser obtida

substituindo as equaes (4.18) e (4.17) na equao (4.14). Desta forma:

2m

s

L3 P

2 2 Le ms qr T i i

=

(4.23)

ou em funo do fluxo do estator:

m

s

L3 P

2 2 L

e s qr T i =

(4.24)

A dinmica da mquina de induo de rotor bobinado, com controle por orientao

de campo no fluxo do estator se resume matematicamente s equaes (4.21), (4.23) e

(4.15).

4.5 Modelo do DFIG nas variveis dq incluindo as perdas no ferro

Geralmente, no controle da mquina de induo, as perdas no ferro no so

consideradas. Na prtica, as perdas no ferro provocam uma diminuio do torque


47/157

26

eletromagntico, reduzindo a eficincia da mquina. O controle doDFIGpode considerar

esta parcela de perdas se, atravs do circuito equivalente nos eixos dq, forem includas uma

resistncia no circuito do estator e outra no rotor, conforme representado na Figura 4.3

[22,23].

Figura 4.3 - Circuito equivalente dq do DFIG com a incluso das perdas no ferro.

Na modelagem doDFIGcom a incluso das perdas no ferro, as equaes de tenso

do estator e rotor so expressas, respectivamente, por:

s s

s s

r

r

qs qs ds qs

ds ds qs ds

dv i

dt

dv i

dt

= + + = +

(4.25)

( )

( )

r s

r s

r p

r p

qr qr r dr qr

dr dr r qr dr

dv i

dt

dv i

dt

= + + = +

(4.26)

onde:

ls m

ls m

ls m

ls m

L L

L L

L L

L L

qs qs qm

ds ds dm

qr qr qm

dr dr dm

i i

i i

i i

i i

= +

= +

= + = +

(4.27)

qm qs qr qsfe qrfe

dm ds dr dsfe drfe

i i i i i

i i i i i

= +

= + (4.28)


48/157

27

O torque eletromagntico calculado pela expresso:

( ) ( )m m3 P

L L2 2e qs dr dfe ds qr qfe

T i i i i i i =

(4.29)

4.6 Modelagem do controle do DFIG considerando as perdas no ferro

A orientao dos eixos de referncia do estator poder ser realizada da mesma forma

como citado no item anterior, isto :

0ds s

qs

= =

(4.30)

Fazendo:

qfe qsfe qrfe

dfe dsfe drfe

i i i

i i i

= +

= + (4.31)

Com (4.27), (4.28) e (4.31), as correntes no estator so calculadas:

m

s

m

s

L( )

L

L( )

L

qs qr qfe

ds dr dfe

i i i

i i i

= =

(4.32)

Os fluxos dqno rotor so obtidos:

( )

mr m

s

mr m

s

LL 1 L

L

LL L

L

qr qr qfe

dr dr s dfe

i i

i i

= +

= + +

(4.33)

Substituindo (4.33) em (4.26), resulta:

( )mr r r ms

mr r r m

s

Lr L L L

L

Lr L L 1 L

L

qrqr qr slip dr s dfe

drdr dr slip qr qfe

div i i i

dt

div i i i

dt

= + + + +

= + +

(4.34)

Comparando (4.34) com (4.21), possvel concluir que o fato de considerar as

perdas no ferro doDFIGocasiona uma pequena alterao no algoritmo de controle. Por

outro lado, se em (4.34) as perdas no ferro forem desconsideradas, zerando as correntes idfe

e iqfe, chega-se no modelo descrito em (4.21).


49/157

28

4.7 Clculo da potncia ativa (P) e reativa (Q) no estator e rotor do DFIG

NoDFIG, conforme mostra a Figura 4.1, o fluxo de energia se d tanto pelo circuito

do estator quanto pelo circuito do rotor. O conversor bidirecional em potncia ir impor no

rotor valores de tenso e corrente para que as potncias ativa e reativa no estator sejam

controladas de acordo com as condies do sistema. Neste item ser apresentada a deduo

matemtica das potncias ativa e reativa no circuito do estator e rotor.

4.7.1 Clculo de Pse Qs

A forma geral das potncias ativa e reativa no estator em funo da tenso e corrente

nos eixos de referncia dqs:

( )

( )

323

2

s ds ds qs qs

s qs ds ds qs

P v i v i

Q v i v i

= + =

(4.35)

Em regime permanente o fluxo ds constante, portanto, o termo que contm sua

derivada em (4.25) igual a zero. Considerando (4.30), as tenses vqs e vds em regime

permanente podem ser expressas:

s

s

r

r

qs s qs s

ds ds

v i

v i

= + = (4.36)

Substituindo (4.36) em (4.35) e usando as relaes (4.27), (4.28) e (4.30), as

potnciasPse Qs sero calculadas em funo das correntes no rotor:

( ) ( )

( )

2 2ms s

s

2s m s

L3 r

2 L

L 3 3

2 L 2 L

s s qr qfe qs ds

s ss dr dfe

s s

P i i i i

Q i i

= + +

=

(4.37)

Se o termo ( )2 2sr qs dsi i+ , que representa as perdas no cobre do circuito do estator, for

desprezado juntamente com as correntes iqfe e idfe, que representam as perdas no ferro, a

potncias ativa e reativa so calculadas por:


50/157

29

ms

s

2s m s

L3

2 L

L 3 3

2 L 2 L

s s qr

s s

s drs s

P i

Q i

(4.38)

Analisando-se (4.38), conclui-se que Ps e Qs podem ser controladas atravs das

correntes iqre idr, respectivamente.

4.7.2 Clculo de Pre Qr

De forma semelhante ao clculo de potncia no estator, as potncias ativa e reativa

no rotor (Pre Qr) so expressas em funo das tenses e correntes nos eixos de refernciadqrno rotor:

( )

( )

3

23

2

r qr qr dr dr

r qr dr dr qr

P v i v i

Q v i v i

= + =

(4.39)

Se em (4.26) forem consideradas apenas as tenses no rotor em regime permanente e

considerando (4.33), as potncias ativa e reativa no rotor so expressas pelas equaes a

seguir:

( ) ( )

( ) ( )

2 2m mm m r

s s

22 2m m

r ms

L L3L 1 L r

2 L L

L L3L L

2 L Ls

r slip qr s dfe dr qfe qr dr

r slip s dr qr dr dr dfe qr qfe qr qfe

P i i i i i i

Q i i i i i i i i i

= + + + +

= + + + +

(4.40)

Analisando (4.40), se o gerador opera na velocidade sncrona, onde slip = 0, a

potncia ativa no rotor ser apenas a parcela das perdas no cobre. Existir uma velocidade,

pouco alm da sncrona, em que a potncia ativa no rotor nula. Neste ponto, a parcela de

perdas no cobre do rotor suprida pelo prprio efeito gerador do circuito do rotor. Se a

parcela ( )2 2rr qr dr i i+ , que representa as perdas no cobre do rotor, for desprezada, a potncia

ativa no rotor proporcional velocidade de escorregamento slip.


51/157

30

A potncia reativa, conforme definida por (4.40), diretamente proporcional

velocidade de escorregamento slip. A potncia reativa positiva para a regio

subsncrona, negativa na regio supersncrona e zero na operao doDFIGna velocidade

sncrona.

Se em (4.40), tanto as perdas no cobre do rotor quanto as perdas no ferro forem

desprezadas, o clculo das potncias no rotor pode ser bastante simplificado, como

expresso pelas equaes a seguir:

3

2

3

2

mr s slip qr

s

mr s slip dr

s

LP i

L

LQ i

L

(4.41)

4.8 Sistema de controle do conversor do lado do rotor

A Figura 4.4 mostra o diagrama esquemtico do controle do conversor do lado do

rotor doDFIG. Neste sistema, a posio do fluxo do estator calculada atravs das tenses

e correntes medidas no estator. A posio dos eixos de referncia dqr obtida atravs da

diferena entre a posio do fluxo do estator e a posio do prprio rotor. Por meio de duas

malhas de controle, as correntes no rotor so controladas nos eixos de referncia dqr. Otorque eletromagntico do gerador controlado atravs da malha de corrente iqr e a

potncia reativa atravs da malha de corrente idr. A seguir sero apresentados tpicos

detalhando o funcionamento do sistema apresentado no diagrama de controle da Figura

4.4.

4.8.1 Obteno da posio do fluxo do estator

As tenses e correntes de linha, Vabs, Vcase iAs, iBs,. iCs,so medidas e transformadas

nas respectivas tenses e correntes nos eixos de referncia estacionrios do estator.

Devido ligao tringulo do enrolamento do estator, o eixo s alinhado com a tenso

Vabs, como representado na Figura 4.5:


52/157

31

abc

dq

Sensor de

posio

dq

dq

+-

r

s

V s

dsPLL

slip

iAs iBs iCs

Clculo do

fluxo-+

PI

++

+-

qs

sslip

ds

+-

-+

100

101

110

011

001

010

DFIG

r*

r

PWM

vetorial

PI

Ssinc

.

Vas Vbs VcsVas Vbs Vcs

abs

PI

riqr

rb

a

Trajetria demxima potncia

r Mx

r Mn

a Modo de controle de torqueb Modo de controle de velocidade

Clculo da

potncia reativa

Filtro

PI -+

Qs*

Qs

abc

S1

i s

abc

Processo de

sincronizaao

Clculo de

re slip

abc

Rede

V s

p

s

,bri ,cri

,ri

,ri

,dr

i,qri

,dr

i

,qri

, *qri , *dr

i

,sin *qr ci

,sin *cdri

,sin *qr ci

,sin *cdri

,qrv

,drv

,rV

,rV

cqrv'

cdrv'

Figura 4.4 - Diagrama do controle do conversor do lado do rotor do DFIG.

Figura 4.5 Tenses de fase e de linha do estator e o sistema de eixos .


53/157

32

As tenses e correntes nos eixossso calculadas pelas expresses:

( )

3

23

s abs

s abs cas

V V

V V V

=

= +

(4.42)

( )

( )

1

2

32

6

s As Bs

s As Bs Cs

i i i

i i i i

= + = +

(4.43)

O fluxo produzido pelo enrolamento do estator calculado atravs da integrao da

fora contra-eletromotriz [25]:

( )

( )

s

s

r

r

s s s

s s s

V i dt

V i dt

=

=

(4.44)

O clculo do fluxo atravs da integrao da fora contra-eletromotriz, adotado neste

trabalho, relativamente simples e requer apenas o conhecimento da resistncia do estator

da mquina. A resistncia do estator foi considerada constante, entretanto, dependendo da

aplicao, sua variao em funo da temperatura pode ser compensada [26].

A integrao da fora contra-eletromotriz por um integrador puro gera problemas desaturao e offsetno clculo do fluxo. Isto ocorre devido condio inicial, offset e no

idealidades dos sinais das tenses e correntes. Para resolver este problema, o valor do offset

a cada perodo do sinal de sada compensado na entrada do integrador discreto, como

representado na Figura 4.6 [27]. O valor mdio do fluxo detectado atravs da mdia entre

os pontos de mximo e mnimo a cada perodo. O valor de Kf define a velocidade da

correo do offsete pode ser ajustado dependendo da amplitude do offset. Neste trabalho,

com tempo de amostragem (Tsb) de 2s, foi adotado um Kf= 100.1

z

( )srV i V

i

Figura 4.6 Integrador discreto no clculo do fluxo do estator.


54/157

33

A partir dos fluxos e da posio s, a transformada de Park(ou /dq) usada

para obter os fluxos no sistema de eixos girantes dqs, conforme as expresses a seguir:

( ) ( )

( ) ( )

cos sin

sin cos

ds s s s s

qs s s s s

= + = +

(4.45)

A posio do fluxo s calculada por um PLL conforme o digrama mostrado na

Figura 4.7 [28]:

s

s

s

0qs =

qs s

ds

s

1

z

-1

sT z

z

Figura 4.7 Clculo da posio do fluxo do estator com PLL.

De acordo com a Figura 4.7, os fluxos nos eixos de referncia so transformados

para o sistema dqsa partir da posio sfornecida pelo PLL. A posio s obtida atravsda integrao do sinal de velocidade que constantemente ajustado pelo controlador PI de

tal forma que o fluxo sna direo do eixo qsseja nulo, ou seja:

=

=

0qs

sds

(4.46)

O valor s adicionado sada do controlador PI usado para ajustar a condio

inicial do PI e levar o PLL condio de regime permanente mais rapidamente.

O controlador PI foi projetado considerando a malha de controle do fluxo segundo o

eixo qs. A Figura 4.8 pode ser utilizada para analisar a dinmica do PLL.

Na Figura 4.8 considerado um erro de posio de sentre a posio do fluxo se

a posio do fluxo estimada pelo PLL, ou seja:

' = -s s s (4.47)

O fluxo segundo a direo do eixoqs dado por:

( )qs s ssen = (4.48)


55/157

34

Para valores pequenos de s, pode-se aproximar:

sqs s (4.49)

Figura 4.8 Alinhamento do fluxo scom o eixo ds.

O controlador PI, no formato zero-plo, definido pela funo de transferncia (FT)

no planozcom um plo em +1, um zero em Zce um ganho Kc. Desta forma, a FT GcfD(z)

do controlador expressa da seguinte forma:

( )

( )c c

cfD

K ZG (z) 1

z

z

= (4.50)

A Figura 4.9 mostra a malha de controle do fluxo qs utilizada no projeto do

controlador GcfD (z), de acordo com o diagrama apresentado na Figura 4.7.

qs = 0 qsss

( )

( )c cK z - Z

z - 1

1

z( )sT z

z - 1

Figura 4.9 Malha de controle do fluxo segundo a direo qs.

O controlador GcfD (z) foi projetado no plano z, tal que o par de plos dominantes em

malha fechada tenha um coeficiente de amortecimento de 0,7 e um tempo de

acomodao (settling time) a 5% de 0,01s. Com os dados apresentados no Apndice A, o


56/157

35

valor de s pode ser calculado com boa aproximao, desprezando-se a influncia das

correntes no estator, da seguinte forma:

s

3 311

= = = 1,43 Wb 120abs mx

s

V

(4.51)

Portanto, com o tempo de amostragem Ts =200 s e s=1,43Wb, os parmetros do

controlador so calculados:

( ) ( )

( )cfD567 z - 0,9246

G z =z - 1

(4.52)

O procedimento de projeto do controlador Gcf (z), neste caso, semelhante ao projeto

dos controladores de corrente, que ser apresentado detalhadamente ainda neste captulo.

4.8.2 Resultados de simulao do PLL estimador de fluxo

Os resultados apresentados neste item foram obtidos atravs da simulao do sistema

realizada no Matlab/Simulink. Estes resultados se referem ao sistema nas condies

nominais, c

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