Sistemas de Geração Eólica – 29/11 - foz.unioeste.brromeu/Topicos/Aula3.pdf · DFIG:...
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1
Sistemas de Geração Eólica
Prof. Romeu ReginatoOutubro de 2010
2
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
3
Aspectos Tecnológicos
4
Operação Básica de Aerogeradores
• Velocidade fixa
• Velocidade variável– Faixa limitada
– Faixa plena / ampla
5
Aspectos Tecnológicos
• Tipo de turbina eólica
• Tipo de gerador
• Emprego de conversores estáticos
• Capacidades / recursos operativos
• Controles envolvidos6
Tipos de Turbinas Eólicas
7
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
9
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
11
Comportamento de Cp para diferentes turbinas
12
Evolução das turbinas eólicas
Adaptado de: Molly, J.P.; Global Renewable Energy Forum; Foz do Iguaçu, 2008.
13
Wind Power; Power House; http://www.powerhousetv.com
Orientação da turbina
Ajuste do ângulo de passo das
pás
14
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)
15
Tipos de Geradores
16
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
17
Topologias deSistemas de Geração Eólica
18
Classificação
• Critérios– Controle/variação de velocidade
• Velocidade Fixa • Velocidade Variável
– Controle de potência aerodinâmica (pás)• Controle stall passivo• Controle pitch• Controle stall ativo
19
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
20
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)
22
Tipo A – Velocidade Fixa
Fonte: Ackermann, 2005.
• Gerador conectado diretamente à rede
• Soft-starter efetua a conexão automaticamente
• Velocidade definida pela frequência da rede– Gerador – velocidade supersíncrona
23
Gerador de Indução de Rotor em Gaiola (SCIG)
1. Motor.
Velocidade subsíncrona
2. Gerador.
Velocidade supersíncrona
Dois modos de funcionamento
24
Turbinas Tipo AAproveitamento da potência eólica
25
Tipo A – Velocidade Fixa
Fonte: Ackermann, 2005.
• 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
26
Turbinas Tipo ACurva de potência ativa
Adaptado de Tarnowski, 2006
27
Tipo A – Velocidade Fixa
Fonte: Ackermann, 2005.
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
28
Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona
PmP
Q
29
PmP
Q
REDE
Compensação de reativosCompensação de fator de potência
Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona
30
Pm P
Q
REDE
Flutuações de velocidade do ventosão traduzida em
flutuações na potência elétrica
Pa
Turbinas Tipo A Velocidade supersíncrona
31
Tipo B
32
Tipo B – Velocidade Variável Limitada
Fonte: Ackermann, 2005.
• Caixa de engrenagens amplificadora
• Gerador assíncrono – indução de rotor bobinado
• Conexão direta do gerador na rede
• Soft-starter
33
Tipo B – Velocidade Variável Limitada
Fonte: Ackermann, 2005.
• 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
35
Tipo B – Velocidade Variável Limitada
Fonte: Ackermann, 2005.
• Potência ativa – Velocidade do vento– Resistência de rotor
36
Turbinas Tipo BAproveitamento da potência eólica
37
Tipo B – Velocidade Variável Limitada
Fonte: Ackermann, 2005.
• 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
42
Estrutura do DFIG conectado à rede elétrica
• Estator conectado diretamente à rede• Rotor conectado via conversor estático
Controles
43
DFIG conectado à rede elétrica: Frequências
Frequênciada rede
Frequênciade escorregamento
Frequência zeroCC
44
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
45
Fluxo das potênciasVelocidade subsíncrona
Pr
Ps
Qs
Qr Qc
P
Q
46
Fluxo das potênciasVelocidade supersíncrona
Pr
Ps
Qs
Qr Qc
P
Q
47
CaracterCaracteríísticas eststicas estááticas do DFIG ticas do DFIG Potência Ativa Potência Ativa EstatorEstator
Ir = 0, 1, 2, 3, 4.
48
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.
51
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
52
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
53
DFIG: Estratégias de Operação
• Máxima eficiência aerodinâmica (Maximum power tracking – MPT)
• Regulação de Potência Ativa
• Controle de Potência Reativa
• Controle de Tensão
54
OU
OU
DFIG: Estratégias de Operação
• Máxima eficiência aerodinâmica (Maximum power tracking – MPT)
• Regulação de Potência Ativa
• Controle de Potência Reativa
• Controle de Tensão
55
DFIG: Variáveis de controleOnde se pode atuar para controlar o DFIG?
56
DFIG: Variáveis de controleOnde se pode atuar para controlar o DFIG?
Velocidade do vento: conforme o ventoFrequência de estator = freqüência da rede
57
Princípio do controle MTP
• Maximizar o coeficiente de potência a cada velocidade do vento
Cp(λ,ϕ)
w
t
VR
ωλ =
Pás fixas
58
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 =
59
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
Fonte: Ackermann, 2005.
• Gerador síncrono– Imã permanente
– Excitação independente
• Gerador assíncrono (rotor bobinado)
63
Tipo D – Velocidade Variável
Fonte: Ackermann, 2005.
• Estator ligado à rede via conversor estático– Conversor estático de potência plena– Frequência da rede e velocidade da turbina
são desvinculadas64
Tipo D – Velocidade Variável
Fonte: Ackermann, 2005.
• Com caixa de engrenagens– Similar aos Tipos A, B, C
• Direct drive (sem caixa de engrenages)– Gerador multipólos (síncrono)
65
Tipo D – Velocidade Variável
• Variáveis de atuação
66
Tipo D – Velocidade Variável
67
Tipo D – Velocidade Variável
Fonte: Ackermann, 2005.
• Velocidade da turbina– Desacoplada da frequência da rede
– Potência ativa gerada
– Estratégia de controle
68
Tipo D – Velocidade Variável
• 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
69
Tipo D – Velocidade Variável
• Potência reativa– Lado do gerador e da rede desacoplados pelo
link DC do conversor
– Lado da rede – controlada através do conversor estático
70
Tipo D – Velocidade Variável
• Outras funções do conversor estático– Conexão/desconexão da rede
– Excitação do gerador (se necessário)
71
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