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Figura 4.24 – Perfil rms das correntes nos terminais de saída do gerador 2 – Caso 2
Uma análise do balanço das potências ativa e reativa é efetuada através das figuras
subseqüentes. Primeiramente, analisando a potência ativa mostrada na figura 4.25, observa-se
que, com a operação do parque eólico, houve uma diminuição das potências ativa fornecidas
pelos geradores 1 e 2. Esta constatação pode ser comprovada comparando-se as figuras 4.25
com a figura 4.8 do Caso 1, onde não havia a presença da fazenda eólica. A potência ativa
fornecida pelos geradores passa de aproximadamente 9 MW (Caso 1) para 7,1 MW (caso
atual), sendo a diferença suprida pela fazenda eólica. Fazendo uma análise do comportamento
da potência reativa, através da figura 4.26 fica evidente também o decréscimo de reativos
fornecidos pelos geradores elétricos, comparativamente ao Caso 1. O gerador 1 que fornecia
3,5 Mvar passou a fornecer aproximadamente 2,6 Mvar, enquanto que, o gerador 2 que
contribuía com 4,0 Mvar, passa a entregar um valor em torno de 3,4 Mvar. Esta diminuição
tanto da potência ativa quando da potência reativa provocada pela geração eólica localizada
próxima às cargas propicia o alívio das linhas de transmissão, assim como, a diminuição das
perdas, principalmente, pela redução no transporte de reativos.
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Figura 4.25 – Potência ativa fornecida pelos geradores 1 e 2 – Caso 2
Figura 4.26 – Potências reativa fornecidas pelos geradores síncronos 1 e 2 – Caso 2
Uma conseqüência direta do fornecimento de reativos pelo parque eólico e também da
diminuição da potência ativa transmitida pelas linhas, além da diminuição das perdas, está
também na melhoria no perfil de tensão para todas as barras do sistema, como mostra a figura
4.27, as quais situam agora entre 0,985 e 0,99 pu.
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Figura 4.27 – Comportamento das tensões nas quatro barras, em pu – Caso 2
As oscilações na potência ativa fornecida pela central eólica é uma característica
inerente desse aproveitamento energético, devido à aleatoriedade da fonte primária, gerando
assim, variações da freqüência, como pode ser observado na figura 4.28. Esta figura ilustra o
comportamento das freqüências nas quatro barras do sistema, e mostra a existência de
pequenas oscilações, porém permanecendo dentro de limites aceitáveis pelos órgãos
competentes do setor de energia elétrica do país. A figura 4.29 apresenta detalhes da figura
4.28, visando realçar os valores alcançados pelas variações das freqüências.
Figura 4.28 – Freqüências nas quatro barras – Caso 2
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Figura 4.29 – Detalhes das freqüências nas quatro barras – Caso 2
4.4.3 CASO 3: SISTEMA SOB CONDIÇÕES NORMAIS, COM A PRESENÇA
DO PARQUE EÓLICO E VENTO COM TURBULÊNCIAS
O caso em questão objetiva avaliar o comportamento da interação do sistema eólico,
para uma condição de vento apresentando turbulências do tipo rajada, com o sistema de
potência. Pretende-se com esta condição analisar o desempenho dinâmico dos diversos
componentes que compõem o WECS, notadamente os controles das potências aerodinâmica e
elétrica e das tensões e correntes, perante esta nova situação para a energia primária.
A figura 4.30 mostra a velocidade do vento incidente nas pás do rotor eólico utilizado
nos estudos. O vento apresenta, além da componente base igual a 8 m/s e a componente
denominada de ruído, a qual está sempre presente, duas rajadas de vento, ambas com duração
de 3 segundos e com valor máximo de 2 m/s.
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Figura 4.30 – Velocidade do vento incidente nas pás das turbinas eólicas – Caso 3
A velocidade do eixo do rotor eólico e do gerador elétrico está mostrada na figura 4.31.
A figura evidencia, como já mostrado anteriormente, a sensibilidade da velocidade do rotor a
mudanças da velocidade do vento. Para esta situação, pode-se constatar que, semelhantemente
ao vento utilizado, a velocidade mecânica também apresenta duas variações significativas,
atingindo valores máximos nos instantes t = 7,5 s e t = 12,5 s, instantes estes de maior
velocidade do vento. A velocidade rotacional do eixo sai do valor de regime em torno de 3,5
rad/s para um valor de pico aproximadamente de 4,8 rad/s. Ao término de cada fenômeno, a
velocidade do eixo tende para o seu valor de regime permanente pré-evento.
Figura 4.31 – Velocidade mecânica do eixo – Caso 3
O comportamento do coeficiente de potência ou eficiência de uma única turbina está
mostrado na figura 4.32. Vale ressaltar que, como todas as turbinas sofrem a atuação do
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mesmo sinal de vento e como possuem as mesmas características, todas apresentam
desempenho semelhante. O valor do coeficiente de potência sofre variações transitórias
durante o tempo em que as rajadas estão presentes, visto que, esta variável é dependente da
velocidade do eixo, que por sua vez depende da velocidade do vento. O valor deste
coeficiente em regime é 0,38 e durante as rajadas cai para 0,32. Com o aumento da velocidade
do eixo, a razão da velocidade na pá (λ) aumenta, de acordo a descrição teórica apresentada
na seção 3.2.2, onde está apresentado a característica Cp × λ.
Figura 4.32 – Coeficiente de potência das turbinas eólicas – Caso 3
A figura 4.33 ilustra o comportamento da potência aerodinâmica extraída do vento para
uma turbina. Esta potência, antes da imposição das rajadas, tem um valor médio aproximado
de 163 kW, enquanto que no pico das turbulências atinge um valor máximo em torno de 283
kW. Salienta-se que, o forte incremento desta potência deve-se ao fato da mesma ser
proporcional ao cubo da velocidade do vento, como já detalhado na parte teórica deste
trabalho.
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Figura 4.33 – Comportamento da potência aerodinâmica de uma única turbina – Caso 3
Prosseguindo com as análises, a partir deste ponto, serão avaliadas as grandezas
elétricas tais como tensões, correntes, potências e freqüências.
A figura 4.34 mostra o perfil rms das tensões trifásicas nos terminais de saída do
gerador síncrono de uma turbina eólica. Observa-se na figura que estas grandezas
experimentam, embora de forma suave, as variações que se processam no vento. Ressalta-se
que, o sistema focado neste trabalho é do tipo velocidade variável, dessa maneira, a
velocidade do rotor, como já apresentada, e consequentemente a freqüência dos sinais gerados
também são alterados quando ocorrem variações na velocidade do vento, principalmente
quando acontecem turbulências mais acentuadas. A tensão eficaz em regime é de
aproximadamente 450 V e no pico das rajadas atinge 560 V.
Vale observar que durante as rajadas os valores rms mostrados na figura 4.34
apresentam-se oscilatórios em torno do valor médio. Estas variações, no entanto, devem-se ao
processo de cálculo utilizado para determinar o valor rms, o qual é dependente da freqüência
da grandeza em foco. Como nos intervalos de tempo das rajadas ocorrem acréscimos da
freqüência dos sinais gerados em função da aceleração da máquina síncrona, isto causa
“desvios” no perfil do valor eficaz, sendo esta a justificativa para tal comportamento. Este
comentário aplica-se a todas as situações semelhantes que doravante venham a ser
apresentadas.
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Figura 4.34 – Tensões rms nos terminais de saída do gerador elétrico de uma turbina eólica –
Caso 3
A figura 4.35 apresenta o comportamento das correntes rms nos terminais do gerador
elétrico de uma turbina eólica pertence ao parque em foco, para a situação sob análise. Em
decorrência das duas rajadas de vento impostas, a corrente também passa por dois transitórios,
coincidentes no tempo com os verificados no vento. Vale ressaltar que, aqueles comentários
feitos anteriormente para a freqüência das tensões geradas aplicam-se também para as
correntes, obviamente. Outro fator merecedor de destaque é a maior disponibilidade de
potência que, devido às turbulências, resulta em maior potência extraída do vento e, portanto,
em maior corrente elétrica, como se pode observar na figura em questão. O valor eficaz de tal
grandeza sem a turbulência é 203 A, atingindo um valor eficaz máximo aproximado de 274 A,
no pico das rajadas. Ressalta-se mais uma vez, que o efeito oscilatório das correntes rms
durante as rajadas deve-se ao procedimento de cálculo já comentado anteriormente.
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Figura 4.35 – Perfil rms das correntes nos terminais de saída de um gerador síncrono de uma
turbina eólica – Caso 3
A figura 4.36 mostra o perfil rms das tensões trifásicas nos terminais de saída de um
inversor. Pode-se observar que, apesar das turbulências na fonte primária de energia, esta
grandeza permanece constante ao longo do tempo, devido à atuação do controle adotado no
processo de inversão. O valor eficaz dessas tensões é aproximadamente 397 V.
Figura 4.36 – Comportamento dos valores eficazes das tensões trifásicas nos terminais de
saída de um inversor de uma turbina eólica – Caso 3
A figura 4.37 apresenta o comportamento do perfil rms das correntes trifásicas
correspondentes às tensões nos terminais de saída do inversor de um único aerogerador.
Observa-se que, ao contrário das tensões, as correntes acompanham as variações da
velocidade do vento. Nesta situação, como a freqüência é fixa, não ocorre aquele desvio
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(oscilação) no valor rms, provocado pela rotina de cálculo, apesar do acréscimo na magnitude
da corrente. O valor eficaz das correntes situado em torno de 145 A, em regime permanente e
de, aproximadamente, 205 A, no máximo das rajadas.
Figura 4.37 – Perfil rms das correntes nos terminais de saída de um inversor – Caso 3
O perfil rms das tensões trifásicas no Ponto de Acoplamento Comum (PAC) está
mostrado na figura 4.38. As tensões apresentam o mesmo comportamento daquelas
visualizadas na saída do inversor, obviamente, independente da variação da velocidade do
vento. Nota-se que o oscilograma, semelhantemente ao Caso 2, apresenta-se constante ao
longo de todo o período de observação, permanecendo no valor em torno de 13628 V.
Figura 4.38 – Perfil rms das tensões no PAC – Caso 3
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