MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Energia Eólica
Tipos de Aerogeradores
Modelização, Controlo e Protecções
J. A. Peças Lopes
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Introdução
• Existem fundamentalmente 3 tipos de aerogeradores com
aplicação industrial:
– Máquinas assíncronas (com e sem controlo do ângulo de
pitch);
– Máquinas assíncronas duplamente alimentadas - (Doubly
fed induction wind generators -DFIWG);
– Máquinas síncronas de velocidade variável.
Conversores
Electrónicos
(as máquinas assíncronas começaram por ser inicialmente
utilizadas, tendo hoje uma quota de mercado muito
reduzida)
2005/2006
1
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Energia Eólica
Tipo de Geradores
• CIGRE TF38.0110
2005/2006
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Energia Eólica
Componentes aerodinâmicas
• Três variáveis aerodinâmicas definem o comportamento da
turbina eólica:
ƒ
λ - relação de velocidade de extremidade das pás (tip speed
ratio)
ƒ Cp - O coeficiente de potência;
ƒ θ - O ângulo de pitch.
• Definem-se estratégias de controlo para os modos de
operação em velocidade fixa ou em velocidade variável.
2005/2006
2
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Energia Eólica
Potência disponível
Pw =
1
ρC p AVw3
2
onde:
Pw é a potência mecânica do rotor (W)
Vw velocidade do vento no centro do rotor (m/s)
Α=πR2 superfície varrida pelas pás (m2)
R raio das pás (m)
ρ densidade do ar (kg/m3) – 1,23 kg/m3
Cp coeficiente aerodinâmico do rotor (típico = 0,4)
O binário mecânico pode ser calculado a partir de Pw:
Tw =
Pw
ωR
2005/2006
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Potência disponível
•
O coeficiente, Cp, é a percentagem da Wc da massa de ar
incidente no rotor que é convertida em energia mecânica,
sendo dada por:
⎛ 116
⎞
− 0.4 × θ − 5 ⎟⎟ × e
C p (λ ,θ ) = 0.22 × ⎜⎜
⎝ λi
⎠
−12.5
λi
Onde:
β ó ângulo de passo da pá (pitch angle)
λ é a relação de velocidade da pá (tip speed ratio), definida
como:
λ=
Rω R
Vw
2005/2006
3
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Potência Disponível
• Curvas Cp = f(λ,θ)
Valor máximo
teórico:
Cp_max ≅ 0.59
Turbinas de vel. Variável são operadas de forma a obter o melhor rendimento
2005/2006
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Potência disponível
• Operação da turbina com máxima potência mecânica
Pmax = Kopω3
Onde:
⎛C
⎞
K op = 1 .ρ .R 5 .π . ⎜ p 3 ⎟
2
⎝ λ ⎠
2005/2006
4
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Controlo do ângulo de Pitch
• Modelização do comportamento do controlo de pitch
Pmec_ref
[pu] -
Ângulo
de
referêcia
Σ
kp +
+
ki
s
+
θref
[graus]
1
s
k
Ts + 1
Σ
Ângulo
de
pitch
θ
[graus]
-
Pmec
[pu]
0
Outras técnicas:
-Active stall ( θ negativo);
-Passive stall
2005/2006
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Resposta ao controlo do ângulo das pás
2005/2006
5
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Potência disponível
2005/2006
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Comportamento do Gerador de Indução em
Regime Estacionário
•
•
O funcionamento de um gerador de indução é em todo semelhante
ao de um motor de indução, com a diferença de que funciona em
hiper-sincronismo;
Esquema equivalente:
P = R I2
M
2
2 1 − slip
slip
(1)
2005/2006
6
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Comportamento do Gerador de Indução em
Regime Estacionário
• Em termos de potências:
P
Qgi (potência reactiva)
Gerador de indução
Q – potência “consumida” nas reactâncias da máquina (magnetização + Xs e Xr)
2005/2006
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Comportamento do Gerador de Indução em
Regime Estacionário
• Em termos de potências:
– Soluções para evitar minimizar o consumo de pot. reactiva
P
Bateria de condensadores
Qc
Qgi (potência reactiva)
2005/2006
7
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Comportamento do Gerador de Indução em
Regime Estacionário
• Soluções de dimensionamento das baterias de
condensadores:
– Compensação em vazio;
– Compensação para factor de potência unitário à plena carga
– Sobre-compensação para permitir fornecer energia reactiva
capacitiva à rede
• Problemas:
– Acréscimo de investimento;
– Riscos de auto-excitação
2005/2006
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Modelo do Gerador de Indução para Estudos de
Regime Estacionário
• A integração dos aerogeradores de indução pode requerer
a realização de estudos de impacto nas redes eléctricas:
– Avaliar a variação dos perfis de tensão;
– Avaliar a variação das perdas na rede;
– Avaliar da ocorrência de congestionamentos nos ramos.
• Estudos de trânsitos de potências
• Representação dos geradores de indução convencionais
em estudos de TP:
– Barramentos PQ
– Barramentos PQ modificados:
• Barras PX
• Barras RX
– Alterações nos algoritmos de cálculo do TP
2005/2006
8
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Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos
•
No modelo dinâmico de geradores assíncronos é usual
definir um conjunto de pressupostos e simplificações:
9 A taxa de variação do fluxo magnético do estator (dλ/dt) é
desprezada;
9 O rotor apresenta uma estrutura simétrica;
9 A força elástica e a força resultante de torção do eixo da
máquina são desprezados;
9 A saturação magnética é desprezada;
9 A distribuição dos fluxos é considerada sinusoidal;
9 As perdas mecânicas são desprezados.
•
Estas simplificações reduzem a complexidade da
modelização, sem comprometer a qualidade dos resultados
em estudos de comportamento dinâmico
2005/2006
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Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos
• Modelo simplificado para efeito de estudos dinâmicos
fem induzida
no rotor
Quando existirem também conversores electrónicos
2005/2006
9
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Modelos eléctricos
•
• Gerador assíncrono convencional (modelo de 3º ordem)
Electrical behavior
Electrical behavior
1
⎧ ∂E're
⎪ ∂t = 2πf × s × E'im − T × (E're − (X − X') × I im )
⎪
o
⎨
⎪ ∂E'im = − 2 πf × s × E' − 1 × (E' + (X − X') × I )
re
im
re
⎪⎩ ∂ t
To
X' = Xe +
Mechanical behavior
⎧ Vre = E're − R e × I re + X'×I im
⎨
⎩ Vim = E'im − X'×I re − R e × I im
(
∂ ω πf
=
× Pmec − Pg
∂t H
)
Pg = E're ×I re + E'im ×I im
Q g = E'im ×I re − E're ×I im
X m × Xr
X r + Xm
; X = X e + Xm ; To =
(2πf0 ) × R r
Xm + Xr
s=
2.π .f − ω
2.π .f
2005/2006
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Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado
• Gerador assíncrono:
– Directamente ligado à rede;
– Ligado à rede via DC;
– Com controlo dinâmico de deslizamento;
– Double-fed induction machine
Pg + jQ g
vs
ig
ia
ωr
is
vr
va
C2
ir
vdc
C1
dc / ac
ac / dc
Controller
Controller
Crowbar
Protection
2005/2006
10
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Modelos Eléctricos
• Geradores assíncronos duplamente alimentados
1⎡
⎧ ded
'
⎤
⎪ dt = − T ⎣ed − ( X − X ) iqs ⎦ + sωs eq − ωs
⎪
o
⎨
⎪ deq = − 1 ⎡e + X − X ' i ⎤ − sω e + ω
(
) ds ⎦ s d s
q
⎪⎩ dt
To ⎣
Lm
vqr
Lrr
(6)
Lm
vdr
Lrr
rotor speed control
Iqr
dωr 1
= (Tm − Te )
dt
J
ωref
-
KP1 +
KI1
s
Kv
Tv s + 1
(7)
Iqref +
KP2 +
KI 2
s
vqr
KP2 +
KI 2
s
vdr
+
ωra
Terminal voltage control
Idr
Vtref
Kt
Tt s +1
K
KP3 + I 3
s
+
Idref +
Vt
2005/2006
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Modelo eléctrico
• Esquema genérico de controlo de geradores DFIM
Pg + jQ g
vs
ig
ia
ωr
is
vr
va
C2
ir
vdc
C1
ac / dc
dc / ac
Controller
Controller
Crowbar
Protection
2005/2006
11
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Equações Algébrica e Dinâmicas
Observações importantes:
• As grandezas do gerador de indução podem ser
controladas através de injecções de tensões controladas a
partir do rotor. Na modelização adoptada a dinâmica do
rotor é assim considerada;
• Há modelos em que a máquina é suposta controlada por
injecções de correntes e o modelo matemático é definido
apenas por equações algébricas.
2005/2006
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Função dos Controladores
• As tensões controladas do rotor podem ser obtidas a partir
de controladores PI’s.
Controlo de velocidade do rotor
iqr
Wr
-
+
kp1+ki1
s
Wref -
-
Vtef
Modelo
do
Gerador
de
Indução
idr
Vt
+
vqr
kp2+ki2
s
+
iqref
-
kp3+ki3
s
+
idref
vdr
kp4+ki4
s
Controlo de tensão terminal
2005/2006
12
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Função dos Controladores
• Esquema de controle do Conversor ligado ao rotor
vas, vbs, vcs
Converter C1
Park's
Transformation
iar, ibr, icr
PWM
2
2
(vds + vqs)
var, vbr, vcr
Park's
Transformation
Inverse Park's
Transformation
Wr
1/2
Vt
-
+
Vtref
+
Wref vqr
vdr
iqr
-
-
kp1+ki1
s
+
iqref
idr
+
kp4+ki4
s
kp2+ki2
s
kp3+ki3
s
idref
Terminal voltge control
Speed rotor control
2005/2006
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Função dos Controladores
• Controlo da tensão do link DC
Sinal de controle
para o conversor
Pc
Pr
k
s + ωc
+
Vdcref
+
Pref
kp2+ki2
s
Vdc
Sinais de
correntes de
referência de
controle a partir
das potencias
activa e reactiva
de referência
-
Teoria da potência Instantânea
*
⎡ica
⎤
⎢*⎥
i
⎢ cb ⎥ =
⎢icc* ⎥
⎣ ⎦
⎡
⎤
0 ⎥
−1
⎢ 1
v (t ) v β (t )⎤
⎡ p (t ) ⎤
3 ⎢− 1
3
⎥ × ⎡⎢ α
×
×⎢ c ⎥
2 ⎥ − v β (t ) vα (t ) ⎥
2 ⎢ 2
⎣ q c (t ) ⎦
⎣
⎦
− 3 ⎥
⎢− 1
2⎦
⎣ 2
2005/2006
13
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Energia Eólica
Função dos Controladores
• Esquema de controle do Conversor ligado à rede eléctrica
vas, vbs, vcs
Converter C2
+
Vdc
-
Clark's
Transformation
PWM
vα
Vβ
ia, ib, ic
Inst. Power
Theory
pc
qc = 0
Pr
-
kp2+ki2
s
+
Pref
k
s + ωc
+
Vdcref
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Controlo optimizado
Nick Jenkis etal.
2005/2006
14
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Energia Eólica
Função dos Controladores
• Potências activa e reactiva do gerador podem ser
controladas utilizando-se a mesma configuração
referente as malhas de controlo de velocidade e
de tensão terminal.
• Além do controlo da máquina através dos
conversores, a turbina também pode ser
controlada pelo controlo de pitch. O controlo do
pitch ser utilizado para limitar a velocidade
rotacional ou a potência mecânica em limites
estabelecidos.
2005/2006
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Energia Eólica
Modelos eléctricos
• Gerador assíncrono duplamente alimentado (Operação do
crow bar)
Pg + jQ g
vs
ig
ia
ωr
is
vr
va
C2
ir
vdc
C1
ac / dc
dc / ac
Controller
Controller
Crowbar
Protection
Tem como objectivo garantir a
integridade física dos conversores;
2005/2006
15
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Operação do crow-bar
Potência Activa do rotor
Tensão Terminal
Corrente
Tensão do
do rotor
rotor
Corrente do rotor
2005/2006
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Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo
clássico PI
• Comportamento perante súbito acréscimo da
velocidade do vento:
(a) Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02);
(b) Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02).
• Comportamento perante curto-circuito:
(c) Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02);
(d) Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02).
2005/2006
16
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Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
•
Caso (a) - Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02)
10
Potencia Activa (MW)
Velocidade do rotor (p.u.)
0.965
0 .9 6
0.955
0 .9 5
0.945
0
5
10
T e m p o (s )
P o t e n c ia d o e s t a t o r
8
6
P o t e n c i a T o t a l (P s + P c )
4
15
0
5
10
T e m p o (s )
15
0
5
10
T e m p o (s )
15
Tensão Terminal (p.u.)
1 .0 3
15
Vento (m/s)
1.025
1 .0 2
1.015
1 .0 1
0
5
10
T e m p o (s )
14
13
12
11
15
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
•
Caso (a) – cont.
4.5
4.495
4.49
Torque Mecanico (p.u.)
Torque Eléctrico (p.u.)
Tensão CC (p.u.)
4.505
0
5
10
T e m p o (s )
15
0.08
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0
5
10
Te m p o (s )
15
0.1
c o rre n t e d o e s t a t o r
0.09
0.07
c o rre n t e d o ro t o r
0.08
0.07
0.06
0.06
0.05
0
5
10
T e m p o (s )
15
0.05
0
5
10
15
2005/2006
17
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
Caso (b) - Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02) :
12
Potencia Activa (MW)
1.07
1.06
1.05
1.04
0
5
10
T e m p o (s )
P o t e n c ia t o t a l
P o t e n c ia d o e s t a t o r
10
8
6
4
15
0
5
10
T e m p o (s )
15
0
5
10
T e m p o (s )
15
1.04
15
1.03
Vento (m/s)
Tensão Terminal (p.u.)
Velocidade do rotor (p.u.)
•
1.02
1.01
1
0
5
10
T e m p o (s )
14
13
12
11
15
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
•
Caso (b) – cont.
4.495
4.49
Torque mecanico (p.u.)
Torque Eléctrico (p.u.)
4.5
0
5
10
T e m p o (s )
0.1
0.08
0.06
0.04
15
0.09
0.12
0.08
0.1
0
5
10
T e m p o (s )
15
C o rre n t e d o e s t a t o r
Corrente (p.u.)
Tensão CC (p.u.)
4.51
4.505
0.07
0.06
0.05
0
5
10
T e m p o (s )
15
C o rre n t e d o ro t o r
0.08
0.06
0.04
0
5
10
T e m p o (s )
15
2005/2006
18
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
Velocidade do rotor (p.u.)
Pitch a actuar para limitar a velocidade do rotor
Variação de vento (m/s)
•
17
16
15
0
10
20
T e m p o (s )
30
9 .5 1
9 .5
9 .4 9
9 .4 8
1 .1 0 5
1.1
1 .0 9 5
0
10
20
T e m p o (s )
0
10
20
T e m p o (s )
30
0
10
20
T e m p o (s )
30
26
Angulo de pitch (graus)
Potencia Activa (MW)
9 .5 2
1 .1 1
24
22
20
18
16
30
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
Caso (c) - Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02) :
60
Potencia Activa (MW)
1 .0 5
1
0 .9 5
0.9
0 .8 5
0
5
10
T e m p o (s )
1.4
1.2
1
0.8
0
5
10
T e m p o (s )
15
P o t e n c ia t o t a l
P o t e n c ia d o e s t a t o r
40
20
0
-2 0
15
Potencia Reactiva (MVAr)
Tensão Terminal (p.u.)
Velocidade do rotor (p.u.)
•
0
5
10
T e m p o (s )
15
0
5
10
T e m p o (s )
15
30
20
10
0
-1 0
-2 0
2005/2006
19
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
•
Caso (c) – cont.
4.8
4.6
4.4
4.2
0
5
10
T e m p o (s )
0.6
0.4
0.2
0
-0 . 2
15
0.054
0.8
0.053
0.6
0
5
10
T e m p o (s )
15
C o rre n t e d o e s t a t o r
Corrente (p.u.)
Torque Mecanico (p.u.)
Torque Eléctrico (p.u.)
Tensão CC (p.u.)
5
0.052
0.051
0.05
0
5
10
T e m p o (s )
15
C o rre n t e d o ro t o r
0.4
0.2
0
0
5
10
T e m p o (s )
15
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação
•
Caso (c) - Regime sub-síncrono (com a actuação do crowbar)
2005/2006
20
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação
• Caso (c) - Regime sub-síncrono (crowbar permanente)
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
Caso (d) Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02) :
1 .2
60
Potencia Activa (MW)
Velocidade do rotor (p.u.)
•
1 .1
1
0 .9
0
5
10
T e m p o (s )
Potencia Reactiva (MVAr)
Tensão Terminal
1 .2
1
0 .8
0
5
10
T e m p o (s )
15
P o t e n c ia d o e s t a t o r
20
0
-2 0
15
1 .4
P o t e n c ia t o t a l
40
0
5
10
T e m p o (s )
15
0
5
10
T e m p o (s )
15
30
20
10
0
-1 0
-2 0
2005/2006
21
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados da Operação com controlo clássico PI
•
Caso (d) – cont.
4.6
4.4
4.2
0
5
10
T e m p o (s )
0.6
0.4
0.2
0
-0 . 2
15
0.053
0
5
10
T e m p o (s )
15
0.8
C o rre n t e d o e s t a t o r
Corrente (p.u.)
Torque Mecanico (p.u.)
Torque Eléctrico (p.u.)
Tensão CC (p.u.)
4.8
0.0528
0.0526
0.0524
0
5
10
T e m p o (s )
15
C o rre n t e d o ro t o r
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
T e m p o (s )
15
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Gerador Síncrono de Velocidade Variável
• A utilização de máquinas síncronas de velocidade variável
tem por objectivo a maximização do aproveitamento
energético na exploração da energia eólica.
• Fabricantes:
– Enercon;
• O conceito
2005/2006
22
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Gerador Síncrono de Velocidade Variável
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Gerador Síncrono de Velocidade Variável
2005/2006
23
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Gerador Síncrono de Velocidade Variável
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade
Variável
• Modelo simplificado onde:
– O modelo aerodinâmico é igual ao utilizado nas máquinas
assíncronas
1
ρ c p ( λ ,θ ) AVw3
2
– No gerador síncrono são desprezados os fenómenos
transitórios rápidos;
– O conversor é considerado ideal;
– Apenas são considerados ás interacções da turbina com a
rede e os seus sistemas de controlo
Pw =
• Em estudos de TP o GSVV pode ser representado como um
nó tipo PQ (ou em situações em que o sist de controlo
esteja preparado, como um nó PV).
2005/2006
24
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade
Variável
• Outros Modelos Possíveis
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Modelo do Gerador Síncrono de
Velocidade Variável
GS
Representação em
Simulink/Matlab
PWM-C1
PWM-C1
~
AVR
Curva Óptima de
Potência
Controlador
jX
Rede
Eléctrica
+
-
Controlador
ωr
vt
Popt +
Velocidade
de Vento
Turbina Eolica
v ento
Tm
Tm
To Workspace16
O conversor PWM-C1 controla a tensão de campo do gerador
síncrono e a potência activa do aerogerador GSVV de modo a
operar com potência mecânica máxima extraída da turbina
eólica. Com efeito, a turbina eólica apresenta controlo de pitch.
-K-
wt
Pm
t
Clock
0.0613
Vento
Gain
Pm
pitch
Pmax
Controlo de Pitch
0.0065
Pmax
Pm
Tm
O conversor PWM-C2 ligado na rede eléctrica controla a tensão
de saída e a tensão do barramento CC
teta (graus)
Wm
Wr
Vtref
1.05
Curva Optima
Gerador Síncrono
Convencional
Vdqs
Wr
Te
Vtc_ref
Malha de controlo
Conversor C1
1.05
Vtref
Wref
Vdqs
Pg
Vcc
Wr
Pcv
Pm
Vt
Ef dc
Ef dc
Pg
Pg
Qg
Qg
Vt
Vt
Link CC1
Malha de Controlo
Conversor C2
Vcc_ref
Vtc_ref
1.631
Vcc_ref
Vcc
Rede Eléctrica
Idcv
Vdcv
Vdcv
Vqcv
Vqcv
idcv
iqcv
Qcv
Iqcv
Pcv
Vcc
Qcv
idcv
iqcv
Pcv
Qcv
Vtdqc
AVR
2005/2006
25
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
• Lay-out de parques eólicos
• Controlo de Geração
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Lay-out de parques eólicos
• Solução genérica usual
SUBESTAÇÃO
Optimização da solução:
• Escolha dos cabos;
• Admitir ligações alternativas
Ligação obrigatória
Ligação suplementar
2005/2006
26
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Lay-out de parques eólicos
• Soluções típicas
AG1
2
Comprimento (m)
Secção (mm2)
AG2
AG3
AG4
AG5
AG6
AG7
AG8
AG9
AG10
AG11
AG12
AG13
AG14
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
60
240
200
240
160
240
110
240
110
240
105
240
105
150
248
120
180
120
120
95
120
95
130
70
220
50
36
16
180
35
1
AG1
2
SUBESTAÇÃO
AG15
AG16
37
AG17
38
AG18
39
AG19
40
Comprimento (m)
AG20
41
42
Secção (mm2)
Comprimento (m)
Secção (mm2)
80
95
17
1550
95
18
19
150
70
20
280
70
21
200
50
AG2
AG3
AG4
AG5
AG6
AG7
23
24
25
26
27
28
3
4
5
6
7
8
60
70
160
70
200
70
110
70
110
70
105
70
29
9
105
70
22
180
35
AG8
AG9
30
AG10
31
AG11
32
AG12
33
AG13
34
AG14
35
36
1
1050
10
180
11
120
120
120
12
70
13
14
15
16
120
130
220
180
70
70
70
70
SUBESTAÇÃO
AG15
AG16
37
Comprimento (m)
Secção (mm2)
AG17
38
80
17
1550
120
120
AG18
39
18
150
70
AG19
40
19
280
70
AG20
41
20
42
21
22
200
180
70
70
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Lay-out de parques eólicos
• Instalação de baterias de condensadores (com escalões)
Compensação individual
Para compensação global
2005/2006
27
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Tipos de Controlo
• Controlo de produção de potência activa e reactiva
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Tipos de Controlo
•
Resposta de um cluster de parques eólicos a variações de
frequência da rede (participação no controlo de primário de
frequência: controlo inercial, equilíbrio geração / consumo) e
set-points (P,Q) impostos pelo despacho;
Unidade de Controlo TSO
Clusters de
Grupos Geradores
DE
RES
Requisitos de Operação
:
Cluster s de Grupos Geradores
•Garantia de Fornecimento de quantidades
de energia
•Fornecimento de Serviços de Sistema
(Pot. reactiva e reservas)
•Minimização de desvios em programas
de produção
Grupo de
Geradores
Requisitos de Operação
:
Grupos de
Grupos de
Grupos de
Geradores 1 Geradores 2 Geradores N
•Limitação de potência a injectar
•Controlo de tensão e potência reactiva
• Cut-off de emergência (desconexão)
por períodos de interrupção de serviço da rede
•Procedimentos de entrada e saída de serviço
coordenados (limitação do gradiente – damping)
Gerador
Simples
Requisitos de Operação
•Operação segura e confiável
•Máxima produção de energia
•Redução de pertubações na qualidade da onda
Gen 1 ,1 Gen 1,.2 Gen 1 ,3 Gen 2 ,.1 Gen 2 ,2
Gen n,n
2005/2006
28
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Tipos de Controlo
• Controlo no ponto de ligação do parque à rede Æ
Despacho dos aerogeradores (P, Q) e baterias de
condensadores
Tomar em consideração
as perdas internas no
parque.
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Definição de condições técnicas especiais
•
Caracterização do controlo inercial
Droop
(controlo proporcional)
Wsys
+
1/R
-
Wsys_ref
Controlo de potencia activa
Pmax
Pdfig
iqr
-
-
Pref
+
+
-
kp1+ki1
s
vqr
kp2+ki2
s
+
iqref
Modelo
do
Gerador
de
Indução
Pmin
Qs
Vento
Wr
idr
-
Qref +
-
kp3+ki3
s
+
idref
vdr
kp4+ki4
s
Controlo de potencia reactiva
2005/2006
29
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Definição de condições técnicas especiais
•
A Potência activa injectada pelos conversores deve seguir uma curva
óptima pré-estabelecida.
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Definição de condições técnicas especiais
•
Resposta do cluster perante variação de carga no sistema
Comportamento da frequencia do sistema
9.5
50
Potencia Activa injectada (droop de 0.015)
49.95
9
Potencia Activa
Potencia activa injectada (droop de 0.05)
Hz
49.9
49.85
DFIM com droop 0.015
8
DFIM com droop de 0.05
49.8
Potencia Activa injectada (DFIM sem droop)
8.5
DFIM sem controlo de frequencia
49.75
7.5
0
1
2
3
4
5
Tempo(s)
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
Tempo(s)
6
7
8
9
10
2005/2006
30
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Participação dos DFIWG no equilíbrio de
geração / consumo
• Curvas de Potência Máxima com reserva.
Para que os aerogeradores
possam aumentar a sua
geração quando persistir um
erro de frequência é
necessários que os
geradores eólicos operem
com curvas de potência
máxima com margem de
reserva ->
Potencia
Mecancia Máxima
Potencia Mecanica (MW)
0.6
13m/s
20% reserva
Curva de Potencia
Óptima
pré-definida
0.5
12m/s
11m/s
0.4
10 m/s
0.3
9 m/s
0.2
8 m/s
0.1
7 m/s
6 m/s
5 m/s
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Velocidade angular do rotor referido ao gerador (p.u.)
1.2
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Participação dos DFIWG no equilíbrio de
geração / consumo
• Esquema de controlo do aerogerador DFIWG com margem
de reserva de potência
- A margem de reserva possibilita também que o DFWIG responda a uma solicitação de
potência do operador do parque eólico
Controlo de inércia
ωsys_ref
+
ωsys
1/R
Curva Óptima de
Potência com reserva
Malha de Controlo de Potência Activa
PDFIG
ΔP 1
Pmax
iqr
-
Pdel +
Pref
-
•
Qmax
vento
vqr
kp2+ki2
s
+
iqref
Modelo do
Gerador
Eólico
DFIWG
Qs
idr
-
Central de
Controlo e
Supervisão
do Parque
Eólicos
Pinj
+
Pmin
ΔP 2
ωr
-
kp1+ki1
s
Qref +
Qmin
-
kp3+ki3
s
+
idref
E'd
E'q
REDE
ELECT.
vdr
kp4+ki4
s
Malha de Controlo de Potência Reactiva
Qinj
Algoritimo de
Optimização
2005/2006
31
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Resultados de um caso de estudo
• Comportamento dos aerogeradores DFWIG com e sem
controlo primário de frequência
50.05
0.59
Frquência do sistema com os DFWIGs sem controlo primário
Frequência do sistema com os DFIWGs com controlo primário
DFIGW
DFIWG
DFIGW
DFIGW
DFIGW
0.58
50
0.57
ligado na barra 02
ligado na barra 4
ligado na barra 6
ligado na barra 8
ligado na barra 10
49.95
MW
Hz
0.56
49.9
0.55
0.54
49.85
DFIWGs com
estatismo R de 5%
DFIWGs sem
estatismo R de 5%
0.53
49.8
0.52
49.75
22
24
26
28
30
32
Tempo (s)
34
36
Frequência do sistema
38
40
0.51
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Tempo (s)
Potência activa
injectada de
cada DFIWG
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Sobre-equipamento de parques eólicos
• Instalar ΣS > Capacidade do ponto de interligação
2005/2006
32
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Produção esperada
• A potência instalada tem uma probabilidade baixa de vir a
ser produzida
Curva de duração da produção anual
de um parque eólico normalizada para a potência instalada
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Aumento da produção de energia
• Aumento da potência instalada
P instalada (MW)
PinstB
C
PinstA
B
A
8760 (h)
Curvas de duração da produção anual
de um parque eólico para dois valores de potência instalada
2005/2006
33
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções
• As protecções são de dois tipos:
– Protecções dos aerogeradores (dependentes da tecnologia)
– Protecções de interligação à rede, para “comandar” o
disjuntor de interligação.
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções
•
Requisitos dos Sistemas de Protecção:
– O PE apenas poderá permanecer ligado à rede se existir tensão
nas três fases da rede e estas tensões se encontrem dentro dos
limites de operação;
– O PE deve ser desligado da rede pública se uma anomalia
ocorrida no sistema provocar desvios não aceitáveis na tensão ou
na frequência no ponto de conexão ( interligação);
– O PE deve ser desligado da rede se uma ou mais fases da rede é
perdida no ponto de conexão;
– O PE deve ser desligado automaticamente ou manualmente da
rede de distribuição pública se um qualquer falha de alimentação
do equipamento de protecção inibe a sua correcta operação;
– Saída de serviço dos PE quando são detectados defeitos na rede,
por forma a garantir a extinção dos arcos eléctricos associados a
c.c. fugitivos e permitir o sucesso de religações.
2005/2006
34
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
• A configuração mínima exigida às equipas de protecção
consiste nos seguintes relés:
– Relés de máximo e mínimo de tensão, 27 e 59;
– Relés de máximo e mínima de frequência, 81U e 81O;
– Relés de máximo de intensidade, com tempos de actuação
instantâneos, 50, e temporizados, 51;
– Relés para detecção de defeito à terra com tempos de
actuação instantâneos e temporizados, 50N e 51N;
ou
– Relé de tensão de sequência de zero ou homopolar, 59N.
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
• Relés de MI asseguram protecção contra defeitos
polifásicos e defeitos fase-terra (pouco impedantes)
próximo dos PI; Tipos de relés:
– Disparo instantâneo ou temporizado
– Utilização de relés 50V e 51V (MI inst. ou temporizados,
controlado por tensão)
– Detecção de correntes de terra: 50N e 51N
2005/2006
35
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
• Relé de mínimo de tensão (27) é utilizado para detecção de
defeitos polifásicos pouco impedantes nas redes; Valor de
regulação típico: 0,95 Un;
• Relé de máximo de tensão (59) permite detectar
sobretensões associadas por exemplo a situação de autoexcitação de geradores assíncronos; Valor de regulação
1,1Un;
Temporizações instantâneas quando em REE (Regime Especial de Exploração)
• Relés 81U e 81O utilizados para detectar situações
anómalas de exploração das redes; Regulações na Europa:
– 47 a 49 Hz, para tempos de actuação (< 1 seg).
– 50,5 a 52 Hz, para tempos de actuação (< 1 seg).
2005/2006
36
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
•
Protecção de interligação (50,51,81U, 81O,27,59N)
50 – MI instantânea
51 – MI temporizada
81U, 81O – min e máx freq.
27 – Máx tensão;
59N – Máx tensão de seq. zero
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
Situações de defeitos fase-terra nas redes distribuição e sub-transmissão
2005/2006
37
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
•
Duas situações podem ocorrer no caso de defeitos FaseTerra:
1. O defeito é facilmente detectável pelo relé 59N,
conduzindo à saída de serviço do PI e do feeder, na
subestação da rede receptora;
2. O defeito é muito impedante, não provocando a actuação
do relé 59N do PI, sendo contudo a situação detectada
pelas protecções da subestação que desligam o feeder,
conduzindo ao funcionamento em rede isolada e em
regime de neutro isolado.
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
2005/2006
38
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação
V o = − Z o .I o
Vo =
U
2
1 + 9.ω 2 .Co2 .Rdef
Problemas: funcionamento intempestivo do relé 59N
2005/2006
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Protecções de Interligação –
Algumas Recomendações
• Ligações às redes de 220 kV e 150 kV:
– Neste caso, atendendo à ligação directa dos neutros à terra
e à utilização das protecções 21/21N e 67N, com
teleprotecção, para protecção das entradas de linha,
recomenda-se a utilização dos seguintes relés:
• Relés de máximo e mínimo de tensão, 27 e 59;
• Relés de máximo e mínimo de frequência, 81U e 810;
• Relés de máximo de intensidade, com tempo de actuação
instantâneo, 50, e temporizado, 51;
• Relés para detecção de defeito à terra com tempos de
actuação instantâneo e temporizado, 50N e 51N;
• Relés 21 e 21N, associados a teleprotecção, com três
zonas;
• Relé de máximo de intensidade direccional de neutro, 67N,
complementando as anteriores.
• Diálogo com os OS (TSO e DNO) é fundamental!
2005/2006
39
MEEC / MEM– Energias Renováveis
Energia Eólica
Conclusões
• Tendência para a utilização de máquinas de potências cada
vez maiores ---- 2MW; 3MW, 4,5 MW;
• Utilização crescente de sistemas baseados em electrónica
de potência para optimização da produção e melhor
integração no sistema
– (alguns problemas presistem contudo);
• Aparecimento futuro da produção off-shore
• Impactos crescentes na operação do sistema;
Novas funcionalidades nos sistemas de gestão e controlo
Do tipo EMS e DMS
• Necessidade de harmonizar a regulamentação e standards
para permitir a integração na rede desta produção;
• Novas ferramentas de planeamento.
2005/2006
40