PROBLEMAS DE HARMÔNICAS NA CONEXÃO DE AEROGERADORES À REDE ELÉTRICA COM O USO DE FILTROS Pedro Henrique Müller Braga Rio de Janeiro Outubro de 2019 Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientadores: Jorge Luiz do Nascimento Júlio César de Carvalho Ferreira
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PROBLEMAS DE HARMÔNICAS NA CONEXÃO DE … · iii Projeto de Graduação Filtros de Harmônicas Ressonantes. Braga, Pedro Henrique Müller Problemas de Harmônicas na conexão de
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PROBLEMAS DE HARMÔNICAS NA CONEXÃO DE AEROGERADORES À REDE
ELÉTRICA COM O USO DE FILTROS
Pedro Henrique Müller Braga
Rio de Janeiro
Outubro de 2019
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro Eletricista.
Orientadores: Jorge Luiz do Nascimento
Júlio César de Carvalho Ferreira
PROBLEMAS DE HARMÔNICAS NA CONEXÃO DE AEROGERADORES À REDE
ELÉTRICA COM O USO DE FILTROS
Pedro Henrique Müller Braga
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA
Examinado por:
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Sc.
Prof. Júlio César de Carvalho Ferreira, M. Sc.
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.
Prof. Mauro Sandro dos Reis, Dr. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
OUTUBRO DE 2019
iii
Braga, Pedro Henrique Müller
Problemas de Harmônicas na conexão de
aerogeradores à rede elétrica com o uso de filtros/ Pedro
Henrique Müller Braga. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2019.
Orientadores: Jorge Luiz do Nascimento
Julio César de Carvalho Ferreira
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 76.
1. Engenharia Elétrica 2. Sistema de Geração de
Energia Eólica 3. Ressonância Harmônica 4.
Filtros de Harmônicas Ressonantes.
I. César de Carvalho Ferreira, Júlio et al. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título
iv
Agradecimentos
Aos meus pais, Odilei Antonio Cavalcante Braga e Lucylea Pompeu Müller
Braga, por todo o apoio e encorajamento durante a graduação e durante minha vida.
À Natália Barros Lourenço pelo apoio incondicional e pelo incentivo ao estudo
durante todo o projeto de graduação.
Aos meus orientadores Julio César de Carvalho Ferreira e Jorge Luiz do
Nascimento pela orientação prestada e pela paciência durante a empreitada.
A todos os amigos que fiz durante a graduação, mas em especial a Marlon dos
Santos Mello, Victor Alves Freitas e Victor Hernrique Santiago Ferreira que me
auxiliaram e me apoiaram durante toda a graduação.
À Luciana Machado Nesci, secretária do Departamento de Engenharia Elétrica,
pelas orientações em relação ao processo de finalização e de encaminhamento da
documentação para a Colação de Grau.
A Deus que me permitiu estar aqui.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
PROBLEMAS DE HARMÔNICAS NA CONEXÃO DE AEROGERADORES À REDE
ELÉTRICA COM O USO DE FILTROS
Pedro Henrique Müller Braga
Outubro/2019
Orientadores: Jorge Luiz do Nascimento
Julio César de Carvalho Ferreira
Curso: Engenharia Elétrica
Neste projeto de graduação, apresenta-se uma fundamentação teórica com
revisão bibliográfica acerca dos problemas de ressonância nas turbinas eólicas, assim
como uma breve revisão de artigos que discretizam a modelagem matemática dos
sistemas de geração eólica. Apresenta-se, também, as tecnologias utilizadas nos
aerogeradores das turbinas eólicas, assim como explicações sobre o funcionamento
das mesmas. O trabalho faz uma breve revisão sobre os efeitos causados pela
presença de componentes harmônicas nos sistemas elétricos, assim como os casos
de ocorrências de ressonâncias harmônicas em série e em paralelo. Utiliza-se de uma
análise de um sistema de geração eólica teórico para avaliar efeitos de sobretensão
no Ponto de Conexão Comum (PCC) do sistema elétrico, assim como os efeitos de
ressonância harmônica ocasionada pela utilização dos filtros de harmônicas, tipo LC
em paralelo (shunt), utilizados nos parques. A análise ainda afere que a sensibilidade
do sistema elétrico está diretamente relacionada à utilização dos filtros de harmônicas
nos terminais de cada parque eólico.
vi
Abstract os Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
HARMONIC PROBLEMS IN THE CONNECTION OF WIND GENERATORS WITH
THE USE OF FILTERS
Pedro Henrique Müller Braga
October/2019
Advisors: Jorge Luiz do Nascimento
Julio César de Carvalho Ferreira
Course: Electrical Engineering
In this undergraduation project, we present a theoretical background with
a bibliographic review of wind turbine resonance problems, as well as a bibliographic
review of articles describing the mathematical modeling of wind generation systems. It
is also presented technologies used in wind turbine, as well as eliciting explanations
about their operation. The paper makes a brief review about the effects caused by the
presence of harmonic components in the electrical systems, as well as the cases of
occurrence of series and parallel harmonic resonance. And it uses an analysis of a
theoretical wind generation system to evaluate overvoltage effects at the Common
Electrical Connection Point (PCC), such as the detrimental resonance effects caused
by the use of harmonic filters, type LC in shunt, used in the wind farms. Further analysis
of the sensitivity of the electrical system is directly related to the use of harmonic filters
at the terminals of each wind farm.
vii
Sumário
Lista de Figuras .............................................................................................. ix
Lista de Tabelas .............................................................................................. xi
Lista de Siglas e Abreviaturas ....................................................................... xii
Apêndice A – Modelagem do Sistema de Geração Eólica no HarmZs ...... 79
ix
Lista de Figuras
Figura 1: Evolução da geração eólica em gigawatt-hora no Brasil ........................... 01 Figura 2: Expectativa de geração eólica no SIN, segundo PDE 2026 ...................... 02 Figura 3: Diagrama ilustrativo de turbina eólica com velocidade fixa ....................... 07 Figura 4: Curva de potência gerada em função da velocidade do vento ................. 09 Figura 5: Estator (a) e Rotor de Gaiola de Esquilo (b) para Máquina de Indução .... 10 Figura 6: Rotor Bobinado com anéis coletores para variação de velocidade ............. 11 Figura 7: Circuito equivalente do gerador de indução ............................................. 12 Figura 8: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo SCIG ........................................ 12 Figura 9: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo DFIG ........................................ 13 Figura 10: Circuito equivalente do aerogerador tipo DFIG ........................................ 14 Figura 11: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo SGER ...................................... 15 Figura 12: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo PSMG ...................................... 16 Figura 13: Forma de onda distorcida decomposta em suas respectivas componentes harmônicas ........................................................................................ 17 Figura 14: Acréscimo nas perdas elétricas do motor de indução em função da Distorção Harmônica Total na tensão de alimentação ............................................. 19 Figura 15: Conjugados oscilatórios em motores de indução ..................................... 19 Figura 16: Decomposição de tensão de onda quadrada, através da Série de Fourier, para obtenção das componentes harmônicas ............................................ 21 Figura 17: Módulo da impedância harmônica de acordo com a ordem harmônica na ressonância série ................................................................................................. 24 Figura 18: Módulo da impedância harmônica de acordo com a ordem harmônica na ressonância paralela ............................................................................................ 24 Figura 19: Parque eólico analisado interligado à rede de alta tensão ...................... 28 Figura 20: Circuito equivalente proposto ................................................................... 29 Figura 21: Ilustração das ressonâncias série (a) e paralela (b) em um parque eólico genérico ......................................................................................................... 30 Figura 22: Modelagem de um sistema eólico no domínio da frequência .................. 31 Figura 23: Amortecimento da ressonância com a utilização do STATCOM ............. 33 Figura 24: Representação do aerogerador como fonte de corrente ......................... 34 Figura 25: Equivalente de Norton para o Lugar Geométrico da rede básica ............ 35 Figura 26: Sistema de Geração de Energia Eólica modelado no PSCAD ................ 37 Figura 27: Sistema de Geração de Energia Eólica com circulação de corrente harmônica ............................................................................................................... 39 Figura 28: Decomposição harmônica da corrente 𝐼𝑎 ................................................ 42 Figura 29: Formato de onda das correntes trifásicas do parque eólico .................... 43 Figura 30: Diagrama unifilar simplificado dos parques eólicos até B1 ...................... 46 Figura 31: Diagrama unifilar da conexão da B1 até a barra Binf .............................. 47 Figura 32: Linha de transmissão de 69 kV (cor cinza) em operação ........................ 48 Figura 33: Linha de transmissão de 230 kV (cor verde) em operação ..................... 50 Figura 34: Inserção de corrente harmônica 𝐼ℎ na barra B4 ....................................... 53 Figura 35: Tensão em B4 com 𝐼ℎ de quarta ordem ................................................... 59 Figura 36: THD (porcentagem) em B4 com 𝐼ℎ de quarta ordem ............................... 59 Figura 37: Tensão em B1 com 𝐼ℎ de quarta ordem ................................................... 61 Figura 38: THD (porcentagem) em B1 com 𝐼ℎ de quarta ordem ............................... 61 Figura 39: Tensão em B4 com 𝐼ℎ de quinta ordem ................................................... 63
x
Figura 40: THD (porcentagem) em B4 com 𝐼ℎ de quinta ordem ............................... 63 Figura 41: Tensão em B1 com 𝐼ℎ de quinta ordem ................................................... 64 Figura 42: THD (porcentagem) em B1 com 𝐼ℎ de quinta ordem ................................ 64 Figura 43: Tensão em B4 com 𝐼ℎ de sétima ordem ................................................... 65 Figura 44: THD (porcentagem) em B4 com 𝐼ℎ de sétima ordem ............................... 66 Figura 45: Tensão em B1 com 𝐼ℎ de sétima ordem ................................................... 66 Figura 46: THD (porcentagem) em B1 com 𝐼ℎ de sétima ordem ............................. 67 Figura 47: Resposta em frequência entre as barras B1 e B4 com uso dos três filtros de harmônicas .......................................................................................................... 68 Figura 48: Resposta em frequência entre as barras B1 e B4 com desconexão de um filtro de harmônicas ............................................................................................. 70 Figura 49: Resposta em frequência entre as barras B1 e B4 com desconexão de dois filtros de harmônicas ......................................................................................... 70
xi
Lista de Tabelas
Tabela 1: Módulo e ordem harmônica das correntes harmônicas trifásicas .............. 40 Tabela 2: Correntes harmônicas trifásicas nas fases “ABC” ...................................... 41 Tabela 3: Possíveis filtros de harmônicas do sistema elétrico .................................... 44 Tabela 4: Impedâncias das linhas de transmissão de 69 kV segundo o SINDAT ....... 48 Tabela 5: Impedâncias das linhas de transmissão de 230 kV segundo o SINDAT ..... 51 Tabela 6: Impedâncias das linhas de transmissão no sistema elétrico ....................... 52 Tabela 7: Impedâncias do sistema elétrico em ohms e em pu ................................... 52 Tabela 8: Impedâncias harmônicas, tensões harmônicas e THDs para cada 𝐼ℎ ....... 67 Tabela 9: Correntes harmônicas para diferentes gerações de potência elétrica ....... 72 Tabela 10: Relação entre filtros de harmônicas e a THD, para 𝐼ℎ na frequência de ressonância, para diferentes gerações de potência elétrica ....................................... 72 Tabela 11: Relação entre filtros de harmônicas e a THD, para 𝐼ℎ de quinta ordem, para diferentes gerações de potência elétrica ............................................................ 73 Tabela 12: Relação entre filtros de harmônicas e a THD, para 𝐼ℎ de sétima ordem, para diferentes gerações de potência elétrica ............................................................ 74
xii
Lista de Siglas e Abreviaturas
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
BEN – Balanço Energético Nacional
DFIG – Gerador de Indução Duplamente Alimentado
DHI – Distorção Harmônica Individual
DHT – Distorção Harmônica Total
EPE – Empresa de Pesquisa Energética
FFT – Transformada Rápida de Fourier
FP – Fator de Potência
IESA – Empresa especializada em transmissão e distirbuição de energia elétrica
LT – Linha de Transmissão
MPPT – Rastramento do Ponto de Potência Máxima
ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico
PCC – Ponto de Conexão Comum
PCH – Pequena Central Hidrelétrica
PDE – Plano Decenal de Expansão de Energia
PMSG – Gerador Síncrono a Ímã Permanente
PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no SIN
PROINFA – Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia
PWM – Pulse Widith Modulation
RMS – Valor eficaz
RPM – Rotações por minuto
RP – Ressonância Elétrica Paralela
RS – Ressonância Elétrica Série
SCIG – Gerador de Indução em Gaiola de Esquilo
SGER – Gerador Síncrono de Rotor Excitado
SIN – Sistema Interligado Nacional
SINDAT – Sistema de Informações Geográficas Cadastrais do SIN
TC – Transformador de Corrente
THD – Distorção Harmônica Total (em inglês)
TP – Transformador de Potencial
UHE – Usina Hidrelétrica
1
Capítulo 1. Introdução
A crescente demanda por energia elétrica abriu caminho para a incursão de novas
fontes de energia renováveis em sistemas elétricos de potência. A segurança na oferta
de energia está intrinsecamente associada aos problemas de esgotamento das
reservas de petróleo e à elevação dos preços de mercado dos combustíveis fósseis
em consequência de problemas políticos e sociais nas principais regiões produtoras.
As fontes renováveis, por outro lado, possuem grande oferta de produção de energia
elétrica aliado ao baixo custo associado. A presença da energia eólica na matriz
elétrica brasileira é algo relativamente recente e a penetração desta fonte no Sistema
Interligado Nacional (SIN) é gradual. Por ser uma fonte com baixo custo de produção
e de pouco impacto ambiental, a energia eólica terá uma importância significativa para
o crescimento da rede elétrica brasileira nos próximos anos.
A Empresa de Pesquisa Energética (EPE), empresa pública vinculada ao
Ministério de Minas e Energia, elabora o Balanço Energético Nacional (BEN) 1
anualmente [1]. O BEN 2017 informa que de 2015 para 2016, em termos de
capacidade instalada, a energia eólica obteve um crescimento de 32,6%. Em geração
elétrica, a energia eólica apresentou um crescimento de 54,9%, chegando a geração
de 33.489 GWh [2], conforme ilustrado na Figura 1.
Figura 1: Evolução da geração eólica em gigawatt-hora no Brasil.
Fonte: BEN (adaptado), 2017.
1 É um relatório que divulga o consumo, a distribuição e o uso final da energia elétrica no país.
2
O Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE) 1 2026, também elaborado pela
EPE e elaborado em julho de 2017, mostra que através do crescimento da capacidade
instalada da energia eólica, faz-se possível traçar uma projeção bastante otimista
quanto ao potencial desta fonte dentro do Brasil (Figura 2) [3]. Segundo o PDE, em
2020 a geração de energia eólica terá mais do que dobrado se comparado com a
geração eólica de 2016.
Figura 2: Expectativa de geração eólica no SIN, segundo PDE 2026.
Fonte: PDE (adaptado), 2026.
Os parques eólicos são, geralmente, instalados em áreas remotas onde não há
grande demanda de energia elétrica. Cada turbina eólica dentro do parque gerador
possui um aerogerador, que é conectado a um transformador que eleva a tensão
nominal (0,69 kV) do aerogerador para 34,5 kV, ou tensões próximas a este nível.
Esses transformadores são conectados a um Ponto de Conexão Comum (PCC),
interligando todas as turbinas do parque eólico. O PCC é, então, conectado às linhas
de distribuição/transmissão até a subestação mais próxima, onde a tensão é elevada
novamente, por um segundo transformador, e é conectada às linhas de transmissão
de alta-tensão, chegando até a rede elétrica.
1 É um documento interativo, baseado em estudos sobre o setor de energia elétrica brasileira, que fornece indicações e perspectivas de crescimento e expansão para o setor dentro de um período de 10 anos.
3
Os aerogeradores geram eletricidade de acordo com a velocidade do vento, a qual
varia bruscamente em curtos períodos de tempo. Por este motivo, a geração de
energia eólica pode ser considerada como intermitente. Além da intermitência na
geração de energia, os aerogeradores produzem correntes harmônicas (correntes
com frequências múltiplas à frequência fundamental 60 Hz) que causam impactos
significativos na tensão. A solução mais utilizada para mitigar este problema é a
conexão, nos terminais dos aerogeradores, de filtros de harmônicas, em shunt,
dimensionados para atenuar as correntes harmônicas de maior amplitude, onde a
corrente harmônica percorre o filtro em vez de circular no sistema elétrico.
Apesar de, teoricamente, os filtros de harmônicas serem dimensionados para
mitigar problemas de distorção harmônica na tensão, estes filtros podem trazer
problemas ao sistema. Durante alguns períodos de operação, quando a geração de
energia é baixa, podem ocasionar problemas relacionados à ressonância harmônica
(quando as reatâncias capacitiva e reativa se equivalem para determinada frequência)
ou ao aumento na distorção harmônica da tensão, quando há conexão com a rede
elétrica, devido a circulação de correntes harmônicas no PCC. Ao desconectar os
filtros de harmônicas dos terminais dos aerogeradores, o sistema sai da ressonância
harmônica gera tensão com menos distorção harmônica. Este fato não possui uma
explicação trivial e, portanto, deve ser estudado com a finalidade de esclarecer a
ocorrência, assim como trazer novos modos de operação de parques eólicos
conectados à rede elétrica.
1.1. Objetivo
O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento dos filtros de harmônicas
nos sistemas de geração eólica e na conexão com o sistema elétrico, sendo os
objetivos específicos:
a. verificar os efeitos que os filtros de harmônicas acarretam nas tensões do
sistema elétrico quando há geração de correntes harmônicas nos parques
eólicos;
b. analisar a influência harmônica produzida, nas tensões, pela circulação de uma
corrente harmônica na rede elétrica e
4
c. analisar os efeitos causados pela conexão dos filtros de harmônicas, nas
tensões do sistema, quando há circulação de corrente harmônica.
1.2. Justificativa
A presença de harmônicos na geração eólica e na rede elétrica é um problema
estudado nos últimos 20 anos na literatura da geração eólica e que merece maior
aprofundamento, dado a crescente inserção desta fonte geradora na matriz elétrica
brasileira. As harmônicas na tensão e na corrente ocasionam problemas na operação
de equipamentos em nível industrial, além de causar problemas de sobretensão nos
sistemas de distribuição e transmissão da energia elétrica. A atenuação de
harmônicas indesejáveis produzidas na geração eólica deve ser foco de estudo para
que a geração eólica seja mais eficaz, produtiva e atenda os padrões de qualidade
impostos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) e pelo Operador do
Sistema Elétrico (ONS).
Conforme a geração de energia eólica cresce no Sistema Interligado Nacional
(SIN), torna-se cada vez mais importante para os iniciantes nos estudos do setor
entenderem as diferentes tecnologias empregadas nas turbinas eólicas e nos
aerogeradores, assim como os desafios encontrados para que a geração eólica
forneça energia de qualidade aos consumidores finais.
1.3. Organização
O trabalho está organizado da seguinte forma: no Capítulo 2 são apresentados os
diferentes tipos de turbinas eólicas, assim como os modelos mais utilizados de
aerogeradores nos parques eólicos. No Capítulo 3 há uma revisão sobre componentes
harmônicos nos sistemas elétricos de potência, onde há enfoque para os casos de
ressonância harmônica e a análise harmônica através da Distorção Harmônica Total
(THD) referente a tensão e corrente elétricas. No Capítulo 4 é apresentada uma
revisão bibliográfica dos estudos e análises de caso de sistemas de geração eólica,
onde é abordado problemas de ressonância nas turbinas eólicas e a evolução na
modelagem dos sistemas eólicos. No Capítulo 5 são fornecidas as formulações
matemáticas para o dimensionamento de um sistema de geração eólico através de
5
fontes de corrente harmônica, assim como os impactos nas tensões do sistema. Neste
capítulo, também, são analisados os efeitos causados pela presença de fonte de
corrente harmônica na rede elétrica, nas tensões do sistema. No Capítulo 6 o sistema
de geração eólico é simulado no programa PSCAD e as tensões das barras do sistema
elétrico são analisadas de forma a obter a THD. Também foi simulada a circulação de
corrente harmônica de quarta, quinta e sétima ordens harmônicas no sistema, para
análise das tensões do sistema. O sistema elétrico foi simulado no programa HarmZs
que gerou gráficos de resposta em evidenciando as frequências e impedâncias
harmônicas durante ressonância, de acordo com a conexão/desconexão dos filtros de
harmônicas. No Capítulo 7 são descritas as conclusões obtidas ao longo de todo o
trabalho, assim como discussão acerca dos resultados obtidos.
6
Capítulo 2. Sistemas de Energia Eólica
A energia eólica é uma fonte geradora considerada intermitente. A geração de
energia varia bruscamente dentro de um mesmo dia e possui variações estocásticas
(conjunto de velocidades variáveis do vento em função do tempo para análise da
evolução do sistema eólico) conforme as estações do ano. Isto se deve as variações
horárias e diárias da velocidade do vento em uma determinada região. Apesar da
variação da velocidade do vento, pode-se modelar o perfil de vento conforme descrito
pela Equação (01), a qual considera os efeitos espaciais de variações no
comportamento do vento que podem ser representados como rajadas, mudanças
rápidas em rampa e ruído de fundo [8].
𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒 + 𝑉𝑟𝑎𝑗𝑎𝑑𝑎𝑠 + 𝑉𝑟𝑎𝑚𝑝𝑎 + 𝑉𝑟𝑢í𝑑𝑜,
onde 𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒 representa a componente média da velocidade do vento, 𝑉𝑟𝑎𝑗𝑎𝑑𝑎𝑠 é a
componente das rajadas de vento que podem ser consideradas por uma função
cosseno, 𝑉𝑟𝑎𝑚𝑝𝑎 representa a elevação da componente média do vento durante um
período de tempo e pode ser representada por uma função rampa e 𝑉𝑟𝑢í𝑑𝑜 é uma
parcela aleatória do vento [8]. A potência (𝑃𝑀) e conjugado (𝑇𝑀) mecânicos disponíveis
para os aerogeradores são dados pelas Equações (02) e (03), respectivamente.
𝑃𝑀 = 𝑇𝑀𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑇𝑀 =1
2𝜌𝜋𝑅𝑡
2𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜2 𝐶𝑝(𝜆, 𝛽)
Nas Equações (02) e (03), 𝜌 é a densidade do ar; 𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 é a velocidade do vento
que atravessa a turbina e 𝑅𝑡 é o raio das pás da turbina. A função Cp(λ,β) representa
a parcela da potência do vento extraída pela turbina eólica e sendo caracterizado
como um coeficiente de descarga ou de potência [8]. Conforme a Equação (02) mostra,
a potência mecânica é proporcional à terceira ordem da velocidade do vento, portanto
qualquer pequeno erro na velocidade do vento representa uma grande variação na
previsão de geração de potência eólica. A intermitência da geração eólica requer
diversos mecanismos para realizar o controle e a operação do sistema elétrico para
as turbinas eólicas e parques eólicos tradicionais. As turbinas eólicas dependem da
velocidade do vento para converter energia cinética em energia mecânica, entretanto
a conversão de energia mecânica em energia elétrica depende da tecnologia
empregada no aerogerador. As diferentes tecnologias empregadas nos
(01)
(03)
(02)
7
aerogeradores, assim como na conexão dos mesmos à rede elétrica, ocasionam
diferenças na potência elétrica e na qualidade das tensões geradas.
As turbinas eólicas comumente utilizam aerogeradores de indução para converter
a energia mecânica em energia elétrica e inversores de frequência para realizar o
acoplamento com a rede elétrica. As turbinas eólicas podem ser divididas em função
de dois conceitos de geração eólica que são abordados nas Seções 2.1 e 2.2.
2.1. Turbinas eólicas com velocidade constante
O primeiro conceito de geração eólica utiliza as turbinas eólicas mais antigas,
baseadas no conceito inicial dinamarquês que operava em velocidade fixa
preestabelecida. Essas turbinas utilizam uma caixa de transmissão que é acoplada ao
aerogerador, neste caso trata-se de um gerador de indução em gaiola de esquilo
(SCIG), conectado à rede elétrica através de um transformador, conforme ilustrado na
Figura 3. Por serem conectadas diretamente à rede elétrica, os aerogeradores têm
sua velocidade no eixo do motor fixada de acordo com a frequência da rede e seu
número de polos, na velocidade de rotação do rotor variando conforme o
escorregamento “s” da região linear de conjugado da máquina. A velocidade de
rotação do motor é mantida constante através de engrenagens eletromecânicas que
modificam o eixo da turbina eólica de acordo com a velocidade do vento. Dessa forma
o aerogerador opera dentro de uma pequena faixa de velocidade, considerada
constante.
Figura 3: Diagrama ilustrativo de turbina eólica com velocidade fixa.
Fonte: Guilherme Vianna Santos, PPGEE UFMG, 2015.
8
A operação do sistema com este tipo de turbina causa grande perda da eficiência
na geração de energia devido ao funcionamento da turbina com diferentes
velocidades de vento, além de causar o surgimento de oscilações de conjugado, o
que gera estresse mecânico no sistema e problemas envolvendo a qualidade de
energia (distorções na forma de onda da tensão devido a harmônicas) [8]. Apesar das
desvantagens citadas acima, as turbinas eólicas de velocidade constante possuem
aerogeradores robustos e baixo custo comercial. Diferentemente das máquinas
síncronas que possuem controle de reativo e operam com velocidade constante de
rotação, as máquinas de indução demandam injeção de reativo pelo sistema elétrico
para estabilizar sua velocidade de rotação frente a curto-circuitos e variações bruscas
na demanda/consumo [10].
2.2. Turbinas eólicas com velocidade variável
O segundo conceito, utiliza turbinas eólicas com velocidade de rotação variável,
onde as turbinas são projetadas para funcionar com maior eficiência de acordo com a
faixa de velocidades de vento da região em que ela será instalada. As turbinas eólicas
de velocidade variável conseguem um aproveitamento de cerca de 20% a 30% a mais
do que as turbinas eólicas de velocidade constante, apesar do custo comercial ser
mais elevado.
As vantagens técnicas das turbinas eólicas de velocidade variável são: a
minimização do estresse mecânico causado pelas variações das velocidades do vento
durante a operação (efeito absorvido pela inércia mecânica da turbina); maior
eficiência na conversão de energia cinética em energia elétrica; possibilidade de
operação do aerogerador em baixas velocidades de vento, reduzindo os ruídos
acústicos. A Figura 4 exemplifica as quatro áreas de operação da turbina eólica de
velocidade variável em função das diferentes velocidades de vento.
9
Figura 4: Curva de potência gerada em função da velocidade do vento.
Fonte: Guilherme Vianna Santos, PPGEE UFMG, 2015.
Na região I da Figura 4 a turbina eólica não está em operação porque a velocidade
do vento está abaixo do limite mínimo de operação, denominada velocidade de “cut-
in”, onde a potência elétrica gerada é inferior às perdas elétricas do sistema elétrico.
A Figura 4 mostra que a partir de 5 m/s de velocidade do vento, a turbina eólica entra
em operação, entretanto a velocidade de “cut-in” (início de operação) é, geralmente,
delimitada entre 2 e 5 m/s. A região II, por sua vez, é denominada região de operação
normal, onde são utilizados alguns métodos para se obter a máxima eficiência
aerodinâmica e, assim, gerar mais energia elétrica. Para tal, os métodos de
Rastreamento do Ponto de Potência Máxima ou “Maximum Power Point Tracking”
(MPPT) em inglês, [8] são empregados:
Controle da velocidade de ponta: regula a velocidade do gerador para o ponto
de ótima eficiência;
Controle de conjugado ótimo: busca ajustar o conjugado do gerador no ponto
ótimo para diferentes velocidades de vento;
Método de observação e perturbação: busca, interativamente, o ponto de
máxima potência;
Controle por realimentação de potência: requer o conhecimento da curva de
potência máxima da turbina.
Na região III, a velocidade do vento é superior a velocidade máxima de geração
de energia elétrica. Portanto, se não houve nenhum tipo de controle, a velocidade de
rotação das pás será muito alta e haverá risco para a integridade física da turbina. É
10
possível utilizar dois tipos de controles: controle ativo do ângulo das pás, para reduzir
o desempenho aerodinâmico e, assim, limitar a potência de saída; controle passivo
de Estol (Stall), onde as pás da turbina são fixas, mas foram projetadas para reduzir
o desempenho aerodinâmico a partir de determinada faixa de velocidade de vento. Na
região IV, a velocidade do vento é superior ao limite crítico de operação da turbina
eólica, o que caracteriza perigo à turbina, portanto o aerogerador é freado
mecanicamente e desligado.
São analisados: os diferentes modelos de aerogeradores com velocidade de
operação variável (Seções 2.2.1 até 2.2.4), os modelos de geradores utilizados, os
principais conversores de eletrônica de potência utilizados em cada modelo, assim
como a conexão dos geradores à rede elétrica.
2.2.1. Gerador de Indução em Gaiola
O rotor de um Gerador de Indução (GI) pode ser bobinado ou um rotor de gaiola
formado por barras e anéis formando enrolamentos curto-circuitados. A Figura 5a
mostra um estator, da empresa Bodine Electric Company, enquanto que a Figura 5b
mostra um rotor de gaiola de esquilo, utilizados na operação de Máquina de Indução.
Figura 5: Estator (a) e Rotor de Gaiola de Esquilo (b) para Máquina de Indução.
Fonte: (a) Bodine Electric Company e (b) https://en.wikipedia.org/wiki/Squirrel-cage_rotor.
A Figura 6, por sua vez, mostra um rotor bobinado com a presença de anéis
coletores, da empresa Micromot Controls. Os anéis coletores em Máquinas de
Indução são utilizados para aumentar progressivamente a velocidade de motores de
indução durante a partida ou reduzir a velocidade, dependendo da operação desejada.
Indiferentemente do tipo do rotor utilizado, bobinado ou gaiola de esquilo, o estator
possuirá as mesmas características construtivas.
Figura 6: Rotor Bobinado com anéis coletores para variação de velocidade.
Fonte: Micromot Controls, 0,5 – 1,0 HP Three Phase Motor.
As equações que representam o funcionamento dinâmico do gerador de indução
são relacionadas como Equação (04).
𝑢𝑞𝑠 = 𝑅𝑠𝑖𝑞𝑠 + 𝑋′𝑠𝑖𝑑𝑠 + 𝐸′𝑞
𝑢𝑑𝑠 = 𝑅𝑠𝑖𝑑𝑠 − 𝑋′𝑠𝑖𝑞𝑠 + 𝐸′𝑑𝑇
′0𝜌
𝐸′𝑑 = −𝐸′𝑑 − (𝑋𝑠 − 𝑋′𝑠)𝑖𝑞𝑠 + 𝑠𝜔𝑠𝑇
′0𝐸
′𝑞𝑇
′0𝜌
𝐸′𝑞 = −𝐸′𝑞 + (𝑋𝑠 − 𝑋′𝑠)𝑖𝑑𝑠 − 𝑠𝜔𝑠𝑇
′0𝐸
′𝑑
𝑇𝐸 = 𝑢𝑑𝑠𝑖𝑑𝑠 + 𝑢𝑞𝑠𝑖𝑞𝑠
Os geradores de indução, assim como as demais máquinas elétricas, podem ser
analisadas em Regime Permanente através de um circuito elétrico equivalente. A
Figura 7, portanto, mostra o circuito equivalente deste gerador.
(04)
12
Figura 7: Circuito equivalente do gerador de indução.
O Gerador de Indução em Gaiola de Esquilo (SCIG) é conectado à rede elétrica
através de um conversor estático de potência plena1, que controla a velocidade do
rotor, conforme a Figura 8. Esse conversor estático também realiza o controle das
potências ativa (P) e reativa (Q) transferidas para a rede elétrica.
Figura 8: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo SCIG.
Fonte: Guilherme Vianna Santos, PPGEE UFMG, 2015.
O conversor estático evita que distúrbios elétricos sejam transmitidos ao gerador,
além de proporcionar controle das potências ativa e reativa, porém, o conversor
precisa ser dimensionado pelo fabricante conforme a potência aparente nominal do
gerador. Geralmente é maior que o conversor estático de máquinas síncronas, uma
vez que lidam apenas com a potência ativa. O SCIG não possui escovas e deve
possuir caixa de transmissão entre as pás e o rotor para que a máquina trabalhe em
uma ampla faixa de velocidades de vento [8].
1 Conversor estático de potência plena é o conversor utilizado para converter toda a potência gerada pelo aerogerador da turbina eólica.
13
2.2.2. Gerador de Indução Duplamente Alimentado
As turbinas eólicas com Gerador de Indução Duplamente Alimentado, ou do inglês
“Doubly-Fed Induction Generator” (DFIG), são turbinas eólicas com tecnologia mais
avançada que o SCIG, onde o Gerador de Indução (GI) tem seu estator conectado à
rede elétrica enquanto que o circuito do rotor é alimentado por um conversor estático
bidirecional na topologia “back-to-back”, que regula a frequência de excitação do rotor
[8]. Diferentemente da Seção 2.2.1, este conversor não é de potência plena, uma vez
que ele converte apenas uma porção da potência gerada pelo aerogerador.
A Figura 9 mostra o diagrama esquemático de um aerogerador tipo DFIG
conectada à rede elétrica, onde o conversor eletrônico converte cerca de 20% da
potência elétrica nominal gerada.
Figura 9: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo DFIG.
Fonte: Guilherme Vianna Santos, PPGEE UFMG, 2015.
O aerogerador tipo DFIG pode ser considerado como um gerador indutivo
tradicional com uma tensão de rotor diferente de zero. Para representações em
análises de sistemas de potência, os fluxos transientes do estator são ignorados nas
relações de tensão. Eliminando-se as correntes de rotor e expressando os fluxos de
rotor em termos de E’d e E’q, as equações dinâmicas são descritas em (05).
14
𝑢𝑑𝑠 = 𝑅𝑠𝑖𝑑𝑠 − 𝑋′𝑠𝑖𝑞𝑠 + 𝐸′𝑑
𝑢𝑞𝑠 = 𝑅𝑠𝑖𝑞𝑠 + 𝑋′𝑠𝑖𝑑𝑠 + 𝐸′𝑞𝑇
′0𝜌
𝐸′𝑑 = −𝐸′𝑑 − (𝑋𝑠 − 𝑋′𝑠)𝑖𝑞𝑠 + 𝜔𝑠𝑇
′0𝑢
′𝑞𝑟 + 𝑠𝜔𝑠𝑇
′0𝐸
′𝑞𝑇
′0𝜌
𝐸′𝑞 = −𝐸′𝑞 + (𝑋𝑠 − 𝑋′𝑠)𝑖𝑑𝑠 − 𝜔𝑠𝑇
′0𝑢
′𝑑𝑟 − 𝑠𝜔𝑠𝑇
′0𝐸
′𝑑
𝑇𝐸 = 𝑢𝑑𝑠𝑖𝑑𝑠 + 𝑢𝑞𝑠𝑖𝑞𝑠,
onde 𝑢′𝑑𝑟 = 𝑢𝑑𝑟𝑋𝑚 (𝑋𝑟 − 𝑋𝑚)⁄ e 𝑢′𝑞𝑟 = 𝑢𝑞𝑟𝑋𝑚 (𝑋𝑟 − 𝑋𝑚)⁄ .
O conversor de potência lida apenas com potência de escorregamento, portanto
a taxa de conversão pode ser considerada como baixa, se comparado à potência
nominal do gerador. O conversor PWM permite rápido controle, através da
modificação da amplitude e do ângulo de fase da tensão no rotor. O DIFG, portanto,
tem atuação análoga a um gerador síncrono [10]. A Figura 10 mostra a representação
do aerogerador tipo DFIG em regime permanente, onde o parque eólico pode ser
considerado uma barra PQ 1ou uma barra PV 2 dependendo da estratégia utilizada
pelo operador do sistema.
Figura 10: Circuito equivalente do aerogerador tipo DFIG.
A frequência de excitação do rotor é regulada através do conversor estático
bidirecional, o qual pode ser dimensionado para converter entre 25 e 30% da potência
nominal da máquina de indução, além de permitir o controle completo das potências
ativa e reativa e garantir menor impacto à rede elétrica. Em contrapartida, esse tipo
de aerogerador utiliza caixa de transmissão mecânica com anéis deslizantes no rotor
(causa elevação do custo da turbina), assim como absorve os distúrbios da rede
elétrica, transmitindo-os para o gerador.
1Barras onde não existe qualquer controle de tensão. Sabe-se apenas as potências real (P) e imaginária (Q). 2Barras que possuem dispositivos de controle de tensão e de injeção de potência ativa em valores especificados.
(05)
15
2.2.3. Gerador Síncrono de Rotor Excitado
Os Geradores Síncronos de Rotor Excitado, ou do inglês “Synchronous Generator
with Excited Rotor” (SGER), podem operar numa ampla faixa de velocidades. Graças
à facilidade de construção de geradores síncronos com elevado número de polos, a
caixa de transmissão pode ser eliminada, implementando-se o controle das potências
ativa e reativa. Faz-se necessário utilizar um conversor para o circuito de campo e a
potência dos conversores estáticos ligados à rede elétrica deve ser dimensionada
conforme a potência nominal do gerador (Figura 11) [8].
Figura 11: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo SGER.
Fonte: Guilherme Vianna Santos, PPGEE UFMG, 2015.
O conversor estático conectado a rede tem sua parte em corrente contínua (CC)
conectada ao rotor do aerogerador, através de um conversor CC/CC abaixador, que
realiza a excitação do rotor, assim como o controle das potências ativa e reativa.
2.2.4. Gerador Síncrono a Ímãs Permanentes
O Gerador Síncrono a Ímãs Permanentes, ou do inglês “Permanent Magnet
Synchronous Generator” (PMSG), se conecta à rede elétrica através de um conversor
de potência plena, conforme a Figura 12.
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Figura 12: Diagrama ilustrativo do aerogerador tipo PSMG.
Fonte: Guilherme Vianna Santos, PPGEE UFMG, 2015.
Esta nova tecnologia de aerogeradores se apresenta como uma das mais
promissoras para a geração eólica [8]. Os aerogeradores PMSG apresentam:
possibilidade de atuar em ampla faixa de velocidades de vento; supressão da caixa
de transmissão em geradores com elevado número de polos, minimizando problemas
mecânicos; redução do custo de manutenção devido a não utilização de escovas e
controle completo de potência ativa e reativa.
As desvantagens do aerogerador tipo PMSG, por sua vez, são: elevado custo de
fabricação por causa dos ímãs permanentes; necessidade de dimensionamento do
conversor eletrônico para a potência nominal do gerador (potência plena), o que
também ocasiona maiores custos de fabricação para o conversor.
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Capítulo 3. Harmônicas nos Sistemas Elétricos
Os harmônicos, por definição, são distorções que ocorrem nas formas de onda de
tensões e de correntes elétricas, caracterizadas por ondas senoidais com frequências
múltiplas da frequência fundamental (60 Hz). Uma distorção só é considerada
harmônica quando esta distorção se repetir nos ciclos da frequência fundamental.
Essas deformações são impostas por dispositivos não lineares, tais quais, os
transformadores, as máquinas elétricas, além dos dispositivos eletrônicos como
conversores e retificadores. O Capítulo 2 deste trabalho ilustra os diferentes tipos de
turbinas eólicas e os componentes utilizados para a conexão com a rede, enquanto
que este capítulo traz à tona os efeitos que as componentes harmônicas acarretam
na qualidade da energia do sistema elétrico.
Qualquer forma de onda que possua distorções ou frequências com amplitudes
diferentes da fundamental, pode ser decomposta, através da Série de Fourier, em uma
componente de mesma frequência que a fundamental e um conjunto de componentes
de frequências múltiplas a 60 Hz. Utilizando-se a “Transformada Rápida de Fourier”
ou “Fast Fourier Transform” (FFT), do inglês, desta forma de onda, onde cada
componente harmônica é considerada separadamente e a distorção total é
determinada pela superposição de todas as componentes [9]. A Figura 13 ilustra a
decomposição de Fourier para uma forma de onda distorcida quadrada.
Figura 13: Forma de onda distorcida decomposta em suas respectivas componentes