Modelagem de Aerogeradores em Estudos Elétricos - Nelson Martins

Encontro Internacional de Energia Eólica3o. Painel – Tecnologia e Integração de Centrais Elétricas à RedeModelagem de Aerogeradores emEstudos ElétricosNatal, RN – 22 de Setembro de 2005Nelson MartinsSérgio Gomes Jr.Ricardo Diniz RangelJúlio C. R. Ferraz

Modelos para Avaliação de Sistemas com Aerogeradores1. Introdução Grupo de Trabalho de Geração Eólica (Grupo ELETROBRAS eONS)2. Programa de análise de transitórios eletromecânicos ANATEM – Considerações Gerais3. Avaliação de aproveitamento eólico utilizando ANAREDE eANATEM Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Máquina de Indução com Dupla Alimentação Máquina Síncrona com Velocidade Variável4. Considerações FinaisModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL2

1. Introdução – Grupo de Trabalho de Geração Eólica Esforço de âmbito nacional Composto pelas empresas do Grupo ELETROBRAS e peloONS CEPEL, ELETROBRAS, FURNAS, CHESF, ELETROSUL,ELETRONORTE, ONS Coordenação do CEPEL Diversas reuniões de trabalho realizadas desde 2003 Objetivo Permitir a avaliação de sistemas que possuam aerogeradores Definição dos modelos a serem prioritariamente implementadosModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL3

1. Introdução – Grupo de Trabalho de Geração Eólica A partir da determinação das tecnologias mais utilizadas Implementação de modelos nos programas ANAREDE e ANATEM Programas de uso corrente em estudos de planejamento eoperação pelas empresas do setor elétrico brasileiro Modelos disponíveis são bastante gerais São capazes de reproduzir o comportamento de diversosequipamentos mediante ajustes inerentes a cada fabricante Avaliação dos modelos utilizando sistemas teste Análise do sistema na ocorrência de distúrbios no vento (potênciamecânica) e na redeModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL4

2. Programa ANATEM Possui dois tipos de modelos Pré-definido (“builtbuilt-in” in”) Controlador Definido pelo Usuário (CDU) Modelo Pré-definido (“builtbuilt-in” in”) Modelos não flexíveis As equações que modelam o equipamento são conhecidas► Possuem estrutura fixa► Modelos bem estabelecidos na literatura► As equações são descritas no manual O usuário apenas altera os valores dos parâmetros► Ex.: modelo de máquina síncrona, modelo IEEE de RT, etc.Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL5

2. Programa ANATEM Controlador Definido pelo Usuário (CDU) Criado através de uma linguagem própria do tipo script Intrinsecamente flexível Composto por uma série de blocos elementares Funções de transferência Funções lineares e não-lineares Operadores lógicos e chaves Utilizando os blocos básicos, o usuário pode construir o seupróprio controlador Ex.: RT, RV, PSS, FACTS, turbina eólica, controle deconversores, etc.Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL6

3. Avaliação de Aproveitamento Eólico Turbina eólica Controle por “stall“stall” Controle do ângulo de posição da pá (“pitchcontrol”) Três tecnologias básicas para o gerador Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Máquina de Indução com Dupla Alimentação Máquina Síncrona com Velocidade VariávelModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL7

3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina Eólica Potência mecânica é função de: Densidade do ar (ρ)( Área varrida pelo rotor (A)( Velocidade do vento (v) Curvas de desempenho da turbina Cp (λ,β) Velocidade da turbina (ω)( Considerações: Caixa de engrenagens Controle do ângulo de posição da pá (controle de "pitch"pitch“)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL8

3.1. Potência Mecânica Fornecida pela Turbina EólicaP3= 0,5⋅ρ⋅A ⋅ v ⋅C( λ,β); λ = ω⋅ R vpCp x λ x β0.50.40.3Cp0.20.100 5 10 15 20λModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL9

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Velocidade do vento15.CDU 100 303 V_VENT TURB_EOLICA112.9.6.3.0.0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL12

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Tensão na barra terminal do parque eólico0.96VOLT 101 Ger_Eolica0.9450.930.9150.90. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL13

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Escorregamento0.0E+1SLIP 101 15 Ger_Eolica-1.5E-3-3.0E-3-4.5E-3-6.0E-30. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL14

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico1.3Fluxo de Potência AtivaFluxo de Potência Reativa0.80.3-0.2-0.70. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL15

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Tensão na barra terminal do parque eólico1.VOLT 101 Ger_Eolica0.750.50.250.0. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL16

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Escorregamento0.0E+1SLIP 101 15 Ger_Eolica-5.0E-3-1.0E-2-1.5E-2-2.0E-20. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL17

3.2. Máquina de Indução Diretamente Conectada à Rede Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico2.Fluxo de Potência AtivaFluxo de Potência Reativa1.51.0.50.-0.5-1.-1.5-2.-2.50. 2.5 5. 7.5 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL18

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação2P G + jQG1P s + jQsestatorGerador deInduçãoPturbeixomecânicoTurbinaeólicaXsP cs + jQcsP r + jQrrotorbobinadoXtP cr + jQcrConversor 1+-V CConversor 2Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL19

3.3. Máquina de Indução com Dupla AlimentaçãoI SRs+jXsModelo daTurbinaE’Modelo daMáquinaModelo doControleX tI C1 V C I C2I 2=I RV C2=V R+V C1-Conversor 1Conversor 2Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL20

3.3. Máquina de Indução com Dupla AlimentaçãoVelocidadedo VentoCoeficiente deDesempenho(Cp)CpTurbinaPmecGeradorBetaWWVariação dePotênciaControle dePosição da Pá(Pitch Control)PmáxVariação deVelocidadeControle doConversorReferênciadeVelocidadePele *Qele *PeleMedidaModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL21

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Conversor 1 (conectado ao estator) Potência Ativa► Controle da tensão no capacitor Potência Reativa► Controle do fator de potência no conversor Conversor 2 (conectado ao rotor) Potência Ativa► Controle da velocidade “ótima” (escorregamento) da máquina Potência Reativa► Controle da geração de potência reativa• Q constante, V constante ou f.p. constanteModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL22

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Distúrbios Variação na velocidade do vento► 1s: degrau de +1 m/s Curto circuito trifásico na barra terminal► Aplicado no instante t=1s► Duração de 260 msModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL23

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade do vento15.CDU 100 303 V_VENT TURB_EOLICA212.9.6.3.0.0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL24

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Tensão na barra terminal do parque eólico1.010VOLT 101 Ger_Eolica1.0051.0000.9950.9900. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL25

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico125FLXA 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 1 FLXR 101 Ger_Eolica 104 Barra_Inf 110075502500. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL26

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade da máquina e velocidade de referênciaCDU 121 2001 WR DFIM_CONTROLCDU 121 2002 WRREF DFIM_CONTROL1.000.980.960.940.920.900. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL27

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Ângulo de posição da pá2.5CDU 100 1310 BETA TURB_EOLICA22.1.51.0.50.0. 2.5 5. 7.5 10. 12.5 15.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL28

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Tensão na barra terminal do parque eólico e valor dereferência (1 pu)1.11.0.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL29

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Potência ativa e reativa na barra terminal do parque eólico12046-28-102-176-2500. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL30

3.3. Máquina de Indução com Dupla Alimentação Velocidade da máquina e velocidade de referência1.0.980.960.940.920.90. 2. 4. 6. 8. 10.Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL31

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variávelm 1m 2φ 2P turbi CC1i CC2V T2+X T2eixomecânicoV CC1V C-TurbinaeólicaGeradorsíncronoV T1X T1ChopperConversor 1Conversor 2Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL32

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade VariávelReguladorde TensãoE fdT mGeradorSíncronoV CA1I CC2VE" Sistema Retificador Sistema CC2E ψInversorT 2P GCA 1 a Diodo V CC1CCde TensãoI CA1 I CC1m 1m 2ψV CA2ω2TurbinaβControle doChopper∆ωControle doInversorV VPosiçãoda Pá∆ωω refCurva de Referência deVelocidadeModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL33

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Chopper Controle da tensão no capacitor Conversor (conectado à rede) Potência Ativa► Controle da velocidade “ótima” da máquina Potência Reativa► Controle da geração de potência reativa• Q constante, V constante ou f.p. constanteModelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL34

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Sistema teste Parque eólico conectado a uma barra infinita através de umareatância de 45% (base da máquina) 10 unidades de 850 kW Despacho de 0,75 pu (6,4 MW) ou de 1,00 pu (8,5 MW) Controle da tensão na barra terminal do parque eólico Distúrbios Variação na velocidade do vento Curto-circuito próximo ao parque (causando queda na tensãoterminal para 0,20 pu)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL35

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Velocidade do vento12,CDU 100 303 V_VENT TURB_GSE_0110,8,6,4,2,0,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL36

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Velocidade da máquina24,FGSE 1 10 ParqueEolico23,22,21,20,19,18,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL37

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Tensão na barra terminal1,02VOLT 1 ParqueEolico1,011,0,990,980,970,960, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL38

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Geração de potência ativa10,5PE2E 1 10 ParqueEolico9,58,57,56,55,54,50, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL39

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Geração de potência reativa2,4QE2E 1 10 ParqueEolico2,1,61,20,80,40,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL40

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Ângulo de posição da pá6,CDU 100 1310 BETA TURB_GSE_015,4,3,2,1,0,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL41

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Tensão na barra terminal1,2VOLT 1 ParqueEolico1,0,80,60,40,20,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL42

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Velocidade da máquina21,FGSE 1 10 ParqueEolico20,520,19,519,18,518,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL43

3.4. Máquina Síncrona com Velocidade Variável Energia Dissipada pelo Resistor2,4CDU 3 2083 ENERG CHOPPER2,1,61,20,80,40,0, 5, 10, 15, 20, 25, 30,Tempo (s)Modelagem de Aerogeradores em Estudos ElétricosNelson Martins – CEPEL45