Atualmente os aerogeradores presentes no mercado combinam vários conceitos inovadores de eletrônica de potência e estratégias de controle com tecnologias adequadas para geradores. Existem diversos tipos de aerogeradores, contudo, quatro tipos se desta- cam por serem os mais frequentes em campo. Uma forma de se estudar os tipos diferentes de geradores eólicos consiste em separá-los de acordo com o controle de velocidade, fixa ou variável, sendo que quanto maior for a faixa de operação do aerogerador em relação à variação da velocidade do vento, maior será a produção de energia elétrica (MOURA,
2017).
A maior parte dos aerogeradores instalados no Brasil são DFIG, aproximada- mente 30% são de full converter ou Tipo 4, poucas unidades com rotor de gaiola ou com resistência de rotor estão presentes e são remanescentes do programa PROINFA (RAMOS;
VALENÇA; FILHO, 2018). O modelo que será a base do parque eólico em estudo nessa
pesquisa é o Tipo 4, que está ganhando destaque no mercado mundial pelo barateamento de seus componentes e também pelas vantagens elencadas a seguir. Os demais modelos estão presentes no Anexo A.
2.1.1
Tipo 4 - Modelo de Geração com Velocidade Variável - Interface Com-
pleta por Eletrônica de Potência
Essa classe consiste em aerogeradores com velocidade variável, possuindo maior faixa de operação quando comparado com a dos outros tipos. A conexão com a rede externa é feita por conversores eletrônicos. Toda potência gerada pela máquina passa pelos conversores. Nesse modelo a máquina está totalmente desacoplada da rede.
O gerador pode ser um gerador de indução com gaiola de esquilo ou rotor bobinado, ou um gerador síncrono de ímã permanente (VITTAL; AYYANAR,2013). Esse último tipo apresenta uma larga faixa de velocidade para operação e é capaz de extrair a potência máxima do vento, apresentando uma maior eficiência, não necessita de escovas nem de um conversor para alimentação do campo da máquina e, portanto, apresenta menor custo de manutenção. Caso o gerador tenha um grande número de polos, é possível evitar a utilização de caixa de engrenagens (CHINCHILLA; ARNALTES; BURGOS,2006;
REIS, 2015; RODRIGUEZ et al., 2008; SOARES,2012).
Os conversores são responsáveis por transmitir toda a potência proveniente do gerador à rede elétrica. Esse fato atribui uma vasta gama de possibilidades de estraté- gias de controle a serem aplicadas nesse modelo, tornando-o capaz de fornecer o maior número possível de serviços à rede, como suporte de potência reativa diante de diferentes cenários e o possível controle de tensão (CHINCHILLA et al., 2006;CHINCHILLA; AR-
NALTES; BURGOS, 2006; VITTAL; AYYANAR, 2013; REIS, 2015). Além disto, pode
ser implementado separadamente o controle do conversor do lado da máquina e do lado da rede.
De modo geral, as funções do conversor do lado da máquina (CLM) são:
∙ Rastreamento da máxima potência sob variações da velocidade do vento, contro- lando a frequência, magnitude e fase das tensões trifásicas aplicadas nos terminais do estator;
∙ Controle do fator de potência unitário com o intuito de obter a máxima potência ativa da máquina;
∙ Pode ser controlado para fornecer suporte inercial e de frequência, utilizando a inércia inerente da turbina eólica durante as contingências da rede.
Resumidamente, as funções do conversor do lado da rede (CLR) são:
∙ Transferência da potência gerada para a rede; ∙ Regulação da tensão no link CC;
∙ Prover suporte à rede, por exemplo, suporte para recuperação de faltas, suporte de potência reativa e regulação de tensão.
A Figura 2.1 mostra os componentes básicos da geração eólica descrita nessa seção, apresentando os componentes de um aerogerador do Tipo 4 na estrutura física. O modelo de gerador eólico utilizando interface completa por eletrônica de potência para conexão com a rede, conhecido também como full converter, devido às suas vantagens se apresenta como a tecnologia mais promissora para a geração eólica, com grande cresci- mento na sua exploração (BLAABJERG; CHEN, 2006; BLAABJERG; MA, 2013; EL- SHARKAWI,2016). O aerogerador do tipo 4 é o escolhido para ser utilizado nos estudos desse trabalho.
Figura 2.1 – Modelo Simplificado do Tipo 4. Fonte: (VITTAL; AYYANAR, 2013)(Adap- tado).
2.1.1.1 Diferentes Configurações do Tipo 4
Existem algumas topologias de conversores eletrônicos utilizados no modelo full converter que permitem ao gerador operar em velocidade variável. Dentre as possibilidades existentes duas se destacam e se diferenciam principalmente na estrutura do conversor eletrônico do lado da máquina, e são elas (SOARES et al., 2012; PEREIRA et al., 2013;
SANTOS,2015):
∙ Conversor síncrono com retificador e inversor PWM;
∙ Conversor síncrono com retificador a diodo mais conversor boost.
A primeira topologia, presente na Figura 2.2, é formada por dois conversores estáticos PWM trifásicos, também conhecidos como back-to-back, e conectados por um link CC, que apresenta tensão mais elevada do que o lado CA. Esse modelo é muito versátil, possibilita o fluxo de potência bidirecional com controle de potência dos dois lados e é o mais utilizado para o full converter (SANTOS, 2015). A implementação do controle
é facilitada pelo fato dos conversores apresentarem a mesma topologia, o que implica somente na troca dos valores de referência de acordo com as prioridades escolhidas.
Tradicionalmente o conversor do lado da máquina atua como um retificador controlado e atua no sentido de obter a potência convertida pelo conjunto turbina-gerador. O conversor do lado da rede atua tradicionalmente como inversor com a função de con- trolar o nível de tensão no link CC, regulação da tensão e frequência de saída, controle de fator de potência e sincronismo com a rede.
Figura 2.2 – Representação de um full converter utilizando um back-to-back. Fonte:(SANTOS, 2015).
A segunda topologia é caracterizada pela existência de dois link CC com ca- racterísticas diferentes e separados por um boost, que é um conversor CC/CC elevador. O retificador trifásico do lado da máquina é não controlado e do lado da rede possui um inversor trifásico PWM. O link CC entre o retificador e o boost apresenta tensão variá- vel, enquanto o segundo link CC, entre o boost e o inversor, apresenta tensão com perfil constante (flat) devido à variação na velocidade de rotação do gerador. O conversor boost deve elevar e regular a tensão do segundo barramento, no sentido de manter a tensão nesse ponto sempre superior à tensão CA do lado da rede, e, portanto, fazendo com que a potência ativa flua no sentido da geração para a rede, impedindo o fluxo no sentido contrário. A Figura 2.3 mostra o sistema de geração com essa topologia de conversores eletrônicos.
Figura 2.3 – Representação de um full converter utilizando um retificador a diodos e um conversor boost. Fonte:(SANTOS, 2015).
A primeira topologia apresentada, back-to-back, é uma topologia bem versátil, sendo a mais comum e com fácil implementação dos controles (SANTOS,2015;BARROS; BARROS, 2017). Essa topologia será usada nos estudos desse trabalho.