Controlo de pitch

O sistema de controlo activo (controlo de pitch) permite modificar o ângulo das pás de forma a conseguir maior ou menor aproveitamento do vento, consoante a potência gerada se torna demasiado elevado ou baixa.

Em termos gerais, estrategicamente o que se pretende com o controlo nas turbinas é alcançar os seguintes objectivos: (1) maximizar a energia eléctrica produzida, (2) assegurar que a turbina opere em segurança, (3) minimizar os custos de manutenção reduzindo o stress a que os componentes estão sujeitos. A escolha do esquema de controlo a utilizar vai depender do tipo de turbina que se pretende utilizar.

O modo como o controlo é feito depende do regime de operação da turbina. Abaixo da velocidade do vento nominal, que é a velocidade que permite a turbina funcionar à potência nominal, o objectivo é maximizar a potência obtida. Acima do vento nominal o intuito é manter a potência limitada à máxima. Nas turbinas de velocidade fixa de controlo passivo, não existe opções para o controlo. As turbinas de velocidade fixa com pitch regulável usam a regulação do pitch para o arranque e para limitarem a potência quando os ventos estão acima do valor nominal. Turbinas de velocidade variável, usam tipicamente o controlo de pitch , se disponível, apenas para regular a potência acima da velocidade do vento nominal, o controlo do binário do gerador é que vai ser usado ao longo de toda a banda de operação da turbina.

Década de 80 Década de 90 2000-2007 Controlo Passivo X X Controlo Activo X Velocidade Fixa X X X Velocidade Variável Limitada Multiplicador X X X X Controlo de Pitch X X X X Velocidade Variável X X X X X X X X Ligação Directa do Eixo ao Gerador X

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3.6.1.1. Controlo passivo

O modo mais simples de controlo é o controlo passivo (perda aerodinâmica), onde as pás possuem um ângulo fixo. Este método permite a perda “natural” aerodinâmica quando são excedidos certos níveis elevados de vento sem mudança da geometria das pás. É um sistema simples e robusto, mas de dimensionamento aerodinâmico complexo e apresenta baixa eficiência para ventos baixos.

3.6.1.2. Controlo activo do pitch

A função primária da regulação do pitch é servir como limitador das altas velocidades do vento de forma a limitar a força aerodinâmica a que estas são sujeitas evitando que os limites da turbina sejam alcançados e prevenindo o corte total de produção, por razões de segurança.

Num controle de pitch o controlo electrónico da turbina controla de um modo continuo a potência obtida à saída do gerador. Quando a potência excede uma potência de referência, é enviada uma ordem ao mecanismo do controlo de pitch das pás que imediatamente altera a geometria pás, diminuindo a área de ataque e consequentemente reduzindo o vento capturado. Quando a potência de saída desce abaixo da potência de referência o mecanismo de pitch volta a actuar nas pás, direccionando-as de forma a capturar o vento máximo. Durante o funcionamento normal as pás vão rodar uma fracção de graus.

Como o controlo do pitch das pás foi desenhado para obter o maior desempenho do vento, pretende-se que este esteja sensível às rajadas de vento. Uma solução seria ter mecanismos suficientemente rápidos de forma a obter uma resposta rápida. Quanto mais rápido o mecanismo responder às rajadas mais aproveitamento da energia se irá ter. Contudo, a velocidade de rotação das pás está limitada pela força dos mecanismos de pitch e pela inércia das pás. Com um sistema de previsão do vento seria possível antecipar os movimentos do mecanismo do pitch de forma a optimizar o aproveitamento de energia eólica.

A Fig. 3.11. mostra o modelo do controlo do pitch que será usado no processo de simulação. O pitch das pás mantém-se constantes enquanto a potência obtida à saída da turbina for menor que a potência de referencia. No momento que a potência do gerador ultrapassar a potência de referência o controlo de pitch entra em funcionamento. No controlo do pitch é possível controlar algumas variáveis, como: Kp e Ki que representam o ganho proporcional e o ganho

integral respectivamente. O Ki permite reduzir os picos e obter uma resposta mais suave e é

procedido por um limitador da velocidade do pitch, dβ/dt, que normalmente variaram entre 1 [º/s] e 10 [º/s], No fim existe a limitação física angular das pás, βmax e βmin.

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Figura 3.11 Modelo de um controlador activo de pitch

3.6.6.3. Controlo de perdas aerodinâmicas activo

Este sistema reduz a potência aerodinâmica diminuindo o ângulo pitch da pá de forma a reduzir o ângulo de incidência, aumentando as perdas aerodinâmicas. A diferença em relação ao sistema de controlo de pitch activo é que no caso de ser ultrapassado a potência nominal do gerador, as pás vão rodar no sentido contrário que rodaria o controlo de pitch activo.

Este sistema implica que as TEs estejam equipas com vários componentes mecânicos adicionais como: electromecânicos ou actuadores hidráulicos usados para mover as pás, sensores e controladores. Assim, aumenta a sua complexidade e aumenta o custo de manutenção, mas também permitem um melhor controlo para maximizar a potência capturada.

3.7 Conclusão

Ao longo dos últimos anos as TEs têm evoluído com o objectivo de se obter maior eficiência, tanto a nível de maximizar a produção como a aumentar a durabilidade dos elementos mecânicos diminuindo a fadiga e stress que lhes tão associados. A evolução é sentida principalmente ao nível do controlo, seja ele da turbina ou do gerador. Os geradores de velocidade fixa dominaram o mercado das TEs durante muito tempo. A sua principal desvantagem é a rigidez, devido à sua velocidade fixa, não apresenta nenhuma flexibilidade. Com a incorporação da electrónica de potência das TEs foi possível obter geradores de velocidade variável de grande performance como os geradores de dupla alimentação (Tipo D) que permitem grandes variações de velocidade

Capítulo 4

Modelo de previsão

4.1. Introdução

As variações do vento podem ser vistas em diferentes escalas: segundos, minutos, horas, dias, semanas, sazonais ou anuais. Em termos de planeamentos a longo prazo para instalação de TE, as previsões devem ser realizadas a anos de distância [12,13]. Contudo, para o controlo das TE, as previsões necessárias consistem na obtenção de informação com distância dos próximos segundos. Este deve-se ao facto de o maior problema do controlo da TE serem os atrasos associados aos diferentes sistemas de controlo das TE. Estes atrasos afectam a resposta do sistema às acções do controlo. As previsões a curto-prazo podem ser usadas para o controlo dinâmico da TE, devido às decisões importantes que devem ser realizadas a curto prazo As decisões a curto prazo podem ser as seguintes: ligação de cargas, controlo sobre o pitch das pás, ou outro controlo que envolve atrasos. Este trabalho, foca-se na realização de simulações actuando no controlo de pitch.

Existem muitos estudos envolvendo previsões com modelos estatísticos como por exemplo: ARMA (AutoRegressive Moving Average) [14-17] , contudo são de âmbito muito geral e normalmente numa base temporal de horas. No caso dos modelos físicos como o NWP (Numeric Weather Prediction), que tem em conta muitos dados físicos, este apresentam dificuldades na celeridade do processo de previsão devido à dificuldade em adquirir os dados das condições locais, também, a elevada complexidade dos seus modelos matemáticos torna-o o impróprio para uma previsão numa escala temporal de segundos [18].

O objectivo do trabalho é encontrar um modelo capaz de realizar previsões da velocidade do vento numa escala temporal de segundos com capacidade de ser usado em tempo-real e usufruindo de uma capacidade de se adaptar, à medida que novos dados locais vão sendo adquiridos. É importante ter um modelo dinâmico de baixa complexidade e de boa robustez de forma a obter rapidez e fiabilidade.

Serão estudados modelos estatísticos ARMA dinâmicos que por norma apresentam bons resultados para previsões de curta escala, uma alternativa a este modelo seria os modelos não- lineares como as redes neuronais dinâmicas aplicadas a séries temporais como os TDNN (Time

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Delay Neural Network) ou TLFN (Time-Lagged Feedforward Network) [19], contudo podem apresentar a desvantagem de o processo de treino ser um processo demorado.