A operação de um aerogerador é caracterizada por faixas de variação de velocidade de vento, tendo como referência a velocidade de vento nominal do equipamento.
Um aerogerador possui uma velocidade de vento mínima de partida que permite a conexão do gerador à rede, chamada de velocidade (de vento) de acionamento (Vcut-in), abaixo da qual não é razoável manter o gerador operando pela baixíssima potência gerada ou mesmo pela possibilidade de motorização. De forma similar existe uma velocidade de retirada ou velocidade máxima (Vcut-out) suportada pelo gerador que garante uma operação segura. Esta velocidade é o limite superior e, se ultrapassada, pode impor danos tanto à turbina, quanto ao gerador e à caixa de transmissão.
Quando acionado por uma turbina eólica, um gerador elétrico deve se comportar da seguinte forma, como ilustrado na Figura 37:
Na região sub-nominal (quando a velocidade de vento no local de instalação da turbina é inferior à velocidade de vento nominal da turbina): neste caso, o gerador elétrico deve operar
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com potência ativa variável em função da velocidade de vento, podendo nas tecnologias a velocidade variável garantir máxima eficiência da conversão. Por isto esta região é conhecida como região de otimização de potência, e o controle de potência é eletromagnético (ou elétrico ou eletrônico, se existir);
Na região nominal (quando a velocidade de vento é igual ou superior à velocidade nominal da turbina): neste caso, a potência ativa gerada deve ser constante e igual ao valor nominal, por ação do sistema de controle de passo (nas tecnologias a velocidade variável) ou de regulação por estol (nas tecnologias a velocidade constante). Esta região é também denominada de região de limitação de potência e o controle de potência é mecânico ou aerodinâmico.
Figura 37. Curva da Potência Extraída em Função da Velocidade do Vento
Estas características operacionais destacam, principalmente na região sub-nominal, uma grande divisão das tecnologias: as arquiteturas a velocidade constante (ou fixa) e as arquiteturas a velocidade variável.
No que diz respeito à geração alternativa de energia, as centrais eólicas conectadas às redes elétrica são classificadas basicamente pela tecnologia das máquinas elétricas e pelos seus respectivos sistemas de acionamento, definindo a operação em velocidade constante e a operação a velocidade variável. As centrais eólicas que operam a velocidade variável oferecem mais benefícios quando comparadas com centrais a velocidade constante, uma vez que uma potência maior pode ser extraída do vento, tendo em vista a operação a coeficiente de potência máximo e a relação de velocidades constante na região sub-nominal. Além disso, existem outras vantagens como: menor estresse mecânico, ruídos de menor intensidade e a habilidade em fornecer potência reativa à rede elétrica (Li et al., 2006).
As curvas características de potência versus rotação, para vários valores de velocidade de vento, ilustram bem as diferenças em termos de otimização da potência para aerogeradores que operam a velocidade constante ou variável. Conforme ilustra a Figura 38, o gerador opera em uma velocidade constante que é determinada pela frequência da rede elétrica, pelo número de pólos e a relação de transmissão, independente da velocidade de vento incidente. Neste caso o gerador somente é capaz de atingir o ponto ótimo da curva quando a velocidade do vento, neste caso, é de 11 m/s, causando uma perda de potência para velocidades diferentes.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 V
cutin Velocidade de Vento [pu] Vcutout
P o tê n c ia G e ra d a [ p u ] Região Sub-Nominal Região Nominal
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Quando a tecnologia de aerogerador é conectada ao sistema elétrico por meio de conversores de frequência, é possível realizar o controle de potências ativa e reativa independentemente. A turbina éolica é capaz de atingir o ponto ótimo da curva de potência versus rotação para outras velocidades de vento, já que o gerador opera a frequência variável, resultando em maior eficiência energética, conforme mostra a Figura 39.
Para a produção de energia elétrica através dos aerogeradores, são utilizados dois tipos de máquinas elétricas: as síncronas e as assíncronas. Os geradores assíncronos, quando de indução em gaiola de esquilo, são empregados para aplicações em velocidade constante, enquanto que os geradores de indução com rotor bobinado e os síncronos são, geralmente, utilizados em conjunto com conversores estáticos caracterizando sistemas que operam velocidade variável.
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Figura 39 Características de potência de aerogerador a velocidade variável
4.1 Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Fixa
Os sistemas de conversão de energia eólica podem ser classificados como sistemas que operam a velocidade constante e sistemas que operam a velocidade variável. Estes modos de operação são função da tecnologia de conexão do gerador à carga ou à rede elétrica.
A conexão direta na rede elétrica de aerogeradores caracteriza o conceito de turbinas eólicas operando a velocidade constante (“conceito dinamarquês”), que dominou as usinas eólicas no mundo durante as duas últimas décadas do século passado, prioritariamente utilizando geradores de indução em gaiola. A operação a velocidade constante pressupõe normalmente o uso de geradores com uma excursão bastante restrita de velocidade, o que normalmente afeta seu aproveitamento energético. Em contrapartida, estes sistemas por estarem mais rigidamente conectados às redes elétricas, são mais susceptíveis às variações de tensão (perda de excitação em geradores de indução) e aos problemas de estabilidade (principalmente quando se usam geradores síncronos, o que praticamente eliminou esta opção entre os sistemas instalados no mundo). Neste tipo de conexão, o amplo uso de geradores de indução em gaiola se justifica pela facilidade de sincronismo com a rede elétrica e pela limitada contribuição a curtos-circuitos.
Em função da necessidade de geração de energia elétrica à frequência constante e do elevado custo das tecnologias a velocidade variável, os primeiros sistemas de geração eólica utilizaram topologias a velocidade constante, semelhantes aos sistemas de geração convencional. Assim, a rotação da turbina é vinculada à frequência da rede, ao número de polos da máquina elétrica e à relação da caixa de transmissão mecânica. A operação segundo esta estratégia implica que o rendimento ótimo será obtido apenas na velocidade de vento nominal, reduzindo a capacidade energética anual da usina. Além disso, gera maiores esforços mecânicos sobre o sistema, aumentando o risco de indisponibilidade, e impossibilita o controle do fluxo de reativos.
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A limitação da potência transformada pelo sistema eólico garante a segurança operacional dos equipamentos. A potência de grande parte das usinas a velocidade constante é limitada de forma passiva, isto é, utiliza o efeito aerodinâmico de stall da turbina para garantir a geração de potência inferior à nominal para velocidades de vento superiores à velocidade de vento para a qual o sistema foi projetado. Apesar da simplicidade, pois não necessita de um sistema de controle e atuadores dedicados ao grampeamento da potência eólica, o controle por stall, além de causar maiores esforços mecânicos sobre os componentes do sistema, não se comporta idealmente, isto é, a potência gerada para velocidades de vento acima do valor nominal são inferiores à potência máxima, o que causa redução na capacidade de geração da usina.
4.2 Arquitetura de Aerogeradores a Velocidade Variável
Em sistemas de conversão de energia eólica que operam com velocidade variável, a conexão na rede elétrica é feita normalmente pela utilização de conversores estáticos e prioritariamente com uso de barramentos intermediários em corrente contínua, tecnologia que é dominante nos sistemas modernos de conversão de frequência utilizados nos acionamentos industriais. A conexão estática permite o controle desacoplado de potência ativa e reativa, o amortecimento efetivo das flutuações de potência, a operação com máxima eficiência energética e a minimização dos problemas de qualidade da energia gerada (dependente da tecnologia a ser utilizada), facilitando sua integração em redes fracas.
Em alguns equipamentos, o uso de geradores síncronos com excitação elétrica (bobina de campo), embora representem investimentos mais elevados, se justifica pela possibilidade da aplicação de retificadores à comutação natural, consideravelmente mais baratos. Além disto, a possibilidade de projetos com alto número de polos permite a redução das relações de transmissão mecânica, ou mesmo a eliminação das caixas de transmissão, como nas turbinas “gearless”, atualmente identificadas também pelo termo “direct drive”. Nesta tecnologia competem os aerogeradores com geradores síncronos com excitação elétrica, a exemplo dos modelos de turbinas eólicas comercializadas pela ENERCON (atualmente denominado “conceito alemão”) e os geradores síncronos a imãs permanentes.
Apesar do uso de geradores de indução com rotor em gaiola ser competitivo devido a sua inerente robustez, esta máquina quando compondo um aerogerador a velocidade variável, requer retificadores a comutação forçada, que apresentam custos mais altos que as outras tecnologias disponíveis. Estes conversores são projetados para uma potência aparente mais elevada, em razão do consumo de potência reativa da máquina elétrica e logo, esta tecnologia ainda é pouco atrativa ao mercado.
Já o uso de geradores de indução com rotor bobinado, em sua estrutura mais utilizada com dupla alimentação, embora represente, à semelhança dos geradores síncronos, investimentos e custos de operação mais elevados, permite a especificação de conversores estáticos com potência aparente bastante inferior (cerca de 30 a 40% da potência nominal da máquina), o que explica o elevado número de modelos atualmente disponíveis no mercado. Todavia, os geradores de indução duplamente excitados permitem uma excursão de velocidade limitada a 30% em torno do valor nominal, dependendo da potência de seus conversores estáticos de rotor, limitando sua capacidade de otimização energética. Além disto, ao utilizar-se um conversor de menor potência, estes geradores possuem menor capacidade de compensação de distúrbios nas tensões das redes elétricas onde se encontram conectados.
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Apesar do aumento do custo inicial do projeto, diversos benefícios são decorrentes da utilização de topologias a velocidade variável. A capacidade de extração de potência com máximo rendimento, a redução dos esforços mecânicos, a capacidade do controle da injeção de reativos no sistema, mesmo em momentos de falta, a melhoria da qualidade da energia elétrica gerada são alguns dos fatores mais relevantes. Em (BURTON, et al., 2001), é realizado um cálculo comparativo da energia elétrica gerada por usinas a velocidade constante e a velocidade variável. Relata-se um ganho de 6% das topologias a velocidade variável. Os custos adicionais das turbinas a velocidade variável são decorrentes da utilização de dispositivos semicondutores de potência e da aplicação de mecanismos para variação do ângulo de passo, garantindo regulação de potência próxima à curva ideal.
Controle de passo Regulação por stall
Figura 40 Comparação entre curvas de potência típicas de turbinas a velocidade constante e a velocidade variável
A Figura 40 compara a característica típica de operação de uma turbina à velocidade variável, com limitação da potência máxima através da variação do ângulo de passo, e uma turbina a velocidade fixa, com controle por stall (HANSEN, 2008), podendo-se identificar o ganho de potência da primeira em relação à segunda. A Figura 41 compara a potência ativa gerada pela turbina de 2 MW em estudo em aplicações a velocidade variável e a velocidade constante, considerando valores para a velocidade de vento inferiores ao valor nominal de 12 m/s.
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Figura 41 Comparação da operação de uma turbina a velocidade constante e uma turbina a velocidade variável para ventos abaixo do vento nominal