Nos modelos usuais de aerogeradores, por exemplo os presentes em (CLARK;
é formado pela associação da massa rotórica da turbina, caixa de transmissão (aplicado para aerogeradores com geradores elétricos não multípolos), sistemas de alta e baixa velo- cidade, massa rotórica do gerador e sistemas de controle eletromecânicos. A representação desses sistemas para simulações, normalmente, pode utilizar o modelo uma massa, modelo de duas massas, modelo de três massas e modelo de seis massas. Sendo o modelo de uma massa o mais simples, concentrando as inércias da turbina e gerador e eliminando os eixos rotativos e a caixa de transmissão. O modelo de seis mais massas é o mais complexo e pode ser usados para estudos para avaliação do desempenho mecânico do aerogerador. O modelo de duas massas faz uma boa representação do sistema do sistema mecânico do aerogerador, eliminando a caixa de transmissão (algo que pode ocorrer para o PMSG), permite a verificação do desempenho eletromagnético de acordo com variações no perfil do vento, o que pode gerar variações na qualidade da energia elétrica. Esse modelo é o mais utilizado para estudos de estabilidade em sistemas elétricos e uma representação mais detalhada do mesmo pode ser encontrada em (SOHN,2014). Esse último modelo, de duas massas, é o escolhido para ser usado no presente trabalho por conseguir representar um complexo sistema mecânico de forma relativamente simples e obter boas respostas dinâmicas.
A modelagem do sistema mecânico nesse trabalho representa a dinâmica da turbina, pelo modelo de duas massas, cálculo da potência mecânica extraída do vento, o controle de pitch e controle de torque. Tal sistema está modelado no componente wind turbine, segundo o modelo proposto em (CLARK; MILLER; SANCHEZ-GASCA,2010) e apresentado na Figura B.11. Esse componente é uma simplificação de um sistema eletro- mecânico complexo, como já citado, representando os sistemas de controle mais relevantes e a dinâmica mecânica da turbina eólica. A função principal desse componente é conseguir extrair a máxima potência do vento sem exceder a potência nominal da turbina. Outro fator importante presente nesse modelo, é a diminuição da potência extraída do vento para situações que a potência sobre o circuito de proteção do link CC excede um valor determinado. Nesse modelo é adotada velocidade cut-in de 4 m/s, velocidade cut-out de 25 m/s e a velocidade nominal da turbina é 11 m/s.
A Figura B.12 mostra o comportamento da curva Cp do modelo da turbina eólica para diferentes valores de ângulo de pitch e variando o valor de 𝜆. O valor de Cp é calculado por uma função polinomial de quarta ordem como segue na Equação B.26. O valor negativo limite de Cp é -0,05, assim como descrito em (PSCAD, 2018).
𝐶𝑝(𝜃, 𝜆) = 4 ∑︁ 𝑚=0 4 ∑︁ 𝑘=0 (𝛼𝑚,𝑘 · 𝜃𝑚· 𝜆𝑘) (B.26)
Em relação ao controle de pitch, a região de operação depende da velocidade do vento. Quando a velocidade do vento está abaixo da velocidade nominal, o controle
Figura B.11 – Modelo mecânico da turbina e controles aplicados.
Figura B.12 – Curva 𝐶𝑝 X 𝜆 de acordo com o valor do ângulo de pitch.
opera de modo que se possa extrair a máxima potência disponível, como já mencionado no Capítulo 4. Para isso ocorrer é necessário ajustar o valor do ângulo de pitch para valores mínimos, próximo de zero. Já quando a velocidade do vento excede a velocidade nominal, significa que a potência mecânica disponível excede a potência nominal do gerador, isso pode ocasionar danos aos equipamentos do aerogerador. Portanto, para limitar a energia extraída dos ventos é necessário reduzir a área efetiva das pás. Isso é feito quando se eleva o ângulo de pitch. O intervalo utilizado nesse trabalho para a operação do ângulo de pitch varia de 0∘a 25∘. Para simulações com fenômenos transitórios, a influência desse controle pode ser desconsiderada.
Normalmente a velocidade mecânica de referência é 1,2 pu. Para velocidades de vento consideradas baixas, nesse caso abaixo de 0,46 pu, a referência da velocidade mecânica do eixo turbina-gerador é dada pela Equação B.27 abaixo (CLARK; MILLER; SANCHEZ-GASCA, 2010). É importante salientar que o controle da velocidade de refe- rência detecta de forma lenta as alterações de potência. Por isso o controle da extração da potência do vento é alterado para o controle de torque após a inicialização do modelo
no PSCAD.
𝑊𝑟𝑒𝑓 = −0, 75 · 𝑃2+ 1, 59 · 𝑃 + 0, 63 (B.27)
Nos controladores reais, porém, o controle não segue essa lógica. A velocidade de referência não é determinada diretamente como função da potência, mas o efeito geral na relação entre a velocidade e potência é semelhante para fins de modelagem.
Um dos objetivos principais do controle da turbina é suavizar as flutuações da potência elétrica gerada devido as variações da potência extraída dos ventos. Como a velocidade mecânica do aerogerador varia em torno da velocidade de referência, a inércia do próprio aerogerador atua como um amortecedor das variações de potência mecânica.
O controle utilizado para simular a velocidade variante do vento está na Fi- gura B.13 e mostra os componentes usados para simular uma rampa de subida e uma de descida que são somados a velocidade base de 11 m/s. Os componentes de rajada e ruído são desconsiderados, já que as variações ocorridas na velocidade do vento foram representadas de forma suavizada para representar melhor o que ocorre em um modelo detailed de parque eólico em que nem todas unidades geradoras experimentam a mesma variação da velocidade do vento.
Figura B.13 – Representação do modelo da velocidade do vento.
O cálculo da potência (𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑) e torque mecânico (𝑊𝑖𝑛𝑑𝑇 𝑅𝑄) a partir do modelo
aerodinâmico da turbina eólica, presente em (CLARK; MILLER; SANCHEZ-GASCA,
2010;PSCAD, 2018), é apresentada na Figura B.14. O valor do 𝐶𝑝 é obtido por meio da
Figura B.14 – Cálculo da potência mecânica e torque.
A Figura B.15 mostra uma variação do perfil do vento, o controle de pitch que atua, como já descrito anteriormente, com o intuito de acelerar a turbina no início da operação usando um ângulo de 0∘. Após a aceleração e se alcançar a velocidade de operação nominal o ângulo de pitch apresenta um leve aumento com para tornar a operação estável, porém em seguida há uma redução na velocidade do vento o que implica em uma redução no ângulo de pitch para que se torne a extrair a máxima potência. Com o aumento na velocidade do vento há um respectivo aumento no ângulo de pitch com o intuito de manter a velocidade próxima da velocidade de referência. Todas as respostas do controle de pitch para as variações da velocidade do vento ocorrem com certo atraso, como já mencionado nesse trabalho. Já o controle do torque atua rapidamente visando a obtenção da máxima potência para cada velocidade do vento dentro da região 2 de operação. A variação do lambda ocorre seguindo a Equação B.24 do Capítulo 4 em que mostra que a mesma é inversamente proporcional a velocidade do vento, sendo ambos, valor do ângulo de pitch e lambda, a entrada para o cálculo do 𝐶𝑝. A variação do coeficiente de performance ocorre
de acordo com a Equação B.26 polinomial que o descreve.