Modelagem de Grandes Parques Eólicos (AKHMATOV, 2003; SLOOTWEG, 2003)

turbinas eólicas isoladas ou pequenos grupos de turbinas, bem como para investigar o comportamento de um parque eólico e sua resposta a falhas na rede elétrica. No entanto, o objetivo desta subseção é abordar o impacto dos elevados níveis de penetração da energia eólica no comportamento dinâmico de grandes sistemas de energia.

Essa análise não é tão simples pelo fato de que até mesmo as maiores turbinas eólicas têm uma escala de potência gerada muito menor do que a de usinas térmicas e hídricas convencionais com dezenas a centenas de MW de capacidade de geração.

Portanto, se os efeitos de uma alta penetração de energia eólica deve ser estudada utilizando modelos de uma única turbina eólica, centenas ou mesmo milhares de modelos de turbinas eólicas, bem como suas interconexões teriam de ser incluídos no modelo do sistema de potência investigado, o que é inviável.

Para solucionar este problema, modelos equivalentes de parques eólicos têm sido propostos, que tornam possível a representação de todo um parque eólico composto de várias turbinas eólicas por um único modelo, também chamado de modelo reduzido. Isso reduz o tamanho do modelo do sistema de potência, bem como o tempo de aquisição e cálculo de dados. Vale ressaltar, que nesta seção, somente os modelos equivalentes de parques eólicos compostos de turbinas eólicas variáveis serão apresentados (SLOOTWEG, 2003).

2.4.1 Modelo Equivalente de Turbinas Eólicas de Velocidade Variável

Nas turbinas eólicas de velocidade variável, o rotor atua como um armazenador de energia. Portanto, existe uma relação entre a velocidade do rotor e a potência gerada. Assim, em um modelo equivalente, a velocidade do rotor das turbinas eólicas individuais devem ser considerados. O modelo equivalente de um parque eólico com turbinas eólicas de velocidade variável é baseado no modelo geral da turbina eólica de velocidade variável descrito na Subeção 2.2.1.1.. No entanto, duas etapas adicionais são tomadas no modelo reduzido:

a) O modelo geral da turbina eólica de velocidade variável é simplificado;

b) A potência gerada por cada um dos aerogeradores do parque eólico, representada por este modelo simplificado, é injetada na rede.

A estrutura do modelo equivalente é mostrado na Figura 2.3, na qual os parâmetros do vento são usados para representar o modelo da velocidade do vento, que gera o regime de velocidade de vento com propriedades determinados pelo usuário. Então, a velocidade de vento para cada um das turbinas é calculada, para então ser utilizada no cálculo da potência elétrica de cada uma turbinas eólicas usando o modelo simplificado. Cada potência elétrica é somada e o resultado é usado para alimentar o sistema. Assim, diferente do que é feito para turbinas de velocidade constante, a potência elétrica individual de cada turbina eólica é somada para alimentar o sistema, e não a potência mecânica. Se o parque eólico possui um controle de tensão, este deve ser incorporada ao modelo equivalente do parque eólico (AKHMATOV, 2003).

Figura 2.3 Modelo Equivalente de Uma Turbina Eólica

Modelo da Velocidade do Vento Cálculo da Velocidade do Vento Modelo Simplificado da Turbina Eólica Potência Equivalente Modelo da Rede Elétrica Parâmetros do Vento Velocidade Geral do Vento Layout do Parque Eólico Velocidade Individual do Vento Característica da Turbina Potência Elétrica Individual P.Q. V.f.

Assim, podem ser aplicadas as seguintes equações:

𝑆

= ∑

𝑆

𝑃

= ∑

𝑃

Onde:

𝑆_𝑖 é a potência aparente de cada turbina eólica (MVA); 𝑃_𝑒𝑞 é a potência equivalente do parque eólico (MW); 𝑃𝑖 é a potência aparente de cada turbina eólica (MW);

Segundo Slootweg (2003), algumas considerações devem ser apreciadas para simplificar o modelo de turbina eólica de velocidade variável utilizado, tais como:

a) Supõe-se que o coeficiente de potência 𝐶𝑝(𝜆, 𝜃) é sempre igual ao seu valor máximo, pois as características variáveis de 𝐶_𝑝(𝜆, 𝜃) podem ser omitida do modelo e podem ser substituídas por uma constante igual ao valor máximo de 𝐶_𝑝(𝜆, 𝜃). Em outras palavras, é considerado um controlador ideal da velocidade do rotor;

b) A velocidade do rotor implementada versus a característica de controle é substituída por uma aproximação de primeira ordem;

c) A velocidade do rotor é limitada pelo seu limite máximo superior, por exemplo, para um valor de 1,1 p.u., pois assim o controle do ângulo de passo pode ser omitido do modelo, tal que não é mais necessário limitar a velocidade do rotor.

2.4.2 Integração de Parques Eólicos em Sistemas de Potência (ANAYA-LARA, 2009) A integração de parques eólicos às redes elétricas convencionais tem se tornado uma prática cada vez mais utilizada por grandes centros consumidores para atender sua demanda. Diante disto, a potência instalada dos parques eólicos tem aumentado muito, o que requer atualização de planejamento energético e dos procedimentos de rede. Uma das exigências é que os sistemas eólicos forneçam serviços de suporte à operação das redes elétricas convencionais, como controle de tensão terminal e proteção contra afundamentos de tensão.

Sabe-se que os sistemas eólicos são composto por geradores de indução, os quais consomem potência reativa da rede elétrica. Por isso, os atuais códigos de rede impuseram alguns requisitos técnicos às turbinas eólicas, por exemplo, o controle de potência ativa e reativa, e o procedimento ride-through, que determina que os aerogeradores devam permanecer conectados ao sistema de potência e na maioria dos casos, fornecendo suporte de potência reativa para rápida recuperação da tensão terminal da máquina.

Quando as turbinas eólicas são agrupadas em grandes parques eólicos, isso abre novas possibilidades, porque permite o projeto integrado dos três principais subsistemas de um parque eólico: a turbina, a infra-estrutura e a conexão à rede elétrica. Além disso, como os parques eólicos geram grandes quantidades de energia elétrica, eles são conectados a um nível de tensão

maior do que turbinas isoladas. Isso significa que a distância entre o parque eólico e a rede elétrica deve ser grande, o que pode ser aplicado nos parques eólicos em alto-mar.

2.5 Conclusão

Este capítulo abordou alguns aspectos relevantes sobre os parques eólicos, tais como a modelagem das turbinas eólicas, os principais tipos de aerogeradores, e a modelagem de parques eólicos equivalentes. Foi visto que existem basicamente dois tipos de sistemas eólicos: os sistemas eólicos de velocidade constante e os de velocidade variável. Nesta tese a análise é realizada com um parque eólico composto por aeroegerador DFIG, caracterizando sistemas eólicos de velocidade variável.

O modelo de um parque eólico composto de várias turbinas eólicas pode ser representado pela soma das potências aparentes e potências elétricas de cada turbina eólica que compõe o parque eólico. Este modelo é usado na representação do parque eólico onde as simulações foram realizadas nesta tese. Por fim, algumas considerações foram feitas em relação à integração de parques eólicos em sistemas de potência.