PRINCIPAIS CONFIGURAÇÕES PARA SISTEMAS EÓLICOS

Ao longo das últimas décadas, as configurações dos WECSs sofreram uma série de modificações. Elas evoluíram das turbinas de velocidade fixa baseadas em geradores de indução (do inglês, Induction Generators) (IGs), que não utilizavam conversores eletrônicos, para as turbinas de velocidade variável baseados em geradores síncronos com rotores bobinados (do inglês, Wound Rotors Synchronous Generators) (WRSGs), geradores síncronos de ímãs permanentes (do inglês, Permanent Magnet Synchronous

Generators) (PMSGs) e geradores de indução duplamente alimentados (do inglês, Doubly

Fed Induction Generators) (DFIGs). Nos WRSG e PMSG, os conversores estáticos processam toda a potência dos geradores. Já no DFIG, os conversores são ligados aos terminais do rotor e processam ±30% da potência gerada (YARAMASU et al., 2015).

Na Figura 3 é ilustrado um mapa de árvore onde os sistemas WECS estão agrupados em: (i) turbinas de velocidade fixa e (ii) turbinas de velocidade variável. Os arranjos se diferenciam pelo perfil de acionamento do sistema WECS, tipo de gerador, bem como a capacidade dos conversores eletrônicos de potência que são conectados as turbinas, os quais podem ser de capacidade reduzida ou plena (do inglês, full capacity).

Figura 3 – Mapa de árvore com os tipos de turbinas, geradores e potência processada pelos conversores comumente usados nos WECS.

Fonte: Adaptada de Wu et al. (2011).

2.1.1 Sistemas eólicos com velocidade fixa

Os sistemas eólicos que trabalham com velocidade fixa são os mais simples e geral- mente não utilizam nenhum tipo conversor eletrônico em sua estrutura. Esta configuração

possui baixo custo inicial e geralmente empregam geradores de indução de gaiola de esquilo (do inglês, Squirrel Cage Induction Generators) (SCIGs), os quais operam numa faixa de ±1% da velocidade síncrona do gerador, para toda a faixa de velocidade do vento (LI; CHEN, 2008). Como a rotação desses geradores é praticamente constante, seu ponto de máxima potência ocorre apenas em uma dada velocidade do vento. Essa característica faz com que eles sejam menos eficientes, uma vez que não é possível ajustar a razão de velocidade das pás (do inglês, Tip Speed Ratio) (TSR) para diferentes velocidades do vento.

Como a frequência elétrica do gerador depende da velocidade mecânica do seu eixo e do número de polos da máquina, os quais são limitados a quatro ou seis polos nos IG, uma caixa de engrenagens (multiplicadora) deve ser acoplada entre o eixo da turbina e do gerador (WU et al., 2011). Contudo, a inclusão dessa caixa de engrenagens aumenta o custo, peso e necessidade de manutenção do sistema de geração.

A faixa de operação desses sistemas chega até poucos MW de potência. São configurações que foram muito utilizadas no início da integração dos sistemas eólicos com a rede. Porém, foram caindo em desuso devido às desvantagens acima mencionadas (YARAMASU et al., 2015).

2.1.2 Sistemas eólicos com velocidade variável

Conforme mencionado anteriormente, o regime intermitente dos ventos impede que a interligação de um sistema de geração eólica à rede elétrica seja feita da mesma maneira que uma fonte despachável, cujo montante de energia gerada pode ser continuamente controlada dentro de uma ampla faixa de operação.

Para que as turbinas eólicas com velocidade variável controlem a quantidade de energia convertida são usados conversores eletrônicos para regular a quantidade de potência ativa extraída do gerador e, assim, controlar indiretamente a velocidade de rotação do conjunto. Desta forma, esses sistemas são mais complexos e apresentam maiores custos de instalação (CARRASCO et al., 2006). Por outro, como a conversão de energia é realizada em uma maior faixa de variação de velocidade do vento, este tipo de WECS é mais eficiente.

Paralelamente ao desenvolvimento de WECS com velocidade variável, observa-se uma menor necessidade de manutenção desses sistemas uma vez que as variações bruscas do conjugado mecânico, responsáveis pelos esforços mecânicos no eixo e nas caixas de engrenagens, são bem menores em comparação àqueles observados nas turbinas com velocidade fixa (KALDELLIS; ZAFIRAKIS, 2011). Essa característica possibilitou a construção de turbinas de dimensões maiores e potências mais elevadas.

Nessas aplicações, o emprego de geradores síncronos (do inglês, Synchronous

Generators) (SGs) com um grande número de polos também permite o acionamento direto, ou seja, sem usar caixa de engrenagens (YARAMASU et al., 2015). Além de poderem

operar em faixas mais amplas de velocidades quando comparado com o IG. Neste caso, para o acionamento direto, o gerador deve possuir baixa velocidade com grande números de polos. Com isso, eles possuem maior diâmetro e massa afim de acomodar a grande quantidade de polos, gerando aumento no custo do sistema. Porém, a eliminação da caixa de engrenagens traz a redução de custo e desgaste. O gerador de indução normalmente opera com velocidades de rotação elevadas e acionamento indireto devido ao menor número de polos do gerador (POLINDER et al., 2006).

Adicionalmente, os conversores eletrônicos utilizados nos sistemas eólicos podem também ser controlados para regular o fluxo de potência reativa na rede elétrica, melhorando a qualidade de energia fornecida. Desta forma, possibilita-se a redução dos equipamentos para a compensação de reativos. Esses conversores podem processar parte ou o total da potência gerada, sendo conhecidos como conversores de capacidade reduzida ou conversores de capacidade plena, respectivamente.

O esquema de ligação para sistemas de velocidade variável com os conversores de capacidade reduzida é ilustrado na Figura 4. Neste tipo de configuração é utilizado o DFIG. O conversor eletrônico chega a ser responsável por processar cerca de ±30% da potência total do sistema. Por isso, são utilizados conversores eletrônicos de menor custo, peso e tamanho físico se comparados ao de capacidade total. Possuem maior eficiência de conversão de energia do que configurações baseadas na operação em velocidade fixa, pois permitem o rastreamento de máxima potência e uma faixa de operação de velocidade mais ampla (BHOWMIK; SPEE; ENSLIN, 1999).

Figura 4 – Sistema eólico de velocidade variável com capacidade reduzida.

Fonte: Adaptada de Wu et al. (2011).

Os sistemas de capacidade reduzida normalmente são encontrados em aplicação de centenas de kW até alguns MW. Eles fazem uso da caixa de engrenagens, por se tratar de aplicações com geradores indução. Essa configuração representa cerca de mais de 50% das

aplicações encontradas na indústria eólica (LISERRE et al., 2011).

Já os sistemas de conversores com capacidade total atuam em toda faixa de velocidade do vento permitida na operação das turbinas eólicas. Com isso, a eficiência dessa configuração é maior entre as outras já descritas. Além disso, ela pode ser empregada com maior variedade de geradores. Na Figura 5 tem-se uma representação de um sistema eólico de velocidade variável com conversor de potência com capacidade plena. Como os conversores têm a mesma potência nominal da turbina, eles possuem maior custo e volume. Apesar disso, o custo do conversor eletrônico em relação ao custo total da turbina é somente cerca de 7% (CARRASCO et al., 2006).

Figura 5 – Sistema eólico de velocidade variável com capacidade plena.

Fonte: Adaptada de Wu et al. (2011).

Essa topologia é mais resistente às falhas devido ao desacoplamento total entre a rede e a turbina eólica, sendo mais flexível para o atendimento de requisitos técnicos do sistema. Também são encontradas em faixas de operação de até alguns MW. É uma tecnologia que não tem o nível de maturidade da topologia com capacidade reduzida, porém vem sendo estudada ao longo dos últimos anos, visando assumir o mercado de turbinas eólicas (YARAMASU et al., 2015).

Como descrito anteriormente, a operação com velocidade variável possibilitou o desenvolvimento de diversas configurações com variados tipos de geradores. Os SG podem ser utilizados em maior número de aplicações envolvendo diferentes topologias de conversores, já que o próprio gerador fornece o fluxo do rotor através dos ímãs permanentes ou pelo enrolamento de campo. Com isso, o fluxo bidirecional não é necessário, sendo possível o uso de retificadores passivos para o conversor CA-CC. Além disso, com o gerador síncrono é possível o acionamento de forma direta sem a interconexão com uma caixa de engrenagens, conforme mencionado anteriormente. Desta forma, o PMSG e WRSG se tornam mais atrativos para aplicações com potência reduzida com o emprego de retificadores a diodos na etapa de conversão CA-CC.

Neste trabalho o modelo de máquina utilizada será o PMSG, em que os ímãs permanentes produzem o campo do rotor sem precisar de um fonte externa, como é o caso

do WRSG. Com isso, o conversor de potência a ser utilizado será de capacidade plena.