Como j´a dito, at´e um passado recente, a participa¸c˜ao da energia e´olica nas matrizes energ´eticas era pouco significativa. Diante desse quadro, os procedimentos de rede vigentes estabeleciam que turbinas e´olicas fossem projetadas para desconectar-se da rede el´etrica (situa¸c˜ao que ainda persiste em muitos pa´ıses) como resposta `a viola¸c˜ao de limites operativos de tens˜ao ou freq¨uˆencia do sistema el´etrico [5]. O objetivo prin- cipal da desconex˜ao das m´aquinas ´e a prote¸c˜ao f´ısica dos equipamentos. Um exemplo t´ıpico de perturba¸c˜oes s˜ao afundamentos de tens˜ao momentˆaneos, decorrentes de curtos circuitos nos sistemas de transmiss˜ao.
Com essa filosofia operativa, em situa¸c˜oes de falta na rede, a gera¸c˜ao e´olica n˜ao contribu´ıa para o controle da estabilidade dos sistemas de potˆencia [7], portanto, n˜ao participava ativamente no controle da tens˜ao e/ou freq¨uˆencia do sistema el´etrico. Dito de outra forma, para esses dispositivos, n˜ao era exigida a capacidade de suportabilidade `as condi¸c˜oes operativas decorrentes de situa¸c˜oes de falta no sistema ou como tamb´em ´e chamada Transient Fault Ride Through. Esta “suportabilidade” pode ser entendida como a capacidade de um gerador el´etrico de resistir a afundamentos tempor´arios de tens˜ao, decorrentes de faltas na rede el´etrica e continuar conectado `a mesma, desde
que o defeito seja eliminado num determinado tempo e se verifique uma recupera¸c˜ao do valor da tens˜ao no ponto de interliga¸c˜ao com a rede.
Atualmente, no entanto, a situa¸c˜ao ´e bem diferente. A penetra¸c˜ao da gera¸c˜ao e´olica alcan¸cou percentuais significativos, principalmente em alguns pa´ıses do continente eu- ropeu e dos Estados Unidos, com uma forte tendˆencia de crescimento [2] e [3]. No Brasil, acredita-se, face `a atual pol´ıtica de incentivo `as fontes alternativas de energia que, num futuro pr´oximo, se desenhar´a uma situa¸c˜ao semelhante `a existente nos pa´ıses citados [1] e [68]. A desconex˜ao de unidades e´olicas neste cen´ario modificado, portanto, poderia levar a indesejada desconex˜ao em cascata de outras unidades geradoras, com s´erios riscos para a estabilidade de todo o sistema el´etrico [33].
Para ilustrar melhor a importˆancia dessa quest˜ao, ´e interessante fazer o relato de um estudo realizado no sistema el´etrico da Alemanha, pela empresa concession´aria - E. on Netz, que tamb´em atua em diversos outros pa´ıses da Europa. O estudo men- cionado evidenciou que, para uma condi¸c˜ao de falta muito severa na rede, existia a possibilidade de desconex˜ao de aproximadamente 2800 MW de gera¸c˜ao e´olica, situ- a¸c˜ao que poderia comprometer a seguran¸ca de todo o sistema interligado ao qual os geradores estavam conectados. Salienta-se, que turbinas e´olicas instaladas em per´ıodos anteriores a dezembro de 2002, de acordo com o projeto e os procedimentos de rede vigentes naquele pa´ıs, eram programadas para desconectar-se da rede el´etrica, quando da ocorrˆencia de perturba¸c˜oes no sistema el´etrico que provocassem afundamentos de tens˜ao para valores inferiores a 80% do valor nominal [5]. Isso motivou que a partir de janeiro de 2003, para serem conectadas aos sistemas de transmiss˜ao ou distribui¸c˜ao, as novas unidades de gera¸c˜ao e´olica na Alemanha, devessem ter suportabilidade para contingˆencias criadas por faltas no sistema de potˆencia.
Nessa mesma linha, e a exemplo da Alemanha, diante dessa nova perspectiva al- can¸cada pela energia e´olica, os operadores dos sistemas el´etricos de muitos outros pa´ıses, tais como: Espanha, Irlanda, Dinamarca, Holanda, Estados Unidos, Inglaterra, Pa´ıs de Gales, Esc´ocia e mais recentemente o Brasil, dentre outros, passaram a ter uma postura diferente com rela¸c˜ao `a energia el´etrica produzida a partir da energia cin´etica dos ventos [7]. Consideram que, com a “substitui¸c˜ao” gradativa das fontes tradicionais pela gera¸c˜ao e´olica, estas devem tamb´em assumir as tarefas de controle, que eram reali- zadas por aquelas, no sentido de manter os sistemas el´etricos est´aveis [69]. Uma dessas fun¸c˜oes de controle ´e a mencionada suportabilidade ou Transient fault ride through dos
parques e´olicos a faltas tempor´arias no sistema, no sentido de manter-se em opera¸c˜ao mesmo durante e depois da ocorrˆencia de uma falta tempor´aria. Em outras palavras, significa que n˜ao dever´a ocorrer a perda de gera¸c˜ao devido a excurs˜oes tempor´arias, para al´em dos limites normais, da tens˜ao ou freq¨uˆencia. Obviamente, essa caracter´ıstica est´a restrita a uma certa severidade m´axima da perturba¸c˜ao, em termos da dura¸c˜ao do evento, associado a n´ıveis de tens˜ao estabelecidos em norma. Em particular, o Brasil, por iniciativa do Operador Nacional do Sistema (ONS), muito embora de uma maneira ainda embrion´aria, tem feito esfor¸cos nessa dire¸c˜ao, no sentido de revisar os procedimentos de rede vigentes, adequando-os a esta nova realidade.
Como resultado dessa necessidade de adequa¸c˜ao dos procedimentos de rede, es- t˜ao sendo estabelecidas caracter´ısticas de suportabilidade m´ınimas para aerogeradores, cujos formatos, resguardadas algumas particularidades, acompanham os limites apre- sentados em que s˜ao estabelecidas as caracter´ısticas m´ınimas de suportabilidade de turbinas e´olicas [34] e [70].
O Brasil, atento a essa quest˜ao, encontra-se em fase de defini¸c˜ao de uma curva de suportabilidade para este tipo de gera¸c˜ao, conforme mostra a figura 3.18, extra´ıda da referˆencia [32]. Dito de outra forma, os aerogeradores dever˜ao manter a gera¸c˜ao quando submetidas a perfis de tens˜ao similares ao apresentado na ilustra¸c˜ao mencionada.
0,0 0,2 0,85 0,9 1,0 0,0 1,0 5,0 -1,0 0,5 T e n s ã o (p u ) Tempo (s)
Não é exigida a permanência em operação do parque eólico O parque eólico deve
permanecer em operação Início da tensão de
emergência
Duração da falta
Figura 3.18: Curva de suportabilidade para aerogeradores (Transient Fault Ride
Through).
Na figura anterior, trˆes pontos principais da curva de suportabilidade apresentada merecem ser destacados:
1. O parque e´olico dever´a ter capacidade de suportar afundamentos de tens˜ao para at´e 20% da tens˜ao nominal por 0,5 segundos (Curva de suportabilidade para aerogeradores);
2. A central e´olica dever´a ter capacidade para operar com uma tens˜ao de 85% da tens˜ao nominal, medida no lado de alta tens˜ao do(s) transformador(es) do parque e´olico, durante 4 segundos, ap´os o restabelecimento parcial da tens˜ao;
3. O parque e´olico dever´a ter capacidade para operar continuamente com uma tens˜ao de 90% da tens˜ao de linha nominal, medida no lado de alta tens˜ao do(s) transformador(es) do parque e´olico.
3.10
Considera¸c˜oes finais
Este cap´ıtulo foi dedicado `a descri¸c˜ao dos diversos aspectos relacionados com sis- temas de gera¸c˜ao acionados pela energia dos ventos. Atrav´es da descri¸c˜ao das diversas partes constituintes das turbinas e´olicas e das poss´ıveis configura¸c˜oes, em rela¸c˜ao tanto aos geradores utilizados quanto `a forma de conex˜ao com a rede el´etrica, ou seja, se de forma direta ou atrav´es de conversores de freq¨uˆencia, pˆode-se evidenciar as vantagens e desvantagens apresentadas por cada uma das topologias encontradas na atualidade.
A escolha do esquema mais apropriado para um dado aproveitamento n˜ao ´e tarefa simples, ao contr´ario, exige a observˆancia de aspectos, de ordem t´ecnica, econˆomica, ambiental e social, os quais muitas vezes apresentam-se conflitantes.
Dentre os aspectos mais importantes que devem ser observados para a defini¸c˜ao de uma determinada topologia, podem citar-se: dom´ınio da tecnologia, custo dos compo- nentes, confiabilidade, manuten¸c˜ao, fator de potˆencia de sa´ıda, gera¸c˜ao de harmˆoni- cos, eficiˆencia, etc. Outro fator que merece destaque diz respeito ao comportamento dinˆamico de cada topologia. Ou seja, a forma de conex˜ao `a rede el´etrica e a utiliza- ¸c˜ao ou n˜ao de conversores de freq¨uˆencia, que propiciam uma intera¸c˜ao mais ou menos amig´avel entre o WECS e a rede el´etrica, do ponto de vista da qualidade da energia el´etrica produzida, do maior ou menor grau de participa¸c˜ao na manuten¸c˜ao da segu- ran¸ca e estabilidade do sistema e, em ´ultima an´alise, da influˆencia sobre a vida ´util dos componentes mecˆanicos e el´etricos da turbina e´olica.
Salienta-se que alguns dos aspectos mencionados, tal como aqueles relacionados com os impactos dos WECS para com os sistemas de potˆencia, sob o ponto de vista da qualidade da energia, ser˜ao objeto de um aprofundamento maior em etapas posteriores desta tese.
CARACTERIZA ¸C ˜AO DO WECS
A SER UTILIZADO NOS
ESTUDOS E MODELAGEM
MATEM ´ATICA
4.1
Considera¸c˜oes iniciais
Nos cap´ıtulos precedentes foram abordados os diversos aspectos relacionados com o processo e sistemas de convers˜ao de energia e´olica, inclusive quanto `as diversas topolo- gias dispon´ıveis no mercado mundial para este tipo de aproveitamento.
Adentrando mais no tema objeto desta tese, o presente cap´ıtulo ´e destinado `a caracteriza¸c˜ao da topologia utilizada na pesquisa em tela, bem como `a apresenta¸c˜ao dos desenvolvimentos matem´aticos de cada um dos subsistemas que formam o WECS enfocado nos estudos.
Nessa dire¸c˜ao, a modelagem matem´atica do aerogerador ´e iniciada pelo modelo do vento, o qual ´e respons´avel por gerar um sinal de vento, que ´e aplicado `as p´as do rotor da turbina, iniciando dessa forma o processo de convers˜ao e´olico - el´etrico. Prosseguindo com os trabalhos de modelagem, e de forma seq¨uencial, ´e feita a descri¸c˜ao dos modelos dos outros componentes da turbina, a saber: gerador el´etrico utilizado, conversor de freq¨uˆencia, transformador elevador e, finalmente, do equivalente do sistema el´etrico ao qual o complexo e´olico ´e conectado. Sistemas de controle, quando existentes, s˜ao modelados complementarmente ao m´odulo de for¸ca ou principal.
descrevem o comportamento dos dispositivos em quest˜ao, ´e feita na etapa subseq¨uente desta tese, o que propiciar´a a realiza¸c˜ao de estudos de desempenho do complexo e´olico.