Respostas às variações de velocidade do vento

O modelo de velocidade do vento simulado neste trabalho é semelhante ao proposto por Slootweg (2003). Supõe-se que a velocidade do vento seja composta pela soma de quatro componentes:

• O valor médio inicial da velocidade do vento; • Uma componente de rampa;

• Uma componente de rajada; e • Turbulência.

A execução da simulação é realizada para ilustrar a resposta do REF operando em condições normais por 60 segundos. O sinal de velocidade do vento aplicado é composto pelas quatro componentes. A simulação inicia com velocidade do vento igual a 8 m/s e existe uma rampa com amplitude de 3 m/s até 10 segundos. Após o instante de tempo igual a 15 s, há uma nova rampa com amplitude de -5,5 m/s durante 20 segundos. Entre os instantes de 45 s a 55 s existe uma amplitude de rajada igual a 4 m/s. A componente de valor médio é igual a 5,5 m/s e a turbulência está presente ao longo da simulação. O comportamento, no tempo, da velocidade do vento simulada é mostrada na Figura 73.

Figura 73 – Variação na velocidade de vento simulada

Fonte: autoria própria.

O Controle Escalar do Sistema é simulado considerando a velocidade do vento conforme mostra a Figura 73. A velocidade de rotação do rotor e a velocidade desejada são apresentadas na Figura 74.

Figura 74 – Velocidade angular do rotor na estratégia de CES para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Devido a característica de rápida resposta da velocidade do rotor com o CES já apresentada na resposta ao degrau, percebe-se, pela análise da Figura 74, que a velocidade do rotor mantém-se muito próxima à desejada no decorrer de toda a simulação.

A variável de controle, frequência das correntes na saída do inversor, para a condição de vento analisada está exposta na Figura 75.

Figura 75 – Frequência das correntes do inversor na estratégia de CES para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Em contrapartida com a rápida resposta dada pelo rotor do REF, existe uma lenta evolução da frequência das correntes. A justificativa para esse comportamento se deve ao fato de que a frequência é impelida a atuar em contraponto à velocidade de armadura, cuja resposta está na Figura 76.

Figura 76 – Velocidade angular da armadura na estratégia de CES para variações na velocidade de vento

A potência mecânica entregue pela turbina ao REF e as potências ativas na saída do inversor e no gerador de indução, para a curva de vento especificada, estão mostradas na Figura 77.

Figura 77 – Potências ativas e mecânica na estratégia de CES para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Importante salientar que, devido a variações bruscas na velocidade de vento, como por exemplo na rajada simulada entre 45 e 55 segundos, a potência requerida na armadura do REF pode ser, temporariamente, bem superior a máxima potência de regime permanente. Portanto, a fonte secundária e o inversor devem ser projetados para atender a demandas momentâneas de, aproximadamente, 800 kW.

A partir das variáveis apresentadas na Figura 77, é possível calcular uma eficiência energética para o sistema proposto. Essa eficiência pode ser definida como a razão da energia entregue pelo gerador pela soma das energias da turbina e do inversor. Em termos percentuais, a eficiência energética para a variação de vento considerada é de 99,4%.

Figura 78 – Torques mecânico e eletromagnéticos na estratégia de CES para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

O gráfico da Figura 78 permite visualizar claramente os instantes de tempo em que há aceleração ou freio na velocidade da armadura. Para tanto, é suficiente verificar se o torque mecânico na armadura é superior ou inferior ao torque eletromagnético do REF. Em compensação, a análise visual da aceleração da velocidade do rotor é inviável devido à proximidade entre os torques eletromagnéticos do REF e do gerador e à rapidez com que eles interagem entre si.

As correntes eficazes nas saídas do gerador e do inversor são apresentadas na Figura 79. Figura 79 – Corrente elétrica eficaz na estratégia de CES para variações na velocidade de vento

Conforme pode ser observado na Figura 79, mesmo com variações na velocidade de vento como rajadas, turbulência e rampas, não há uma elevada sobrecorrente nos condutores elétricos do sistema.

A seguir, são apresentados os resultados sistêmicos para o Controle por Estratégia de Máxima Eficiência do REF diante da mesma curva de vento mostrada na Figura 73.

As variáveis de controle utilizadas no CEME para as variações aleatórias na velocidade de vento estão esboçadas na Figura 80 e na Figura 81.

Figura 80 – Frequência angular das correntes do inversor na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

Figura 81 – Tensão em quadratura na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Apesar das rápidas variações de vento provocarem mudanças repentinas no valor desejado para as variáveis de controle, a frequência angular das correntes na saída do inversor e a tensão em quadratura que são aplicadas à armadura do REF possuem um comportamento suavizado. Esse comportamento é exatamente o que se almeja desse controle. Em contrapartida com as variações abruptas dos valores desejados, as brandas variações das variáveis de controle fazem com que os estresses no sistema sejam amenizados.

O comportamento da velocidade do rotor e seu respectivo valor desejado para que a turbina eólica entregue a máxima potência estão apresentados na Figura 82.

Figura 82 – Velocidade do rotor na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Conforme pode ser visto na Figura 82, a velocidade de rotor persegue o valor desejado defasada por alguns instantes determinados pelas constantes de tempo do controle.

A evolução da velocidade de armadura frente às variações de vento estudadas nesta subseção está exibida na Figura 83. A velocidade desejada, para que essa variável esteja operando no ponto de máxima extração de potência do vento, também está desenhada nessa figura.

Figura 83 – Velocidade da armadura na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

A apresentação das potências ativas nas saídas do inversor e do gerador e a potência mecânica da turbina eólica é realizada na Figura 84.

Figura 84 – Potências ativas e mecânica na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Comparando as duas estratégias de controle apresentadas nesta Tese para as variações de vento, percebe-se que a potência entregue pelo inversor é menor na estratégia de CEME sendo, portanto, uma vantagem operativa. A eficiência energética, que compara a energia de saída com as de entrada, para esta estratégia de controle e, neste perfil de vento, é de 99,7%.

A interação entre os torques do sistema para o vento simulado é exibida na Figura 85. Figura 85 – Torques mecânico e eletromagnéticos na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

Por fim, as correntes eficazes na armadura do REF e no estator do gerador são mostradas na Figura 86.

Figura 86 – Corrente elétrica eficaz na estratégia de CEME para variações na velocidade de vento

Fonte: autoria própria.

Conforme os gráficos apresentados, é possível utilizar o Controle por Estratégia de Máxima Eficiência do REF para as mais diversas variações do vento. As respostas dadas por esse sistema são bastante adequadas para o que se espera dessa topologia. Não é encontrada nenhuma restrição operativa apesar de que, para certos valores de constante de tempo e, em situações específicas de velocidade de vento, houve uma resposta oscilatória para a velocidade do rotor que necessita ser mais investigada em trabalhos futuros.

Uma análise sintética das energias envolvidas na simulação de variações na velocidade de vento é apresentada na Tabela 2, visando a comparação das duas estratégias de controle expostas. A eficiência energética é calculada dividindo a energia de saída do gerador pela soma das energias de entrada da turbina e do inversor, considerando apenas as perdas elétricas. Já as contribuições da turbina e do inversor são obtidas pela razão da energia da fonte em interesse pela soma das duas fontes em questão.

Tabela 2 – Comparação energética entre os sistemas de controle para variações na velocidade de vento

Sistema de controle Eficiência energética

Contribuição da turbina

Contribuição do inversor

Controle Escalar do Sistema 99,4% 68,0% 32,0%

Controle por Estratégia de

Máxima Eficiência 99,7% 73,2% 26,8%

Fonte: autoria própria.

Para o perfil de velocidade de vento apresentado, o Controle por Estratégia de Máxima Eficiência obteve melhores resultados. Além de uma eficiência energética ligeiramente superior, o CEME tem um melhor aproveitamento da energia eólica frente à outra fonte de energia.