Simulação 4 – Proposta de redução dos impactos de distorções harmônicas de tensão de

eólico estudado.

Harmônicas de 5ª ordem com sequência negativa e 7ª ordem com sequência positiva presentes na tensão da rede elétrica na qual o sistema de geração eólico é conectado influenciam negativamente nas malhas de controle e nas diversas grandezas do sistema, como foi analisado nas simulações 2 e 3.

Como foi apresentado no Capítulo 4, a presença de harmônicas de 5ª ordem com sequência negativa e 7ª ordem com sequência negativa na tensão da rede elétrica resulta no

acréscimo de componentes de 6ª e 12ª ordens nas potências ativa e reativa e no torque eletromagnético desenvolvido, como pode ser visto nas Figuras 5.36b, 5.37b e 5.38b.

Na simulação 4 é proposta a redução das oscilações nas potências ativa e reativa através da introdução de compensadores ressonantes que rejeitam distúrbios de 6ª ordem nas malhas de controle de potências ativa e reativa.

Na Figura 5.39a são apresentadas as respostas da potência ativa antes e depois da adição do compensador ressonante de 6ª ordem no período de 2.4s a 2,42s, nas quais pode ser observada uma pequena diminuição da amplitude de pulsação na potência ativa devido a ação de rejeição do compensador. Na Figura 5.39b pode ser observada a diminuição da amplitude de oscilação na resposta da potência reativa após a inserção do compensador ressonante na malha de controle. A introdução de compensadores ressonantes de 6ª ordem nas malhas de controle de potência resulta também na diminuição da distorção da corrente elétrica medida no estator do gerador eólico. Na Tabela 5.2 são apresentados os percentuais e redução nos percentuais da presença das componentes de 5ª e 7ª ordens e da distorção harmônica total na corrente elétrica do estator.

Tabela 5.2 - Percentual das harmônicas de 5ª e 7ª ordens e a THD na corrente elétrica medida no estator sem compensador ressonante e com compensador ressonante.

Sem compensador ressonante Com compensador ressonante 5ª 0,63% 0,08% 7ª 0,46% 0,06% THD 0,78% 0,10%

a)

b)

Figura 5.39 – a) Potência ativa antes e depois da aplicação do compensador ressonante de 6ª ordem. b) Potência reativa antes e depois da aplicação do compensador ressonante de 6ª ordem.

Para a simulação 4 também é proposta a redução nas distorções na corrente elétrica, na saída do conversor eletrônico de potência e na corrente elétrica medida no PAC, dada a introdução de filtros notch que rejeitam distúrbios de 6ª ordem nas malhas de controle de corrente elétrica do conversor conectado à rede elétrica.

Na Figura 5.40 é possível notar a redução da distorção nas correntes elétricas medidas na saída do conversor eletrônico.

Na Figura 5.41 é possível observar a redução da distorção nas correntes elétricas medidas no PAC.

Na Figura 5.42 apresenta-se o comportamento da tensão no barramento de corrente contínua. A tensão no barramento CC seguiu a referência desejada apresentando pequenas oscilações causadas pela presença de harmônicos na rede elétrica.

Na Figura 5.43 mostra-se o torque eletromagnético desenvolvido pelo GIRB conectado à rede elétrica com a presença de harmônicos de tensão de 5ª e 7ªordens e sendo

utilizados o filtro notch e o compensador ressonante. O torque eletromagnético apresentou variação causada pela componente de 6ª ordem oscilando de -10.7N.m a -11.2N.m. Esta variação pode ser solucionada realizando a metodologia proposta por (PIERCE, 2013).

a)

b)

Figura 5.40 - Corrente elétrica na saída do conversor eletrônico de potência antes e depois da aplicação do filtro Notch. a) sistema operando na velocidade subsíncrona b) sistema operando na velocidade

supersíncrona.

a)

b)

Figura 5.41 - Corrente elétrica em uma fase do PAC antes e depois da aplicação do filtro Notch. a) sistema operando na velocidade subsíncrona b) sistema operando na velocidade supersíncrona.

Figura 5.42 – Tensão no barramento CC para a simulação com harmônicos de 5ª e 7ª ordens e com a utilização do filtro notch e compensador ressonante

Figura 5.43 – Torque eletromagnético para a simulação com harmônicos de 5ª e 7ª ordens e com a utilização do filtro notch e compensador ressonante

Através das Tabelas 5.3, 5.4, 5.5 e 5.6 é possível fazer uma análise quantitativa das distorções de corrente elétrica, através de comparações entre os valores obtidos sem filtro notch e com filtro notch. São apresentados os percentuais das componentes de 5ª e 7ª ordens, além da distorção harmônica total das correntes elétricas na saída do conversor eletrônico e no PAC. Como foi apresentada no Capítulo 4, a introdução de um filtro capaz de rejeitar

componente de 6ª ordem do controle permite reduzir o impacto da componente de 5ª ordem com sequência negativa e da componente de 7ª ordem com sequência positiva.

Tabela 5.3 - Percentual das harmônicas de 5ª e 7ª ordens e a THD na corrente elétrica medida na saída do conversor sem filtro notch e com filtro notch, operando na velocidade sub síncrona.

Sem Filtro Notch Com Filtro Notch 5ª 4,10% 0,4% 7ª 4,79% 0,12% THD 6,63% 2,31%

Tabela 5.4 - Percentual das harmônicas de 5ª e 7ª ordens e a THD na corrente elétrica medida na saída do conversor sem filtro notch e com filtro notch, operando na velocidade super síncrona.

Sem Filtro Notch Com Filtro Notch 5ª 8,16% 0,72% 7ª 9,63% 0,32% THD 13,15% 3,92%

Tabela 5.5 - Percentual das harmônicas de 5ª e 7ª ordens e a THD na corrente elétrica medida no PAC sem filtro notch e com filtro notch, operando na velocidade sub síncrona.

Sem Filtro Notch Com Filtro Notch 5ª 1,43% 0,08% 7ª 1,90% 0,07% THD 2,54% 0,98%

Tabela 5.6 - Percentual das harmônicas de 5ª e 7ª ordens e a THD na corrente elétrica medida no PAC sem filtro notch e com filtro notch, operando na velocidade super síncrona.

Sem Filtro Notch Com Filtro Notch 5ª 1,27% 0,06% 7ª 1,70% 0,06% THD 2,22% 0,75%

Capítulo 6

6 CONCLUSÕES

Neste trabalho foi apresentado o controle de potências ativa e reativa, por meio da técnica de orientação do fluxo magnético do estator do gerador de indução de rotor bobinado conectado à rede elétrica, no qual foi empregado um conversor back-to-back com modulação PWM.

A topologia empregada apresenta características vantajosas, como a operação em velocidade variável e diminuição da potência processada pelo conversor eletrônico utilizado.

A utilização de controladores do tipo proporcional-integral nas malhas de controle de corrente do conversor conectado à rede elétrica e do conversor conectado ao rotor do GIRB é uma solução simples e eficiente, porém, a sintonia dos ganhos deve atender a critérios de confiabilidade e estabilidade.

A devida atenção deve ser dada ao projeto das malhas de controle da tensão do barramento CC e na malha de controle de sincronismo (PLL), pois estes subsistemas são essenciais ao bom funcionamento do sistema de geração eólica.

Para o sistema de geração eólico conectado a uma rede elétrica com tensão puramente senoidal, o controle de potências do GIRB apresenta bons resultados. Porém, quando conectado à rede elétrica com tensão distorcida por componentes harmônicas, o controle convencional que utiliza controladores PI mostra-se insuficiente para atender alguns critérios essenciais ao bom funcionamento do sistema de geração eólico, pois, os controladores PI são projetados para responder com erro nulo em regime permanente e a distúrbios de entrada do tipo degrau, o que não é caso da presença de distúrbios causados por sinais com frequências múltiplas da componente fundamental.

A presença de distorção harmônica devido a componentes de 3ª, 5ª, 7ª, 9ª e 11ª ordens na tensão do PAC ocasiona aumento da distorção da corrente elétrica entregue pelo estator do gerador ao sistema elétrico, da corrente elétrica na saída do conversor eletrônico de potência, da corrente elétrica no ponto de acoplamento comum, ao mesmo tempo em que torna o torque elétrico e as potências ativa e reativa da máquina oscilantes. Também foi observada a variação

de valores eficazes de corrente elétrica no estator, na corrente elétrica na saída do conversor eletrônico de potência e na corrente elétrica medida no PAC.

A presença de componentes de 5ª ordem com sequência negativa e 7ª ordem com sequência positiva na tensão da rede elétrica apresentada na simulação 3 ocasiona oscilações nas potências ativa e reativa nas frequências de 6ωs e 12ωs. A componente de 5ª ordem com sequência negativa gira no sentido oposto ao da componente fundamental acrescentando uma componente de 6ª ordem no torque elétrico. Por outro lado, a componente de 7ª ordem com sequência positiva que gira no mesmo sentido da componente fundamental, acrescenta uma componente de 6ª ordem no torque.

A 5ª harmônica com sequência negativa sofre um deslocamento para a esquerda no espectro de frequências quando são realizadas as transformações do sistema trifásico para o sistema de coordenadas síncronas. De maneira análoga, a 7ª harmônica de sequência positiva é deslocada para a esquerda no espectro de frequências devido às mudanças de coordenadas. Assim, as estruturas de controle configuradas nas simulações para trabalharem no referencial síncrono, enxergam essas harmônicas como distúrbios que se concentram na frequência 360 Hz.

Portanto, para reduzir as distorções na corrente elétrica medida na saída do conversor eletrônico e no PAC, foi proposta a utilização do filtro notch de 6ª ordem em cascata com o controle PI do conversor conectado à rede elétrica. Devido ao comportamento de rejeição de distúrbios na frequência de 360 Hz, a introdução do filtro notch no controle contribuiu para a redução das distorções de corrente elétrica.

E para diminuir os impactos da presença de 5ª e 7ª harmônicas na tensão da rede elétrica nas potências ativa e reativa foi utilizado o compensador PI+Ressonante de 6ª ordem. Este compensador tem a função de rejeitar os distúrbios de 6ª ordem, diminuindo as oscilações nas potências ativa e reativa causadas por sinais senoidais com frequência de 360 Hz.