Simulação 1 Sistema eólico conectado à rede elétrica com tensão ideal

Para a simulação 1 considera-se a conexão do sistema eólico à uma rede elétrica com tensão senoidal como apresentado na Figura 5.3. A amplitude da tensão de fase é 180V de pico (127 Veficazes) e a frequência nominal é de 60Hz.

Nesta simulação foram utilizados os parâmetros e expressões de controle citados na sequência. Os cálculos de _{𝐻(𝑠) e de 𝐾𝑣(𝑠) foram baseados em metodologias empregadas por} (Yazdani , 2010).

 Função de transferência do compensador do PLL (Anexo D) 𝐻(𝑠) = 1488,89 (𝑠 + 82.84

𝑠 + 482.8)

2 _{𝑠² + 568520}

𝑠³ + 1508𝑠² + 568520𝑠

 Ganhos dos controladores PI de corrente do conversor eletrônico de potência conectado à rede elétrica (Capítulo 3)

Figura 5.3 - 5 ciclos da tensão trifásica senoidal da rede elétrica

 Função de transferência do compensador do controle de tensão no barramento CC (Anexo E)

𝐾𝑣(𝑠) = 17,47 (2.331𝑠 + 100_{𝑠 + 233.1} )

 Ganhos dos controladores PI de corrente do conversor eletrônico de potência conectado ao rotor kd(s) e kq(s)

Ganho proporcional: Kpr=17.47; Ganho integral: Kir=1751.31

 Ganho dos controladores k(s) de potência ativa e reativa Ganho Integral: K=0,15

A partir da Figura 5.4 é possível observar o ajuste realizado pela malha de controle do PLL. Através das equações (3.88 e 3.89) faz-se _{𝜌(𝑡) = 𝜔0𝑡 + 𝜃0 , assim 𝑉𝑠𝑑 = 𝑉̂𝑠 = 180𝑉} e _{𝑉𝑠𝑞 = 0 e, consequentemente, é possível obter a informação da velocidade angular da rede} elétrica, isto ocorre em 0,5s.

Os resultados referentes ao controle de corrente elétrica do conversor conectado à rede elétrica são apresentados na Figura 5.5. Através da injeção de corrente de eixo direto é possível controlar o fluxo de potência ativa a fim de controlar a tensão no barramento CC.

Como apresentado na Figura 5.5a a corrente de eixo direto segue a referência de corrente desejada provendo a potência necessária para manter a tensão no barramento CC. O setpoint da corrente em quadratura é mantido em zero, pois, para os fins deste trabalho não será necessário o controle da tensão no ponto de acoplamento comum através da injeção de potência reativa na rede elétrica.

a) b)

Figura 5.4 Resposta da malha de controle do PLL. a) Tensões Vsd e Vsq. b) Velocidade angular da rede elétrica.

Como comentado anteriormente a estabilização do sistema ocorre em aproximadamente 0,5s. Neste instante é acionada a malha de controle do barramento CC e, consequentemente, as malhas de controle de corrente dos conversores eletrônicos de potência trifásicos são ativadas.

a)

b)

Figura 5.5 - Respostas do controle de corrente do conversor conectado à rede elétrica a) Corrente de eixo direto. b) Corrente de eixo em quadratura.

Na Figura 5.6 pode-se observar o comportamento da tensão no barramento CC. A dinâmica da tensão no barramento CC apresenta um sobressinal de aproximadamente 0,534%, chegando em 412,2V, estabilizando no valor da referência desejada de 410V em 1,2s. Em 1,4s

ocorre uma pequena variação na tensão devido à rampa de aceleração de velocidade do eixo do gerador elétrico. Em 1,8s acontece uma nova situação de retorno ao valor de referência, 410V, momento em que a velocidade no eixo atinge 205,47rad/s e permanece constante.

Figura 5.6 - Tensão medida no barramento CC

A Figura 5.7 mostra o resultado da aplicação de um degrau de potência ativa (Psref)

que varia de 0 a 2kW e foi enviada à rede elétrica através do terminal trifásico do estator.

A resposta dinâmica do controle de potência ativa corresponde à resposta ao degrau de uma planta de primeira ordem que atinge o regime permanente em aproximadamente 1,3s. A potência reativa é mantida nula, porque se deseja operar com fator de potência unitário. A dinâmica da potência reativa apresenta variação no período de transição de velocidade. O controle de potências ativa e reativa geram as referências utilizadas no controle de correntes do conversor conectado ao rotor.

As referências de corrente de eixo direto e de eixo em quadratura são obtidas a partir da malha de controle de potência e são apresentadas na Figura 5.8. Na Figura 5.8 pode-se notar que os comandos de correntes são seguidos, proporcionando um controle adequado do fluxo de potência da máquina.

Na Figura 5.9 apresenta-se a forma de onda da corrente elétrica trifásica injetada no terminal trifásico do rotor. A frequência da corrente elétrica no rotor varia de acordo com o

escorregamento, ou seja, à medida que a velocidade angular (velocidade do vento) é aplicada ao eixo da máquina, ela é alterada.

Por outro lado, a frequência da corrente elétrica gerada e mostrada na Figura 5.10 deve ser de 60 Hz. O valor de pico da corrente elétrica da fase A é de 7,409A. Apresenta-se o espectro de amplitudes das componentes harmônicas presentes na corrente elétrica medida na fase A do terminal trifásico do estator. Como se pode ver no gráfico existe a presença de componentes harmônicas na frequência de chaveamento 15kHz.

Nas Figuras 5.11a, 5.11b e 5.12a, 5.12b observam-se quatro momentos distintos de variação na corrente elétrica consumida pelo conversor eletrônico de potência. Operando na velocidade subsíncrona o conversor consome um valor maior de corrente elétrica da rede elétrica para manter constante a tensão no barramento CC, na qual a amplitude da corrente elétrica é de 2.252A a partir de 1,3s. No período de 1,4s a 1,8s aplica-se a rampa de transição de velocidade angular no rotor da máquina. Nota-se a partir da Figura 5.12c que durante esse período, a corrente de entrada do conversor eletrônico de potência decresce. A partir de 1,8s opera-se o sistema de geração eólica em velocidade supersíncrona e pode-se observar na Figura 5.12d que a corrente elétrica consumida pelo conversor eletrônico de potência é menor e apresenta amplitude de 1,187A em regime permanente.

a)

b)

a)

b)

Figura 5.8 - Resposta do controle de correntes do conversor conectado ao rotor a) Corrente de eixo em quadratura. b) Corrente de eixo direto.

Figura 5.9 - Corrente elétrica trifásica medida nos terminais do rotor do GIRB

Figura 5.10 – Corrente elétrica medida em uma das fases do estator do gerador e seu respectivo espectro de amplitudes de harmônicas de corrente elétrica do estator

a)

b)

Figura 5.11 - Formas de onda de correntes elétricas filtradas medidas na saída do conversor conectado à rede elétrica: a) durante a inicialização do sistema b) operando na velocidade subsíncrona

Na Figura 5.13a apresenta-se o espectro de amplitudes de harmônicas da corrente elétrica filtrada na saída do conversor eletrônico de potência obtido no período no qual o sistema de geração eólica opera na velocidade subsíncrona, pode-se observar que a distorção harmônica total é 2,13%.

a)

b)

Figura 5.12 - Formas de onda de correntes elétricas filtradas medidas na saída do conversor conectado à rede elétrica: a) durante a rampa de velocidade b) operando na velocidade supersíncrona

Por outro lado, na Figura 5.13b é mostrado o espectro de amplitudes medido para o período em que o GIRB trabalha na velocidade supersíncrona, no qual a THD é de 3.98%. Nota-se que um aumento na velocidade do vento pode acarretar um aumento na distorção de corrente para os parâmetros apresentados neste trabalho.

a)

b)

Figura 5.13 – Espectros de amplitude de corrente elétrica na saída do conversor a) durante velocidade subsíncrona. b) durante velocidade supersíncrona.

A corrente elétrica medida no ponto de acoplamento comum pode ser vista nas Figuras 5.14a, 5.14b e 5.15a, 5.15b. Assim como a corrente elétrica medida na saída do conversor

eletrônico de potência, a forma de onda da corrente elétrica aferida no PAC apresenta variações em quatro momentos diferentes: durante a inicialização do sistema, durante a operação na velocidade subsíncrona, durante a rampa de transição e durante a operação na velocidade supersíncrona.

a)

b)

Figura 5.14 - Formas de onda de corrente elétrica medida no PAC: a) durante a inicialização do sistema b) operando na velocidade subsíncrona

a)

b)

Figura 5.15 - Formas de onda de corrente elétrica medida no PAC: a) durante a rampa de velocidade b) operando na velocidade supersíncrona

Na Figura 5.16a observa-se o espectro de frequências harmônicas para a situação na qual é aplicada a velocidade subsíncrona ao sistema de geração eólica, no qual a distorção harmônica total é 0.93% e a amplitude da onda fundamental é 5.266A. Para a situação onde é utilizada velocidade supersíncrona, o espectro de amplitudes é apresentado na Figura 5.16b e a corrente elétrica neste período apresenta THD igual a 0.75% e o valor de pico da onda fundamental corresponde a 6,255A.

a)

b)

Figura 5.16 - Espectros de amplitude de corrente elétrica no PAC a) Durante velocidade subsíncrona. b) Durante velocidade supersíncrona.

Através da equação de conversão eletromecânica (3.19) conclui-se que o torque eletromagnético e o torque do eixo têm sentidos contrários que tendem a se equilibrarem de acordo com a aceleração do eixo do sistema. Neste trabalho o torque eletromagnético negativo implicará na atuação da máquina como gerador, como apresentado na Figura 5.17.

Figura 5.17 - Torque eletromagnético do gerador de indução de rotor bobinado

5.2.2 Simulação 2 – Investigação do impacto de distorções harmônicas de tensão de 3ª, 5ª,