Sincroniza¸c˜ao do estator

O ´ultimo passo da inicializa¸c˜ao do sistema DFIG ´e a conex˜ao do estator da m´aquina. Ela pode ser feita em qualquer velocidade. Esta ´e uma impor- tante caracter´ıstica, uma vez que n˜ao h´a conjugado eletromagn´etico com o estator aberto e o controle do ˆangulo de passo e a varia¸c˜ao do vento s˜ao os ´

unicos respons´aveis pela varia¸c˜ao da velocidade do eixo da m´aquina.

Um pequeno impacto nos estados do DFIG pode ser observado a par- tir do comportamento da velocidade mecˆanica, correntes de estator e rotor no momento da sincroniza¸c˜ao (Figura 4.11). A sincroniza¸c˜ao mostrada na Figura foi efetuada perto da velocidade s´ıncrona. Quando a conex˜ao ´e efe- tuada (t = 0s) n˜ao h´a varia¸c˜ao na velocidade e nas correntes de rotor (ir).

As correntes de estator (is) apresentam pequenos transientes. A Figura 4.3

mostra resultados de simula¸c˜ao de conex˜ao em rede na mesma condi¸c˜ao op- eracional. A compara¸c˜ao entre os dois gr´aficos mostra que os resultados experimentais obtidos s˜ao bem pr´oximos aos simulados.

Quando esta ´ultima etapa ´e realizada, os controladores externos (quer seja de velocidade, conjugado, potˆencia ativa e/ou reativa) s˜ao inicializados no modo de rastreamento de m´axima potˆencia (MPPT) e o sistema ´e total- mente integrado `a rede el´etrica.

4.3 Etapas da Inicializa¸c˜ao e Resultados Experimentais 67

Figura 4.11: Resultado experimental do impacto da conex˜ao com a rede na veloci- dade, correntes de estator e rotor.

”A conclusion is simply the place where someone got tired of thinking.”

Cap´ıtulo 5

Conclus˜oes

Este trabalho apresentou os resultados relacionados `a defini¸c˜ao da es- trat´egia de controle de um gerador de indu¸c˜ao duplamente excitado. Cada aspecto do controle foi analisado, desde a escolha pela orienta¸c˜ao do sistema a partir da tens˜ao no estator at´e a justificativa da utiliza¸c˜ao da modula¸c˜ao por vetores espaciais. Ainda no controle, o m´etodo do lugar das ra´ızes foi ado- tado na escolha dos parˆametros do controlador e o impacto do acoplamento entre as correntes de eixo direto e de quadratura foi mostrado. Al´em disso, mostrou-se a expressiva melhoria que a inser¸c˜ao do feed-forward promove no desempenho das malhas de controle de corrente.

Uma proposta de opera¸c˜ao sensorless tamb´em foi abordada com o ob- jetivo de obter-se um algoritmo simples e robusto a varia¸c˜oes param´etricas. Apesar do est´agio apenas embrion´ario desde desenvolvimento, procurou-se em sua r´apida apresenta¸c˜ao, indicar os caminhos que foram explorados no traballho e que se considerou relevante para futuras investiga¸c˜oes.

Tamb´em foi abordada a inicializa¸c˜ao do sistema com o objetivo de se reduzir o impacto na rede da conex˜ao do gerador. Al´em das etapas de ini- cializa¸c˜ao do DFIG, foram levantadas as correntes resultantes por erros de fase e amplitude nas tens˜oes induzidas no estator e filtro. Tal informa¸c˜ao ´e essencial para que ocorram m´ınimos desvios toler´aveis nas etapas de sin- croniza¸c˜ao com a rede el´etrica.

Dentre as contribui¸c˜oes deixadas, destacam-se as pr´oprias bancadas de testes. Estas s˜ao a base para trabalhos futuros quaisquer que abordem o

70 Referˆencias Bibliogr´aficas

tema DFIG como a valida¸c˜ao de novas estrat´egias de controle. Alguns re- sultados j´a foram obtidos destas bancadas e trabalhos referentes ao controle da potˆencia reativa da m´aquina j´a foram publicados [41], [14], al´em de um trabalho exclusivo sobre a inicializa¸c˜ao do sistema (tamb´em abordado neste texto) [13].

Por se tratar de um trabalho com uma forte caracter´ıstica experimental, avan¸cos maiores referentes a novas estrat´egias de controle n˜ao puderam ser feitos pelos diversos problemas aos quais experimentos pr´aticos est˜ao suscep- t´ıveis. Apesar disso, as bancadas e as li¸c˜oes aprendidas servem de sustenta¸c˜ao para outras pesquisas que est˜ao sendo desenvolvidas tanto na Universidade Federal de Minas Gerais como na Universidade T´ecnica de Dresden.

Como propostas de continuidade, alguns itens podem ser explicitados.

• A implementa¸c˜ao e compara¸c˜ao da estrat´egia proposta de estima¸c˜ao de ˆangulo de rotor e velocidade com outras t´ecnicas.

• Defini¸c˜ao da inicializa¸c˜ao de um DFIG em um sistema isolado com a utiliza¸c˜ao da auto-excita¸c˜ao para carregar o barramento CC e promover um black-start.

• Estrat´egias de controle e estima¸c˜ao do ˆangulo de orienta¸c˜ao em tens˜oes de rede desbalanceadas.

• Utiliza¸c˜ao do conversor como filtro ativo com o objetivo de minimizar os harmˆonicos da gera¸c˜ao.

• Estudo de topologias de hardware e software para aumentar a suporta- bilidade do DFIG frente a afundamentos de tens˜ao balanceados e n˜ao balanceados.

Referˆencias Bibliogr´aficas

[1] International Energy Agency. Key world energy statistics. Technical report, International Energy Agency, 2008.

[2] S. A. Gomez; J. L. Amenedo. Grid synchronization of doubly fed induc- tion generators using direct torque control. IEEE 28th Annual Confer- ence of the Industrial Electronics Society, pages 3338–3343, 2002. [3] E. V. Appleton. Automatic synchronization of triode oscillators. Proc.

Cambridge Phil. Soc, 21:231, 1922.

[4] Vestas Wind Systems A/S. An environmentally friendly investment. Technical report, Vestas Wind Systems A/S, 2009.

[5] R. Pena; J. Clare; G. Asher. Doubly fed induction generator using back-to-back pwm converters and its application to variable-speed wind- energy generation. IEEE Proceding in Electric Power Applications, pages 231–240, 1996.

[6] American Wind Energy Association. Utility scale wind energy and sound. Technical report, American Wind Energy Association, 2009. [7] American Wind Energy Association. Wind energy and wildlife. Techni-

cal report, American Wind Energy Association, 2009.

[8] European Wind Energy Association. Wind power technologies. Techni- cal report, European Wind Energy Association, 2004.

[9] S. R. Bowes. New sinusoidal pulsewidth modulated inverter. Proc. Inst. Elect. Eng, 122:1279–1285, 1975.

72 Referˆencias Bibliogr´aficas

[10] E. Muljadi; C. Butterfield. Pitch-controlled variable-speed wind tur- bine generation. IEEE Industry Applications Conference, pages 323–330, 1999.

[11] R. Cardenas; R. Pena; G. Asher; J. Clare; J. Cartes. Mras observer for doubly fed induction machines. IEEE Transaction on Energy Conver- sion, 19:467– 468, June 2004.

[12] L. Xu; W. Cheng. Torque and reactive power control of doubly fed induction machine by position sensorless scheme. IEEE Transactions in Industrial Applications, 31:636642, 1995.

[13] J. L. da Silva; R. G. de Oliveira; S. R. Silva; B. Rabelo; W. Hofmann. A discussion about a start-up procedure of a doubly-fed induction gen- erator system. Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, Espoo. Proceedings of NORPIE 2008. Helsinki, 1, 2008.

[14] R. G. de Oliveira; J. L. da Silva; S. R. Silva; B. Rabelo; W. Hof- mann. Desenvolvimento de uma nova estrat´egia de controle de potˆencia reativa em gerador de indu¸c˜ao de dupla alimenta¸c˜ao para turbinas e´oli- cas. Eletrˆonica de Potˆencia (Florian´opolis), 13:277–284, 2008.

[15] S. Mueller; M. Deicke. Adjustable speed generators for wind turbines based on doubly-fed induction machines and 4-quadrant igbt converters linked to the rotor. IEEE Industry Applications Conference, 4:2249– 2254, 2000.

[16] R.W. De Doncker. Field-oriented controller with rotor deep bar compensation circuits. IEEE Transactions on Industry Applications, 28:10621071, 1992.

[17] S. Mueller; M. Deicke; R. Doncker. Doubly fed induction generator systems for wind turbines. Technical report, IEEE Industry Applications Magazine, 2002.

[18] W. Evans. Graphical analysis of control systems. Transactions AIEE, 67:547–551, 1948.

[19] A. Eydgahi. Complementary root locus revisited. IEEE Transactions on Education, pages 137–143, 2001.

Referˆencias Bibliogr´aficas 73 [20] L. Arruda; S. Silva; B. Filho. Pll structures for utility connected systems.

IEEE Industry Applications Conference, pages 231–240, 1996.

[21] J. A. Houldsworth; D. A. Grant. The use of harmonic distortion to increase the output voltage of a three-phase pwm inverter. IEEE Trans. Ind. Applicat., 20:1224–1228, 1984.

[22] A. D. Hansen; L. H. Hansen. Wind turbine concept market penetration over 10 years (1995-2004). Wind Energy, 10(1):81–97, 2007.

[23] L. Hansen. Conceptual survey of generators and power electronics for wind turbines. Technical report, Riso National Laboratory, Denmark, 2001.

[24] K. P. Gokhale; D. W. Karraker; S. J. Heikkila. Controller for a wound rotor slip ring induction machine. patent number 6448735, 2001.

[25] P. Mutschler; R. Hoffmann. Comparison of wind turbines regarding their energy. IEEE Power Electronics Specialists Conference, pages 6– 11, 2002.

[26] B. Rabelo; W. Hofmann. Power flow optimisation and grid integration of wind turbines with the doubly-fed induction generator. IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, pages 2930–2936, 2005. [27] H. Guan-Chyun; J. Hung. Phase-locked loop techniques. a survey. IEEE

Transactions on Industrial Electronics, 43:609–615, December 1996. [28] Zo´e Wildiers; Gesine Knolle; Dorina Iuga. Wind energy - the facts.

Technical report, European Wind Energy Association, 2009.

[29] L. Morel; H. Godfroid; H. Mirzaian; J.M. Kaufmann. Doubly-fed induc- tion machine: converter optimisation and field oriented control with- out position sensor. IEE Proceedings in Power Electronics Applications, 40:360368, 1998.

[30] K. P. Kovacs. Transient Processes in AC Machines. Budapest Akademia Kiado, 1980.

[31] G. Yuan; J. Chai; Y. Li. Vector control and synchronization of doubly fed induction wind generator system. IEEE 4th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2:886–890, 2004.

74 Referˆencias Bibliogr´aficas

[32] X. Zhang; D. Xu; Y. Lang; Hongfei Ma. Study on stagewise control of connecting dfig to the grid. IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference, 1:1–5, 2006.

[33] D. Zinger; E. Muljadi. Annualized wind energy improvement using vari- able energy improvement using variable speeds. IEEE Transactions on Industry Applications, pages 1444–1447, November/December 1997. [34] P. W. Carlin; A. S. Laxson; E. B. Muljadi. The history and state of the

art of variable-speed wind turbine technology. Technical report, National Renewable Energy Laboratory, 2001.

[35] R.W. De Doncker; D.W. Novotny. The universal field oriented controller. IEEE Transactions on Industry Applications, 10:92–100, 1994.

[36] X. Xingyi; R. W. De Doncker; D. Novotny. A stator flux oriented in- duction machine drive. IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2:870–876, 1988.

[37] W. Hofmann; F. Okafor. Optimal power utilization with doubly-fed full controlled induction generator. IEEE Transactions on Industry Appli- cations, pages 603–698, 2002.

[38] A. Peterson. Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines. PhD thesis, Chalmers Univerty of Tech- nology, Goeteborg, Sweden, 2005.

[39] R. Datta; V. T. Ranganathan. A simple position sensorless algorithm for rotor side field oriented control of wound rotor induction machine. IEEE Trans. Ind. Electron., 48:786–793, 2001.

[40] A.G. Abo-Khalil; D.-C. Lee; S.-P. Ryu. Synchronization of dfig output voltage to utility grid. European Power and Energy Systems, 2006. [41] B. Rabelo; W. Hofmann; J.L. Silva; R.G. Oliveira; S.R. Silva. Reac-

tive power control in doubly-fed induction generators for wind turbines. IEEE Power Electronics Specialists Conference, pages 106–112, 2008. [42] S. Silva. Pll structures for utility connected systems under distorted util-

ity conditions. 32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, pages 2636–2641, 2006.

Referˆencias Bibliogr´aficas 75 [43] P. C. Krause; O. Wasynczuk; S. D. Sudhoff. Analysis of Electric Ma- chinery and Drive Systems. IEEE Press Power Engineering Series, 2002. [44] A. Petersson; L. Harnefors; T. Thiringer. Comparison between stator- flux and grid-flux-oriented rotor current control of doubly-fed induction generators. IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, 1:482–486, June 2004.

Apˆendice A

Parˆametros dos geradores

Tabela A.1: Parˆametros do DFIG - TUC Parˆametros Valor Unidade Potˆencia (Pn) 4000 W

Velocidade (ωr) 1500 rpm

Tens˜ao (Vn) 400 V

Frequˆencia (f ) 50 Hz Resistˆencia de estator (Rs) 1.5 Ω

Indutˆancia dispers˜ao estator (Lls) 9 mH

Resistˆencia de rotor (Rr) 0.9 Ω

Indutˆancia dispers˜ao rotor (Llr) 2 mH

Indutˆancia de magnetiza¸c˜ao (Lm) 139 mH

P´olos (p) 4 -

Tabela A.2: Parˆametros do DFIG - UFMG Parˆametros Valor Unidade Potˆencia (Pn) 2200 W

Velocidade (ωr) 1800 rpm

Tens˜ao (Vn) 220 V

Frequˆencia (f ) 60 Hz Resistˆencia de estator (Rs) 1.3 Ω

Indutˆancia dispers˜ao estator (Lls) 6.8 mH

Resistˆencia de rotor (Rr) 1.2 Ω

Indutˆancia dispers˜ao rotor (Llr) 1.3 mH

Indutˆancia de magnetiza¸c˜ao (Lm) 131 mH