Modelagem e simulação de controle de gerador de relutância duplamente alimentado sem escovas para aplicação em energia eólica

CENTRO TECNOLÓGICO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Felipe Henrico Leite Ferraz de Campos

MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE CONTROLE DE GERADOR DE RELUTÂNCIA DUPLAMENTE ALIMENTADO SEM ESCOVAS PARA APLICAÇÃO EM ENERGIA

EÓLICA

FLORIANÓPOLIS 2020

Felipe Henrico Leite Ferraz de Campos

MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE CONTROLE DE GERADOR DE RELUTÂNCIA DUPLAMENTE ALIMENTADO SEM ESCOVAS PARA APLICAÇÃO EM ENERGIA

EÓLICA

Dissertação submetida ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Patrick Kuo-Peng. Coorientador: Prof. Dr. Nelson Jhoe Batistela.

Florianópolis 2020

Felipe Henrico Leite Ferraz de Campos

MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE CONTROLE DE GERADOR DE RELUTÂNCIA DUPLAMENTE ALIMENTADO SEM ESCOVAS PARA APLICAÇÃO EM ENERGIA

EÓLICA

O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:

Prof. Renato Carlson, Dr.

Universidade Federal de Santa Catarina

Tiago Staudt, Dr. Embraco

Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de mestre em Engenharia Elétrica.

____________________________ Prof. Dr. Bartolomeu Ferreira Uchoa-Filho

Coordenador do Programa

____________________________ Prof. Dr. Patrick Kuo-Peng

Orientador

Florianópolis, 2020. Documento assinado digitalmente Patrick Kuo Peng

Data: 27/04/2020 09:27:11-0300 CPF: 003.520.029-48

Bartolomeu Ferreira Uchoa Filho:47636211491

Assinado de forma digital por Bartolomeu Ferreira Uchoa Filho:47636211491 Dados: 2020.05.15 09:39:47 -03'00'

Este trabalho é dedicado a minha querida família e aos meus amigos.

AGRADECIMENTOS

Eu gostaria de agradecer à minha companheira Aline, pelo apoio, compreensão e carinho durante essa fase.

Ao meu irmão Leonardo, que sempre me apoiou e que me incentivou a fazer o mestrado. Agradeço também pelas conversas e pelo incentivo durante esse período e durante todos os momentos de nossas vidas.

Ao meu irmão Adriano, pelo qual também tenho uma profunda admiração e orgulho. Por ser sempre uma referência de pessoa batalhadora e de caráter exemplar.

Ao Artur e à Alice, meus sobrinhos, que mesmo de longe alegram os meus dias com suas mensagens e fotos, que me fazem querer continuar.

À minha mãe (Maria Valdete), que sempre me deu os melhores exemplos. Que apesar dos imprevistos e percalços durante a nossa caminhada, sempre manteve os filhos unidos e fez com que os três fossem pessoas de bem.

Ao meu pai (Ezequiel) que sempre me apoiou e incentivou nos estudos e a estar buscando novos desafios.

Ao meu grande amigo Juliano, pela amizade e companheirismo imprescindíveis. Longas e emocionantes aventuras e viagens nos esperam.

Ao meu amigo alado (Paulinho), sempre voando e me mostrando que é possível realizar nosso sonho de estar nas nuvens.

Ao professor e orientador Patrick Kuo-Peng, por sugerir o tema da presente dissertação, pelo apoio e contribuição nesta nova conquista.

Ao professor e coorientador Nelson Jhoe Batistela, pelo apoio e esclarecimento de dúvidas durante a elaboração desta dissertação.

Aos professores e colegas do GRUCAD pelo apoio e oportunidade de ampliar meus conhecimentos. À UFSC, aos professores e técnicos que possibilitaram a realização do mestrado.

A todas as pessoas que de uma forma direta ou indireta contribuíram para que este trabalho se tornasse possível.

E finalmente, o presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES).

RESUMO

Esta dissertação apresenta a modelagem, os métodos de controle e as análises do gerador de relutância duplamente alimentado sem escovas (BDFRG – Brushless

Doubly-Fed Reluctance Generator) para a aplicação em energia eólica. Realiza-se a

modelagem nos eixos de referência ‘dq’ da máquina. São apresentadas duas modelagens da máquina. Os respectivos modelos e controles foram implementados em ambiente de simulação Matlab/Simulink®. Em um dos modelos, impõe-se como entradas correntes e o outro modelo tensões. O segundo modelo também foi escolhido para implementar um sistema integrado com a rede elétrica e para estudos de técnicas de controle via simulação numérica. São apresentadas duas técnicas de controle escalar para o conversor lado da máquina. Uma delas prioriza o máximo torque por ampère do inversor (MTPIA) e outra a máxima extração de potência da turbina eólica (MPPT). Para o controle do conversor lado da rede foi implementado via simulação um controle vetorial orientado à tensão da rede. Mostra-se que o BDFRG apresenta uma solução potencialmente interessante para geração de energia eólica.

Palavras-chave: Energia eólica. Geradores duplamente alimentados. Máquinas sem escovas. Máquinas de relutância. Controle escalar. Controle vetorial.

ABSTRACT

This dissertation presents the modeling, control methods and analysis of Brushless Doubly-Fed Reluctance Generator (BDFRG) for wind power applications. The machine modeling is performed in the 'dq' reference frame. Two models of the machine are developed. The respective models and controls were implemented in Matlab/Simulink® environment. In the first model, currents are imposed as the input and in the second model, voltages are imposed as the input. The second model was also chosen for the implementation and integration of the machine with the electrical

grid and to study its control techniques by numerical simulation. Two scalar control techniques of the converter at the machine side are presented. One focuses the maximum torque per inverter ampere (MTPIA) and the other the maximum power point tracking (MPPT) from the wind turbine. For the grid side converter control, a vector control oriented to the grid voltage was simulated. It is shown that the BDFRG presents a potential interesting solution for wind energy generation.

Keywords: Wind energy. Doubly-Fed generators. Brushless machines. Reluctance machines. Scalar control. Vector control.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Produção de eletricidade - Brasil ... 16

Figura 2 - Desenvolvimento histórico da capacidade instalada mundial em GW ... 22

Figura 3 - Redução anual da emissão de CO2 ... 24

Figura 4 - Turbinas Verticais Darrieus (esquerda) e Savonius (direita) ... 25

Figura 5 - Turbina eólica de eixo horizontal (Componentes) ... 26

Figura 6 - Classificação das diferentes topologias para energia eólica ... 28

Figura 7 – Turbina Eólica de velocidade fixa com Gerador de Indução com Gaiola de Esquilo... 29

Figura 8 - Turbina Eólica de velocidade variável com conversor total - PMSG ... 30

Figura 9 - Turbina Eólica de velocidade variável com conversor parcial- DFIG ... 31

Figura 10 - 3 opções de design de rotor para o BDFRM ... 41

Figura 11 - Conexão entre BDFRG, conversor e rede ... 42

Figura 12 - Diagrama conceitual do BDFRG no sistema de conversão de energia eólica ... 47

Figura 13 - Posição angular dos vetores espaciais nos eixos de referência ‘dq’ ... 50

Figura 14 - Modos de operação e os fluxos de potência para o BDFRM ... 55

Figura 15 - Modelo ‘dq’ para o BDFRM ... 56

Figura 16 - Diagrama de blocos do modelo 01 (Entradas de corrente) ... 60

Figura 17 – Correntes de entrada ‘dq’ (i_pd, i_pq, i_sd e i_sq) obtidas no Matlab/Simulink®. ... 61

Figura 18 - Fluxos ‘dq’ dos enrolamentos primários e secundários obtidos no Matlab/Simulink®. ... 62

Figura 19 - Tensões de saída trifásica em RMS para os enrolamentos primário e secundário obtidas no Matlab/Simulink® ... 62

Figura 20 - Diagrama de blocos do modelo 02 (Entradas de tensão) ... 64

Figura 21 - Velocidade e Torque eletromagnético, transiente de partida (modo de indução)... 65

Figura 22 - Correntes ‘dq’ nos enrolamentos primário e secundário (modo indução)66 Figura 23 - Correntes ‘abc’ nos enrolamentos primário e secundário (modo indução) ... 66

Figura 25 - Correntes trifásicas no enrolamento primário e secundário quando  = _rm

1000 rpm ... 68

Figura 26 – Estratégia de controle 1: ‘Controle escalar 1’ em malha aberta ... 74

Figura 27 - Constante de tensão por frequência (V/f) ... 75

Figura 28 -  e _rm T_e - ‘Estratégia de controle 1’ em Malha aberta... 78

Figura 29 - Correntes 'dq' primárias e secundárias em malha aberta (Estratégia de controle 1) ... 79

Figura 30 - Estratégia de controle 1: ‘Controle escalar 1’ em malha fechada ... 81

Figura 31 -



e

T

Figura 32 - Correntes 'dq' primárias e secundárias em malha fechada (Estratégia de controle1) ... 83

Figura 33 - Comportamento de C_p em função de  e  ... 87

Figura 34 - Gráfico P x_t _rm −MPPT e simulções (Matlab/Script e Matlab/Simulink) 88 Figura 35 – Gráficos T x_m  ... 89_rm Figura 36 – Estratégia de Controle 2: ‘Controle escalar 2’ ... 91

Figura 37 - Conversor do lado da rede desenvolvido em ambiente Matlab/Simulink® ... 93

Figura 38 – Controle do conversor do lado da rede simplificado ... 96

Figura 39 - Orientação do eixo ‘d’ da rede com a tensão da rede ... 98

Figura 40 - Diagrama de blocos do controle do conversor do lado da rede ... 99

Figura 41 - Malha de controle de corrente i_{d g_} no domínio de Laplace ... 100

Figura 42 - Diagrama de bode para o controle de correte para o GSC ... 102

Figura 43 - Resposta ao degrau em malha fechada para o controle de corrente do GSC... 102

Figura 44 - Representação das tensões vetoriais (V_abc, V_{_ g} e V_{dq g_} ) ... 103

Figura 45 - Diagrama de blocos da estrutura clássica do PLL ... 104

Figura 46 - Conservação de potência ativa para o controle do lado da rede ... 105

Figura 47 - Malha de controle de tensão V_cc no domínio de Laplace ... 106

Figura 48 - Malha de controle de tensão Vcc simplificada. ... 106

Figura 49 - Resposta ao degrau em malha fechada para o controle de tensão do GSC... 107

Figura 50 - Sistema completo (Controle lado máquina e Controle lado rede) ... 107

Figura 51 - Velocidade do vento (V_v) utilizada na simulação ... 109

Figura 52 - Coeficiente de potência da Turbina Eólica (Cp( , )  ) ... 110

Figura 53 - Torque mecânico e potência na entrada do gerador ... 111

Figura 54 - Velocidade angular mecânica do BDFRG em rpm e rad/s ... 111

Figura 55 - Torque eletromagnético em Nm ... 112

Figura 56 - Corrente trifásica no enrolamento secundário - Fase A ... 113

Figura 57 - Tensão no barramento CC ... 114

Figura 58 - Simulações: Tensão contínua (Vcc), Correntes (idg ref_ e idg) e Potência Ativa (Pg) ... 115

Figura 59 - Simulações: Potência reativa de referência (Q_{g ref_} ), Correntes (i_{qg ref_} e qg i ) e Potência reativa (Q_g) ... 116

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens das turbinas eólicas de velocidade fixa e

velocidade variável ... 28

Tabela 2 - As vantagens e desvantagens das principais topologias de máquinas aplicadas na geração de energia eólica ... 32

Tabela 3 - Comparativo entre os tipos de geradores em sistemas de geração eólica. ... 35

Tabela 4 - Valores para simulação e Mathcad®... 60

Tabela 5 - Comparativo dos resultados do modelo 01 (Entradas de corrente) ... 63

Tabela 6 - Comparativo dos resultados do modelo 02 (Entradas de tensão) para rm  = 1000 rpm ... 68

Tabela 7 – Característica da turbina eólica Bergey Excel 1kW ... 84

Tabela 8 - Valor para os coeficientes c₁, c₂, c₃, c₄, c₅ e c₆. ... 86

Tabela 9 - Parâmetros considerados para a turbina eólica e para o BDFRG... 90

Tabela 10 - Modos de operação e estados das chaves ... 92

Tabela 11 - Parâmetro de projeto para cálculo do indutor da rede e capacitor ... 94

Tabela 12 - Comparação projeto e simulação ... 113

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ALR Axially Laminated Rotor (Rotor laminado axialmente)

BDFIM Brushless Doubly-Fed Induction Machine (Máquina de indução duplamente alimentada sem escovas)

BDFM Brushless Doubly-Fed Machine (Máquina duplamente alimentada sem escovas)

BDFRG Brushless Doubly-Fed Reluctance Generator (Gerador de relutância duplamente alimentado sem escovas)

BDFRM Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine (Máquina de relutância duplamente alimentada sem escovas)

CAGR Compound Annual Growth Rate (Taxa de crescimento anual composta) CC Corrente contínua

CEP Conversor Eletrônico de Potência

DFBM Doubly Fed Brushless Machine (Máquina duplamente alimentada sem escovas)

DFIG Doubly Fed Induction Generator (Gerador de indução duplamente alimentado com escovas)

DPC Direct Power Control (Controle Direto de Potência) DTC Direct Torque Control (Controle Direto de Torque)

FOC Field Orientation Control (Controle de Campo Orientado) GIGE Gerador de Indução trifásico com Gaiola de Esquilo GSI Grid Side Convert (Conversor do lado da rede) GSIP Geradores síncronos com ímãs permanentes GSRB Gerador Síncrono com Rotor Bobinado

GWEC Global Wind Energy Council (Conselho global de energia eólica) MPPT Maximum Power Point Tracking (Rastreamento do ponto de máxima

potência)

MRSEDA Máquina de Relutância Sem Escovas Duplamente Alimentada

MTPIA Maximum Torque Per Inverter Ampere (Torque máximo por ampère do inversor)

MTRDASE Máquina Trifásica de Relutância Duplamente Alimentada Sem Escovas PI Proporcional Integral

PLL Phase Loocked Loop (Malha de detecção de fase)

PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator (Gerador síncrono com ímãs permanentes)

PWM Pulse Width Modulation (Modulação por largura de pulso)

RLDR Radially Laminated Ducted Rotor (Rotor laminado radialmente com barreiras de fluxo axiais)

SAM Semi-Analytical Model (Modelo Semi-Analítico) SC Scalar Control (Controle Escalar)

SCIG Squirrel Cage Induction Generator (Gerador de indução com gaiola de esquilo)

SPR Saliente Pole Rotor (Rotor de polo saliente)

SPWM Sinosoidal Pulse Width Modulation (Modulação por largura de pulso sinusoidal)

SRM Switched Reluctance Machine (Máquina de relutância comutada) SyncRM Synchronous Reluctance Machine (Máquina de relutância síncrona) VC Vector Control (Controle Vetorial)

VSI Voltage Source Inverter (Inversor de fonte de tensão) WRSG Wound Rotor Synchronous Generator

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Descrição Unidade

 Ângulo de passo da turbina (º)

p

 _{Ângulo do enrolamento primário (rad)}

s

 Ângulo do enrolamento secundário (rad)

r

 Ângulo elétrico do rotor (rad)

rm

 Ângulo mecânico do rotor (rad)

g

 _{Ângulo do vetor tensão da rede (rad)}

p

 _{Fluxo produzido pelo enrolamento primário (Wb)}

s

 Fluxo produzido pelo enrolamento secundário (Wb) ps

 Fluxo mútuo (Enlace do fluxo do enrolamento primário no

secundário) (Wb)

pd

 Fluxo ‘d’ produzido pelo enrolamento primário (Wb) pq

 _{Fluxo ‘q’ produzido pelo enrolamento primário (Wb)}

sd

 Fluxo ‘d’ produzido pelo enrolamento secundário (Wb) sq

 Fluxo ‘q’ produzido pelo enrolamento secundário (Wb)

 Razão entre a velocidade da ponta da pá da turbina eólica

e a velocidade do vento ou tip speed ratio -

 Coeficiente de amortecimento -

 Densidade do ar (kg/m³)

 Fator de dispersão -

 Constante de tempo (s)

torque

 Ângulo de torque ou ângulo de carga (rad)

p

 Velocidade angular do enrolamento primário (rad/s) s

 Velocidade angular do enrolamento secundário (rad/s) r

 Velocidade angular elétrica do rotor (rad/s)

rm

 Velocidade angular mecânica do rotor (rad/s)

sinc

 Velocidade angular síncrona (rad/s)

t

Símbolo Descrição Unidade g

 Frequência angular da rede (rad/s)

n

 Frequência natural não amortecida (rad/s)

erro

 Diferença entre a frequência angular de referência a

frequência angular monitorada (rad/s)

_

rm comando

 Frequência angular de comando (rad/s)

Complexo conjugado -

( )

g máx

i

 _{Variação da corrente máxima na entrada do conversor (A)} cc

V

 Variação da tensão Vc no barramento CC (V)

A Área circular varrida pelas pás da turbina (m²) g

b _{Coeficiente de atrito do gerador (N.m.s/rad)}

t

b Coeficiente de atrito da turbina eólica (N.m.s/rad)

C Capacitor do barramento CC (F)

p

C _{Coeficiente de potência da turbina eólica -}

c

f Frequência secundária de comando (Hz)

chav

f Frequência de comutação do conversor (Hz)

p

f _{Frequência do enrolamento primário (Hz)}

r

f Frequência elétrica do rotor (Hz)

rede

f Frequência da rede (Hz)

rm

f Frequência mecânica do rotor (Hz)

s

f Frequência do enrolamento secundário (Hz)

c

i Corrente que circula no capacitor do barramento CC (A)

_

d g

i _{Corrente 'd' da rede (A)}

_

g cc

i Corrente fornecida ao barramento CC pelo conversor do

lado da rede (A)

(máx)

g

i Corrente máxima na entrada do conversor (A)

p

i _{Corrente no enrolamento primário (A)}

pd

i _{Corrente 'd' no enrolamento primário (A)}

pq

i _{Corrente 'q' no enrolamento primário (A)}

Símbolo Descrição Unidade ps

i Corrente do secundário refletida no primário (Conhecida

como corrente de magnetização) (A)

_

q g

i _{Corrente 'q' da rede (A)}

s

i Corrente no enrolamento secundário (A)

_

s cc

i _{Corrente de carga do barramento CC (A)}

sd

i Corrente 'd' no enrolamento secundário (A)

sp

i Corrente do primário refletida no secundário (Conhecida

como corrente de magnetização) (A)

sq

i Corrente 'q' no enrolamento secundário (A)

g

J _{Momento de inércia do rotor do gerador (kg.m²)}

t

J Momento de inércia da turbina eólica (kg.m²)

i

k Ganho integral do controlador PI -

p

k _{Ganho proporcional do controlador PI -}

g

L _{Indutor de filtro (Indutância da reatância) (H)} p

L _{Indutância do enrolamento primário (H)}

ps

L Indutância mútua entre o enrolamento primário e o

enrolamento secundário (H)

s

L Indutância do enrolamento secundário (H)

ma Índice de modulação -

g

n Relação da caixa de engrenagem -

rm

n Rotação mecânica do rotor em rpm (rpm)

g

P Potência ativa do conversor do lado da rede (W) m

P Potência mecânica aplicada ao eixo do gerador (W) p

p _{Número de pares de polos do enrolamento primário -} p

P _{Potência ativa do enrolamento primário (W)}

r

p Número de polos do rotor -

s

p Número de pares de polos do enrolamento secundário - s

Símbolo Descrição Unidade t

P Potência extraída do vento pela turbina eólica (W) g

Q _{Potência reativa na rede (VAr)}

R Raio da turbina eólica (m)

g

R _{Resistor de filtro (Resistência interna da reatância) (Ω)} p

R _{Resistência do enrolamento primário (Ω)}

s

R Resistência do enrolamento secundário (Ω)

s Escorregamento -

e

T Torque eletromagnético (Nm)

m

T Torque mecânico no eixo do gerador ou torque de carga (Nm) t

T Torque da turbina eólica ou torque aerodinâmico produzido

pelas pás da turbina (Nm)

1

AB

V Tensão de pico de linha fundamental (V)

_

abc ref

V Tensão trifásica conectada ao gerador pwm do conversor

do lado da rede (V)

V_ Tensão 'α' da rede (Tensão da rede nos eixos de

referência 'αβ') (V)

V_ Tensão 'β' da rede (Tensão da rede nos eixos de

referência 'αβ') (V)

cc

V Tensão contínua no barramento CC (V)

1

d

v Tensão 'd' na entrada do conversor (V)

_

d g

v Tensão 'd' da rede (Tensão da rede nos eixos de

referência 'dq') (V)

rms

f

v

g

V _{Tensão trifásica da rede (V)}

RMS

LL

V Tensão de linha em RMS (V)

P

v Tensão no enrolamento primário (V)

pd

v Tensão 'd' do enrolamento primário (Tensão do

Símbolo Descrição Unidade pq

v Tensão 'q' do enrolamento primário (Tensão do

enrolamento primário nos eixos de referência 'dq') (V)

1

q

v _{Tensão 'q' na entrada do conversor (V)}

_

q g

v Tensão 'q' da rede (Tensão da rede nos eixos de

referência 'dq') (V)

s

v Tensão do enrolamento secundário (V)

sd

v Tensão 'd' do enrolamento secundário (Tensão do

enrolamento secundário nos eixos de referência 'dq') (V) sq

v Tensão 'q' do enrolamento secundário (Tensão do

enrolamento secundário nos eixos de referência 'dq') (V) V

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVOS... 19 1.1.1 Objetivo Geral ... 19 1.1.2 Objetivos Específicos ... 19 1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ... 20

2 SISTEMAS DE ENERGIA EÓLICA ... 21

2.1 REVISÃO LITERÁRIA ... 21

2.1.1 Parques eólicos: onshore e offshore ... 21

2.1.2 Potenciais da geração de energia eólica ... 21

2.1.3 Principais componentes da geração de energia eólica... 24

2.1.3.1 Turbinas eólicas (classificação e componentes)... 24

2.1.3.2 As diferentes topologias de geradores com aplicação em energia eólica .... 27

2.2 BRUSHLESS DOUBLY-FED RELUCTANCE MACHINE ... 37

2.2.1 Revisão bibliográfica do BDFRM ... 37

2.2.2 Projeto do rotor para o BDFRM ... 40

2.3 MÉTODOS DE CONTROLE ... 41

2.4 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO ... 44

3 FUNDAMENTOS E MODELOS DO BDFRG ... 47

3.1 PRINCÍPIOS OPERACIONAIS DO BDFRG ... 47

3.1.1 Modelos dinâmicos e equações do vetor espacial ... 49

3.1.2 Fluxos de potência e modos de operação... 54

3.1.3 Modelo BDFRM nos eixos de referência ‘dq’ ... 55

3.2 MODELOS BDFRG ... 59

3.2.1 Modelo 01 (Entradas de corrente) ... 59

3.2.2 Modelo 02 (Entradas de tensão) ... 63

3.2.2.2 BDFRM – Simulação com enrolamento secundário ... 67 3.3 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO ... 69 4 CONTROLE DO BDFRG... 71 4.1 INTRODUÇÃO ... 71 4.2 CONTROLE ESCALAR ... 71 4.3 ESTRATÉGIA DE CONTROLE 1 ... 73

4.3.1 Controle escalar em malha fechada ... 80

4.4 ESTRATÉGIA DE CONTROLE 2 ... 83

4.4.1 Turbina eólica ... 84

4.4.2 Metodologia do ‘controle escalar 2’ ... 90

4.4.3 Controle do conversor do lado da rede ... 92

4.4.3.1 Cálculo do Indutor de Filtro Lg e do capacitor C do barramento CC ... 93

4.4.3.2 Projeto do controlador do lado da rede ... 95

4.4.3.3 Controladores de corrente ... 99

4.4.3.4 Cálculo da posição ... 103

4.4.3.5 Controlador de tensão de barramento ... 104

4.4.4 Resultado de simulações ... 107 4.5 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO ... 117 5 CONCLUSÃO GERAL ... 120 5.1 TRABALHOS FUTUROS ... 122 REFERÊNCIAS ... 123 APÊNDICE A ... 132 APÊNDICE B ... 134 APÊNDICE C ... 136 APÊNDICE D ... 141 APÊNDICE E ... 145 APÊNDICE F ... 146

APÊNDICE G ... 147 APÊNDICE H ... 149 APÊNDICE I ... 150

1 INTRODUÇÃO

O uso da força dos ventos tem sido utilizado há milhares de anos pela humanidade para produção de energia mecânica (moinhos, irrigação e barcos à vela) (ACKERMANN, 2005; BURTON et al., 2011). A aplicação da energia cinética do vento para geração de energia elétrica teve sua origem no final do século XIX. Porém, somente a partir da década de 1960 houve investimentos suficientes para propiciar o avanço da energia eólica. Na década de 70 na crise do petróleo, com a conscientização acerca dos problemas causados pela queima de combustíveis fósseis e com subsídios governamentais, a geração de energia eólica foi impulsionada (MANWELL; MCGOWAN; ROGERS, 2009).

No momento, existe consenso de que o consumo de combustíveis fósseis tende a aumentar a emissão de gases do efeito estufa, estando diretamente relacionado com o aquecimento global (SILVA et al., 2013). Existe também a consciência de que a capacidade de recursos do planeta Terra é limitada (“Data and Method - Global Footprint Network”, 2019). Apesar disso, a disponibilidade energética precisa acompanhar o desenvolvimento econômico (BEST; BURKE, 2018; FOUQUET, 2016). Assim, para alcançar a sustentabilidade energética, deve-se considerar o uso de recursos renováveis, a redução na emissão de gadeve-ses do efeito estufa e, ainda, a ampliação da disponibilidade energética, permitindo o desenvolvimento econômico.

As matrizes energéticas de menor impacto apresentam vantagens operacionais, econômicas, e ainda têm potencial mitigador do processo de aquecimento global (“Revista ECO•21”, 2005; SHAFIULLAH; ARIF; OO, 2018; WANG; SUEYOSHI, 2018). Por exemplo, a energia proveniente de reatores nucleares, a priori, não emite gases do efeito estufa durante a operação, mas produz resíduos tóxicos de difícil armazenamento/descarte. A energia hidrelétrica é oriunda de uma fonte renovável: a energia mecânica da água. Essa tecnologia corresponde entorno de 60% da geração de energia nacional, conforme informações na Figura 1 (“BIG - Banco de Informações de Geração”, 2020). Entretanto, é conhecida por sua vulnerabilidade em períodos de secas, por ser dependente do regime hidrológico.

Além disso, a implantação dos parques pode inundar áreas extensas de elevada cobertura florestal, o que muitas vezes resulta em conflitos sociais (BÁRTHOLO JÚNIOR; BURSZTYN, 2001) e pode também afetar os estoques de carbono e retroalimentando o aquecimento global (FEARNSIDE, 2006).

Figura 1 - Produção de eletricidade - Brasil

Fonte: Adaptado (“BIG - Banco de Informações de Geração”, 2020).

Diante disso, a energia eólica representa uma das tecnologias mais eficazes disponíveis em escala global, não emitindo gases poluentes e garantindo o suprimento de energia de forma mais sustentável. Mas, é necessário um maior incentivo frente às fontes de geração tradicionais (CORRÊA DA SILVA; DE MARCHI NETO; SILVA SEIFERT, 2016). No cenário nacional, a matriz energética brasileira baseada em energia eólica apresentou um considerável crescimento nos últimos anos (LIMA; SANTOS; MOIZINHO, 2018). Muito embora com o crescente desenvolvimento da indústria eólica onshore (construídas em terra), atualmente o país está iniciando seus projetos de energia eólica offshore (construídas no mar) (SANT’ANNA DE SOUSA GOMES et al., 2019; SILVA et al., 2016).

Atualmente, a matriz de energia elétrica nacional de fonte eólica conta com 15 GW produzidos por 629 usinas, o que corresponde a 8,63 % da capacidade instalada total. Esse valor, tende a somar entorno de 7 GW entre empreendimentos iniciados e não iniciadas, num total de 235 usinas previstas, atingindo cerca de 22 GW de potência associada (“BIG - Banco de Informações de Geração”, 2019).

O potencial eólico offshore para toda a costa brasileira até 100 m de profundidade é de 600 GW, esta estimativa considera torres com até 80 m de altura. (JUÁREZ et al., 2014).

Considerando este potencial de ampliação, algumas questões sobre a melhor tecnologia e as melhores topologias são levantadas. Assim, são necessários estudos multidisciplinares para a definição das mesmas, para solucionar problemas de manutenção, aprimorar a eficiência e os processos de fabricação, e o desenvolvimento de tecnologias de eletrônica de potência, sendo o custo do sistema como um todo um fator chave (STAUDT, 2015).

Nas últimas décadas, uma variedade de tecnologias com aplicação em energia eólica tem aperfeiçoado a eficiência da conversão da energia cinética do vento em energia elétrica, introduzindo uma gama de geradores e subdividindo as turbinas eólicas em duas categorias de sistemas: de velocidade constante e de velocidade variável (ABAD et al., 2011; WU et al., 2011).

Em aplicações de velocidade constante, que se destacam por sua robustez e simplicidade, as máquinas de indução com rotor em gaiola têm sido usadas como geradores conectados diretamente à rede elétrica. Essa característica em manter a velocidade praticamente constante na faixa de operação normal, fez com que esse conceito fosse amplamente aplicado nas décadas de 80 e 90 e ainda é utilizado em sistemas que priorizam a simplicidade e baixo custo. Contudo, apresentam a desvantagem da necessidade de um multiplicador de velocidade entre a turbina eólica e o gerador (VOLTOLINI, 2007). Já com os sistemas de velocidade variável, é possível obter um melhor aproveitamento da energia do vento. Em contrapartida, estes sistemas são mais complexos e necessitam de conversores estáticos baseados em componentes semicondutores que operam no modo de chaveamento (comutação), que são circuitos de eletrônica de potência capazes de controlar o fluxo de potência entre a fonte e o consumidor de energia elétrica (ABAD et al., 2011; VOLTOLINI, 2007).

Na aplicação de velocidade variável duas tecnologias de geradores competem, os geradores síncronos com ímãs permanentes (GSIP) e os geradores de indução duplamente alimentados (DFIG), ambos com vantagens e desvantagens.

Nas últimas décadas o DFIG tornou-se o gerador mais utilizado em aplicações eólicas, devido aos benefícios da operação de velocidade variável limitada com acionamento pelo conversor de potência reduzida (entorno de 30% da capacidade do sistema). Essa aplicação possibilitou reduzir o custo com a eletrônica de potência envolvida. Contudo, o uso de escovas e anéis coletores para conectar o rotor bobinado ao conversor de frequência pode prejudicar a confiabilidade, agregando elevados custos de manutenção regular com maior impacto, principalmente, em usinas offshore (CHEN; LI, 2008; HANSEN, 2007).

A partir disso, surge uma categoria especial de máquinas, com capacidade do conversor reduzida e que pode ser usada para faixas de controle de velocidade limitada: as máquinas duplamente alimentadas sem escovas (BDFM – Brushless

Doubly-Fed Machine). Essas características atraíram a atenção dos pesquisadores

para duas máquinas nessa categoria: a) a máquina de indução duplamente alimentada sem escovas (BDFIM – Brushless Doubly-Fed Induction Machine); b) a máquina de relutância duplamente alimentada sem escovas (BDFRM - Brushless

Doubly-Fed Reluctance Machine). Espera-se que a eficiência do BDFRM seja

superior à do BDFIM, já que não há perdas no cobre do rotor e que o controle da máquina de relutância seja mais simples (ADEMI; JOVANOVIC, 2014b; BETZ; JOVANOVIC, 2002; CHEN, 2014; CHEN; LI, 2008; FENGXIANG WANG; FENGGE ZHANG; LONGYA XU, 2002). O BDFRG (Brushless Doubly-Fed Reluctance

Generator), que é o modo de geração do BDFRM, se torna uma das tecnologias

mais atrativas para aplicações eólicas (REBEIRO, 2018; STAUDT, 2015).

O BDFRM não utiliza ímãs permanentes, seu funcionamento não demanda escovas e utiliza um conversor de potência com classificação fracionada (KOSHINSKI, 2008; STAUDT, 2015). Desta maneira, mantém as características vantajosas do DFIG e supera os problemas relacionados à manutenção. A pesquisa acerca do BDFRM apresenta destaque científico evidenciado pelo trabalho de vários autores, que mostram que não há razões para que o mesmo não ultrapasse o desempenho do DFIG (CHEN, 2014; SCHULZ; BETZ, 2005; SONG, 2017; STAUDT, 2015).

Diante do acima exposto, as técnicas de controle do BDFRG ou BDFRM têm chamado à atenção da comunidade científica, havendo diferentes técnicas de controle propostas na literatura (JOVANOVIC, 2009, 2002; MOUSA; ALLAM;

RASHAD, 2015a). Esta dissertação aborda o controle da Máquina de Relutância Sem Escovas Duplamente Alimentada (MRSEDA), também denominada de

Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine/Generator (BDFRM/G) ou Máquina

Trifásica de Relutância Duplamente Alimentada Sem Escovas (MTRDASE) com aplicação em energia eólica. Esta dissertação estuda sistematicamente uma solução robusta e econômica para aplicação em energia eólica, através da metodologia de controle de máquinas BDFRM.

Além disso, o presente trabalho busca agregar conhecimento baseada na modelagem de máquina em ambiente de simulação Matlab/Simulink®, apresentando passo a passo a modelagem e seus detalhes de inicialização, sendo assim uma contribuição para o desenvolvimento de trabalhos futuros.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Geral

Esta dissertação tem como principal objetivo a análise dinâmica e o estudo do controle do BDFRM para aplicações em sistemas eólicos.

1.1.2 Objetivos Específicos

Os objetivos específicos são:

• Pesquisar e caracterizar o estado da arte dos sistemas eólicos, com enfoque em sistemas de velocidade variável;

• Descrever e analisar matematicamente o modelo dinâmico e o controle escolhido do BDFRM;

• Realizar uma revisão abrangente da literatura sobre o assunto para identificar os projetos de controladores mais apropriados para a aplicação alvo, com comparações de desempenho;

• Implementar o modelo e o controle do BDFRM no ambiente de simulação Matlab/Simulink®.

1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

Está dissertação está organizada em 4 capítulos, 9 apêndices e uma seção de referência bibliográfica. O capítulo 1 e o capítulo 4 se referem à introdução e à conclusão geral deste trabalho. Os demais capítulos são descritos brevemente a seguir.

No capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica contendo uma breve visão do estado da arte. São apresentados: os conceitos dos parques eólicos

onshore e offshore, os potenciais da geração de energia eólica, as principais formas

de aplicação dos aerogeradores e suas vantagens e desvantagens. Além disso, é apresentado o histórico das máquinas de relutância e seus diferentes conceitos, com enfoque no BDFRM. E por fim, são apresentados os principais métodos de controle atuais.

No capítulo 3 são apresentados os fundamentos do BDFRM, com destaque para os princípios operacionais e a modelagem matemática. São apresentadas as modelagens em ambiente de simulação Matlab/Simulink® e são mostrados resultados de simulação dos modelos.

No capítulo 4, as características de controle são descritas, com destaque para a técnica de controle escalar aplicado no conversor do lado da máquina e para o controle vetorial aplicado ao conversor do lado da rede. É apresentada a integração do gerador com a turbina eólica. São apresentadas as características e também a modelagem da rede, os cálculos dos parâmetros de rede e o projeto do sistema como um todo e suas respostas.

2 SISTEMAS DE ENERGIA EÓLICA

Este capítulo apresenta uma revisão da literatura, abordando aspectos da geração da energia eólica, contextualizando historicamente esta tecnologia e discutindo seus potenciais.

2.1 REVISÃO LITERÁRIA

2.1.1 Parques eólicos: onshore e offshore

Parques eólicos consistem na concentração (aglomeração) de aerogeradores, sendo divididos em dois grupos de acordo com o seu local de construção: onshore e offshore.

Parques eólicos onshore se encontram instalados no continente, ao longo da costa marítima ou no interior em terra. São normalmente construídos em altitudes iguais ou superiores a 100 m, para aproveitar com máxima eficiência as elevadas velocidades do vento (ANANTHASWAMY; LE PAGE MICHAEL, 2012; ANAYA LARA; JENKINS; EKANAYAKE, 2009; BOWDLER; LEVENTHALL; RASPET, 2012; STAUDT, 2015). Apresentam alguns impactos negativos, como o ruído acústico e o impacto visual.

Os parques eólicos offshore são instalados no mar e têm como principal vantagem o melhor aproveitamento das velocidades médias do vento. Outra vantagem é que os impactos sonoro, visual e ambiental se tornam atenuados (ANAYA-LARA et al., 2018; BARROS, 2019). As suas principais desvantagens estão relacionadas com: custos de construção, de operação e de manutenção; e efeitos indesejados das impedâncias parasitas nos cabos que se estendem pelas longas distâncias até o sistema integralizado de energia (ANAYA LARA; JENKINS; EKANAYAKE, 2009; STAUDT, 2015).

A geração de energia eólica está em expansão em um nível global. Segundo dados do relatório anual do GWEC (Global Wind Energy Council), em 2018, a energia eólica chegou a uma capacidade mundial total instalada de 591 GW, representando um acréscimo de aproximadamente 9% (51,3 GW) em comparação com o ano de 2017. As novas instalações são de 46,8 GW em parques onshore e de 4,5 GW em parques offshore.

A produção de energia eólica está distribuída entre diferentes nações. A China tem sido o principal mercado onshore, sendo o primeiro mercado a superar os 200 GW da capacidade total instalada, sendo 21,2 GW instalados em 2018. Os destaques no mercado eólico em 2018, após a China, foram: EUA (7,6 GW), Alemanha (2,4 GW), Índia (2,2 GW) e Brasil (1,9 GW). No mercado offshore, em 2018 a China instalou 1,8 GW e o Reino Unido instalou 1,3 GW. O mercado offshore continua crescendo, tendo atingido no último ano um crescimento aproximado de 8% para novas instalações e de 4% do total de instalações em 2018. A taxa de crescimento anual composta (CAGR) representou uma taxa de progressão de +13% no período de 2013 a 2018 e a quota de parques offshore em 2018 representa 4% (vide Figura 2 (“GWEC | GLOBAL WIND REPORT 2018”, 2019)). Assim, é nítido o crescimento na geração de energia eólica, embora com diferenças entre nações. Provavelmente, isso ocorre em razão de limitantes econômicos e ambientais, e não devido aos limites políticos (MARVEL; KRAVITZ; CALDEIRA, 2013).

Figura 2 - Desenvolvimento histórico da capacidade instalada mundial em GW

A energia eólica se destaca pelo potencial na redução de emissão de gases do efeito estufa, e com isso se prevê uma ampliação no uso dessa tecnologia. O setor da energia é responsável por aproximadamente 25% das emissões totais de gases do efeito estufa e por mais de 40% de todas as emissões de dióxido de carbono. Assim, o setor de energia se torna um foco para atingir as metas de proteção do clima. A previsão para o ano de 2020 é que a energia eólica evite que mais de 1 bilhão de toneladas de dióxido de carbono sejam emitidas (vide Figura 3) (“PERSPECTIVA GLOBAL DE ENERGIA EÓLICA 2014 - Global Wind Energy Council”, 2014). Os relatórios da GWEC e as perspectivas globais do fornecimento de eletricidade mundial indicam que a energia oriunda do vento pode chegar a 2000 GW até 2030, podendo suprir 19% da demanda global de energia, com perspectivas de suprir 30% até 2050.

A Global Wind Energy (2016) calculou quanto gás carbônico deixará de ser emitido com a ampliação do uso de energia eólica (vide Figura 3), considerando quatro diferentes cenários:

• O cenário denominado novas políticas considera as políticas já anunciadas, porém ainda não implementadas. Evidentemente que neste cenário, a utilização dos combustíveis fósseis é reduzida. Porém a utilização das outras fontes primárias aumenta (nuclear, hidrelétricas, entre outras) (“GWEC | GLOBAL WIND REPORT 2018”, 2019);

• O cenário 450 é definido pela Agência Internacional de Energia, estabelecendo 450 ppm (partículas por milhão) como concentração máxima de CO₂ na atmosfera, limitando assim o aquecimento global em 2º Celsius (“GWEC | GLOBAL WIND REPORT 2018”, 2019); • O cenário moderado é estimado com as políticas de incentivo já

aprovadas ou programadas, e com o cumprimento das metas para renováveis ou redução de emissões de gases (OLIVEIRA; PEREIRA; VEIGA, 2019);

• O cenário avançado é audacioso, pois visa o crescimento da indústria considerando um melhor caso de crescimento da energia eólica (OLIVEIRA; PEREIRA; VEIGA, 2019).

Figura 3 - Redução anual da emissão de CO2

Fonte: Adaptado de Global Wind Energy 2016.

2.1.3 Principais componentes da geração de energia eólica

2.1.3.1 Turbinas eólicas (classificação e componentes)

Existem dois tipos de turbinas eólicas: as de eixo vertical e as de eixo horizontal, caracterizadas pela orientação do eixo de rotação.

As turbinas eólicas de eixo vertical são classificadas pelas suas características aerodinâmicas em dois tipos: Darrieus e Savonius (Figura 4). A turbina Darrieus tem sua operação baseada na força de sustentação do perfil sujeita à ação de um vento relativo e sua eficiência pode chegar a 40% (“Dornier Darrieus 55 - 55,00 kW - Wind turbine”, [s.d.]). A turbina Savonius é movida pela força de arrasto do vento em suas pás e sua maior eficiência é de aproximadamente 20% (VAIDYA et al., 2016).

Figura 4 - Turbinas Verticais Darrieus (esquerda) e Savonius (direita)

Fonte:(“Dornier Darrieus 55 - 55,00 kW - Wind turbine”, [s.d.]; VAIDYA et al., 2016).

As principais vantagens das turbinas de eixo vertical são: projeto simples; incidência menor de ruído em comparação com as de eixo horizontal; facilidade de manutenção do gerador, devido à possibilidade de instalá-lo na parte inferior da turbina; independência da direção do vento para funcionamento. As principais desvantagens são: a baixa eficiência com a variação da intensidade do vento; o rotor é localizado próximo ao solo (menores velocidades do vento em relação às velocidades de vento em grandes altitudes); a necessidade de desmontar a estrutura inteira para manutenção do mancal principal do rotor; a necessidade de área relativamente grandes para grandes potências (BELTRAN, 2010).

As turbinas eólicas de eixo horizontal (Figura 5) são as mais empregadas na produção de energia eólica devido aos menores custos de fabricação em relação às de eixo vertical, e também por causa de um maior rendimento. O número de hélices normalmente varia entre 1 a 3. A vantagem do número menor de hélices é o menor peso. Em contrapartida, com um número menor de pás, gera-se muito ruído, com um menor rendimento. As principais vantagens são: maior eficiência; menores

custos de fabricação; maior resistência em comparação com as verticais por estarem menos expostas ao estresse mecânico. A principal desvantagem é o ruído elevado em comparação com as verticais.

Figura 5 - Turbina eólica de eixo horizontal (Componentes)

Fonte: adaptado de (ABAD et al., 2011).

A seguir são descritos os principais componentes de um aerogerador (ABAD et al., 2011), sendo os mesmos apresentados na Figura 5:

• Nacele: contém os componentes internos, incluindo multiplicador de velocidade (caixa de engrenagem) e o gerador elétrico;

• Pás ou hélices: transformam a energia cinética do vento em energia rotacional (mecânica) no eixo da turbina. As pontas da lâmina funcionam como freios pneumáticos, conhecidos como freios de pontas;

• Cubo: responsável pela fixação das pás no rotor de baixa rotação. O rotor de baixa rotação da turbina conecta o cubo do rotor à caixa de engrenagem. Em uma turbina eólica de 600 kW, a rotação gira entorno de 19 a 30 rpm;

• Multiplicador de velocidade ou caixa de engrenagens: acopla o rotor de baixa rotação ao rotor do gerador de alta rotação, girando aproximadamente 50 vezes mais rápido que o eixo de baixa para uma turbina de 600 kW. Normalmente é equipado com um freio a disco mecânico de emergência, usado em caso de falha do freio aerodinâmico (freio de pontas da lâmina) ou quando a turbina está em manutenção;

• Gerador elétrico: transforma a energia mecânica rotacional em energia elétrica.

• Mecanismo de orientação: ajusta a direção do aerogerador de acordo com a direção do vento, de acordo com a leitura dos sensores de vento (os quais indicam a direção e a velocidade);

• Controle de ângulo das pás (ângulo de passo): altera a inclinação das pás conforme a velocidade do vento;

• Controle eletrônico: responsável pela supervisão e controle contínuo do gerador. Por exemplo, controla o ajuste da direção do aerogerador, controle de passo, controle da potência ativa e da potência reativa entregue a rede, etc.

2.1.3.2 As diferentes topologias de geradores com aplicação em energia eólica

Com as crescentes demandas por energia eólica, várias topologias foram propostas e podem ser classificadas em três tipos principais: velocidade fixa;

velocidade variável com conversor parcial; velocidade variável com conversor total (ANAYA LARA; JENKINS; EKANAYAKE, 2009; CHEN; LI, 2008; STAUDT, 2015), conforme apresentado na Figura 6.

Figura 6 - Classificação das diferentes topologias para energia eólica

Fonte: adaptado (STAUDT, 2015).

A Tabela 1 apresenta as principais vantagens e desvantagens das turbinas eólicas de velocidade fixa e de velocidade variável, que serão descritas de forma mais detalhada na sequência desta seção.

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens das turbinas eólicas de velocidade fixa e velocidade variável

Vantagens Desvantagens

Velocidade variável

• Ampla faixa de velocidades de operação;

•Controle de potência ativa e reativa;

•Operação com ou sem caixa de engrenagens;

•Redução de forças mecânicas; •Facilidade de integração da

turbina eólica na rede elétrica.

• Exige técnicas de controle mais complexas;

• Custo relacionado aos conversores;

• Perdas nos conversores de potência.

Velocidade fixa

• Simples e robusto;

• Mais barato que os sistemas de velocidade variável;

• Não controla a potência reativa;

• Manutenção reduzida. nos componentes do sistema; • Necessidade de bancos de capacitores para magnetização das máquinas.

Fonte: Adaptado de (RIACHY, 2018).

A turbina com velocidade fixa normalmente utiliza um gerador de indução trifásico com gaiola de esquilo (GIGE ou SCIG - Squirrel Cage Induction Generator), onde a turbina eólica aciona a caixa de engrenagem. É conectada à rede por um transformador (Figura 7). Desta maneira, fornece uma velocidade rotacional praticamente constante, podendo variar entorno de 1%, devido ao escorregamento do gerador. O banco de capacitores é responsável pelo consumo de energia reativa. A corrente de irrupção (corrente de arranque ou corrente de pico de entrada) é limitada pelo soft-starter durante a inicialização. Em velocidades do vento acima da velocidade nominal do gerador, a potência de saída é limitada pela parada aerodinâmica natural ou pelo controle do ângulo das pás antes que a turbina eólica seja parada na velocidade de corte do vento (ANAYA-LARA et al., 2018; TANDE; MARZIO; UHLEN, 2007).

Figura 7 – Turbina Eólica de velocidade fixa com Gerador de Indução com Gaiola de Esquilo

A turbina com velocidade variável apresenta uma grande vantagem frente às turbinas com velocidade fixa, que é a possibilidade de máxima extração de energia eólica. Para tal, algoritmos de controle são responsáveis por regular a velocidade do gerador para a máxima potência extraída do vento (MPPT – Maximum Power Point

Tracking) (SINGH; OUHROUCHE, 2011; STAUDT, 2015). Assim, a operação em

velocidade variável aumenta a eficiência da conversão de energia e reduz as cargas na estrutura mecânica (ANAYA-LARA et al., 2018).

As turbinas com velocidade variável e conversor total, podem ou não incluir caixa de engrenagem. Pode-se empregar uma ampla gama de tipos de geradores elétricos. Os mais comuns são: o gerador assíncrono de indução; o gerador assíncrono de rotor bobinado; o gerador síncrono de ímã permanente. Nesta topologia, o gerador é conectado à rede através de um conversor total de potência (responsável pela energia gerada), que permite o controle eficaz de potência (ativa e reativa) (AKHMATOV et al., 2003).

O gerador mais utilizado nesta topologia é o gerador síncrono com ímãs permanentes (GSIP ou PMSG - Permanent Magnet Synchronous Generator, Figura 8), pois não requer anéis deslizantes e escovas, tornando-se uma solução simples e robusta (ABAD et al., 2011; CHEN; LI, 2008). Suas principais características são: ampla faixa de velocidade operacional; sem escovas (manutenção reduzida); conversor eletrônico de potência de grande escala; controle completo da potência ativa e reativa trocada com a rede; necessidade de ímãs permanentes em grande escala; necessidade ou não de caixa de engrenagem (ABAD et al., 2011; STAUDT, 2015).

Figura 8 - Turbina Eólica de velocidade variável com conversor total - PMSG

Nas turbinas eólicas com velocidade variável e conversor parcial, a topologia mais utilizada é o gerador de indução duplamente alimentado (DFIG – Doubly Fed

Induction Generator). No DFIG, o enrolamento do estator é conectado diretamente à

rede e o enrolamento do rotor é conectado à rede através um conversor bidirecional na configuração back-to-back (VOLTOLINI, 2007), conforme Figura 9. Usando técnicas de controle, o conversor bidirecional assegura a geração de energia na frequência nominal e na tensão nominal da rede, independentemente da velocidade do rotor. O principal objetivo do conversor é compensar a diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona, considerando o escorregamento entre os dois enrolamentos. Desta maneira, um sistema DFIG pode fornecer energia para a rede através do estator e do rotor. O enrolamento do rotor pode absorver ou fornecer potência à rede, dependendo da velocidade de rotação do gerador. Se estiver operando acima da velocidade síncrona, a energia é fornecida pelo rotor através dos conversores para a rede. Se o gerador estiver operando abaixo da velocidade síncrona, o rotor absorverá energia da rede através dos conversores.

As principais características do DFIG são: faixa de velocidade operacional limitada (-30% a +20%) utilizando técnicas de controle vetorial; conversor eletrônico de potência em pequena escala (reduzidas perdas de potência e redução de custos); controle completo da potencia ativa e reativa trocada com a rede; necessidade de anéis coletores (responsáveis por levar a corrente para dentro ou para fora do enrolamento do rotor); e necessidade de caixa de engrenagem (normalmente 3 estágios) (ABAD et al., 2011).

Figura 9 - Turbina Eólica de velocidade variável com conversor parcial- DFIG

O DFIG ainda domina o mercado devido à interessante característica de gerenciar apenas uma parte da energia total gerada, necessitando de um conversor em escala parcial. A desvantagem é a necessidade de manutenção nas escovas. Os benefícios do DFIG para aplicações eólicas são: maior produtividade e confiabilidade da planta; maior vida útil; tensões mecânicas reduzidas (maior “elasticidade do sistema”); controle de oscilações aprimorado; melhor estabilidade da rede em condições anormais; controle do fator de potência; boa relação custo-benefício (SCHULZ; BETZ, 2006).

O BDFRM oferece todas as vantagens do DFIG com benefícios adicionais: maior confiabilidade (operação sem escovas e projeto de rotor robusto); melhor desempenho térmico devido às menores perdas no rotor; custo de fabricação reduzido em comparação com uma máquina de rotor bobinado (SCHULZ; BETZ, 2006; STAUDT, 2015). Além disso, devido à semelhança entre os modelos elétricos do DFIG e do BDFRM, as estratégias de controle existentes para o DFIG podem ser aplicadas ao BDFRM (CHEN, 2014; SCHULZ; BETZ, 2006).

A Tabela 2 apresenta as principais vantagens e desvantagens dos geradores utilizados na geração de energia eólica. Serão mostrados os geradores citados nesta seção com a inclusão do gerador de indução duplamente alimentado sem escovas (BDFIM). Os quatro primeiros estão consolidados na produção de energia eólica e dois últimos estão em fase de amadurecimento técnico.

Tabela 2 - As vantagens e desvantagens das principais topologias de máquinas aplicadas na geração de energia eólica

Gerador [Topologia] Vantagens Desvantagens

Gerador de indução com gaiola de esquilo

(GIGE ou SCIG) [Velocidade fixa] • Simples de projetar, construir e controlar; • Operação robusta; • Baixo custo. • Baixa extração de potência; • Sem controle de

potência ativa e potência reativa;

• Estresse mecânico elevado;

• Perdas elevadas nas engrenagens.

Gerador síncrono com ímãs permanentes

(GSIP ou PMSG) [Velocidade variável com conversor total]

• Alto rendimento de extração de potência; • Alta capacidade de controle de potência ativa e reativa; • Ausência de escovas e anéis deslizantes; • Estresse mecânico reduzido; • Nenhuma perda no cobre do rotor.

• Custo elevado com material: ímã

permanente;

• Processo de construção complexo;

• Alto custo do CEP (conversor eletrônico de potência);

• Perdas elevadas no CEP.

Gerador síncrono com rotor bobinado (GSRB ou WRSG) [Velocidade variável com conversor total]

• Alta extração de potência; • Alta capacidade de controle de potência ativa e reativa; • Estresse mecânico reduzido.

• Custo elevado com o enrolamento de cobre; • Custo elevado do CEP; • Perdas elevadas no CEP. Gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) [Velocidade variável com conversor parcial]

• Alto rendimento de extração de potência; • Alta capacidade de

controle de potência ativa e reativa;

• Menor custo com o CEP; • Perdas reduzidas no CEP; • Estresse mecânico reduzido. • Presença de escovas e anéis deslizantes; • Perdas elevadas nas

engrenagens.

Gerador de indução duplamente alimentado

sem escovas

• Alta taxa de extração de potência;

• Ainda necessita de maturidade técnica;

(BDFIG) [Velocidade variável com conversor parcial]

• Alta capacidade de controle de potência ativa e reativa;

• Menor custo com o CEP; • Perdas reduzidas no CEP; • Estresse mecânico reduzido; • Ausência de escovas e anéis deslizantes. • Controle, projeto e montagem complexa; • Perdas elevadas nas

engrenagens. Gerador de relutância duplamente alimentado sem escovas (BDFRG) [Velocidade variável com conversor parcial]

• Alta taxa de extração de potência;

• Alta capacidade de controle de potência ativa e reativa;

• Menor custo com o CEP; • Perdas reduzidas no CEP; • Estresse mecânico reduzido; •Ausência de escovas e anéis deslizantes;

• Sem perdas no cobre do rotor; • Construção simplificada. • Estágio técnico em desenvolvimento; • Controle e projeto do rotor complexo; • Perdas elevadas nas

engrenagens.

Fonte: Adaptado de (BRAGA, 2015; KIM; LU, 2010).

Com base nas informações da Tabela 2 e nas características dos geradores citados nesta seção, a Tabela 3 apresenta um comparativo entre os geradores utilizados para sistemas de geração eólica.

Desta maneira, com base nas informações apresentadas nessa seção e na Tabela 2, a Tabela 3 apresenta a comparação dos principais geradores em sistemas

de geração eólica com relação à extração de energia, custo, confiabilidade, dificuldade para conexão a rede e maturidade técnica.

Tabela 3 - Comparativo entre os tipos de geradores em sistemas de geração eólica.

Gerador [Topologia] Extração de Energia (Potencia) Custo Confiabilidade Habilidade para conexão a rede Maturidade técnica

SCIG Baixa Baixo Alta Baixa Alta

PMSG Alta

Médio-Alto Alta Alta

Média-Alta

WRSG Média-Alta Alto Alta Alta Alta

DFIG Média-Alta Médio Média Média Alta

BDFIG Média-Alta Médio Média-Alta

Média-Alta Baixa BDFRG Média-Alta

Médio-Baixo Alta

Média-Alta Baixa Fonte: Adaptado de (BRAGA, 2015; KIM; LU, 2010).

Assim, para a extração de energia, o PMSG tem a classificação mais alta seguida pelos geradores de velocidade variável e o por último o de velocidade fixa (SCIG). A extração de energia do SCIG é entorno de 10% a 15% menor que o PMSG, devido à velocidade fixa (GRAUERS, 1996; KIM; LU, 2010). Entretanto, o SCIG apresenta o menor custo de fabricação e implementação, seguido pelo BDFRG. O WRSG apresenta o maior custo devido ao tamanho do rotor bobinado. É interessante observar que, com base na Tabela 3, o BDFRG alcança a melhor ‘relação de extração de energia pelo custo’, ultrapassando o PMSG e o SCIG (JOVANOVIC, 2009; KIM; LU, 2010).

Outro item comparado entre os geradores é a confiabilidade, que está relacionada ao escorregamento e à existência de escovas, sendo a principal desvantagem do DFIG. O BDFIG é classificado como ‘Médio-Alto’ devido à

complexidade do projeto e montagem (PINAR PÉREZ et al., 2013). Por outro lado, o BDFRG é classificado com alta confiabilidade, apesar de ser considerado um conceito tão novo quanto o BDFIG (KIM; LU, 2010). Esta confiabilidade do BDFRG é devido à sua característica ‘a prova de falhas’, relacionada ao rotor de relutância, que permite sua operação apesar de uma possível falha no conversor ou no enrolamento secundário (KIM; LU, 2010; SONG, 2017).

Quanto à habilidade para conexão à rede, os fatores de maiores impactos são o tamanho do conversor e a conexão pelos estatores. Os geradores de velocidade variável com conversor total apresentam alta capacidade de conexão à rede devido ao conversor de frequência em escala completa. O BDFRG e o BDFIG apresentam características melhoradas referentes à falha da rede e habilidade para conexão a rede (JOVANOVIC, 2009; KIM; LU, 2010; SHAO; ABDI; MCMAHON, 2009).

Por fim, quanto à maturidade técnica, o SCIG, WRSG e DFIG foram desenvolvidos por mais de 20 anos, seguidos pelo PMSG. O BDFIG e o BDFRG são conceitos recentes. Portanto, novas pesquisas são necessárias para a aplicação em larga escala em sistemas de energia eólica para o BDFIG e o BDFRG (KIM; LU, 2010).

Visto as principais vantagens dos tipos de geradores em sistemas de geração eólica, o BDFRG está alinhado com a tendência das topologias de ‘velocidade variável’, apresentando a melhor relação entre ‘Extração de energia (potência) e custo’, com a capacidade de continuar operando mesmo com falhas no enrolamento secundário ou no conversor. Desta maneira, no mercado offshore, o BDFRM é especialmente atraente devido à confiabilidade e aos custos de fabricação.

Assim as escolhas pelos estudos acerca do BDFRG são uma forma de contribuir para o amadurecimento dessa tecnologia, justificando assim a escolha dessa máquina para essa dissertação de mestrado.

Nessa seção foram discutidos os principais tipos de geradores e componentes utilizados atualmente em sistemas eólicos, e dois novos conceitos (BDFIG e BDFRG) que estão na fase de amadurecimento técnico. Na sequência é apresentada a revisão bibliográfica do BDFRM, os principais projetos de rotor do BDFRM e por fim os métodos de controle aplicados na topologia escolhida.

2.2 BRUSHLESS DOUBLY-FED RELUCTANCE MACHINE

O BDFRM pertence a um grupo que inclui a clássica máquina de indução em cascata, a máquina de indução duplamente alimentada (DFIM) e a máquina de indução duplamente alimentada sem escovas (BDFIM).

As melhorias nos projetos dos rotores de relutância resultaram em um crescente interesse no BDFRM. Há uma promessa de maior eficiência e de um controle mais simples em comparação com o BDFIM e, desta maneira, justifica-se uma investigação mais aprofundada do BDFRM (REBEIRO, 2018).

Umas das propriedades interessantes destas máquinas é a flexibilidade do modo operacional. Pode-se operar como uma máquina de indução convencional, curto-circuitando os terminais secundários, sendo isso uma medida preventiva em caso de falha ou sobrecarga do conversor (HASAN, 2014; JOVANOVIC et al., 2001).

2.2.1 Revisão bibliográfica do BDFRM

O conceito de máquinas duplamente alimentadas existe há mais de um século (ROBERTS, 2004), remontando originalmente à patente registrada pelos irmãos Siemens e o Sr. F. Lydall em 1902 (LYDALL, 1902). Dando sequências às pesquisas com máquinas em cascata, onde duas máquinas de indução trifásica de rotor bobinado compartilhavam o mesmo eixo de rotação, em 1907 Hunt percebeu que os anéis coletores eram desnecessários devido à conexão em cascata entre as máquinas ser feita pelo rotor (HUNT, 1907), e descreveu alguns refinamentos no seu projeto em 1914 (HUNT, 1914). Em 1920 Creedy projetou uma máquina com melhorias no rotor e estator (CREEDY, 1921), a qual possibilitou velocidades de rotação maiores que às anteriores (ROBERTS, 2004).

As publicações sobre esse tema só retornaram em 1966, com um trabalho de Smith que apresentou pela primeira vez o modelo de operação em estado estacionário (SMITH, 1966). No ano seguinte, Smith publicou um trabalho sobre o desempenho síncrono de sua máquina e observou que poderia estar usando um conversor de potência parcial no segundo enrolamento (Comportamento síncrono;

(SMITH, 1967). Esse foi um avanço significativo, sendo a primeira vez que o modo síncrono completo foi observado. Entretanto, esta topologia constituía-se de duas máquinas separadas no mesmo eixo de rotação, ou seja, máquinas em cascata (ROBERTS, 2004).

Em 1970 Broadway e Burbridge estudaram a máquina de Hunt e fizeram contribuições significativas para o projeto do rotor. Após estudos, propuseram um rotor similar ao rotor gaiola de esquilo, mas que não apresentava reatâncias de dispersão excessivas, como no caso do rotor bobinado (BROADWAY; BURBRIDGE, 1970). Com os trabalhos de Broadway, originaram-se os conceitos das versões do BDFIM e do BDFRM (BROADWAY, 1971; BROADWAY; COOK; NEAL, 1974). A máquina construída e testada em 1971 por Broadway teve seu desempenho relativamente abaixo ao do BDFIM devido ao rotor ser construído a partir de um rotor da máquina de indução, ocasionando baixas saliências no rotor proporcionadas pelo processo de usinagem utilizado, fator atrelado à redução do interesse pelo BDFRM até o início dos anos 90 (BETZ; JOVANOVIĆ, 2003).

Em 1978, Kusko e Somuah fizeram um estudo analítico e experimental de um motor de indução sem escova com estrutura única em cascata, em que apresentaram as análises de estado estacionário do desempenho síncrono e assíncrono (KUSKO; SOMUAH, 1978). Eles são considerados os primeiros a perceber a semelhança entre o circuito equivalente do BDFM e a máquina síncrona, apesar de que seu trabalho estava focado na recuperação da potência de escorregamento em vez da dupla alimentação (ROBERTS, 2004).

Na década de 80 ocorreram as contribuições no modo da operação em cascata de Shibata e Kohrin (SHIBATA; KOHRIN, 1983) e as contribuições de Shibata e Taka com estudos da máquina BDFM no modo síncrono duplamente alimentado (SHIBATA; TAKA, 1987). A sigla BDFM originou-se nos trabalhos publicados pelos pesquisadores da Universidade Estadual do Oregon (ROBERTS, 2004). Os pesquisadores Wallace, Spée e Lauw investigaram o desempenho do modelo de rotor desenvolvido na década anterior pelos pesquisadores Broadway e Burbridge (SPEE; WALLACE; LAUW, 1989; WALLACE; SPEE; LAUW, 1989).

Em 1990, Rochelle, Spée e Wallace investigaram as configurações propostas anteriormente com um único enrolamento no estator, o que permitia que os números de polos da máquina fossem alcançados sem a necessidade de