Direct Power Control for Switched Reluctance. Generator in Wind Energy

Abstract— This paper proposes a direct power control for switched reluctance generator for wind energy systems directly connected to electric system. The controllers process the power error directly and manipulate the turn-off angle of the converter in order to the generator power reach the reference. Simulations results are presented to validate the controller operation

Keywords— Switched Reluctance Generator, Wind Energy, Direct Power Control.

I. INTRODUÇÃO

CRESCENTE demanda de energia por parte dos países desenvolvidos e em desenvolvimento, a busca por alternativas energéticas ao uso dos combustíveis fósseis e a atenção dada às questões ambientais tornam importante o estudo de soluções de geração com o emprego de fontes alternativas e renováveis de energia elétrica [1].

Uma das principais formas de energias renováveis é a energia eólica que é a energia cinética contida nas massas de ar em movimento. Seu aproveitamento ocorre por meio da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas para a produção de eletricidade [1-2].

Nos sistemas de geração eólica as máquinas elétricas amplamente empregadas como gerador são as de indução e as síncronas [3]. Estes geradores podem operar com velocidade variável ou fixa em função da utilização ou não de conversores eletrônicos de potência, respectivamente, para o processamento da energia elétrica destes geradores. Uma máquina alternativa que pode ser utilizada em sistemas de geração eólica em micro redes ou sistemas isolados com cargas relativamente baixas é a máquina de relutância variável [2,24].

O Gerador de Relutância Variável (GRV) apresenta como principais características: robustez mecânica, alto torque de partida, alta eficiência e baixo custo [5, 6]. O GRV pode operar em velocidades variáveis e sua faixa de operação é mais ampla do que a dos geradores de indução e síncrono [5, 17]. Alguns trabalhos que estudam o comportamento do GRV em situações de velocidade variável são apresentados em [5, 8, 9].

Um diagrama esquemático de uma possibilidade de sistema de geração eólico conectada à rede elétrica utilizando o GRV é mostrado na Fig. 1. O sistema de geração é baseado no

T. A. S. Barros, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, São Paulo, Brasil, tarcio@dsce.fee.unicamp.br

E. Ruppert, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, São Paulo, Brasil, ruppert@.fee.unicamp.br

controle de dois conversores separadamente. O conversor conectado ao GRV regula a extração da máxima potência elétrica de acordo com o perfil eólico do sistema. O segundo conversor é um conversor fonte de tensão que está conectado à rede elétrica e regula a tensão do elo de corrente contínua (

dc

V

Figure 1. Estrutura de conversores em cascata para geração eólica utilizando o GRV.

Neste trabalho é apresentado um sistema de controle direto de potência (CDP) para o GRV conectado à rede elétrica. Diferentemente dos esquemas de controles do GRV encontrados na literatura na qual a potência do GRV é controlada indiretamente por meio de uma malha de corrente, o controle proposto atua diretamente sobre a potência gerada pelo GRV. O controle direto de potência é uma técnica bastante utilizada no controle de potências do estator do gerador de indução de rotor bobinado. O CDP é baseada nos princípios do controle direto de torque e surgiu como uma alternativa para o controladores de potências que empregam malhas de corrente do rotor [10, 11] . Inicialmente, o controle direto de potência foi aplicado em retificadores trifásicos com chaves controladas com emprego de técnicas pulse width

modulation PWM [12].

II. MÁQUINA DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL MRV A MRV, Fig. 1, possui bobinas de campo nas ranhuras e não possui bobinas ou imãs no seu rotor. O rotor é composto por material ferromagnético com saliências regulares. A ausência de enrolamentos e imãs permanentes no rotor do MRV proporciona a esta uma série de vantagens [6]: a) baixo custo de fabricação e de materiais, chegando a ser 60% do custo de produção de maquinas CC e CA equivalentes [23]; b) facilidade de manutenção e reparo devido aos enrolamentos se concentrarem no estator; c) ausência de condutores no rotor que ao mesmo tempo provoca uma redução da inercia.

O princípio de funcionamento do MRV baseia-se na variação da relutância do circuito magnético do rotor. A Fig. 2 mostra uma MRV 8/6 (número de polos do estator /número de polos do rotor). O enrolamento A-A’ é uma das fases da máquina. Na Fig. 3 observa-se o perfil da indutância do enrolamento da MRV. Se a saturação magnética for desprezada, então a indutância variará linearmente durante o

T. A. S. Barros and E. Ruppert

Direct Power Control for Switched Reluctance.

Generator in Wind Energy

alinhamento entre os polos do rotor e do estator [8]. A indutância será máxima quando o rotor e o estator estiverem completamente alinhados, e mínimos quando os polos estiverem completamente desalinhados. A operação como motor é obtida quando a fase é excitada durante crescimento da indutância. Para a operação como gerador, a máquina deve ser excitada durante o decrescimento da indutância. Assim, a mesma máquina pode ser usada como motor ou como gerador mediante a alteração do ângulo de disparo das chaves do seu conversor.

Figura 2. Vista frontal do motor a relutância chaveado.

Figura 3. Perfil da indutância da MRV, janela de condução das chaves e corrente para uma fase da MRV operando como gerador.

III. MODELAGEM SISTEMA EÓLICO A potência mecânica produzida por uma turbina eólica é dado por [14]:

= . . . . ( , ) (1) (1)

onde é a potência mecânica(W), é a área varrida pelas hélices da turbina ( ), é a densidade do ar, é a velocidade do vento, ( , ) é o coeficiente de potência, é a relação linear de velocidade( ), é ângulo de passo das hélices da turbina(graus), é a velocidade angular da turbina (rad/s), e é o raio das hélices.

Na Equação (1), verifica-se que a potência mecânica, gerada pela força do vento, depende diretamente do coeficiente de potência. Por sua vez, considerando o ângulo de passo das hélices fixo na posição zero, o coeficiente de potência depende, exclusivamente, da relação entre a velocidade do vento e a velocidade linear da ponta da hélice, portanto a potência mecânica, gerada por uma turbina eólica é de acordo com a sua velocidade de operação [14]. Traçando curvas de potência para diferentes velocidades do vento Fig. 3

nota-se que, para cada valor de velocidade do vento existe uma região, na qual a velocidade do rotor maximiza a potência mecânica gerada. Portanto, para velocidades do vento, abaixo da velocidade nominal, a operação com velocidade variável do rotor aumenta a eficiência na geração de energia. O perfil de otimização da eficiência da potência gerada para velocidades variáveis pode ser expresso por:

P

=

k w

Figura 4. Comparação entre a potência mecânica para operação com velocidade fixa e variável. [22].

IV. SISTEMAS DE CONTROLE DE POTÊNCIA DO GRV Na literatura foram encontrados artigos que abordam a conexão do GRV com a rede elétrica em sistemas de geração eólica com velocidade variável. Em [9] os autores utilizaram duas estratégias de controle de potência de saída para um GRV 8/6: ângulo de condução fixo com controle PWM e ângulo de acionamento variável. Os experimentos mostraram uma alta eficiência do sistema para uma ampla faixa de variação de velocidade. Entretanto, o controle utilizando PWM em situações de ampla faixa de velocidades é contestado em [15] por sua complexidade de hardware e pelo baixo rendimento em variações de velocidade. O conversor para acionar o GRV utilizado por [9] utiliza um conversor

buck para magnetizar as fases da máquina, aumentando a

complexidade do sistema proposto.

Em [5] foi desenvolvido um sistema de controle da potência gerada pelo GRV utilizando um controle por histerese. Observou-se um resultado satisfatório apenas para baixas velocidades de operação, e a proposta de controle não foi validada experimentalmente. Em [16] foi proposto um sistema de controle no qual a potência enviada para a rede é controlada diretamente pelo inversor conectado à rede. Observa-se que esta forma de controle possui resposta lenta e baixo desempenho para situações de grandes variações de velocidade.

Uma alternativa que é analisada em trabalhos existentes na literatura está relacionada ao desenvolvimento de controladores para conectar o GRV diretamente com a carga elétrica por meio do conversor do GRV. Em [17, 18] foram realizados controles utilizando um controlador fuzzy para manter constante a potência gerada por um GRV 6/4, acionado

por um conversor HB modificado, e observou-se que o controle manteve a potência desejada para uma dada faixa de velocidades, porém a eficiência do sistema diminuiu bruscamente com a queda de velocidade. Outros controles utilizando otimização do ângulo de chaveamento do GRV foram realizados em [19, 20], porém requerem alto poder de processamento e armazenamento de tabelas.

V. PROPOSTA DE SISTEMA DE CONTROLE DIRETO DE POTÊNCIA GERADA PELO GRV

Os esquemas de controles do GRV supracitados atuam no controle da potência indiretamente por meio de uma malha de corrente e através de modulação PWM, o controle aqui proposto atua diretamente sobre a potência gerada pelo GRV. Foi utilizado um controlador PI, que processa o erro entre a referência de potência e a potência gerada, para controlar a ângulo de magnetização das fases do GRV. O sistema de controle direto de potência proposto neste trabalho consiste basicamente no conversor responsável por acionar o GRV, o conversor para conectar o GRV à rede elétrica e o controle direto de potência do GRV.

V.I Conversor responsável por acionar o GRV

Existem diversos conversores de potência para o acionamento do GRV, porém a configuração mais utilizada é o conversor meia ponte assimétrica ou AHB (Asymmetric Half

Bridge) que está apresentado na Fig. 4. Para operação do

GRV, este conversor funciona em duas etapas básicas: excitação e geração. A etapa de excitação é realizada quando as duas chaves de cada fase do GRV são acionadas fazendo com que a fase seja submetida à tensão de excitação , que provoca a passagem de uma corrente crescente através da bobina desta fase. Na geração, as duas chaves da fase são desligadas e a corrente passa a circular pelos diodos até a carga. A cada período de excitação a tensão do barramento transfere energia para o campo magnético da fase correspondente. Quando as chaves são abertas (período de geração) essa energia flui para a carga ou para a rede elétrica em conjunto com a parcela resultante da conversão da energia mecânica em elétrica [19].

Figura 5. Conversor AHB.

V.II Controle direto de potência do GRV

O sistema de controle do GRV deve regular a potência gerada no ponto de máxima eficiência aerodinâmica, ou seja, = onde é a potência demandada na saída do GRV. O controle consiste em manter o ângulo de

acionamento das chaves do conversor HB em um valor fixo e, a partir do processamento do erro entre e a potência gerada atual , controlar o ângulo de desligamento das chaves do conversor . Este controle é baseado no princípio de quanto maior for a etapa de excitação do GRV maior será a potência gerada. O ângulo é obtido por meio do processamento do erro de potência ( ) por um controlador Proporcional Integral (PI) conforme (4). A expressão para o erro de potência é dada por:

= − (3) O ângulo é determinado por:

= + (4)

Onde é o ganho proporcional e é o ganho integral do controlador PI.

Figura 6. Diagrama de controle direto de potência do GRV.

V.III Conversor responsável por conexão com a rede elétrica O conversor fonte de tensão (Fig. 7) é responsável por regular a tensão próxima do valor de referência e enviar a potência gerada pelo GRV para a rede elétrica. A estratégia de controle aplicada ao conversor fonte de tensão consiste basicamente de duas malhas de controle. Como pode ser observado na Fig. 8, existe uma malha interna de controle cujo objetivo é controlar a corrente enviada para a rede elétrica, e externamente há uma malha de controle da tensão do barramento. A malha de corrente é responsável por controlar o fator de potência da potência enviada para a rede elétrica, dessa maneira uma boa resposta dinâmica é uma propriedade importante para este controle de corrente [21]. O controle da tensão do elo de corrente contínua é responsável por balancear o fluxo de potência, neste caso enviar a potência gerada pelo GRV para a rede [22].

O controle da tensão do elo de corrente continua do inversor fonte de tensão é realizado no sistema de coordenadas síncrono ( ) obtido utilizando a transformação para (9) sobre as correntes e as tensões da rede elétrica com o emprego da posição espacial do vetor espacial da tensão da rede. Esta transformação torna contínuos os valores das variáveis de controle, desta forma a filtragem e o controle da corrente são facilitados [23]. O ângulo da tensão da rede elétrica ( = ) utilizado na transformação para é o obtido utilizando um sistema phase-locked loop (PLL). O controle de ( ) ,realizado por um controlador PI, o qual provém o valor de referência ∗ _{(5), enquanto que o valor de}

∗ _{é obtido a partir do fator de potência desejado e da}

(6). Os valores de referência de corrente ∗ _e ∗ _são

comparados com os valores obtidos da rede elétrica ( e ) e são processados por dois controladores PI que geram o valor do vetor espacial tensão da rede elétrica (7) e (8) no sistema de coordenadas síncrono. Este vetor espacial é transformado para o sistema de coordenadas (10) gerando os sinais de tensão que então são gerados utilizando a modulação PWM senoidal.

Figura 8. Diagrama de blocos do controle vetorial do conversor conectado à rede elétrica. ∗ _{= (} ∗ _{− ) + (} ∗ _{− ) (5)} ∗ _{= (6)} = ( ∗ _{− ) + (} ∗ _{− ) (7)} = (∗ _{− ) + (} ∗ _{− ) (8)} = ₋ 1 − − 0 √ −√ (9)

VI. RESULTADOS DA SIMULAÇÃO

O sistema de controle de potência proposto para o GRV conectado à rede elétrica foi simulado com a utilização do aplicativo Simulink do software Matlab. Simulou-se um perfil de potência (Fig. 9) a ser gerado pelo GRV com velocidade variável de operação (Fig. 11) e observou-se que a referência de potência ativa foi atendida pelo sistema de controle direto de potência proposto. Na Fig. 10 observa-se o perfil para o fator de potência da energia enviada para a rede elétrica.

Figura 9. Potência gerada pelo GRV e a referência de potência.

Figura 10. Fator de potência da energia enviada para a rede elétrica.

Figura 11. Velocidade de operação do GRV.

A Fig. 12 mostra as correntes das fases do GRV, na qual é possível observar a variação das amplitudes das correntes , fato que é justificado devido à uma alteração no ângulo . Conforme pode ser observado na Fig. 5, para evitar que as correntes nas fases do GRV ultrapassem o valor

máximo( ), foi utilizado um limitador de corrente que desliga as fases caso as correntes ultrapassem . A tensão nas fases foi regulada para ser de 280 V e este deve ser o valor da tensão do elo de corrente contínua que será controlada pelo VSC.

Figura 12. Correntes das fases do GRV.

As Figs. 13 e 14 apresentam a tensão V_dc e a tensão e a corrente da fase a durante a operação do GRV e possibilitam observar o desempenho do controle realizado sobre o conversor conectado à rede. Na Fig. 13 observa-se que a tensão V_dc foi controlada pois a referência foi atendida. A Fig. 14 observa-se a tensão e a corrente da fase da rede elétrica. A THD (Total Harmonic Distortion) da corrente enviada para a rede elétrica analisada pela FFT (Fast Fourier

Transform)(Fig. 15) foi de 1.57%.

Figura 13. Tensão controlada pelo VSC.

Figura 14. Tensão e corrente da fase da rede na conexão do VSC com a rede.

Figura 15. THD e componentes harmônicas da corrente da fase a. VII. CONCLUSÃO

Neste artigo foi apresentada uma proposta de controle direto de potência para um gerador de relutância variável. Os resultados da simulação confirmam a eficácia do controlador de potência durante condições de funcionamento do gerador em velocidade variável e com diferentes valores de referência de potência ativa e de fator de potência. Assim, a estratégia de controle direto de potência é uma ferramenta interessante para controle da potência do gerador de relutância variável alimentados em turbinas eólicas.

AGRADECIMENTOS

Esse trabalho contou com os apoios financeiros da FAPESP (processos 2012/04872-0 e 2012/08911-0).

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Tárcio André dos Santos Barros , nascido em 1987 em

Petrolina-PE é engenheiro eletricista (2010) pela Universidade Federal do Vale do São Francisco, mestre (2012) em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas. Atualmente é doutorando em Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Campinas UNICAMP. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em eletrônica industrial, sistemas de controles eletrônicos, instrumentação eletrônica e Física de materiais e nanotecnologia. É Membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP) e do IEEE.

Ernesto Ruppert Filho, Graduou-se em engenharia elétrica

em 1971, obteve o mestrado em 1974, e doutorado também engenharia elétrica pela FEEC/UNICAMP em 1983, realizou pós doutorado na GE Canadá na área de projeto de geradores síncronos e de sistemas de excitação estática de geradores síncronos nos anos de 1987 e 1988 . É Professor Titular da FEEC/UNICAMP desde 2000. Atua nas seguintes áreas de pesquisa: Dinâmica de Sistemas de Energia Elétrica, Limitadores de Corrente Elétrica Supercondutores, Distribuição de Energia Elétrica, Máquinas Elétricas, Eletrônica de Potência, Acionamentos Elétricos com Velocidade Variável, Energias Renováveis, Geração distribuída, Qualidade de energia e Eficiência Energética. É Membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, SOBRAEP.