CAMPUS FLORIANÓPOLIS
Sabine Vieira Reinert Frello
ESTUDO DO CONVERSOR BOOST APLICADO AO
PROCESSAMENTO DA ENERGIA DE UM GERADOR
EÓLICO DE PEQUENO PORTE
FLORIANÓPOLIS
2020
Sabine Vieira Reinert Frello
Estudo do Conversor Boost Aplicado ao Processamento da Energia de um Gerador Eólico de Pequeno Porte - Florianópolis, 2020 - 124 p., 30 cm. Orientador: Prof. Dr. Telles Brunelli Lazzarin
Coorientador: Eng. Anderson José Balbino
1. Energia Eólica. 2. Aerogerador de Pequeno Porte. 3. Conversor Boost. I. Universidade Federal de Santa Catarina. Engenharia Elétrica. II. Estudo do Conversor Boost Aplicado ao Processamento da Energia de um Gerador Eólico de Pequeno Porte.
Estudo do Conversor Boost Aplicado ao
Processamento da Energia de um Gerador Eólico de
Pequeno Porte
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universi-dade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Telles Brunelli Lazzarin Coorientador: Eng. Anderson José Balbino
Universidade Federal de Santa Catarina Trindade, Florianópolis
Departamento de Engenharia Elétrica
Florianópolis
2020
Agradeço primeiramente a Deus, que abençoa minha vida todos os dias, me con-cedendo sempre novas oportunidades de aprender e conviver com as pessoas que amo.
Agradeço com imensa honra à minha mãe, Jucilene, e à minha avó, Oceli, por seu amor e suporte incondicionais em todos os âmbitos da minha vida, e por acreditarem nos meus sonhos e batalharem comigo para concretizá-los. Sua resiliência, compaixão e garra me motivam a ir além de qualquer crença limitadora e me inspiram a dar o melhor de mim em tudo o que faço.
Ao meu paixão, Pedro, com quem compartilhava apenas cálculos no início da graduação e até hoje tenho o prazer de compartilhar cálculos e sonhos para uma vida inteira, agradeço por todo o amor, compreensão, diversão e parceria ao longo do caminho. Agradeço ao Prof. Dr. Telles Brunelli Lazzarin e ao Eng. Anderson José Bal-bino, cuja orientação foi primordial para a realização deste trabalho, pela oportunidade a mim proporcionada de conhecer mais sobre a área da eletrônica de potência e suas singularidades.
Aos colegas do INEP, em especial ao Prof. Dr. Marcelo Lobo, Prof. Dr. Ro-berto Coelho, Thiago Rech, Marcos Ewerling, Jean dos Santos, Leandro Fisch e Sr. Dr. Antonio Luiz Schalata Pacheco, agradeço pela colaboração e por todo o conhecimento compartilhado.
Ao Prof. Dr. Renato Lucas Pacheco, agradeço pelos anos de orientação, empatia, apoio e amizade.
Aos amigos que a graduação trouxe, Pedro Antônio, Tiago Mayer, Alberto Borges, Débora, Apolo, Romane e outros, um agradecimento especial pelas gargalhadas, pela parceria nas noites sem dormir e com muitos estudos e pelas lições aprendidas.
E aos amigos que a vida trouxe e a graduação permitiu que continuassem ao meu lado, Enya, Vítor, Susana, Karine, Nicolas e Lara, agradeço por sua lealdade, apesar da minha ausência em muitos momentos importantes de suas vidas.
Por fim, dedico um agradecimento especial à Betina, aos meus sogros, Dona Ane e Seu Paulo, e também aos que não fazem parte da minha rotina, mas cuja contribuição foi preponderante para o sucesso da minha trajetória até o presente momento.
(Vó Oceli)
“Gotta have opposites, light and dark and dark and light, in painting. It’s like in life. Gotta have a little sadness once in awhile so you know when the good times come.”
O aumento da demanda energética mundial, junto à preocupação com questões ambientais no século XXI, tem impulsionado pesquisas relacionadas a energias renová-veis, com o intuito de tornar seu uso mais consciente e eficiente. No cenário brasileiro atual, a energia eólica é destaque, recebendo investimentos progressivos em pesquisas e projetos, que buscam aproveitar o máximo potencial de produção desta energia renová-vel. Mais especificamente, os geradores eólicos de pequeno porte têm se mostrado soluções promissoras no que concerne a geração de energia elétrica distribuída e abastecimento de sistemas isolados. Dentro desse contexto, este documento busca explorar o funcionamento de um sistema eólico, através da análise do comportamento de um conversor CC-CC
Bo-ost empregado na extração da máxima potência de um aerogerador de pequeno porte.
Primeiramente, é feita uma revisão teórica, mostrando o funcionamento do sistema eólico de pequeno porte e seus componentes: o gerador, a ponte retificadora e o conversor. Em seguida, são apresentados métodos para extração da máxima potência do sistema, bem como a descrição detalhada do conversor projetado.
Palavras-Chave: 1. Energia Eólica. 2. Aerogerador de Pequeno Porte. 3.
The increase in world energy demand, alongside the concern with environmental issues in the 21st century, has boosted research related to renewable energies, with the intent of making their use more conscious and efficient. In the current Brazilian scenario, wind energy is at the spotlight, receiving progressive investments in research and projects, which seek to take advantage of the maximum potential of this renewable energy. More specifically, small wind generators have shown promising results in terms of distributed power generation and supply for isolated systems. Within this context, this document seeks to explore the operation of a wind system, through the design of a CC-CC Boost converter employed in the extraction of maximum power from a small wind turbine. First, a theoretical review is made, featuring the operation of the small wind system and its components: the generator, the rectifier bridge and the converter. Then, methods for extraction of the maximum power of the system are presented, as well as the detailed description of the designed converter.
Figura 1 – Potência instalada (%) dos empreendimentos com construção prevista
para as principais fontes energéticas da matriz brasileira. . . 21
Figura 2 – Potência instalada acumulada em Gigawatts dos países com maiores investimentos em energia eólica no mundo. . . 22
Figura 3 – Comportamento das massas de ar no globo terrestre. . . 24
Figura 4 – Panorama do Potencial Eólico no Brasil. . . 25
Figura 5 – Antigos moinhos de vento em Kinderdijk, Holanda. . . 26
Figura 6 – Turbina eólica projetada por Charles Francis Brush, em 1888, que ge-rava até 12 KW de potência. . . 27
Figura 7 – Representação de sistema isolado. . . 29
Figura 8 – Exemplo de sistema híbrido. . . 30
Figura 9 – Representação de sistema conectado à rede. . . 31
Figura 10 – Complexo Eólico de Osório, parque eólico on-shore no Rio Grande do Sul. . . 31
Figura 11 – Parque Eólico de Walney, no Mar da Irlanda, o maior parque eólico off-shore em operação no mundo atualmente. . . . 32
Figura 12 – Constituição de um sistema eólico. . . 34
Figura 13 – Modelos de turbinas eólicas. Da esquerda para a direita: Turbina de eixo horizontal, turbinas de eixo vertical com rotor de modelo Savo-nius, modelo Darrieus com formato H e modelo Darrieus com formato helicoidal. . . 35
Figura 14 – Modelos de turbinas upwind e downwind. . . . 36
Figura 15 – Curva da potência mecânica gerada em relação à velocidade do vento. . 37
Figura 16 – Efeitos dos controles por Stall e Pitch. . . . 37
Figura 17 – Exemplo de máquina síncrona de ímãs permanentes e seu rotor. . . 38
Figura 18 – Estrutura do 2L-VSC. . . 40
Figura 19 – Exemplo de sistema com Ponte de Graetz, ou ponte retificadora a diodos. 40 Figura 20 – Curva do coeficiente de potência com foco no seu ponto máximo. . . . 42
Figura 21 – Exemplo de sistema com MPPT baseado em λopt. . . 45
Figura 22 – Exemplo de sistema com MPPT baseado em incremento. . . 46
Figura 23 – Turbina Gerar 246, modelo base para o projeto do conversor Boost. . . 47
Figura 24 – Sistema completo projetado. . . 47
Figura 25 – Estrutura do conversor Boost. . . . 48
Figura 26 – Primeira etapa de operação do conversor Boost (0 < t ≤ tc). . . 49
Figura 29 – Modelo de grandes sinais do circuito do conversor. . . 53 Figura 30 – Formas de onda resultantes da modulação PWM. . . 54 Figura 31 – Realimentação do circuito de comando a partir de um sinal de erro. . . 55 Figura 32 – Modelo de pequenos sinais do circuito do conversor. . . 56 Figura 33 – Curvas da potência elétrica gerada em função da tensão de saída da
ponte retificadora. . . 59 Figura 34 – Curva característica do coeficiente de potência Cp em função de λ. . . . 61
Figura 35 – Curvas de potência mecânica do sistema para ventos com velocidades de 6 m/s a 12 m/s e diferentes velocidades de rotação ω. . . . 62 Figura 36 – Curvas de torque mecânico da turbina para ventos com velocidades de
6 m/s a 12 m/s e diferentes velocidades de rotação ω. . . . 63 Figura 37 – Diagrama de blocos da turbina eólica no PSIM R
. . . 64 Figura 38 – Circuito elétrico equivalente monofásico da máquina síncrona de ímãs
permanentes. . . 64 Figura 39 – Modelo de simulação do gerador síncrono de ímãs permanentes no
soft-ware PSIM R
. . . 66 Figura 40 – Curvas de potência mecânica no eixo P (ω, v) e potência elétrica na
ponte retificadora Pcc(ω, Vcc). . . 67
Figura 41 – Curvas de potência mecânica no eixo P (ω, v) e potência elétrica na ponte retificadora Pcc(ω, Vcc). . . 68
Figura 42 – Curvas de torque mecânico no eixo T (ω, v) e torque elétrico na ponte retificadora Tcc(ω, Vcc). . . 69
Figura 43 – Modelo de simulação da ponte de Graetz no software PSIM R
. . . 69 Figura 44 – Modelo de simulação do conversor Boost utilizado em controle MA e
MF da tensão Vo. . . 71
Figura 45 – Modelo de simulação do conversor Boost utilizado em controle MF da tensão Vcc. . . 72
Figura 46 – Modelo de simulação do controle em malha aberta do conversor Boost. 72 Figura 47 – Modelo de simulação das funções de transferência do conversor Boost. . 73 Figura 48 – Modelo de simulação do controle em malha fechada do conversor Boost. 74 Figura 49 – Layout da placa de potência concebido no software Altium Designer. . 76 Figura 50 – Protótipo do conversor Boost. . . . 77 Figura 51 – Placa LaunchPad XL modelo TM320F283775 sobre a placa de
condi-cionamento de sinal. . . 78 Figura 52 – Placa de condicionamento de sinal desenvolvida no INEP pelo Eng.
Anderson José Balbino. . . 78 Figura 53 – Gráficos das tensões no interruptor e diodo, e da corrente no indutor
Figura 55 – Gráficos com o efeito do degrau de tensão na saída no controle da tensão de entrada do conversor Boost. . . . 80 Figura 56 – Comportamento transitório da potência, tensão e corrente no sistema
eólico-elétrico para Vcc = 60 V , Vo = 150 V e velocidade de vento
nominal de 12 m/s. . . . 81 Figura 57 – Comportamento do MPPT para diferentes velocidades de vento. . . 82 Figura 58 – Resultados experimentais do comportamento do conversor Boost para
Tabela 1 – Especificações da turbina Gerar 246. . . 61 Tabela 2 – Coeficientes característicos da função Cp(λ, β). . . . 61
Tabela 3 – Especificações do gerador síncrono de ímãs permanentes de fluxo axial. 65 Tabela 4 – Especificações da ponte retificadora. . . 70 Tabela 5 – Especificações do conversor Boost. . . . 70 Tabela 6 – Componentes do conversor Boost. . . . 71 Tabela 7 – Parâmetros de simulação para controle do conversor Boost em malha
aberta. . . 73 Tabela 8 – Parâmetros de simulação do controlador Cvi(jω). . . . 74
Tabela 9 – Comparação dos valores teóricos e simulados dos parâmetros do con-versor Boost. . . . 81 Tabela 10 – Dados do ponto de operação em máxima potência para o sistema eólico
proposto para um perfil de vento de velocidade 12 m/s. . . . 82 Tabela 11 – Valores de tensão e corrente médios obtidos no experimento prático
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
DSP Digital Signal Processor
GW Gigawatt
IEC Comissão Eletrotécnica Internacional
kW Kilowatt
MA Malha Aberta
MF Malha Fechada
MPPT Maximum Power Point Tracking
PI Controlador Proporcional Integral
PMSG Permanent Magnet Synchronous Machine
PSIM Power Electronics Simulation Software
PWM Pulse Width Modulation
SIN Sistema Elétrico Nacional
TSR Tip Speed Ratio
A Área
a Fator de escala
β Ângulo de passo da turbina
C1 Capacitor 1
Cp Coeficiente de potência
Cpmax Coeficiente de potência máximo
D Razão cíclica d Distância percorrida ∆ Variação D1 Diodo 1 dv Derivada de velocidade EC Energia cinética
G Ganho estático do conversor
Iin Corrente de entrada
Imax Corrente máxima
Imin Corrente mínima
Io Corrente de saída
Is Corrente na chave
k Fator de forma
Lin Indutor de entrada
λ Velocidade tangencial
λopt Velocidade tangencial ótima
m Massa em quilogramas
m2 Metros quadrados
P Potência
Pin Tensão de saída
Po Tensão de saída
π Letra grega minúscula pi
R Raio da turbina
ρ Densidade do ar
Ro Resistor de saída
S Chave
s Variável da Transformada de Laplace
t Tempo
Tmec Torque mecânico
Ts Período de comutação
V Volts
v Velocidade atual do vento
Vc Tensão nos terminais do capacitor
VD Tensão nos terminais do diodo
vi Velocidade inicial do vento
Vin Tensão de entrada
VL Tensão nos terminais do indutor
vmed Velocidade média do vento
Vo Tensão de saída
Vs Tensão na chave
Win Energia na entrada do circuito
Wo Energia na saída do circuito
ω Velocidade angular
ωr_ref Velocidade de rotação de referência
hxi, ˆx Valor médio quase instantâneo da variável x
1 INTRODUÇÃO . . . . 21
1.1 Objetivos . . . . 23
1.2 Estrutura do Trabalho . . . . 23
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . 24
2.1 Introdução aos Sistemas Eólicos . . . . 24
2.1.1 O Vento . . . . 24
2.1.2 Cenário Histórico . . . . 26
2.1.3 Desafios para a Eletrônica de Potência . . . 28
2.2 Aplicações dos Sistemas Eólicos . . . . 28
2.2.1 Sistemas Isolados . . . . 29
2.2.2 Sistemas Híbridos . . . . 30
2.2.3 Sistemas Conectados à Rede Elétrica . . . 30
2.3 Sistemas Eólicos de Pequeno Porte . . . . 33
2.3.1 Composição do Sistema Aerodinâmico . . . . 33
2.3.2 Turbinas Eólicas . . . . 35
2.3.3 Geradores . . . . 38
2.3.3.1 Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes . . . 38
2.3.4 Ponte Retificadora . . . . 39
2.4 Funcionamento dos Sistemas Eólicos . . . . 41
2.4.1 Vento: Variável Aleatória e Estocástica . . . . 43
2.5 Rastreamento do Ponto de Máxima Potência . . . 44
2.5.1 MPPT baseado em TSR ótimo (λopt) . . . . 45
2.5.2 MPPT baseado em incremento . . . . 45
2.6 Proposta de Projeto . . . . 46
3 ANÁLISE DO CONVERSOR CC-CC BOOST . . . . 48
3.0.1 Análise Estática do Conversor Boost para Aplicação em um Aerogerador Eólico de Pequeno Porte . . . . 49
3.0.1.1 Acionamento do Interruptor por Modulação PWM . . . 53
3.0.2 Análise Dinâmica do Conversor Boost para Aplicação em um Aerogerador Eólico de Pequeno Porte . . . . 55
3.0.3 Conversor Boost Aplicado ao Rastreamento do Ponto de
4.1 Análise da Turbina Eólica . . . . 60
4.2 Análise do Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes . . . 64
4.3 Análise da Potência e Torque na Ponte Retificadora . . . . 66
4.4 Projeto do Conversor Boost . . . . 70
4.4.1 Operação em Malha Aberta . . . . 72
4.4.2 Operação em Malha Fechada . . . . 73
4.5 Implementação Prática do Conversor Boost . . . . 74
4.5.1 Construção do Conversor Boost . . . . 75
4.5.1.1 Circuitos Auxiliares . . . 77
5 RESULTADOS . . . . 79
5.1 Resultados de Simulação . . . . 79
5.1.1 Conversor Boost Ideal . . . . 79
5.1.2 Sistema Eólico Completo . . . . 81
5.2 Resultados Experimentais . . . 83
6 CONCLUSÕES . . . . 86
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . 87
7 APÊNDICES . . . . 89
7.1 Planilha de Cálculo da Turbina Eólica . . . . 90
7.2 Planilha de Dimensionamento do Conversor Boost . . . . 96
7.3 Planilha de Projeto dos Controladores . . . . 110
7.4 Diagrama do Sistema Completo . . . . 118
7.5 Esquemático da Placa do Conversor Boost . . . . 119
7.6 Esquemático da Placa de Condicionamento de Sinal . . . . 120
1 Introdução
A matriz elétrica brasileira é composta majoritariamente por usinas hidrelétricas, mas sua matriz energética ainda é bastante dependente dos combustíveis fósseis (ENER-GÉTICA, 2018). Visando um consumo energético mais sustentável, ao mesmo tempo que atendendo à crescente demanda nacional, desde o início do século XXI o Brasil tem feito investimentos cada vez maiores nas pesquisas relacionadas a energias renováveis e em como aproveitar melhor o potencial energético de seu território.
A energia eólica tem destaque nesse cenário como energia renovável com maiores investimentos, depois da energia fóssil, e com previsão de atingir a capacidade instalada de 21,6 GW dentro dos próximos cinco anos, conforme indicam os dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2019). Para ilustrar essa tendência, a Figura 1 mostra que 27% da potência instalada prevista para as plantas de geração a serem construídas são provenientes da energia eólica.
Figura 1 – Potência instalada (%) dos empreendimentos com construção pre-vista para as principais fontes energéticas da matriz brasileira.
Fonte: ANEEL (2019).
No cenário mundial, com investimentos crescentes, outros países encontram-se à frente do Brasil na capacidade instalada e em gigawatts gerados pela energia eólica. Mui-tos deles não dispõem do mesmo potencial hídrico, ou não apresentam grandes reservas minerais em seus territórios para empregar na geração de energia e, por isso, investem há mais tempo que o Brasil em fontes de energia alternativas aos combustíveis fósseis (COUNCIL, 2018).
Na Figura 2 é apresentado um gráfico com dados coletados pelo Our World in Data (2018), que mostra o aumento na implementação de plantas eólicas em diferentes países ao longo de duas décadas. No hanking de países com maior capacidade de produção de
energia eólica instalada, indicado na mesma figura, é possível ver que o Brasil ocupa a oitava posição.
Figura 2 – Potência instalada acumulada em Gigawatts dos países com maiores investimentos em energia eólica no mundo.
Fonte: Our World in Data (2018).
No entanto, mesmo que a energia eólica seja bem vista por seus investidores, por ser uma energia mais sustentável que a proveniente dos combustíveis fósseis, os sistemas eólicos apresentam desafios tanto para o meio ambiente quanto para o sistema elétrico (DIAS; BOROTNI; HADDAD, 2012).
Como a geração de energia elétrica por uma planta eólica é variável dentro de um determinado período de tempo, não podendo ser controlada como em uma usina hidrelétrica com reservatório de água, o desafio da interligação e regulação do sistema elétrico torna-se um tema relevante de estudo em diversas áreas da engenharia.
Dentro do escopo da engenharia elétrica há uma preocupação em limitar a um nível máximo a participação das fontes de energia intermitentes no sistema elétrico e em popularizar o emprego de sistemas de armazenamento (por exemplo, de baterias) como estágios intermediários no processamento da sua energia.
Na área da eletrônica de potência, busca-se aprimorar os componentes e métodos que compõem as etapas de processamento de energia dentro das plantas eólicas. Para isso, são feitos estudos sobre as diversas formas de se extrair a máxima potência do sistema e sobre o emprego de diferentes topologias de conversores de potência.
Nesse contexto, considerando as ferramentas de que a engenharia elétrica dispõe, o interesse do mercado em soluções para geração de energia distribuída de forma rentável e sustentável concede oportunidades para muitas pesquisas científicas sobre sistemas eólicos de pequeno porte.
Dentre esses, esta monografia apresenta uma revisão da literatura sobre sistemas eólicos e a validação de conceitos relacionados a este tema aplicados a sistemas de pequeno
porte, através de simulações e de um projeto prático.
1.1
Objetivos
O presente trabalho tem como objetivo uma revisão acerca da aplicação da topo-logia do conversor CC-CC Boost ao rastreamento da máxima potência de um aerogerador de pequeno porte. Logo, os objetivos específicos do trabalho estão diretamente ligados à análise de sistemas eólicos de pequeno porte e do conversor Boost, e são listados como segue:
a) Estudar o processamento de energia em aerogeradores de pequeno porte;
b) Equacionar as etapas de funcionamento e funções de transferência do conversor;
c) Validar o comportamento do conversor em malha aberta e fechada via software de simulação;
d) Obter e analisar o circuito equivalente do sistema eólico completo via simulação;
e) Construir do protótipo do conversor;
f) Validar o funcionamento do conversor em malha aberta considerando diferentes tensões de entrada a partir de diferentes perfis de vento;
g) Integrar os componentes do sistema eólico real;
h) Analisar os resultados;
1.2
Estrutura do Trabalho
Para proporcionar uma melhor compreensão sobre a constituição de um sistema eólico, no Capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica que contempla os fenômenos por trás do funcionamento de um aerogerador, as principais topologias de conversores utilizados e métodos de rastreamento de máxima potência empregados para processar a energia de um aerogerador de pequeno porte.
No Capítulo 3, é mostrado com mais detalhes o funcionamento do conversor CC-CC Boost e o controle da tensão na entrada do conversor para extração da máxima potência elétrica do sistema. Então, no Capítulo 4 são apresentadas a metodologia de projeto e os resultados de simulação e práticos acerca do comportamento do conversor
Boost, que validam as análises feitas no Capítulo anterior.
Por fim, nos anexos encontram-se as planilhas de cálculo, bem como o esquemático completo do protótipo montado e o código do MPPT implementado.
2 Revisão Bibliográfica
2.1
Introdução aos Sistemas Eólicos
2.1.1
O Vento
Vento é o nome dado ao fenômeno por trás do funcionamento dos sistemas eólicos, e se dá de acordo com o deslocamento de massas de ar na superfície do globo terrestre (CRESESB, 2001). Esse deslocamento ocorre devido ao aquecimento desigual do planeta pelo sol, que torna a densidade do ar diferente para cada latitude. Assim, nas latitudes com maior incidência solar encontram-se massas de ar com menor densidade, que tendem a se distanciar da superfície, abrindo espaço para massas de ar mais densas provenientes do polos (FERREIRA; MELLO, 2005).
Esse movimento de convecção, ilustrado pela Figura 3, é mais intenso onde se encontram as massas de ar com menor densidade, ou seja, na latitude zero, ou Linha do Equador. Nela, a incidência de sol é maior ao longo de todo o ano e, por isso, os ventos ocorrem com maior regularidade (MENDONÇA; DANNI-OLIVEIRA, 2007).
Figura 3 – Comportamento das massas de ar no globo terrestre.
Fonte: CRESESB (2001).
Em geral, os ventos possuem nomes diferentes, dependendo das direções em que sopram e de sua periodicidade. Aos ventos frequentes na Linha do Equador é dado o nome de alísios, e são de grande relevância para o potencial eólico do Brasil. No entanto, o vento em cada região do globo não depende só da densidade das massas de ar, mas do tipo de terreno, da altitude e da presença de obstáculos (SILVA et al., 2017).
Mapas como o da Figura 4, aliados a análises de parâmetros particulares de cada localidade, permitem avaliar o perfil de vento, a viabilidade e a rentabilidade da implemen-tação de plantas eólicas nas diferentes regiões do país. Por isso, estudos e monitoramento contínuos acerca da geografia do país são de grande relevância para a exploração do seu potencial energético em tempos de inovação e busca por sustentabilidade (ANEEL, 2003).
Figura 4 – Panorama do Potencial Eólico no Brasil.
2.1.2
Cenário Histórico
Desde os primórdios da civilização, a observação do mundo ao seu redor levou o ser humano a explorar as forças da natureza a seu favor, em especial as forças provenientes do sol, da água e do vento. Em muitas culturas antigas, a percepção dos benefícios dessas forças levou os povos a personificá-las e divinizá-las, atribuindo-lhes nomes e honras, como na mitologia grega, na qual é atribuído o nome Éolo ao Deus dos ventos. Do termo grego se originou a expressão em latim aeolicus, reconhecido na língua portuguesa como "eólico"(CRESESB, 2001).
Estima-se que os primeiros vestígios da utilização da energia do vento datem de 4000 a.C., sendo eles restos de barco a vela encontrados em túmulos sumerianos. Entre-tanto, somente por volta de 1000 a.C. o povo fenício passou a implementar o barco movido à força do vento nas suas navegações comerciais (TIBOLA, 2009). Em seguida, os bar-cos à vela se desenvolveram e tomaram conta dos mares durante as grandes navegações exploratórias que duraram até o século XIX.
A aplicação da energia do vento no funcionamento de máquinas para moagem de grãos e bombeamento de água se deu posteriormente, com primeiros registros datados do século XIV, na Holanda, a exemplo da Figura 5.
Figura 5 – Antigos moinhos de vento em Kinderdijk, Holanda.
Fonte: Netherlands Bureau for Tourism and Congresses (2019).
Muitas outras aplicações surgiram na Europa, como a imprensa (fabricação de jornais) e a extração de óleos vegetais, até que a popularização das máquinas a vapor no século XIX colocou as máquinas movidas à energia eólica em desuso (CRESESB, 2001).
A difusão do uso das máquinas eólicas nos Estados Unidos se deu entre os sécu-los XIV e XIX, apresentando um significativo aumento na produção devido ao fim da
escravidão, em 1863. A substituição da mão de obra humana por cataventos multipá para bombeamento de água logo gerou o barateamento do mecanismo, facilitando sua difusão e tornando possível o povoamento de regiões com clima mais árido, no oeste do país (FAVERA et al., 2012).
Apenas algumas décadas mais tarde, Estados Unidos e Europa passaram a im-plementar sistemas que integravam o catavento multipás com baterias, como forma de prover energia para regiões isoladas (HARDY, 2010). Um dos pioneiros na aplicação foi o inventor norte-americano Charles Francis Brush, que, em 1888, produziu energia elétrica a partir de um gerador movido a energia eólica para abastecer sua casa e laboratório (RIGHTER, 1996). O sistema desenvolvido por Brush é ilustrado pela Figura 6.
Figura 6 – Turbina eólica projetada por Charles Francis Brush, em 1888, que gerava até 12 KW de potência.
Fonte: Righter (1996).
A partir da expansão das redes de eletrificação, nos anos de 1950, os sistemas eólicos começaram a ser vistos como fontes de energia suplementares à rede elétrica tra-dicional. Mas somente diante da crise do petróleo, em 1973, esses sistemas passaram a receber incentivos significativos em pesquisa e desenvolvimento industrial, com a intenção de reduzir a dependência das fontes energéticas finitas e evitar a hegemonia de outras nações (SIMAS; PACCA, 2013).
Dessa forma, com um maior estímulo ao mercado em países como Dinamarca, Estados Unidos e Alemanha, foi possível perceber uma significativa contribuição para o sistema elétrico a partir dos anos de 1990.
Mas, apesar do acesso tardio do Brasil a essas tecnologias, com a importação dos cataventos multipá norte-americanos a partir da década de 1960, o crescente incentivo ao desenvolvimento de projetos de sistemas eólicos ao longos das últimas décadas tem resultado em projeções muito positivas para o mercado de energia nacional, como mostram os dados expostos no Capítulo 1.
2.1.3
Desafios para a Eletrônica de Potência
Desde o início da utilização dos moinhos e geradores controlados pelo vento, a intenção do mercado é criar equipamentos capazes de processar uma potência cada vez maior e com um rendimento igualmente crescente. Essa ambição que, após a crise do petróleo, veio a se tornar uma necessidade, não só com a energia eólica, mas com outras energias alternativas aos combustíveis fósseis, guiou o desenvolvimento e adaptação dos trabalhos de engenharia elétrica ao longo dos anos (CRESESB, 2001).
Após a concepção do primeiro transistor, em 1947, e com o subsequente surgimento de circuitos eletrônicos responsáveis por controlar o fluxo de potência de uma fonte de energia até uma carga, os ditos conversores estáticos, tornou-se possível a integração dos sistemas eólicos isolados com a rede elétrica.
Atualmente, o papel da eletrônica de potência no processamento da energia eólica está relacionado a aprimorar os circuitos e componentes integrantes dos sistemas eólicos. Dentre várias implicações, cabe aos profissionais dessa área:
• O desenvolvimento de novas tecnologias de dispositivos semicondutores, capazes de comutar a frequências e potências cada vez maiores;
• A análise e proposição de diferentes topologias de conversores estáticos;
• A otimização dos algoritmos de controle;
• A redução do custo final do equipamento e prolongamento de sua vida útil.
Portanto, as próximas seções deste trabalho serão dedicadas à sua fundamentação teórica, com a apresentação da composição de um sistema eólico, seus componentes e variações.
2.2
Aplicações dos Sistemas Eólicos
Os sistemas eólicos são compostos por blocos com diferentes funções, que serão vistos com mais detalhes na Subseção 2.3.1, mas quando analisados por um ponto de vista macro, podem ser divididos em três principais categorias (NORA, 2012):
• Sistemas isolados;
• Sistemas híbridos;
• Sistemas conectados à rede elétrica.
Para seu funcionamento adequado, é necessário que esses sistemas façam uso de diversos sub circuitos responsáveis pelo controle do fluxo de potência. Ou seja, a interface entre o sistema eólico e a carga muitas vezes é feita através um circuito inversor e/ou uma bateria, dependendo da aplicação. Essas três categorias são apresentadas com mais detalhes nos tópicos seguintes.
2.2.1
Sistemas Isolados
Nestes sistemas, a energia elétrica gerada não tem contato com a rede elétrica convencional, sendo adequados para atender a cargas pontuais. Essa energia pode ainda ser consumida instantaneamente, a exemplo da aplicação em um sistema de bombeamento de água, ou armazenada em uma bateria, como no caso da criação de Charles Francis Brush, mostrada na Figura 6 (RIGHTER, 1996). A Figura 7 ilustra um exemplo de sistema isolado.
Figura 7 – Representação de sistema isolado.
Fonte: Elaborado pela autora.
Neste exemplo é apresentada uma estrutura comumente aplicada a aerogeradores de pequeno porte, que processam potência mais baixas. Observa-se a presença de um estágio de controle, que visa a extração da máxima potência do sistema, e de circuitos de potência que promovem o acoplamento entre o aerogerador e possíveis cargas de corrente contínua e alternada.
Em sistemas de que visam um menor custo de implementação, o estágio de MPPT pode ser eliminado, tendo o retificador conectado diretamente a uma bateria. Já siste-mas de maior porte apresentam estruturas de controle mais elaboradas, com conversores multinível e atuadores em diversas variáveis mecânicas do sistema, o que reflete em um aumento na complexidade da etapa de processamento e armazenamento da energia.
2.2.2
Sistemas Híbridos
Estes são sistemas também isolados da rede elétrica, mas que estão conectados a outros sistemas cuja fonte da energia é diferente e, portanto, necessitam de estágios adicionais na sua integração para atender a uma mesma carga. Um exemplo de aplicação é o fornecimento de energia para o circuito de iluminação de uma residência a partir de uma turbina eólica de pequeno porte e um gerador a diesel: a energia gerada por eles tem origens diferentes, mas pode ser condicionada e compartilhada a partir do uso de circuitos auxiliares (NORA, 2012).
A Figura 8 ilustra um exemplo, no qual as energias provenientes de um aerogerador, de um módulo fotovoltaico e de um gerador a diesel são acumuladas de forma a suprir uma carga, ou mesmo um sistema de armazenamento.
Figura 8 – Exemplo de sistema híbrido.
Fonte: Nora (2012).
2.2.3
Sistemas Conectados à Rede Elétrica
Estes sistemas injetam energia na rede elétrica convencional, disponível para uso de diversas unidades consumidoras, conforme expõe a Figura 9. Nota-se que alguns desses sistemas podem também ter a eles acoplada uma unidade de armazenamento de energia.
Figura 9 – Representação de sistema conectado à rede.
Fonte: Elaborado pela autora.
Esta configuração pode ser aplicada em baixas, médias e altas potências, sendo adequada conforme o nível de potência processada, estrutura da turbina, tipo de gerador empregado, nível de tensão de conexão e configuração da rede elétrica.
Ela é empregada principalmente quando se dispõe de um grande número de aero-geradores trabalhando em conjunto em um mesmo local, os parques eólicos, que podem ser localizados em terra firme (parques on-shore, à exemplo da Figura 10) ou no mar (parques off-shore, à exemplo da Figura 11).
Figura 10 – Complexo Eólico de Osório, parque eólico on-shore no Rio Grande do Sul.
Figura 11 – Parque Eólico de Walney, no Mar da Irlanda, o maior parque eólico
off-shore em operação no mundo atualmente.
Fonte: Walney Extension (2020).
No Brasil, desde a instalação das primeiras turbinas eólicas, na década de 90, iniciaram-se os estudos sobre as diferentes possibilidades de posicionamento geográfico, além de diversas avaliações do seu impacto local. A avaliação de Gouvêa e Silva (2018) destaca os seguintes tópicos como impactos mais usuais relacionados aos parques eólicos:
• Na biodiversidade: um conjunto de aerogeradores pode comprometer a migração de aves, ou mesmo degradar o terreno, afetando o bioma e as fontes de água ali existentes;
• Na poluição visual: pode degradar paisagens naturais e prejudicar o turismo;
• Na poluição sonora: pode ter efeitos na saúde e qualidade de vida das pessoas que habitam próximas às instalações.
Turbinas de maior porte possuem uma velocidade de rotação menor por causa da sua inércia mecânica. Visando, então, uma maior geração e um menor impacto à fauna local, o país tem focado seu investimento em turbinas eólicas de grande porte, sendo a maior já instalada no Brasil de 4,2 MW (Vestas , 2020). Outra proposta paraR
amenizar os impactos desses sistemas é levá-los para longe da costa, mar adentro. Com um vasto território marítimo, o país também apresenta projetos em desenvolvimento para a implementação do seu primeiro parque eólico off-shore nos próximos anos (ENERGIA, 2019).
Todavia, apesar do interesse global no desenvolvimento de turbinas de maior porte para construção de parques eólicos, alguns autores, como Malinowski et al. (2015), apon-tam que o mercado para as turbinas eólicas de pequeno porte é igualmente promissor. Isso porque alguns investidores veem nos sistemas de menor porte uma opção mais rentável
para promover a geração de energia distribuída, com custos mais baixos e menor taxa de falhas, devido à sua mais baixa complexidade.
A partir dessa reflexão, a Seção 2.3 deste trabalho propõe uma apresentação mais detalhada da composição e funcionamento dos sistemas eólicos de pequeno porte.
2.3
Sistemas Eólicos de Pequeno Porte
Segundo a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), norma 61400-2 de 2006, aerogeradores de pequeno porte são aqueles com área de rotação menor ou igual 200 m2,
compreendendo as seguintes faixas de potência (MALINOWSKI et al., 2015):
• 1 kW – 15 kW para instalações residenciais;
• 15 kW - 70 kW para instalações comerciais.
Sua aplicação prevê a geração de energia a partir de instalações de uso comercial, industrial, residencial, em sistemas isolados ou integrados ao Sistema Elétrico Nacional (SIN). E nesse último caso, chamado de geração de energia distribuída, as condições para microgeração e minigeração de energia devem seguir a resolução 687 da ANEEL, que regulamenta o sistema de compensação de energia para fontes renováveis (ANEEL, 2015).
2.3.1
Composição do Sistema Aerodinâmico
Os sistemas eólicos de pequeno porte apresentam praticamente os mesmos compo-nentes de um sistema de grande porte, mas em escala menor, o que resulta em menor custo de produção, menor taxa de falha, menos peso e menor volume total (MALINOWSKI et al., 2015). Seus principais componentes, do ponto de vista mecânico, são ilustrados a partir dos três sistemas apresentados na Figura 12 e descritos a seguir:
Figura 12 – Constituição de um sistema eólico.
Fonte: Tibola (2009).
1. Rotor ou Pás: Estrutura responsável por interceptar a energia cinética dos ventos;
2. Multiplicador ou caixa de engrenagens: Sintoniza a velocidade da turbina com a velocidade do gerador;
3. Nacele: Estrutura no topo da torre que contém o gerador e a caixa de engrena-gens;
4. Eixo: Alicerce que interliga mecanicamente o rotor, o gerador e a caixa de engrenagens e garante sincronia ao sistema;
5. Cubo: Estrutura aonde estão acopladas as pás do aerogerador;
6. Torre: Estrutura que garante sustentação a todo o sistema eólico;
7. Gerador: Máquina elétrica responsável por converter a energia mecânica no eixo de rotação em energia elétrica.
Do ponto de vista elétrico, a estrutura de um sistema eólico apresenta os seguintes elementos:
• Turbina eólica (de eixo horizontal ou vertical);
• Gerador síncrono ou assíncrono;
• Conversor CC-CA para modo de operação com carga isolada ou conexão com a rede;
• Conversor CC-CC para armazenamento de energia em banco de baterias.
Para cada um desses existem diversas opções de componentes e combinações possí-veis para o correto funcionamento do sistema. A seleção dos mesmos depende do propósito do sistema a ser projetado, do seu local de instalação e do tipo de carga a ser atendida. Portanto, os próximos tópicos do texto serão dedicados a apresentar algumas alternativas para os elementos listados, com ênfase nas escolhas feitas para o projeto prático realizado.
2.3.2
Turbinas Eólicas
As turbinas são os elementos do sistema eólico responsáveis pela conversão da energia cinética do vento em energia mecânica no eixo. Elas são classificadas de acordo com o seu eixo de rotação, podendo ele ser vertical ou horizontal, conforme ilustra a Figura 13 (YARAMASU et al., 2015):
Figura 13 – Modelos de turbinas eólicas. Da esquerda para a direita: Turbina de eixo horizontal, turbinas de eixo vertical com rotor de modelo Savonius, modelo Darrieus com formato H e modelo Darrieus com formato helicoidal.
Fonte: Malinowski et al. (2015).
Turbinas de eixo horizontal apresentam bom comportamento em ventos pouco turbulentos. São dominantes no mercado em razão da boa relação entre sua performance, eficiência, custo e dinâmica de operação. Os modelos mais simples apresentam de uma a três pás, mas podem chegar a apresentar múltiplas pás. Dentre esses, o modelo de três pás apresenta melhor performance, devido ao equilíbrio na distribuição das tensões mecânicas causadas pelas mudanças na direção do vento (TIBOLA, 2009).
Já as turbinas de eixo vertical são boas soluções para lugares com ventos fracos e turbulentos. Sua eficiência é menor em comparação às turbinas de eixo horizontal, mas produzem menos ruído sonoro, são mais seguras e não requerem um mecanismo de direcionamento, o que diminui sua complexidade de construção. Estão se popularizando
com a aplicação das turbinas eólicas em ambientes urbanos, porque nesses a presença de obstáculos forma zonas de vento turbulento (K.POPE; I.DINCER; G.F.NATERER, 2010).
Outra forma de diferenciar as turbinas, segundo Cardoso (2015) são as turbinas do tipo upwind e downwind, da Figura 14:
• Turbina upwind: Possui um leme que posiciona o rotor à frente da torre;
• Turbina downwind: Não possui leme, então a força do vento posiciona o rotor atrás da torre.
Figura 14 – Modelos de turbinas upwind e downwind.
Fonte: Elaborado pela autora.
Cabe ainda observar que turbinas de pequeno porte são mais leves e sensíveis, e por isso apresentam alta velocidade de rotação. Essa característica favorece a simplicidade do sistema mecânico, uma vez que a turbina consegue girar na mesma velocidade do gerador sem a necessidade de um estágio multiplicador (SALAM; AHMED; ABDEL-SATER, 2010).
No entanto, sua rotação livre pode danificar o sistema, para uma velocidade de vento muito acima da nominal de projeto. A Figura 15 representa a relação da velocidade do vento com a potência gerada, mostrando a região ótima de operação de uma turbina, que é com velocidade entre a nominal e de corte (vento considerado muito turbulento e destrutivo).
Figura 15 – Curva da potência mecânica gerada em relação à velocidade do vento.
Fonte: Heier (2006).
Com o intuito de garantir sua integridade estrutural, os fabricantes projetam as turbinas com dois principais tipos de controle aerodinâmico (NORA, 2012): Controle por estol (Stall Control) e Controle do ângulo de passo (Pitch Control). A Figura 16 elucida o comportamento da turbina com a aplicação desses métodos de controle.
Figura 16 – Efeitos dos controles por Stall e Pitch.
Fonte: Adaptado de Energy (2016).
O controle por estol pode ser passivo ou ativo e é projetado de forma a mudar o ângulo de ataque da pá com relação ao vento quando ele atinge uma velocidade acima da nominal. Dessa forma, limita-se a potência extraída pela turbina em um valor máximo (ENERGY, 2016).
No estol passivo, a geometria da turbina é concebida com ângulos fixos, com diferentes níveis de torção ao longo das pás. Esse método, apesar de demandar cálculos
aerodinâmicos complexos, é comumente aplicado nas turbinas de pequeno porte. Ao contrário do estol passivo, o estol ativo utiliza um sistema com molas dinâmico para mudar o ângulo de ataque das pás e limitar o efeito da turbulência do vento (TIBOLA, 2009).
Já o controle do ângulo de passo da turbina é feito através de servomecanismos que movimentam aletas em cada pá para atingir um ângulo ótimo, de acordo com a turbulência do vento verificada por sensores. Esse procedimento mais sofisticado é bastante utilizado em turbinas de grande porte e, além de limitar a velocidade de rotação, participa da estrutura de rastreamento da máxima potência do sistema (ENERGY, 2016).
2.3.3
Geradores
Nos sistemas eólicos, os geradores elétricos são responsáveis por converter a energia mecânica do eixo em energia elétrica, a ser processada por um circuito de condicionamento e depois entregue a uma carga. Eles podem ser divididos em duas principais categorias: Máquinas assíncronas e máquinas síncronas (UMANS, 2014).
A categoria dos geradores assíncronos compreende geradores com rotor bobinado, com rotor gaiola de esquilo, de indução duplamente alimentado, dentre outros. Ainda que seu custo seja mais baixo, para turbinas de pequeno porte seu uso apresenta algumas inconveniências quanto ao volume e à dificuldade de se controlar a velocidade de rotação do eixo.
2.3.3.1 Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes
Entre os geradores síncronos, destaca-se o emprego do gerador síncrono de ímãs permanentes, em inglês Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSG), mostrado na Figura 17.
Figura 17 – Exemplo de máquina síncrona de ímãs permanentes e seu rotor.
Fonte: Adaptado de Malinowski et al. (2015).
Como sua velocidade de rotação é variável, é possível sincronizar a velocidade de rotação da turbina com o gerador sem a necessidade de uma caixa de engrenagens, o que
aumenta seu rendimento (TIBOLA, 2009; MALINOWSKI et al., 2015). Ele é amplamente utilizado entre turbinas de pequeno e de grande porte, pois sua maior eficiência e volume reduzido compensam seu preço mais alto.
Como a turbina acoplada ao eixo gira livremente sem uma caixa de engrenagens, o gerador produz uma tensão trifásica com frequência variável. Então, para extrair sua máxima potência é necessário aplicar um estágio de controle, geralmente constituídos por uma ponte retificadora a elementos ativos ou passivos (CARDOSO, 2015).
2.3.4
Ponte Retificadora
O objetivo da aplicação de um conversor CA-CC ou retificador nos terminais do gerador é controlar a tensão, e consequentemente a potência na carga. Para garantir uma tensão contante em seus terminais, as pontes retificadoras têm a necessidade de um link CC em seus terminais, para desacoplamento elétrico (dado por um capacitor ou banco de baterias). Existem ainda diferentes topologias de retificadores, que podem ser divididas nas seguintes categorias: retificadores ativos ou passivos.
Retificadores ativos são conversores CA-CC compostos por interruptores controla-dos. Diferentemente dos retificadores passivos, permitem um fluxo de potência bidirecio-nal, que viabiliza sua conexão com geradores de indução no lugar de geradores síncronos de ímãs permanentes.1
Em geral, são eficientes e confiáveis, sendo aplicados principalmente em sistemas eólicos de grande porte. No entanto, alguns fatores limitantes na sua aplicação são seu alto custo e complexidade de controle (MALINOWSKI et al., 2015). Um exemplo de retificador ativo é o 2L-VSC, mostrado na Figura 18.
Retificadores passivos, por outro lado, são constituídos por dispositivos semicon-dutores passivos, que não precisam de controle externo para funcionarem (diodos). Sua simplicidade, baixo custo e robustez tornam sua aplicação preferida em sistemas de pe-queno porte. No entanto, essa topologia também apresenta fatores limitantes, como a operação apenas com fluxo de potência unidirecional e a distorção do sinal de corrente, que compromete o fator de potência do gerador (COELHO, 2013).
Em sistemas de pequeno porte, especialmente quando utilizado o gerador síncrono de ímãs permanentes, que não necessita excitação por corrente de magnetização, o retifica-dor passivo se mostra uma opção mais econômica e simples. Um exemplo desta aplicação é apresentado na Figura 19.
1Geradores que funcionam com base em indução magnética precisam de uma corrente magnetizante
durante sua operação, para produzir seu campo magnético girante. Essa excitação não é possível com o uso de retificadores passivos do lado do gerador (YARAMASU et al., 2015).
Figura 18 – Estrutura do 2L-VSC.
Fonte: Malinowski et al. (2015).
Figura 19 – Exemplo de sistema com Ponte de Graetz, ou ponte retificadora a diodos.
Fonte: Elaborado pela autora.
No caso da aplicação de um retificador como a Ponte de Graetz, o condicionamento da potência entregue à carga é atribuído a outras estruturas, como conversores CC-CC ou mesmo CC-CA.
Como esta revisão bibliográfica visa o embasamento teórico para o projeto prá-tico de um sistema de pequeno porte isolado com uma carga CC, será dado maior foco no processamento de energia por conversores CC-CC, com ênfase no conversor Boost apresen-tado no Capítulo 3. Mais informações sobre a aplicação de conversores CC-CA a sistemas eólicos pode ser encontrada na literatura, a exemplo dos documentos de Yaramasu et al. (2015) e Eckstein (2014).
2.4
Funcionamento dos Sistemas Eólicos
Nesta seção serão apresentados os principais processos de conversão de energia por trás do funcionamento dos sistemas eólicos, com base no equacionamento apresentado por Tibola (2009). Inicialmente, pode-se considerar a relação da Equação 2.1, na qual ECi é
a energia cinética do vento com uma velocidade inicial vi, ECo é a energia do vento após
a passagem pela turbina, com velocidade v e ∆EC é a energia que realiza trabalho.
ECi = ECo+ ∆EC (2.1)
Sendo a energia mecânica entregue à turbina igual a:
∆EC =
m(v2− v2
i)
2 (2.2)
Como a massa do ar em movimento também pode ser escrita em função da den-sidade do ar ρ (característica intrínseca de cada local), da área A varrida pelas pás e da distância d percorrida pela massa de ar, a potência processada pelo sistema pode ser escrita como: P = ∆EC ∆t = 1 2· m(v2 − v2 i) ∆t P = 1 2 · ρAd(v2− v2 i) ∆t (2.3)
Adotando a Equação 2.4 como sendo a velocidade média do vento em um intervalo de tempo, pode-se reescrever a potência de forma a obter a Equação 2.5.
vmed= d ∆t = v + vi 2 (2.4) P (v) = ρAv 3C p 2 (2.5) onde Cp = 1 + vi v · 1 −vi v 2 2 (2.6)
O coeficiente de potência Cp, nesse caso, é expresso em função da relação vvi das
velocidades. A derivação da Equação 2.6 indica que o máximo valor de Cp ocorre para uma
velocidade v final três vezes maior que a velocidade vi antes da passagem pela turbina,
Figura 20 – Curva do coeficiente de potência com foco no seu ponto máximo.
Fonte: Elaborado pela autora.
Esse coeficiente, também chamado Limite de Betz, em reconhecimento aos traba-lhos do físico alemão Albert Betz, indica que nem toda a potência extraída do vento será convertida em potência útil (TIBOLA, 2009). Dessa forma, em posse do valor máximo de Cp (Cpmax), considerando a área varrida pelas pás igual a A = πR2, pode-se obter a
máxima potência mecânica teórica gerada pela turbina, dada por:
Pmax =
1 2ρπR
2C
pmaxv3 (2.7)
No entanto, na prática, o valor desta constante de projeto costuma ser menor, pois sua dedução matemática não considera fatores intrínsecos de cada tipo de turbina, como resistências mecânicas das pás, perdas de energia por atrito na rotação, interferência da presença das pás e da torre e outros.
Portanto, para se estimar corretamente a potência processada por cada aerogera-dor, deve-se corrigir o valor de Cp considerando o valor do ângulo de passo da turbina (β)
e a relação λ que relaciona a velocidade do vento e a velocidade angular de rotação. λ, também chamado tip speed ratio, TSR ou velocidade tangencial é dado pela Equação 2.8.
λ = ωR
v (2.8)
A relação da Equação 2.8 mostra que para valores fixos de λ e de velocidade do vento, quanto menor for o raio da turbina, maior será sua velocidade de rotação, o que implica elevada rotação em turbinas de baixa potência (turbinas com menor raio).
Feitas essas considerações, a potência entregue ao sistema pode ser reescrita em função dos parâmetros da turbina, conforme mostra a Equação 2.9.
P (λ, β) = 1
2ρπR
2
Considerando que o torque mecânico de rotação é dado pela relação de potência e velocidade angular mostrada na Equação 2.10, ele também pode ser reescrito em função dos parâmetros da turbina.
Tmec= P ω (2.10) Tmec(λ, β) = 1 2ρπR 2 v3Cp(λ, β) ω (2.11)
A partir da Equação 2.11 conclui-se a existência de um menor torque para turbinas com maior velocidade de rotação.
Outras conclusões acerca da relação de Cp com os parâmetros particulares de cada
turbina podem ser tiradas de estudos como os de Heier (2006). Através de experimentos práticos e do levantamento das curvas de Cp com relação a λ, comprovou-se a existência
de um valor Cpmax superior para a turbina de eixo horizontal de três pás em relação a
outros modelos (TIBOLA, 2009). Evidentemente, essa conclusão levou à popularização desse tipo de turbina, seja para sistemas de grande porte, como para os de pequeno porte. Considerando, então, a existência de um λ ótimo para alcançar o máximo valor de
Cp, muitos algoritmos de rastreamento de máxima potência se baseiam nessas variáveis
para maximizar a potência processada pelo sistema. Uma maior elucidação sobre esses métodos é apresentada na Seção 2.5.
2.4.1
Vento: Variável Aleatória e Estocástica
Além da descrição qualitativa apresentada na seção 2.1.1, uma outra característica intrínseca do vento é a sua aleatoriedade, que pode ser descrita matematicamente por funções densidade de probabilidade. Na literatura, é comum o uso da Distribuição de Weibull, como empregado por Manwell, McGowan e Rogers (2009) e Lemos (2005). A Equação 2.12 apresenta a expressão da Distribuição de Weibull, onde k é chamado fator de forma e a é o fator de escala.
f (v) = k a ! v a k−1 e−(va) k (2.12)
A consideração dessa característica aleatória do vento garante maior confiabilidade ao modelo responsável por estimar o rendimento do sistema eólico. Uma vez que a potên-cia mecânica média gerada na Equação 2.7 considera um perfil de geração intermitente, dependendo das características de cada local, ela pode ser representada pela Equação 2.13. Pmed = Z ∞ 0 1 2ρπR 2C pv3 " k a ! v a k−1 e−(va) k# dv (2.13)
Apesar da importância de se representar com acurácia os fenômenos por trás do modelo a ser simulado e implementado na prática, em algumas aplicações didáticas, caso deste trabalho, é possível trabalhar apenas com os parâmetros contidos na Equação 2.7. Isto posto, esse perfil aleatório não será considerado nas análises subsequentes.
2.5
Rastreamento do Ponto de Máxima Potência
Uma vez avaliado o potencial de produção de uma turbina eólica, explorado com mais detalhes na Seção 2.4, espera-se sempre obter seu máximo rendimento. Isso é feito através do controle de alguns parâmetros do sistema, podendo eles ser mecânicos ou elétricos.
Dois dos principais métodos de rastreamento de máxima potência, ou MPPTs, aplicados a geradores de baixa potência são apresentados a seguir:
• MPPT baseado em um lambda ótimo (λopt);
• MPPT baseado em incremento.
Apesar das diferenças quanto aos parâmetros de referência para controle, cabe aqui ressaltar que a principal semelhança entre esses métodos é o estágio atuador, representado pelo conversor com interruptores controlados.
Seja em um retificador ativo ou um conversor CC-CC acoplado a um retificador passivo, o MPPT age no controle dos interruptores do circuito a partir da variação do parâmetro de interesse. Essa variação, por vezes, é verificada através de sensores como anemômetros, wattímetros e outros, e varia de acordo com as facilidades de cada sistema (YARAMASU et al., 2015).
Por exemplo, em um sistema eólico de grande porte, o controle que atua apenas nas tensões terminais do gerador, com a intenção de acelerar ou frear a turbina na busca pelo ponto de máxima potência, pode ser muito lento quando comparado ao controle direto do comportamento da turbina (controle de stall e pitch). Já em um sistema de menor porte, que apresenta menor inércia mecânica, o controle da velocidade de rotação da turbina como reflexo da alteração de variáveis elétricas é mais efetivo (NORA, 2012). Evidentemente, este estágio do processamento de energia tem grande impacto no custo e eficiência do projeto. Por isso, existem tantos métodos e pesquisas relacionadas, a exemplo da dissertação de Nora (2012), citada de forma recorrente neste trabalho.
2.5.1
MPPT baseado em TSR ótimo (λ
opt)
Este método utiliza a medição da velocidade do vento para gerar uma velocidade de rotação referência para a turbina, a partir da Equação 2.8.
Primeiramente, é determinado de forma teórica um fator TSR dito ótimo (λopt), de
acordo com as características da turbina. Então, para cada velocidade de vento medida por um anemômetro, haverá uma velocidade de rotação também ótima (ωr_ref), que servirá
de referência para controle e representará o ponto de operação em máxima potência do sistema (MALINOWSKI et al., 2015).
O controle atua de forma a produzir um sinal de erro entre a velocidade de refe-rência e a velocidade de rotação atual, sendo compensado por um algoritmo que controla a comutação dos interruptores do conversor CA-CC, a exemplo da Figura 21. A com-pensação desse sinal de erro entre as velocidades leva o gerador síncrono a operar em uma velocidade mais próxima, se não igual, à referência ωr_ref, garantindo a máxima
transferência de potência no sistema.
Figura 21 – Exemplo de sistema com MPPT baseado em λopt.
Fonte: Malinowski et al. (2015).
2.5.2
MPPT baseado em incremento
Esse método faz uso das curvas de potência características do sistema. Assumindo que existe um ponto máximo em cada curva para diferentes velocidades de vento e de rotação da turbina, o algoritmo calcula a potência a partir das variáveis de tensão e corrente nos terminais do gerador. Em seguida, ele utiliza um método de derivadas positivas e negativas para excursionar essas curvas em busca do ponto de derivada, ou variação, nula (∆P∆ω = 0), conforme mostra a Figura 22 (MALINOWSKI et al., 2015).
Figura 22 – Exemplo de sistema com MPPT baseado em incremento.
Fonte: Adaptado de Malinowski et al. (2015).
Esse ponto de máxima potência se traduz em uma velocidade de rotação ótima e então, da mesma forma que no primeiro método apresentado, busca-se minimizar o erro entre a velocidade medida e a velocidade de referência.
Uma vantagem desse método em relação ao anterior é que "a potência pode ser maximizada sem qualquer informação dos parâmetros da turbina, apenas pela mudança contínua da variável de controle seguida pela observação da mudança resultante na po-tência"(MALINOWSKI et al., 2015).
2.6
Proposta de Projeto
Justificada a relevância do estudo dos sistemas eólicos de pequeno porte, esta monografia propõe a construção de um conversor Boost ou elevador de tensão, para a processamento da energia de um sistema capaz de gerar até 1,5 kW.
A primeira parte do sistema é composto pela turbina eólica Gerar 246, presente na Figura 23, da empresa Enersud R
, acoplada a um gerador síncrono de ímãs permanentes com saída trifásica e alternada.
Então, para que seja possível processar sua energia utilizando um conversor CC-CC, é empregado um estágio retificador passivo, dado aqui pela Ponte de Graetz, com filtro capacitivo para gerar um barramento CC.
A segunda parte do sistema é composta pelo conversor Boost, responsável por con-trolar a tensão nos terminais da ponte retificadora (MPPT da tensão constante, mostrado com mais detalhes na Seção 3.0.3) para garantir a operação no ponto de máxima potência do sistema.
Figura 23 – Turbina Gerar 246, modelo base para o projeto do conversor Boost.
Fonte: Da autora.
O controle da tensão de entrada do conversor terá como base uma carga puramente resistiva conectada a seus terminais de saída, com uma tensão fixa imposta de 150 V para representar um barramento CC isolado ou uma bateria.
O sistema completo a ser simulado e testado está representado na Figura 24:
Figura 24 – Sistema completo projetado.
Fonte: Elaborado pela autora.
Dado que o conversor Boost é o principal componente do sistema mostrado, no Capítulo 3 será feita uma análise detalhada das suas etapas de funcionamento, que terão grande importância para o entendimento dos resultados apresentados posteriormente no Capítulo 4.
3
Análise do Conversor CC-CC Boost
Conforme explicado na Seção 2.3.4, a energia nos terminais da ponte retificadora pode ser sintetizada desde que haja um link CC para desacoplamento elétrico, que pode ser feito através de uma bateria ou capacitor.
No caso de um sistema eólico isolado, mesmo que se deseje armazenar a energia em uma bateria, deve-se adequar essa energia às especificações da bateria, considerando os níveis toleráveis de tensão e potência. Por isso, entre o link CC e a carga pode ser empregado um conversor CC-CC, cuja função é proporcionar um ganho para elevar a tensão, para elevar a corrente, ou apenas para controlar a variação desses sinais (ripple de tensão ou corrente).
Nessa aplicação, especificamente, é possível citar o conversor elevador de tensão, ou Boost, como uma das topologias mais aplicadas no rastreamento da máxima potência do sistema, devido à sua simplicidade de implementação e alta confiabilidade. Como as tensões na saída do gerador são muito baixas, a função do conversor Boost é, portanto, a transferência da energia de uma fonte de tensão para uma carga, fornecendo uma tensão média em sua saída de valor igual ou superior ao valor médio da tensão de entrada (BARBI; MARTINS, 2000).
Esse comportamento é possibilitado por sua constituição, que emprega um indutor em série com a fonte de tensão na entrada do circuito e um capacitor em paralelo com a carga na saída. O esquemático do conversor Boost é mostrado na Figura 25.
Figura 25 – Estrutura do conversor Boost.
Fonte: Elaborado pela autora.
O indutor garante inércia à corrente de entrada do circuito, que se comporta de maneira semelhante a uma fonte de corrente. Enquanto isso, o capacitor garante inércia de tensão na saída do circuito, que tem comportamento semelhante ao de uma fonte de
tensão vista pela carga, ao mesmo tempo em que filtra as componentes de alta frequência oriundas da comutação (BARBI; MARTINS, 2000).
Como no caso de um gerador eólico de pequeno porte a tensão gerada nos seus terminais é inferior à tensão de operação da maioria dos equipamentos utilizados pela indústria, conforme mostra Tibola (2009), a eficácia e relativa simplicidade dessa topologia tornam sua aplicação comercialmente atraente. Além disso, outro fator que propicia a escolha do conversor Boost para essa aplicação é a característica constante da corrente na saída da ponte retificadora, que tem sua continuidade dada pelo indutor de entrada do conversor.
3.0.1
Análise Estática do Conversor Boost para Aplicação em
um Aerogerador Eólico de Pequeno Porte
Barbi e Martins (2000) apresentam a análise estática do conversor Boost ideal e operando em regime permanente, que contempla as duas etapas de funcionamento do circuito em um período Ts: com o interruptor bloqueado (ta), circuito da Figura 26, e
com o interruptor conduzindo (tc), circuito da Figura 27. Nesse contexto, a entrada e a
saída do circuito são consideradas fontes de tensão constante.
Figura 26 – Primeira etapa de operação do conversor Boost (0 < t ≤ tc).
Figura 27 – Segunda etapa de operação do conversor Boost (tc< t < Ts).
Fonte: Elaborado pela autora.
Na primeira etapa de operação, ou circuito da Figura 26, o interruptor encontra-se conduzindo, o indutor de entrada atua como elemento armazenador, tendo a mesma tensão da fonte de entrada, e o diodo encontra-se bloqueado. Assim:
VL= Vin = Lin
dIL
dt (3.1)
ID = 0
Sendo a tensão média VLno indutor igual a zero em regime permanente, Ts = ta+tc
o período de comutação da chave e o sistema ideal, então:
Win = Wo Vin· IL· Ts= Vo· IL· ta Vo Vin = G = 1 1 − D (3.2)
Onde G é o ganho estático do conversor e D é a razão cíclica, que pode ser reescrita como: D = Vo− Vin Vo = tc Ts (3.3)
Em seguida, no circuito da Figura 27, ou segunda etapa de operação, a tensão VL
é dada por:
VL = Vo− Vin (3.4)
Para operar em modo de condução contínua, ou seja, com a corrente de entrada do conversor contínua, é necessário que o indutor seja capaz de armazenar energia durante todo o período de comutação (BARBI; MARTINS, 2000).
Assim, quando a chave está fechada e a tensão no indutor é a mesma tensão Vin,
a corrente na entrada cresce linearmente a partir de um valor de corrente mínimo Imin,
conforme a seguinte expressão:
Iin= IL= Imin+
Vin
Lin
· t (3.5)
A corrente atinge seu valor máximo em t = tc:
Imax = Imin+
Vin
Lin
· tc (3.6)
E quando o interruptor é bloqueado, a tensão imposta nos terminais do indutor faz a corrente decrescer até atingir seu valor mínimo, em t = ta, seguindo o mesmo
comportamento linear.
Imin = Imax−
Vo− Vin
Lin
· ta (3.7)
Ao termo responsável pela variação da corrente na Equação 3.6 é dado o nome de ondulação de corrente ∆IL, que pode ser escrita da seguinte forma:
∆IL = Vin Lin · tc= Vin· Ts Lin · D (3.8)
Durante a segunda etapa de operação, quando o diodo D conduz, a corrente que passa por ele e pela carga é a mesma corrente do indutor. Assim, a corrente de entrada e a corrente na carga podem ser relacionadas a partir da expressão 3.9:
Io = 1 Ts Ts Z 0 iD(t) dt = 1 Ts ta Z 0 Imax− Vo− Vin Lin · t dt Io = (Imax+ Imin) · (1 − D) 2 (3.9)
A Figura 28 ilustra o comportamento das variáveis do circuito nas duas etapas de operação.
A partir dessas etapas, é possível deduzir a equação da tensão na chave (Equação 3.10) e da corrente no diodo (Equação 3.11).
Vs = (1 − D) · Vo (3.10)
ID = (1 − D) · IL (3.11)
Entretanto, para obter uma modelagem matemática que se aproxima mais do comportamento real do circuito do conversor, é necessário representar a descontinuidade causada pela comutação.
Figura 28 – Gráficos com o comportamento das variáveis elétricas do conversor
Boost.
