APLICAÇÕES DE TURBINAS EÓLICAS NO BRASIL – ASPECTOS DA CONEXÃO À REDE
ELÉTRICA E OS EFEITOS SOBRE A QUALIDADE DA TENSÃO Pedro André C. Rosas (*) Marcos S. Miranda
Everaldo A. N. Feitosa Herivelto S. Bronzeado Centro Brasileiro de Energia Eólica
CBEE Companhia Hidro Elétrica do São Francisco CHESF
Resumo: A flutuação da potência elétrica produzida por turbinas eólicas é fortemente afetada por variações na velocidade de vento, podendo causar alguns distúrbios na rede elétrica. Este artigo apresenta os resultados de medidas realizadas em uma das turbinas eólicas do Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) com intuito de verificar o comportamento da turbina sob diversas condições operacionais e a sua influência na qualidade de tensão na rede elétrica local.
• Em regime permanente – relacionada a variação cíclica diárias da velocidade de vento;
• Variação contínuas de tensão em regime dinâmico – são aquelas decorrentes da operação normal das turbinas eólicas devido às variações rápidas da velocidade de vento bem como o comportamento dinâmico das turbinas eólicas em intervalos de tempo inferiores a 10 minutos;
Palavras-chaves: qualidade de energia, energia eólica, turbina eólica, qualidade da tensão.
• Variações transitórias de tensão – são aquelas relacionadas com a operação de chaveamento das turbinas eólicas;
1 - INTRODUÇÃO
A aplicação de turbinas eólicas para a geração de eletricidade no setor elétrico Brasileiro vem crescendo devido a um excelente potencial eólico encontrado e a existência de uma legislação favorável a produção independente de energia elétrica. Medidas precisas de vento realizadas pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE, demonstram excelente potencial eólico no Brasil para a instalação de grandes fazendas eólicas. Somente nos últimos anos foram instalados 22 MW de turbinas eólicas e, atualmente, com a criação do PROINFA (programa de incentivo às fontes alternativas) estão previstas instalações de mais de 1000 MW em curto prazo.
• Componentes harmônicas de tensão – são aquelas relacionadas com a operação de equipamentos não linerares, i.e. conversores de potencia ou dispositivos de partida de turbinas eólicas;
Este artigo apresenta os resultados de medidas realizadas em uma das turbinas eólicas do CBEE com intuito de verificar o comportamento da turbina sob diversas condições operacionais e a sua influência na qualidade de tensão na rede elétrica local. As medições apresentam as formas de onde de tensão e corrente durante a operação continua, durante a partida e em condição de vibração forcada onde os modos naturais de vibração foram excitados.
A potência elétrica produzida por turbinas eólicas é fortemente afetada por variações na velocidade de vento, podendo causar alguns distúrbios na rede elétrica [1]. Os distúrbios na rede elétrica são relacionados basicamente à qualidade de tensão que pode ser influenciada em diferentes escalas de tempo:
Os principais fenômenos relacionados com a qualidade de energia a partir das turbinas eólicas são apresentados e embora pequenas variações de tensão foram encontradas, recomendações são apresentadas.
(*) Centro Brasileiro de Energia Eólica – Dep. de Engenharia Mecânica Centro de Tecnologia e Geociências – UFPE
Cidade Universitária 50 740-530 Recife – PE TEL: (0xx81) 3453 2975 FAX: (0xx81) 3453 4662
e-mail: pedro.rosas@ieee.org
2 - DESCRIÇÃO DO SISTEMA ESTUDADO O processo de partida da turbina eólica ocorre com o vento acelerando o rotor até atingir uma velocidade correspondente próxima da freqüência síncrona, momento em que o sistema “soft-start” é acionado, limitando a corrente de magnetização do gerador. Atingido o regime permanente, a chave “by- pass” é acionada e o soft-start desligado. Logo após esta operação, o banco de capacitores para compensação de energia reativa é ligado. O gerador é conectado em delta, 380V, 60Hz.
2.1 Turbina Eólica
A turbina eólica experimental objeto desta investigação, OHM 30, é de eixo horizontal, com um rotor de três pás posicionado na frente da torre em relação à direção de vento incidente (“upwind”). O rotor da turbina foi otimizado para melhorar o seu desempenho nos ventos moderados presentes no Nordeste do Brasil. O coeficiente de potência máximo desta turbina ocorre a uma velocidade de vento próxima à 7m/s [2]. O gerador da turbina é do tipo assíncrono (indução) com a freqüência de rotação fixa.
A conexão com a rede elétrica é feita através de um transformador elevador e do uso de um dispositivo auxiliar de partida (“soft-starter”), dispositivo este usado somente durante o período de conexão do gerador. A Fig. 1 apresenta a curva de potência da turbina OHM 30 e as suas principais características são apresentadas na tabela I.
2.2 Rede de Distribuição
A Fig. 2 apresenta um diagrama unifilar esquemático da rede elétrica analisada. O sistema de distribuição em que a turbina eólica está conectada apresenta, no ponto do acoplamento comum – PCC, uma potência de curto-circuito em torno de 30MVA (2.2kA @ 13.8kV). O transformador de acoplamento é de 75kVA, 13.8kV/380V, com ligação ∆-Y.
A relação entre a potência do curto-circuito da rede e a potência disponível pela turbina é, neste caso, próximo de 1000. Sendo assim, considera-se a rede elétrica relativamente forte (redes elétricas caracterizadas como fracas possuem relação de potência menores que 20 [3]).
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Velocidade de vent o (m/ s) 0
5 10 15 20 25 30
35 Pot ência(kW)
Velocidade de partida
Potência Nominal
3 - PROCEDIMENTO DAS MEDIDAS
Ao analisar os distúrbios numa rede elétrica com turbinas eólicas, alguns parâmetros importantes devem ser considerados, tais como a potência gerada pela turbina e as variações de tensão durante sua operação sob condições normais e transitórias [4].
As medidas realizadas durante a operação normal consistiram de registros das formas de onda de tensão e corrente sob diferentes velocidades de vento (níveis distintos da potência) [5]. Durante o regime transitório foram registradas as formas de onda das tensões e das correntes nas seguintes circunstâncias:
• partida e parada da turbina: com o objetivo de observar o efeito da operação dos tiristores do
“soft-start” bem como a entrada e a saída dos capacitores do sistema de compensação;
Fig. 1. Curva de Potência da turbina OHM 30.
É importante salientar que a turbina opera a tensão e freqüência fixas uma vez que a turbina é conectada diretamente a rede elétrica.
• operação motorizada da turbina: com o objetivo de observar as formas de onda distorcidas e o seu conteúdo harmônico;
TABELA I - Características da turbina OHM-30 Potência nominal 30 kW
Gerador Assíncrono, 6 pólos, 380V Controle de potência Stall - (pitch fixo) Diâmetro do rotor 13 m
Numero de pás 3
Comprimento das pás 6,2 m
Freio de emergência Ponta de pá (centrifugo) Séries de perfis FFA-W3 e LM-2 Velocidade de Cut-in 3,5 m/s
Velocidade de Cut-out 25 m/s Altura do rotor 20 m Peso da nacele 1.700 kg
• erro de posicionamento do rotor (yaw-error): com o objetivo de observar variações da potência devido ao desalinhamento do rotor;
• vibração estrutural da turbina: com o objetivo de observar a influência da vibração natural do conjunto torre rotor na flutuação de potência gerada pela turbina;
4 - RESULTADOS DAS MEDIDAS
As tensões e correntes da turbina e da rede elétrica foram registradas simultaneamente. A Fig 2 apresenta os pontos de medição.
As tensões e as correntes medidas durante a operação normal são apresentadas na Fig. 3. Como pode ser observada, a corrente da turbina (Iturb) apresente um ângulo fase em relação a tensão (Vgrid) entre 90 e 180 graus elétricos indicando que turbina está operando como um gerador. Pode-se observar, também, que o ângulo de fase entre a corrente total
(Itotal) e a tensão da rede é próximo a 180 graus,
significando, portanto, um fator de potência próximo à unidade. Isso significa que a potência reativa exigida pelo gerador foi suprida pelo banco de capacitores e, portanto, a amplitude total da corrente foi reduzida.
Va Vb Vc
Ia Ib Ic
Ia Ib Ic
Vgrid (V) 60 V/div
0 ms 16 ms Time (10-3 s)
Iturb (A) 7 A/div Itotal (A) 7 A/div
Fig. 3. Operação normal da turbina.
Foram comparadas as distorções da tensão no ponto de conexão em dois momentos: com a turbina desligada e durante a sua operação normal. Observou- se que a tensão registrada com a turbina em operação
permaneceu inalterada quando comparada com a turbina desligada, indicando, portanto, que a turbina não interfere na tensão da rede. Este fato era esperado, uma vez que a potência de curto-circuito no PCC é muito maior que a potência da turbina eólica.
380 V Consumidores
na baixa tensão 13,8 kV
Iturb
Soft Start Vturb
Transformador de interligação 380 V
Y 75 kVA
∆
Pontos de medição
~
Gerador
Banco de capacitores
Itotal Vgrid
Y
∆
Fig. 2. Diagrama da conexão com a rede elétrica.
A Fig. 4 apresenta as distorções harmônicas de tensão com a turbina conectada. A distorção total é inferior a 3%, o que é aceitável para uma rede elétrica de características apresentadas.
0.0%
1.0%
2.0%
3.0%
3 5 7 9 11 13 15
Ordem Harmônica Vh (%)
Fase A (THD = 2.5%) Fase B (THD = 2.6%) Fase C (THD = 2.9%) Vfundamental - 213.5 V
Fig. 4. Conteúdo de harmônicos na tensão.
A Fig. 5 mostra o conteúdo harmônico da corrente total (Itotal) apresentada na Fig. 3. A distorção mostrada na corrente indica que esta sendo ocasionada pela distorção da tensão, uma vez que durante a operação continua não há equipamentos não lineares na turbina eólica.
A Fig. 7 mostra o transitório causado pelo acionamento dos capacitores. Pode-se observar que a corrente de inrush do banco de capacitores é proveniente essencialmente da rede elétrica, uma vez que o gerador da turbina eólica apresenta uma impedância relativamente elevada.
0.0%
1.0%
2.0%
3.0%
4.0%
5.0%
3 5 7 9 11 13 15
Ordem Harmônica Ih (%)
Fase A (THD = 5.0%) Fase B (THD = 5.7%) Fase C (THD = 5.5%) Ifundamental – 17.0 A
Vgrid (V) 60 V/div
Itotal (A) 11 A/div
Iturb (A) 11 A/div
0 ms 25 ms Time (10-3 s)
Vturb (V) 60 V/div
Ia Ib
Ic
Va Vb Vc
Va Vb Vc
Energização dos capacitores
Ib Ic
Ia
Ia Ib
Ic
Fig. 5. Componentes harmônicas na corrente.
A Fig. 6 mostra os valores rms da tensão, corrente e da potência ativa e reativa da turbina durante o processo de partida. Observa-se que a corrente de inrush foi limitada pelo soft-start, reduzindo o impacto desta corrente na rede de distribuição.
0 ms 500 ms Time (10-3 s)
Itotal (A) 10 A/div
Ptotal (kW) 6 kW/div Qtotal (kvar)
3 kvar/div Vgrid (V) 50 V/div
Fig. 7. Operação do banco de capacitores.
A Fig. 8 apresenta a potência ativa, reativa e a corrente medidas durante o ensaio de vibração do sistema torre rotor, o qual foi excitado em uma freqüência próxima à sua freqüência natural de vibração.
Fig. 6. Partida da turbina OHM 30.
Como pode ser vista na Fig. 6, a potência ativa apresenta sinal positivo em dois momentos, indicando que operou como um motor naqueles instantes.
Observa-se também que houve um pequeno afundamento da tensão quando a corrente alcança seu valor máximo.
Para este tipo de turbina eólica, sem conversores eletrônicos de potencia, as emissões de componentes harmônicas de corrente não são um problema.
Qtotal (kvar) 1 kvar/div
Itotal (A) 6 A/div Ptotal (kW) 3 kW/div
0 ms 850 ms Time (10-3 s)
Recentemente a IEC em [6] apresentou normas para caracterizar a qualidade de energia de turbinas eólicas. Os parâmetros relativos a parte dinâmica e qualidade de tensão são:
• Coeficiente de flicker em operação contínua;
• Coeficiente de flicker em operação de chaveamento;
• Coeficiente de afundamento de tensão durante chaveamento;
• Emissão de harmônicas – só para turbinas com conversores eletrônicos de potencia.
As medidas realizadas suportam os parâmetros acima.
Devido ao grande número de projetos de centrais eólica em andamento no Brasil, análises da interação de grandes centrais eólica com a rede elétrica têm importância cada vez maior. Conexão de grandes centrais eólicas às redes elétricas provavelmente irão modificar os perfis de tensão e, em algumas condições, as turbinas eólicas poderão ocasionar desvios na qualidade de tensão. Uma correta avaliação dos principais impactos de centrais eólicas na qualidade de energia local se faz necessária, onde a adoção de parâmetros de qualidade de energia para turbinas eólicas torna o projeto e avaliação do impacto muito mais simples.
Fig. 8. Resultado da vibração da turbina OHM 30.
Está clara a influência da vibração do sistema na potência elétrica de saída do gerador. Esta flutuação da potência pode conduzir à flutuações na tensão da rede e, conseqüentemente, produzir cintilação. Nota-se que há uma freqüência definida da flutuação de potência, que é associada com a vibração do rotor (≈3Hz).
5 – CONCLUSÕES/RECOMENDAÇÕES
O trabalho apresentou uma análise do desempenho de uma turbina eólica de 30 kW sob vento de baixa turbulência. A tensão e a corrente durante a operação normal da turbina e em condições transitórias
foram também medidas e discutidas. Finalmente, considerando a tendência de aumento da flexibilidade das turbinas eólicas, os resultados mostram que as influencias da dinâmica estrutural na potencia elétrica são fortes. A influência dessa flexibilidade na qualidade de energia elétrica deve ser avaliada.
As medições efetuadas mostraram que a turbina enfocada não influencia a qualidade de tensão da rede elétrica. Isto é devido a sua pequena potência em relação a potência de curto circuito da rede elétrica. As medições entretanto apresentaram um bom retrato dos distúrbios que podem ocorrer quando grandes turbinas eólicas são conectadas a sistemas de potência fracos.
6 - AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF) pelo apoio técnico nas medidas no CBEE. Grande deste trabalho foi suportada também pelo Ministério de Ciência e Tecnologia / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) - programa RHAE.
A turbina eólica utilizada representa uma das configurações mais comuns no mundo onde apesar de seu tamanho reduzido, turbinas de até 2000MW possuem a mesma configuração simples e robusta.
A partir das medidas é possível verificar que alguns parâmetros básicos podem caracterizar as turbina eólicas com relação a qualidade de energia elétrica. Em regime dinâmico os principais problemas são relacionados a variação de tensão devido a operação continua das turbinas eólicas e as variações de tensão devido a transitórios ocasionados durante a partida dos geradores.
7 - REFERÊNCIAS
[1] Pedro A. C. Rosas, Conexão de turbinas eólicas à rede elétrica - Análise de operação normal e transiente, Dissertação de mestrado, Dep. De Engenharia mecânica, concentração em energia eólica, UFPE, Recife, Junho/99.
[2] Tande, J. O., Norgaard, P., Sorensen, P., L., Sondergaard, Jorgensen, P., Vikkelso, A., Kledal, J. D. and Christensen, J. S., Power Quality and Grid Connection of Wind Turbines, Summary Report, RISO National Laboratory and DEFU/Denmark, October/96.
[3] Estanqueiro, A. I., Ferreira de Jesus, J. M. and Saraiva, J. A. G., “A Wind Park Grid Integration Model for Power Quality Assessment”, Proceedings of the European Union Wind Energy Conference, Goteborg, Sweden, May/96, pp. 436- 439.
[4] Ballard, L. G. and Swansborough, R. H., Recommended Practices for Wind Turbines – vol.
7, Quality of Power. Single Grid Connected WECS, International Energy Agency - IEA, 1984.
[5] Bronzeado, H. S.; Rosas, P.A.C.; Feitosa, E.A.N.; Miranda, M.S; Behavior of Wind turbines under Brazilian Wind Conditions and Their Interaction with the Grid, 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power ICHQP’98, IEEE, 1998.
[6] IEC 61400-21 (CDV); Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines, 2001.
8.0 – AUTORES
Pedro A. C. Rosas, Ph.D. na Universidade Técnica da Dinamarca, Departamento de Engenharia Elétrica em junho de 2003. Mestre em energia eólica em 1999 e engenheiro eletricista em 1996 na UFPE.
Tem trabalhado nos últimos 7 anos como pesquisador.
Sua área de pesquisa inclui: qualidade de energia, transitórios do sistema elétrico, certificação de turbinas eólicas para qualidade de energia elétrica e
simulações/modelagens da conexão de turbinas eólicas a rede elétrica. e-mail: pedro.rosas@ieee.org
Marcos S. Miranda, M.Sc., está' concluindo doutoramento na Universidade de Loughborough, Inglaterra e tem interesse nas áreas de integração de energia eólica, sistemas de geração isolados e controle.
E-mail: M.S.Miranda@lboro.ac.uk.
Everaldo A. N. Feitosa, Ph.D, na Universidade de Southampton, Inglaterra. Professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE.
Coordenador do Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE. Representante Brasileiro na Agencia Internacional de Energia IEA na área de energia Eólica.
Autor de mais de 40 artigos técnicos publicados em jornais e congressos internacionais, ele é também consultor do Ministério de Ciência e Tecnologia – MCT para projetos em implementação em energia eólica no Brasil. e-mail: everaldofeitosa
@eolica.com.br.
Herivelto de Souza Bronzeado: Graduou-se em Engenharia Elétrica, em 1975, pelo Centro de Tecnologia da Universidade Federal da Paraíba (Campina Grande, PB). Desde então, passou a fazer parte do corpo técnico da Companhia Hidrelétrica do São Francisco – CHESF, onde é lotado atualmente na Divisão de Estudos da Operação Elétrica (DOEL). Em 1993 recebeu seu Master of Science em Power System Engineering pela University of Aberdeen, Escócia.
Atualmente é Secretário do Comitê de Estudos 36 da CIGRÉ-Brasil (Compatibilidade Eletromagnética), e Vice-Presidente (98-99) do IEEE Industry Application Chapter, Seccão-Bahia. Tem mais de 40 artigos publicados em revistas técnicas especializadas e congressos nacionais e internacionais. Sua área de interesse inclui Qualidade de Energia Elétrica e modelagem de transformadores para estudos de transitórios eletromagnéticos. e-mail:
hebron@chesf.gov.br.
