CONTROLE DE POTÊNCIA ATIVA E REATIVA AUTOCOMPENSADA UTILIZANDO TOPOLOGIA DE CONVERSORES
SIMPLIFICADA APLICADO A UM GERADOR EÓLICO DUPLAMENTE ALIMENTADO
SAMUEL V.DIAS1,PAULO J.GONÇALVES2,LAURINDA L.N. DOS REIS2,JOSÉ C.T.CAMPOS2 1
Instituto Federal do Ceará – Campus Maracanaú, Área da Indústria
Av. Parque Central,S/N – Distrito Industrial I. CEP: 61.939-140. Maracanaú, CE, Brasil E-mail: samueldias@ifce.edu.br
2
Universidade Federal do Ceará – UFC, Depto. de Engenharia Elétrica – DEE Caixa Postal 6001, CEP: 60.455-758. Fortaleza, CE, Brasill
E-mails: paulojanderson.7@gmail.com, laurinda@ufc.br, teles@ufc.br
Abstract A doubly fed induction generator (DFIG) with simplified back-to-back configuration is simulated and analyzed. In
this configuration the side converter (GSC) is replaced by a non-controlled rectifier, reducing the costs with operation and installation of the systems. The auto-compensated DFIG control is adopted to compensate the power used in the non-controlled rectifier, reducing the oscillations on the instantaneous power produced by wind power generation system, therefor, increasing the quality of the power generated to the grid.
Keywords Wind Power Generator, DFIG, Simplified Back-to-Back, Auto-compensated Control.
Resumo Um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) em configuração back-to-back simplificada é simulado e
analisado. Nesta configuração o conversor do lado da rede (GSC) é substituído por um retificador não controlado reduzindo custos de operação e instalação do sistema. O controle do DFIG autocompensado é utilizado para prover a compensação das potencias absorvidas pelo retificador não controlado, diminuindo oscilações nas potencias instantâneas produzidas pelo sistema eólico, desta forma, melhorando a qualidade de potencia entregue à rede de alimentação.
Palavras-chave Gerador Eólico, DFIG, Back-to-back simplificado, Controle Autocompensado.
1 Introdução
O gerador eólico baseado em DFIG é um dos mais utilizados na geração de energia elétrica utilizando dois conversores de potência controlados na configuração back-to-back, na qual um dos conversores é conectado diretamente a rede elétrica (GSC) e o outro é conectado ao rotor da máquina (RSC) (C´ardenas e Peña, 2013). Processando de 20% a 30% da potência nominal do aerogerador (Peña e Clare, 1996), nesta configuração é possível controlar as potências ativa e reativa geradas no estator através do controle das correntes elétricas no circuito elétrico do rotor, além da possibilidade de correção do fator de potencia na rede elétrica, operação a velocidade variada e seguimento da trajetória de máxima potência da turbina eólica (Sun e Ren, 2009).
No entanto, estes conversores controlados são comumente caros, e exigem controladores exclusivos para cada conversor. Necessitam de circuitos de proteção, no caso de falhas na rede elétrica ou mecânicas, tornando o controle deste sistema extremamente complexo. Neste caso, DanVu e Fujita (2013), propõem o uso de uma topologia simplificada, na qual um conversor não controlado, formado por uma ponte trifásica de diodos é utilizado em substituição do conversor do lado da rede da configuração back-to-back tradicional. Esta
alteração viabiliza uma redução de custos, menor utilização de espaço e facilidade de operação (Matteo e Marques, 2015). Porém o uso de retificadores a diodos gera harmônicos nas correntes da rede elétrica gerando potências instantâneas com distorções que influenciam na qualidade de energia entregue à rede. Neste caso, (DanVu e Fujita, 2013) propõem a utilização do controle autocompensado de potência do estator para gerar uma potência de referência oscilante que suavize os distúrbios gerados pelo retificador não controlado no ponto de conexão com a rede elétrica, tornando-se uma alternativa de custo-benefício atraente para geração em sistemas eólicos. A Figura 1 mostra a topologia simplificada de acionamento do DFIG, em que as potências resultantes entregues a rede de alimentação são obtidas através da subtração da potência fornecida pelo gerador e a consumida pelo retificador.
O artigo está organizado como segue. Na seção 2.1 apresenta-se a modelagem utilizada para o DFIG, a seção 2.2 introduz a teoria pq utilizada em compensação de potência, na seção 3 tem-se a explanação das malhas de controle de potência e de corrente do sistema, na seção 4 são feitas a simulação e análise do sistema controlado e na seção 5 são apresentadas as conclusões.
2 Teoria
2.1 Modelagem DFIG
O modelo do DFIG estudado utiliza as variáveis nos eixos dq rotacionando na velocidade síncrona
s
. Considera-se que o gerador está ligado a uma rede balanceada e que não há perdas no entreferro da máquina. A Figura 2 representa a relação entre os eixos dq e os eixos das fases A do estator e rotor.Figura 2. Representação dos eixos da máquina.
O eixo d é alinhado ao fluxo do estator
s, cujoângulo é obtido por meio de um circuito PLL (Phase Locked Loop) conforme apresentado em Voltolini (2007), o eixo q é ortogonal ao eixo d. Desta forma, o fluxo do estator é constante no eixo d e nulo no eixo q, as equações (1) representam estas relações.
0
qs s ds
(1)As correntes e as tensões nestes eixos são grandezas constantes enquanto que as variáveis reais no estator e rotor da máquina têm, respectivamente, frequência síncrona e de deslizamento (Lee e Pillay, 1985). As relações entre as grandezas da máquina nos eixos dq estão expostas nas equações de (2) a (5), nas quais
v
dsev
qssão as tensões do estator noseixos dq;
v
dr' e'
qr
v
tensões nos eixos dq do rotorreferidas ao estator;
s,R
s,
s,i
ds ei
qs são, respectivamente, a frequência da rede elétrica, a resistência, o fluxo, a corrente no eixo d e a corrente no eixo q relacionadas ao estator;p
,
r número depólos e frequência angular do rotor respectivamente;
'
r
R
,i
dr' ,i
qr' ,
'dre
'qrsão respectivamente, a resistência do rotor, correntes e fluxos do rotor nos eixos dq referidos ao estator.s s qs s qs
R
i
v
(2) ds s dsR
i
v
(3) ' ' ' ' ) ( s r dr qr r qr Ri p v
(4) ' ' ' ' ( ) qr r s dr r dr Ri p v
(5) As potências ativa e reativa extraídas do estator estão relacionadas às correntes do rotor pelas equações (6) e (7). Assim, as potências geradas no estator podem ser controladas pelas correntes do rotor. qr s m g s i L L + V = P 2 3 (6) dr s m g s s g s i L L V L V = Q 2 3 2 3 2
(7)Nas equações (6) e (7),
P
s eQ
ssão as potências ativa e reativa no estator,L
seL
m são as indutâncias no estator e mútua,V
gé o valor de pico da tensão aplicada às bobinas do estator e
sé a frequência da rede elétrica.2.2 Teoria pq
Para o estudo do método de compensação dos efeitos do uso do retificador não controlado foi considerada a teoria p-q, a qual estuda as potências instantâneas em um circuito elétrico trifásico. Esta teoria apresenta os conceitos de potência real e imaginária, sendo a potência real equivalente à energia transferida em um sentido (por exemplo, da fonte à carga) em uma unidade de tempo, enquanto que a potência imaginária é uma grandeza relacionada à troca de energia entre fases sem contribuir para a transferência líquida de energia no circuito (Watanabe e Akagi, 2008).
Para obtenção das potências instantâneas, utiliza-se a transformada de eixos abc para (Akagi e Kanazawa, 1984) nas tensões e correntes trifásicas e
obtêm-se suas componentes correspondentes nos eixos , com isto, calculam-se as potências instantâneas pelas equações (8) e (9).
i
v
i
v
p
.
.
(8) i
v
i
v
q
.
.
(9) Conforme o apresentado em (Watanabe e Akagi, 2008), a teoria p-q permite analisar as componentes harmônicas geradas por componentes não lineares como oscilações nas potências ativa e reativas instantâneas. Assim, é conveniente expressar estas potências em termos de suas componentes constantes e oscilantes, estas decomposições são mostradas nas equações (10) e (11). p p p ~ (10) q q q ~ (11) 3 Sistema de Controle3.1 Malha de Controle de Potência
A malha de controle de potência do gerador é apresentada na Figura 3. As tensões Vabcrect e correntes Iabcrect nos terminais de entrada do retificador são utilizadas no cálculo das potências instantâneas, conforme equações (8) e (9). Posteriormente, a componente oscilatória
p
~
rect é extraída através do uso de um filtro passa-baixa de segunda ordem com frequência de corte de 50 Hz e fator de amortecimento de 0,707, e um subtrador. Com relação à potência imagináriaq
rect, é objetivode controle compensar toda potência reativa média e oscilatória. As Potências Ativa
P
Sref e reativaQ
Sref do estator são os valores de referência a serem produzidos pelo gerador eólico que subtraídas de suas respectivas componentes de compensação geram as correntes de referência no rotor, conforme equações (12) e (13). S m s g qr P L L V = i 1 3 2 (12) m s g S m s g dr L V + Q L L V = i 1 3 2 (13)3.2 Malha de Controle da Corrente do Rotor As correntes do circuito rotórico são medidas, transformadas para os eixos dq e comparadas com valores de referência gerados na malha de controle de potência. O sinal de erro é inserido em um controlador PI ajustado para proporcionar rápidos transitórios e estabilidade ao sistema.
A dinâmica da corrente elétrica do rotor, definida a partir dos parâmetros elétricos do gerador, é representada pela função de transferência, conforme equação (14). r rs r L s G 1 ) ( (14)
em que Lr 845mH e rr 44, são a indutância e resistência elétrica do rotor, respectivamente. O índice 0,1491 relaciona as indutâncias da máquina através da equação (15).
r s m L L L2 1 (15)
A partir da equação (14) é possível sintonizar os ganhos do controlador PI utilizando o método Ziegler-Nichols em malha aberta que utiliza a resposta do sistema a uma entrada em degrau. A função de transferência do controlador é dada por
s s s C( )7762,6 10,0051 (16) Em que, 58926 , 39 0051 , 0 6 , 7762 p p x K K (17) 6 , 7762 i K (18)são os ganhos proporcional (Kp) e integral Ki, respectivamente.
A malha de controle de corrente gera sinais PWM que definem a comutação das chaves no conversor do lado do rotor. Para gerar os sinais de comutação das chaves utiliza-se o controle vetorial apresentado em (Voltolini, 2007). O sistema de controle das correntes do rotor também é apresentado na figura 3.
Figura 3. Representação da malha de controle de corrente
4 Resultados
O sistema apresentado foi simulado no software MATLAB/Simulink. Os valores usados na simulação estão expostos na Tabela 1 (Voltolini, 2007). Nas simulações realizadas a velocidade angular do rotor foi mantida constante em 150 rad/s para permitir a operação subsíncrona, com isto, variavam-se as referências de potências ativa e reativa no estator. Inicialmente tem-se que a referencia de potência ativa gerada no estator de 2 kW e reativa nula.
Tabela 1. Valores usados em simulação.
Pnom 3 kW L 20 mH Vlinha 380 V p 2 p. pólos C 2 mF Rs 3.75 Ω Rr 4.4 Ω Pnom 1 kW L1s 33.3 mH L1r 94.1 mH Pnom 1 kW Lm 750.9 mH DFIG Filtro Indutivo Banco de Capacitores Retificador Inversor
As potências instantâneas ativa e reativa geradas no estator são apresentadas na Figura 4. Como forma de comparação entre os métodos com compensação e sem compensação, no tempo t=2s o algoritmo de compensação é ativado. Veja que as oscilações nas potências ativa e reativa são aumentadas para reduzir as oscilações entregues a rede de alimentação.
Figura 4. Potências ativa e reativa instantâneas no estator.
A partir de t=4s, o valor de referência de potência gerada no estator é aumentado de 2 kW para 2,5 kW; entre t=6s e 8s, a referência de potência reativa é de
kVar 5 ,
0 , indicando que o gerador é posto para consumir reativos da rede, enquanto que entre t=8s e 10s muda-se a referência de potência reativa para
kVar 5 , 0
, assim o gerador deve suprir reativos à rede.
A figura 5 apresenta as potências instantâneas fornecidas à rede. Veja que parte das potências produzidas no estator da máquina é consumida pelo retificador não controlado.
Na Figura 6, são mostradas as corrente injetadas na rede. É possível afirmar que as componentes harmônicas de menor ordem são eliminadas após o início da compensação ainda mantendo-se o valor eficaz desejado de corrente. Para verificar a redução de harmônicos no sistema, utiliza-se o índice de Distorção Harmônica Total (THD), definido por (Nashed e Eskander, 2012) 1 2 2 y y THD h h
(19)Onde y representa um sinal qualquer e h é a ordem dos harmônicos encontrados.
O THD de corrente antes e depois da compensação são respectivamente 0,166 e 0,037.
Figura 6. Correntes injetadas na rede
A redução dos harmônicos nas correntes cedidas à rede e redução do valor médio de potência imaginária, permite que os condutores usados para a transmissão da energia elétrica produzida pelo gerador conduzam menores correntes.
Oscilações são geradas nas correntes do estator para compensar as correntes distorcidas absorvida pelo retificador, este fato pode ser verificado na figura 7.
Figura 7. Correntes no Estator
O torque eletromagnético gerado pela máquina tem relação com as correntes do rotor, conforme figuras 8 e 9, respectivamente. Assim, é importante salientar que a compensação de potência gera oscilações nas correntes do rotor, implicando no aparecimento de torques eletromagnéticos pulsantes (Fan e Yuvarajan, 2010). Veja que no instante de 2 segundos, a amplitude das oscilações de torque é 4,5 vezes maior do que a oscilação antes da compensação.
Figura 8. Corrente Elétrica no Rotor da Máquina.
Figura 9. Torque eletromagnético gerado na máquina.
5 Conclusão
Neste trabalho, foi realizada uma análise da topologia do DFIG com conversor simplificado com configuração autocompensado. Como observado por meio de simulações o sistema permitiu o controle independente das potências ativa e reativa gerada no estator, além da compensação de componentes oscilantes de potência absorvidas pelo retificador não controlado, permitindo manter a qualidade da energia entregue à rede. Com isto, tem-se o aumento da oscilação do torque eletromagnético na máquina, porém a utilização de um retificador do lado da rede não controlado implica em simplificação do sistema de controle e redução de custos relacionados aos conversores. Assim são necessários ainda estudos quanto aos aspectos construtivos e operacionais, mas a configuração de DFIG autocompensado pode permitir a implementação de usinas eólicas com menor custo.
6 Referências
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R. Peña, J. C. Clare, and G. M. Asher (1996). Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation, Proc. IEE Elect. Power Appl., vol. 143, pp. 231–241.
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N. DanVu, G. Fujita (2013). Analysis of Self-Compensating DFIG for Wind Energy Conversion Systems. Power Engineering Conference (UPEC).
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Lingling Fan, Yuvarajan, S. Lavasseri, R. (2010).Harmonic Analysis of a DFIG for a Wind Energy Conversion System, IEEE Trans. On Energy Conversion, vol.25, no.1, pp.181-190.
Matteo F., G. D. Marques, R. Perini (2015). A Scheme for the Power Control in a DFIG Connected to a DC Bus via a Diode Rectifier”. IEEE trans. on power electronics, vol.30, No.3, pp.1286-1296.
Nashed, M. N.; Eskander, M. N. (2012). Comparing the Quality of Power Generated from DFIG with Different Types of Rotor Converters. Journal Electromagnetic Analysis and Applications. N 4. pp. 21-29.
