Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Guilherme Lira Devens
Análise da Integração da Geração Eólica ao
Sistema Elétrico de Potência
Campinas
2019
Análise da Integração da Geração Eólica ao Sistema
Elétrico de Potência
Dissertação apresentada à Faculdade de En-genharia Elétrica e de Computação da Uni-versidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, na Área de Energia Elétrica.
Orientador: Profa. Dra. Maria Cristina Dias Tavares
Este trabalho corresponde à versão final da dissertação defendida pelo aluno Guilherme Lira Devens, e ori-entado pela Profa. Dra. Maria Cris-tina Dias Tavares.
Campinas
2019
Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Rose Meire da Silva - CRB 8/5974
Devens, Guilherme Lira,
D492a DevAnálise da integração da geração eólica ao sistema elétrico de potência / Guilherme Lira Devens. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
DevOrientador: Maria Cristina Dias Tavares.
DevDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
Dev1. Geração eólica. 2. Potência reativa (Engenharia elétrica). 3. Sistemas elétricos de potência. 4. Sistemas de energia elétrica - Transmissão. 5. Fontes renováveis. I. Tavares, Maria Cristina Dias Tavares, 1962-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Analysis of the integration of wind generation to the electric power
system
Palavras-chave em inglês:
Wind generation Reactive power
Electric power systems
Electric power systems - Transmission Renewable sources
Área de concentração: Energia Elétrica Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica Banca examinadora:
Maria Cristina Dias Tavares [Orientador] Alecio Barreto Fernandes
Javier Arturo Santiago Ortega
Data de defesa: 17-12-2019
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a) - ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0003-2454-4267 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/8249858089172674
Candidato: Guilherme Lira Devens RA: 208908 Data de defensa: 17 de dezembro de 2019
Titulo da Tese: "Análise da Integração da Geração Eólica ao Sistema Elétrico de Potência"
Profa. Dra. Maria Cristina Dias Tavares (Presidente) Dr. Alecio Barreto Fernandes
Dr. Javier Arturo Santiago Ortega
A Ata de Defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão Julgadora, encontra-se no SIGA (Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese) e na Secretaria de Pós-Graduação da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
Sou especialmente grato aos meus pais, Damião e Valéria, pelo apoio, educação e incentivo. Este é um reconhecimento do compromisso que eles tiveram como os primeiros educadores da minha vida. Agradeço à minha irmã Gabriela, que me apoiou desde o início desta aventura acadêmica e que sempre comemorou minhas realizações.
Agradecimento especial à Professora Dra. Maria Cristina, por seu apoio e orientação na elaboração desse projeto.
Sou grato a Rafaela, por ter me apoiado desde o início da pesquisa e, princi-palmente, no apoio emocional nesta parte final.
Agradeço aos meus amigos Sebastian e Leandro pelos conselhos, dicas e su-gestões para o desenvolvimento desta pesquisa, bem como os demais companheiros do LTRANSP por suas contribuições.
Agradeço à Unicamp pelo apoio ao desenvolvimento da pesquisa
Agradeço também às agências de fomento que contribuíram financeiramente para o desenvolvimento deste trabalho:
∙ O presente trabalho foi realizado com apoio do CNPq, Conselho Nacional de De-senvolvimento Científico e Tecnológico - Brasil.
∙ O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
A geração eólica, em função da intermitência dos ventos, é uma fonte de energia elétrica não despachável e, consequentemente, diferente da geração convencional, injetando no sistema elétrico uma potência ativa que varia ao longo do tempo. Adicionalmente, esta geração não contribui para a inércia mecânica da rede elétrica, resultando na diminuição da força do sistema. Devido a esses fatos, alguns impactos podem ser registrados, tais como o aumento da variação de tensão e algumas consequências de redes fracas. O presente trabalho de pesquisa tem como objetivo avaliar os impactos sobre o perfil de tensão no ponto de acoplamento comum de uma usina eólica com diferentes sistemas elétricos que possuem características semelhantes aos encontrados no sistema interligado nacional (SIN), diante de cenários operativos comuns à rede elétrica.
Na pesquisa foram analisados os principais códigos de rede e as filosofias de controle da geração eólica, com foco ao controle de tensão. Foi modelado um parque eólico detalhado através de implementação computacional no PSCAD/EMTDC.
Verificou-se que a geração eólica contribui para minimizar as variações de tensão para eventos que ocorrem na rede elétrica.
Palavras-chaves: Geração Eólica; Códigos de Rede; Suporte de Potência Reativa;
Wind generation, due to the intermittency of the winds, is a non-dispatchable source of electrical energy and, consequently, different from conventional generation, as it injects to the electrical system that varies over time. Additionally, this generation does not con-tribute to the mechanical inertia of the electrical network, resulting in a decrease in the strength of the system. Due to these facts, some impacts can be registered, such as the in-crease in voltage variation and some consequences of weak networks. The present research work aims to evaluate the impacts on the voltage profile at the common coupling point of a wind power plant with different electrical systems that have characteristics similar to those found in the national interconnected system (SIN), in view of operating scenarios common to the grid electrical.
In the research, the main network codes and control philosophies of wind generation were analyzed, focusing on voltage control. A detailed wind farm was modeled through computational implementation in PSCAD / EMTDC.
The research results show the wind generation minimizes the voltage variations for events that occur in the electric grid.
Keywords: Wind Generation; Grid Codes; Reactive Power Support, Voltage Control,
Figura 1.1 – Modelo E-126 7,5 MW Onshore da Enercon. . . 19
Figura 1.2 – Comparação das dimensões do modelo Haliade-X 12 MW. . . 20
Figura 1.3 – Evolução da capacidade instalada. . . 21
Figura 1.4 – Média da velocidade anual do vento a 100 metros de altura. . . 22
Figura 1.5 – Histórico de fator de capacidade médio de parques terrestres em 12 países. . . 23
Figura 1.6 – Matriz elétrica brasileira . . . 24
Figura 1.7 – Estados com parques eólicos. . . 25
Figura 1.8 – Custo médio dos da geração eólica terrestre em 12 países (USD/kW). . 27
Figura 1.9 – Localização geográfica das linhas de transmissão e parques eólicos no Brasil. . . 29
Figura 1.10–Objetivos da pesquisa. . . 31
Figura 2.1 – Modelo Simplificado do Tipo 4. . . 36
Figura 2.2 – Representação de um full converter utilizando um back-to-back. . . . . 37
Figura 2.3 – Representação de um full converter utilizando um retificador a diodos e um conversor boost. . . . 37
Figura 2.4 – Representação do diagrama unifilar de um complexo eólico.. . . 40
Figura 2.5 – Representação da conexão do parque eólico com a rede externa. . . 42
Figura 2.6 – Margem para controle de tensão pela geração eólica. . . 53
Figura 2.7 – Limites de suportabilidade de tensão nos terminais da geração eólica. . 54
Figura 2.8 – Limite para injeção de reativos durante defeitos. . . 54
Figura 2.9 – Comparação entre as curvas de LVRT. . . 57
Figura 3.1 – Escala de tempo da atuação do controle de tensão. . . 63
Figura 4.1 – Estratégias de controle de tensão. . . 67
Figura 4.2 – Transformação de grandezas para controle da unidade conversora. . . . 67
Figura 4.3 – Lógica básica do controle do CLR. . . 68
Figura 4.4 – Controle de tensão no barramento CC. . . 69
Figura 4.5 – Fluxo de potência no link CC utilizando um braking chopper. . . . 70
Figura 4.6 – Lógica do controle de droop. . . . 71
Figura 4.7 – Curva característica do controle de droop. . . . 71
Figura 4.8 – Limite de potência reativa.. . . 73
Figura 5.1 – Sistema elétrico simplificado. . . 78
Figura 5.2 – Modelo full-converter implementado no PSCAD. . . . 79
Figura 5.3 – Disposição espacial dos feixes das fases da linha de transmissão. . . 81
trole de troque do gerador.. . . 85
Figura 5.6 – Unidade conversora do lado da rede (CLR). . . 86
Figura 5.7 – Estrutura do conversor back-to-back com os filtros passa-baixa. . . 87
Figura 5.8 – Circuito de proteção do link CC. . . . 87
Figura 5.9 – Aquisição de dados para estratégias de controle adotadas. . . 89
Figura 5.10–Controle para priorização de corrente de eixo direto ou quadratura. . . 90
Figura 5.11–Medições das variáveis de referência e controle do CLR. . . 90
Figura 5.12–Transformação das coordenadas abc para 𝑑𝑞0. . . . 91
Figura 5.13–Valores em pu da corrente e tensão no eixo 𝑑𝑞. . . . 91
Figura 5.14–Controle de tensão e potência ativa no barramento CC. . . 92
Figura 5.15–Controle da corrente em quadratura. . . 92
Figura 5.16–Comparação entre valor de referência (𝑜𝑟𝑑) e valor de saída (pu) para as correntes no eixo 𝑑𝑞.. . . 93
Figura 5.17–Referência para tensões no eixo dq. . . 93
Figura 5.18–Lógica para obter a tensão de referência. . . 94
Figura 5.19–Medições do modelo do aerogerador. . . 95
Figura 5.20–Variação da velocidade do vento. . . 97
Figura 5.21–Comparação dos modos de controle de potência reativa para variação na velocidade do vento. . . 99
Figura 5.22–Tensão no PAC diante um afundamento trifásico de 10%. . . 100
Figura 5.23–Comparação dos modos de controle de potência reativa para afunda-mento de 10% da tensão no PAC. . . 102
Figura 5.24–Tensão no PAC diante um afundamento trifásico de 50%. . . 103
Figura 5.25–Comparação dos modos de controle de potência reativa para afunda-mento de 50% da tensão no PAC. . . 106
Figura 6.1 – Sistema elétrico teste. . . 110
Figura 6.2 – Grandezas elétricas do sistema sob estudo. . . 111
Figura 6.3 – Perfis da velocidade do vento e da potência ativa para o modelo agregado.115 Figura 6.4 – Grandezas elétricas monitoradas durante a variação da velocidade do vento. . . 118
Figura 6.5 – Grandezas elétricas monitoradas para a ocorrência da conexão/remoção da carga. . . 122
Figura 6.6 – Grandezas elétricas monitoradas para a ocorrência da VTCD de 10% no PAC. . . 126
Figura 6.7 – Grandezas elétricas monitoradas para a ocorrência da VTCD de 50% no PAC. . . 130
Figura 6.8 – Grandezas elétricas monitoradas para a ocorrência da elevação de tensão.135
baixa geração. . . 143
Figura 6.11–Grandezas elétricas monitoradas para um afundamento de 10% no PAC durante uma baixa geração. . . 146
Figura 6.12–Comparação dos resultados obtidos para cada caso versus o SCR dos sistemas.. . . 149
Figura 6.13–Sistema elétrico com impedância de fonte variante. . . 151
Figura 6.14–Grandezas elétricas durante ao aumento da impedância na fonte. . . . 152
Figura A.1 – Modelo Simplificado do Tipo 1. . . 168
Figura A.2 – Modelo Simplificado do Tipo 2. . . 169
Figura A.3 – Modelo Simplificado do Tipo 3. . . 170
Figura A.4 – Faixa de frequência para operação dos aerogeradores. . . 171
Figura A.5 – Determinação de absorção e geração de reativos no PAC pela geração eólica. . . 172
Figura A.6 – Limites para atendimento do fator de potência de acordo com o valor de tensão terminal da geração eólica. . . 173
Figura B.1 – Diagrama monofásico equivalente de um gerador síncrono com excita-ção de CC. . . 176
Figura B.2 – Equivalente de circuito simplificado e diagrama fasorial do gerador sín-crono com excitação CC. . . 177
Figura B.3 – Equivalente de circuito de conexão do conversor com a rede elétrica. . . 180
Figura B.4 – Controle de tensão no barramento CC. . . 182
Figura B.5 – Rotação da pá em relação ao seu eixo longitudinal. . . 184
Figura B.6 – Representação da posição relativa das pás em um sistema de coorde-nadas, ângulos e velocidades. . . 185
Figura B.7 – Exemplo de uma Curva 𝐶𝑝𝑉 𝑠𝜆 de aerogeradores. . . . 186
Figura B.8 – Curva típica da extração de potência elétrica de acordo com a veloci-dade do vento. . . 186
Figura B.9 – Extração da máxima potência da turbina com a variação da velocidade do vento. . . 188
Figura B.10–Esquema básico para lógica PLL. . . 190
Figura B.11–Modelo mecânico da turbina e controles aplicados. . . 194
Figura B.12–Curva 𝐶𝑝 X 𝜆 de acordo com o valor do ângulo de pitch. . . . 194
Figura B.13–Representação do modelo da velocidade do vento. . . 195
Figura B.14–Cálculo da potência mecânica e torque. . . 196
Figura B.15–Variação dos parâmetros do controle da turbina para determinado perfil de vento. . . 197
Figura B.16–Componente do gerador de ímãs permanentes presente no PSCAD. . . 197
Tabela 1.1 – Potência global instalada de geração eólica no ano de 2017. . . 22
Tabela 1.2 – Capacidade instalada por estado. . . 26
Tabela 1.3 – Resultados do leilão de geração N∘ 03/2018 (A-6).. . . 26
Tabela 2.1 – Comparação entre os Códigos de Rede. . . 57
Tabela 5.1 – Dados de entrada para o modelo dos transformadores no PSCAD. . . . 80
Tabela 5.2 – Dados dos sub-condutores de fase e cabos para-raios. . . 82
Tabela 5.3 – Principais valores do modelo do parque eólico. . . 85
Tabela 6.1 – Valores utilizados na fonte de Thévenin. . . 112
Tabela 6.2 – Valores referentes ao sistema elétrico equivalente visto do PAC. . . 112
Tabela 6.3 – Valores máximo e mínimo do perfil da tensão durante a variação da velocidade do vento. . . 116
Tabela 6.4 – Valores máximo e mínimo do perfil de tensão para a conexão/remoção de carga. . . 120
Tabela 6.5 – Valores máximo e mínimo do perfil para a VTCD de 10% no PAC. . . 124
Tabela 6.6 – Valores máximo e mínimo do perfil de tensão para a VTCD de 50% no PAC. . . 131
Tabela 6.7 – Valores máximo e mínimo do perfil de tensão para a elevação de tensão.133 Tabela 6.8 – Valores máximo e mínimo do perfil para a rejeição da geração. . . 137
Tabela 6.9 – Valores máximo e mínimo do perfil para a elevação de tensão durante uma baixa geração. . . 141
Tabela 6.10–Valores máximo e mínimo do perfil para um afundamento de 10% no PAC durante uma baixa geração. . . 144
Tabela C.1 – Dados do modelo do aerogerador no PSCAD. . . 198
1 INTRODUÇÃO . . . 18
1.1 Geração Eólica no Brasil e no Mundo . . . 21
1.2 Motivação da Pesquisa . . . 28
1.3 Objetivo da Pesquisa . . . 30
1.4 Estrutura do Presente Trabalho . . . 31
1.5 Trabalho Submetido . . . 33
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DA GERAÇÃO EÓLICA E INTE-GRAÇÃO COM O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA . . . 34
2.1 Tipos de Aerogeradores . . . 34
2.1.1 Tipo 4 - Modelo de Geração com Velocidade Variável - Interface Completa por Eletrônica de Potência . . . 35
2.1.1.1 Diferentes Configurações do Tipo 4 . . . 36
2.2 Conexão dos Parques Eólicos à Rede Elétrica . . . 38
2.2.1 Representação do Modelo de Parque Eólico para Estudos Computacionais . 39 2.2.2 Desafios da Conexão de Parques Eólicos com a Diminuição da Força da Rede 41 2.2.3 Impactos Provocados Sobre o Planejamento e a Operação dos Sistemas elétricos . . . 45
2.2.4 Impactos Provocados Sobre a Qualidade de Energia do Sistema Elétrico . . 46
2.2.5 Impactos na Estabilidade do Sistema Elétrico . . . 48
2.2.6 Demais Impactos Provocados pela Geração Eólica . . . 50
2.3 Aspectos Regulatórios no Brasil e no Mundo. . . 50
2.3.1 Procedimento de Rede do SIN Referente à Geração Eólica . . . 52
2.3.2 Comparação de Códigos de Rede . . . 55
2.4 Considerações Finais . . . 58
3 CONTROLE DE TENSÃO E GERAÇÃO EÓLICA . . . 59
3.1 Importância do Controle de Tensão para o Sistema Elétrico . . . 59
3.2 Coordenação do Controle de Tensão . . . 60
3.2.1 Coordenação do Controle dos Dispositivos Internos . . . 60
3.2.2 Coordenação do Controle do Parque Eólico com Usinas/Dispositivos Vizinhos 61 3.3 Nível Hierárquico do Controle Coordenado de Tensão . . . 62
3.4 Representação do Controle de Tensão no Modelo Dinâmico Sim-plificado . . . 63
4.1 Estratégias para o Controle de Potência Reativa e Ativa . . . 65
4.1.1 Valor da Tensão CC de Referência . . . 69
4.1.2 Valor da Potência Reativa de Referência . . . 70
4.2 Estratégias para Controle LVRT . . . 73
4.3 Considerações Finais . . . 76
5 MODELAGEM DO SISTEMA ELÉTRICO SOB ANÁLISE . . . 78
5.1 Modelagem dos Transformadores . . . 79
5.2 Modelagem da Linha de Transmissão . . . 80
5.3 Modelagem da Fonte Equivalente . . . 82
5.4 Modelagem da Variação de Tensão de Curta Duração . . . 82
5.5 Modelagem da Carga . . . 83
5.6 Modelagem do Parque Eólico do PSCAD/EMTDC . . . 83
5.6.1 Modelagem do componente de escala . . . 85
5.6.2 Conversor Back-to-Back . . . 86
5.6.3 Controles Implementados . . . 89
5.7 Modo de Controle de Tensão e LVRT . . . 95
5.7.1 Caso 1: Variação do Perfil do Vento . . . 97
5.7.2 Caso 2: Afundamento de 10% da tensão na barra do PAC . . . 100
5.7.3 Caso 3: Afundamento de 50% da tensão na barra do PAC . . . 103
5.8 Considerações Finais . . . 106
6 ANÁLISE DO SISTEMA EÓLICO PARA DIFERENTES SISTE-MAS EQUIVALENTES EM RELAÇÃO À REGULAÇÃO DE TENSÃO108 6.1 Integração do Parque Eólico ao Sistema de Transmissão . . . 109
6.2 Determinação dos Parâmetros da Fonte Equivalente . . . 111
6.3 Diferentes Cenários para Geração Eólica Integrada à Rede Elétrica . 113 6.3.1 Caso 1: Variação no Perfil do Vento . . . 114
6.3.2 Caso 2: Conexão/Remoção de Carga . . . 119
6.3.3 Caso 3: Afundamento momentâneo de tensão de 10% no PAC . . . 123
6.3.4 Caso 4: Afundamento momentâneo de tensão de 50% no PAC . . . 127
6.3.5 Caso 5: Elevação da Tensão de 10% no Sistema Equivalente . . . 131
6.3.6 Caso 6: Perda de Metade da Geração . . . 136
6.3.7 Caso 7: Elevação de Tensão de 10% com Baixa Geração Eólica . . . 140
6.3.8 Caso 8: Afundamento de tensão de 10% com Baixa Geração Eólica . . . . 144
6.4 Considerações Finais . . . 147
7 CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS . . . 153
REFERÊNCIAS . . . 157
ANEXOS
166
ANEXO A – DADOS COMPLEMENTARES A FUNDAMENTA-ÇÃO TEÓRICA . . . 167A.1 Demais Tipos de Aerogeradores . . . 167
A.1.1 Tipo 1 - Modelo de Geração com Velocidade Fixa - Diretamente Conectado à Rede Elétrica . . . 167
A.1.2 Tipo 2 - Modelo de Geração com Velocidade Variável Limitada - Direta-mente Conectado à Rede Elétrica . . . 168
A.1.3 Tipo 3 - Modelo de Geração com Velocidade Variável Limitada - Interface Parcial por Eletrônica de Potência . . . 169
A.2 Demais Aspectos do PR para Integração da Geração Eólica ao SIN 170 A.2.1 Demais Requisitos do PR do SIN Referente à Geração Eólica . . . 171
ANEXO B – DADOS COMPLEMENTARES SOBRE AS PRINCI-PAIS FILOSOFIAS DE CONTROLE E SUA MODE-LAGEM NO SISTEMA TESTE IMPLEMENTADO . 175 B.1 Modelagem do Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes . . . 175
B.2 Conversor Eletrônico back-to-back . . . 179
B.2.1 Dinâmica da Corrente Elétrica do CLR . . . 180
B.2.2 Potência Ativa e Reativa . . . 181
B.2.3 Dinâmica do link CC . . . 181
B.3 Extração da Energia do Vento . . . 182
B.3.1 Estratégias para o Controle da Extração de Máxima Potência dos Ventos . 187 B.4 Estratégia do Controle do Conversor Back-to-Back . . . 188
B.4.1 Estratégias para Sincronização com à Rede . . . 189
B.4.2 Estratégias para o Chaveamento dos Conversores Eletrônicos . . . 190
B.4.3 Considerações Sobre o Controle devido a Diminuição da Força da Rede . . 191
B.5 Modelagem do Sistema Mecânico Implementado no PSCAD . . . . 192
B.6 Componentes elétricos do aerogerador . . . 196
B.6.1 Máquina Elétrica . . . 196
ANEXO C – PARÂMETROS DO AEROMODELO DO GERADOR DE PSCAD . . . 198
1 INTRODUÇÃO
O aumento da poluição no mundo e as possíveis consequências das mudanças climáticas, decorrem, em parte, dos processos de geração de energia, acarretando em uma forte pressão para diminuição da utilização de fontes de energia poluentes. Adicional-mente, a volatilidade do preço do barril do petróleo, a necessidade da diversificação da matriz energética e o aumento da demanda levaram à necessidade de se investir em fontes alternativas de energia que utilizam recursos renováveis além das usinas hidroelétricas, devido, em grande parte, ao avanço da tecnologia e à redução do custo das instalações. Por conseguinte, fontes de energia como a eólica, solar e biomassa estão ganhando força no cenário atual (AQUILA, 2015; CAVADOS,2015; SILVA,2017).
De forma específica, a fonte de energia eólica faz parte da história da huma-nidade. Seus primeiros registros de utilização remetem ao Egito com datação próxima de 5.000 A.C. onde foi usada para a navegação no Rio Nilo. Foi utilizada também em moi-nhos de vento simples nos anos de 200 A.C. na China, Pérsia e Oriente Médio. Já para a produção de energia elétrica, os primeiros testes com aerogeradores foram com modelos de eixo vertical no final do século XIX na Escócia.
Na mesma época, nos Estados Unidos, era testado um aerogerador de corrente contínua e que utilizava uma turbina com 144 pás. Porém, esses estudos e testes seguiram com maior destaque na Dinamarca com Poul la Cour, onde foi marcada a transição entre os tradicionais moinhos de vento e os novos modelos de conversão de energia eólica em energia elétrica, com potência na faixa de 10 a 35 kW. Esses modelos usavam corrente contínua para transmissão. Já em 1957 o engenheiro dinamarquês Johannes Juul construiu o primeiro aerogerador de indução com potência de 200 kW, turbina de três pás, que controlava o torque aerodinâmico a partir do controle de estol e transmissão era feita em corrente alternada, sendo esse o precursor do modelo dinamarquês de aerogeradores (MARTINS; GUARNIERI; PEREIRA, 2008; PINTO,2013; SILVA,2017; SOHN, 2014). Com a crise do petróleo no início da década de 1970, as fontes ditas renová-veis (não hidráulica) começaram a ganhar mais destaque, resultando no desenvolvimento das tecnologias que promovem a utilização dessas fontes, culminando, portanto, em um amadurecimento da indústria eólica. A partir de então, as pesquisas avançaram e as po-tências dos aerogeradores foram evoluindo até que, atualmente, modelos de aerogeradores marítimo (em inglês offshore) chegam a 12 MW. Hoje existem parques eólicos e com-plexos eólicos de grande porte com potências instaladas na escala de GW. Nesse sentido é destacado o parque eólico terrestre Jaisalmer Wind Park na Índia, com potência de 1,064 GW. No Brasil a Subestação de João Câmara III no Rio Grande do Norte reúne
diversos parques eólicos terrestres (em inglês onshore), formando um complexo eólico de aproximadamente de 1,2 GW. Prevê-se que o maior parque eólico do mundo seja finalizado até o ano de 2020 na China, com capacidade instalada de 20 GW (RAMOS; VALENÇA; FILHO, 2018; SOHN, 2014).
A Figura1.1mostra um exemplo de um aerogerador moderno de grande porte. Trata-se de um modelo terrestre de potência de 7,5 MW com a nacele a aproximadamente 135 metros de altura e pás de 58 metros de comprimento que foi desenvolvido pela Enercon (ENERCON, 2019).
Figura 1.1 – Modelo E-126 7,5 MW terrestre da Enercon. Fonte:(ENERCON, 2019).
Em relação à geração marítima, a empresa GE Renewable Energy possui o modelo com maior potência nominal do mundo (nomeado de Haliade-X), que está em teste na Holanda. Esse aerogerador tem capacidade de 12 MW, diâmetro do rotor de 220 metros, altura total de 260 metros, pás com 107 metros, área varrida pelas pás de 38.000 𝑚2, fator de capacidade de 63 % e pode gerar anualmente 67 GWh (GE Renewable
Energy, 2019). A Figura 1.21 mostra a comparação das dimensões desse modelo com
outras construções conhecidas mundialmente.
Figura 1.2 – Comparação das dimensões do modelo Haliade-X 12 MW.
Pode-se destacar algumas vantagens e desvantagens dos sistemas de geração eólica (ACKERMANN, 2005; PINTO, 2013). Dentre as vantagens destacam-se:
∙ Rápida construção do parque eólico, quando comparado com outras centrais de geração de diferentes fontes primárias;
∙ Fonte renovável e limpa; ∙ Fonte primária sem custo;
∙ Possibilidade de complementaridade com o regime hidrológico; ∙ Queda significativa do preço do kW instalado nos últimos anos;
∙ Um dos melhores custo-benefício em termos de usinas geradores de eletricidade;
Dentre as desvantagens, destacam-se:
∙ Poluição visual e sonora;
∙ Impacto em rotas de animais voadores e guiados por som;
∙ Intermitência dos ventos - despacho da energia não pode ser programado; ∙ Energia não pode ser armazenada;
1.1
Geração Eólica no Brasil e no Mundo
Como mencionado anteriormente, a utilização da fonte eólica para a geração comercial de energia elétrica teve início na Europa e nos Estados Unidos. Em outros países o processo de integração das fontes eólicas na matriz energética começou mais tardiamente. No Brasil, a aproveitamento energético da energia eólica começou em 1992 com a instalação do primeiro aerogerador com operação comercial no arquipélago de Fernando de Noronha.
Atualmente no Brasil e no Mundo o aproveitamento da energia eólica já é rea-lidade e é competitivo economicamente com outras fontes de energia elétrica (MARTINS;
GUARNIERI; PEREIRA, 2008). Na Figura1.3 é mostrada a capacidade de geração
eó-lica acumulada instalada globalmente do ano de 2001 a 20172. Nessa figura percebe-se
o crescimento progressivo da oferta de geração de fontes eólicas e, consequentemente, o aumento da importância dela nos sistemas de energia elétrica.
Figura 1.3 – Evolução da capacidade instalada. Fonte: (GWEC, 2018).
A China é o país com maior capacidade instalada de geração eólica e apre-senta perspectivas de aumento do aproveitamento desta fonte, uma vez que possui regiões favoráveis e experimenta, nos últimos anos, uma redução significativa dos custos de im-plementação de parques eólicos. Em seguida aparecem os Estados Unidos e Alemanha. O Brasil já surge como uma das maiores capacidades instaladas, ocupando a oitava po-sição e, assim como a China, apresenta tendência de crescimento na potência instalada por motivos semelhantes. A Tabela 1.1 mostra a potência instalada em cada país e seus percentuais correspondentes na participação mundial até o final do ano de 2017.
2 Os dados apresentados nesse Capítulo referente à geração eólica no Brasil e no Mundo foram coletadas
Tabela 1.1 – Potência global instalada de geração eólica no final do ano de 2017. Fonte: (GWEC, 2018) País Potência (GW) % China 188,2 35 EUA 89,1 17 Alemanha 56,1 10 Índia 32,8 6 Espanha 23,2 4 Reino Unido 18,9 3 França 13,8 3 Brasil 12,8 2 Canadá 12,2 2 Itália 9,5 2 Resto do Mundo 83,0 15 Total Top 10 456,6 85 Total do Mundo 539,6 100
Na Figura 1.4 é apresentada a velocidade média anual (em m/s) do vento a 100 m de altura no Brasil. Percebe-se que o litoral da região Nordeste apresenta as maiores médias, seguido da região do interior do Nordeste e litoral da região Sul. O va-lor total estimado de potência eólica a ser aproveitado em terra é superior a 500 GW,
Figura 1.4 – Média da velocidade anual do vento a 100 metros de altura. Fonte: (NEIVA et al.,2017).
sendo que a matriz elétrica brasileira atualmente apresenta uma potência total instalada de aproximadamente 170 GW ( ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2018). Além disso, outro fato que demonstra o potencial brasileiro, é o elevado fator de capacidade, que relaciona o quanto é produzido de energia elétrica em relação a potência total instalada em determinado período. O fator de capacidade médio do Brasil foi de 42% em 2018, chegando a 60% em períodos de melhor aproveitamento, contra fator de capacidade médio mundial de 25%. O Brasil possui ventos que agregam unidirecionalidade, constância e velocidade estável ( ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE
ENERGIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2018). O Brasil se destaca nesse quesito para
par-ques terrestres em uma amostra de 12 países, apresentando o maior fator de capacidade, como segue na Figura 1.5 (IRENA,2019).
Figura 1.5 – Histórico de fator de capacidade médio de parques terrestres em 12 países. Fonte: (IRENA, 2019).
distribuída, já que era conectada ao sistema de distribuição, gerando pequenos blocos de potência. No Brasil a geração eólica segue a tendência da geração hidroelétrica, com a característica de grandes blocos de geração concentrados em determinadas áreas, que por sua vez podem estar localizados a grandes distâncias dos principais centros de cargas do país, fazendo necessário haver um robusto sistema de transmissão para integrar essa potência à rede. Essa característica torna a energia eólica no Brasil diferente da de lugares como a Europa, tornando necessária a realização de estudos de impactos causados por esses aproveitamentos ao sistema elétrico brasileiro (RAMOS; VALENÇA; FILHO,2018;
SULAEMAN; BENIDRIS; MITRA, 2015).
Já em abril de 2019 no Brasil ( ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2019) a geração eólica encontrava-se presente em 12 estados e com pouco mais de 15 GW de capacidade instalada, o que corresponde acerca de 9% da matriz elétrica brasileira, como pode ser visto na Figura1.6. Esta geração está distribuída em aproximadamente 600 parques eólicos, correspondendo a mais de 7.500 aerogeradores em operação, podendo abastecer 25,5 milhões de residência por mês.
Figura 1.6 – Matriz elétrica brasileira. Fonte: (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE
ENER-GIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2019)
O país vem batendo recordes de geração e no ano de 2018 foi contabilizada uma produção de energia elétrica proveniente da fonte eólica de 48,4 TWh, representando cerca de 8,6% de toda geração que foi injetada no Sistema Interligado Nacional (SIN). Em relação ao ano anterior, houve um acréscimo de aproximadamente 14,6% na geração e um aumento de 2,3 GW de potência instalada.
Grande parte da geração eólica no Brasil se encontra na região Nordeste, que no ano de 2018, por exemplo, apresentou um recorde que correspondeu, em determinado período, a quase 100% da demanda energética da região ( ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA
DE ENERGIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2018). Na Figura 1.7 são apresentados os
es-tados nos quais estão presentes os parques no Brasil. A Tabela 1.2 mostra a potência instalada por estado.
Figura 1.7 – Estados com parques eólicos. Fonte: ( ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE
Tabela 1.2 – Capacidade instalada por estado. Fonte: (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE
ENERGIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2019)
Estado MW Parques RN 4066 151 BA 3935 153 CE 2045 79 RS 1831 80 PI 1638 60 PE 782,0 34 MA 328,8 12 SC 238,5 14 PB 157,2 15 SE 34,5 1 RJ 28,1 1 PR 2,5 1 Total 15.088 601
Políticas governamentais propiciaram um estímulo ao desenvolvimento da in-dústria eólica no país. No Brasil estão presentes diferentes fabricantes (pás, torre, nacele), reduzindo os custos de logística e manutenção, o que ajudou os projetos eólicos a apre-sentarem uma viabilidade econômica (SILVA,2017).
Um exemplo da competitividade das fontes eólicas é o leilão em ambiente regulado de geração 𝑛∘ 03/2018 em que as eólicas tiveram o menor preço médio final, no valor de R$ 90,45/MWh. O preço médio final de todas as negociações desse leilão (Usinas Hidrelétricas, Pequenas Centrais Hidrelétricas, Centrais Geradoras Hidrelétricas, Eólicas, Térmicas a Biomassa e Térmicas a Gás Natural) foi de R$ 140,87/MWh como registrado pela ANEEL. A Tabela 1.3 sintetiza os principais resultados desse leilão.
Tabela 1.3 – Resultados do leilão de geração N∘ 03/2018 (A-6).
FONTE N∘ de Usinas Potência (MW médios)
Preço (R$/MWh)
Hidrelétricas 11 78,7 181,48
Usinas Eólicas 48 420,1 90,45
Usinas Térmicas à Biomassa 2 9,8 175,59
Térmica a Gás Natural 1 326,4 179,98
Outro fator que é considerado relevante para a expansão da geração eólica no Brasil é a comercialização da energia eólica no mercado livre, onde é possível negociar livremente as condições contratuais entre as partes interessadas. Isto vem incentivando empresas geradoras a investirem em novos parques eólicos motivados por possibilidades de conseguirem contratos mais vantajosos e, por outro lado, as empresas contratantes podem diversificar sua matriz energética com fontes renováveis que apresentam custo mais baixo
Figura 1.8 – Custo médio dos da geração eólica terrestre em 12 países (USD/kW). Fonte: (IRENA, 2019).
( ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA (ABEEOLICA), 2018). Nesse
cenário, é prevista a expansão da geração eólica no país, o que culmina na projeção de capacidade instalada no ano de 2023 de 19,4 GW.
Corroborando com a análise anterior, a Figura 1.8 apresenta os custos médios por kW instalado de parques terrestres em 12 países. A China se destaca apresentando, junto com a Índia, o menor custo total médio, próximo de US$ 1200,00 por kW em 2018. Já o Brasil experimentou reduções no preço médio por kW de 44% nos últimos 17 anos, sendo comparável com a de outros países.
Apesar da energia eólica já apresentar um patamar de preço que a torna ex-tremamente competitiva e com grande potencial para expansão, o aumento da sua par-ticipação na oferta de energia enfrenta desafios técnicos. Isto decorre da necessidade de expansão de potência complementar devido a limitações da geração com fonte eólica para
o atendimento aos requisitos de potência, e às intermitências na produção, que são pro-vocados pelo perfil estocástico dos ventos. Desta forma, a energia produzida pelas usinas eólicas podem dificultar a operação do sistema de elétrico, que é projetado para despa-char potências quase constantes (CAMELO; ASSIS, 2018; EMPRESA DE PESQUISA
ENERGÉTICA (EPE), 2016).
Apesar da utilização de sistema de previsão de curto prazo do vento ajudar no gerenciamento destas usinas, isto não transforma as usinas eólicas em usinas conven-cionais. Por esse motivo, são razoáveis as preocupações à respeito da inserção de geração eólica no sistema elétrico, pois se as centrais geradoras eólicas apresentassem um com-portamento semelhante ao de fontes convencionais, que são basicamente despacháveis e, portanto, permitem a previsão de quanto e quando pode ser injetado de potência no sistema, a principal limitação de seu uso seria contornada.
Uma das soluções para contornar o problema dos ventos é o uso de um sistema de armazenamento de energia a partir de grande parques de bateria. Porém, essa solução ainda não está sendo utilizada nos grandes parques eólicos por motivos econômicos e técnicos. Uma forma de aliviar parcialmente o problema é a utilização de eletrônica de potência e do controle do ângulo de pitch, que permitem de forma limitada que o sistema de geração eólica possa se comportar como uma usina convencional. A utilização da eletrônica de potência permite um controle mais amplo do gerador e, por consequência, um maior controle da potência ativa e uma maior faixa de operação de acordo com a velocidade do vento, assim como ocorre com os aerogeradores do Tipo 4 (MICHALKE, 2008; NEVES,
2014;SUVIRE; MERCADO,2008).
1.2
Motivação da Pesquisa
Considerando as características do SIN, tais como a localização geográfica das principais fontes de energia, das principais cargas, sistema de transmissão, matriz elétrica e suas sazonalidades de oferta de energia e o atual crescimento da exploração da fonte eólica, há necessidade de se identificar as melhores formas de harmonizar a geração eólica com o sistema elétrico. Por exemplo, pode-se citar a determinação da capacidade de inserção (hospedagem) da usina eólica em certo ponto da rede. Tal capacidade diz respeito à utilização de critérios que possibilitem dimensionar o tamanho da geração intermitente (não despachável) sem que haja prejuízo dos indicadores de qualidade de energia e não comprometa a boa operação do sistema elétrico (BOLLEN; HASSAN,2011;
TEODORESCU; LISERRE; RODRÍGUEZ, 2011).
Dentre as regiões brasileiras com potencial eólico, a região Nordeste se destaca, como visto na Figura 1.7. Essa região apresenta o maior potencial instalado e o maior potencial para novos parques tanto terrestre quanto marítimos (CAVADOS,2015;SILVA,
Figura 1.9 – Localização geográfica das linhas de transmissão e parques eólicos no Brasil. Fonte: (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (EPE),2019).
2017). Do ponto de vista das condições propícias para geração eólica de parques de larga escala, que requerem condições climáticas e geográficas apropriadas, geralmente estes se encontram distantes das redes de transmissão onde poderiam se interligar no SIN, ou próximo de pontos do sistema que foram projetados para atendimento de pequenas cargas, o que pode, em casos críticos, inviabilizar a integração da fonte eólica.
Portanto, é necessária a realização de estudos para determinar a capacidade de escoamento da energia gerada por esses parques e, assim, determinar a necessidade de construção de novas linhas de transmissão e/ou reforço da rede elétrica para a integração da geração eólica ao sistema elétrico, sem que ocorra prejuízo da operação da rede como um todo (RAMOS et al.,2017). A Figura1.9mostra as áreas de maior concentração dessa geração.
As condições descritas acima podem levar a rede externa, onde haverá a injeção da energia gerada pelo parque ao SIN, a apresentar condições de rede fraca no PAC (Ponto de Acoplamento Comum), o que significa baixa relação de curto-circuito (em inglês: Short Circuit Ratio-SCR). Desta forma, tanto os controles internos do parque quanto os indicadores de qualidade de energia ficam mais susceptíveis à redução de desempenho (ZHOU et al., 2013).
Com o intuito de garantir que os parques eólicos não comprometam os requi-sitos de qualidade e confiabilidade da rede e, portanto, não excedam a capacidade de certo ponto do sistema de receber as fontes intermitentes, algumas exigências para a co-nexão são apresentadas nos Procedimentos de Rede (PR) do SIN. Pode-se citar a faixa de operação de tensão, o fornecimento de suporte para controle de tensão, a faixa de
fator de potência e a capacidade de suportabilidade a subtensões (em inglês: Low Voltage Ride-through-LVRT).
Além disso, considerando-se a característica continental do Brasil e do SIN formado, predominantemente, por um sistema CA (linhas de corrente alternada), o su-porte de potência reativa é muito importante para auxiliar a manutenção da tensão dentro de níveis adequados de operação e, consequentemente, manter a transmissão de potência ativa adequada para atender à demanda.
Desta forma, é necessário que sejam feitos estudos de viabilidade técnica para a conexão de grandes montantes de geração eólica a determinados pontos do SIN. Esse fato motivou o autor a elaborar a presente pesquisa, buscando verificar, diante diferentes cenários, o comportamento da geração eólica e o impacto à rede elétrica. Além disto, entende-se que a comparação dos resultados encontrados com as exigências do PR podem auxiliar na determinação da capacidade de integração da geração eólica aos sistemas elétricos.
1.3
Objetivo da Pesquisa
À luz desse cenário, a integração crescente de geração eólica com tecnologia que permite o suporte de potência reativa é um aspecto importante a ser estudado. Portanto, o cerne desse trabalho é analisar a contribuição do aerogerador do tipo 4 (full converter ) operando no modo de controle de tensão para auxiliar na operação do sistema diante de diferentes eventos (regime permanente e dinâmico) e, por consequência, permitir uma maior confiabilidade e segurança da rede elétrica.
Nesse sentido, no presente trabalho é considerada a integração de um grande parque eólico variando a potência de curto circuito trifásico no PAC, de acordo com as características do sistema brasileiro.
Dentre as situações analisadas estão: variação do despacho de potência ativa do parque eólico em decorrência da variação da velocidade do vento e de perdas de aero-geradores, variações momentâneas de tensão e variação de carga no sistema vizinho.
São verificados os comportamentos da tensão, potência ativa e reativa, e se os valores respeitam as exigências do PR elaborado pelo ONS, determinando, desse modo, a possibilidade da integração da geração eólica à rede elétrica. Além disso, são realizadas comparações dos resultados obtidos para os diferentes sistemas equivalentes a fim de relacionar possíveis causas da perda de desempenho de parques eólicos com as variações dos parâmetros do sistema externo.
O sistema analisado está implementado na plataforma PSCAD/EMTDC, uti-lizando um modelo agregado de parque eólico com uma modelagem mais complexa,
re-presentando a dinâmica da turbina, o gerador, os conversores e seus respectivos controles, filtros e o transformador individual do aerogerador. Para a modelagem do sistema elétrico externo ao parque eólico foram considerados um transformador elevador, que apresenta características reais do SIN, uma linha de transmissão otimizada e os diferentes equiva-lente do sistema, que foram modelados com valores de potências de curto circuito trifásico reais do SIN.
A utilização do software PSCAD/EMTDC, que permite a correta representa-ção da dependência dos parâmetros elétricos da linha de transmissão com a frequência, é um destaque do presente trabalho, pois em grande parte dos trabalhos referências as linhas são representadas apenas por equivalentes RL, que são agregados ao sistema equivalente. De forma didática, os objetivos dessa pesquisa podem ser divididos entre o objetivo geral e os objetivos específicos. A Figura1.10apresenta a sequência dos objetivos a serem alcançados. Identificação dos Aspectos Relevantes da Integração da Geração Eólica à Rede Estudar os Impactos e Contribuições da Geração Eólica Avaliar os Principais Pontos dos Códigos de
Rede com Foco no PR
Estudar os Princípios de Controle e Foco na Regulação de Tensão Modelagem do Sistema e Realização das Simulações Verificar os Resultados em Relação a Força da Rede Verificar os Resultados em Relação ao PR Objetivo Geral Objetivos Específicos
Figura 1.10 – Objetivos da pesquisa.
1.4
Estrutura do Presente Trabalho
O presente capítulo traz uma introdução ao tema de geração eólica, fazendo uma breve revisão histórica, finalizando com a previsão para expansão da geração eólica para os próximos anos. Desta forma é apresentada a relevância do assunto no cenário nacional e o objetivo a ser alcançado no término dessa dissertação.
de tópicos como os principais modelos de aerogeradores, simplificações adotadas para o modelo utilizado nas simulações desse trabalho, análise da conexão dos parques eólicos ao sistema elétrico e dos desafios da conexão com sistemas fracos, os impactos da geração eólica no sistema elétrico de potência e os aspectos regulatórios no Brasil e em outros países.
O Capítulo 3 apresenta a importância do controle de tensão e suporte de potência reativa para o sistema elétrico e como a geração eólica pode contribuir para a manutenção da segurança operacional da rede.
O Capítulo 4 apresenta uma introdução às estratégias de controle que podem ser adotadas pelos parques eólicos e os seus benefícios ao sistema elétrico, além de descre-ver o modo de controle de tensão, que é importante para esse estudo. É analisado também como essas estratégias são necessárias para que os parques eólicos atendam os requisitos para integração com o sistema elétrico. Não é a intenção desse trabalho apresentar um estudo aprofundado das diferentes estratégias e de seus controles, objetivando apenas um estudo de forma mais ampla dos conceitos mais aplicados e apresentação de uma literatura em que possam ser encontrados conceitos e estratégias mais detalhadas.
O Capítulo5descreve a modelagem do sistema usado para simulação. Apresentam-se as premissas adotadas e os métodos usados. Destacam-Apresentam-se a modelagem do parque eólico estudado, especificamente o modelo e os parâmetros dos componentes do sistema elétrico, como a linha de transmissão e a fonte equivalente, a apresentação e modelagem dos even-tos que serão estudados, além de uma apresentação de forma detalhada do aerogerador utilizado.
O Capítulo 6apresenta a análise do comportamento das variáveis elétricas no sistema elétrico para uma extensa análise de sensibilidade, especificamente para varia-ções no perfil do vento, perda de aerogeradores, variavaria-ções de tensão de curta duração e conexão/rejeição de carga. Os resultados obtidos são analisados e comparados com os requisitos do SIN.
O Capítulo 7resume as principais conclusões do trabalho, apresentando uma conceituação geral dos tópicos abordados, resultados encontrados, problemas enfrentados e propostas para trabalhos futuros.
Os anexos presentes no final desse trabalho fornecem fundamentações para o maior entendimento dos tópicos abordados nos capítulos citados anteriormente. No AnexoAsão apresentados os principais tipos de aerogeradores utilizados comercialmente, além dos demais tópicos abordados no procedimento de rede do SIN. O Anexo B são apresentadas as informações complementares sobre a teoria e equações utilizadas para a elaboração das estratégias de controle desse trabalho. Por fim, o AnexoCsão apresentados os parâmetros do modelo do aerogerador implementado no PSCAD.
1.5
Trabalho Submetido
No período referente a elaboração desse trabalho uma publicação foi submetida e teve o resumo aprovado, como apresentado a seguir:
∙ C. Zevallos, G. Lira, M.C. Tavares. “Análise do desempenho do STATCOM com estratégia de controle para operação em regime permanente e transitório”, Encontro Regional Ibero-Americano do CIGRÉ (XVIII ERIAC), Foz do Iguaçu-BR,2019.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DA
GE-RAÇÃO EÓLICA E INTEGGE-RAÇÃO COM
O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Nesta seção é apresentada uma breve revisão bibliográfica dos tópicos neces-sários para o desenvolvimento da pesquisa, especificamente a base teórica sobre a geração eólica e as implicações que o seu crescimento apresenta para o sistema elétrico. Desse modo foram analisados os seguintes pontos nesse capítulo:
∙ Apresentação do tipo de aerogerador escolhido e suas vantagens;
∙ Conexão dos parques eólicos com o sistema elétrico, apresentando suas característi-cas, suas aplicações, modelos simplificados para estudos computacionais, desafios e impactos da integração com o sistema elétrico;
∙ Revisão e identificação dos principais aspectos do Procedimentos de Rede que defi-nem o desempenho de uma operação segura e confiável do parque eólico, e são base para as análises dos resultados obtidos no Capítulo 6.
2.1
Tipos de Aerogeradores
Atualmente os aerogeradores presentes no mercado combinam vários conceitos inovadores de eletrônica de potência e estratégias de controle com tecnologias adequadas para geradores. Existem diversos tipos de aerogeradores, contudo, quatro tipos se desta-cam por serem os mais frequentes em desta-campo. Uma forma de se estudar os tipos diferentes de geradores eólicos consiste em separá-los de acordo com o controle de velocidade, fixa ou variável, sendo que quanto maior for a faixa de operação do aerogerador em relação à variação da velocidade do vento, maior será a produção de energia elétrica (MOURA,
2017).
A maior parte dos aerogeradores instalados no Brasil são DFIG, aproximada-mente 30% são de full converter ou Tipo 4, poucas unidades com rotor de gaiola ou com resistência de rotor estão presentes e são remanescentes do programa PROINFA (RAMOS;
VALENÇA; FILHO, 2018). O modelo que será a base do parque eólico em estudo nessa
pesquisa é o Tipo 4, que está ganhando destaque no mercado mundial pelo barateamento de seus componentes e também pelas vantagens elencadas a seguir. Os demais modelos estão presentes no Anexo A.
2.1.1
Tipo 4 - Modelo de Geração com Velocidade Variável - Interface
Com-pleta por Eletrônica de Potência
Essa classe consiste em aerogeradores com velocidade variável, possuindo maior faixa de operação quando comparado com a dos outros tipos. A conexão com a rede externa é feita por conversores eletrônicos. Toda potência gerada pela máquina passa pelos conversores. Nesse modelo a máquina está totalmente desacoplada da rede.
O gerador pode ser um gerador de indução com gaiola de esquilo ou rotor bobinado, ou um gerador síncrono de ímã permanente (VITTAL; AYYANAR,2013). Esse último tipo apresenta uma larga faixa de velocidade para operação e é capaz de extrair a potência máxima do vento, apresentando uma maior eficiência, não necessita de escovas nem de um conversor para alimentação do campo da máquina e, portanto, apresenta menor custo de manutenção. Caso o gerador tenha um grande número de polos, é possível evitar a utilização de caixa de engrenagens (CHINCHILLA; ARNALTES; BURGOS,2006;
REIS, 2015; RODRIGUEZ et al., 2008; SOARES,2012).
Os conversores são responsáveis por transmitir toda a potência proveniente do gerador à rede elétrica. Esse fato atribui uma vasta gama de possibilidades de estraté-gias de controle a serem aplicadas nesse modelo, tornando-o capaz de fornecer o maior número possível de serviços à rede, como suporte de potência reativa diante de diferentes cenários e o possível controle de tensão (CHINCHILLA et al., 2006;CHINCHILLA;
AR-NALTES; BURGOS, 2006; VITTAL; AYYANAR, 2013; REIS, 2015). Além disto, pode
ser implementado separadamente o controle do conversor do lado da máquina e do lado da rede.
De modo geral, as funções do conversor do lado da máquina (CLM) são:
∙ Rastreamento da máxima potência sob variações da velocidade do vento, contro-lando a frequência, magnitude e fase das tensões trifásicas aplicadas nos terminais do estator;
∙ Controle do fator de potência unitário com o intuito de obter a máxima potência ativa da máquina;
∙ Pode ser controlado para fornecer suporte inercial e de frequência, utilizando a inércia inerente da turbina eólica durante as contingências da rede.
Resumidamente, as funções do conversor do lado da rede (CLR) são:
∙ Transferência da potência gerada para a rede; ∙ Regulação da tensão no link CC;
∙ Prover suporte à rede, por exemplo, suporte para recuperação de faltas, suporte de potência reativa e regulação de tensão.
A Figura 2.1 mostra os componentes básicos da geração eólica descrita nessa seção, apresentando os componentes de um aerogerador do Tipo 4 na estrutura física. O modelo de gerador eólico utilizando interface completa por eletrônica de potência para conexão com a rede, conhecido também como full converter, devido às suas vantagens se apresenta como a tecnologia mais promissora para a geração eólica, com grande cresci-mento na sua exploração (BLAABJERG; CHEN, 2006; BLAABJERG; MA, 2013; EL-SHARKAWI,2016). O aerogerador do tipo 4 é o escolhido para ser utilizado nos estudos desse trabalho.
Figura 2.1 – Modelo Simplificado do Tipo 4. Fonte: (VITTAL; AYYANAR, 2013 )(Adap-tado).
2.1.1.1 Diferentes Configurações do Tipo 4
Existem algumas topologias de conversores eletrônicos utilizados no modelo full converter que permitem ao gerador operar em velocidade variável. Dentre as possibilidades existentes duas se destacam e se diferenciam principalmente na estrutura do conversor eletrônico do lado da máquina, e são elas (SOARES et al., 2012; PEREIRA et al., 2013;
SANTOS,2015):
∙ Conversor síncrono com retificador e inversor PWM;
∙ Conversor síncrono com retificador a diodo mais conversor boost.
A primeira topologia, presente na Figura 2.2, é formada por dois conversores estáticos PWM trifásicos, também conhecidos como back-to-back, e conectados por um link CC, que apresenta tensão mais elevada do que o lado CA. Esse modelo é muito versátil, possibilita o fluxo de potência bidirecional com controle de potência dos dois lados e é o mais utilizado para o full converter (SANTOS, 2015). A implementação do controle
é facilitada pelo fato dos conversores apresentarem a mesma topologia, o que implica somente na troca dos valores de referência de acordo com as prioridades escolhidas.
Tradicionalmente o conversor do lado da máquina atua como um retificador controlado e atua no sentido de obter a potência convertida pelo conjunto turbina-gerador. O conversor do lado da rede atua tradicionalmente como inversor com a função de con-trolar o nível de tensão no link CC, regulação da tensão e frequência de saída, controle de fator de potência e sincronismo com a rede.
Figura 2.2 – Representação de um full converter utilizando um back-to-back. Fonte:(SANTOS, 2015).
A segunda topologia é caracterizada pela existência de dois link CC com ca-racterísticas diferentes e separados por um boost, que é um conversor CC/CC elevador. O retificador trifásico do lado da máquina é não controlado e do lado da rede possui um inversor trifásico PWM. O link CC entre o retificador e o boost apresenta tensão variá-vel, enquanto o segundo link CC, entre o boost e o inversor, apresenta tensão com perfil constante (flat) devido à variação na velocidade de rotação do gerador. O conversor boost deve elevar e regular a tensão do segundo barramento, no sentido de manter a tensão nesse ponto sempre superior à tensão CA do lado da rede, e, portanto, fazendo com que a potência ativa flua no sentido da geração para a rede, impedindo o fluxo no sentido contrário. A Figura 2.3 mostra o sistema de geração com essa topologia de conversores eletrônicos.
Figura 2.3 – Representação de um full converter utilizando um retificador a diodos e um conversor boost. Fonte:(SANTOS, 2015).
A primeira topologia apresentada, back-to-back, é uma topologia bem versátil, sendo a mais comum e com fácil implementação dos controles (SANTOS,2015;BARROS; BARROS, 2017). Essa topologia será usada nos estudos desse trabalho.
2.2
Conexão dos Parques Eólicos à Rede Elétrica
Uma usina eólica, central geradora eólica ou simplesmente parque eólico, pode ser entendido como um conjunto de aerogeradores que são interligados e convertem a energia cinética dos ventos em energia elétrica, fornecendo essa energia a uma subestação coletora que, por sua vez, conecta o parque à rede elétrica. Os parques eólicos podem se encontrar em terra firme, conhecidos como parques onshore - terrestre, ou afastados da costa, nesse caso são conhecidos como offshore - marinho ou marítimo.
As diferenças principais entre os dois tipos está no processo de construção, instalação, e integração com o sistema elétrico de potência. As torres eólicas do parque marinho normalmente são montadas em terra e transportadas montadas até o ponto de fixação em mar, já as torres dos parques terrestres geralmente são montadas no local que serão instaladas. Em relação aos componentes do parque marinhos, os mesmos precisam de uma maior proteção contra a corrosão e sua fundação depende das caraterísticas do local, como a profundidade e correntes marítimas.
Quanto à transmissão da energia gerada pelo parque eólico até o ponto de conexão com o sistema elétrico, a mesma é feita normalmente em corrente alternada para os parques terrestres, como ocorre no Brasil. Para os parques marítimos a conexão entre a subestação coletora que também pode ser marítima e a subestação do sistemas elétrico terrestre pode ser realizada por corrente alternada ou contínua, dependendo da distância a ser percorrida no mar e em terra.
É importante salientar que no Brasil ainda não há parques marítimos, mas um projeto piloto foi analisado em (PETROBRAS,2018).
Em relação a aplicação, os parques eólicos podem ser classificados, segundo (NEVES, 2014; BONELLI, 2010), em sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas in-terligados à rede elétrica. Sendo essa última classificação o foco desse trabalho.
∙ Sistema isolado: nesse caso não há integração com a rede elétrica. Portanto, a ener-gia gerada nesse sistema é destinada à alimentação de cargas locais. A utilização de sistemas de armazenamento de energia se torna imprescindível para superar os desafios impostos pela intermitência dos ventos;
∙ Sistema híbrido: nessa aplicação o sistema eólico não está conectado ao sistema elétrico, mas opera em conjunto com outras fontes de energia para contornar os
efeitos da variação da velocidade do vento. As fontes de energia podem ser: solar, pequenas centrais hidrelétricas e geradores a diesel, com o objetivo de atender regiões sem conexão com a rede elétrica;
∙ Sistema interligado à rede elétrica: Normalmente, há a presença de um número maior de aerogeradores, que conectados a uma mesma subestação coletora formam um parque eólico. Toda a energia gerada nessa aplicação é entregue ao sistema elétrico, o que minimiza os efeitos da intermitência do vento.
Dentre os aspectos relevantes da integração dos parques eólicos ao sistema de potência diversos problemas devem ser investigados, tais como os impactos das caracte-rísticas do vento sobre a programação e operação do sistema, indicadores de qualidade de energia e estabilidade da rede elétrica. De acordo com os objetivos de cada estudo é necessário primeiro determinar qual modelo de representação do parque eólico é mais apropriado para as representações computacionais (NEVES,2014;ACKERMANN,2005;
REIS, 2015; SOHN,2014;FAN, 2018).
2.2.1
Representação do Modelo de Parque Eólico para Estudos
Computacio-nais
Os parques eólicos terrestres, em foco nesse trabalho, são formados por aero-geradores individuais que geralmente apresentam potências de 2 a 3 MW, tensão terminal de 0,69 kV, com transformadores individuais para elevação da tensão e conexão com a rede interna do parque. Os aerogeradores são interligados geralmente por cabos subterrâ-neos que formam uma rede interna no nível de média tensão, como por exemplo 34,5 kV (SENA et al.,2015; SOHN, 2014). A formação de um complexo eólico se dá pela conexão das redes internas de diferentes parques eólicos e, assim, formam uma rede coletora em média tensão que se conectam ao sistema de transmissão no ponto de acoplamento comum (PAC) por meio de um transformador elevador para nível de transmissão com valores tí-picos de 138 kV, 230 kV ou 500 kV. A Figura 2.4mostra um exemplo de diagrama unifilar simplificado de vários parques eólicos que formam um determinado complexo eólico, que é conectado ao sistema de transmissão. A barra A é conectada ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e a barra B apresenta a conexão de uma carga.
A modelagem do parque eólico depende do propósito da pesquisa ou estudo. Para análises internas do parque, tais como curto-circuitos internos, análise de desem-penho de turbinas específicas, análise do comportamento aleatório do perfil dos ventos sobre os aerogeradores e outras análises, cujo objetivo é o estudo da influência individual de um aerogerador ou estudo das condições internas do parque, pode ser utilizado um modelo detalhado para a representação do parque. Para isso é necessário a representação dos seguintes componentes: a turbina, o gerador, capacitores, transformadores, sistema de
Parque Eólico A
Parque Eólico N
Complexo Eólico
Barra A PAC Barra B
Figura 2.4 – Representação do diagrama unifilar de um complexo eólico. Fonte:(SENA et al., 2015)(Adaptado).
proteção interna e rede elétrica coletora. Esse modelo também pode ser usado para estudar a resposta do parque para análises externas envolvendo estudos dinâmicos e transitórios. Porém, quando o parque ou complexo eólico contém um elevado número de aerogerado-res, a simulação se torna inviável computacionalmente. Assim é importante o estudo de outras formas de representação do parque eólico (ACKERMANN, 2005; AKHMATOV,
2003;FERNÁNDEZ et al., 2009).
Para reduzir a complexidade das simulações do modelo detalhado dos com-ponentes internos do parque, modelos equivalentes são propostos (AKHMATOV, 2003;
FERNÁNDEZ et al., 2009; NEVES, 2014) para estudar a resposta coletiva dos parques eólicos conectado ao sistema elétrico de potência. Um modelo equivalente que pode ser utilizado é o modelo dinâmico simplificado em que diversos aerogeradores dos mesmos tipos são agregados em um único aerogerador que é redimensionado para representar a potência do parque eólico. Nesse caso, é possível estudar apenas um perfil de vento que é o equivalente do que todos os aerogeradores trabalham. Para casos de parques muito grandes a característica principal é que nessa representação do vento não há variações muito bruscas na velocidade (FERNÁNDEZ et al.,2009).
O modelo agregado para parques em que os aerogeradores estão sob perfis de vento diferentes é apresentado em (SLOOTWEG; KLING, 2003), onde é usado um mo-delo dinâmico simplificado de cada aerogerador que recebe um perfil de vento diferente e o parque é representado pela união desses modelos de aerogeradores. Esse caso tam-bém é indicado para parques que se deseja representar no modelo equivalente, porém há diferentes tecnologias de aerogeradores (diferentes fabricantes).
Nesse trabalho, como o intuito é estudar a integração de um grande sistema eólico operando no modo de controle de tensão ao sistema de potência, pode-se utilizar apenas o modelo de um aerogerador para representar o parque. Portanto, seguindo essas premissas, o modelo dinâmico simplificado com o redimensionamento da potência do aerogerador individual para presentar todo o parque é utilizado. Consequentemente, o parque é formado por turbinas do mesmo tipo, com mesmas estratégias de controle e que experimentam a mesma velocidade do vento (NEVES, 2014).
Na topologia utilizada nessa pesquisa há um detalhamento maior da repre-sentação do modelo do aerogerador do Tipo 4, com a reprerepre-sentação da modelagem da turbina, gerador de ímãs permanentes, conversores e seus respectivos controles, filtros, transformador interno e componente de escala para representar o parque eólico. Para a rede externa foi utilizada uma representação mais simplificada, sendo formada pelo trans-formador elevador que conecta o parque ao sistema elétrico na barra do PAC, linha de transmissão e equivalente de Thévenin do sistema elétrico.
2.2.2
Desafios da Conexão de Parques Eólicos com a Diminuição da Força
da Rede
Devido ao aumento da integração de fontes com baixa inércia mecânica não despacháveis no SIN, a rede elétrica está se tornando menos forte. A força de uma rede é determinada por sua impedância e sua inércia mecânica, isto é, pela energia cinética armazenada nas partes rotativas dos geradores presentes na mesma. Como consta em (ACKERMANN,2005;GÖKSU,2012;HEIER,2014;ZHANG et al.,2014), a força de uma rede, ou uma barra específica, pode ser representada por sua capacidade de curto-circuito1
(Short-Circuit Capacity - SCC), que está relacionada com a quantidade de potência para uma falta franca nessa barra. O SCC é calculado seguindo a Equação 2.1.
Onde:
∙ 𝑉𝑟𝑒𝑑: Tensão nominal da rede elétrica onde o parque está conectado;
∙ 𝑍𝑟𝑒𝑑𝑒: Impedância equivalente de sequência positiva da rede vista do PAC.
𝑆𝐶𝐶 = (𝑉𝑟𝑒𝑑𝑒2 )/(𝑍𝑟𝑒𝑑𝑒) (2.1)
Para verificar a força de uma barra onde haverá a integração de um parque eólico é comum utilizar a relação de curto-circuito (Short-Circuit Ratio – SCR). O SCR de uma barra consiste na relação entre o SCC no barramento relacionado e a potência
nominal do parque (𝑆𝑃 𝐸) conectado neste barramento, representado pela Equação 2.2.
Nesse trabalho o valor do SCR é referido à barra do PAC.
𝑆𝐶𝑅 = 𝑆𝐶𝐶/𝑆𝑃 𝐸 (2.2)
Quando a rede elétrica é vista de um barramento ela pode ser representada pelo seu equivalente de Thévenin, como na Figura 2.5. Além da representação do equivalente, essa figura mostra a perda de força da barra 1 devido à substituição da geração conven-cional (SG2 e SG4) pela geração eólica, passando de um SCR de 10 para 5 (GÖKSU,
2012). P Rede Vizinha Representada Pelo Equivalente de Thévenin Linha de Transmissão Parque Eólico Agregado como Único Aerogerador Linha de Transmissão Outros Parques Outros Parques PAC PAC
Figura 2.5 – Representação da conexão do parque eólico com a rede externa. Fonte: (GÖKSU,2012) (Adaptado).
É importante destacar que o SCR não indica a força de um sistema elétrico. Um sistema com diversos sistemas de geração convencional, parques eólicos, linhas de transmissão e sistemas de compensação de reativo, apresenta diferentes valores de SCR para cada barra analisada.
Contudo, devido às considerações adotadas nessa pesquisa em que o sistema elétrico está sendo representado por um único equivalente, a utilização do valor do SCR como parâmetro para definição de força é uma boa aproximação, (GOLIEVA, 2015).
As-sim, apesar dos termos “Rede Fraca” e “Barra com baixo SCR” apresentarem significados diferentes, é possível aproximar as definições e concluir que SCR definirá a força da rede sob estudo. Tal força indica que a rede apresenta a capacidade de manter sua tensão para variações no fluxo de potência reativa que passa pela mesma. Portanto, para uma mesma variação no fluxo de potência reativa, uma rede com maior SCR apresentará menor variação de tensão do que uma rede com um SCR menor.
Alguns estudos apresentam a definição de “Nível de Penetração de Geração Eólica”. Um sistema com 15% ou mais de penetração de geração eólica é considerado com um sistema de alta penetração eólica. Por muitos anos foi considerado que um sistema elétrico não deveria ter uma penetração de geração eólica maior do que 30%, mas muitos sistemas hoje em dia operam com segurança com fatores de penetração maiores do que 50% (GOLIEVA, 2015).
Outro parâmetro importante é ângulo de impedância de curto-circuito, que é o ângulo da impedância de sequência positiva do equivalente visto da barra, que pode ser obtido da Equação 2.3, onde 𝑋𝑐𝑐 é a reatância e 𝑅𝑐𝑐 é a resistência da impedância
(ROSAS; ESTANQUIERO, 2003). Esse ângulo afeta a resposta da variação da tensão
com a injeção de potência ativa. No presente trabalho, as análises são feitas tratando apenas a influência da relação X/R, e não a denominação de ângulo de impedância de curto-circuito.
Ψ𝑐𝑐 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛(𝑋𝑐𝑐/𝑅𝑐𝑐) (2.3)
A fim de garantir a operação estável do parque eólico é necessário que algumas questões sejam identificadas, tais como (ZHOU et al.,2013):
∙ Qual o menor valor para o SCR de modo que o parque eólico ainda possa ser conectado à rede respeitando os códigos de rede?
∙ Quais são os principais problemas a serem enfrentados quando o parque eólico está conectado a uma rede fraca no estudo pretendido?
∙ Como o desempenho do parque eólico pode ser melhorado para resolver os problemas identificados?
Para o valor do SCR, como exemplo, o código dinamarquês (ENERGINET.DK,
2016) sugere que seja de 10 para ser utilizado para estudos do sistema elétrico. Esse valor torna o sistema muito forte, mas em certas circunstâncias, dependendo das características da rede e da crescente instalação de fontes renováveis, pode ser necessário considerar valores menores, (PIWKO et al., 2007; RASMUSSEN; JØRGENSEN, 2005). Segundo (GÖKSU, 2012), o código alemão afirma que o valor de SCR deve ser maior do que 6
