Energia Eólica e Solar

Texto

(1)MIEEC – Energia Eólica e Solar. Energia Eólica e Solar Tipos de Aerogeradores Modelização, Controlo e Protecções. J. A. Peças Lopes. 2007/2008.

(2) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Introdução •. Existem fundamentalmente 3 tipos de aerogeradores com aplicação industrial: – Máquinas assíncronas (com e sem controlo do ângulo de pitch); – Máquinas assíncronas duplamente alimentadas - (Doubly fed induction wind generators -DFIWG); – Máquinas síncronas de velocidade variável. Conversores Electrónicos (as máquinas assíncronas começaram por ser inicialmente utilizadas, tendo hoje uma quota de mercado muito reduzida) 2007/2008.

(3) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Tipo de Geradores •. CIGRE TF38.0110. 2007/2008.

(4) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Componentes aerodinâmicas •. Três variáveis aerodinâmicas definem o comportamento da turbina eólica: .  - relação de velocidade de extremidade das pás (tip speed ratio).  Cp - O coeficiente de potência;   - O ângulo de pitch.. •. Definem-se estratégias de controlo para os modos de operação em velocidade fixa ou em velocidade variável.. 2007/2008.

(5) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Potência disponível 1 Pw  C p AVw3 2. onde: Pw é a potência mecânica do rotor (W) Vw velocidade do vento no centro do rotor (m/s) Α=πR2 superfície varrida pelas pás (m2) R raio das pás (m) ρ densidade do ar (kg/m3) – 1,23 kg/m3 Cp coeficiente aerodinâmico do rotor (típico = 0,4) O binário mecânico pode ser calculado a partir de Pw:. Tw . Pw. R 2007/2008.

(6) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Potência disponível •. O coeficiente, Cp, é a percentagem da Wc da massa de ar incidente no rotor que é convertida em energia mecânica, sendo dada por:.  116  C p  ,   0.22    0.4    5   e  i . 12.5. i. Onde: β ó ângulo de passo da pá (pitch angle) λ é a relação de velocidade da pá (tip speed ratio), definida como:. R R  Vw 2007/2008.

(7) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Controlo do ângulo de Pitch •. Modelização do comportamento do controlo de pitch. Pmec_ref [pu] -. Ângulo de referêcia. . kp  +. Pmec [pu]. ki s. +. ref. [graus].  -. 1 s. k Ts  1. Ângulo de pitch. . [graus]. 0. Outras técnicas: -Active stall (  negativo); -Passive stall 2007/2008.

(8) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resposta ao controlo do ângulo das pás. 2007/2008.

(9) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Potência disponível. 2007/2008.

(10) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Comportamento do Gerador de Indução em Regime Estacionário •. •. O funcionamento de um gerador de indução é em todo semelhante ao de um motor de indução, com a diferença de que funciona em hiper-sincronismo; Esquema equivalente:. P  R I2 M 2. 2 1  slip slip. (1). 2007/2008.

(11) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Comportamento do Gerador de Indução em Regime Estacionário •. Em termos de potências:. P Qgi (potência reactiva) Gerador de indução Q – potência “consumida” nas reactâncias da máquina (magnetização + Xs e Xr) 2007/2008.

(12) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Comportamento do Gerador de Indução em Regime Estacionário •. Em termos de potências: – Soluções para evitar minimizar o consumo de pot. reactiva. P Bateria de condensadores. Qc Qgi (potência reactiva). 2007/2008.

(13) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Comportamento do Gerador de Indução em Regime Estacionário •. Soluções de dimensionamento das baterias de condensadores: – Compensação em vazio; – Compensação para factor de potência unitário à plena carga – Sobre-compensação para permitir fornecer energia reactiva capacitiva à rede. •. Problemas: – Acréscimo de investimento; – Riscos de auto-excitação. 2007/2008.

(14) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador de Indução para Estudos de Regime Estacionário •. A integração dos aerogeradores de indução pode requerer a realização de estudos de impacto nas redes eléctricas: – Avaliar a variação dos perfis de tensão; – Avaliar a variação das perdas na rede; – Avaliar da ocorrência de congestionamentos nos ramos.. • •. Estudos de trânsitos de potências Representação dos geradores de indução convencionais em estudos de TP: – Barramentos PQ – Barramentos PQ modificados: • Barras PX • Barras RX. – Alterações nos algoritmos de cálculo do TP 2007/2008.

(15) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos •. No modelo dinâmico de geradores assíncronos é usual definir um conjunto de pressupostos e simplificações:  A taxa de variação do fluxo magnético do estator (d/dt) é desprezada;  O rotor apresenta uma estrutura simétrica;  A força elástica e a força resultante de torção do eixo da máquina são desprezados;  A saturação magnética é desprezada;  A distribuição dos fluxos é considerada sinusoidal;  As perdas mecânicas são desprezados.. • •. Estas simplificações reduzem a complexidade da modelização, sem comprometer a qualidade dos resultados em estudos de comportamento dinâmico As grandezas da máquina encontram-se referidas ao eixo de referência síncrono d-q (transformada de Park) 2007/2008.

(16) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos •. As equações resultantes para o estator e para o rotor da máquina de indução do tipo gaiola de esquilo são d ds          v R i s ds s qs  ds dt Estator  A desprezar d qs v qs   Rs  iqs   s   ds   . Rotor Curto  circuitado. •. dt. d dr       0 v R i        dr r dr s r qr  dt  d v qr  0  Rr  iqr   s   r    dr  qr  dt. Os fluxos de dispersão são definidos como  ds   Lss  ids  Lm  idr   qs   Lss  iqs  Lm  iqr. dr  Lrr  idr  Lm  ids  qr  Lrr  iqr  Lm  iqs. Lss  Ls  Lm. Lrr  Lr  Lm 2007/2008.

(17) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos •. Onde. ed'  .  s  Lm Lrr.  qr. 2   L ' m  X   s   Lss  Lrr  . s. eq' .  s  Lm. To' . Lrr.  dr. Lr  Lm Lrr  Rr Rr. s  r s. 2007/2008.

(18) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos •. O modelo matemático dinâmico global inclui a equação do movimento (modelo de 3ª ordem): d r 1 Tm  Te   dt 2 H  ded' 1   '  ed'  X  X '  iqs  s   s  eq'  To  dt  de '  q   1  e'  X  X '  i  s    e' q ds s d  dt To'. •. Com. . . . . . . . . v ds   Rs  ids  X '  i qs  ed'  ' ' v qs   Rs  iqs  X  ids  eq. Te  ed'  ids  eq'  iqs 2007/2008.

(19) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos •. Máquina duplamente alimentada Estator. Rotor. d  ds   v ds   R s  i ds   s   qs  dt  d  qs v qs   R s  i qs   s   ds   dt. d dr  v dr  Rr  idr   s   r    qr  dt  d v qr  Rr  iqr   s   r    dr  qr  dt. v ds   Rs  ids  X '  iqs  ed'  ' ' v qs   Rs  iqs  X  ids  eq  ded' L 1   '  ed'  X  X '  iqs  s   s  eq'   s  m  v qr  Lrr To  dt  de '  q   1  e '  X  X '  i  s    e '    Lm  v q ds s d s dr  dt Lrr To'. . . . . . . . . 2007/2008.

(20) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos •. Modelo simplificado para efeito de estudos dinâmicos. fem induzida no rotor. Quando existirem também conversores electrónicos. 2007/2008.

(21) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelos eléctricos. • •. Gerador assíncrono convencional (modelo de 3º ordem). Electrical behavior. Electrical behavior 1  E're  t  2 f  s  E'im  T  E're  X  X'  I im   o   E'im  2 f  s  E'  1  E'  X  X'  I  re im re  t To X  Xr Xr  Xm X'  X e  m ; X  Xe  Xm ; To  2f0   R r Xm  Xr. Mechanical behavior  Vre  E're  R e  I re  X'I im   Vim  E'im  X'I re  R e  I im. Pg  E're I re  E'im I im Q g  E'im I re  E're I im s. .   f   Pmec  Pg t H. 2. .f   2. .f. 2007/2008. .

(22) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado •. Gerador assíncrono: – Directamente ligado à rede; – Ligado à rede via DC; – Com controlo dinâmico de deslizamento; – Double-fed induction machine Pg  jQ g. vs. ig ia. r. is. vr. va C2. ir. vdc. C1. dc / ac. ac / dc. Controller. Controller. Crowbar Protection. 2007/2008.

(23) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelos Eléctricos •. Geradores assíncronos duplamente alimentados. 1  ded ' e X X iqs   ss eq  s       d  dt  To    deq   1 e   X  X '  i   s e   q ds  s d s  dt To . Lm vqr Lrr. (6). Lm vdr Lrr. rotor speed control Iqr. dr 1  (Tm  Te ) dt J. ref. +. K KP1  I1 s. (7). Kv Tv s 1. Iqref +. KP 2 . KI 2 s. vqr. KP2 . KI 2 s. vdr. ra. Terminal voltage control Idr Vtref. + -. K KP3  I 3 s. Kt Tt s 1. Idref +. Vt. 2007/2008.

(24) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo eléctrico •. Esquema genérico de controlo de geradores DFIM Pg  jQ g. vs. ig ia. r. is. vr. va C2. ir. vdc. C1. ac / dc. dc / ac. Controller. Controller. Crowbar Protection. 2007/2008.

(25) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Equações Algébrica e Dinâmicas Observações importantes: •. As grandezas do gerador de indução podem ser controladas através de injecções de tensões controladas a partir do rotor. Na modelização adoptada a dinâmica do rotor é assim considerada;. •. Há modelos em que a máquina é suposta controlada por injecções de correntes e o modelo matemático é definido apenas por equações algébricas.. 2007/2008.

(26) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Função dos Controladores •. As tensões controladas do rotor podem ser obtidas a partir de controladores PI’s. Controlo de velocidade do rotor iqr. Wr -. +. Wref. kp1+ki1 s. -. Vt Vtef +. kp2+ki2 s. + iqref. vqr. idr -. -. kp3+ki3 s. + idref. kp4+ki4 s. vdr. Modelo do Gerador de Indução. Controlo de tensão terminal. 2007/2008.

(27) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Função dos Controladores •. Esquema de controle do Conversor ligado ao rotor. vas, vbs, vcs. Converter C1. Park's Transformation. iar, ibr, icr. PWM 2. 2. (vds + vqs). var, vbr, vcr. Park's Transformation. Inverse Park's Transformation. Wr. 1/2. Vt -. +. Vtref +. Wref vqr. vdr. iqr -. -. kp1+ki1 s. + iqref. Speed rotor control. kp2+ki2 s. kp4+ki4 s. idr +. kp3+ki3 s. idref. Terminal voltge control. 2007/2008.

(28) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Função dos Controladores •. Controlo da tensão do link DC Sinal de controle para o conversor. Pc. Pr. k s + c. + Vdcref -. +. -. Pref. Teoria da potência Instantânea. kp2+ki2 s. ica*  * icb   icc*   . Vdc. Sinais de correntes de referência de controle a partir das potencias activa e reactiva de referência.   1 0    v (t ) v (t ) 1 p (t )  c  3  1  3      q (t )  2   v  (t ) v (t )  2  2  c     3   1 2  2 2007/2008.

(29) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Função dos Controladores •. Esquema de controle do Conversor ligado à rede eléctrica. vas, vbs, vcs. Converter C2 +. Vdc. -. Clark's Transformation. PWM. v. V. ia, ib, ic Inst. Power Theory pc. qc = 0. Pr -. kp2+ki2 s. + Pref. k s + c. + Vdcref. 2007/2008.

(30) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Controlo optimizado. Nick Jenkis etal. 2007/2008.

(31) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Função dos Controladores • Potências activa e reactiva do gerador podem ser controladas utilizando-se a mesma configuração referente as malhas de controlo de velocidade e de tensão terminal. • Além do controlo da máquina através dos conversores, a turbina também pode ser controlada pelo controlo de pitch. O controlo do pitch ser utilizado para limitar a velocidade rotacional ou a potência mecânica em limites estabelecidos.. 2007/2008.

(32) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelos eléctricos •. Gerador assíncrono duplamente alimentado (Operação do crow bar). Pg  jQ g. vs. ig ia. r. is. vr. va C2. ir. vdc. C1. ac / dc. dc / ac. Controller. Controller. Crowbar Protection. Tem como objectivo garantir a integridade física dos conversores;. 2007/2008.

(33) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Operação do crow-bar Potência Activa do rotor. Tensão Terminal. Tensão do Corrente do rotor rotor. Corrente do rotor. 2007/2008.

(34) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI • Comportamento perante súbito acréscimo da velocidade do vento: (a) Regime sub-síncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02); (b) Regime hiper síncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02). • Comportamento perante curto-circuito: (c) Regime sub-síncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02); (d) Regime hiper síncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02).. 2007/2008.

(35) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI Caso (a) - Regime sub-síncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02) 10 Potencia Activa (MW). 0.9 65 0.96 0.9 55 0.95 0.9 45. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. P o t e n c ia d o e s t a t o r 8. 6. 4. P o t e n c ia T o t a l (P s + P c ) 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 1.03 15. 1.0 25 Vento (m/s). Tensão Terminal (p.u.). Velocidade do rotor (p.u.). •. 1.02 1.0 15 1.01 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 14 13 12 11. 2007/2008.

(36) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI •. Caso (a) – cont.. 4.5 4.495. 4.49. Torque Mecanico (p.u.). Torque Eléctrico (p.u.). Tensão CC (p.u.). 4.505. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.08. 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.1 c o rre n t e d o e s t a t o r. 0.09 0.07. c o rre n t e d o ro t o r. 0.08 0.07. 0.06. 0.06 0.05. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.05. 0. 5. 10. 2007/2008. 15.

(37) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI Caso (b) - Regime hiper síncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02) : 12 Potencia Activa (MW). 1.07 1.06 1.05. 1.04. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. P o t e n c ia t o t a l P o t e n c ia d o e s t a t o r. 10 8 6 4. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 1.04 15 1.03. Vento (m/s). Tensão Terminal (p.u.). Velocidade do rotor (p.u.). •. 1.02 1.01 1. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 14 13 12 11. 2007/2008.

(38) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI •. Caso (b) – cont.. 4.5 4.495 4.49. Torque mecanico (p.u.). Torque Eléctrico (p.u.). 4.505. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.09. 0.1 0.08 0.06 0.04. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.12 C o rre n t e d o e s t a t o r. 0.08. Corrente (p.u.). Tensão CC (p.u.). 4.51. 0.07 0.06 0.05. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. C o rre n t e d o ro t o r. 0.1 0.08 0.06 0.04. 0. 5 10 T e m p o (s ). 2007/2008. 15.

(39) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI. 17 16. 15 0. 10 20 T e m p o (s ). 30. 9 .5 1 9 .5 9 .4 9 9 .4 8. 1 .1 1 1 .10 5. 1.1 1 .09 5. Angulo de pitch (graus). Potencia Activa (MW). 9 .5 2. Velocidade do rotor (p.u.). Pitch a actuar para limitar a velocidade do rotor Variação de vento (m/s). •. 0. 10 20 T e m p o (s ). 30. 0. 10 20 T e m p o (s ). 30. 0. 10 20 T e m p o (s ). 30. 26 24 22 20 18 16. 2007/2008.

(40) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI Caso (c) - Regime sub-síncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02) : 60 Potencia Activa (MW). 1 .0 5 1 0 .9 5 0 .9 0 .8 5. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 1 .4 1 .2 1 0 .8 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. Potencia Reactiva (MVAr). Tensão Terminal (p.u.). Velocidade do rotor (p.u.). •. P o t e n c ia t o t a l P o t e n c ia d o e s t a t o r. 40 20 0 -2 0. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 30 20 10 0 -1 0 -2 0. 2007/2008.

(41) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI •. Caso (c) – cont. 4.8 4.6 4.4 4.2. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.054. 0.6 0.4 0.2 0 -0 . 2. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.8 C o rre n t e d o e s t a t o r. 0.053. Corrente (p.u.). Torque Mecanico (p.u.). Torque Eléctrico (p.u.). Tensão CC (p.u.). 5. 0.052 0.051 0.05. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. C o rre n t e d o ro t o r. 0.6 0.4 0.2 0. 0. 5 10 T e m p o (s ). 2007/2008. 15.

(42) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação •. Caso (c) - Regime sub-síncrono (com a actuação do crowbar). 2007/2008.

(43) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação •. Caso (c) - Regime sub-síncrono (crowbar permanente). 2007/2008.

(44) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI Caso (d) Regime hiper síncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02) : 1.2 Potencia Activa (MW). 60. 1.1. 1 0.9. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. Tensão Terminal. 1.4 1.2 1 0.8 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. Potencia Reactiva (MVAr). Velocidade do rotor (p.u.). •. P o t e n c ia t o t a l P o t e n c ia d o e s t a t o r. 40 20 0 -2 0. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 30 20 10 0 -1 0 -2 0. 2007/2008.

(45) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Resultados da Operação com controlo clássico PI •. Caso (d) – cont. 4.6 4.4 4.2. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.053. 0.6 0.4 0.2 0 -0 . 2. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. 0.8 C o rre n t e d o e s t a t o r. Corrente (p.u.). Torque Mecanico (p.u.). Torque Eléctrico (p.u.). Tensão CC (p.u.). 4.8. 0.0528. 0.0526. 0.0524. 0. 5 10 T e m p o (s ). 15. C o rre n t e d o ro t o r. 0.6 0.4 0.2 0. 0. 5 10 T e m p o (s ). 2007/2008. 15.

(46) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. A utilização de máquinas síncronas de velocidade variável tem por objectivo a maximização do aproveitamento energético na exploração da energia eólica.. •. Fabricantes: – Enercon;. •. O conceito. 2007/2008.

(47) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Gerador Síncrono de Velocidade Variável. 2007/2008.



(50) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. Modelo simplificado onde: – O modelo aerodinâmico é igual ao utilizado nas máquinas assíncronas 1  c p   ,  AVw3 2 – No gerador síncrono são desprezados os fenómenos transitórios rápidos; – O conversor é considerado ideal; – Apenas são considerados ás interacções da turbina com a rede e os seus sistemas de controlo Pw . •. Em estudos de TP o GSVV pode ser representado como um nó tipo PQ (ou em situações em que o sist de controlo esteja preparado, como um nó PV). 2007/2008.

(51) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. Outros Modelos Possíveis. 2007/2008.

(52) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. Controlo angular – Recordando conceitos: Potência transferida entre dois barramentos (g, r):  V g  Vr S  VgI g*  Vg   jX V gVr Pg  sin  X V g2 V gVr Qg   cos  X X.   . *. 2007/2008.

(53) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. Controlo angular do conversor do lado do gerador. 2007/2008.

(54) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. Controlo do conversor do lado da rede Manter a tensão do link DC constante. Pc=Vdc.Idc =Vdc.CdVdc dt. 2007/2008.

(55) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável •. Controlo do conversor do lado da rede. 2007/2008.

(56) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável GS. Representação em Simulink/Matlab. PWM-C1. PWM-C1. ~ AVR Curva Óptima de Potência. Rede Eléctrica. + -. Controlador. jX. Controlador. r. vt Popt +. Velocidade de Vento. Turbina Eolica Tm. v ento. Tm. To Workspace16. O conversor PWM-C1 controla a tensão de campo do gerador síncrono e a potência activa do aerogerador GSVV de modo a operar com potência mecânica máxima extraída da turbina eólica. Com efeito, a turbina eólica apresenta controlo de pitch.. -K-. wt Pm. 0.0613. Vento. t. Clock. Gain. Pm. pitch. Controlo de Pitch. Pmax 0.0065. Pmax Pm Tm. O conversor PWM-C2 ligado na rede eléctrica controla a tensão de saída e a tensão do barramento CC. teta (graus). Wm Wr. Vtref 1.05. Curva Optima. Gerador Síncrono Convencional Vdqs Pm. Vt. Ef dc. Ef dc. Wr. 1.05. Vtref Wref. Te. Wr. Pg. Pg. Qg. Vtc_ref. Malha de controlo Conversor C1. Qg. Vcc_ref Vdqs. Pg Pcv. Vt. Vt. 1.631 Vcc. Link CC1. Vcc. Malha de Controlo Conversor C2 Vtc_ref Vcc_ref Vcc idcv iqcv Qcv. Vdcv Vqcv. Rede Eléctrica Vdcv Vqcv. Idcv Iqcv Pcv Qcv. idcv iqcv Pcv Qcv. Vtdqc. AVR. 2007/2008.

(57) MIEEC – Energia Eólica e Solar. • Lay-out de parques eólicos • Controlo de Geração. 2007/2008.

(58) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Lay-out de parques eólicos •. Solução genérica usual. SUBESTAÇÃO. Optimização da solução: • Escolha dos cabos; • Admitir ligações alternativas. Ligação obrigatória Ligação suplementar. 2007/2008.

(59) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Lay-out de parques eólicos •. Soluções típicas AG1 2. Comprimento (m) Secção (mm2). AG2 23. AG4 25. 4. 3 60 240. AG3 24. 5 200 240. 160 240. AG5 26. 6 110 240. AG6 27. 7 110 240. AG7 28. 8 105 240. AG8 29. 9 105 150. AG9 30. 10 248 120. AG10. AG11. 31. 11 180 120. AG12. 32. 12 120 95. AG13. 33. 13 120 95. AG14. 34. 35. 14 130 70. 36. 15 220 50. 16 180 35. 1. AG1 2. SUBESTAÇÃO AG15. AG16 37. AG17 38. AG18 39. AG19 40. Comprimento (m). AG20 41. 42. Secção (mm2) Comprimento (m) Secção (mm2). 80 95. 17 1550 95. 18. 19 150 70. 20 280 70. 21 200 50. AG2 23. AG3 24. 3. AG4 25. 4. AG5 26. 5. AG6 27. 6. AG7 28. 7. 29. 8. 9. 60. 160. 200. 110. 110. 105. 105. 70. 70. 70. 70. 70. 70. 70. 22 180 35. AG8. AG9 30. AG10 31. AG11 32. AG12 33. AG13 34. AG14 35. 36. 1 1050. 10 180. 11 120. 120. 120. 12. 70. 13. 14. 15. 130. 220. 180. 70. 70. 70. 70. SUBESTAÇÃO AG15. AG16 37. Comprimento (m) Secção (mm2). AG17 38. 80. 17 1550. 120. 120. AG18 39. 18 150 70. 16. 120. AG19 40. 19 280 70. AG20 41. 20. 42. 21. 22. 200. 180. 70. 70. 2007/2008.

(60) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Lay-out de parques eólicos •. Instalação de baterias de condensadores (com escalões). Compensação individual. Para compensação global 2007/2008.

(61) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Tipos de Controlo •. Resposta de um cluster de parques eólicos a variações de frequência da rede (participação no controlo de primário de frequência: controlo inercial, equilíbrio geração / consumo) e set-points (P,Q) impostos pelo despacho; Unidade de Controlo TSO. Clusters de Grupos Geradores. DE RES. Requisitos de Operação :. Cluster s de Grupos Geradores. •Garantia de Fornecimento de quantidades de energia •Fornecimento de Serviços de Sistema (Pot. reactiva e reservas) •Minimização de desvios em programas de produção. Grupo de Geradores. Requisitos de Operação :. Grupos de Grupos de Grupos de Geradores 1 Geradores 2 Geradores N. •Limitação de potência a injectar •Controlo de tensão e potência reactiva • Cut-off de emergência (desconexão) por períodos de interrupção de serviço da rede •Procedimentos de entrada e saída de serviço coordenados (limitação do gradiente – damping). Gerador Simples. Requisitos de Operação •Operação segura e confiável •Máxima produção de energia •Redução de pertubações na qualidade da onda. Gen 1 ,1 Gen 1,.2 Gen 1 ,3 Gen 2,.1 Gen 2 ,2. 2007/2008. Gen n,n.

(62) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Tipos de Controlo •. Controlo no ponto de ligação do parque à rede  Despacho dos aerogeradores (P, Q) e baterias de condensadores. Tomar em consideração as perdas internas no parque.. 2007/2008.

(63) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Definição de condições técnicas especiais •. Caracterização do controlo inercial. Droop (controlo proporcional). Wsys +. Wsys_ref. 1/R. -. Controlo de potencia activa Pmax. Pdfig iqr. -. -. Pref. kp1+ki1 s. +. +. -. kp2+ki2 s. + iqref. vqr. Pmin Qs Vento. Wr. idr -. Qref +. -. kp3+ki3 s. + idref. kp4+ki4 s. vdr. Modelo do Gerador de Indução. Controlo de potencia reactiva. 2007/2008.

(64) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Definição de condições técnicas especiais •. A Potência activa injectada pelos conversores deve seguir uma curva óptima pré-estabelecida.. 2007/2008.

(65) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Definição de condições técnicas especiais •. Resposta do cluster perante variação de carga no sistema Comportamento da frequencia do sistema 9.5. 50. Potencia Activa injectada (droop de 0.015). 49.95. Potencia Activa. 9. Hz. 49.9. 49.85. DFIM com droop 0.015. Potencia Activa injectada (DFIM sem droop). 8.5. 8. DFIM com droop de 0.05. 49.8. Potencia activa injectada (droop de 0.05). DFIM sem controlo de frequencia 49.75. 0. 1. 2. 3. 4. 5 6 Tempo(s). 7. 8. 9. 10. 7.5. 0. 1. 2. 3. 4. 5 Tempo(s). 6. 2007/2008. 7. 8. 9. 10.

(66) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Participação dos DFIWG no equilíbrio de geração / consumo Curvas de Potência Máxima com reserva.. Para que os aerogeradores possam aumentar a sua geração quando persistir um erro de frequência é necessários que os geradores eólicos operem com curvas de potência máxima com margem de reserva ->. Potencia Mecancia Máxima 0.6. Potencia Mecanica (MW). •. 13m/s Curva de Potencia Óptima pré-definida. 0.5. 20% reserva. 12m/s. 11m/s. 0.4. 10 m/s. 0.3. 9 m/s. 0.2. 8 m/s 0.1. 7 m/s 6 m/s 5 m/s. 0. 0. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Velocidade angular do rotor referido ao gerador (p.u.). 2007/2008. 1.2.

(67) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Sobre-equipamento de parques eólicos •. Instalar S > Capacidade do ponto de interligação. 2007/2008.

(68) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Produção esperada •. A potência instalada tem uma probabilidade baixa de vir a ser produzida. Curva de duração da produção anual de um parque eólico normalizada para a potência instalada. 2007/2008.

(69) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Aumento da produção de energia •. Aumento da potência instalada P instalada (MW). PinstB. C PinstA. B. A. 8760 (h). Curvas de duração da produção anual de um parque eólico para dois valores de potência instalada 2007/2008.

(70) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções •. As protecções são de dois tipos: – Protecções dos aerogeradores (dependentes da tecnologia) – Protecções de interligação à rede, para “comandar” o disjuntor de interligação.. 2007/2008.

(71) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções •. Requisitos dos Sistemas de Protecção: – O PE apenas poderá permanecer ligado à rede se existir tensão nas três fases da rede e estas tensões se encontrem dentro dos limites de operação; – O PE deve ser desligado da rede pública se uma anomalia ocorrida no sistema provocar desvios não aceitáveis na tensão ou na frequência no ponto de conexão ( interligação); – O PE deve ser desligado da rede se uma ou mais fases da rede é perdida no ponto de conexão; – O PE deve ser desligado automaticamente ou manualmente da rede de distribuição pública se um qualquer falha de alimentação do equipamento de protecção inibe a sua correcta operação; – Saída de serviço dos PE quando são detectados defeitos na rede, por forma a garantir a extinção dos arcos eléctricos associados a c.c. fugitivos e permitir o sucesso de religações. 2007/2008.

(72) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação •. A configuração mínima exigida às equipas de protecção consiste nos seguintes relés: – Relés de máximo e mínimo de tensão, 27 e 59; – Relés de máximo e mínima de frequência, 81U e 81O; – Relés de máximo de intensidade, com tempos de actuação instantâneos, 50, e temporizados, 51; – Relés para detecção de defeito à terra com tempos de actuação instantâneos e temporizados, 50N e 51N; ou – Relé de tensão de sequência de zero ou homopolar, 59N.. 2007/2008.

(73) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação •. Relés de MI asseguram protecção contra defeitos polifásicos e defeitos fase-terra (pouco impedantes) próximo dos PI; Tipos de relés: – Disparo instantâneo ou temporizado – Utilização de relés 50V e 51V (MI inst. ou temporizados, controlado por tensão) – Detecção de correntes de terra: 50N e 51N. 2007/2008.

(74) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação • •. Relé de mínimo de tensão (27) é utilizado para detecção de defeitos polifásicos pouco impedantes nas redes; Valor de regulação típico: 0,95 Un; Relé de máximo de tensão (59) permite detectar sobretensões associadas por exemplo a situação de autoexcitação de geradores assíncronos; Valor de regulação 1,1Un;. Temporizações instantâneas quando em REE (Regime Especial de Exploração) •. Relés 81U e 81O utilizados para detectar situações anómalas de exploração das redes; Regulações na Europa: – 47 a 49 Hz, para tempos de actuação (< 1 seg). – 50,5 a 52 Hz, para tempos de actuação (< 1 seg). 2007/2008.

(75) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação •. Protecção de interligação (50,51,81U, 81O,27,59N). 50 – MI instantânea 51 – MI temporizada 81U, 81O – min e máx freq. 27 – Máx tensão; 59N – Máx tensão de seq. zero 2007/2008.

(76) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação Situações de defeitos fase-terra nas redes distribuição e sub-transmissão. 2007/2008.

(77) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação •. Duas situações podem ocorrer no caso de defeitos FaseTerra: 1. O defeito é facilmente detectável pelo relé 59N, conduzindo à saída de serviço do PI e do feeder, na subestação da rede receptora; 2. O defeito é muito impedante, não provocando a actuação do relé 59N do PI, sendo contudo a situação detectada pelas protecções da subestação que desligam o feeder, conduzindo ao funcionamento em rede isolada e em regime de neutro isolado.. 2007/2008.

(78) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação. 2007/2008.

(79) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação. V o   Z o .I o Vo . U 2 1  9. 2 .Co2 .Rdef. Problemas: funcionamento intempestivo do relé 59N 2007/2008.

(80) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Protecções de Interligação – Algumas Recomendações •. Ligações às redes de 220 kV e 150 kV: – Neste caso, atendendo à ligação directa dos neutros à terra e à utilização das protecções 21/21N e 67N, com teleprotecção, para protecção das entradas de linha, recomenda-se a utilização dos seguintes relés: • Relés de máximo e mínimo de tensão, 27 e 59; • Relés de máximo e mínimo de frequência, 81U e 810; • Relés de máximo de intensidade, com tempo de actuação instantâneo, 50, e temporizado, 51; • Relés para detecção de defeito à terra com tempos de actuação instantâneo e temporizado, 50N e 51N; • Relés 21 e 21N, associados a teleprotecção, com três zonas; • Relé de máximo de intensidade direccional de neutro, 67N, complementando as anteriores.. •. Diálogo com os OS (TSO e DNO) é fundamental! 2007/2008.

(81) MIEEC – Energia Eólica e Solar. Conclusões • •. • •. Tendência para a utilização de máquinas de potências cada vez maiores ---- 2MW; 3MW, 4,5 MW; Utilização crescente de sistemas baseados em electrónica de potência para optimização da produção e melhor integração no sistema – (alguns problemas presistem contudo); Aparecimento futuro da produção off-shore Impactos crescentes na operação do sistema; Novas funcionalidades nos sistemas de gestão e controlo Do tipo EMS e DMS. • •. Necessidade de harmonizar a regulamentação e standards para permitir a integração na rede desta produção; Novas ferramentas de planeamento. 2007/2008.

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