CONTROLESUPLEMENTARPARAAOPERAÇÃOILHADADEUNIDADESEÓLICASDE GERAÇÃODISTRIBUÍDA
GÉREMI GILSON DRANKA, RICARDO VASQUES DE OLIVEIRA
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Via do Conhecimento, Km 1 85503-390, Pato Branco - PR - Brasil
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract - The islanded operation of microgrids and distribution systems has become a reality ever more present in power systems
due to the insertion and expansion of distributed generation. In this context, this paper proposes an operational and control strategy to properly allow the islanded operation of wind power systems. The proposed control is based on a supplementary control loop, added to the speed control loop of the wind turbine, and on a battery energy storage system (BESS). The proposed supplementary control loop reduces the number and duration of the BESS actuations. The proposed control strategy was effective in regulating the DC-link voltage, allowing the islanded operation of a wind power system based on synchronous generator with full-size power converters.
Keywords - Distributed generation, wind generation, islanded operation, DC link voltage control.
Resumo - A operação ilhada autônoma de microrredes e sistemas de distribuição tem se tornado uma realidade cada dia mais
presente nos sistemas elétricos de potência devido à inserção e a expansão da geração distribuída. Nesse contexto, este trabalho propõe uma estratégia operacional e de controle para viabilizar a operação de sistemas eólicos ilhados. O controle proposto baseia-se em uma malha de controle suplementar, adicionada à malha de controle de velocidade da unidade eólica, e em um banco de baterias. O controle suplementar proposto permite reduzir o número e a duração de atuações do banco de baterias. Os resultados obtidos demonstraram que o controle proposto permitiu a operação autônoma de um sistema eólico baseado em gerador síncrono com conversor estático pleno.
Palavras-chave - Geração distribuída, geração eólica, operação ilhada, controle de tensão no barramento CC.
1 Introdução
O uso de unidades de geração distribuída (UGDs) baseadas em energia eólica é uma forte tendência mundial (Miller et al., 2012; Patil et al., 2013). Entre-tanto, a inserção e a expansão da geração distribuída trazem desafios intrínsecos relacionados à confiabili-dade e operação dos sistemas elétricos de potência (SEPs), o que resulta em uma mudança de paradigma imposta aos sistemas de distribuição de energia (Mil-ler et al., 2012). Dentre os desafios e oportunidades associados à geração distribuída, destaca-se a opera-ção ilhada dos sistemas de distribuiopera-ção e microrredes, que atualmente é um desafio técnico que requer o uso de equipamentos e estratégias de controle especiais (Singh, 2009; Colson, 2012; Hussein, 2012).
Em sistemas eólicos conectados à rede, a turbina eólica geralmente opera de modo a extrair a máxima potência disponível na massa de ar (MPPT, do Inglês,
Maximum Power Point Tracking). Nos sistemas
eóli-cos autônomos, o MPPT em geral leva a unidade eó-lica à instabilidade, pois a potência extraída pela tur-bina eólica geralmente não é igual a demanda de carga do sistema. A instabilidade normalmente se manifesta na velocidade da turbina eólica e/ou na tensão do bar-ramento CC (Yao, 2011; Colson, 2012).
Na operação autônoma, o sistema eólico requer uma estratégia de controle do tipo seguidora de carga (no Inglês, load following), de forma que a potência extraída do vento seja igual a carga elétrica do sistema somada às perdas elétricas e mecânicas (Yao, 2011; Colson, 2012).
O fato do controle da potência mecânica extraída pela turbina eólica ser relativamente lento, resulta na necessidade do uso de banco de baterias ou outra fonte de energia auxiliar (gerador diesel, por exemplo) para atender a carga elétrica até que a turbina eólica extraia a potência requerida pela carga (Mahat et al., 2011; Bahramirad et al., 2012). Haruni (2012), por exemplo, propõe o controle de um sistema eólico autônomo que utiliza um gerador a diesel e um banco de baterias (BESS, do Inglês, Battery Energy Storage System). Entretanto, a operação contínua do gerador diesel re-sulta em alto custo associado à manutenção (Haruni, 2012) e consumo de combustível (Singh, 2009). Por-tanto, nos sistemas eólicos autônomos a operação con-tínua de geradores a diesel não é desejável.
Nesse contexto, esse trabalho propõe uma estra-tégia operacional e de controle para um sistema eólico autônomo, considerando apenas o uso de um BESS. Uma malha de controle suplementar é proposta para auxiliar no controle da tensão do barramento CC da unidade eólica, minimizando o número e a duração das atuações do BESS, o que contribui para aumentar a confiabilidade do sistema autônomo e a vida útil do BESS. Além disso, a malha de controle suplementar permite reduzir o dimensionamento do BESS, o que resulta em sistemas com menor capacidade de arma-zenamento de energia e menor custo.A malha de con-trole proposta consiste em uma quebra de paradigma para o controle da tensão no barramento CC, pois nos sistemas tradicionais essa tensão é normalmente con-trolada apenas pelo BESS (Haruni, 2012; Hussein, 2012).
O trabalho está estruturado da seguinte forma: Na seção 2 são apresentados alguns fundamentos sobre sistemas eólicos de geração; a seção 3 apresenta a es-tratégia de controle proposta para a operação ilhada do sistema eólico. Os resultados obtidos e as conclusões são apresentados nas seções 4 e 5, respectivamente.
2 Sistemas Eólicos de Geração
As unidades eólicas baseadas em gerador sín-crono (GS) e gerador de indução duplamente alimen-tado (GIDA) são as mais difundidas atualmente (Patil
et al., 2013), sobretudo, pela flexibilidade operacional
e o bom desempenho desses dois tipos de tecnologia. Nos estudos propostos neste trabalho, utiliza-se uma unidade eólica baseada em GS com conversor estático pleno, devido à versatilidade e a resposta rápida do conversor estático no controle da potência ativa e rea-tiva fornecida pela unidade de geração. Nas unidades eólicas baseadas em GS, o condicionamento da ener-gia é realizado por meio de conversores estáticos, que geralmente são dimensionados para a potência nomi-nal do gerador síncrono. A Figura 1 ilustra a topologia típica de uma unidade eólica baseada em gerador sín-crono. GS CONVERSOR DO LADO DA REDE CONVERSOR DO LADO DO GERADOR GERADOR SÍNCRONO cc V rede P cc in P Pcc out gerador P wind P CAIXA DE ENGRENAGEM REDE cc P
Figura 1. Ilustração da estrutura típica de uma unidade eólica base-ada em gerador síncrono.
2.1 Modos de Operação de Sistemas Eólicos
As unidades eólicas podem operar tanto no modo interconectado ao sistema elétrico de potência, quanto no modo ilhado (autônomo). Cada um desses modos de operação requer estratégias de controle específicas para permitir que a unidade eólica opere de forma es-tável frente às variações de carga e vento.
Em unidades eólicas baseadas em conversor pleno, em geral, controla-se três grandezas: potência ativa extraída do gerador (ou equivalentemente, velo-cidade da turbina eólica), tensão no barramento CC e potência reativa injetada na rede. A diferença princi-pal entre a operação da unidade eólica conectada à rede e a unidade eólica ilhada está relacionada princi-palmente com as grandezas que cada conversor está-tico controla (Wu et al., 2011).
Nos sistemas eólicos que operam conectados à rede, o conversor do lado da rede é utilizado normal-mente para regular a tensão no barramento CC e con-trolar a injeção de potência reativa na rede. O controle da tensão no barramento CC reflete na potência ativa injetada pelo conversor na rede. O conversor do lado do gerador controla a potência ativa extraída do esta-tor do gerador e, consequentemente, a velocidade da turbina eólica de acordo com a velocidade do vento
disponível. Normalmente, a referência para a potência ativa extraída do gerador é definida pela estratégia MPPT (Yuan et al., 2009). A Figura 2 apresenta a ilus-tração das malhas de controle típicas de uma unidade eólica no modo conectado à rede.
Controlador ref Q Q cc in P Pcc out rede P REDE gerador P CONVERSOR DO LADO DA REDE CONVERSOR DO LADO DO GERADOR + -e r-ef P e P Controlador cc V cc ref V + - + -cc P cc V
Figura 2. Ilustração das malhas de controle típicas de uma unidade eólica baseada em conversor pleno conectada à rede.
Em unidades eólicas operando no modo ilhado, o conversor estático do lado da carga/rede geralmente regula a magnitude e a frequência da tensão que ali-menta a carga do sistema ilhado (tensão de saída do conversor estático). O conversor do lado do gerador, em geral, regula a velocidade da unidade eólica, de forma a extrair a potência elétrica suficiente para ali-mentar a carga, as perdas de potência ativa nos con-versores e perdas mecânicas. Para atender a carga, a unidade eólica ilhada, em geral, não opera no ponto de máxima eficiência da turbina eólica, definido pela es-tratégia MPPT. Para que a tensão no barramento CC permaneça constante, é necessário que a potência ex-traída do gerador seja exatamente igual à potência da carga mais a potência das perdas no sistema. Entre-tanto, as perdas de potência ativa nos conversores de-pendem de diversos fatores e parâmetros, o que torna impraticável a sua determinação exata. Dessa forma, a tensão no barramento CC, cresce ou decresce expo-nencialmente, dependendo do erro das perdas estima-das. Na maioria das estratégias de controle para a ope-ração ilhada, a tensão no barramento CC é controlada por meio de um BESS conectado ao barramento em questão. Na operação isolada, o BESS é fundamental para manter a tensão no barramento CC dentro de va-lores aceitáveis durante as variações de carga e velo-cidade de vento. Em geral, a tensão no barramento CC é controlada por meio de um conversor CC-CC bidi-recional do tipo buck boost conectado entre o barra-mento CC e o banco de baterias (Bhende et al., 2011; Haruni, 2012). A Figura 3 apresenta a ilustração de uma unidade eólica com as malhas de controle típicas para a operação ilhada.
Nesse contexto, esse artigo propõe uma malha de controle suplementar para o conversor estático do lado do gerador para auxiliar na regulação da tensão no bar-ramento CC. A estratégia proposta será abordada com maiores detalhes nas seções seguintes.
2.2 Regiões de Operação da Unidade Eólica
A operação das unidades eólicas é restringida por limites de velocidade da turbina eólica. Em unidades eólicas comerciais o limite mínimo e máximo para a velocidade da turbina geralmente fica em torno de 0,7
p.u. e 1,3 p.u., respectivamente (Colson, 2012). Den-tro desses limites operacionais, as turbinas eólicas apresentam duas regiões distintas de operação, região de sub e sobre velocidade (doravante denominadas re-gião I e rere-gião II, respectivamente).
Controlador cc in P Pcc out c P gerador P + -Controlador ref m c P CARGA A V B V C V ref f A B c V ,V ,V BESS abc ref V c P ( )
Figura 3. Ilustração das malhas de controle típicas de uma unidade eólica operando de forma ilhada.
A Figura 4 ilustra a curva de potência mecânica versus velocidade da turbina eólica, considerando dois valores distintos de potência extraída pela turbina eó-lica (P1, P2). Na região de sub velocidade, onde está o ponto A, um aumento da potência mecânica extraída pela turbina requer um aumento de velocidade da tur-bina. Na região de sobre velocidade, onde está o ponto C, um aumento da potência mecânica requer uma re-dução da velocidade da turbina.
Potênci a ( MW ) 1 A B C D 4 Velocidade da turbina (rpm) P
2 3 1 P 2 P Figura 4. Pontos de operação de uma turbina eólica nas regiões de sub e sobre velocidade.
A margem de potência da região I é maior (Yuan
et al., 2009) que a margem de potência da região II.
Essa margem de potência corresponde à diferença en-tre a potência mecânica na velocidade mínima e a po-tência mecânica na velocidade ótima. Considerando esse fato, a estratégia de controle proposta considera a unidade eólica operando na região I.
2.3 Balanço de Potências
Desprezando as perdas elétricas do sistema, uma tensão constante no barramento CC indica um equilí-brio entre a potência ativa extraída do gerador e a po-tência ativa fornecida à carga pelo conversor do lado da rede. Um desequilíbrio entre essas potências leva ao crescimento ou decaimento exponencial da tensão no barramento CC, o que resultaria no desligamento da unidade eólica por parte do sistema de proteção. A variação da tensão no barramento CC, em função das
potências nos conversores estáticos da unidade eólica, é dada por (Yuan et. al., 2009):
cc
cc cc c cc cc in cc out
dV
CV = V i = P = P - P ,
dt (1)
onde Vcce icsão, respectivamente, a tensão e a cor-rente no capacitor do barramento CC, C é a capacitân-cia do capacitor, Pcc in e Pcc out são, respectivamente, a potência que entra e a potência que sai do barra-mento CC e Pcc é a potência fornecida ou armazenada pelo capacitor.
Uma variação de carga no sistema eólico ilhado faz com que haja um desequilíbrio entre as potências que fluem no barramento CC, causando variações na tensãoVcc. Esse desequilíbrio é geralmente compen-sado pelo controle adequado da potência extraída do gerador (Yao, 2008). Assim, uma resposta rápida no controle da potência extraída do gerador é desejável para que a tensão no barramento CC se reestabeleça rapidamente.
Em regime permanente, desprezando-se as perdas do sistema, a potência ativa extraída do gerador é igual à potência mecânica extraída do vento pela turbina eó-lica, o que resulta em uma velocidade constante para a turbina eólica e gerador. Na ocorrência de um dese-quilíbrio entre essas duas potências, ocorre uma vari-ação da velocidade da turbina eólica e gerador, dada por:
J d = Pwind- Pgerador= Pacel dt
, (2)
onde Pacel é a potência de aceleração, Pwind é a potên-cia disponível no eixo da turbina, Pgerador é a potência extraída do gerador,
é a velocidade da turbina e J é o momento de inércia do conjunto turbina-gerador. Durante a aceleração da turbina, parte da potência dis-ponível no eixo da turbina (Pwind)é convertida em po-tência de aceleração(Pacel) e o restante da potência dis-ponível no eixo da turbina corresponde ao valor da po-tência ativa que é extraída do gerador (Pgerador)pelo conversor (Yuan et al., 2009).Em turbinas na ordem de centenas de kW a MW, em função da elevada inér-cia inerente ao conjunto turbina-gerador, a energia uti-lizada para aceleração da máquina é relativamente ele-vada e, portanto, tem grande influência na tensão do barramento CC de forma que é fundamental a utiliza-ção de algum dispositivo de armazenamento de ener-gia para a operação confiável do sistema.De acordo com as equações (1) e (2), é possível observar que para manter a velocidade da turbina eó-lica e a tensão do barramento CC constantes é neces-sário que haja um equilíbrio entre as potências do sis-tema eólico. No sissis-tema autônomo proposto, o equilí-brio entre as potências será assegurado pelas malhas de controle convencionais da unidade eólica, pela ma-lha de controle proposta e pelo BESS.
3 Estratégia de Controle Proposta para o Sistema Eólico Autônomo
No sistema eólico autônomo considerado, a carga do sistema é alimentada pelo conversor do lado da rede (inversor), por onde flui toda a potência ativa ge-rada pelo GS, conforme ilustrado na Figura 5.
GS
CONVERSOR DC-DC BUCK BOOST BATERIA CONVERSOR BOOST CARGA RETIFICADOR INVERSOR 1 Q 2 Q CROW BAR D Q3 C
Figura 5. Topologia geral do sistema eólico autônomo.
Em sistemas eólicos, a estratégia mais difundida para o controle da potência gerada é através do con-trole da velocidade do rotor da máquina, pois a potên-cia mecânica extraída pela turbina eólica depende da velocidade, conforme apresentado na Figura 4. Patel (1999) destaca ainda que a velocidade do rotor deve ser controlada para garantir a proteção da turbina eó-lica e outros componentes do sistema.
O conversor do lado do gerador corresponde a um conversor do tipo boost que controla a velocidade do conjunto turbina-gerador por meio da potência ativa extraída do GS. O conversor do lado da carga controla a magnitude e a frequência da tensão fornecida à carga (380 V, 60 Hz).
Um dos principais desafios na operação do sis-tema eólico autônomo está relacionado ao controle da velocidade e da tensão no barramento CC. Dessa forma, esse trabalho propõe uma malha de controle su-plementar para o boost de forma que, além do controle da velocidade, esse conversor possa também contri-buir para o controle da tensão no barramento CC. A Figura 6 apresenta o diagrama de blocos das malhas de controle do conversor boost. O esquema proposto inclui uma função que estima as perdas elétricas do sistema e a malha de controle suplementar para regu-lar a tensão no barramento CC. A função não linear usada para estimar as perdas aproximadas do sistema eólico foi determinada a partir de ensaios com o mo-delo adotado para a unidade eólica. O levantamento empírico da curva considerou diferentes valores de vento e carga. Na prática, a curva característica das perdas estimadas pode ser levantada por meio de um ensaio prévio do sistema eólico operando em diferen-tes condições de carga e vento.
Na Figura 6, Pc é a potência da carga, ref_1 é a velocidade de referência 1, ref é o desvio de velo-cidade responsável por compensar o erro de potência referente às perdas, ref_2 é a referência final de velo-cidade necessária para atender as cargas e perdas, m
é a velocidade medida, Vcc_ref é a tensão de referência para o barramento CC, iref é a referência de corrente de saída do retificador, im é o valor da corrente me-dida na saída do retificador, irefé a contribuição da malha de controle suplementar e D é a razão cíclica usada no controle do boost.
MALHA DE CONTROLE SUPLEMENTAR i1 p1 k k s i2 p2 k k s c P ref 2 m D + + c P ref 1 ref m i cc ref V Vcc ref i COMPENSAÇÃO DAS PERDAS + -+ + + + - i3 p3 k k s iref f(P) (P)
Figura 6. Estratégia de controle proposta para a operação ilhada.
O sistema de controle do boost atua no controle da velocidade do gerador, a partir da medição da po-tência demandada pela carga do sistema. A partir da potência da carga, determina-se qual a velocidade que a turbina eólica deve operar, de forma que a potência mecânica extraída do vento seja igual à potência da carga mais a potência estimada das perdas elétricas. O cálculo da velocidade de referência(ref_1) é feito usando a curva da potência da turbina eólica. A velo-cidade de referência ref_1 não considera as perdas elé-tricas do sistema, ou seja, a potência extraída da tur-bina não é suficiente para atender as cargas elétricas e as perdas do sistema. Para minimizar esse desequilí-brio entre a potência mecânica fornecida e a potência elétrica consumida, utiliza-se uma função aproximada para estimar as perdas no sistema. As perdas do sis-tema são compensadas em grande parte através de um incremento na referência de velocidade (ref), cal-culado a partir da função de estimação das perdas, conforme ilustrado na Figura 6. O valor da referência de velocidade final, que contempla a potência das car-gas e das perdas, é dado por ref_2 ref_1 ref.
A potência de perdas estimada apresenta um pe-queno erro em relação às perdas totais reais do sis-tema. Esse pequeno erro na estimação das perdas causa um desequilíbrio entre a potência que entra e a potência que sai do barramento CC, o que resulta em uma variação exponencial da tensão no barramento CC. Essa variação da tensão resultaria no desliga-mento da unidade eólica. Esse pequeno desequilíbrio entre as potências é compensado pela malha de con-trole suplementar, que usa um sinal de erro da tensão no barramento CC, conforme ilustrado na Figura 6. Nos sistemas eólicos ilhados convencionais as varia-ções estocásticas típicas das cargas do sistema reque-rem a frequente atuação do BESS, o que contribui para a redução da vida útil do banco de baterias.
Para pequenas variações de carga, somente a ma-lha de controle suplementar é capaz de regular a ten-são no barramento CC. Nos casos envolvendo grandes variações de carga o controle suplementar proposto não consegue regular a tensão no barramento CC de-vido à resposta lenta da velocidade da turbina eólica.
Para manter a tensão do barramento CC dentro de li-mites aceitáveis, frente à grandes variações de carga, é necessário utilizar um BESS para fornecer energia para o barramento CC até o momento em que a uni-dade eólica atinja a velociuni-dade de referência estabele-cida pelas malhas de controle.
O conversor que conecta a bateria ao barramento CC, conforme ilustrado na Figura 5, atua como buck para carregar a bateria e como boost fornecendo ener-gia para o barramento CC. O conversor adotado é ti-picamente conhecido como conversor CC-CC abaixa-dor-elevador (no Inglês, DC-DC buck-boost).
No contexto dos sistemas de armazenamento de energia para sistemas eólicos, a maioria dos trabalhos propostos (Mohod et al., 2011; Haruni, 2012) tem dado pouca atenção para o dimensionamento do BESS, o que geralmente resulta em sobredimensiona-mento da bateria. O sobredimensionasobredimensiona-mento do BESS resolve os problemas operacionais do sistema autô-nomo, entretanto, o custo elevado do banco de baterias pode inviabilizar a implementação do sistema eólico autônomo. Nesse contexto, uma das principais contri-buições da malha de controle suplementar proposta é a redução da capacidade de armazenamento e do nú-mero de atuações do BESS, contribuindo assim para minimizar os custos de implementação e aumentar a vida útil do BESS.
Na estratégia operacional e de controle proposta, o BESS atuará fornecendo energia para o barramento CC após aumentos significativos de carga, até que a unidade eólica atinja a nova velocidade de referência, e será carregado em situações onde a potência do vento for significativamente maior que a potência da carga do sistema. Conforme mencionado previamente, para pequenas variações típicas de carga, apenas a ma-lha de controle suplementar proposta é capaz de regu-lar a tensão no barramento CC.
A atuação da malha de controle suplementar é co-ordenada com a atuação do BESS por meio de uma zona morta adotada para o BESS, conforme ilustrado na Figura 7. Analisando a Figura 7, é possível obser-var que o BESS entra em operação apenas quando a tensão no barramento CC ultrapassa o limite mínimo estabelecido (Vcc_min). Nos casos onde Vcc ultrapassa o limite máximo estabelecido (Vcc_max), devido a redu-ção da carga ou aumento de vento, a malha de controle do crow-bar atuará, dissipando a energia excedente do barramento CC. Tempo (s)
Atuação do BESS MALHA SUPLEMENTAR DE MALHA SUPLEMENTAR DE CC V Atuação do Crow-bar cc max V cc ref V cc min V CC V Zona morta do BESS CC V (V)Figura 7. Ilustração da zona morta utilizada para coordenar a atua-ção das malhas de controle do sistema eólico.
A malha de controle do BESS utiliza um sinal de erro da tensão do barramento CC para gerar a razão cíclica usada no controle do buck-boost, similar ao si-nal de erro usado na malha de controle suplementar, conforme ilustrado na Figura 8. Os detalhes sobre as malhas de controle do BESS e do crow bar não são apresentados devido à limitação de espaço do artigo em questão. +- p4 i4 k k s +- i5 p5 k k s B ref i B m i cc ref V cc m V AND < > SOC ref SOC cc m V cc ref V + -cc ref V cc m V 2 Q AND Q1 Zona morta do BESS
Figura 8. Esquema de controle do circuito buck boost.
Na Figura 8, iB_refé a corrente de referência do BESS,
B_m
i é a corrente medida do BESS, SOCref é o estado de carga de referência do BESS e SOC é o estado atual de carga do BESS; Q1 e Q2 são os sinais de
controle para as chaves semicondutoras dos converso-res buck e boost, converso-respectivamente.
O sistema de controle proposto é capaz de deter-minar, em tempo real, qual a margem de potência dis-ponível da unidade eólica (potência do vento disponí-vel) para assumir possíveis incrementos de carga. Essa margem de potência é calculada baseando-se princi-palmente no valor da velocidade do vento e veloci-dade da turbina eólica. Essa margem de potência per-mite determinar o momento em que o sistema eólico requer o uso de outra fonte de energia (gerador diesel, por exemplo) ou corte de carga.
4 Resultados e Discussões
O sistema eólico autônomo, em conjunto com a malha de controle suplementar proposta e o BESS, foi avaliado por meio de uma sequência de testes utili-zando-se uma unidade eólica com potência nominal de 2 MW, operando com velocidade de vento de 11 m/s e alimentando uma carga de 1,7 MW. A eficácia da estratégia de controle proposta e o comportamento da tensão no barramento CC foram avaliados por meio de simulações computacionais no domínio do tempo uti-lizando o software Matlab®, através da interface
Simu-link®.
Os testes foram realizados considerando inicial-mente pequenos degraus de carga para verificar a atu-ação apenas da malha de controle suplementar pro-posta. Na sequência, a atuação da malha suplementar, em conjunto com o BESS, foi também avaliada para desvios de carga maiores. Por fim, avaliou-se a in-fluência da zona morta, usada para coordenar a atua-ção das malhas de controle, no tempo de reestabeleci-mento da tensão no barrareestabeleci-mento CC.
Neste trabalho, considera-se o modelo de uma ba-teria real de chumbo ácido com capacidade de 17 Ah e cuja potência nominal é de aproximadamente 6,5
kW, considerando uma C-rate igual a 1C (ou seja, a potência nominal é definida considerando a corrente nominal de 17 A). No entanto, as baterias oferecem a possibilidade de taxas de descarga mais elevadas. No caso da bateria utilizada, o fabricante assegura que é possível utilizar uma taxa de descarga de 230 A, por até 5 segundos, ou seja, a bateria pode fornecer até 57,4 kW durante o tempo especificado.
4.1 Atuação da Malha Suplementar Proposta sem a Ação do BESS
Nessa subseção avalia-se a atuação da malha de controle suplementar na regulação da tensão do barra-mento CC para pequenos degraus de carga. A maior variação de carga que o sistema é capaz de suportar sem perder a estabilidade, considerando apenas a atu-ação da malha de controle suplementar proposta, tam-bém é avaliada. Inicialmente, considera-se o sistema submetido a degraus de carga de ±2 kW de modo a verificar a atuação da malha de controle suplementar sem a inclusão do BESS. Nesse caso considera-se uma largura de banda de 20 V para a atuação do controle proposto e a aplicação do degrau de carga no tempo t = 1 segundo. A Figura 9 mostra a tensão no barra-mento CC considerando o sistema operando com e sem a malha de controle suplementar proposta.
Figura 9. Tensão no barramento CC para degraus de carga de 2 kW.
No caso onde a malha de controle suplementar não é incluída no sistema, a tensão no barramento CC tende a aumentar ou diminuir, dependendo da estima-tiva das perdas do sistema. Neste caso, a estimaestima-tiva de perdas está ligeiramente acima do valor real, o que re-sulta em um aumento da tensão no barramento CC. Esse crescimento ou decaimento do valor da tensão no barramento CC levaria ao desligamento da unidade eólica, para evitar danos ou mau funcionamento do conversor estático. A inclusão da malha de controle suplementar elimina esse problema, pois permite a re-gulação da tensão no barramento CC, o que preserva o equilíbrio entre a potência extraída do gerador e a potência fornecida para a carga. Cabe ressaltar que a malha de controle referente à regulação de velocidade, preserva o equilíbrio apenas entre a potência elétrica extraída do gerador e a potência mecânica fornecida pela turbina. Nas estratégias de controle tradicionais, o sistema autônomo regularia a tensão no barramento CC no valor de referência (1100 V) apenas através da atuação do BESS.
Nessa segunda sequência de testes, avalia-se a máxima variação de carga suportada pelo sistema ope-rando apenas com a malha de controle suplementar. A Figura 10 apresenta a resposta da tensão no barra-mento CC para variações positivas de carga de 8 kW e 9 kW. O sistema autônomo, com a malha de controle suplementar proposta e sem o BESS, foi capaz de re-estabelecer a tensão no barramento CC para desvios positivos de carga de no máximo 8 kW. Para variações de carga superiores a 8 kW, o sistema não é capaz de manter a estabilidade, devido à elevada energia ciné-tica requerida para a aceleração do gerador do gerador. Na prática, variações de carga superiores a 8 kW cau-saria um shutdown do conversor. Nesse teste conside-rou-se uma zona morta de 50 V.
Figura 10. Tensão no barramento CC para desvios de carga de 8 kW e 9 kW.
4.2 Atuação Conjunta do BESS e da Malha de Con-trole Suplementar
Nos testes realizados nesta subseção, considera-se a atuação conjunta do BESS e da malha de controle suplementar. O BESS atua para valores de tensão fora da largura de banda, especificada em 20 V. Neste caso, um degrau de carga de 15 kW é aplicado no sistema, causando a atuação do BESS, pois a tensão no barra-mento CC sofre um afundabarra-mento significativo, devido à aceleração da turbina.
A Figura 11 mostra a tensão no barramento CC considerando a estratégia de controle proposta e a es-tratégia tradicional, que emprega apenas o BESS para regular a tensão no barramento CC. Verifica-se que em ambas as estratégias foi possível regular a tensão no barramento CC. No caso tradicional, somente o BESS atuando, a regulação é mais rápida. Entretanto, o BESS atua de maneira contínua para regular a tensão no barramento CC, reduzindo assim sua vida útil.
Figura 11. Tensão no barramento CC para desvio de carga de 15 kW. 0 5 10 15 20 1070 1080 1090 1100 1110 1120 1130 1140 1150 T e n sã o n o l in k C C (V) Tempo (s)
+ 2 kw com malha suplementar + 2 kw sem malha suplementar - 2 kw com malha suplementar - 2 kw sem malha suplementar
0 5 10 15 20 25 30 35 40 700 800 900 1000 1100 1200 T e n sã o n o l in k C C (V) Tempo (s)
8 kw - Com malha suplementar 9 kw - Instabilidade da tensão CC 0 5 10 15 20 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 T e n sã o n o l in k C C (V) Tempo (s)
15 kW - Com BESS e malha suplementar 15 kW - Com BESS e sem malha suplementar
No caso em que se utiliza a malha suplementar, que atua em Vcc = 1090 V, o sistema regula adequada-mente a tensão no valor de referência em t = 9 s, sem a necessidade da atuação do BESS em regime perma-nente. Portanto, por meio da contribuição do controle suplementar proposto é possível reduzir o número e o tempo de atuação da bateria.
A Figura 12 mostra a velocidade da turbina para o caso referente ao degrau de 15 kW, indicando que a malha de controle suplementar ajusta a velocidade da turbina de modo a equilibrar as potências no barra-mento CC (Pcc in= Pcc out) e no gerador (Pwind= Pgerador).
Figura 12. Velocidade da turbina para o desvio de carga de 15 kW. 4.3 Atuação do BESS em Conjunto com a Malha Su-plementar para Diferentes Variações de Carga
A eficácia do controle proposto é avaliada nessa subseção para diferentes variações de carga (5 kW, 10 kW e 15 kW). A Figura 13 apresenta a tensão no bar-ramento CC perante a aplicação destes diferentes dis-túrbios. Cabe destacar que a bateria atua para desvios de carga em que a tensão no barramento CC ultrapassa a largura de banda, estabelecida em 20 V nesse teste. Quando a tensão retorna para dentro da largura de banda, a malha de controle suplementar entra em ope-ração, regulando a tensão no barramento CC. No caso da maior variação de carga considerada (15kW), a ten-são do barramento CC caiu para 1032 V, valor signi-ficativamente superior ao mínimo valor de tensão que ainda permite a operação adequada do conversor do lado da carga (Vcc_min_conv = 776 V).
A Figura 14 mostra a potência injetada pelo BESS para os desvios de carga apresentados na Figura 13. Verifica-se que para o maior degrau de carga anali-sado, variação de 15 kW, a potência máxima injetada pelo BESS é de aproximadamente 52 kW por menos de 0,5 segundos, sendo que o mesmo suportaria até 57,4 kW por 5 segundos, de acordo com os dados for-necidos pelo fabricante.
Figura 13. Tensão no barramento CC para diversos degraus de carga.
Figura 14. Potência fornecida pelo BESS para diversos degraus de carga.
Como forma de comparação, o autor Mohod et al. (2011) propõe um sistema eólico de 150 kW associado à um banco de baterias de chumbo ácido. A capaci-dade do BESS utilizado no sistema proposto em (Mo-hod et al., 2011) é de 500 Ah, cerca de 30 vezes supe-rior ao banco de baterias utilizado neste trabalho, que é de 17 Ah. O uso de um BESS de 500 Ah permite desvios de cargas mais elevados, no entanto, o custo total do sistema pode tomar proporções elevadas. Este trabalho, entretanto, prevê a atuação do BESS apenas durante aumentos de carga, auxiliando na energia uti-lizada para acelerar a máquina até que a unidade eólica atinja o novo ponto de equilíbrio. Para situações de vento em que a unidade eólica não tenha capacidade de suprir a demanda de carga, este trabalho considera a atuação de um gerador a diesel em conjunto com o sistema eólico.
4.4 Faixa de Atuação da Malha de Controle Suple-mentar
Nas análises apresentadas na seção anterior, con-siderou-se que a malha de controle suplementar atua para valores entre os limites de 1090 V e 1110 V. O BESS, por sua vez, fornece energia para o sistema quando a tensão é inferior a 1090 V. Os testes apre-sentados nessa subseção consideram um degrau de carga de 15 kW e diferentes larguras de banda para a atuação da malha de controle suplementar (20 V e 60 V). A tensão no barramento CC para as considerações descritas acima é apresentada na Figura 15.
Figura 15. Tensão no barramento CC para diferentes faixas de atu-ação da malha de controle suplementar.
Na avaliação realizada, verificou-se que o tempo de reestabelecimento da tensão no barramento CC é maior quando se aumenta a largura de banda da malha de controle suplementar. Utilizando a margem de 20 V, a tensão estabilizou em 9 s, enquanto que para a
0 5 10 15 20 0.855 0.86 0.865 0.87 0.875 0.88 Ve lo ci d a d e d a t u rb in a (p u ) Tempo (s)
15 kW - Com BESS e sem malha suplementar 15 kW - Com BESS e com malha suplementar
0 5 10 15 20 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 T e n sã o n o l in k C C (V) Tempo (s)
5 kW - Com BESS e malha suplementar 10 kW - Com BESS e malha suplementar 15 kW - Com BESS e malha suplementar
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 x 104 Po tê n ci a d a b a te ri a (W ) Tempo (s)
5 kW - Com BESS e malha suplementar 10 kW - Com BESS e malha suplementar 15 kW - Com BESS e malha suplementar
0 5 10 15 20 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 T e n sã o n o l in k C C (V) Tempo (s)
15 kW - Com BESS e malha suplementar (Vcc = 20 V) 15 kW - Com BESS e malha suplementar (V
largura de banda de 60 V, o tempo de reestabeleci-mento da tensão foi 5 segundos maior. Em contrapar-tida, a potência média injetada pela bateria durante a aceleração da máquina diminuiu de 32,8 kW para 28,58 kW, com a largura de banda de 60 V. Portanto, a escolha da largura de banda mais adequada depen-derá do compromisso entre o uso do BESS e o tempo de restabelecimento da tensão no barramento CC.
5 Conclusão
O uso de estratégias operacionais e de controle adequadas permite a operação ilhada autônoma de sis-temas eólicos. Nesse contexto, o presente trabalho propôs uma malha de controle suplementar, associada a um banco de baterias, para regular a tensão no bar-ramento CC de uma unidade eólica baseada em GS, de forma a viabilizar a operação ilhada autônoma do sistema eólico. O controle proposto permite reduzir o número e a duração de atuações do BESS frente às va-riações típicas de carga. A malha de controle suple-mentar permite prolongar a vida útil do BESS e possi-bilita o uso de baterias com menor capacidade de ar-mazenamento de energia.
Os testes realizados mostraram que o controle su-plementar foi efetivo no controle da tensão do barra-mento CC frente às variações de carga do sistema au-tônomo. Na ocorrência de pequenas variações de carga, apenas a atuação do controle suplementar foi capaz de regular a tensão do barramento CC. Nos ca-sos de grandes variações de carga, houve uma ação coordenada entre o controle suplementar e o BESS. Quanto maior for a largura de banda do controle su-plementar, menor será a potência requerida do BESS e maior será o tempo de restabelecimento da tensão no barramento CC.
O desenvolvimento de uma metodologia para di-mensionar a potência do banco de baterias e o uso de supercapacitor e bateria diretamente no barramento CC serão o foco de pesquisas futuras.
6 Apêndice
Os valores adotados para os parâmetros do sis-tema eólico teste utilizado neste trabalho são:
- Parâmetros da turbina eólica: Ht 3.0 s, 2.0
n
P MW,Ks 0.3 . .p u ,Dm1.5 . .p u,Vnom11 /m s
,D75 m.
- Parâmetros do gerador síncrono: Hg 0.62 s, 2 p n ,n 377 rad s/ ,Vn730 V,Rs0.006 . .p u, 60 f Hz . - Parâmetros do Barramento CC: C 300mF, 1100 cc V V. - Parâmetros do BESS: Cb25mF,Lb480H, 576 b V V , Cnominal17Ah.
- Parâmetros dos controladores: kp15, kI10.02 ,kp215,kI21,kp30.2,kI34,kp41.5,kI41,
5 0.003
p
k ,kI50.05.
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