Avaliaç˜ao do Comportamento de um Sistema de Convers˜ao de Energia Eólica Utilizando

193 Pages·2009·4.73 MB·Portuguese

Programa de P´os-Graduac¸˜ao em Engenharia El´etrica - PPGEE
Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia El´etrica - CPDEE
Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG
Avalia¸c˜ao do Comportamento de um Sistema
de Convers˜ao de Energia E´olica Utilizando
Gerador de Induc¸˜ao Duplamente Excitado
Durante Afundamentos de Tens˜ao
Equilibrados e Desequilibrados
Victor Flores Mendes
Dissertac¸˜ao submetida `a banca examinadora designada pelo
Colegiado do Programa de P´os-Graduac¸˜ao em Engenharia
El´etricadaUniversidadeFederaldeMinasGerais, comoparte
dos requisitos necess´arios `a obtenc¸˜ao do grau de Mestre em
Engenharia El´etrica.
Orientador : Selˆenio Rocha Silva
Belo Horizonte, 1 de Agosto de 2009.

iii
`
A minha fam´ılia e
aos meus amigos.
“Se eu vi mais longe, foi por estar de p´e sobre ombros de
gigantes.”
Isaac Newton
Agradecimentos
Agradec¸o imensamente
a Deus em primeiro lugar;
a minha esposa, Marina, minha princesa que sempre est´a a meu lado em
todos momentos;
aos meus pais, Edilson e Silvana, por todo o apoio de agora e de sempre;
aos meus irm˜aos, Vinicius e Peu, pela companhia mesmo que long´ınqua;
ao meu sogro e minha sogra, Eduardo e Vera, minha segunda familia;
aos meus avˆos e av´os, que daqui ou de onde estejam olham por mim;
ao professor e amigo Selˆenio, pela imensa dedicac¸˜ao, pelas horas de con-
versa e de troca de conhecimentos;
aos colegas de laborat´orio, Fred, Tameir˜ao, Jo˜ao, Gaiba, Danilo e espe-
cialmente ao Clodualdo, que sem eles esse trabalho teria sido infinitamente
mais dificil;
aos companheiros da Alemanha, Baldu´ıno e Sebastian, que com seu em-
penho contribuiram para meu crescimento e para a realizac¸˜ao dessa disser-
tac¸˜ao;
aos amigos mais pr´oximos, Breno, Andrey, Higor, ...;
aos professores e colegas do PPGEE e do CPH;
enfim a todos que fazem parte da minha vida.
v

Sum´ario
Resumo xi
Abstract xiii
Lista de Tabelas xv
Lista de Figuras xxvi
Lista de S´ımbolos xxix
Lista de Abreviac¸˜oes xxxiii
1 Introduc¸˜ao 1
1.1 Introduc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Sistemas de Convers˜ao de Energia E´olica (WECS) . . . . . . . 3
1.2.1 Turbinas E´olicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Sistemas de Gerac¸˜ao em Turbinas E´olicas . . . . . . . 6
1.3 Afundamentos Momentˆaneos de Tens˜ao . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Motivac¸˜ao e Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Revis˜ao Bibliogr´afica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Organizac¸˜ao Textual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
vii
viii
2 Sistema de Convers˜ao Equipado com a Tecnologia DFIG 17
2.1 Introduc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Tecnologia DFIG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Turbina E´olica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Caixa de Transmiss˜ao e Elasticidade de Eixos . . . . . 20
2.2.3 M´aquina de Induc¸˜ao com Rotor Bobinado . . . . . . . 23
2.2.4 Filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.5 Modelo dos Conversores e do Barramento CC . . . . . 26
2.3 Estrat´egias de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Transformadas de Clark e Park . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Controle do Conversor da Rede (GSC) . . . . . . . . . 30
2.3.3 Controle do Conversor do Rotor (RSC) . . . . . . . . . 35
2.4 A Bancada Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 Simulador de Turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.2 Gerador, Inversores, Filtro e Transformador . . . . . . 45
2.4.3 SistemasdeCondicionamento,deAquisic¸˜aoedeControle 46
2.5 Ajuste dos Controladores da Bancada de Testes . . . . . . . . 48
2.5.1 T´ecnicas de Ajuste dos Controladores . . . . . . . . . . 48
2.5.2 Discretizac¸˜ao dos Controladores . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.3 Resultados Experimentais das Estrat´egias de Controle 50
2.6 Considerac¸˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Comportamento do DFIG Frente aos AMT’s Equilibrados 61
3.1 Introduc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 An´alise Te´orica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Rotor Aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 Presenc¸a do inversor RSC . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.1 Geradores de AMT’s Equilibrados . . . . . . . . . . . . 76
ix
3.3.2 Rotor Aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.3 Presenc¸a do inversor RSC . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 Coment´arios Sobre os Testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5 Considerac¸˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4 Comportamento do DFIG Frente aos AMT’s Desequilibra-
dos 99
4.1 Introduc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 An´alise Te´orica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.1 Rotor Aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.2 Discuss˜ao sobre a Presenc¸a do inversor RSC . . . . . . 112
4.3 Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4 Geradores de AMT’s Desequilibrados . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.1 Rotor Aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.2 Presenc¸a do inversor RSC . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5 Coment´arios Sobre os Testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.6 Considerac¸˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5 Estrat´egias para Melhoria da Suportabilidade do DFIG 131
5.1 Introduc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2 O dispositivo“Crowbar“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3 Malha de Controle da Corrente de Magnetizac¸˜ao . . . . . . . . 140
5.4 Considerac¸˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6 Conclus˜oes e Propostas de Continuidade 149
6.1 Conclus˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2 Propostas de Continuidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Referˆencias Bibliogr´aficas 153
A Parˆametros da Bancada Experimental 159