MEEC / MEM– Energias Renováveis Energia...

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MEEC / MEM– Energias RenováveisEnergia Eólica

2005/2006

Energia Eólica

Tipos de AerogeradoresModelização, Controlo e Protecções

J. A. Peças Lopes


2005/2006

Introdução

• Existem fundamentalmente 3 tipos de aerogeradores com aplicação industrial:– Máquinas assíncronas (com e sem controlo do ângulo de

pitch);

– Máquinas assíncronas duplamente alimentadas - (Doublyfed induction wind generators -DFIWG);

– Máquinas síncronas de velocidade variável.

(as máquinas assíncronas começaram por ser inicialmente utilizadas, tendo hoje uma quota de mercado muito reduzida)

ConversoresElectrónicos

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2005/2006

Tipo de Geradores

• CIGRE TF38.0110


2005/2006

Componentes aerodinâmicas• Três variáveis aerodinâmicas definem o comportamento da

turbina eólica:

λ - relação de velocidade de extremidade das pás (tip speedratio)

Cp - O coeficiente de potência;

θ - O ângulo de pitch.

• Definem-se estratégias de controlo para os modos de operação em velocidade fixa ou em velocidade variável.

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2005/2006

Potência disponível

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/m3Cp coeficiente aerodinâmico do rotor (típico = 0,4)

O binário mecânico pode ser calculado a partir de Pw:

3

21

wpw AVCP ρ=

R

ww

PT

ω=


2005/2006

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:

Onde:β ó ângulo de passo da pá (pitch angle)λ é a relação de velocidade da pá (tip speed ratio), definidacomo:

w

R

VRω

λ =

( ) ieCi

pλθ

λθλ

5.12

54.011622.0,−

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×−×=

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2005/2006

Potência Disponível

• Curvas Cp = f(λ,θ)

Valor máximoteórico:

Cp_max ≅ 0.59

Turbinas de vel. Variável são operadas de forma a obter o melhor rendimento


2005/2006

Potência disponível• Operação da turbina com máxima potência mecânica

Pmax = Kopω3

53

1 . . . .2p

opCK Rρ π λ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

Onde:

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2005/2006

Controlo do ângulo de Pitch

• Modelização do comportamento do controlo de pitch

sk

k ip +

+

- Pmec_ref [pu]

Pmec [pu]

Ângulo de referêcia

+

1+Tsk

s1

Ângulo de pitch

θref [graus]

θ [graus]

-

0

Σ Σ

Outras técnicas:-Active stall ( θ negativo);-Passive stall


2005/2006

Resposta ao controlo do ângulo das pás

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2005/2006

Potência disponível


2005/2006

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:

)1( 1222 slip

slipIRMP −=

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2005/2006


• Em termos de potências:

P

Gerador de induçãoQgi (potência reactiva)

Q – potência “consumida” nas reactâncias da máquina (magnetização + Xs e Xr)


2005/2006


• Em termos de potências:– Soluções para evitar minimizar o consumo de pot. reactiva

P

Qgi (potência reactiva)Bateria de condensadoresQc

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2005/2006


• 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


2005/2006

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

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2005/2006

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 (dλ/dt) édesprezada;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


2005/2006

Modelo Matemático para Estudos Dinâmicos

• Modelo simplificado para efeito de estudos dinâmicos

Quando existirem também conversores electrónicos

fem induzida no rotor

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2005/2006

Modelos eléctricos

• Gerador assíncrono convencional (modelo de 3º ordem)

Electrical behavior

Mechanical behaviorElectrical behavior Mechanical behaviorElectrical behavior

( )gmec PPHf

t−×

π=

∂ω∂

⎩⎨⎧

×−×−=

×+×−=

imereimim

imreerereIRI'X'EV

I'XIR'EV

imimrereg I'EI'EP ×+×=

imrereimg I'EI'EQ ×−×=

f..2f..2sπ

ω−π=

⎩⎨⎧

×−×−=

×+×−=

imereimim

imreerereIRI'X'EV

I'XIR'EV

imimrereg I'EI'EP ×+×=

imrereimg I'EI'EQ ×−×=

f..2f..2sπ

ω−π=

( )( )

( )( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

×−+×−××π−=∂

∂

×−−×−××π=∂

∂

reimo

reim

imreo

imre

I'XX'ET1'Esf2

t'E

I'XX'ET1'Esf2

t'E

;XXXXX'X

rmrm

e +×

+= ;XXX me += ( ) r0mr

o Rf2XXT×π

+=

( )( )

( )( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

×−+×−××π−=∂

∂

×−−×−××π=∂

∂

reimo

reim

imreo

imre

I'XX'ET1'Esf2

t'E

I'XX'ET1'Esf2

t'E

;XXXXX'X

rmrm

e +×

+= ;XXX me += ( ) r0mr

o Rf2XXT×π

+=

•


2005/2006

Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado

• Gerador assíncrono:– Directamente ligado à rede;– Ligado à rede via DC;– Com controlo dinâmico de deslizamento;– Double-fed induction machine

is

Controller

ia

dc / ac

C2

vavr

ir

ac / dc

C1

vsig

gg jQP +

Controller

ωr

vdc

Crowbar Protection

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2005/2006

Modelos Eléctricos• Geradores assíncronos duplamente alimentados

( )

( )

'

'

1

(6)1

d md qs s q s qr

o rr

q mq ds s d s dr

o rr

de Le X X i s e v

dt T Lde L

e X X i s e vdt T L

ω ω

ω ω

⎧ ⎡ ⎤= − − − + −⎪ ⎣ ⎦⎪⎨⎪ ⎡ ⎤= − + − − +⎣ ⎦⎪⎩

1 ( ) (7)rm e

dT T

dt Jω

= −

sKK I

P3

3 +

Vt

Vtref

-

+

s K K I

P2

2 + Idr

Idref

-+

v dr

Terminal voltage control

sKK I

P1

1 +

ωra

ωref

+

-

s K K I

P2

2 + Iqr

Iqref

-+

v qr

rotor speed control

1+sTK

v

v

1+sTK

t

t


2005/2006

Modelo eléctrico• Esquema genérico de controlo de geradores DFIM

is

Controller

ia

ac / dc

C2

va vr

ir

dc / ac

C1

vs i g g g jQ P +

Controller

ωr

vdc

CrowbarProtection

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2005/2006

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.


2005/2006

Função dos Controladores• As tensões controladas do rotor podem ser obtidas a partir

de controladores PI’s.

kp1+ki1s

kp2+ki2s

vqriqr

iqref

+ -

+-

Wr

Wref

Controlo de velocidade do rotor

kp3+ki3s

kp4+ki4s

vdridr

idref

- -

++

Vt

Vtef

Controlo de tensão terminal

Modelo doGerador deIndução

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2005/2006

Função dos Controladores

Park'sTransformation

iar, ibr, icr

PWM

kp1+ki1s

kp2+ki2s

Inverse Park'sTransformation

Park'sTransformation

kp3+ki3s

kp4+ki4s

var, vbr, vcr

vqr

vas, vbs, vcs

vdr

iqr

iqref

idr

idref

(vds + vqs)2 2 1/2

Vt

Vtref+

-+

-

+

-

+

-

Wr

Wref

Speed rotor control Terminal voltge control

Converter C1

• Esquema de controle do Conversor ligado ao rotor


2005/2006

Função dos Controladores• Controlo da tensão do link DC

ks + ωc

kp2+ki2s

Pr

Vdcref

-+

Pref

+Vdc

-

Sinal de controle para o conversor Pc

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡×⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

×

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−×=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ −

)()(

)()()()(

23

21

23

21

01

23

1

*

*

*

tqtp

tvtvtvtv

iii

c

c

cc

cb

ca

αβ

βα

Sinais de correntes de referência de controle a partir das potencias activa e reactiva de referência

Teoria da potência Instantânea

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2005/2006

Função dos Controladores• Esquema de controle do Conversor ligado à rede eléctrica

PWM

ks + ωc

kp2+ki2s

Clark'sTransformation

vas, vbs, vcs

Pr

Vdcref

-+

+

Vdc

Converter C2

+-

Inst. Power Theory

ia, ib, ic

Pref

pc qc = 0

vα Vβ


2005/2006

Controlo optimizado

Nick Jenkis etal.

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2005/2006

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.


2005/2006

Modelos eléctricos

• Gerador assíncrono duplamente alimentado (Operação do crow bar)

i s

Controller

ia

ac / dc

C2

va v r

i r

dc / ac C1

v s i g g g jQ P +

Controller

ω r

v dc Crowbar

Protection

Tem como objectivo garantir a

integridade física dos conversores;

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2005/2006

Operação do crow-bar

Potência Activa do rotor

Tensão Terminal

Corrente do rotorTensão do rotor

Corrente do rotor


2005/2006

Resultados da Operação com controlo clássico PI

• Comportamento perante súbito acréscimo da velocidade do vento:(a) Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02);(b) Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02).

• Comportamento perante curto-circuito:(c) Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02);(d) Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02).

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2005/2006


• Caso (a) - Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02)

0 5 1 0 1 50 . 9 4 5

0 . 9 5

0 . 9 5 5

0 . 9 6

0 . 9 6 5

Te m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 5

1 . 0 1

1 . 0 1 5

1 . 0 2

1 . 0 2 5

1 . 0 3

Te m p o (s )

Tens

ão T

erm

inal

(p.u

.)

0 5 1 0 1 54

6

8

1 0

Pot

enci

a A

ctiv

a (M

W)

T e m p o (s )

0 5 1 0 1 51 1

1 2

1 3

1 4

1 5

T e m p o (s )

Ven

to (m

/s)

P o t e n c ia d o e s t a t o r

P o t e n c ia To t a l (P s + P c )


2005/2006


• Caso (a) – cont.

0 5 1 0 1 54 . 4 9

4 .4 9 5

4 . 5

4 .5 0 5

Te m p o (s )

Tens

ão C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 . 0 5

0 . 0 6

0 . 0 7

0 . 0 8

Te m p o (s )

Torq

ue M

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 5

0 .0 6

0 .0 7

0 .0 8

0 .0 9

Te m p o (s )

Torq

ue E

léct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 5

0 .0 6

0 .0 7

0 .0 8

0 .0 9

0 . 1c o rre n t e d o e s t a t o r

c o rre n t e d o ro t o r

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2005/2006


• Caso (b) - Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02) :

0 5 1 0 1 51 .0 4

1 .0 5

1 .0 6

1 .0 7

Te m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 51

1 .0 1

1 .0 2

1 .0 3

1 .0 4

Te m p o (s )

Tens

ão T

erm

inal

(p.u

.)

0 5 1 0 1 54

6

8

1 0

1 2

Te m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M

W) P o t e n c ia t o t a l


0 5 1 0 1 51 1

1 2

1 3

1 4

1 5V

ento

(m/s

)

Te m p o (s )


2005/2006


• Caso (b) – cont.

0 5 1 0 1 54 .4 9

4 .4 9 5

4 .5

4 .5 0 5

4 .5 1

Te m p o (s )

Tens

ão C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 .0 5

0 .0 6

0 .0 7

0 .0 8

0 .0 9

Te m p o (s )

Torq

ue m

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 4

0 .0 6

0 .0 8

0 .1

Te m p o (s )

Torq

ue E

léct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 4

0 .0 6

0 .0 8

0 .1

0 .1 2

Te m p o (s )

Cor

rent

e (p

.u.)

C o r re n t e d o e s t a t o r

C o r re n t e d o ro t o r

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2005/2006


• Pitch a actuar para limitar a velocidade do rotor

0 1 0 2 0 3 0

1 5

1 6

1 7

T e m p o (s )

Var

iaçã

o de

ven

to (m

/s)

0 1 0 2 0 3 09 . 4 8

9 . 4 9

9 . 5

9 . 5 1

9 . 5 2

T e m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M

W)

0 1 0 2 0 3 01 . 0 9 5

1 . 1

1 . 1 0 5

1 . 1 1

T e m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 1 0 2 0 3 01 6

1 8

2 0

2 2

2 4

2 6

Ang

ulo

de p

itch

(gra

us)

T e m p o (s )


2005/2006


• Caso (c) - Regime sub-síncrono (ωr = 0.95 e Vt = 1.02) :

0 5 1 0 1 50 . 8 5

0 . 9

0 . 9 5

1

1 . 0 5

T e m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 5

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

T e m p o (s )

Tens

ão T

erm

inal

(p.u

.)

0 5 1 0 1 5-2 0

0

2 0

4 0

6 0

T e m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M



0 5 1 0 1 5-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

T e m p o (s )

Pot

enci

a R

eact

iva

(MV

Ar)

20


2005/2006


• Caso (c) – cont.

0 5 1 0 1 54 . 2

4 . 4

4 . 6

4 . 8

5

Te m p o (s )

Tens

ão C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 . 0 5

0 . 0 5 1

0 . 0 5 2

0 . 0 5 3

0 . 0 5 4

Te m p o (s )

Torq

ue M

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 5-0 . 2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

Te m p o (s )

Torq

ue E

léct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

Te m p o (s )

Cor

rent

e (p

.u.)

C o r re n t e d o e s t a t o rC o rre n t e d o ro t o r


2005/2006

Resultados da Operação

• Caso (c) - Regime sub-síncrono (com a actuação do crowbar)

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2005/2006

Resultados da Operação

• Caso (c) - Regime sub-síncrono (crowbar permanente)


2005/2006


• Caso (d) Regime hiper síncrono (ωr = 1.05 e Vt = 1.02) :

0 5 1 0 1 50 . 9

1

1 . 1

1 . 2

Te m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 5

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

Te m p o (s )

Tens

ão T

erm

inal

0 5 1 0 1 5-2 0

0

2 0

4 0

6 0

Te m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M



0 5 1 0 1 5-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

Te m p o (s )

Pot

enci

a R

eact

iva

(MV

Ar)

22


2005/2006


• Caso (d) – cont.

0 5 1 0 1 54 . 2

4 . 4

4 . 6

4 . 8

Te m p o (s )

Tens

ão C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 . 0 5 2 4

0 . 0 5 2 6

0 . 0 5 2 8

0 . 0 5 3

Te m p o (s )

Torq

ue M

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 5-0 . 2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

Te m p o (s )

Torq

ue E

léct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

Cor

rent

e (p

.u.)

Te m p o (s )

C o r re n t e d o e s t a t o r

C o r re n t e d o ro t o r


2005/2006

Gerador Síncrono de Velocidade Variável

• A utilização de máquinas síncronas de velocidade variáveltem por objectivo a maximização do aproveitamentoenergético na exploração da energia eólica.

• Fabricantes:– Enercon;

• O conceito

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2005/2006



2005/2006


24


2005/2006



2005/2006

Modelo do Gerador Síncrono de VelocidadeVariável

• Modelo simplificado onde:– O modelo aerodinâmico é igual ao utilizado nas máquinas

assíncronas

– No gerador síncrono são desprezados os fenómenostransitórios rápidos;

– O conversor é considerado ideal;– Apenas são considerados ás interacções da turbina com a

rede e os seus sistemas de controlo

• Em estudos de TP o GSVV pode ser representado como umnó tipo PQ (ou em situações em que o sist de controloesteja preparado, como um nó PV).

( ) 31 ,2w p wP c AVρ λ θ=

25


2005/2006

Modelo do Gerador Síncrono de VelocidadeVariável

• Outros Modelos Possíveis


2005/2006

Modelo do Gerador Síncrono de Velocidade Variável

~GS

+-

Controlador

PWM-C1

ControladorAVR

+Popt

ωrCurva Óptima de Potência

PWM-C1 jX

Rede Eléctrica

vt

Representação em Simulink/Matlab

1.05Vtref

1.05Vtc_ref

Velocidade de Vento

1.631

Vcc_ref

v ento

wt

pitch

Tm

Pm

Turbina Eolica t

To Workspace16

Vdcv

Vqcv

Idcv

Iqcv

Pcv

Qcv

Rede Eléctrica

0.0065Pmax

Vtref

Wref

Wr

Pg

Qg

Vdqs

Vt

Malha de controlo Conversor C1

Vtc_ref

Vcc_ref

Vcc

idcviqcv

Qcv

Vdcv

Vqcv

Vtdqc

Malha de ControloConversor C2

Pg

PcvVcc

Link CC1

Vdqs

Pm

Ef dc

Wr

Te

Pg

Qg

Gerador Síncrono Convencional

-K-

Gain

Curva Optima

Pmax

Pm

Tm

Wm

teta (graus)

Controlo de Pitch

0.0613

Clock

Vt Ef dc

AVR

Vcc

Vt

Tm Vento

Pm

Wr

idcviqcv

Pcv

Qcv

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.

O conversor PWM-C2 ligado na rede eléctrica controla a tensão de saída e a tensão do barramento CC

26


2005/2006

• Lay-out de parques eólicos

• Controlo de Geração


2005/2006

Lay-out de parques eólicos

• Solução genérica usual

SUBESTAÇÃO

Ligação obrigatória

Ligação suplementar

Optimização da solução:• Escolha dos cabos;• Admitir ligações alternativas

27


2005/2006

Lay-out de parques eólicos• Soluções típicas

AG1

SUBESTAÇÃO

1

2

3

23

24060

Comprimento (m)

Secção (mm2)

Comprimento (m)

Secção (mm2)

AG15 AG16 AG17 AG18 AG19 AG20

17 18 19 20 21 22

37 38 39 40 41 42

95 95 70 70 50 3580 1550 150 280 200 180

240160

AG2 AG3 AG4 AG5 AG6 AG7 AG8 AG9 AG10 AG11 AG12 AG13 AG14

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

240 240 240 240 150 120 120 95 95 70 50 35200 110 110 105 105 248 180 120 120 130 220 180

AG1 AG2 AG3 AG4 AG5 AG6 AG7

SUBESTAÇÃO

1

2

3 4 5 6 7 8 9

23 24 25 26 27 28 29

70 70 70 70 70 70 70

AG8 AG9 AG10 AG11 AG12 AG13 AG14

10 11 12 13 14 15 16

30 31 32 33 34 35 36

120 70 70 70 70 70120

AG15 AG16 AG17 AG18 AG19 AG20

17 18 19 20 21 22

37 38 39 40 41 42

120 120 70 70 70 70

60 160 200 110 110 105 105

1050 180 120 120 130 220 180

80 1550 150 280 200 180

Comprimento (m)

Secção (mm2)

Comprimento (m)

Secção (mm2)


2005/2006

Lay-out de parques eólicos

• Instalação de baterias de condensadores (com escalões)

Para compensação global

Compensação individual

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2005/2006

Tipos de Controlo

• Controlo de produção de potência activa e reactiva


2005/2006

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

Grupo de Geradores

Clusters de

DE Grupos Geradores

RES

Requi sitos de Operação : • Garantia de Fornecimento de quantidades de energia

• Fornecimento de Serviços de Sistema (Pot. r eactiva e reservas)

• Minimização de desvios em programas de produção

Requi sitos de Operação : • 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) Requi sitos de Operação • Operação segura e confiável • Máxima produção de energia

Gen 1 , 1 Gen 1 , . 2 Gen 1 , 3 Gen 2 , . 1 Gen 2 , 2 Gen n , n

Cluster s de Grupos Geradores

Grupos de

Gerador Simples

Geradores 1 Grupos de Grupos de

Geradores 2 Geradores N

Redução de pertubações na qualidade da onda•

29


2005/2006

Tipos de Controlo

• Controlo no ponto de ligação do parque à rede Despacho dos aerogeradores (P, Q) e baterias de condensadores

Tomar em consideraçãoas perdas internas noparque.


2005/2006

Definição de condições técnicas especiais

• Caracterização do controlo inercial

kp1+ki1s

kp2+ki2s

vqriqr

iqref

- -

++

Pdfig

Controlo de potencia activa

kp3+ki3s

kp4+ki4s

vdridr

idref

- -

++

Qs

Qref

Controlo de potencia reactiva

Modelo doGerador deInduçãoWr

Pref

Vento

-

+

1/R+

-

Wsys

Wsys_ref

Pmax

Pmin

Droop(controlo proporcional)

30


2005/2006


• A Potência activa injectada pelos conversores deve seguir uma curva óptima pré-estabelecida.


2005/2006


• Resposta do cluster perante variação de carga no sistema

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1049.75

49.8

49.85

49.9

49.95

50

Tempo(s)

Hz

Comportamento da frequencia do sistema

DFIM com droop 0.015

DFIM com droop de 0.05

DFIM sem controlo de frequencia

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 107.5

8

8.5

9

9.5

Tempo(s)

Pot

enci

a A

ctiv

a

Potencia Activa injectada (DFIM sem droop)

Potencia activa injectada (droop de 0.05)

Potencia Activa injectada (droop de 0.015)

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2005/2006

Participação dos DFIWG no equilíbrio de geração / consumo

• Curvas de Potência Máxima com reserva.

Para que os aerogeradorespossam aumentar a sua geração quando persistir um erro de frequência énecessários que os geradores eólicos operem com curvas de potência máxima com margem de reserva ->

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Velocidade angular do rotor referido ao gerador (p.u.)

Pot

enci

a M

ecan

ica

(MW

)

5 m/s6 m/s

7 m/s

8 m/s

9 m/s

10 m/s

11m/s

12m/s

13m/s

PotenciaMecancia Máxima

Curva de PotenciaÓptima

pré-definida

20% reserva


2005/2006

Participação dos DFIWG no equilíbrio de geração / consumo

• Esquema de controlo do aerogerador DFIWG com margem de reserva de potência

• - A margem de reserva possibilita também que o DFWIG responda a uma solicitação de potência do operador do parque eólico

kp1+ki1s

kp2+ki2s

vqriqr

iqref

- -

++

PDFIG

Pdel

Malha de Controlo de Potência Activa

kp3+ki3s

kp4+ki4s

vdridr

idref

- -

++

Qs

Qref

Malha de Controlo de Potência Reactiva

Modelo do Gerador Eólico

DFIWG ωr vento

Curva Óptima dePotência com reserva

+

Central de Controlo e Supervisão do Parque

Eólicos

-

Pmax

Pmin

E'd

E'q

REDEELECT.

1/R

+

-

ωsys_ref

ωsys

Controlo de inércia

ΔP1

ΔP2

Pref

Qmax

Qmin

Algoritimo de Optimização

Pinj Qinj

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2005/2006

Resultados de um caso de estudo

• Comportamento dos aerogeradores DFWIG com e semcontrolo primário de frequência

22 24 26 28 30 32 34 36 38 4049.75

49.8

49.85

49.9

49.95

50

50.05

Tempo (s)

Hz

Frquência do sistema com os DFWIGs sem controlo primárioFrequência do sistema com os DFIWGs com controlo primário

22 24 26 28 30 32 34 36 38 400.51

0.52

0.53

0.54

0.55

0.56

0.57

0.58

0.59

Tempo (s)

MW

DFIGW ligado na barra 02DFIWG ligado na barra 4DFIGW ligado na barra 6DFIGW ligado na barra 8DFIGW ligado na barra 10

DFIWGs comestatismo R de 5%

DFIWGs semestatismo R de 5%

Frequência do sistema Potência activa injectada de cada DFIWG


2005/2006

Sobre-equipamento de parques eólicos

• Instalar ΣS > Capacidade do ponto de interligação

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2005/2006

Produção esperada

• A potência instalada tem uma probabilidade baixa de vir a ser produzida

Curva de duração da produção anualde um parque eólico normalizada para a potência instalada


2005/2006

Aumento da produção de energia

• Aumento da potência instalada

A

B

C

P instalada (MW)

8760 (h)

PinstA

PinstB

Curvas de duração da produção anual de um parque eólico para dois valores de potência instalada

34


2005/2006

Protecções

• As protecções são de dois tipos:– Protecções dos aerogeradores (dependentes da tecnologia)– Protecções de interligação à rede, para “comandar” o

disjuntor de interligação.


2005/2006

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 éperdida 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.

35


2005/2006

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.


2005/2006


• 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

36


2005/2006



2005/2006


• 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 auto-excitação de geradores assíncronos; Valor de regulação 1,1Un;

• 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).

Temporizações instantâneas quando em REE (Regime Especial de Exploração)

37


2005/2006

Protecções de Interligação• Protecção de interligação (50,51,81U, 81O,27,59N)

50 – MI instantânea51 – MI temporizada81U, 81O – min e máx freq.27 – Máx tensão;59N – Máx tensão de seq. zero


2005/2006

Protecções de InterligaçãoSituações de defeitos fase-terra nas redes distribuição e sub-transmissão

38


2005/2006


• Duas situações podem ocorrer no caso de defeitos Fase-Terra:

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.


2005/2006


39


2005/2006


ooo IZV .−=

2 2 21 9. . .o

o def

UVC Rω

=+

Problemas: funcionamento intempestivo do relé 59N


2005/2006

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!

40


2005/2006

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 melhorintegração no sistema– (alguns problemas presistem contudo);

• Aparecimento futuro da produção off-shore• Impactos crescentes na operação do sistema;

• Necessidade de harmonizar a regulamentação e standards para permitir a integração na rede desta produção;

• Novas ferramentas de planeamento.

Novas funcionalidades nos sistemas de gestão e controloDo tipo EMS e DMS

MEEC / MEM– Energias Renováveis Energia...

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