IMPACTO DO CONTROLE DE POTÊNCIA ATIVA DE AEROGERADORES NO SUPORTE À FREQUÊNCIA DO SISTEMA

Trabalho Final de Graduação

Novembro/2016

Impacto do controle de potência ativa de aerogeradores no suporte à frequência do sistema

João Gabriel Barbosa Fernandes

Resumo – Diversos problemas têm surgido com o aumento da penetração de energias renováveis no sistema elétrico, um deles é a diminuição da inércia do sistema, que leva a maiores excursões da frequência após distúrbios na rede. O controle de potência ativa presente em modernos modelos de aerogeradores surgiu como uma solução para o problema. O presente trabalho faz uma análise desse novo tipo de controle em um sistema fictício, e mostra sua eficácia na manutenção da frequência para configurações com diferentes níveis de penetração eólica.

Palavras-Chave: Aerogeradores, Controle de Potência Ativa, Excursões da Frequência, Inércia.

I – Introdução

O aumento da geração de energia elétrica, bem como o desenvolvimento do setor elétrico brasileiro como um todo, é vital para o crescimento econômico e social do pais. Pensando nisso juntamente a preocupação com a sustentabilidade de processos, levaram a um aumento significativo do incentivo a geração de energia a partir de fontes renováveis como, eólica, solar, das marés entre outras.

Dentre essas a eólica vem despontando como a mais promissora, por apresentar menores custos de implantação e operação. Porém a intermitência dos ventos gera uma série de problemas de qualidade de energia e operação desses geradores, fazendo-se necessário o estudo de tal tecnologia com a finalidade do melhor entendimento desses problemas e proposição de soluções para os mesmos [1].

Um dos problemas apresentados na operação de aerogeradores é a sua característica dinâmica para manutenção da frequência. Devido a intermitência dos ventos a maioria das turbinas eólicas são de velocidade variável, logo dispõem de dispositivos eletrônicos para se conectarem à rede, desacoplando a parte mecânica das turbinas da rede elétrica. Isto faz com que essas turbinas não sejam sensíveis a variações na frequência do sistema e, portanto, não gerem nenhum tipo de suporte a mesma. Porém com o aumento significativo da participação da geração eólica em sistemas elétricos de todo o mundo, estão sendo desenvolvidos novos controladores capazes de fazer com que a turbina eólica gere uma resposta tanto de potência reativa como de potência ativa [2].

Neste trabalho será apresentado um estudo do impacto de um controlador de potência ativa de aerogeradores na restauração da frequência de um sistema após um grande distúrbio.

II – Referencial Teórico

A seguir será apresentado o referencial teórico no qual o estudo é baseado, evidenciando os principais tipos de tecnologias existentes para turbinas e geradores usados na geração de energia eólica, e apresentando os conceitos de estabilidade de frequência e controle de potência ativa.

II.1 – Tipos de Turbinas

As turbinas eólicas têm como papel converter a energia cinética do vento em energia mecânica, os principais elementos da turbina responsáveis por essa conversão são as pás, eixos de baixa e alta velocidade, caixa de engrenagens, cubo, gerador e torre de sustentação da turbina.  Como mostrado na figura 1.

II.1.1 – Turbinas de Velocidade Fixa

Turbinas de velocidade fixa são assim chamadas pois independente da velocidade do vento elas operam a uma velocidade constante determinada pela frequência do sistema ao qual são conectadas, caixa de engrenagens e gerador utilizado.  Normalmente são equipadas com um gerador de indução tipo gaiola de esquilo conectado diretamente a rede elétrica e banco de capacitores para realizar a compensação reativa. Elas são projetadas para atingirem a máxima geração a uma velocidade específica, porém com o objetivo de aumentar a eficiência da turbina alguns geradores operam em duas configurações diferentes, uma para baixas e outra para médias e altas velocidades. Apesar de ser robusta, mais barata e mais simples, turbinas de velocidade fixa apresentam elevado stress mecânico, baixa eficiência e controle limitado da qualidade de energia (flutuações na velocidade do vento geram flutuações na potência gerada aumentando perdas de energia) [3].  

[pic 1][pic 2]

II.1.2 – Turbinas de Velocidade Variável

Turbinas de velocidade variável tem se tornado a tecnologia mais utilizada nos últimos anos, elas são projetadas para atingir a máxima eficiência aerodinâmica para diversas velocidades. Todas as variações na velocidade do vento são absorvidas através da variação da velocidade do gerador, logo ao contrário das turbinas de velocidade fixa elas possuem torque constante. São geralmente equipadas com geradores síncronos ou de indução duplamente alimentados, e conectadas à rede através de conversores eletrônicos de potência, que controlam a velocidade do gerador. As principais vantagens dessa tecnologia são a grande eficiência, pequeno stress mecânico e boa qualidade de energia, em contrapartida produz harmônicos devido aos conversores eletrônicos, requer maior manutenção devido ao aumento de componentes, e é uma tecnologia mais cara [3].

II.1.3 – Turbinas com Controle por Estol

Controle por estol é o tipo de controle mais simples, robusto e barato da potência gerada pela turbina.  É um controle passivo onde as pás são parafusadas no cubo com um ângulo fixo, o design aerodinâmico deste tipo de turbina leva o rotor ao stall (perda de energia) quando a velocidade do vento atinge certo limite. A principal vantagem desse tipo de controle são as baixas flutuações de potência para altas velocidade do vento. Os pontos fracos são a baixa eficiência para baixas velocidades e falta de suporte de potência para distúrbios na rede [4].  

II.1.4 – Turbinas com Controle de Passo

Controle de passo ou pitch control é um tipo de controle ativo onde é alterado o ângulo das pás em relação a incidência dos ventos a fim de aumentar ou diminuir a potência gerada pela turbina para uma baixa ou alta velocidade do vento.  A principal vantagem desta tecnologia é um bom controle de potência, que para altas velocidades do vento significa manter a potência perto da potência nominal do gerador. Como desvantagem há grandes flutuações de potência quando a velocidade do vento é alta [4].