1
Welcome to Aalborg University No. 1 of 31
Introdução ao Controle de Aerogeradores
de Pequeno Porte
Fabiano D. Adegas
Universidade de Aalborg
Departamento de Sistemas Eletrônicos
Seção de Automação e Controle
Welcome to Aalborg University No. 2 of 31
AGENDA
1. INTRODUÇÃO / MOTIVAÇÃO
2. AERODINÂMICA DE ROTORES
3. ESTRATÉGIAS DE CONTROLE AERODINÂMICO
4. GERADOR E CARGAS EM SISTEMAS ISOLADOS
5. CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA ELÉTRICA
Welcome to Aalborg University No. 3 of 31
INTRODUÇÃO
• Variabilidade na velocidade e direção do vento afetam a capacidade da turbina
eólica de fornecer energia;
• Turbinas eólicas de grande porte têm sistemas de controle complexos que
automaticamente ajustam a orientação da turbina, o ângulo de passo das pás, e a
rotação do gerador elétrico para manter a potência elétrica de saída desejada;
• Sistemas de controle de turbinas de pequeno porte normalmente são menos
sofisticadas, porém eles geralmente ainda têm alguma forma de controle para
melhorar a sua vida útil e a produção de energia;
• Os objetivos principais de um controlador em um sistema de energia eólica são
(em ordem de prioridade):
• Evitar danos à turbina eólica
• Evitar danos na carga
• Maximizar a produção de energia
Welcome to Aalborg University No. 4 of 31
INTRODUÇÃO
• No passado foram predominantemente projetados para robustez, com controles
mecânicos robustos e relativamente modesto desempenho global;
• Avanços em microcontroladores e componentes eletrônicos de potência
aumentaram consideravelmente o nível de sofisticação dos sistemas de controle;
• Aqui apresenta-se aspectos básicos dos controles mecânicos e elétricos associados
à turbinas eólicas de pequeno porte.
Welcome to Aalborg University No. 5 of 31
AERODINÂMICA
• A Teoria do Elemento de Pá é útil para derivar expressões do torque e potência
mecânica produzidas, e força axial de empuxo experienciada pela turbina eólica.
• Baseia-se na análise das forças aerodinâmicas aplicadas a um elemento radial de pá
de comprimento infinitesimal.
Welcome to Aalborg University No. 6 of 31
AERODINÂMICA
)sin()()cos()(2
2
DLrelT CCV
cf
)cos()()sin()(2
2
DLrelr CCrV
c
(Empuxo)
(Torque)
2
Welcome to Aalborg University No. 7 of 31
EMPUXO, TORQUE E POTÊNCIA
• A força de empuxo que age sobre todo o rotor, e o torque total útil desenvolvido
pela turbina são obtidos por integração das forças ao longo do comprimento da pá;
• Comumente expressos em termos de coeficientes não-dimensionais de empuxo,
(CT), torque (CQ) e potência (CP)
onde CP e CQ satisfazem O ângulo de passo β e a razão de
ponta de pá definida como
determinam a condição de operação de uma turbina eólica.
32
2322
),(2
1),(
,),(2
1,),(
2
1
VCRPCP
VCRTVCRF
PVPr
QrTT
.),( PQ CC
,V
RΩλ r
Welcome to Aalborg University No. 8 of 31
EMPUXO, TORQUE E POTÊNCIA
Welcome to Aalborg University No. 9 of 31
EMPUXO, TORQUE E POTÊNCIA
β = 0 deg V = 12 m/sWelcome to Aalborg University No. 10 of 31
DISTRIBUIÇÃO DE VEL. DE VENTO E CURVA DE POTÊNCIA
• I : Maximizar energia gerada, III : Regular potência e rotação, minimizar cargas.
• Objetivo final: reduzir R$ / kWh (custo da energia)
Welcome to Aalborg University No. 11 of 31
ESTRAT. DE CONTROLE DE ROTAÇÃO E PASSO VARIÁVEL
“IDEAL”
Welcome to Aalborg University No. 12 of 31
SUBSISTEMAS DE UM AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE
• Controles Mecânicos Passivos (Sobrevelocidade)
• Ângulo de Passo das Pás;
• Furling, Pitching.
• Controles Eletrônicos Ativos
• Maximização da Potência Elétrica;
• Curto-circuito controlado e/ou Dump load (sobrevelocidade).
3
Welcome to Aalborg University No. 13 of 31
CONTROLE AERODINÂMICO DE SOBREVELOCIDADE
• Está relacionada com a dependência cúbica de energia da velocidade do vento:
velocidade do vento apenas ligeiramente mais alta do que a velocidade nominal
pode causar níveis inseguros de cargas estruturais nas pás e no sistema de geração
de energia;
• Note que a potência elétrica é indiretamente afetada (controlada);
• Há três formas principais de proteção de sobrevelocidade através da ação de
forças aerodinâmicas:
• Furling;
• Pitching;
• Controle passivo do ângulo de passo das pás.
Welcome to Aalborg University No. 14 of 31
CONTROLE PASSIVO DO ÂNGULO DE PASSO
• Ângulo de passo das pás varia com a velocidade
angular de rotação do rotor;
• Baseia-se em princípios de forças centrífugas
atuantes na pá ou em massas instaladas nesta;
• Atuação não inicia até que a velocidade de rotação
nominal for excedida, devido à utilização de molas
pré-tensionadas, favorecendo o aumento de
energia gerada.
Welcome to Aalborg University No. 15 of 31
FURLING DE CAUDA
• Eixo de yaw distanciado do eixo do rotor por um pequeno
deslocamento;
• Suporte da cauda é fixada à parte traseira da nacelle por
uma dobradiça inclinada a um ângulo d da vertical (eixo de
furl);
• Em ventos fracos, o empuxo sobre o rotor atuando no
eixo de yaw leva a turbina a operar a um constante
(pequeno) ângulo de yaw, balanceado por um momento
restaurador da cauda;
• Cauda é mantida sobre o eixo de furl por sua própria
massa;
• Com o aumento da velocidade do vento, tanto o empuxo
do rotor e o momento da cauda aumentam;
• Eventualmente o momento gravitacional da cauda sobre o eixo furl é menor que o
momento aerodinâmico na cauda,e a cauda começa a “furl” atrás da nacele;
• Isto desalinha o rotor da direção do vento,reduzindo sua velocidade e potência.
Welcome to Aalborg University No. 16 of 31
FURLING DE CAUDA
• Equilíbrio entre os momentos gravitacionais e aerodinâmicos da cauda para o ângulo
de inclinação do eixo de furl δ,
Onde:
mtf é a massa total da cauda,
rcm é a distância do eixo de furl para o centro de massa da cauda,
rcp é a distância do eixo de furl para o centro de pressão da cauda,
F é a força aerodinâmica normal agindo sobre a cauda.
)cos()sin()cos( cpcmtf rFrgm
Welcome to Aalborg University No. 17 of 31
FURLING DE CAUDA
Welcome to Aalborg University No. 18 of 31
CURVA DE POTÊNCIA
• Exemplo de curva de potência com controle passivo do ângulo de passo + furling;
• Mantém boa regulação até velocidade de furling (25 m/s).
4
Welcome to Aalborg University No. 19 of 31
GERADOR E CARGAS EM SISTEMAS ISOLADOS
• Sistemas Eólicos de pequeno porte têm grande aplicação no suprimento de energia de
pequenas comunidades isoladas;
Welcome to Aalborg University No. 20 of 31
• Geradores de corrente alternada trifásicos de ímas
permanentes (GSIP) são os mais utilizados na
atualidade. Geradores de indução aparecem bem
distantes em segundo lugar.
• GSIPs:
• Têm boa eficiência se projetados adequadamente;
• São auto-excitados (imãs permanentes), não
necessitando de fonte externa;
• Com elevado número de pólos tem eficiente
desempenho em baixas rotações, favorecendo a
diminuição de ruído aerodinâmico;
• Produzem tensão e frequência variáveis com sua
rotação, as quais são normalmente retificadas para
corrente contínua (CC).
GERADOR E CARGAS EM SISTEMAS ISOLADOS
Welcome to Aalborg University No. 21 of 31
CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA
• Tensão constante nos terminais do GSIP
inviabiliza a extração da máxima potência
do aerogerador. Isso essencialmente por
conta de dois fatores:
• O rotor eólico não se encontra em
uma velocidade de rotação que
maximize a energia cinética extraída
do vento, para todas as velocidades
de vento [Muljadi et al1996],
• O GSIP não se encontra em um
ponto de máxima transferência de
potência, para todas as velocidades
do vento.0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
m [rad/s]
Pm
[W
]
Welcome to Aalborg University No. 22 of 31
CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA
• A necessidade de se alterar o comportamento da carga elétrica palavras, significa
fazer com que a tensão aparente enxergada pelo GSIP seja variável, é a justificativa
para a inserção de um conversor de potência CC-CC no sistema eólico;
• Vale dizer ainda que a modificação da carga elétrica é feita através da alteração da
razão cíclica do conversor CC-CC.
Welcome to Aalborg University No. 23 of 31
CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA
• Nesta apresentação:
Welcome to Aalborg University No. 24 of 31
CONTROLE DE MÁXIMA POTÊNCIA
0
50
100
150
200
250
300
350
400
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
U [m/s]
Pc
c W
]
Curva de Potência: AGPP GERAR 164 – Fabricante Nacional Enersud
•Rotor eólico de 1,64 metros de diâmetro;
•Gerador síncrono de imãs permanentes de 10 pólos;
•Retificador em ponte de Graetz.
5
Welcome to Aalborg University No. 25 of 31
Aspectos de Conversão de Energia em AGPP
Modelo Matemático: Partes de um AGPP (Topologia Típica)
Welcome to Aalborg University No. 26 of 31
Área varrida:2
mrA
3
2
1UACP pm Potência
Mecânica:
Razão de velocidade de ponta
(tip speed ratio - λ): U
r mm
Fração de potência extraída do vento :
coeficiente de potência (Cp)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5
Cp
otm= 4,268
Cpmáx= 0,394
Torque
Mecânico:m
mm
PT
Aspectos de Conversão de Energia em AGPPModelo Matemático: Rotor Eólico
Welcome to Aalborg University No. 27 of 31
c
b
a
c
b
a
a
a
a
c
b
a
dt
d
i
i
i
R
R
R
v
v
v
00
00
00
Tensão de Fase
32cos
32cos
cos
r
r
r
imã
c
b
a
cccbca
bcbbba
acabaa
c
b
a
i
i
i
LLL
LLL
LLL
Enlace de Fluxo
3
2sin
3
2sin
sin
2
3
22sin2sin
3
22sin
2sin3
22sin
3
22sin
3
22sin
3
22sin2sin
22
r
r
r
cbaimã
c
b
a
rrr
rrr
rrr
cbae iiip
i
i
i
iiiLp
T
Torque Eletromecânico
Aspectos de Conversão de Energia em AGPP
Modelo Matemático: Gerador Síncrono de Imã Permanente
Welcome to Aalborg University No. 28 of 31
Modelo em Regime Permanente
012
3LLLs
afphwaf NkfE 2
afasaaa EIjXIRV^^^^
Modelo Matemático: Gerador Síncrono de Imã Permanente
Aspectos de Conversão de Energia em AGPP
Welcome to Aalborg University No. 29 of 31
Obtenção Experimental dos Parâmetros [Alé et al, 2006]
Parâmetro Valor
Resistência de Armadura (Ra) 0,95 Ω
Número de pólos (p) 10
Tensão induzida de linha pico a 1000 rpm (ELp/krpm) 92,63 V
Pico do fluxo induzido pelo IP (imã) 0,1021 Wb
Indutância eixo d (Ld) 0,00236 H
Indutância eixo q (Lq) 0,00236 H
Momento de inércia (JGSIP) 0,06 kg.m2
Coeficiente de atrito (B) 0
Aspectos de Conversão de Energia em AGPP
Modelo Matemático: Gerador Síncrono de Imã Permanente
Welcome to Aalborg University No. 30 of 31
a
b
c
vr
Vr
-π/6 π/6 3π/6 5π/6 7π/6
vrVLp
ωt
ar VV
63 ar II
6
Aspectos de Conversão de Energia em AGPP
Modelo Matemático: Retificador em Ponte de GRAETZ
6
Welcome to Aalborg University No. 31 of 31
VEbat 24
Modelo de Thevenin
mRbat 150
Aspectos de Conversão de Energia em AGPP
Modelo Matemático: Banco de Baterias
Welcome to Aalborg University No. 32 of 31
Controle de Máxima Potência
•Lei de Controle: modificar razão
cíclica do retificador SEPIC;
•Maximizar Potência Elétrica do GSIP;
•Operação em Velocidade Variável.
Considerações Iniciais
Welcome to Aalborg University No. 33 of 31
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
m [rad/s]
Pm
, P
ca
[W
]
U=12 m/s
U=10 m/s
U=8 m/s U=6 m/s
U=4 m/s
Pcamax
Pmmax
Máxima Potência GSIP
Carga Resistiva (Pcamax)
Controle de Máxima PotênciaEstratégia para Maximização da Potência Elétrica
•Curvas obtidas
em simulação no
programa PSIM.
Welcome to Aalborg University No. 34 of 31
Lei de Controle para Máxima Geração de Potência Elétrica:
Realimentação de Potência de Fase
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
m [rad/s]
Pc
afm
ax
[W
]
Controle de Máxima Potência
•Curva de Referência de Potência
Máxima de Fase (Pcafmax).
Welcome to Aalborg University No. 35 of 31
Retificador SEPIC Trifásico de Chave Única
•Atuar no controle da
potência elétrica;
•Pré-regulação do fator de
potência no GSIP.
Considerações Iniciais
Welcome to Aalborg University No. 36 of 31
•Combinação em cascata de uma ponte de GRAETZ e um
conversor SEPIC monofásico;
•Colocado entre os terminais do gerador e o banco de baterias;
•Característica de elevação e redução de tensão.
Retificador SEPIC Trifásico de Chave ÚnicaConsiderações Iniciais
7
Welcome to Aalborg University No. 37 of 31
Simulação Computacional: PSIM 6.0
Bloco GSIP
Velocidade
de Vento U
Subcircuito
Rotor Eólico
Diagramas de Simulação: Topologia Típica de AGPP
Welcome to Aalborg University No. 38 of 31
Simulação Computacional: PSIM 6.0
Diagramas de Simulação: Topologia Proposta de AGPP
Subcircuito
Rotor EólicoBloco GSIP
Modulação por
Largura de
Pulso (PWM)
Velocidade
de Vento U
Controle MPPT
Retificador
SEPIC
Baterias
Welcome to Aalborg University No. 39 of 31
Malha de Controle
PI OK!
Aumento de
Potência do GSIP!
Simulação Computacional: PSIM 6.0
Resultados de
Simulação:
Topologia Proposta
Resposta ao Degrau
10-12 ms
Welcome to Aalborg University No. 40 of 31
Resultados de Simulação: Quadro Comparativo – U=12 m/s
Parâmetro
Topologia
Típica
Topologia
Proposta
Velocidade Angular Mecânica (ωm) 70,86 rad/s 78,17 rad/s
Potência Mecânica (Pm) 825,45 W 738,46 W
Potência Elétrica GSIP (Pca) 410,4 W 501,2 W
Rendimento GSIP (ηGSIP) 49,71 % 67,87 %
Taxa de Distorção Harmônica de Va 29,54 % 7,96 %
Taxa de Distorção Harmônica de Ia 5,20 % 3,45 %
Aumento de 22,12 % na Potência Elétrica do GSIP.
Simulação Computacional: PSIM 6.0
Welcome to Aalborg University No. 41 of 31
•Ambiente de ensaios experimentais para validar a metodologia de projeto do
AGPP proposto;
Considerações Iniciais
Bancada de Teste: Simulador de AGPP
Welcome to Aalborg University No. 42 of 31
Considerações Iniciais
Bancada de Teste: Simulador de AGPP
8
Welcome to Aalborg University No. 43 of 31
Bancada de Teste: Simulador de AGPP
Protótipo do Retificador SEPIC Trifásico de Chave Única
Indutância de
Entrada Li e
Capacitor de
Filtro C1
Ponte
de Graetz
Retificador
SEPIC de
Chave Única
Placa
PWM
4 MOSFETS em Paralelo
Arranjo Circular
Welcome to Aalborg University No. 44 of 31
Resultados Experimentais
Simulador de Rotor Eólico: Dinâmica para Sistema Proposto
•Para t < 10 s, há uma diferença de2,1 rad/s entre o PSIM e o
experimental, ou 2,9 % da velocidade
medida;
•Com 12 m/s e regime permanente, a
diferença é de 2,2 rad/s, ou 2,7% davelocidade medida
Controle de
Velocidade Funciona !
ωm*= ωm
Welcome to Aalborg University No. 45 of 31
Resultados Experimentais
Simulador de Rotor Eólico: Dinâmica para Sistema Proposto
•Em regime permanente, uma diferençade 0,6 N.m entre o valor simulado no
PSIM e o medido é observada. Isto
representa 6% do valor medido.•Resultados são satisfatórios.
Welcome to Aalborg University No. 46 of 31
Resultados Experimentais
Simulador de Rotor Eólico: Dinâmica para Sistema Proposto
•Malha de controle PI segue o sinal dereferência;
•Em regime permanente o erro é nulo.
•A diferença entre PSIM e experimental,
em regime permanente é de 7 W
aproximadamente.•Em termos percentuais isto
corresponde a 4% do valor medido.
Controle de Potência
Funciona !
Pcaf*= Pcaf
Welcome to Aalborg University No. 47 of 31
Resultados Experimentais
Simulador de Rotor Eólico: Dinâmica para Sistema Proposto
•Coeficiente de potênciaexperimental está um pouco abaixo
do coeficiente simulado no PSIM
(velocidade angular experimental
maior que no PSIM).
Impressionante !
CP PSIM= CP Exper.
Welcome to Aalborg University No. 48 of 31
Resultados Experimentais
Controle de Máxima Potência (MPPT): Tensão e Corrente de Fase
•Controle MPPT reduz a tensão dos terminaisdo GSIP em baixas velocidades de vento, e
eleva em altas velocidades de vento !
•Em baixas velocidades de vento, o valor dacorrente aumenta, e para altas velocidades
de vento, o valor da corrente diminui !
•Menores perdas I2R !
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
U [m/s]
Va [
V]
Retif icador em Ponte
Retif icador SEPIC
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
U [m/s]
Ia [
A]
Retif icador em Ponte
Retif icador SEPIC
9
Welcome to Aalborg University No. 49 of 31
Resultados Experimentais
Controle de Máxima Potência (MPPT): Potência Ativa GSIP
•Velocidade de vento de 3 a 6 m/s, a potência ativa é maior;•Para 7, 8 e 9 m/s, a diferença é maior porém não significativa. O AGPP encontra-se próximo
à condição de máxima potência para estas velocidades de vento;
•Para 10, 11 e 12 m/s, a potência ativa volta a ser maior.
0
100
200
300
400
500
600
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
U [m/s]
Pca [
W]
Retif icador em Ponte
Retif icador SEPIC
Aumento de
Potência !
Welcome to Aalborg University No. 50 of 31
Aalborg Universitet
Fredrik Bajers Vej 5
Postbox 159
9100 Aalborg
www.aau.dk
Top Related