Sistema de conversão de energia dedicado para geração de energia elétrica a partir de ondas marítimas

Abstract

Este trabalho tem por objetivo o projeto dos componentes elétricos e eletrônicos de um sistema offshore e isolado de conversão de energia das ondas marítimas em energia elétrica, aplicado a um sistema de geração do tipo spar buoys que opera com o princípio de funcionamento da coluna de água oscilante com compartimento de ar. De modo a atingir esse objetivo geral, é realizado o projeto eletromagnético e dimensional de uma máquina síncrona trifásica de ímãs permanentes considerando alguns requisitos de projeto estabelecidos a partir de curvas de geração de uma turbina do tipo birradial, disponíveis em referências. Após, os parâmetros do circuito elétrico equivalente da máquina são obtidos (resistência do enrolamento, constante de força eletromotriz e indutância síncrona). Para controlar a energia convertida e impor a operação em uma região onde o aproveitamento energético é mais elevado, é proposta a utilização de um retificador Boost PWM trifásico. Esse retificador permite que seja controlada a potência convertida mantendo o fator de potência no gerador unitário e a corrente elétrica no gerador com baixos níveis de distorção harmônica total. O sistema de controle do retificador converte as variáveis elétricas trifásicas para um sistema síncrono bifásico que decompõe as variáveis elétricas em componentes de eixo direto e de eixo de quadratura. Um modelo matemático que descreve o comportamento dinâmico dos componentes elétricos do sistema de geração e que considera os parâmetros do circuito equivalente do gerador e o conversor é desenvolvido. A partir deste modelo são projetados controladores proporcionais-integrais com o objetivo de manter o valor da corrente de eixo de quadratura nulo (para garantir fator de potência unitário), e estabelecer um controle da potência convertida por meio do controle da corrente de eixo direto. Para confrontar os resultados do modelo matemático foi utilizado um simulador de circuitos elétricos que considera o modelo de circuito equivalente do gerador e chaveamento dos componentes eletrônicos. Com estes modelos são conduzidas simulações em diversas condições de operação e os resultados, com ambos os modelos, demonstram que com o sistema projetado é possível maximizar a potência convertida.

The main objective of this work is to design the electrical and electronic components of an offshore isolated system for converting energy from sea waves into electrical energy, applied to a spar buoys type generation system which operates with the working principle of the oscillating water column with an air compartment. In order to achieve this general objective, the electromagnetic and dimensional design of a three-phase synchronous permanent magnet machine is carried out considering some design requirements established from generation curves of a biradial type turbine, available in references. Afterwards, the parameters of the equivalent electrical circuit of the machine are obtained (winding resistance, electromotive force constant and synchronous inductance). In order to control the converted energy and impose the operation in a region where the energy use is highest, it is proposed to use a threephase Boost PWM rectifier. This rectifier allows to control the converted power and additionally maintains unitary power factor in the generator and electric current with low levels of total harmonic distortion. The rectifier control system converts the three-phase electrical variables to a two-phase synchronous system that decomposes the electrical variables into direct-axis and quadrature-axis components. A mathematical model that describes the dynamic behavior of the electrical components of the generation system and that considers the parameters of the equivalent circuit of the generator and the converter is developed. Based on this model, proportional-integral controllers are designed with the objective of maintaining the value of the quadrature-axis current close to zero (to guarantee unit power factor), and to establish a control of the converted power through the control of the direct-axis current. To compare the results of the mathematical model, an electrical circuit simulator was used, which considers the equivalent circuit model of the generator and switching of the semiconductors. With these models, simulations are conducted under different operating conditions and the results, with both models, demonstrate that with the designed system it is possible to maximize the converted power.