Modelagem dinâmica e controle de um gerador tipo DFIG em redes de distribuição

Abstract

Neste momento o Brasil possui uma das mais renováveis matrizes energéticas do mundo, mas o desafio de reduzir os níveis de emissão, permitir o crescimento econômico e atender a aproximadamente um milhão de pessoas sem energia elétrica no pais, requer a pesquisa e o desenvolvimento de novas tecnologias que possibilitem a utilização de fontes limpas e sustentáveis de energia, como é a energia eólica. A energia eólica é considerada, entre as alternativas renováveis existentes, a mais viável no mercado de energia, devido à baixa relação custo/benefício de exploração, tendo apresentado um crescimento exponencial ao longo dos anos. Os principais sistema eólicos classificam-se de acordo com sua operação em dois tipos: sistemas com operação a velocidade fixa e sistemas com operação a velocidade variável. Durante muitos anos a liderança do mercado foi para os geradores que operam a velocidade fixa, sendo a máquina mais usada o gerador de indução de rotor em gaiola (SCIG). A partir do ano 2000, a supremacia no mercado passou a ser para o gerador de velocidade variável. Hoje, tem-se dois tipos de geradores amplamente utilizados em sistemas eólicos que operam a velocidade variável: o gerador síncrono e o gerador de indução com rotor bobinado. Neste trabalho será estudada uma das máquinas que operam a velocidade variável e utilizam geradores de indução com rotor bobinado: o gerador de indução duplamente alimentado (DFIG). Sua importância é principalmente o controle independente da potência ativa e da potência reativa fornecida para a rede elétrica, e à operação com máxima eficiência na conversão de energia. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise comparativa de um sistema de geração utilizando máquinas do tipo DFIG com quatro estratégias de controle: controle da potência ativa e da tensão nos terminais da máquina, controle da potência reativa e da tensão nos terminais da máquina, controle da velocidade de rotação e da tensão nos terminais da máquina, controle da potência ativa e da potência reativa fornecidas pela máquina ao sistema. Esta análise é feita comparando o comportamento do sistema quando sujeito a diversas situações, tais como: variações da demanda de potência da carga elétrica, variações do torque mecânico e ocorrência de uma falta trifásica. O desempenho de sistemas de geração eólica com SCIG também é incluído nesta análise para ilustrar de maneira quantitativa os ganhos obtidos com o uso do DFIG. Os resultados obtidos ilustram as virtudes de cada uma das diferentes possibilidades de modos de operação do DFIG em um sistema de distribuição e permitem uma melhor compreensão da vantagem do desempenho do DFIG em relação à utilização do SCIG.

At present Brazil has one of the most renewable energy matrices in the world, but the challenge of reducing emission levels, allowing the economic growth, and helping about 1 million people without electric energy in the country, requires research and development of new technologies that enable the use of clean and sustainable energy sources, such as wind power. Wind energy is considered among the existing renewable alternatives the more viable in the energy market, due to the low cost / benefit ratio of exploitation, having experienced exponential growth over the years. The wind system are classified according to their operation into two types: operating systems with fixed speed and systems with variable speed operation. For many years the leadership in the market was for fixed speed generator, being the most used machine, the induction generator rotor cage (SCIG). From 2000, the leadership in the market was for variable speed wind turbine. Today, there are two types of wind generators widely used in systems that operate at variable speed: synchronous generator and generator with wound rotor induction. In this work we will study one of the machines that operate at variable speed and use induction generators with wound rotor: the doubly-fed induction generator (DFIG). Its importance is mainly the independent control of active power and reactive power supplied to the grid, and operating at maximum efficiency in energy conversion. In this context, this work presents a comparative analysis of a generation system using DFIG type machines with four control strategies: control of active power and voltage at the terminals of the machine, control of reactive power and voltage at the machine terminals, control the rotational speed and tension in the machine terminals, control of active power and reactive power supplied by the machine. This analysis is done by comparing the behavior of the system when subjected to various situations, such as variations in power demand of electric load, changes in the mechanical torque and the occurrence of a three-phase fault. The performance of wind power generation systems with SCIG is also included in this analysis to illustrate quantitatively the gains obtained using DFIG. The results illustrate the virtues of each of the different possible operating modes of the DFIG in a distribution system and allow a better understanding of the performance advantage of the machine DFIG over the use of the machine SCIG.