Estudo dos supra-harmônicos inseridos por parques eólicos em sistemas de transmissão de energia elétrica

Abstract

Este trabalho tem como objetivo o estudo das distorções harmônicas em alta frequência, comumente citadas na literatura como supra-harmônicos, nos sistemas de transmissão de energia elétrica causadas pela geração de energia eólica. Essas distorções são fruto da cadeia de conversão de energia presente nesses sistemas, a qual é baseada em componentes não-lineares com elevada frequência de comutação. São avaliadas a inserção e a propagação de supra-harmônicos nos sistemas de transmissão provenientes de aerogeradores síncronos a imãs permanentes com base em novos indicadores propostos. Para isso, modelos equivalentes detalhados de aerogeradores são utilizados visando a simulações dinâmicas. Ademais, os sistemas de transmissão são modelados com base em modelos de linhas de transmissão com parâmetros distribuídos e modelos simplificados de geradores. O caso de estudo da região oeste do estado do Rio Grande do Sul é explorado a fim de aplicar a metodologia desenvolvida. Os resultados são obtidos por meio de simulação numérica utilizando a plataforma MATLAB Simulink® e evidenciam que o padrão de emissão de supra-harmônicos por aerogeradores síncronos a imãs permanentes é estritamente ligado à modulação dos inversores de potência. Observa-se uma atenuação da magnitude das distorções de até 14 vezes entre a saída dos inversores e o ponto de acoplamento comum (PAC) dos parques eólicos. Ademais, as distorções harmônicas de alta frequência propagam-se por longas distâncias dentro dos sistemas de transmissão. Esse padrão de propagação segue uma tendência linear de atenuação em função da distância entre o ponto estudado e o PAC. No entanto, os resultados sugerem que características particulares de cada ponto do sistema de transmissão têm grande influência no padrão de propagação de supra-harmônicos. Essas características podem ser o padrão de carga, a presença de bancos de capacitores ou a impedância de curto-circuito.

This work is focused on high frequency harmonic distortions introduced into transmission systems by wind power plants (WPP). These distortions are commonly referred in the literature as supraharmonics and they are introduced in the power systems by the power conversion chain of modern speed-variable wind turbines. The main reason for this to happen is the non-linearity of the standard components used in these applications, which are based on high frequency semiconductor power switching. In this context, this work analyses the introduction and the propagation of supraharmonics into power transmission systems generated by permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbines considering new proposed indicators. A detailed model of wind generators is considered to perform transient simulations. Furthermore, the transmission systems are modelled considering models of transmission lines with distributed parameters and simplified generator models for hydro and thermal generation. The study case of the west region of the transmission system of the state of Rio Grande do Sul, Brazil, is studied in order to illustrate the methodology proposed. Numerical simulations performed by MATLAB Simulink® show that the emissions of supraharmonics from PMSG WPP are straightly related to the modulation of power inverters. The magnitude of supraharmonics are up to 14 times higher at the output of the power inverters if compared to the point of common coupling (PCC). Furthermore, these harmonic distortions can propagate through high distances into transmission systems. The propagation follows a linear tendency of decreasing with the increasing of the distance between the studied point and the PCC. Thus, results show that individual characteristics of each point of the transmission systems are also important to define the supraharmonic propagation behavior. Some of these characteristics can be the load profile, the presence of capacitor banks or the short-circuit capacity.