Modelagem e análise dinâmica de um sistema de conversão de energia eólica dotado de gerador síncrono de imã permanente utilizando a plataforma ATP

Human development requires a broad balance between ecological, social and economic factors in order to ensure its own sustainability. In this sense, the search for new sources of energy generation, with low deployment and operation costs, which cause the least possible impact to the environment, has been the focus of attention of all society segments. To do so, the reduction in exploration of fossil fuels and the encouragement of using renewable energy resources for distributed generation have proved interesting alternatives to the expansion of the energy matrix of various countries in the world. In this sense, the wind energy has acquired an increasingly significant role, presenting increasing rates of power grid penetration and highlighting technological innovations such as the use of permanent magnet synchronous generators (PMSG). In Brazil, this fact has also been noted and, as a result, the impact of the inclusion of this source in the distribution and sub-transmission power grid has been a major concern of utilities and agents connected to Brazilian electrical sector. Thus, it is relevant the development of appropriate computational tools that allow detailed predictive studies about the dynamic behavior of wind farms, either operating with isolated load, either connected to the main grid, taking also into account the implementation of control strategies for active/reactive power generation and the keeping of adequate levels of voltage and frequency. This work fits in this context since it comprises mathematical and computational developments of a complete wind energy conversion system (WECS) endowed with PMSG using time domain techniques of Alternative Transients Program (ATP), which prides itself a recognized reputation by scientific and academic communities as well as by electricity professionals in Brazil and elsewhere. The modeling procedures performed allowed the elaboration of blocks representing each of the elements of a real WECS, comprising the primary source (the wind), the wind turbine, the PMSG, the frequency converter, the step up transformer, the load composition and the power grid equivalent. Special attention is also given to the implementation of wind turbine control techniques, mainly the pitch control responsible for keeping the generator under the maximum power operation point, and the vector theory that aims at adjusting the active/reactive power flow between the wind turbine and the power grid. Several simulations are performed to investigate the dynamic behavior of the wind farm when subjected to different operating conditions and/or on the occurrence of wind intensity variations. The results have shown the effectiveness of both mathematical and computational modeling developed for the wind turbine and the associated controls.

Tese (Doutorado)

O desenvolvimento humano requer um amplo equilíbrio entre fatores ecológicos, sociais e econômicos de modo a garantir sua própria sustentabilidade. Neste sentido, a busca por novos recursos de geração de energia, com baixos custos de implantação e operação e que provoquem o menor impacto possível ao meio ambiente têm sido foco de atenção de todos os segmentos da sociedade. Para tal, a diminuição da exploração dos combustíveis fósseis e o incentivo ao uso de recursos renováveis de energia para geração distribuída têm se mostrado alternativas interessantes à expansão da matriz energética de diversos países do mundo. Neste sentido, a energia eólica vem assumindo um papel cada vez mais significativo, apresentando índices crescentes de penetração na rede elétrica e inovações tecnológicas de destaque, como a utilização de geradores síncronos de imã permanente (PMSG). No Brasil, este fato também tem sido constatado e, como consequência, o impacto da inserção desta fonte na rede de distribuição e sub-transmissão de energia tem sido motivo de grande preocupação por parte de concessionárias e agentes do setor elétrico brasileiro. Dessa maneira, o desenvolvimento de ferramentas computacionais adequadas que permitam a realização de estudos preditivos detalhados a respeito do comportamento dinâmico de centrais eólicas, seja operando com carga isolada, seja conectadas à rede, representa um tema de extrema relevância, levando-se em conta ainda a implementação de estratégias de controle da geração de potências ativa/reativa e manutenção de níveis adequados de tensão e frequência. É neste contexto que o presente trabalho se encaixa, ou seja, contempla os desenvolvimentos matemático e computacional de um completo sistema de conversão de energia eólica dotado de PMSG utilizando técnicas no domínio do tempo do Alternative Transients Program (ATP), software este de reconhecida notoriedade em âmbito científico e acadêmico, bem como por profissionais do setor elétrico, tanto no Brasil quanto em outros países. A modelagem realizada permite a elaboração de blocos representativos de cada um dos elementos de um sistema de conversão eólica real, compreendendo a fonte primária, representada neste caso pelo vento, a turbina eólica, o PMSG, o conversor de frequência, o transformador elevador, a composição de cargas e o equivalente da rede elétrica. Especial atenção também é dada à implementação das técnicas de controle do aerogerador, com destaque para o controle pitch, visando manter o gerador operando sob o limite máximo de potência, e a teoria vetorial, cujo objetivo é ajuste do fluxo de potência ativa/reativa entre o aerogerador e a rede de potência. Diversas simulações são realizadas para investigar o comportamento dinâmico do parque eólico quando submetido a distintas condições de operação e/ou sob ocorrência de variações na intensidade do vento. Os resultados obtidos atestam a eficácia de ambas modelagens matemática e computacional desenvolvidas para o aerogerador e os controles associados.