vários tipos de aerogeradores (turbinas eólicas)

1MEEC / MEM Energias RenovveisEnergia Elica

2005/2006

Energia Elica

Tipos de AerogeradoresModelizao, Controlo e Proteces

J. A. Peas Lopes

MEEC / MEM Energias RenovveisEnergia Elica

2005/2006

Introduo

Existem fundamentalmente 3 tipos de aerogeradores com aplicao industrial: Mquinas assncronas (com e sem controlo do ngulo de

pitch);

Mquinas assncronas duplamente alimentadas - (Doublyfed induction wind generators -DFIWG);

Mquinas sncronas de velocidade varivel.

(as mquinas assncronas comearam por ser inicialmente utilizadas, tendo hoje uma quota de mercado muito reduzida)

ConversoresElectrnicos


2005/2006

Tipo de Geradores

CIGRE TF38.0110


2005/2006

Componentes aerodinmicas Trs variveis aerodinmicas definem o comportamento da

turbina elica:

- relao de velocidade de extremidade das ps (tip speedratio)

Cp - O coeficiente de potncia; - O ngulo de pitch.

Definem-se estratgias de controlo para os modos de operao em velocidade fixa ou em velocidade varivel.


2005/2006

Potncia disponvel

onde:Pw a potncia mecnica do rotor (W)Vw velocidade do vento no centro do rotor (m/s)=R2 superfcie varrida pelas ps (m2)R raio das ps (m) densidade do ar (kg/m3) 1,23 kg/m3Cp coeficiente aerodinmico do rotor (tpico = 0,4)

O binrio mecnico pode ser calculado a partir de Pw:

3

21

wpw AVCP =

R

ww

PT =


2005/2006

Potncia disponvel O coeficiente, Cp, a percentagem da Wc da massa de ar

incidente no rotor que convertida em energia mecnica, sendo dada por:

Onde: ngulo de passo da p (pitch angle) a relao de velocidade da p (tip speed ratio), definidacomo:

w

R

VR =

( ) ieCi

p

5.12

54.011622.0,

=


2005/2006

Potncia Disponvel

Curvas Cp = f(,)

Valor mximoterico:

Cp_max 0.59

Turbinas de vel. Varivel so operadas de forma a obter o melhor rendimento


2005/2006

Potncia disponvel Operao da turbina com mxima potncia mecnica

Pmax = Kop3

53

1 . . . .2p

opCK R =

Onde:


2005/2006

Controlo do ngulo de Pitch

Modelizao do comportamento do controlo de pitch

skk ip +

+

- Pmec_ref [pu]

Pmec [pu]

ngulo de refercia

+

1+Tsk

s1

ngulo de pitch

ref [graus]

[graus]

-

0

Outras tcnicas:-Active stall ( negativo);-Passive stall


2005/2006

Resposta ao controlo do ngulo das ps


2005/2006

Potncia disponvel


2005/2006

Comportamento do Gerador de Induo em Regime Estacionrio

O funcionamento de um gerador de induo em todo semelhante ao de um motor de induo, com a diferena de que funciona em hiper-sincronismo;

Esquema equivalente:

)1( 1222 slipslipIRMP

=


2005/2006


Em termos de potncias:

P

Gerador de induoQgi (potncia reactiva)

Q potncia consumida nas reactncias da mquina (magnetizao + Xs e Xr)


2005/2006


Em termos de potncias: Solues para evitar minimizar o consumo de pot. reactiva

P

Qgi (potncia reactiva)Bateria de condensadoresQc


2005/2006


Solues de dimensionamento das baterias de condensadores: Compensao em vazio; Compensao para factor de potncia unitrio plena carga Sobre-compensao para permitir fornecer energia reactiva

capacitiva rede

Problemas: Acrscimo de investimento; Riscos de auto-excitao


2005/2006

Modelo do Gerador de Induo para Estudos de Regime Estacionrio

A integrao dos aerogeradores de induo pode requerer a realizao de estudos de impacto nas redes elctricas: Avaliar a variao dos perfis de tenso; Avaliar a variao das perdas na rede; Avaliar da ocorrncia de congestionamentos nos ramos.

Estudos de trnsitos de potncias Representao dos geradores de induo convencionais

em estudos de TP: Barramentos PQ Barramentos PQ modificados:

Barras PX Barras RX

Alteraes nos algoritmos de clculo do TP


2005/2006

Modelo Matemtico para Estudos Dinmicos

No modelo dinmico de geradores assncronos usual definir um conjunto de pressupostos e simplificaes:

9 A taxa de variao do fluxo magntico do estator (d/dt) desprezada;

9 O rotor apresenta uma estrutura simtrica;9 A fora elstica e a fora resultante de toro do eixo da

mquina so desprezados;9 A saturao magntica desprezada;9 A distribuio dos fluxos considerada sinusoidal;9 As perdas mecnicas so desprezados.

Estas simplificaes reduzem a complexidade da modelizao, sem comprometer a qualidade dos resultados em estudos de comportamento dinmico


2005/2006

Modelo Matemtico para Estudos Dinmicos

Modelo simplificado para efeito de estudos dinmicos

Quando existirem tambm conversores electrnicos

fem induzida no rotor

10


2005/2006

Modelos elctricos

Gerador assncrono convencional (modelo de 3 ordem)

Electrical behavior

Mechanical behaviorElectrical behavior Mechanical behaviorElectrical behavior

( )gmec PPHft = =+=

imereimim

imreerereIRI'X'EV

I'XIR'EV

imimrereg I'EI'EP +=imrereimg I'EI'EQ =

f..2f..2s

=

=+=

imereimim

imreerereIRI'X'EV

I'XIR'EV

imimrereg I'EI'EP +=imrereimg I'EI'EQ =

f..2f..2s

=

( )( )( )( )

+=

=

reimo

reim

imreo

imre

I'XX'ET1'Esf2

t'E

I'XX'ET1'Esf2

t'E

;XXXXX'X

rmrm

e ++= ;XXX me += ( ) r0

mro Rf2

XXT +=

( )( )( )( )

+=

=

reimo

reim

imreo

imre

I'XX'ET1'Esf2

t'E

I'XX'ET1'Esf2

t'E

;XXXXX'X

rmrm

e ++= ;XXX me += ( ) r0

mro Rf2

XXT +=


2005/2006

Gerador Assncrono Duplamente Alimentado

Gerador assncrono: Directamente ligado rede; Ligado rede via DC; Com controlo dinmico de deslizamento; Double-fed induction machine

is

Controller

ia

dc / ac

C2

vavr

ir

ac / dc

C1

vsiggg jQP +

Controller

r

vdc

Crowbar Protection

11


2005/2006

Modelos Elctricos Geradores assncronos duplamente alimentados

( )( )

'

'

1

(6)1

d md qs s q s qr

o rr

q mq ds s d s dr

o rr

de Le X X i s e vdt T L

de Le X X i s e vdt T L

= + = + +

1 ( ) (7)r m ed T Tdt J =

sKK IP 33 +

Vt

Vtref

-

+

s K K I P 2 2 +

Idr

Idref-

+v dr

Terminal voltage control

sKK IP 11 +

ra

ref

+

-

s K K I P 2 2 +

Iqr

Iqref-

+v qr

rotor speed control

1+sTK

v

v

1+sTK

t

t


2005/2006

Modelo elctrico Esquema genrico de controlo de geradores DFIM

is

Controller

ia

ac / dc

C2

va vr

ir

dc / ac

C1

vs i g g g jQ P +

Controller

r

vdc

CrowbarProtection

12


2005/2006

Equaes Algbrica e Dinmicas

Observaes importantes:

As grandezas do gerador de induo podem ser controladas atravs de injeces de tenses controladas a partir do rotor. Na modelizao adoptada a dinmica do rotor assim considerada;

H modelos em que a mquina suposta controlada por injeces de correntes e o modelo matemtico definido apenas por equaes algbricas.


2005/2006

Funo dos Controladores As tenses controladas do rotor podem ser obtidas a partir

de controladores PIs.

kp1+ki1s

kp2+ki2s

vqriqr

iqref

+ -

+-

Wr

Wref

Controlo de velocidade do rotor

kp3+ki3s

kp4+ki4s

vdridr

idref

- -

++

Vt

Vtef

Controlo de tenso terminal

Modelo doGerador deInduo

13


2005/2006

Funo dos Controladores

Park'sTransformation

iar, ibr, icr

PWM

kp1+ki1s

kp2+ki2s

Inverse Park'sTransformation

Park'sTransformation

kp3+ki3s

kp4+ki4s

var, vbr, vcr

vqr

vas, vbs, vcs

vdr

iqr

iqref

idr

idref

(vds + vqs)2 2 1/2

Vt

Vtref+

-+

-

+

-

+

-

Wr

Wref

Speed rotor control Terminal voltge control

Converter C1

Esquema de controle do Conversor ligado ao rotor


2005/2006

Funo dos Controladores Controlo da tenso do link DC

ks + c

kp2+ki2s

Pr

Vdcref

-+

Pref

+Vdc

-

Sinal de controle para o conversor Pc

=

)()(

)()()()(

23

21

23

21

01

23

1

*

*

*

tqtp

tvtvtvtv

iii

c

c

cc

cb

ca

Sinais de correntes de referncia de controle a partir das potencias activa e reactiva de referncia

Teoria da potncia Instantnea

14


2005/2006

Funo dos Controladores Esquema de controle do Conversor ligado rede elctrica

PWM

ks + c

kp2+ki2s

Clark'sTransformation

vas, vbs, vcs

Pr

Vdcref

-+

+

Vdc

Converter C2

+-

Inst. Power Theory

ia, ib, ic

Pref

pc qc = 0

v V


2005/2006

Controlo optimizado

Nick Jenkis etal.

15


2005/2006

Funo dos Controladores

Potncias activa e reactiva do gerador podem ser controladas utilizando-se a mesma configurao referente as malhas de controlo de velocidade e de tenso terminal.

Alm do controlo da mquina atravs dos conversores, a turbina tambm pode ser controlada pelo controlo de pitch. O controlo do pitch ser utilizado para limitar a velocidade rotacional ou a potncia mecnica em limites estabelecidos.


2005/2006

Modelos elctricos

Gerador assncrono duplamente alimentado (Operao do crow bar)

i s

Controller

ia

ac / dc

C2

va v r

i r

dc / ac C1

v s i g g g jQ P +

Controller

r

v dc Crowbar

Protection

Tem como objectivo garantir a

integridade fsica dos conversores;

16


2005/2006

Operao do crow-bar

Potncia Activa do rotor

Tenso Terminal

Corrente do rotorTenso do rotor

Corrente do rotor


2005/2006

Resultados da Operao com controlo clssico PI

Comportamento perante sbito acrscimo da velocidade do vento:(a) Regime sub-sncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02);(b) Regime hiper sncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02).

Comportamento perante curto-circuito:(c) Regime sub-sncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02);(d) Regime hiper sncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02).

17


2005/2006


Caso (a) - Regime sub-sncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02)

0 5 1 0 1 50 . 9 4 5

0 . 9 5

0 . 9 5 5

0 . 9 6

0 . 9 6 5

Te m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 5

1 . 0 1

1 . 0 1 5

1 . 0 2

1 . 0 2 5

1 . 0 3

Te m p o (s )

Tens

o T

erm

inal

(p.u

.)

0 5 1 0 1 54

6

8

1 0

Pot

enci

a A

ctiv

a (M

W)

T e m p o (s )

0 5 1 0 1 51 1

1 2

1 3

1 4

1 5

T e m p o (s )

Ven

to (m

/s)

P o t e n c ia d o e s t a t o r

P o t e n c ia To t a l (P s + P c )


2005/2006


Caso (a) cont.

0 5 1 0 1 54 . 4 9

4 .4 9 5

4 . 5

4 .5 0 5

Te m p o (s )

Tens

o C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 . 0 5

0 . 0 6

0 . 0 7

0 . 0 8

Te m p o (s )

Torq

ue M

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 5

0 .0 6

0 .0 7

0 .0 8

0 .0 9

Te m p o (s )

Torq

ue E

lct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 5

0 .0 6

0 .0 7

0 .0 8

0 .0 9

0 . 1c o rre n t e d o e s t a t o r

c o rre n t e d o ro t o r

18


2005/2006


Caso (b) - Regime hiper sncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02) :

0 5 1 0 1 51 .0 4

1 .0 5

1 .0 6

1 .0 7

Te m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 51

1 .0 1

1 .0 2

1 .0 3

1 .0 4

Te m p o (s )

Tens

o T

erm

inal

(p.u

.)

0 5 1 0 1 54

6

8

1 0

1 2

Te m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M

W) P o t e n c ia t o t a l


0 5 1 0 1 51 1

1 2

1 3

1 4

1 5V

ento

(m/s

)

Te m p o (s )


2005/2006


Caso (b) cont.

0 5 1 0 1 54 .4 9

4 .4 9 5

4 .5

4 .5 0 5

4 .5 1

Te m p o (s )

Tens

o C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 .0 5

0 .0 6

0 .0 7

0 .0 8

0 .0 9

Te m p o (s )

Torq

ue m

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 4

0 .0 6

0 .0 8

0 .1

Te m p o (s )

Torq

ue E

lct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50 .0 4

0 .0 6

0 .0 8

0 .1

0 .1 2

Te m p o (s )

Cor

rent

e (p

.u.)

C o r re n t e d o e s t a t o r

C o r re n t e d o ro t o r

19


2005/2006


Pitch a actuar para limitar a velocidade do rotor

0 1 0 2 0 3 0

1 5

1 6

1 7

T e m p o (s )

Var

ia

o de

ven

to (m

/s)

0 1 0 2 0 3 09 . 4 8

9 . 4 9

9 . 5

9 . 5 1

9 . 5 2

T e m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M

W)

0 1 0 2 0 3 01 . 0 9 5

1 . 1

1 . 1 0 5

1 . 1 1

T e m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 1 0 2 0 3 01 6

1 8

2 0

2 2

2 4

2 6

Ang

ulo

de p

itch

(gra

us)

T e m p o (s )


2005/2006


Caso (c) - Regime sub-sncrono (r = 0.95 e Vt = 1.02) :

0 5 1 0 1 50 . 8 5

0 . 9

0 . 9 5

1

1 . 0 5

T e m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 5

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

T e m p o (s )

Tens

o T

erm

inal

(p.u

.)

0 5 1 0 1 5-2 0

0

2 0

4 0

6 0

T e m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M



0 5 1 0 1 5-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

T e m p o (s )

Pot

enci

a R

eact

iva

(MV

Ar)

20


2005/2006


Caso (c) cont.

0 5 1 0 1 54 . 2

4 . 4

4 . 6

4 . 8

5

Te m p o (s )

Tens

o C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 . 0 5

0 . 0 5 1

0 . 0 5 2

0 . 0 5 3

0 . 0 5 4

Te m p o (s )

Torq

ue M

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 5-0 . 2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

Te m p o (s )

Torq

ue E

lct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

Te m p o (s )

Cor

rent

e (p

.u.)

C o r re n t e d o e s t a t o rC o rre n t e d o ro t o r


2005/2006

Resultados da Operao

Caso (c) - Regime sub-sncrono (com a actuao do crowbar)

21


2005/2006

Resultados da Operao

Caso (c) - Regime sub-sncrono (crowbar permanente)


2005/2006


Caso (d) Regime hiper sncrono (r = 1.05 e Vt = 1.02) :

0 5 1 0 1 50 . 9

1

1 . 1

1 . 2

Te m p o (s )

Vel

ocid

ade

do ro

tor (

p.u.

)

0 5 1 0 1 5

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

Te m p o (s )

Tens

o T

erm

inal

0 5 1 0 1 5-2 0

0

2 0

4 0

6 0

Te m p o (s )

Pot

enci

a A

ctiv

a (M



0 5 1 0 1 5-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

Te m p o (s )

Pot

enci

a R

eact

iva

(MV

Ar)

22


2005/2006


Caso (d) cont.

0 5 1 0 1 54 . 2

4 . 4

4 . 6

4 . 8

Te m p o (s )

Tens

o C

C (p

.u.)

0 5 1 0 1 50 . 0 5 2 4

0 . 0 5 2 6

0 . 0 5 2 8

0 . 0 5 3

Te m p o (s )

Torq

ue M

ecan

ico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 5-0 . 2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

Te m p o (s )

Torq

ue E

lct

rico

(p.u

.)

0 5 1 0 1 50

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

Cor

rent

e (p

.u.)

Te m p o (s )

C o r re n t e d o e s t a t o r

C o r re n t e d o ro t o r


2005/2006

Gerador Sncrono de Velocidade Varivel

A utilizao de mquinas sncronas de velocidade variveltem por objectivo a maximizao do aproveitamentoenergtico na explorao da energia elica.

Fabricantes: Enercon;

O conceito

23


2005/2006



2005/2006


24


2005/2006



2005/2006

Modelo do Gerador Sncrono de VelocidadeVarivel

Modelo simplificado onde: O modelo aerodinmico igual ao utilizado nas mquinas

assncronas

No gerador sncrono so desprezados os fenmenostransitrios rpidos;

O conversor considerado ideal; Apenas so considerados s interaces da turbina com a

rede e os seus sistemas de controlo

Em estudos de TP o GSVV pode ser representado como umn tipo PQ (ou em situaes em que o sist de controloesteja preparado, como um n PV).

( ) 31 ,2w p w

P c AV =

25


2005/2006

Modelo do Gerador Sncrono de VelocidadeVarivel

Outros Modelos Possveis


2005/2006

Modelo do Gerador Sncrono de Velocidade Varivel

~GS

+-

Controlador

PWM-C1

ControladorAVR

+Popt

rCurva ptima de Potncia

PWM-C1 jX

Rede Elctrica

vt

Representao em Simulink/Matlab

1.05Vtref

1.05Vtc_ref

Velocidade de Vento

1.631

Vcc_ref

v ento

wt

pitch

Tm

Pm

Turbina Eolica t

To Workspace16

Vdcv

Vqcv

Idcv

Iqcv

Pcv

Qcv

Rede Elctrica

0.0065Pmax

Vtref

Wref

Wr

Pg

Qg

Vdqs

Vt

Malha de controlo Conversor C1

Vtc_ref

Vcc_ref

Vcc

idcviqcv

Qcv

Vdcv

Vqcv

Vtdqc

Malha de ControloConversor C2

Pg

PcvVcc

Link CC1

Vdqs

Pm

Ef dc

Wr

Te

Pg

Qg

Gerador Sncrono Convencional

-K-

Gain

Curva Optima

Pmax

Pm

Tm

Wm

teta (graus)

Controlo de Pitch

0.0613

Clock

Vt Ef dc

AVR

Vcc

Vt

Tm Vento

Pm

Wr

idcviqcv

Pcv

Qcv

O conversor PWM-C1 controla a tenso de campo do gerador sncrono e a potncia activa do aerogerador GSVV de modo a operar com potncia mecnica mxima extrada da turbina elica. Com efeito, a turbina elica apresenta controlo de pitch.

O conversor PWM-C2 ligado na rede elctrica controla a tenso de sada e a tenso do barramento CC

26


2005/2006

Lay-out de parques elicos

Controlo de Gerao


2005/2006


Soluo genrica usual

SUBESTAO

Ligao obrigatria

Ligao suplementar

Optimizao da soluo: Escolha dos cabos; Admitir ligaes alternativas

27


2005/2006

Lay-out de parques elicos Solues tpicas

AG1

SUBESTAO

1

2

3

23

24060

Comprimento (m)

Seco (mm2)

Comprimento (m)

Seco (mm2)

AG15 AG16 AG17 AG18 AG19 AG20

17 18 19 20 21 22

37 38 39 40 41 42

95 95 70 70 50 3580 1550 150 280 200 180

240160

AG2 AG3 AG4 AG5 AG6 AG7 AG8 AG9 AG10 AG11 AG12 AG13 AG14

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

240 240 240 240 150 120 120 95 95 70 50 35200 110 110 105 105 248 180 120 120 130 220 180

AG1 AG2 AG3 AG4 AG5 AG6 AG7

SUBESTAO

1

2

3 4 5 6 7 8 9

23 24 25 26 27 28 29

70 70 70 70 70 70 70

AG8 AG9 AG10 AG11 AG12 AG13 AG14

10 11 12 13 14 15 16

30 31 32 33 34 35 36

120 70 70 70 70 70120

AG15 AG16 AG17 AG18 AG19 AG20

17 18 19 20 21 22

37 38 39 40 41 42

120 120 70 70 70 70

60 160 200 110 110 105 105

1050 180 120 120 130 220 180

80 1550 150 280 200 180

Comprimento (m)

Seco (mm2)

Comprimento (m)

Seco (mm2)


2005/2006


Instalao de baterias de condensadores (com escales)

Para compensao global

Compensao individual

28


2005/2006

Tipos de Controlo

Controlo de produo de potncia activa e reactiva


2005/2006

Tipos de Controlo Resposta de um cluster de parques elicos a variaes de

frequncia da rede (participao no controlo de primrio de frequncia: controlo inercial, equilbrio gerao / consumo) e set-points (P,Q) impostos pelo despacho;

Unidade de Controlo TSO

Grupo de Geradores

Clusters de

DE Grupos Geradores

RES

Requi sitos de Operao : Garantia de Fornecimento de quantidades de energia

Fornecimento de Servios de Sistema (Pot. r eactiva e reservas)

Minimizao de desvios em programas de produo

Requi sitos de Operao : Limitao de potncia a injectar Controlo de tenso e potncia reactiva Cut-off de emergncia (desconexo) por perodos de interrupo de servio da rede Procedimentos de entrada e sada de servio coordenados (limitao do gradiente damping) Requi sitos de Operao Operao segura e confivel Mxima produo de energia

Gen 1 , 1 Gen 1 , . 2 Gen 1 , 3 Gen 2 , . 1 Gen 2 , 2 Gen n , n

Cluster s de Grupos Geradores

Grupos de

Gerador Simples

Geradores 1 Grupos de Grupos de

Geradores 2 Geradores N

Reduo de pertubaes na qualidade da onda

29


2005/2006

Tipos de Controlo

Controlo no ponto de ligao do parque rede Despacho dos aerogeradores (P, Q) e baterias de condensadores

Tomar em consideraoas perdas internas noparque.


2005/2006

Definio de condies tcnicas especiais

Caracterizao do controlo inercial

kp1+ki1s

kp2+ki2s

vqriqr

iqref

- -

++

Pdfig

Controlo de potencia activa

kp3+ki3s

kp4+ki4s

vdridr

idref

- -

++

Qs

Qref

Controlo de potencia reactiva

Modelo doGerador deInduoWr

Pref

Vento

-

+

1/R+

-

Wsys

Wsys_ref

Pmax

Pmin

Droop(controlo proporcional)

30


2005/2006


A Potncia activa injectada pelos conversores deve seguir uma curva ptima pr-estabelecida.


2005/2006


Resposta do cluster perante variao de carga no sistema

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1049.75

49.8

49.85

49.9

49.95

50

Tempo(s)

Hz

Comportamento da frequencia do sistema

DFIM com droop 0.015

DFIM com droop de 0.05

DFIM sem controlo de frequencia

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 107.5

8

8.5

9

9.5

Tempo(s)

Pot

enci

a A

ctiv

a

Potencia Activa injectada (DFIM sem droop)

Potencia activa injectada (droop de 0.05)

Potencia Activa injectada (droop de 0.015)

31


2005/2006

Participao dos DFIWG no equilbrio de gerao / consumo

Curvas de Potncia Mxima com reserva.

Para que os aerogeradorespossam aumentar a sua gerao quando persistir um erro de frequncia necessrios que os geradores elicos operem com curvas de potncia mxima com margem de reserva ->

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Velocidade angular do rotor referido ao gerador (p.u.)

Pot

enci

a M

ecan

ica

(MW

)

5 m/s6 m/s

7 m/s

8 m/s

9 m/s

10 m/s

11m/s

12m/s

13m/s

PotenciaMecancia Mxima

Curva de Potenciaptima

pr-definida

20% reserva


2005/2006

Participao dos DFIWG no equilbrio de gerao / consumo

Esquema de controlo do aerogerador DFIWG com margem de reserva de potncia

- A margem de reserva possibilita tambm que o DFWIG responda a uma solicitao de potncia do operador do parque elico

kp1+ki1s

kp2+ki2s

vqriqr

iqref

- -

++

PDFIG

Pdel

Malha de Controlo de Potncia Activa

kp3+ki3s

kp4+ki4s

vdridr

idref

- -

++

Qs

Qref

Malha de Controlo de Potncia Reactiva

Modelo do Gerador Elico

DFIWG r vento

Curva ptima dePotncia com reserva

+

Central de Controlo e Superviso do Parque

Elicos

-

Pmax

Pmin

E'd

E'q

REDEELECT.

1/R

+

-

sys_ref

sys

Controlo de inrcia

P1

P2

Pref

Qmax

Qmin

Algoritimo de Optimizao

Pinj Qinj

32


2005/2006

Resultados de um caso de estudo

Comportamento dos aerogeradores DFWIG com e semcontrolo primrio de frequncia

22 24 26 28 30 32 34 36 38 4049.75

49.8

49.85

49.9

49.95

50

50.05

Tempo (s)

Hz

Frquncia do sistema com os DFWIGs sem controlo primrioFrequncia do sistema com os DFIWGs com controlo primrio

22 24 26 28 30 32 34 36 38 400.51

0.52

0.53

0.54

0.55

0.56

0.57

0.58

0.59

Tempo (s)

MW

DFIGW ligado na barra 02DFIWG ligado na barra 4DFIGW ligado na barra 6DFIGW ligado na barra 8DFIGW ligado na barra 10

DFIWGs comestatismo R de 5%

DFIWGs semestatismo R de 5%

Frequncia do sistema Potncia activa injectada de cada DFIWG


2005/2006

Sobre-equipamento de parques elicos

Instalar S > Capacidade do ponto de interligao

33


2005/2006

Produo esperada

A potncia instalada tem uma probabilidade baixa de vir a ser produzida

Curva de durao da produo anualde um parque elico normalizada para a potncia instalada


2005/2006

Aumento da produo de energia

Aumento da potncia instalada

A

B

C

P instalada (MW)

8760 (h)

PinstA

PinstB

Curvas de durao da produo anual de um parque elico para dois valores de potncia instalada

34


2005/2006

Proteces

As proteces so de dois tipos: Proteces dos aerogeradores (dependentes da tecnologia) Proteces de interligao rede, para comandar o

disjuntor de interligao.


2005/2006

Proteces

Requisitos dos Sistemas de Proteco: O PE apenas poder permanecer ligado rede se existir tenso

nas trs fases da rede e estas tenses se encontrem dentro dos limites de operao;

O PE deve ser desligado da rede pblica se uma anomalia ocorrida no sistema provocar desvios no aceitveis na tenso ou na frequncia no ponto de conexo ( interligao);

O PE deve ser desligado da rede se uma ou mais fases da rede perdida no ponto de conexo;

O PE deve ser desligado automaticamente ou manualmente da rede de distribuio pblica se um qualquer falha de alimentao do equipamento de proteco inibe a sua correcta operao;

Sada de servio dos PE quando so detectados defeitos na rede, por forma a garantir a extino dos arcos elctricos associados a c.c. fugitivos e permitir o sucesso de religaes.

35


2005/2006

Proteces de Interligao

A configurao mnima exigida s equipas de proteco consiste nos seguintes rels: Rels de mximo e mnimo de tenso, 27 e 59; Rels de mximo e mnima de frequncia, 81U e 81O; Rels de mximo de intensidade, com tempos de actuao

instantneos, 50, e temporizados, 51; Rels para deteco de defeito terra com tempos de

actuao instantneos e temporizados, 50N e 51N; ou Rel de tenso de sequncia de zero ou homopolar, 59N.


2005/2006


Rels de MI asseguram proteco contra defeitos polifsicos e defeitos fase-terra (pouco impedantes) prximo dos PI; Tipos de rels: Disparo instantneo ou temporizado Utilizao de rels 50V e 51V (MI inst. ou temporizados,

controlado por tenso) Deteco de correntes de terra: 50N e 51N

36


2005/2006



2005/2006


Rel de mnimo de tenso (27) utilizado para deteco de defeitos polifsicos pouco impedantes nas redes; Valor de regulao tpico: 0,95 Un;

Rel de mximo de tenso (59) permite detectar sobretenses associadas por exemplo a situao de auto-excitao de geradores assncronos; Valor de regulao 1,1Un;

Rels 81U e 81O utilizados para detectar situaes anmalas de explorao das redes; Regulaes na Europa: 47 a 49 Hz, para tempos de actuao (< 1 seg). 50,5 a 52 Hz, para tempos de actuao (< 1 seg).

Temporizaes instantneas quando em REE (Regime Especial de Explorao)

37


2005/2006

Proteces de Interligao Proteco de interligao (50,51,81U, 81O,27,59N)

50 MI instantnea51 MI temporizada81U, 81O min e mx freq.27 Mx tenso;59N Mx tenso de seq. zero


2005/2006

Proteces de InterligaoSituaes de defeitos fase-terra nas redes distribuio e sub-transmisso

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2005/2006


Duas situaes podem ocorrer no caso de defeitos Fase-Terra:

1. O defeito facilmente detectvel pelo rel 59N, conduzindo sada de servio do PI e do feeder, na subestao da rede receptora;

2. O defeito muito impedante, no provocando a actuao do rel 59N do PI, sendo contudo a situao detectada pelas proteces da subestao que desligam o feeder,conduzindo ao funcionamento em rede isolada e em regime de neutro isolado.


2005/2006


39


2005/2006


ooo IZV .=

2 2 21 9. . .o

o def

UVC R= +

Problemas: funcionamento intempestivo do rel 59N


2005/2006

Proteces de Interligao Algumas Recomendaes

Ligaes s redes de 220 kV e 150 kV: Neste caso, atendendo ligao directa dos neutros terra

e utilizao das proteces 21/21N e 67N, com teleproteco, para proteco das entradas de linha, recomenda-se a utilizao dos seguintes rels:

Rels de mximo e mnimo de tenso, 27 e 59; Rels de mximo e mnimo de frequncia, 81U e 810; Rels de mximo de intensidade, com tempo de actuao

instantneo, 50, e temporizado, 51; Rels para deteco de defeito terra com tempos de

actuao instantneo e temporizado, 50N e 51N; Rels 21 e 21N, associados a teleproteco, com trs

zonas; Rel de mximo de intensidade direccional de neutro, 67N,

complementando as anteriores. Dilogo com os OS (TSO e DNO) fundamental!

40


2005/2006

Concluses Tendncia para a utilizao de mquinas de potncias cada

vez maiores ---- 2MW; 3MW, 4,5 MW; Utilizao crescente de sistemas baseados em electrnica

de potncia para optimizao da produo e melhorintegrao no sistema (alguns problemas presistem contudo);

Aparecimento futuro da produo off-shore Impactos crescentes na operao do sistema;

Necessidade de harmonizar a regulamentao e standards para permitir a integrao na rede desta produo;

Novas ferramentas de planeamento.

Novas funcionalidades nos sistemas de gesto e controloDo tipo EMS e DMS

vários tipos de aerogeradores (turbinas eólicas)

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