De um modo geral, os sistemas de conversão de energia eólica utilizam turbinas de velocidade fixa ou variável que podem ser classificadas em três topologias principais, cuja principal diferença é a maneira como a eficiência aerodinâmica do rotor é limitada para condições adversas de velocidade de vento [Caliao 2011]:
1. Turbinas de velocidade fixa
Este tipo de turbina eólica utiliza um gerador de indução gaiola de esquilo (squirrel cage induction generator - SCIG) conectado diretamente à rede por meio de um transformador, como ilustrado na Figura 3.2.
Soft-starter
Banco de capacitores Gerador de indução
gaiola de esquilo (SCIG)
Figura 3.2: Turbina eólica de velocidade fixa com SCIG.
O termo "velocidade fixa"vem do fato de que a velocidade de rotação da turbina não pode ser regulada automaticamente, assim, o gerador trabalha em velocidade quase constante, condicionada à frequência da rede. Este tipo de turbina eólica requer dispositivos de compensação, como um banco de capacitores para fornecer energia reativa para a partida da máquina, e equipamentos adicionais para controle de ope- ração, como soft-starters e uma chave proteção que evita a operação da máquina como motor durante baixas velocidades de vento.
CAPÍTULO 3. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA EÓLICA 18 Devido a sua simplicidade, a principal vantagem deste tipo de turbina é o baixo custo. Entre as desvantagens, destacam-se a baixa eficiência e o consumo de energia reativa, uma vez que não há nenhum controle de potência ativa ou reativa. Além disso, este tipo de turbina converte as flutuações do vento em flutuações mecânicas, que por sua vez são convertidas em flutuações elétricas (flicker). Estas flutuações podem levar a um impacto de qualidade de energia no ponto de conexão com a rede elétrica.
2. Turbinas de velocidade variável com conversor de potência parcial
Nesta configuração, conhecida como o gerador de indução duplamente alimentado (doubly fed induction generator - DFIG), utiliza-se uma turbina eólica de veloci- dade variável controlada. Os enrolamentos do estator são conectados diretamente à rede, enquanto os enrolamentos do rotor são conectados a um conversor back-to- backpor meio de anéis de escorregamento, como ilustrado na Figura 3.3.
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Figura 3.3: Turbina eólica de velocidade variável com DFIG.
Os conversores de potência podem controlar a frequência do rotor e, portanto, a velocidade do rotor. Nesta configuração, o intervalo de velocidade para o DFIG é em torno de ± 30% da velocidade síncrona. Assim, a potência dos conversores back-to-back é normalmente especificada em 30% da potência nominal, uma vez que o rotor do DFIG só processa a potência de escorregamento.
A menor especificação dos conversores back-to-back faz com que este conceito seja atraente do ponto de vista de turbinas de alta potência. Além disso, este tipo de turbina pode também atingir a compensação de potência reativa desejada. Do ponto de vista de controle, o DFIG é uma máquina muito versátil, pois permite um controle preciso e desacoplado das potências ativa e reativa, bem como de torque e velocidade.
3. Turbinas de velocidade variável com conversor de potência total
Esta configuração usa um gerador síncrono de ímã permanente (permanent magnet synchronous generator - PMSG) e um conversor de potência back-to-back. Os enrolamentos do estator são conectados ao conversor, e este é conectado à rede por
CAPÍTULO 3. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA EÓLICA 19 meio de um transformador, como ilustrado na Figura 3.4
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Figura 3.4: Turbina eólica de velocidade variável com PMSG
Algumas turbinas deste tipo adotam uma configuração direta, o que significa que em vez de ser conectado a uma caixa de engrenagens, o gerador é conectado dire- tamente ao rotor da turbina. O desacoplamento entre a máquina e a rede permite ao gerador produzir potência em qualquer velocidade, e esta energia será entregue na frequência da rede pelo conversor back-to-back.
As desvantagens das turbinas eólicas de velocidade fixa são: 1) não oferecem suporte a controle de velocidade, 2) não têm compensação reativa, 3) exigem uma rede robusta e confiável, 4) sua construção mecânica deve ser capaz de suportar o elevado estresse mecânico causado pelas rajadas de vento.
As vantagens e desvantagens das turbinas eólicas de velocidade variável são resumidas a seguir.
• Vantagens de turbinas de velocidade variável baseadas em DFIG:
1. Capacidade de desacoplamento entre o controle das potências ativa e reativa. Por- tanto, um controle de fator de potência pode ser implementado neste sistema. 2. O DFIG é um gerador de indução de rotor bobinado que, em virtude de não neces-
sitar de um ímã permanente para excitação, torna-se mais barato que um PMSG. 3. A potência dos conversores back-to-back é normalmente especificada em 30% da
potência nominal. Esta característica leva a muitos méritos, tais como, conver- sor de custo reduzido, filtros de linha de reduzido volume e custo, menos perdas de comutação, menos injeção de harmônicas na rede, melhoria geral na eficiência (aproximadamente 2-3% a mais que um conversor de potência total) se somente o gerador e conversores de potência são considerados [Wu et al. 2011].
• Desvantagens de turbinas de velocidade variável baseadas em DFIG:
1. Necessita de anéis coletores e caixa de engrenagens, o que exige frequente manu- tenção.
2. Faixa de variação de velocidades limitada se comparada com a do PMSG. • Vantagens de turbinas de velocidade variável baseadas em PMSG:
CAPÍTULO 3. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA EÓLICA 20 1. O PMSG alcança a máxima faixa de variação de velocidade.
2. O PMSG torna possível evitar a caixa de engrenagens. Portanto, não há problemas de estresse mecânico durante rajadas de vento.
3. O PMSG não precisa de anéis de deslizamento e escovas, portanto, menos manu- tenção será necessária.
4. O PMSG também permite o controle desacoplado das potência ativa e reativa. • Desvantagens de turbinas de velocidade variável baseadas em PMSG:
1. Os conversores de potência de um SCEE baseado em PMSG têm a especificação de potência total do gerador, o que significa que estes conversores vão causar perdas elevadas, aumentar o conteúdo harmônico na rede e ter alto custo.
2. O PMSG é um gerador relativamente grande e pesado, o que causa inconveniência na instalação em SCEEs de média-alta potência.
3. O PMSG naturalmente precisa de ímãs permanentes, o que aumentará o custo para esta topologia de SCEE, considerando o mercado atual.
4. Os ímãs permanentes correm o risco de desmagnetização em alta temperatura. Atualmente, o DFIG é o mais utilizado para especificações acima de 1 MW [Abad 2011]. Considerando os méritos do SCEE baseado no DFIG, esta dissertação foca neste tipo de gerador e fornece o modelo detalhado desta topologia de geração eólica.