Controle Dedicado de Turbinas Eólicas em Geradores de Indução Duplamente Alimentados (DFIG) através de Conversor de Baixa Tensão AC/DC

O Brasil tem passado nos últimos anos por uma larga e, importante transformação de sua matriz energética, composta majoritariamente de fontes renováveis. O destaque dá-se para a energia proveniente dos ventos, a Energia Eólica, que embora ainda pequena no percentual da base energética brasileira instalada, é sem dúvida a que apresentou o maior crescimento percentual nos últimos anos, algo comprovado nos leilões de energia nova do passado recente.

Esse artigo visa demonstrar de maneira simples uma das diversas tecnologias de controladores dedicados empregadas nos projetos novos de Turbinas Eólicas, a de Conversor de Baixa Tensão AC/DC, suas características, vantagens e, trazer para o público em geral um pouco mais de interação com estas novas tecnologias aplicadas em geração de energia, onde a fonte eólica é sem dúvida a que apresenta um dos maiores potenciais de crescimento para os próximos anos.

Introdução

A primeira experiência brasileira com o emprego da Energia Eólica deu-se através da implantação de uma Turbina Eólica de 225 Kw pela CELPE (Cia Elétrica de Pernambuco) no Arquipélago de Fernando de Noronha, em 1992.

De lá pra cá, muito se avançou na quantidade de parques geradores instalados nas diversas regiões do Brasil, atingindo-se a marca de mais de 200 parques e, potência total instalada superior à 5 Giga-Watts. Existem diversos tipos de arranjos de Turbinas Eólicas, mas os 2 mais comuns são:

  • Gerador acionado diretamente pelo eixo da Turbina (Figura 1)
  • Gerador acionado pelo eixo da Turbina, com emprego de multiplicador (Figura 2)

Também, existem 2 tipos de instalações de Turbinas Eólicas, as denominadas:

  • On-Shore – em terra, no continente  (Figura 3)
  • Off-Shore – no meio do oceano, fora do continente (Figura 4)

No Brasil predomina a instalação do tipo On-Shore. E por fim, os 2 tipos de Turbinas Eólicas:

  • Turbina de Rotação Fixa
  • Turbina de Rotação Variável (pás de posições ajustáveis)
Figura 1 – Turbina Eólica – Gerador acionado diretamente pelo eixo da turbina
Figura 1 – Turbina Eólica – Gerador acionado diretamente pelo eixo da turbina
Figura 2 – Turbina Eólica – Gerador acionado pelo eixo da turbina via multiplicador de engrenagens
Figura 2 – Turbina Eólica – Gerador acionado pelo eixo da turbina via multiplicador de engrenagens
Figura 3 – Parque Eólico em terra – Instalação On-Shore
Figura 3 – Parque Eólico em terra – Instalação On-Shore
Figura 4 – Parque Eólico em alto-mar – Instalação Off-Shore
Figura 4 – Parque Eólico em alto-mar – Instalação Off-Shore

Descrição do Conversor de Baixa Tensão AC/DC

De maneira geral, o Conversor de Baixa Tensão é um dispositivo eletrônico que converte tensão AC em DC (e vice-versa), de modo a habilitar o ajuste de polaridade e, modulação das amplitudes dos sinais de tensão/frequência, o que permite uma ampla gama de aplicação em geração eólica. Ele é conectado ao gerador através de um TP/TC e, atua no sistema de modo a de permitir o sincronismo do gerador com a rede, controlar a potência ativa e reativa, realizar ajustes de tensão e corrente conforme a variação de carga, entre outras funcionalidades.

Por conta de seu arranjo construtivo, ele possui grande flexibilidade de aplicação, permitindo a adoção de estratégias de controles importantes quando da Turbina Eólica acionando geradores de indução duplamente alimentados conectados ao GRID (sistema elétrico interligado). Estes geradores também são conhecidos no meio técnico pela sigla DFIG – Doubly-Fed Induction Generators.

Por esse motivo, ele é uma das tecnologias mais aplicada em controle de Turbinas Eólicas, dentre as diversas existentes, inclusive no Brasil, especialmente por conta das características de nossa rede interligada e, do tipo de arranjo da turbina, geralmente as providas de multiplicadores acopladas ao eixo e, com rotação variável.

Figura 5 – Arranjo Simplificado do Conversor de Baixa Tensão AC/DC conectado ao Gerador
Figura 5 – Arranjo Simplificado do Conversor de Baixa Tensão AC/DC conectado ao Gerador
Figura 6 – Exemplo de Controlador Dedicado para Turbinas Eólicas – Conversor AC/DC
Figura 6 – Exemplo de Controlador Dedicado para Turbinas Eólicas – Conversor AC/DC
Figura 7 – Exemplo de Painel com estrutura típica onde é embarcado o Conversor de Baixa Tensão
Figura 7 – Exemplo de Painel com estrutura típica onde é embarcado o Conversor de Baixa Tensão

Algumas Vantagens do Conversor de Baixa Tensão

  • Alta Eficiência do Conjunto Controlado, com flexibilidade e, melhor aproveitamento dentre as diversas estratégias de controle (ver Estratégias de Controle, logo adiante)
  • Compensação de Potência Reativa (Var)
  • Compensação por Falta Assimétrica de Potência
  • Baixa corrente de pico em situações de perturbações
  • Baixa perda de Trench-Gate dos IGBT´s
  • Resposta rápida aos transitórios da rede (perturbações, contingências, variações de carga, etc)

Algumas Estratégias de Controle possíveis com o Conversor de Baixa Tensão

A flexibilidade já mencionada do Conversor de Baixa Tensão é o que permite a adoção de estratégias de controles diversas e, distintas em Turbinas Eólicas.

A importância de ter-se diversas e, distintas estratégias de controle reside no fato da Turbina Eólica estar apta a responder de maneira rápida as alterações de estados da rede (transitórios, perturbações, contingências, etc), de modo a evitar uma desconexão prematura e, desnecessária do gerador, com consequente interrupção da produção de energia elétrica.

Abaixo um resumo de algumas estratégias de controle possíveis para o Conversor de Baixa Tensão:

Máximo Incremento de Potência Ativa (W)

Essa primeira estratégia de controle tem relação direta com o controle da velocidade angular (rad/s) da hélice da turbina, através do ajustes da posições das pás, que permitem uma variação do controle vetorial. Entretanto, apenas o controle vetorial pode não ser suficiente (e geralmente não é) para a ação dessa estratégia de controle, então soma-se a isso um controle de tensão no gerador, variando as correntes de campo de modo incrementar a potencia ativa e, decrementar a reativa de acordo com as necessidades do momento.

Em geral, essa estratégia de controle visa compensar pelo gerador eventuais quedas de frequência e, potência no sistema interligado.

Limitação na Conjugação dos Pólos Magnéticos – Opção

Diferentemente da estratégia anterior, essa estratégia visa variar a tensão nos terminais do gerador, de modo a reduzir a potência ativa e, fazer com que a turbina acelere, acumulando energia cinética.

Isso faz-se necessário especialmente em casos de perturbações muito grandes na rede, especialmente se a mesma ocorrer próximo da região do parque eólico, de modo a colaborar com a estabilização da tensão na rede durante e, depois da ocorrência da perturbação.

O conversor nessa situação irá ajustar o sinal do conjugado dos pólos do gerador, de modo a variar a tensão nos terminais, fazendo que a potência ativa seja reduzida, colaborando com a estabilização da tensão na rede, até finalizada a perturbação. A recuperação rápida da potência ativa ocorrerá por conta da energia cinética anteriormente acumulada, o que fará com que a turbina absorva a carga mais rapidamente, sem prejuízos, até que a velocidade da angular da hélice reduza e, atinja a proporção devida em termos da frequência (Hz) nominal do equipamento.

Como esperado, esse tipo de situação é passível de ocorrer e, o equipamento deve estar preparado para responder prontamente a uma perturbação com essas características, sob pena do gerador ser desconectado prematuramente da rede, ainda que esse tipo de perturbação tenha usualmente uma duração muito pequena (coisa de poucos segundos ou milissegundos).

Limitação na Conjugação dos Pólos Magnéticos com Incremento da Potência Reativa

Igualmente a estratégia anterior, mas com a diferença que a potência ativa é reduzida e, a potência reativa rapidamente incrementada, visando colaborar com a rápida estabilização da tensão na rede. Neste caso, a recuperação de carga, quando finalizada a perturbação, dá-se de maneira mais lenta e, gradual, com a consequente redução da potência reativa e, a elevação proporcional da potência ativa.

Figura 8 – Arranjo de Ligação do Conversor ao conjunto Turbina-Gerador
Figura 8 – Arranjo de Ligação do Conversor ao conjunto Turbina-Gerador

Conclusão

Fica demonstrado as vantagens de aplicação do Conversor de Baixa Tensão no controle de Turbinas Eólicas acionando geradores DFIG, devido as necessidades reais do equipamento se adequar as diversas situações de estados da rede que podem ocorrer, respondendo de maneira rápida e, estável as necessidades de carga e, perturbações. Vale ressaltar novamente que seu arranjo construtivo é relevante na contribuição das diversas estratégias de controle passíveis de serem implementadas, a importância disso para manter a geração de energia constante, sem interrupções, cabendo ao usuário escolher qual estratégia de controle melhor se adapta a cada necessidade.

Referências Bibliográficas