Orientador: Prof. Dr. Thales Sousa / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. / O crescimento da demanda por energia elétrica, ocasionada pelo desenvolvimento humano e o esgotamento e impactos ambientais causados pelas fontes tradicionais de geração de eletricidade têm feito com que novas fontes energéticas sejam não só cada vez mais importantes, mas necessárias, chamando a atenção de governos e entidades do setor elétrico no mundo inteiro. Tendo este cenário como base, este trabalho avalia a viabilidade técnica e econômica da utilização de aerogeradores também para o provimento do serviço ancilar de suporte de potência reativa, visto que algumas máquinas utilizadas na aerogeração tais como os DFIG (Double Fed Induction Generator), possuem a capacidade de operarem com fator de potência diferente do unitário. Para tanto, utiliza-se o software AMPL (Modeling Language for Mathematical Programming), em conjunto com o solver Knitro, com o intuito de modelar e analisar a operação de sistemas de transmissão com a inserção de geradores eólicos com a tecnologia DFIG. Para atender ao objetivo proposto é modelado um FPO (Fluxo de Potência Ótimo) de maneira a permitir a análise dos resultados sobre a contribuição dos aerogeradores para o sistema, considerando a potência reativa produzida pelos geradores eólicos para minimizar as perdas técnicas na transmissão. Para validar o modelo proposto são realizadas simulações em sistemas elétricos conhecidos (benchmarks do IEEE). / The growth in demand for electricity, caused by human development and depletion and environmental impacts caused by traditional sources of electricity generation, have caused new energy sources are not only increasingly important, but necessary, drawing attention to governments and the electricity sector entities worldwide. Taking this scenario as a basis, this study evaluates the technical and economic feasibility of using wind generators also for the provision of reactive power ancillary service, as some machines used in wind-generation such as DFIG (Double Fed Induction Generator) have the ability it operates with different power factor of the unit. To do so, it uses the software AMPL (Modeling Language for Mathematical Programming), together with the solver Knitro in order to model and analyze the transmission system operating with the insertion of wind generators with the DFIG technology. Therefore, it is modeled the OPF (Optimal Power Flow) and subsequent analysis of the results on the contribution of wind turbines for the system, considering the reactive power produced by the wind farms to minimize technical losses in transmission. In order to validate the model, simulations are performed in known electrical systems (IEEE benchmarks).

A captação eficaz da energia eólica ocorre por meio de turbinas de três pás com ângulo de passo e velocidade de rotação ajustáveis, sendo o ajuste do ângulo de passo utilizado para limitar a captação de energia na ocorrência de ventos muito fortes e o ajuste da velocidade de rotação utilizado para maximizar a captação da energia cinética dos ventos fracos. Neste regime de operação, o gerador deve converter a energia mecânica de entrada, caracterizada por velocidade de rotação e conjugado variáveis, em energia elétrica de saída nos padrões da rede elétrica a que estão conectados, caracterizada por tensão de valor eficaz e freqüência constantes. No presente trabalho, a conversão eletromecânica de energia é realizada por um gerador de indução duplamente alimentado, excitado pelos enrolamentos rotóricos por meio de um conversor eletrônico. O comportamento estocástico dos ventos e as não linearidades significativas da turbina eólica e do gerador motivaram a utilização de controladores difusos, elaborados de acordo com a seguinte metodologia: a base de regras foi estabelecida a partir dos princípios físicos e da dinâmica desejada para o sistema em malha fechada; as funções de pertinência de entrada foram distribuídas de maneira a garantir uma maior sensibilidade nas regiões próximas ao valor de referência; a distribuição das funções de pertinência de saída proporciona um aumento significativo da intensidade da ação de controle conforme a saída do sistema se afaste do valor de referência; e, a sintonia fina foi feita pelo dimensionamento dos universos de discurso de maneira a garantir a estabilidade do sistema em malha fechada e a dinâmica desejada para a variável controlada. Os resultados das simulações computacionais de variações em degrau nos valores de referência, tanto da velocidade de rotação quanto da potência reativa, demonstram dinâmica estável, sem overshoot ou erro de regime permanente. Destaca-se que, em relação ao estado-da-arte, o controlador difuso da velocidade de rotação proporciona uma dinâmica semelhante, mas com uma ação de controle desprovida de transitórios e picos 65% menores e o controlador difuso de potência reativa impõe uma resposta 64% mais rápida. Os resultados de simulações computacionais de regimes reais de ventos ilustram as atuações do sistema de controle, no ângulo de passo e na velocidade de rotação da turbina, para proporcionar ao aerogerador uma operação suave e estável sob diversos regimes de vento, desde os mais fracos até os mais intensos e turbulentos. / The efficient capture of aeolic-energy occurs by means of three blades turbines with adjustable pitch-angle and angular-speed. The pitch-angle adjustment is utilized to limit the aeolic-energy capture when occur very strong winds and, the angular speed adjustment is utilized to maximize the capture of kinetic energy of weak winds. In this mode of operation the generator must convert the input mechanical energy, which is characterized by variable angular speed and variable torque, in the output electrical energy that must obey the standards of the electrical network with constant RMS-voltage and frequency, where the aeolic-generator is connected. In this work the electromechanical energy conversion is done by one double-fed induction generator excited by means of an electronic converter applied to the rotor winding. The air masses complex dynamics, the wind regime stochastic nature, and the turbine and generator non-linear behavior motivated the use of the fuzzy controllers, elaborated in agreement with the following methodology: the rule base was established from the system\'s physical principles and from the desired closed loop dynamics; the input membership functions was distributed so that ensure a bigger sensibility in the regions near the reference value; the output membership functions distribution provide a control action significant increase as the systems output move away from the reference value; and, the fine tuning was made via scaling universes of discourse. The computer simulation\'s results of the, rotational speed and reactive power, reference values step, demonstrated stable dynamics, without overshoot or steady state error. It is emphasize that, in relation to state-of-art, the fuzzy speed controller provide similar dynamic, but with a control action without transients and peaks 65% smaller and the fuzzy reactive power controller impose a 64% faster response. Some computer simulations of the wind real regime show the pitch-angle and turbine angular speed reactions so that to supply the wind generator with a soft and stable operation, from the weak winds up to the most strong and turbulent winds.

A captação eficaz da energia eólica ocorre por meio de turbinas de três pás com ângulo de passo e velocidade de rotação ajustáveis, sendo o ajuste do ângulo de passo utilizado para limitar a captação de energia na ocorrência de ventos muito fortes e o ajuste da velocidade de rotação utilizado para maximizar a captação da energia cinética dos ventos fracos. Neste regime de operação, o gerador deve converter a energia mecânica de entrada, caracterizada por velocidade de rotação e conjugado variáveis, em energia elétrica de saída nos padrões da rede elétrica a que estão conectados, caracterizada por tensão de valor eficaz e freqüência constantes. No presente trabalho, a conversão eletromecânica de energia é realizada por um gerador de indução duplamente alimentado, excitado pelos enrolamentos rotóricos por meio de um conversor eletrônico. O comportamento estocástico dos ventos e as não linearidades significativas da turbina eólica e do gerador motivaram a utilização de controladores difusos, elaborados de acordo com a seguinte metodologia: a base de regras foi estabelecida a partir dos princípios físicos e da dinâmica desejada para o sistema em malha fechada; as funções de pertinência de entrada foram distribuídas de maneira a garantir uma maior sensibilidade nas regiões próximas ao valor de referência; a distribuição das funções de pertinência de saída proporciona um aumento significativo da intensidade da ação de controle conforme a saída do sistema se afaste do valor de referência; e, a sintonia fina foi feita pelo dimensionamento dos universos de discurso de maneira a garantir a estabilidade do sistema em malha fechada e a dinâmica desejada para a variável controlada. Os resultados das simulações computacionais de variações em degrau nos valores de referência, tanto da velocidade de rotação quanto da potência reativa, demonstram dinâmica estável, sem overshoot ou erro de regime permanente. Destaca-se que, em relação ao estado-da-arte, o controlador difuso da velocidade de rotação proporciona uma dinâmica semelhante, mas com uma ação de controle desprovida de transitórios e picos 65% menores e o controlador difuso de potência reativa impõe uma resposta 64% mais rápida. Os resultados de simulações computacionais de regimes reais de ventos ilustram as atuações do sistema de controle, no ângulo de passo e na velocidade de rotação da turbina, para proporcionar ao aerogerador uma operação suave e estável sob diversos regimes de vento, desde os mais fracos até os mais intensos e turbulentos. / The efficient capture of aeolic-energy occurs by means of three blades turbines with adjustable pitch-angle and angular-speed. The pitch-angle adjustment is utilized to limit the aeolic-energy capture when occur very strong winds and, the angular speed adjustment is utilized to maximize the capture of kinetic energy of weak winds. In this mode of operation the generator must convert the input mechanical energy, which is characterized by variable angular speed and variable torque, in the output electrical energy that must obey the standards of the electrical network with constant RMS-voltage and frequency, where the aeolic-generator is connected. In this work the electromechanical energy conversion is done by one double-fed induction generator excited by means of an electronic converter applied to the rotor winding. The air masses complex dynamics, the wind regime stochastic nature, and the turbine and generator non-linear behavior motivated the use of the fuzzy controllers, elaborated in agreement with the following methodology: the rule base was established from the system\'s physical principles and from the desired closed loop dynamics; the input membership functions was distributed so that ensure a bigger sensibility in the regions near the reference value; the output membership functions distribution provide a control action significant increase as the systems output move away from the reference value; and, the fine tuning was made via scaling universes of discourse. The computer simulation\'s results of the, rotational speed and reactive power, reference values step, demonstrated stable dynamics, without overshoot or steady state error. It is emphasize that, in relation to state-of-art, the fuzzy speed controller provide similar dynamic, but with a control action without transients and peaks 65% smaller and the fuzzy reactive power controller impose a 64% faster response. Some computer simulations of the wind real regime show the pitch-angle and turbine angular speed reactions so that to supply the wind generator with a soft and stable operation, from the weak winds up to the most strong and turbulent winds.

Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα διαφόρων κυκλωμάτων ελέγχου που βασίζονται στην υπολογιστική νοημοσύνη με σκοπό την αντιμετώπιση βραχυκυκλωμάτων σε δίκτυα διασύνδεσης ανεμογεννητριών με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, τα προτεινόμενα συστήματα ελέγχου έχουν σκοπό τη διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ώστε οι ανεμογεννήτριες να καταφέρουν να συνεχίσουν να είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά τα βραχυκυκλώματα, συνεισφέροντας στη γρήγορη επαναφορά της τάσης στο Σημείο Κοινής Σύνδεσης με το Δίκτυο (ΣΚΣΔ). Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε ένα προσαρμοζόμενο ασαφές σύστημα ελέγχου με σκοπό τη βελτιωμένη απόκριση Αιολικού Πάρκου (ΑΠ) με επαγωγικές γεννήτριες που τροφοδοτεί ένα ασθενές σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας μέσω διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (ΜΠΤ). Το σύστημα αυτό εντοπίζει τη σοβαρότητα του σφάλματος και διαμορφώνει ανάλογα την παλμοδότηση των βαλβίδων των ΜΠΤ κατά τη διάρκεια του σφάλματος. Επίσης, έχει την ιδιότητα να αυτορυθμίζεται κατά τη διάρκεια της μετασφαλματικής περιόδου, επιτυγχάνοντας εξασθένηση της ταλαντωτικής συμπεριφοράς του συστήματος που προκαλείται από τα βραχυκύκλωμα και την παραμονή των ανεμογεννητριών στο δίκτυο. Το ηλεκτρικό σύστημα που μελετήθηκε στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνει μια επαγωγική ανεμογεννήτρια διπλής τροφοδότησης (γνωστή με την ονομασία double-fed induction machine) η οποία τροφοδοτεί ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στη βιβλιογραφία που έχει δημοσιευθεί μέχρι σήμερα, για την αντιμετώπιση των βραχυκυκλωμάτων σε ανάλογα ηλεκτρικά συστήματα, προτείνονται διατάξεις οι οποίες βασίζονται είτε σε κατάλληλο μηχανικό εξοπλισμό όπως μπάρες βραχυκύκλωσης (crowbars) είτε σε κατάλληλο προγραμματισμό των ελεγκτών. Σε αυτό το μέρος της διατριβής προτείνεται ένα εναλλακτικό σύστημα ελέγχου που βασίζεται στον κατάλληλο προγραμματισμό των ελεγκτών, χωρίς να χρησιμοποιεί κάποιον εξοπλισμό προστασίας. Το σύστημα ελέγχου, το οποίο βασίζεται στους γενετικούς αλγορίθμους, συμβάλει στη βέλτιστη «συνεργασία» των δύο ΜΠΤ της γεννήτριας, επιτυγχάνοντας την εξασθένιση των διακυμάνσεων της τάσης στο ΣΚΣΔ και τη διατήρηση της σύνδεσης της γεννήτριας στο ηλεκτρικό δίκτυο. / This thesis studies the implementation of intelligent control techniques in the Fault Ride-Through (FRT) of grid connected Wind Turbines (WTs). The first part of the dissertation studies the issue of the fault ride-through capability of a wind farm of induction generators, which is connected to an ac grid through an HVDC link based on Voltage Sourced Converters (VSCs). This work proposes a control strategy which is implemented with adaptive fuzzy controllers and deals with every different type of fault with a corresponding appropriate action, blocking the converter valves for a time interval which depends on the severity of the fault. In addition, after the deblocking of the valves, the proposed control system activates a special controller, which alleviates the oscillations at the electrical system caused by the blocking of the valves. In this way, the overcurrents are limited, the wind turbines manage to remain connected and the ac voltage recovers quickly, as it is imposed by national grid codes. The second part of the dissertation proposes a Computational Intelligence–based control strategy, to enhance the low voltage ride-through capability of grid-connected WTs with doubly fed induction generators (DFIGs). The conventional crowbar-based systems that were initially applied in order to protect the rotor-side converter at the occurrence of grid faults, do not fulfill the recent requirement of the national GCs that the WTs should supply reactive power to the grid during and after the fault, in order to support the grid voltage. In order to conform to the above mentioned requirement, this work proposes a control scheme, which contributes to the optimal coordination of the two converters, aiming to attenuate the disturbances to the system caused by the fault and ensure system stability. Aiming to encounter the difficulties met due to the uncertainties of the system modeling and considering the non linearity of the system, the controllers were designed based on fuzzy logic and genetic algorithms, which are more efficient in such cases. By this concept the overcurrents at the rotor windings and the dc side overvoltages are effectively eliminated. In addition, the FRT requirement concerning the reactive power supply is fulfilled.