Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-26T06:04:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 299712.pdf: 14376923 bytes, checksum: 42ba0d1dc1ccdc0c2295e1d99e7e0013 (MD5) / No século XXI, mudanças são esperadas nas formas em que a produção de energia ocorre. Com o desenvolvimento de novas tecnologias, o custo da eletricidade a partir da geração eólica caiu mais de 80% durante os últimos anos. A geração de energia através de sistemas de conversão de energia eólica representará uma parcela considerável da energia elétrica gerada. Nesse contexto, turbinas eólicas equipadas com geradores síncronos a ímãs permanentes apresentam vantagens importantes sobre outros tipos de geradores. No entanto, esses geradores precisam ser conectados a uma rede de distribuição através de conversores estáticos de capacidade nominal. Estes conversores permitem que o sistema de conversão de energia eólica seja utilizado em seu ponto ideal de operação a todo instante. Além disto, os conversores estáticos modernos garantem a melhoria da qualidade da energia gerada e que esta seja transmitida à rede com alto rendimento de conversão e de maneira confiável e flexível. Este trabalho propõe uma nova estratégia de controle de corrente de alto desempenho e elevado fator de potência. A estratégia proposta baseia-se na técnica de autocontrole de corrente para retificadores PWM trifásicos, incrementando-a no que diz respeito à compensação de reativos no gerador. Utiliza-se um estágio retificador PWM trifásico robusto e com baixas perdas de condução. Este retificador é analisado e um esquema apropriado de modulação vetorial é proposto. O sistema de conversão de energia eólica é estudado por simulações numéricas e a técnica de controle de corrente proposta é verificada também de forma experimental em um protótipo de laboratório de 6,5 kVA.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2013-03-04T18:17:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 304938.pdf: 32969594 bytes, checksum: 2868e1509e2c0233a924e6da68259987 (MD5) / Este trabalho apresenta o emprego de uma topologia bidirecional trifásica, tendo em vista a aplicação em sistemas de conversão de energia eólica conectados à rede elétrica. A característica principal deste conversor está na divisão das correntes sobre os interruptores e no uso do acoplamento magnético nos indutores. A presença do acoplamento não introduz indutância à passagem da corrente de carga. Além disso, por meio de uma técnica de modulação adequada, permite triplicar a frequência sobre os filtros e apresenta tensões multiníveis em seus terminais de saída. A estratégia de controle implementada tem como objetivo o controle das correntes de fase e da tensão do barramento, ambas de forma digital. Como mecanismo de sincronismo é empregado um algoritmo PLL. Serão apresentados estudos teóricos, metodologia de projeto, além de simulações e resultados experimentais. Em suma, é mostrado que a topologia em questão apresenta vantagens para a aplicação que se propõe, como redução dos dispositivos magnéticos e baixa distorção harmônica das tensões e correntes

This thesis presents the main concepts and configurations used in wind turbine connected to the grid, as well as, an analysis, design and implementation of the control system for the Doubly Fed Induction Generator (DFIG). The DFIG has been selected since it is the concept frequently adopted by the wind turbine manufactures. In the thesis, it is presented a model of the DFIG in stator flux reference frame that is normally used in DFIG. The main reason for use the stator flux reference frame is that in this referential is possible to control the active and reactive power of the stator circuit independently. However, the main limitation related with the DFIG vector control is the poor damping oscillation of the stator flux. Aiming to study this problem, the impact of the bandwidth of the rotor currents control loop in the stator flux oscillation mode that appears near the voltage grid frequency, is investigated. It is demonstrated that when Rs approaches of the zero, these oscillations can not be controlled by the rotor converter. The proposed controller has an internal current control loop and an external power control loop. As the controllers are usually implemented in a digital signal processor (DSP), a redesign in discrete time to compute the control action with anti-windup is given. Finally, experimental results to validate the controllers design using a 2 kW DFIG and IGBT PWM converter, controlled by the DSP TMS320F241, are presented. / O presente trabalho apresenta os principais conceitos e configurações utilizadas em turbinas eólicas conectadas a rede elétrica, bem como a analise, o projeto e a implementação do sistema de controle para o gerador de indução com dupla alimentação (GIDA), visto que, este é o conceito mais utilizado pela indústria de turbinas eólicas. Inicialmente, é apresentado o modelo do GIDA em eixos síncronos qd no referencial do fluxo estatórico, que é, normalmente, utilizado para o projeto dos controladores do GIDA, pois neste referencial é possível controlar independentemente a potência ativa e reativa da turbina eólica. Entretanto, um problema comum associado ao controlador vetorial do GIDA são as oscilações pouco amortecidas do fluxo estatórico. Com o intuito de estudar este problema, é apresentada uma análise do impacto da banda passante dos controladores de corrente, nos modos oscilações do fluxo estatórico, que surgem próximos à freqüência da rede elétrica. Essas oscilações aparecem na parte não controlada da GIDA, resultante do acoplamento direto do circuito estatórico com a rede elétrica. O controlador proposto baseia-se num laço interno de corrente e um laço externo de potências ativa e reativa. Como os controladores são implementados em DSP, também, são apresentados os projeto dos controladores em tempo discreto com limitação da ação integral. Finalmente, são apresentados resultados experimentais utilizando um GIDA de 2 kW e um inversor PWM, controlado através do DSP TMS320F241.

[pt] O efeito magnus é verificado experimentalmente em túnel de vento, para escoamentos com números de Reynolds variando de 1,3 x 10 elevado 4 a 4,3 x 10 elevado a 4. Os resultados são avaliados em termos absolutos e adimensionalizados. Levando-se em conta as incertezas provenientes do método de ensaio, são feitas comparações com da dos obtidos por outros pesquisadores. São avaliadas as possibilidades de utilização do efeito em captação de energia eolica, e é também realizado um estudo da influência da forma de Magnus na trajetória de projetis estabilizados giroscopicamente. / [en] The Magnus effect is experimentally studied in a wind tunnel for Reynolds number range from 1,3 x 10 (to) 4 to 4,3 x 10 (to) 4. The results are analysed and compared for both dimensionless and dimensionalized parameters. The uncertainties are estimated and the results compared to those of other investigators. The possibilities of utilization of Magnus effect in wind power generation are analyzed together with its influence in trajectories of spin-stabilized projectiles.

[pt] A presente dissertação se insere no contexto da energia eólica, que é a fonte de energia que mais cresce na matriz elétrica brasileira, segundo dados da Empresa de Pesquisa de Energia (EPE), com projeções para que esse crescimento se mantenha. Com isso, a principal motivação do presente trabalho é o fato de que desenvolver e aplicar métodos de previsão cada vez mais precisos para as variáveis determinantes na produção de energia eólica em um aerogerador, como a velocidade do vento, é de crucial importância para o planejamento da operação do sistema elétrico nacional. Logo, o objetivo principal do trabalho é adaptar e aplicar uma metodologia de previsão de séries temporais em um banco de dados formado por medições de velocidade de vento. A metodologia se constrói a partir da análise exploratória dos dados, onde pode se observar características importantes, como estacionariedade na média e uma estrutura sazonal complexa, que envolve um ciclo diário e uma sazonalidade mensal. Com isso, foi adaptado um modelo de amortecimento exponencial com múltiplos ciclos que incorpora simulação de Monte Carlo e decomposição da série através do método TBATS, para realizar as previsões. Como resultados e conclusões, é possível observar que modelo adaptado se mostrou adequado para tratar o problema proposto, quando comparado com os modelos de previsão estabelecidos pela literatura, resultando em um aumento na precisão das previsões realizadas. / [en] This work is in the context of wind energy, which is the energy source that grows more in the Brazilian energy matrix, according to the Energy Research Company (EPE), with projections that this growth will continue. Thus, the main motivation of this work is the fact that developing and implementing increasingly precise forecasting methods for the key variables in the production of wind energy in a wind turbine, such as wind speed, is of crucial importance for planning of the national electric system operation. Therefore, the main objective of this work is to adapt and apply a time series forecasting methodology in a database formed by wind speed measurements. The methodology is built from the exploratory analysis of data, which can be observed important features such as stationary mean and a complex seasonal structure, which involves a daily cycle and monthly seasonality. Thus, it was adapted an exponential smoothing model that incorporates multiple cycles, Monte Carlo simulation and decomposition of the series through the TBATS method, to make forecasts. As results and conclusions, it is possible to observe that model adapted was adequate to address the proposed issue, compared with the forecast models established in the literature, resulting in an increase in the accuracy of forecasts made.

[pt] A preocupação com o aquecimento global e a poluição tem aumentado significativamente o interesse no desenvolvimento de fontes renováveis de energia. Este estudo tem como eixo principal a energia eólica, o uso dessa energia elimina resíduos indesejados e prejudiciais à saúde e ao meio ambiente causados por outras fontes de energia, como carvão e usinas nucleares. Este trabalho objetiva analisar a relação de dependência entre a velocidade do vento e a geração de energia eólica, esta é uma relação bastante complexa, por isso busca-se entender a natureza estocástica de ambas as variáveis. Como ferramenta metodológica foi utilizada a teoria da cópula. O estudo baseia-se na análise e modelagem da dependência entre dados de velocidade do vento e geração de energia eólica, para um banco de dados horário de um parque eólico do estado da Bahia, no período de janeiro a dezembro de 2017, após encontrar a cópula correspondente a estrutura de dependência para o ano completo e para cada mês individualmente, foram geradas simulações e apresentadas as probabilidades de ocorrência dos cenários em intervalos pré-definidos, os resultados obtidos foram significativos, testes estatísticos adequados foram realizados, evidenciando a qualidade do ajuste. / [en] Concern about global warming and pollution has significantly increased interest in developing renewable energy sources. This study has wind energy as its main axis, the use of this energy eliminates unwanted and harmful waste to health and the environment caused by other energy sources, such as coal and nuclear power plants. This work aims to analyze the dependence relationship between wind speed and wind energy generation, this is a very complex relationship, so we seek to understand the stochastic nature of both variables. As a methodological tool, the copula theory was used. The study is based on the analysis and modeling of the dependence between wind speed data and wind energy generation, for an hourly database of a wind farm in the state of Bahia, from January to December 2017, after finding the copula corresponding to the dependency structure for the entire year and for each month individually, simulations were generated and the probabilities of occurrence of the scenarios were presented at pre-defined intervals, the results obtained were significant, adequate statistical tests were performed, evidencing the quality of the fit .

[pt] Após o choque de racionamento de energia elétrica, decorrente do desequilíbrio entre oferta e demanda, os vários setores da sociedade brasileira constataram a real e iminente necessidade de diversificação das fontes de geração de energia elétrica e de seu uso racional. Busca-se hoje novas fontes, entre as quais a energia eólica, uma alternativa nova e promissora. A energia eólica está aumentando no mundo todo e o Brasil tem um enorme potencial devido a sua localização geográfica e o governo tem investido neste tipo de energia. O principal objetivo desta dissertação é estudar e desenvolver modelos de previsão de velocidade de vento, de curto prazo da velocidade do vento. Os métodos de amortecimento exponencial, em particular o método de Holt-Winters e suas variações, são apropriados para este contexto devido à sua alta adaptabilidade e robustez. Para aplicação da metodologia considerou-se o município de São João do Cariri (Estado de Paraíba), onde está localizada uma das estações de referência do projeto SONDA (Sistema Nacional de Dados Ambientais para o setor de energia). Será utilizado o método de Holt-Winters, que será comparado com os modelos: de persistência, neuro-fuzzy (ANFIS) e estatísticos. / [en] After the shock of electricity rationing, due to the imbalance between supply and demand, the various sectors of the Brazilian society found a real and imminent need to diversify sources of electricity generation and its rational use. New sources are searched today, including wind power, a promising new alternative. Wind energy has been increasing worldwide and Brazil has huge potential due to its geographical location and the government has invested in this type of energy. The main objective of this thesis is to study and develop forecasting models, of short-term wind speed. The methods of exponential smoothing, in particular the method Holt-Winters and its variations, are suitable in this context because of its high adaptability and robustness. The city of São João do Cariri (State of Paraíba), where it is located one of the reference stations of project SONDA (National Environmental Data for the energy sector) was chosen in order to apply the methodology. The method that will be used is Holt-Winters, who will be compared with the models: persistence, neuro-fuzzy (ANFIS) and statistics.

[pt] A energia eólica é hoje uma das mais promissoras fontes de energia do mundo por ser limpa e abundante. O estudo de fenômenos que estão relacionados com alterações na circulação atmosférica, como o El Niño, são de extrema importância pela possibilidade de afetarem a geração eólica. A fim de explorar o possível efeito de tais fenômenos nos ventos da região Nordeste do Brasil, a qual possui a maior capacidade eólica instalada, é realizada uma análise estatística para a quantificação desse efeito através dos modelos Generalized Autoregressive Score (GAS). Estes permitem a modelagem de séries temporais para diferentes distribuições de probabilidade. Nesse estudo, o GAS é aplicado às séries de velocidade do vento a partir das distribuições Weibull, Gama e Beta. Os resultados mostram que a distribuição Beta produz o melhor ajuste quando se considera o efeito do El Niño através da Temperatura da Superfície do Mar (TSM), na velocidade do vento de uma usina eólica no Nordeste do Brasil. Em particular estes mostram que, o maior impacto do El Niño ocorre nos meses de abril e maio, onde para um aumento de 1 grau Celcius da TSM é observada uma variação de aproximadamente 1.3 por cento na velocidade do vento. / [en] Wind energy is now one of the most promising energy sources of the world being both clean and abundant. The study of phenomena that are related to changes in atmospheric circulation, such as El NiÑo, are extremely important for its ability to affect wind generation. In order to explore the possible effect of such phenomena in the winds of the Northeast region of Brazil which has the largest installed wind capacity, a statistical analysis is performed to quantify this effect through the Generalized Autoregressive Score (GAS) models. These allows the modeling of time series for different probability distributions. In this study, GAS models are applied to the wind speed series using Weibull, Gamma and Beta distributions. The results shows that the Beta distribution produces the best fit when considering the effect of El Niño through Sea Surface Temperature (SST) in the wind speed of an wind farm in the Northeast of Brazil. In particular these show that the greatest impact of the El Niño occurs in the months of April and May, where for an increase of 1 degrees Celcius of SST is observed a variation of approximately 1.3 per cent in wind speed.

[pt] Com o objetivo de reduzir o efeito estufa e atender a alta demanda de energia elétrica, muitos países desenvolvidos e emergentes têm optado pelo uso de energias essencialmente de origem renovável, incluindo energia eólica, biomassa e solar fotovoltaica. Para determinar a viabilidade econômica dos projetos de energias renováveis é necessário capturar as variáveis de maior interesse. As opções reais ao considerar a dinâmica e incertezas, típicas dos mercados de eletricidade, surgem como uma alternativa para a tomada de decisões neste tipo de projetos. Este trabalho aplica a técnica tradicional de avaliação de projetos através do fluxo de caixa descontado (FCD) e a teoria de opções reais (TOR) para avaliação de um parque eólico. A flexibilidade foi incluída ao considerar a opção de fazer um investimento em retrofit para atualizar a tecnologia das turbinas eólicas e estender o contrato de operação. A opção real analisada é análoga a uma opção de compra europeia, seu valor é calculado através de uma árvore binomial recombinante com barreira no preço da energia eólica, principal fonte de incerteza do modelo. Realizaram-se análises de sensibilidade para avaliar o comportamento do preço da opção frente às mudanças em alguns parâmetros do modelo. Conclui-se a viabilidade econômica de estender a operação do parque eólico através de um investimento em retrofit, utilizando a TOR, uma vez que o seu valor é muito superior frente ao calculado pelo FCD, apesar do valor da opção ter uma forte correlação com o limite da barreira e a volatilidade do preço. / [en] In order to reduce the greenhouse effect and meet the high demand of electricity, many developed and emerging countries have opted for the use of renewable energies, for example, wind energy, biomass and solar photovoltaic. To determine the economic viability of renewable energy projects it is necessary to capture the most relevant variables that suggest greater interest. Real options allows to consider the dynamic and uncertainties present in the power markets, therefore it is an attractive tool for decision-making in this kind of markets. In this work we apply the traditional technique of project evaluation, the discounted cash flow (DCF), as well as the real real options theory (ROT) for the financial evaluation of a wind farm. The flexibility is the option of making a retrofit investment that allows upgrading the wind turbines technology in order to extend the operating contract. The real option analyzed is analogous to a european call option and its value was calculated through a recombinant binomial tree with barrier in the wind energy price, considered the main source of uncertainty in the model. Sensitivity analyzes were performed to assess the option price behavior when some parameters of the model change. We finally conclude for the economic viability of extending the operation of the wind farm through an investment in retrofit, using the ROT, since its value is much higher than the calculated by the DCF, even though the option value is strongly dependent on the barrier and the volatility of electricity prices.

[pt] O principal objetivo desta dissertação é estudar modelos de previsão da geração eólica utilizando os dados de cinco parques eólicos, mais precisamente comparar o desempenho dos modelos lineares e não lineares. Utilizando a metodologia do modelo não-linear STAR-TREE (Smooth Transition AutoRegression Tree) e comparando com o modelo linear Box e Jenkins através de medidas estatísticas. Basicamente, o modelo STAR-TREE é uma combinação dos modelos STAR (Smooth Transition AutoRegression) e CART (Classification and Regression Tree), realizando assim uma modelagem em árvore onde a transição entre os regimes é feita de forma suave através da função logística e nos nós terminais são ajustados modelos preditivos. Neste estudo será ajustado nos nós terminais um modelo simples constante e também modelos autorregressivos. / [en] The main objective of this dissertation is to study wind generation forecasting models using data from five wind farms, more accurately compare the performance of linear and nonlinear models. Using the methodology of the nonlinear model STAR-TREE (Smooth Transition Autoregression Tree) and compare with the linear model BoxandJenkins through statistical measures. Basically the model STAR-TREE is a combination of models STAR (Smooth Transition Autoregression) and CART (Classification and Regression Tree), thus creating a modeling tree where the transition between regimes is done smoothly through the logistics function and in the terminal nodes are adjusted predictive models. In this study will fit in the terminal nodes, a simple model of constant and a autoregressive models.