Made available in DSpace on 2018-08-02T00:02:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_4743_Tese Flávio Duarte Couto Oliveira20161129-121045.pdf: 22560177 bytes, checksum: 86691b577fe6f3610a134faeb939e918 (MD5) Previous issue date: 2016-09-13 / No mundo moderno, a produção de energia elétrica é fundamental para o desenvolvimento industrial e econômico de um país. O crescimento econômico aliado à cescente conscientização ambiental tem aumentado a preocupação com as fontes de energia. Diante disso, há um grande estimulo a utilização de fontes alternativas. Dentre essas fontes alternativas, uma das mais promissoras é a energia eólica, que se tornou uma fonte de produção viável e competitiva. Entre as tecnologias de geradores eólicos, uma das mais utilizadas é a de Gerador de Indução Duplamente Alimentado - DFIG, adequado à operação com turbinas de velocidade variável. Essa tecnologia, DFIG, passou a ser amplamente utilizada por alguns países em seus sistemas elétricos. Como consequência, esses países foram obrigados a definir critérios de sua interconexão com a rede cada vez mais rígidos. Um dos principais critérios exige que a usina permaneça conectada à rede durante um afundamento momentâneo de tensão - AMT. Além disso, alguns códigos, como da Alemanha e Espanha, exigem que o sistema forneça potência reativa à rede durante o AMT para reduzir seu efeito. Neste trabalho é realizado um estudo teórico da influência dos AMTs em um sistema de conversão de energia eólica utilizando a tecnologia DFIG. Após isso, é apresentado uma nova solução para aumentar a suportabilidade da turbina durante um AMT equilibrado. Um dispositivo que incorpora limitadores de corrente supercondutores-LCS é proposto, sendo analisado em diferentes configurações e estratégias e é comparado com as soluções convencionais. A validação, feita por simulação computacional, utilizou o software PSCAD/EMTDC da Manitoba-HVDC. Os resultados de simulação mostram o bom desempenho do dispositivo aumentando a robustez do DFIG.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation presents the study of a three-wire hibrid topology for voltage regulation for micro-hydroelectric generators that use self-excited induction in isolated operation. Initially, a literature review is presented in order to identify the main voltage regulation topologies applied to self-excited induction generators in the literature. From this review, a hybrid topology is proposed, which aims to regulate the voltage supplied by the generator to the isolated system. Thus, the mathematical modeling of the system is presented, comprising induction generator, the excitation capacitor, switched capacitor banks for voltage regulation, inductors filter and static reactive compensator. The following presents a control method based on reactive power control and design of switched capacitor banks using as reference the reactive power of the induction generator and static reactive compensator. The simulation and experimental results are presented to validate the proposed method. The use of the three-wire hybrid topology made of switched capacitor banks in conjunction with the static reactive compensator voltage regulation can be considered an addition to the scientific literature. / Nesta dissertação de Mestrado é apresentado o estudo de uma topologia híbrida a três fios, para a regulação de tensão em microcentrais hidrelétricas que utilizam geradores de indução auto-excitados em operação isolada. Inicialmente, é apresentada uma revisão bibliográfica, a fim de identificar as principais topologias de regulação de tensão aplicadas a geradores de indução auto-excitados presentes na literatura. A partir desta revisão, é proposta uma topologia híbrida, que tem por objetivo a regulação de tensão fornecida pelo gerador ao sistema isolado. Desta forma, é mostrada a modelagem matemática do sistema, composto por gerador de indução, capacitores de excitação, bancos de capacitores chaveados para regulação de tensão, indutores de filtro e compensador estático de reativos. A seguir, é apresentado um método de controle baseado no controle de potência reativa e o projeto dos bancos de capacitores chaveados tendo como referência a potência reativa do gerador de indução e do compensador estático de reativos. São apresentados também, os resultados de simulação e experimentais que validam o funcionamento do método proposto. O emprego da topologia híbrida a três fios formada por bancos de capacitores chaveados em conjunto com o compensador estático de reativos de regulação de tensão, pode ser considerado um acréscimo à literatura científica.

Orientador: Dr. Alfeu J. Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014. / Devido as preocupações com a redu¸c¿ao do uso dos recursos f'osseis e das emiss¿oes de CO2 ocasionadas pelos mesmos, o interesse no uso de energias renov 'aveis aumentou, sendo uma destas fontes a energia e'olica. O Gerador de Indu¸c¿ao de Rotor Bobinado (GIRB) tem demonstrado ser uma ferramenta capaz de otimizar o uso da energia e'olica, dada a sua alta efici¿encia, rentabilidade e robustez mec¿anica, ainda assim 'e necess'ario superar os numerosos desafios que est¿ao presentes nesta tecnologia, tais como qualidade da pot¿encia, estabilidade da rede, entre outros. O objetivo desta pesquisa se concentra no estudo de t'ecnicas de controle de pot¿encia fornecida pelo GIRB aplicado a sistemas de gera¸c¿ao e'olica. No presente caso, o sistema de gera¸c¿ao 'e composto por um GIRB com seu estator conectado diretamente 'a rede e seu rotor 'e conectado 'a rede atrav'es de um conversor bidirecional. Prop¿oe-se estudar o m'etodo de controle direto de torque (CDT) com emprego de controladores PI e por modos deslizantes (SMC) mais PI. O controle direto de torque 'e uma t'ecnica de alto desempenho din¿amico e possibilita o controle independente do torque e fluxo do gerador o que possibilitar'a o controle das pot¿encias ativa e reativa do GIRB. Da mesma forma, 'e estudado o conversor para o processamento da energia gerada. As simula¸c¿oes baseadas em modelos matem'aticos destes m'etodos de controle foram revistos, analisados e comparados com as simula¸c¿oes de textos de refer¿encia. Resultados experimentais obtidos em uma bancada validaram o prot'otipo proposto. / Due to concerns about reducing the use of fossil resources and the CO2 emissions caused by them, interest in the use of renewable energy increased, one of these sources is wind energy. The Wound Rotor Induction Generator (WRIG) has been proved to be a tool to optimize the use of wind energy, given its high efficiency, profitability and mechanical robustness, it is still necessary to overcome the many challenges that are present in this technology, such as power quality, grid stability, among others. This research focuses on the study of control techniques for power supply by WRIG applied to wind generation systems. In this case, the generation system consists of a stator WRIG is connected directly to the electrical network and its rotor too, but via a bidirectional converter. It is proposed to study the method of direct torque control (DTC) with the use of PI and sliding mode controllers (SMC) more PI. The direct torque control is a technique of high dynamic performance and enables independent control of torque and flux generator, which will enable the control of active and reactive power ofWRIG. Likewise, it is studied the converter for processing the generated power. The simulations based on mathematical models of these control methods were reviewed , analyzed and compared with simulations of reference texts . Experimental results obtained on a bench validated the proposed prototype.

Orientador: Júlio Carlos Teixeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia

Orientador: Jesus Franklin Andrade Romero / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Energia, 2011

Esta Tese trata do controle e integração de centrais eólicas à rede elétrica interligada, utilizando-se geradores de indução duplamente alimentados (GIDE). O objetivo principal da Tese foi desenvolver estratégias de controle discreto para o sistema de geração eólica, de forma a reduzir os impactos na qualidade da energia gerada, em função dos diversos regimes e transitórios de vento, que podem ocorrer no sítio eólico. Para o projeto do sistema de controle dos geradores foi adotada a técnica do controle vetorial, de forma a desacoplar o controle do fluxo das potências ativa e reativa entre o gerador e a rede elétrica. Visando caracterizar os diversos modos de operação do GIDE, com velocidades acima e abaixo da síncrona, foi desenvolvido um estudo de regime permanente do gerador, obtendo-se os limites de correntes, tensões e demais grandezas elétricas e mecânicas, para uma determinada faixa de velocidade. As principais estratégias de controle atualmente utilizadas pelos fabricantes de turbinas eólicas foram analisadas, destacando-se os aspectos da eficiência energética do conjunto turbina-gerador e da qualidade da energia. O projeto das malhas de controle dos conversores estáticos conectados ao circuito do rotor foi desenvolvido utilizando a técnica de controle discreto, propondo-se as estratégias de controle e o conjunto de especificações para definição dos ganhos dos controladores, objetivando reduzir os impactos na qualidade da energia gerada. Foi analisada a influência da modelagem da turbina com eixos elásticos e eixos rígidos, no comportamento das variáveis controladas. Buscando reduzir os harmônicos de ordem elevada da corrente do gerador, devido à modulação por largura de pulso (PWM) dos conversores estáticos, foi proposta uma estratégia de projeto de filtro passivo LCL, instalado no circuito do rotor. Um programa de simulação no ambiente Matlab/Simulinkâ foi desenvolvido, para análise da interligação de um parque eólico, representado por uma turbina equivalente, ao sistema elétrico de potência reduzido, permitindo estudos de regime permanente e transitório. Com este programa, um estudo de caso foi realizado, avaliando-se o controle e a integração de uma usina eólica de 192MW, conectada na rede básica do sistema interligado nacional, na tensão 230kV. Os resultados obtidos mostram as contribuições, das estratégias de controle propostas, para melhorar o comportamento das tensões do sistema elétrico quando da ocorrência de transitórios de ventos na usina. / This Thesis presents the control and integration of wind farms to the interconnected power grid, using doubly fed induction generators (DFIG). The main objective of the present Thesis was to develop discrete control strategies for the wind generation system, with the goal to reduce the wind variations impacts in the grid power quality. The design technique selected for the generators control system was the vector control technique, which allows independent control of active and reactive power flow between the generator and the grid. In order to characterize the diverse operation modes of the DFIG, below and above the synchronous speed, a generator steady-state study was developed, getting the current and voltage limits and the others electric and mechanical safe limits variables, for one determined speed range. The main control strategies currently used by the wind turbines manufacturers were analyzed, highlighting the aspects of the turbine-generator energy efficiency and the power quality. The control loops design of the static converters was developed using the discrete control technique. It was elaborated the control strategies and also the basic specifications used to define the controllers gains, with the key target to reduce the impacts in the grid power quality caused by the wind variations. Other aspect covered by this work was the influence of the turbine modeling, with rigid shafts and with shafts of a relatively low stiffness, in the control system performance. In a way to reduce high order harmonics in the generator current, caused by the pulse width modulation (PWM) of the static converters, it was proposed a design strategy of a passive LCL filter, installed in the rotor circuit. A simulation program was developed, using the Matlab/SimulinkÔ platform, to analyze the interconnection of a wind farm, represented by a equivalent turbine, to the reduced power electrical system, allowing steady-state and transient studies. With this simulation program, a case study was developed evaluating the control and integration of a 192MW wind farm, connected to 230kV voltage level of the national interconnected power system. The main results reached by this work showed the contributions of the control strategies proposed to improve the electrical system voltages behavior, when wind variations occur in the wind farm.

Esta Tese trata do controle e integração de centrais eólicas à rede elétrica interligada, utilizando-se geradores de indução duplamente alimentados (GIDE). O objetivo principal da Tese foi desenvolver estratégias de controle discreto para o sistema de geração eólica, de forma a reduzir os impactos na qualidade da energia gerada, em função dos diversos regimes e transitórios de vento, que podem ocorrer no sítio eólico. Para o projeto do sistema de controle dos geradores foi adotada a técnica do controle vetorial, de forma a desacoplar o controle do fluxo das potências ativa e reativa entre o gerador e a rede elétrica. Visando caracterizar os diversos modos de operação do GIDE, com velocidades acima e abaixo da síncrona, foi desenvolvido um estudo de regime permanente do gerador, obtendo-se os limites de correntes, tensões e demais grandezas elétricas e mecânicas, para uma determinada faixa de velocidade. As principais estratégias de controle atualmente utilizadas pelos fabricantes de turbinas eólicas foram analisadas, destacando-se os aspectos da eficiência energética do conjunto turbina-gerador e da qualidade da energia. O projeto das malhas de controle dos conversores estáticos conectados ao circuito do rotor foi desenvolvido utilizando a técnica de controle discreto, propondo-se as estratégias de controle e o conjunto de especificações para definição dos ganhos dos controladores, objetivando reduzir os impactos na qualidade da energia gerada. Foi analisada a influência da modelagem da turbina com eixos elásticos e eixos rígidos, no comportamento das variáveis controladas. Buscando reduzir os harmônicos de ordem elevada da corrente do gerador, devido à modulação por largura de pulso (PWM) dos conversores estáticos, foi proposta uma estratégia de projeto de filtro passivo LCL, instalado no circuito do rotor. Um programa de simulação no ambiente Matlab/Simulinkâ foi desenvolvido, para análise da interligação de um parque eólico, representado por uma turbina equivalente, ao sistema elétrico de potência reduzido, permitindo estudos de regime permanente e transitório. Com este programa, um estudo de caso foi realizado, avaliando-se o controle e a integração de uma usina eólica de 192MW, conectada na rede básica do sistema interligado nacional, na tensão 230kV. Os resultados obtidos mostram as contribuições, das estratégias de controle propostas, para melhorar o comportamento das tensões do sistema elétrico quando da ocorrência de transitórios de ventos na usina. / This Thesis presents the control and integration of wind farms to the interconnected power grid, using doubly fed induction generators (DFIG). The main objective of the present Thesis was to develop discrete control strategies for the wind generation system, with the goal to reduce the wind variations impacts in the grid power quality. The design technique selected for the generators control system was the vector control technique, which allows independent control of active and reactive power flow between the generator and the grid. In order to characterize the diverse operation modes of the DFIG, below and above the synchronous speed, a generator steady-state study was developed, getting the current and voltage limits and the others electric and mechanical safe limits variables, for one determined speed range. The main control strategies currently used by the wind turbines manufacturers were analyzed, highlighting the aspects of the turbine-generator energy efficiency and the power quality. The control loops design of the static converters was developed using the discrete control technique. It was elaborated the control strategies and also the basic specifications used to define the controllers gains, with the key target to reduce the impacts in the grid power quality caused by the wind variations. Other aspect covered by this work was the influence of the turbine modeling, with rigid shafts and with shafts of a relatively low stiffness, in the control system performance. In a way to reduce high order harmonics in the generator current, caused by the pulse width modulation (PWM) of the static converters, it was proposed a design strategy of a passive LCL filter, installed in the rotor circuit. A simulation program was developed, using the Matlab/SimulinkÔ platform, to analyze the interconnection of a wind farm, represented by a equivalent turbine, to the reduced power electrical system, allowing steady-state and transient studies. With this simulation program, a case study was developed evaluating the control and integration of a 192MW wind farm, connected to 230kV voltage level of the national interconnected power system. The main results reached by this work showed the contributions of the control strategies proposed to improve the electrical system voltages behavior, when wind variations occur in the wind farm.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The induction generator has characteristics making it interesting for alternative sources of energy, such as low cost, ruggedness, low maintenance, high availability and good dynamic behavior. So, it is very much applied in alternative energy systems, where low cost, low maintenance and easy availability are essential characteristics. Although this generator is very attractive, its operation presents problems related to a poor voltage regulation, load dependent variable frequency, and the need of large size self-excitation capacitors, for standalone induction generator systems. In order to minimize these problems, this study proposes a sparse matrix converter associated to an induction generator as a way to regulate the generated voltage, fix the frequency and increase the system reliability. Moreover, it allows the reduction of the self-excitation capacitors by draining out of the generator, mostly resistive current thus, reducing capacitor costs and of the whole system size. In this dissertation is presented some simulation and practical results of a sparse matrix converter connected to the induction generator prototype developed in CEEMA laboratories. These results confirm the here presented theory and validate this work. / O Gerador de Indução é atrativo para geração de energia elétrica com fontes alternativas por apresentar baixo custo, robustez, baixo índice de manutenção, grande disponibilidade e bom comportamento dinâmico. Por isso, ele é muito aplicado em sistemas alternativos de geração de energia onde o baixo custo, baixo índice de manutenção, disponibilidade e facilidade de substituição do gerador, são características bastante apreciadas. Particularmente, no caso dos geradores de indução auto-excitados por bancos de capacitores, apesar de também eles serem atrativos, sua operação isolada apresenta problemas relacionados à regulação de tensão insatisfatória e freqüência variável dependentes da carga, e pela necessidade de capacitores de auto-excitação de tamanho e custo elevados. Os custos elevados dos bancos de capacitores ainda limitam o uso isolado do gerador de indução a pequenas unidades apenas, com potência inferior à 50kW. Esta dissertação propõe o uso do Conversor Matricial Esparso como forma de regular a tensão no gerador de indução e fixar a freqüência na carga. Além disso, o uso deste conversor possibilita drenar uma corrente do gerador em fase com sua respectiva tensão, reduzindo assim o custo dos capacitores e do sistema como um todo. São apresentados resultados de simulação e resultados práticos de um protótipo do conversor matricial esparso, desenvolvido nos laboratórios do CEEMA-UFSM para conexão ao gerador de indução. Estes resultados servem de base para a comprovação e validação da teoria desenvolvida para a integração do gerador de indução auto-excitado e do conversor matricial esparso apresentada nesta dissertação.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The growing global demand for electricity, increasing scarcity of the conventional energy sources and the need to reduce environmental impacts contributed to the pronounced development of new technologies based on clean and renewable energy sources. In this context, the wind power is the technology that has had a greater development in recent decades. This source has played an important role in the advancement of alternative sources in the world energy matrix, because the technology is already consolidated and is economically viable. Accompanying the technological development of the alternative sources, the induction generator has stood out among the generators with the technology best suited to generating electricity for isolated energy systems. With this motivation, this thesis proposes a new configuration for an isolated wind energy conversion system using variable speed turbines, in which the induction generator is electronically excited by means of a static compensator. Also, the generator is associated to a shunt active filter for compensation of non-linear and unbalanced loads, and with a battery bank for energy storage and DC bus stabilization. It is also discussed the main problems with the induction generator related to the magnetization characteristic and its dynamic model, and the proposed solutions to mitigate these problems. The results confirm the effectiveness of the proposed wind energy conversion system, showing its operational capability with variable load and variable turbine speed. Finally it is presented the main conclusions of this work and suggestions for future works in the same line of research. / O crescente aumento da demanda mundial de energia elétrica, a escassez cada vez maior das fontes convencionais de energia e a necessidade de redução dos impactos ambientais contribuíram para o acentuado desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em fontes limpas e renováveis. Neste contexto, a energia eólica foi uma das tecnologias que mais se desenvolveu nas últimas décadas. Esta fonte tem desempenhado importante papel no avanço das fontes alternativas na matriz energética mundial, pois é uma tecnologia já consolidada e viável economicamente. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico das fontes alternativas, o gerador de indução tem se destacado dentre as tecnologias de geradores mais adequadas para sistemas isolados de geração de energia elétrica. Com esta motivação, esta tese propõe uma nova configuração de conversão de energia eólica isolada, utilizando turbinas de velocidade variável, na qual o gerador de indução é excitado eletronicamente por meio de um compensador estático. Ainda mais, o gerador é associado a um filtro ativo shunt para a compensação de cargas não-lineares e desbalanceadas e a um banco de baterias para armazenamento de energia e estabilização do barramento cc, comum aos conversores. São discutidos os principais problemas relacionados ao gerador de indução para esta aplicação através da característica de magnetização e do seu modelo dinâmico, com as soluções propostas para mitigar estes problemas. Os resultados práticos e de simulação obtidos comprovam a efetividade da configuração de conversão de energia eólica proposta, mostrando a capacidade de operação do gerador com carga variável e velocidade variável da turbina. Por fim são apresentadas as principais conclusões e sugestões para trabalhos futuros na mesma linha de pesquisa.

Este trabalho apresenta um sistema de controle com o objetivo de atenuar as ondulações do torque eletromagnético considerando os harmônicos de quinta, sétima, décima primeira e décima terceira ordem da tensão do estator do Gerador de Indução Duplamente Alimentado (GIDA). Dessa maneira, propõe-se a utilização de controladores proporcional-integrativo vetoriais juntamente com um sistema de identificação dos componentes harmônicos da corrente do estator empregando a transformada discreta de Fourier. O trabalho aborda a influência dos harmônicos de quinta, sétima, décima primeira e décima terceira ordem da tensão do estator nos harmônicos da corrente do estator, nas ondulações do torque eletromagnético e nas potências ativa e reativa do estator. Resultados de simulação avaliam o controlador proposto em condições adversas: variações paramétricas e da frequência da rede, além da influência de atrasos na corrente do estator. Finalmente, resultados experimentais validam o sistema proposto. / This work presents a vector controller with the objective of reducing the electromagnetic torque and the active and reactive powers of the stator by means of control of the harmonics of the stator current in harmonic conditions of fifth, seventh, eleventh and thirteenth order of the stator voltage. The objective of the work is to propose a controller that uses two techniques already consolidated in the literature, proportional-integrative and discrete Fourier transform, besides being robust the main disadvantages of the existing harmonic controllers in the literature that are dependencies of the parameters of the machine and the Frequency of the network beyond the influence of the stator current delays on the harmonic controller. First, the influence of the fifth, seventh, eleventh, eleventh and thirteenth order harmonics of the stator voltage on the harmonics of the stator current and on the undulations of the electromagnetic torque and the active and reactive powers of the stator are studied. Next, simulation results evaluate the proposed controller under adverse conditions: parametric variations and the frequency of the network, besides the influence of stator current delays. Finally, experimental results validate the controller under conditions that the controller reference is nonzero.