Orientador: André Luiz Andreoli / Resumo: As fontes renováveis de energia apresentam-se como solução para problemas relacionados ao aumento da demanda por energia elétrica e crescimento dos níveis de emissão de gás carbônico, uma vez que são não poluentes, limpas e abundantes. Aproveitamentos eólicos se mostram como uma das mais promissoras fontes de energia renovável, e por essa razão as pesquisas envolvendo este tipo de aproveitamento têm despertado grande interesse na comunidade científica. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um emulador de turbina eólica (ETE), uma ferramenta de apoio às investigações experimentais capaz de reproduzir o comportamento mecânico dinâmico de uma turbina eólica através de uma malha de controle digital em configuração de hardware-in-the-loop atuando sobre um acionamento eletrônico de uma máquina de indução Operando como fonte de força motriz, o ETE torna mais fácil a avaliação dinâmica de geradores e seus sistemas de controle associados voltados às aplicações envolvendo energia eólica. A pesquisa apresenta uma revisão bibliográfica sobre o estado da arte, a modelagem e a implementação experimental de um emulador de turbina eólica utilizando um motor de indução trifásico (MIT) acionado por um inversor de frequência. Para isso, é implementado um controle em malha fechada de conjugado e velocidade. Este controle faz com que o acionamento eletromecânico representado pelo MIT e inversor de frequência apresente em seu eixo o comportamento de uma turbina eólica conforme os parâmetros... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The lodgment of wind sites is in a visible growing demand not only in Brazil, but all over the world. The wind energy, even though consolidated, still hosts many scientific researches and industrial development in several areas such as control, power converter topologies and stability of grid connected wind turbines (WT). Due to the remarkable development of this technology in the market and the wind seasonality characteristics, it is difficult to study this power source in its operation field. Thus, a controlled environment for testing is desirable. This dissertation presents a topology of horizontal axis wind turbines (HAWT) emulator using a DC motor to provide an electrical generator the same torque that it would if it was driven by a typical WT. In addition to the static model, represented by the pitch angle and power coefficient, a dynamic model of HAWT is proposed in order to improve the representation of real turbines in the field, which allows characterizing the effect of wind shear, towering shadowing and turbine yaw. Furthermore, it permits emulating large inertia machines through smaller engines, by changing the torque imposed on the generator. The appealing motivation in this thesis is that the Magnus turbine emulation includes a relative new type of wind machine that possesses rotating cylinders instead of the traditional propeller blades in traditional HAWT. It is shown how these cylinders increase the available torque, then producing useful power even at lower wind speeds. Simulated and experimental results to evaluate the performance of the wind turbine emulator are presented. Both turbines are analyzed with and without MPPT. Finally the conclusions of this work are presented as well as new proposals for future works. / A instalação de parques eólicos tem se expandido não só no mundo, mas também no Brasil. A energia eólica, apesar de ser já bastante consolidada, ainda é palco para muitos trabalhos científicos e pesquisas na indústria nas áreas de controle, topologias de conversores de potência e estabilidade na conexão de aerogeradores com a rede. Devido a este fato junto com a sazonalidade do vento, torna-se difícil estudar esse tipo de fonte em seu âmbito de operação, sendo assim desejável um ambiente controlado para testes. Esta dissertação apresenta uma topologia para emulação de turbinas de eixo horizontal (HAWT) utilizando um motor de corrente contínua para acionar geradores com o mesmo torque que haveria caso estivessem acoplados a uma turbina real. Para melhor verossimilhança com as turbinas em campo, além do modelo estático composto pelo ângulo de passo das pás e o coeficiente de potência, propõe-se um modelo dinâmico para representar o efeito cortante do vento, o sombreamento da torre e o direcionamento da turbina em relação ao vento. Além do mais, o modelo proposto permite também a emulação de máquinas de grande inércia usando motores de menor porte, pela simples alteração do torque imposto ao gerador. O diferencial nesta dissertação consiste na possibilidade de emulação da turbina Magnus, que é um aerogerador que possui cilindros girantes no lugar das tradicionais pás presentes nas HAWT, que aumentam o torque disponível. Com isto, pode-se mostrar como a turbina Magnus pode gerar maior potência em baixas velocidades vento. São apresentados então os resultados simulados e experimentais avaliando o comportamento completo do emulador de turbinas eólicas. Ambas as turbinas são analisadas com e sem MPPT. Finalmente, são mostradas as conclusões do trabalho e as propostas para futuros trabalhos.

Concerns about climate change brought about by the increasing usage of fossil fuels has made it imperative to develop sustainable energy usage based on renewable sources. Micro-hydel plants are an important source of renewable energy that can be exploited to supply requirements of local loads in remote locations while operating as an isolated source, or the larger network when operating in grid connected mode. The focus of this research is to develop an alternative topology to the one currently in use in micro-hydel power plants. While existing plants are based on a ballast-controlled, fixed-speed, operator-supervised model, the proposed work introduces a ballast-free, variable-speed generator capable of unsupervised operation. Conventional micro-hydel generators use o-the-shelf machines with the purported aim of reducing costs. They run at a fixed speed, maintaining constant electrical load by switch-ing a plant-situated ballast load to compensate for consumer load changes. Although the intention is to have a simplified control scheme and reduced costs, the conventional plants end up being expensive since the balance-of-system costs are increased. The plant re-quires supervision by a trained operator and frequent maintenance, failing which the reliability suers. The cost and maintenance reduction possible is analysed by comparing the proposed topology with a typical well designed conventional micro-hydel plant. The proposed topology takes the characteristics of the turbine into account, and by running at variable speed, ensures that only as much power is generated as required by the consumer load. This eliminates the ballast load and associated problems present in conventional plants. The generator can be connected to the grid, if present, enabling the available power to be fully utilized. The behavior of a hydraulic turbine operating at a fixed head and discharge rate with no flow control is analyzed. Based on the turbine characteristics, a generator topology is developed, which operates in a speed range dictated by the characteristics of the turbine. Continual supervision is unnecessary since the operation of the generator is within safe limits at all times. A simple emulator that can mimic the steady state and dynamic behaviour of the turbine is developed to test the proposed generator. The two-machine wound rotor generator proposed has an auxiliary exciter similar to a conventional brushless alternator with the additional provision for bidirectional power transfer. The shaft mounted rotor side electronics facilitate brushless operation, and to-gether with the stator side controllers form an embedded system that does away with having to tune the plant in-situ. The control scheme is evaluated for expected perfor-mance in dierent operating modes. The thesis also discusses an optimization of the synchronous speed of the generator with respect to the turbine characteristics. This minimizes the bidirectional slip power transfer requirements of the rotor side converters and leads to the lowest rating for the auxiliary machine. The proposed generator can then operate like a conventional synchronous gen-erator in the grid connected mode with a simplified control scheme.