CAPES / A geração de energia a partir de fontes alternativas é na atualidade tema de inúmeras pesquisas e desenvolvimento no meio científico e industrial. A energia eólica destaca-se nesse cenário como uma das mais proeminentes alternativas na geração de energia elétrica, por suas inúmeras vantagens. Em trabalhos de pesquisa, a reprodução computacional e em bancada do comportamento de uma turbina eólica, incluindo simulação de grandezas mecânicas e elétricas, que afetam diretamente a conversão de energia, são ferramentas muito apropriadas para o desenvolvimento e estudo de novas tecnologias quanto ao aproveitamento do potencial eólico de uma determinada região. Este trabalho aborda estudos referentes ao processo de conversão de energia em sistemas eólicos para geração de energia elétrica, com a finalidade de se desenvolver uma ferramenta para emulação de turbina eólica em bancada experimental, utilizando software LabVIEW®. O objetivo desta ferramenta é emular o torque mecânico desenvolvido no eixo de uma turbina eólica operando em geração distribuída, a partir de uma bancada experimental constituída por motor de indução trifásico e gerador síncrono a imã permanente, sob diferentes condições de velocidade de vento. Tal ferramenta possui o objetivo de ser flexível para demais arranjos laboratoriais, ou seja, capaz de ser empregada em outras estruturas de emulação de geração eólica em tempo real. Uma modelagem do sistema eólico é apresentada, desde a turbina ao gerador elétrico, após uma ferramenta de simulação em ambiente Matlab/Simulink® é desenvolvida com finalidade de pré-validar o experimento em bancada, então é realizada a implementação de projeto em bancada. / Power generation from alternative sources is at present the subject of numerous research and development in science and industry. Wind energy stands out in this scenario as one of the most prominent alternative in the generation of electricity, by its numerous advantages. In research works, computer reproduction and experimental behavior of a wind turbine are very suitable tools for the development and study of new technologies and the use of wind potential of a given region. These tools generally are desired to include simulation of mechanical and electrical parameters that directly affect the energy conversion. This work presents the energy conversion process in wind systems for power generation, in order to develop a tool for wind turbine emulation testing experimental, using LabVIEW® software. The purpose of this tool is to emulate the torque developed in an axis wind turbine. The physical setup consists of a three phase induction motor and a permanent magnet synchronous generator, which are evaluated under different wind speed conditions. This tool has the objective to be flexible to other laboratory arrangements, and can be used in other wind power generation structures in real time. A modeling of the wind power system is presented, from the turbine to the electrical generator. A simulation tool is developed using Matlab/Simulink® with the purpose to pre-validate the experiment setup. Finally, the design is implemented in a laboratory setup.

CAPES / A difusão da geração distribuída e das microrredes, bem como a crescente expansão do uso de energias renováveis, como a eólica, trazem desafios e oportunidades relacionados à operação e controle de sistemas elétricos. Em sistemas sujeitos à operação ilhada, a capacidade de restabelecimento é fundamental para que o suprimento de energia seja retomado após a ocorrência de um desligamento. Esta tarefa pode ser de difícil execução, uma vez que desbalanços de potência significativos podem ocorrer, decorrentes da energização da rede e de variações na disponibilidade de energia primária. Neste contexto, o presente trabalho propõe a adoção de estratégias operacionais e de controle que possibilitem a execução do processo de restabelecimento em microrredes híbridas eólico-diesel com alto nível de inserção de geração eólica, sem a adoção de sistemas de armazenamento de energia. A proposta é baseada em duas malhas de controle suplementares para uma unidade eólica de conversor pleno, que habilita a unidade eólica para contribuir com a regulação de frequência durante o restabelecimento da microrrede. Os dois controladores propostos são excitados pelo erro de frequência do sistema e atuam somente quando as cargas do sistema são energizadas. Um dos controladores suplementares tem o objetivo de extrair energia cinética da turbina eólica, através da atuação na referência de velocidade da turbina nas malhas de controle do conversor do lado do gerador. O segundo controlador suplementar é projetado para extrair temporariamente energia elétrica armazenada no barramento CC da unidade eólica, por meio de um deslocamento temporário da referência de tensão do barramento CC nas malhas de controle do conversor do lado da rede. A energia extraída da turbina eólica e do barramento CC é transmitida ao sistema para mitigar o desbalanço de potência causado por um incremento de carga. Assim, as estratégias de controle propostas previnem afundamentos excessivos de frequência durante o restabelecimento de sistemas com baixa inércia. Para o projeto dos controladores propostos, uma técnica de otimização baseada em algoritmos genéticos foi utilizada. O desempenho do sistema é comparado em dois diferentes modos de operação, gerador diesel operando em modo Vf e unidade eólica operando em modo Vf. Resultados obtidos por meio de simulações não lineares no domínio do tempo demostram a efetividade das estratégias propostas. / The diffusion of distributed generation and microgrids, as well as the growing expansion of renewable energy, like wind power, bring challenges and opportunities related to the operation and control of electrical power systems. In systems exposed to islanded operation, the black start capability is fundamental to restore the energy supply after the occurrence of a blackout. The black start is usually a difficult operational event, since significant power unbalances may occur in the system. The present work proposes operational and control strategies that make possible the black start of wind-diesel microgrids with high penetration level of wind generation, without the adoption of energy storage systems. The proposed control approach is based on two supplementary control loops for a fully rated converter wind turbine, which enable the wind unit to contribute to the frequency regulation during the black start of a stand-alone system. Both the proposed controllers employ the system frequency error as input signal and act only when the system loads are energized. One of the supplementary controllers seeks to extract kinetic energy from the wind turbine, by modifying the speed reference of the wind turbine in the typical control loop of the rotor-side converter. The second supplementary controller is designed to temporarily extract electrical energy from the DC-link capacitor, by acting in the reference of the DC-link voltage in the typical control loop of the grid-side converter. The energy extracted from the wind turbine and DC-link capacitor is injected into the grid to mitigate the power unbalance caused by the load energization. Thus, the proposed control strategies prevent excessive frequency drops during the load energization of low inertia stand-alone systems in restoration procedures. The design of the proposed controllers was performed by a genetic algorithm optimization technique. The performance of the system is compared in two different operation modes, diesel generator operating in Vf control mode and wind generation unit operating in Vf control mode. Results obtained by nonlinear time domain simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control approach.

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.

A busca por novas fontes de energia e os impactos causados pelas formas tradicionais de geração elétrica têm levado a uma procura por fontes de energia mais limpas que complementem seus parques energéticos. O aumento do consumo e a crescente pressão econômica e ambiental têm justificado um planejamento mais rigoroso quanto ao uso de fontes alternativas de energia como a eólica. O Brasil apresenta um favorável cenário de recursos naturais para a instalação de usinas eólicas. No entanto, o que se observa no setor elétrico é uma tímida participação da energia eólica na matriz energética brasileira. Passados cinco anos desde a implantação do PROINFA, apenas 20% da demanda selecionada está em operação. Diversas barreiras, econômicas, ambientais e políticas são empecilhos apresentados pelos agentes do setor para justificar esta lenta caminhada. A discussão que objetiva este trabalho é apresentar e analisar as barreiras encontradas para o desenvolvimento da energia eólica no Brasil. / The search for new energy sources and the impacts caused by traditional forms of electriityc generation, have led to a demand for cleaner sources of energy that complement its energy parks. The increase in consumption, and economic increasing and the environmental pressure have justified a schedule tougher on the use of alternative energy sources such as wind. Brazil presents a favorable scenario for natural resources and the installation of wind power plants. Nevertheless, which is observed in the electric industry is a timid participation of wind energy in the Brazilian energy matrix. After five years since the deployment of PROINFA only 20% of demand is selected in operation. Several barriers, economic, environmental and political impediments are presented by the players in the industry to justify the slow walk. The discussion that objective this work is to present and analyse the barriers encountered in the development of wind energy in Brazil.

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.

Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE / This study analyzes the rising of policy of wind farms in the semiarid region of Bahia state, considering the scale perspective concerning the purpose, decision-making and repercussions of the policy. Seeks to explain how it consolidates the energy policy by the wind farms and how this establish the society and nature relationship, with a view to the enjoyment of the latter as a renewable energy source, with low-cost, focused on the local community and / or as raw material for generating added value. In the last decades, the questions about the future of the planet became increasingly evident, concerns about the environment have raised discussions about the use of natural resources sustainably. In this context the industrial and technological development required an increase in power generation demand in the world, making the use of alternative energy sources for electricity generation a prestigious way, mainly the speech of clean and renewable energies associated with the discourse of crisis environment and the necessity to promote the development sustainably. These ideas have been spreading in the world, with proposals that often only analyze the environmental issues out of social relationships, based on changing the way of life, that is, the possibility of change happens to be directed by the way of an environmental education, camouflaging the logic of the capitalist mode of production and exploitation ratio and overexploitation that it establishes with the appropriation of nature, giving it an exchange value and turning it into a commodity for profit generation. Thereby, this study refers to a qualitative research and use of the dialectical method for interpreting reality, which will address how the policy spatializes the change of the relations of production and social and how this affects the lives of the residents of the areas occupied by enterprises. It is considered that it is sustained in the ideology of sustainability that the State consolidates its current energy policy with the implementation of wind farms in Brazil, emphasizing that it is a renewable energy source, low cost, directed at the local community, retracting its real interests and Losses. / O presente estudo analisa a política de implantação de parques eólicos no semiárido do estado da Bahia, atenta para os propósitos, tomadas de decisões e rebatimentos da referida política. Busca-se explicar como se consolida a política energética pela via dos parques eólicos e como se estabelece a relação sociedade natureza, tendo em vista o usufruto desta última como fonte energética renovável, de baixo custo, voltada para a comunidade local e/ou ainda como matéria prima para geração de mais valia. Nas últimas décadas, os questionamentos sobre o futuro do planeta estão cada vez mais evidentes. As preocupações com o meio ambiente têm levantado discussões acerca do uso dos recursos naturais de forma sustentável. Dentro desse contexto, o desenvolvimento industrial e tecnológico exigiu um aumento da demanda da produção de energia no mundo, fazendo com que o uso das fontes alternativas de energia para geração de eletricidade ganhasse prestígio, fundamentalmente pelo discurso de energias limpas e renováveis associado ao discurso da crise ambiental e da necessidade de promover o desenvolvimento de forma sustentável. Essas ideias vêm se disseminando no mundo, com propostas que, muitas vezes, analisam apenas a questão ambiental fora das relações sociais, fundamentadas na mudança do modo de vida das pessoas, ou seja, a possibilidade de mudança passa a ser dirigida pelo viés de uma educação ambiental, camuflando a lógica do modo capitalista de produção e a relação de exploração e sobre-exploração que este estabelece na apropriação da natureza, concedendo a ela um valor de troca e transformando-a em mercadoria para geração de lucro. Nessa direção, o uso dos ventos para geração de energia elétrica tem ocasionado o aumento da implantação de parques eólicos por todo o mundo. Nesse caminho, o estudo em tela reporta-se a uma pesquisa qualitativa e uso do método dialético para interpretação da realidade, que tratará de como a política se espacializa, altera as relações de produção e sociais e repercute na vida dos moradores das áreas ocupadas pelos empreendimentos. Considera-se que é sustentado na ideologia da sustentabilidade que o Estado consolida sua atual política energética com a implantação de parques eólicos no Brasil, enfatizando ser ela uma fonte energética renovável, de baixo custo, voltada para a comunidade local, escamoteando seus reais interesses e prejuízos.

Due to the uncertainties and unforeseen variations of wind conditions, the intermittent nature of wind power generation implies a new challenge for the national electric sector agents especially to the Electricity Regulatory Agencies in view of proliferation and major investments planned for the current decade, in Brazil. For wind systems in operation, it is required prior knowledge of energy generation designed for a short term of up to one week. A good prediction of short term production from a wind farm enables the definition of operational conditions borderline, which will provide subsidies for their integration into the power grid and giving mainly information to the National System Operator - NSO. The forecasting process applied in this work is a statistical approach involving five steps: the first one refers to the daily data collection of real wind speed; secondly is made a refinement of statistical data, decomposing the series of wind speed in two components (an approximation component and a set of detail components to optimize the accuracy of short term forecasts); then, in these time series, it is applied the statistical model ARIMA (Box and Jenkins) and adaptations, considering the short term wind speed prediction; after that, taking into consideration the power curves of the generators, it is defined the energy production forecast. Finally, a statistical analysis is made of the predictions performed, aiming to assess the quality of the projections of the implemented model / A natureza intermitente da produção de energia eólica, devido às incertezas e variações imprevistas das condições de vento, implica num novo desafio para os agentes do setor elétrico nacional especialmente para as agências regulatórias, tendo em vista a proliferação e os grandes investimentos previstos nessa modalidade de produção de energia elétrica no Brasil para a década em curso. Para os sistemas eólicos em operação, é necessário o conhecimento prévio da geração de energia prevista para o curto prazo, horizonte máximo de uma semana. Uma boa previsão de curto prazo da produção de energia de uma usina eólica permite a definição de suas condições operacionais limítrofes, fornecendo subsídios para sua integração ao sistema elétrico e outorgando principalmente informações ao Operador Nacional do Sistema - ONS. O processo de previsão aplicado no presente trabalho é uma abordagem estatística envolvendo cinco etapas: a primeira refere-se à coleta diária de dados reais da velocidade dos ventos, atualizando-se um banco de dados; em segundo lugar, é efetuado um refinamento estatístico desses dados, decompondo-se a série de velocidade do vento em duas componentes: uma componente de aproximação e outra componente de detalhe, a fim de otimizar a precisão das previsões de curto prazo; terceiro: nessas séries temporais são aplicados o modelo estatístico ARIMA (Box and Jenkins) e adaptações, sendo efetuadas as previsões das velocidades de vento no horizonte de curto-prazo; em quarto lugar, considerando-se as curvas de potência dos geradores, são realizadas as previsões da geração de energia; em quinto lugar, finalizando o processo, uma análise estatística das previsões realizadas é efetuada, objetivando aferir a qualidade das projeções do modelo implementado

Wind power is an established mean of clean energy production and the modern horizontal axis wind turbine has become a common sight. The need for maintenance is high and future wind turbines may need to be improved to enable more remote and offshore locations. Vertical axis wind turbines have possible benefits, such as higher reliability, less noise and lower centre of gravity. This thesis focuses on electromechanical interaction in the straight bladed Darrieus rotor (H-rotor) concept studied at Uppsala University. One of the challenges with vertical axis technology is the oscillating aerodynamic forces. A force measurement setup has been implemented to capture the forces on a three-bladed 12 kW open site prototype. The normal force showed good agreement with simulations. An aerodynamic torque could be estimated from the system. The total electrical torque in the generator was determined from electrical measurements. Both torque estimations lacked the expected aerodynamic ripple at three times per revolution. The even torque detected is an important result and more studies are required to confirm and understand it. The force measurement was also used to study the loads on the turbine in parked conditions. It was discovered that there is a strong dependence on wind direction and that there is a positive torque on the turbine at stand still. The results can assist to determine the best parking strategies for an H-rotor turbine. The studied concept also features diode rectification of the voltage from the permanent magnet synchronous generator. Diodes are considered a cheap and robust solution for rectification at the drawback of inducing ripple in the torque and output voltage. The propagation of the torque ripple was measured on the prototype and studied with simulations and analytical expressions. One key conclusion was that the mechanical driveline of the turbine is an effective filter of the diode induced torque ripple. A critical speed controller was implemented on the prototype. The controller was based on optimal torque control and according to the experiments and the simulations it was able to avoid a rotational speed span. Finally, the optimal torque control was evaluated for multiple turbines with diode rectification to a common DC-link. The setup can potentially reduce the overall complexity of wind farms. The simulations suggest that stability of the system can be obtained by controlling the DC-link load as a semi constant voltage. The thesis is based on nine papers of which six are treated in the thesis summary.

Ireland is facing a great challenge in meeting renewable energy requirements, where due to past circumstances and decisions, the nation state is now heavily dependent on imported fossil fuels. Given the contribution of these imported fossil fuels to global climate change, price instability and supply insecurity, Ireland is under a pressing need to face up to the dilemma of an unsustainably fueled economy. This thesis explores how the EU policy process is helping Ireland to achieve the goals it has set with the EU and how these are being incorporated into the drivers of wind power development in Ireland. This research sought to uncover the dynamic of this relationship - the goodness of fit - through an assessment of three mechanisms of change, namely: Discourses, Directives and Finances, which were drawn on from the theoretical approach of Europeanisation. By doing a combined assessment of these three channels and their influence, this thesis provides a greater understanding of the ways in which the development of wind power in Ireland is influenced by the EU level. The thesis finishes with a concluding discussion on the importance of the national level in this process, as well as the importance of social and community engagement, which despite being previously seen as important, has to date largely manifested as a tokenistic gesture in Ireland. This thesis reasserts it as a common and crucial thread of the renewable energy transition that continuously arose as being pre-eminent during this study.

Abstract<p><p>This thesis deals with the operation of and winding short-circuit fault detection in a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) based Wind Turbine Generator System (WTGS). Both the faulted and faultless condition of operation has been studied, where the focus is on the electrical part of the system. The modelled electrical system is first simulated and the developed control system is then validated on a test bench. The test-bench component dimensioning is also discussed.<p><p>The faultless condition deals with the start-up and power production mode of operation. Control design based on the Proportional Integral (PI) control technique has been compared for power and torque control strategies against the Linear Quadratic Gaussian (LQG) control technique, at different operating points through the variable-speed region of WTGS operation following the maximum power curve of the system. It was found that the torque control strategy offered less degradation in performance for both the control techniques at operating points different for the one for which the control system was tuned. The start-up procedure of the DFIG based WTGS has been clarified and simplified. The phase difference between the stator and the grid voltage, which occurs due to the arbitrary rotor position when the rotor current control is activated, is minimized by using a sample-and-hold technique which eliminates the requirement of designing an additional controller. This method has been validated both in simulation and experiments.<p><p>The faulted condition of operation deals with the turn-turn short-circuit fault in the phase winding of the generator. The model of the generator, implemented using the winding-function approach, allows the fault to be created online both in a stator and a rotor phase. It has been demonstrated that the magnitude of the current harmonics, used extensively in literature for the Machine Current Signature Analysis (MCSA) technique for winding short-circuit fault detection, is very different when the location of the fault is changed to another coil within the phase winding. This makes the decision on the threshold selection for alarm generation difficult. Furthermore, the control system attenuates the current harmonics by an order of magnitude. This attenuation property is also demonstrated through experiments. The attention is then shifted to the negative-sequence current component, resulting from the winding unbalance, as a possible fault residual. Its suitability is tested in the presence of noise for scenarios with different fault locations, fault severity in terms of the number of shorted-turns and grid voltage unbalance. It is found that due to the presence of a control system the magnitude of the negative-sequence current, resulting from the fault, remains almost the same for all fault locations and fault severity. Thus, it was deemed more suitable as a fault residual. In order to obtain a fast detection method, the Cumulative Sum (CUSUM) algorithm was used. The test function is compared against a threshold, determined on the basis of expected residual magnitude and the time selected for detection, to generate an alarm. The validation is carried out with noise characteristics different from the ones used during the design and it is shown that the voltage unbalance alone is not able to trigger a false alarm. In all the scenarios considered, the detection was achieved within 40 ms despite the presence of measurement filters. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished