Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andre da Silva Correa.pdf: 3150015 bytes, checksum: 8df17c41e03f4cea1d464cb6c5d5b970 (MD5) Previous issue date: 2015-02-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Given the increased contribution of wind farms under complementarity the generating units of electricity derived from petroleum, thermoelectric or hydroelectric energy matrix constituents of countries around the world, this dissertation investigates the advantages and disadvantages between the two main topologies currently used by rogue wind generation. Comparisons between the Doubly Fed Induction Generator and Permanent Magnet Generator are developed in order to establish the different dynamic behavior of each type of wind unit. The constituent parts of wind turbines are studied, performed the modeling and usual control methods are discussed. The simulations were performed in a computer program Matlab / Simulink® whose control models were developed according to the literature, as well as the respective block diagrams for each model. / Diante do crescimento da contribuição dos parques eólicos em regime de complementaridade às unidades geradoras de energia elétrica derivadas de petróleo, termoelétricas ou hidroelétricas constituintes da matriz energética de países espalhados pelo mundo, a presente dissertação de mestrado investiga as vantagens e desvantagens entre as duas principais topologias utilizadas atualmente para geração eólica. São estabelecidas comparações entre o Gerador de Indução Duplamente Alimentado e o Gerador de Ímãs Permanentes, a fim de se estabelecer os diferentes comportamentos dinâmicos de cada tipo de unidade eólica. São estudadas as partes constituintes de aerogeradores, realizadas as modelagens e discutidos os métodos de controle usuais. As simulações foram realizadas em programa computacional Matlab/Simulink®, cujos modelos de controle foram desenvolvidos de acordo com a literatura, assim como os respectivos diagramas de bloco para cada modelo.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-04-08T23:04:24Z No. of bitstreams: 1 PauloVitorSilva_TESE.pdf: 16564605 bytes, checksum: d1310555faa2a858e9c72cbd78a64731 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-04-11T22:58:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 PauloVitorSilva_TESE.pdf: 16564605 bytes, checksum: d1310555faa2a858e9c72cbd78a64731 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-11T22:58:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PauloVitorSilva_TESE.pdf: 16564605 bytes, checksum: d1310555faa2a858e9c72cbd78a64731 (MD5) Previous issue date: 2015-05-11 / A necessidade constante de novas fontes de energias renov?veis vem promovendo cada vez mais o aumento de investimentos nessa ?rea. Dentre essas fontes, a energia e?lica vem tomando grande destaque. Torna-se importante promover a busca pelo aprimoramento das tecnologias envolvidas nas topologias de aerogeradores, buscando alternativas que aumentem o rendimento obtido, apesar da irregularidade da velocidade do vento. Este trabalho apresenta um novo sistema para controle de velocidade, aqui aplicado em aerogeradores, o Regulador Eletromagn?tico de Frequ?ncia (REF). Um dos dispositivos mais utilizados em algumas topologias s?o as caixas de engrenagens mec?nicas que, al?m de uma vida ?til curta, representam frequentemente, fontes de ru?do e defeitos. O REF dispensa essas caixas de transmiss?o, representando um avan?o tecnol?gico, utilizando para isso uma m?quina de indu??o adaptada, na qual o estator passa a ser m?vel, solid?rio ao eixo da turbina. Na topologia utilizada neste trabalho, o REF tamb?m permite dispensar o uso de conversores eletr?nicos para estabelecer o acoplamento entre o gerador e a rede el?trica, raz?o pela qual tamb?m proporciona a possibilidade de obten??o de gera??o em corrente alternada, com tens?o e frequ?ncia constantes, onde n?o exista a rede el?trica. Respons?vel pelo controle da velocidade mec?nica do gerador, o REF pode ser ?til em outros sistemas de transmiss?o onde o controle de velocidade mec?nica de sa?da seja o objetivo. Al?m disso, por operar atrav?s da combina??o de duas entradas, uma mec?nica e outra el?trica, o REF multiplica as possibilidades de aplica??es por ser apto ao acoplamento sin?rgico entre energias de matrizes diferentes, e, por tais motivos, possibilita que as diversas fontes de energia envolvidas sejam desacopladas da rede, sendo o gerador s?ncrono o respons?vel pela conex?o do sistema com a rede el?trica, simplificando as estrat?gias de controle quanto ? pot?ncia injetada na mesma. Resultados de simula??o e experimentais s?o apresentados no decorrer do trabalho, voltados a um aerogerador, validando a proposta em rela??o a efici?ncia no controle de velocidade do sistema para diferentes condi??es de vento. / The constant necessity for new sources of renewable energy is increasingly promoting the increase of investments in this area. Among other sources, the wind power has been becoming prominent. It is important to promote the search for the improvement of the technologies involved in the topologies of the wind turbines, seeking for alternatives which enhance the gotten performance, despite the irregularity of the wind speed. This study presents a new system for speed control, in this case applied to the wind turbines - the Electromagnetic Frequency Regulator (EFR). One of the most used devices in some topologies is the mechanical gearboxes which, along with a short service life, often represent sources of noise and defects. The EFR does not need these transmission boxes, representing a technological advancement, using for that an adapted induction machine, in which the stator becomes mobile, supportive to the axis of the turbine. In the topology used in this study, the EFR also allows us to leave out the usage of the eletronic converters to establish the coupling between the generator and the electrical grid. It also the reason why it provides the possibility of obtaining the generation in alternating current, with constant voltage and frequency, where there is no electrical grid. Responsable for the mechanical speed control of the generator, the EFR can be useful in other transmission systems in which the mechanical speed control output is the objective. In addition, the EFR operates through the combination of two inputs, a mechanical and other electrical. It multiplies the possibilities of application because it is able to synergistic coupling between different arrays of energy, and, for such reasons, it enables the various sources of energy involved to be uncoupled from the network, being the synchronous generator responsible for the system connection with the electrical grid, simplifying the control strategies on the power injected in it. Experimental and simulation results are presented through this study, about a wind turbine, validating the proposal related to the efficience in the speed control of the system for different wind conditions.

Este trabalho apresenta uma avaliação do impacto do avanço tecnológico no potencial eólico do Rio Grande do Sul, a partir da evolução verificada nos aerogeradores desde o ano de 2002, data da publicação do atual Atlas Eólico do estado. Para tal, é exposto um panorama da energia eólica no Brasil e no mundo, assim como as características das circulações globais de massas de ar e os fenômenos que dão origem aos principais deslocamentos sobre o estado, bem como o comportamento do vento dentro da camada limite atmosférica. Para embasar o desenvolvimento desse trabalho são apresentadas as principais evoluções tecnológicas verificadas no período e como elas contribuíram para o aumento da competitividade da fonte, bem como as tendências para as futuras gerações de aerogeradores. Para realizar a estimativa do novo potencial eólico do estado desenvolveu-se uma ferramenta que converte a imagem dos mapas publicados no Atlas Eólico em uma matriz de valores, o que é realizado comparando a cor de cada pixel dos mapas às respectivas legendas. Tratando-se matematicamente os dados obtidos dos mapas de velocidade média de vento, fator de forma k e densidade do ar é possível calcular o potencial energético de cada um dos pontos dessa matriz de dados. Este potencial é obtido a partir da integração das curvas de potência, corrigidas para cada densidade do ar, com as distribuições de probabilidade de Weibull, calculadas a partir da velocidade média de vento e fator de forma de cada local do estado. De modo a validar o procedimento de cálculo utilizado, os resultados da integração, com o emprego da mesma curva de potência utilizada no Atlas Eólico, são comparados com os dados energéticos publicados no documento. Ao considerar aerogeradores mais modernos, com base na mesma metodologia de cálculo, o potencial eólico estimado para o Rio Grande do Sul, para localidades com ventos a partir de 7 m/s de média anual, aumentou em 65% sua capacidade de geração na altura de 75 m, alcançando um total de 219,26 TWh/ano. Nas mesmas condições, na altura de 100 m, o aumento foi de 61%, obtendo-se um potencial energético de 398,53 TWh/ano. Para ambas alturas citadas não há alteração significativa na potência instalável, estimada em 54,33 MW e 119,00 MW, respectivamente. A partir do banco de dados criado foi possível projetar, com base na lei logarítmica, a distribuição de vento nas alturas de 125 m e 150 m, anteriormente não apresentados no Atlas do estado. Nessas alturas o potencial teórico estimado foi de 761,94 TWh/ano e 872,30 TWh/ano, a partir de uma potência instalável de 211,31 MW e 270,25 MW, respectivamente. / This paper intends to evaluate the impact of the technological advances on the wind power potential of the state of Rio Grande do Sul, based on the developments in wind turbines since 2002, year of publication of the current Wind Atlas. It is exposed an overview of the wind energy in Brazil and in the World , as well as the characteristics of the wind global circulation and the phenomena that give rise to the main wind displacements on the state area and the behavior of the wind within the atmospheric boundary layer. To support the development of this work, the main technological developments in the period and how they contributed to improve the competitiveness of this source are presented, as well as the trends for future wind turbines generations. In order to estimate a new wind potential for the state of Rio Grande do Sul, a program that compares the colors of each pixel on the maps published in the Wind Atlas with their captions, generating a matrix of data was developed. With the data obtained from the maps of the average wind speed, factor k and air density, it is possible to calculate the energy potential at each point of the matrix. This potential is obtained from the integration of power curves, corrected for each air density, using the Weibull probability distributions, calculated from the mean wind speed and form factor at each local of the state area. In order to validate the procedure, the results of the integration, applying the same power curve used in the Wind Atlas, are compared with the amount of energy published on the document. Making use of the modern wind turbines, based on the same calculation methodology, the wind energy potential of the Rio Grande do Sul, considering only sites with annual wind average speed higher than 7 m/s, increased its generation capacity at the height of 75 m by 65 %, reaching a total of 219.26 TWh/year. Under the same conditions, at the height of 100 m, the increase was 61 %, yielding an energy potential of 398.53 TWh/year. For both heights, there are not significant changes in the installable potential, estimated at 54.33 MW and 119.00 MW, respectively. From the database created it was possible to estimate, based on the logarithmic law, the distribution of the wind at heights of 125 m and 150 m, not previously presented in the Atlas of the state. At such heights, the estimated theorical potential is 761.94 TWh/year and 872.30 TWh/year, with an installed capacity of 211.31 MW and 270.25 MW, respectively.

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.

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.

Este trabalho apresenta uma avaliação do impacto do avanço tecnológico no potencial eólico do Rio Grande do Sul, a partir da evolução verificada nos aerogeradores desde o ano de 2002, data da publicação do atual Atlas Eólico do estado. Para tal, é exposto um panorama da energia eólica no Brasil e no mundo, assim como as características das circulações globais de massas de ar e os fenômenos que dão origem aos principais deslocamentos sobre o estado, bem como o comportamento do vento dentro da camada limite atmosférica. Para embasar o desenvolvimento desse trabalho são apresentadas as principais evoluções tecnológicas verificadas no período e como elas contribuíram para o aumento da competitividade da fonte, bem como as tendências para as futuras gerações de aerogeradores. Para realizar a estimativa do novo potencial eólico do estado desenvolveu-se uma ferramenta que converte a imagem dos mapas publicados no Atlas Eólico em uma matriz de valores, o que é realizado comparando a cor de cada pixel dos mapas às respectivas legendas. Tratando-se matematicamente os dados obtidos dos mapas de velocidade média de vento, fator de forma k e densidade do ar é possível calcular o potencial energético de cada um dos pontos dessa matriz de dados. Este potencial é obtido a partir da integração das curvas de potência, corrigidas para cada densidade do ar, com as distribuições de probabilidade de Weibull, calculadas a partir da velocidade média de vento e fator de forma de cada local do estado. De modo a validar o procedimento de cálculo utilizado, os resultados da integração, com o emprego da mesma curva de potência utilizada no Atlas Eólico, são comparados com os dados energéticos publicados no documento. Ao considerar aerogeradores mais modernos, com base na mesma metodologia de cálculo, o potencial eólico estimado para o Rio Grande do Sul, para localidades com ventos a partir de 7 m/s de média anual, aumentou em 65% sua capacidade de geração na altura de 75 m, alcançando um total de 219,26 TWh/ano. Nas mesmas condições, na altura de 100 m, o aumento foi de 61%, obtendo-se um potencial energético de 398,53 TWh/ano. Para ambas alturas citadas não há alteração significativa na potência instalável, estimada em 54,33 MW e 119,00 MW, respectivamente. A partir do banco de dados criado foi possível projetar, com base na lei logarítmica, a distribuição de vento nas alturas de 125 m e 150 m, anteriormente não apresentados no Atlas do estado. Nessas alturas o potencial teórico estimado foi de 761,94 TWh/ano e 872,30 TWh/ano, a partir de uma potência instalável de 211,31 MW e 270,25 MW, respectivamente. / This paper intends to evaluate the impact of the technological advances on the wind power potential of the state of Rio Grande do Sul, based on the developments in wind turbines since 2002, year of publication of the current Wind Atlas. It is exposed an overview of the wind energy in Brazil and in the World , as well as the characteristics of the wind global circulation and the phenomena that give rise to the main wind displacements on the state area and the behavior of the wind within the atmospheric boundary layer. To support the development of this work, the main technological developments in the period and how they contributed to improve the competitiveness of this source are presented, as well as the trends for future wind turbines generations. In order to estimate a new wind potential for the state of Rio Grande do Sul, a program that compares the colors of each pixel on the maps published in the Wind Atlas with their captions, generating a matrix of data was developed. With the data obtained from the maps of the average wind speed, factor k and air density, it is possible to calculate the energy potential at each point of the matrix. This potential is obtained from the integration of power curves, corrected for each air density, using the Weibull probability distributions, calculated from the mean wind speed and form factor at each local of the state area. In order to validate the procedure, the results of the integration, applying the same power curve used in the Wind Atlas, are compared with the amount of energy published on the document. Making use of the modern wind turbines, based on the same calculation methodology, the wind energy potential of the Rio Grande do Sul, considering only sites with annual wind average speed higher than 7 m/s, increased its generation capacity at the height of 75 m by 65 %, reaching a total of 219.26 TWh/year. Under the same conditions, at the height of 100 m, the increase was 61 %, yielding an energy potential of 398.53 TWh/year. For both heights, there are not significant changes in the installable potential, estimated at 54.33 MW and 119.00 MW, respectively. From the database created it was possible to estimate, based on the logarithmic law, the distribution of the wind at heights of 125 m and 150 m, not previously presented in the Atlas of the state. At such heights, the estimated theorical potential is 761.94 TWh/year and 872.30 TWh/year, with an installed capacity of 211.31 MW and 270.25 MW, respectively.

Diante da crescente penetração da energia elétrica gerada por unidades eólicas no sistema elétrico de inúmeros países, a presente dissertação de mestrado investiga os problemas de estabilidade transitória, para geradores síncronos, de estabilidade de tensão, para geradores síncronos e aerogeradores e de estabilidade de velocidade, para aerogeradores, em sistemas de transmissão de energia elétrica, frente a grandes perturbações. São estabelecidas comparações entre os diferentes comportamentos dinâmicos de cada tipo de unidade eólica, referentes aos tipos A, B, C e D. Também, são verificados os efeitos de contingências aplicadas a sistemas teste, na presença de sistemas de geração convencionais dotados de geradores síncronos e parques eólicos compostos pelos tipos de unidades eólicas citadas, a fim de verificar a relação entre os diferentes sistemas de geração. As simulações realizadas contemplam aspectos dinâmicos de modelos genéricos de aerogeradores. São estudadas as partes constituintes de aerogeradores, realizadas as modelagens e discutidos os métodos de controle usuais. As principais características dos modelos genéricos de unidades eólicas, assim como os respectivos diagramas de bloco para cada modelo são apresentados. As simulações são realizadas no programa computacional PSS/E, cujos modelos, já validados, representam aerogeradores reais de fabricantes distintos. É observado que as diferentes características dos modelos de unidades eólicas e as estratégias de controle empregadas para atenuar os efeitos negativos de contingências impostas ao sistema, influenciam significativamente o perfil da tensão e o fluxo de potência na rede elétrica. Este fato é refletido em diferentes respostas dos sistemas de geração. As unidades eólicas mostram-se resistentes à perderem a estabilidade e apresentam-se capazes de estabilizar um sistema elétrico de potência, devido aos mecanismos de controle de velocidade e potência dos mesmos. A violação da curva LVRT mostra-se a principal causa da desconexão de aerogeradores da rede elétrica. Verifica-se neste trabalho que os aerogeradores somente tornam-se instáveis quando os geradores síncronos perdem o sincronismo, ou quando o controle do torque aerodinâmico é desconsiderado. / Considering the growing penetration of electrical energy generated by wind turbines in the power system of numerous countries, the present masters dissertation investigates the problems of transient stability, for synchronous generators, voltage stability, for synchronous generators and aerogenerators, and velocity stability, for aerogenerators, in transmission systems, before large disturbances. Comparisons are made between the different dynamic behaviors of each type of wind energy conversion system, namely types A, B, C and D. The effects of contingencies in some test systems in the presence of wind farms with different types of aerogenerators and conventional synchronous generators are verified, whose aim of the simulations is to analyze the relation between the different generation systems. The simulations performed contemplate dynamic aspects of generic models of wind turbines. The components of wind turbines are studied, the modeling of these components is elaborated and the usual control methods are discussed. The main characteristics of generic wind models and the diagram blocks are presented. The simulations were performed in software PSS/E, whose models already validated, represent real machines. The different characteristics of aerogenerator models and the control strategies employed to mitigate the negative consequences, from several contingencies, significantly influence the voltage profile and the power flow network. This fact implies in different responses of generation systems. It is verified that wind generators are very robust to perturbations and contribute to the stabilization of synchronous generators in a power system, increasing the average critical clearing times. Unstable modes related to the acceleration of the wind generator rotor are hardly ever observed due to the existing mechanisms of control of speed and generated power. It is observed that violation of the LVRT curve is the main cause of disconnection of wind turbines from the grid and it consists of the main cause of power system collapse triggered by problems in this type of generators.

Made available in DSpace on 2017-07-10T16:41:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissert Milton Ernesto Barrios Aguilar 3.pdf: 9539969 bytes, checksum: 3ccd249e45fb24533b33236925ee74dc (MD5) Previous issue date: 2016-08-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The increase in wind power integration into power systems is currently a general trend in many countries and the Variable-Speed Wind Turbine (VSWT) Equipped with a Doubly Fed Induction Generator System with back-to-back power converters are most often used for this purpose. There is the need for its control system to operate properly to ensure stability and to achieve the desired performance when they are subjected to different transient disturbances, which is a difficult taste due to nonlinearities and strong coupling between electrical and mechanical variables in this type of wind turbine. In this context, this work aims to tune the gains of the PI controllers that make up the control system using a collective intelligence meta-heuristic algorithm for two normal perturbations in the operation of a wind farm: a wind variation and electrical fault. For that, it was modeled the wind turbine taking advantage of detailed modeling, considering the stator voltage oriented control structure, with active and reactive power control loops and their respective current controls, all equipped with PI controllers. Therefore, a set of objective functions was generated penalizing the most important variables directly from the dynamic simulation. Next, a multi-objective PSO algorithm has been enhanced, to be used as a tuning tool. Then the algorithm was applied to the VSWT for Single-machine infinite bus system for wind speed variation and electrical fault. Finally, the robustness of the tunings was tested on the in Single-machine infinite bus system and a 32 nodes feeder. The PSO showed good ability to exploitation and intensification of the search space reaching the preset tuning requirements in all cases. Stability and satisfactory performance results were obtained for transient disturbances thanks to key variables penalty in the objective functions. The tuning resulted robust enough for variations of feeder parameters and operating conditions besides the proper stiffness coefficient of the turbine generator mechanical coupling, whenever the wind turbine was subjected to disturbances considered in the tuning. It is also noted that exploring the objective functions and the algorithm itself can attain a large improvement in the performance of the tuned wind turbine control system for wind variations and electrical faults / O aumento da integração da geração eólica em sistemas elétricos de potência é atualmente uma tendência generalizada em muitos países e os Aerogeradores de Velocidade Variáveis (AVV) com Geradores de Indução de Dupla Alimentação (DFIG) com conversores de potência de tipo back-to-back são os mais empregados para este fim. Existe a necessidade de que seu sistema de controle atue corretamente para garantir a estabilidade e obter o desempenho desejado quando estes são submetidos a diferentes perturbações transitórias, o que resulta difícil devido às não-linearidades e à forte relação entre as grandezas elétricas e mecânicas deste tipo de aerogerador. Neste contexto, esta dissertação tem como objetivo a sintonia dos ganhos dos controladores PI que compõem o sistema de controle, utilizando um algoritmo meta-heurístico de inteligência coletiva, para duas perturbações normais na operação de uma usina eólica: variação de vento e falta elétrica. Para isso, foi modelado o DFIG aproveitando modelos detalhados, considerando a estrutura de controle orientada pela tensão do estator, com malhas de controle de potência ativa e reativa e seus respetivos controles de correntes, todas equipadas com controladores tipo PI. Logo foi gerado um conjunto de funções objetivos, penalizando diretamente das simulação dinâmica as variáveis de maior importância. A seguir, foi aprimorado um algoritmo PSO multi-objetivo, o qual é utilizado como ferramenta de sintonia. Em seguida, o algoritmo foi aplicado ao DFIG na configuração máquina barra-infinita para variação de vento e falta elétrica. Finalmente foi testada a robustez das sintonias obtidas no sistema de máquina barra-infinita e em um alimentador de 32 nós. O PSO apresentou uma boa capacidade de exploração e intensificação do espaço de busca alcançando os requisitos de sintonia preestabelecidos em todos os casos. Os resultados de estabilidade e desempenhos foram satisfatórios para as perturbações transitórias utilizadas graças à penalização de variáveis chaves nas funções objetivos. A sintonia resultou suficientemente robusta para variações de parâmetros do alimentador e de condições operativas, além do próprio coeficiente de rigidez do acoplamento mecânico turbina-gerador, sempre que a usina esteja submetida a perturbações consideradas na sintonia. Observa-se também que explorando as funções objetivo e o próprio algoritmo pode-se atingir uma ampla melhoria no desempenho do sistema de controle do DFIG sintonizado para as variações de vento e faltas elétricas. Palavras-chave: Geração Eólica, Aerogeradores

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARCOS GUILHERME ZANCHETTIN.pdf: 1368217 bytes, checksum: 2ad7e15a270a9abefc8d6f85f3ba01e0 (MD5) Previous issue date: 2012-04-25 / The wind generation has stood out among the alternative sources and has experienced a high rate of penetration through the years. Thus, the electrical connection of wind power generation must be analyzed in detail to avoid or minimize the problems inherent this type of source can cause in electric power systems (SEP) and thereby preserve the voltage quality indicators and reliability. This paper deal about the integration of wind farms in SEP, equipped with squirrel-cage induction generator based fixed speed wind turbines (AVV-SCIG) and doublyfed induction generator based variable speed wind turbines (AVV-DFIG). The limits of integration of wind energy generation, i.e., the amount of power that the wind farm can provide the point-of-common-connection (PCC) while complying with certain interconnections requirements, are obtained considering static and transient aspects of the connection of wind farms. The topology adopted to represent, in a simplified way, the local characteristics of the connection between the wind farm and the SEP, as well as characterize the integration of wind generation from the parameters of the PCC, is the single machine infinite-bus system (MBI). Throughout the text also are presents the models used to represent the wind turbine and wind farm in studies of power systems, the main criteria specified to connection of this type of source in SEP and the main issues dealing with the problem of integration of generation wind. The analyzes aim to assess how the wind energy generation is impacted by technical criteria that consider static and transient aspects of the connection of wind farms, the technology used in energy conversion, the control strategy/operation and the characteristics of PCC. The results obtained allow to define which the stricts conditions for the integration of wind energy generation. For these analyzes are considered the criteria of the maximum allowable voltage variation at the connection point of the wind farm, the power range for the maximum transferable power to the electrical system and the fault ride through capability. / A geração eólica vem se destacando entre as fontes alternativas e tem experimentado um elevado índice de pene- tração ao longo dos anos. Assim, a conexão elétrica de parques eólicos precisa ser analisada detalhadamente a fim de evitar ou minimizar os efeitos que os problemas inerentes desse tipo de fonte, geração eólica, podem causar em sistemas elétrico de potência (SEP) e com isso preservar os indicadores de qualidade de tensão e confiabilidade. Este trabalho trata da integração de centrais eólicas em SEP, equipadas com aerogeradores de velocidade fixa com gerador de indução de rotor em gaiola (AVF-SCIG) e aerogeradores de velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado (AVV-DFIG). Os limites de inserção de geração eólica, i.e., a quantidade de potência que o parque eólico pode fornecer ao ponto comum de conexão (PCC) tendo que atender certos critérios da integração, são obtidos considerando aspectos estáticos e transitórios da conexão de centrais eólicas. A topologia adotada para representar, de maneira simplificada, as características locais de conexão entre o parque eólico e o SEP, assim como caracterizar a inserção de geração eólica a partir dos parâmetros do PCC, é o modelo máquina barra-infinita (MBI). Ao longo do texto também são apresentados os modelos empregados para representar tanto o aerogerador quanto o parque eólico em estudos de sistemas de potência, os principais critérios especificados para a conexão desse tipo de fonte em SEP e as principais questões que tratam do problema de inserção de geração eólica. As análises têm por objetivo avaliar como a inserção de geração eólica é impactada por critérios técnicos que consideram aspectos estáticos e transitórios da conexão de centrais eólicas, pela tecnologia empregada na conversão de energia, pela estratégia de controle/operação e pelas características do PCC. Os resultados obtidos permitem definir quais as condições mais severas à inserção de geração eólica. Para estas análises são considerados os critérios da máxima variação de tensão admissível no ponto de conexão da central eólica, a margem de potência relativamente à máxima potência transferível ao sistema elétrico e a capacidade de sustentação durante faltas.

Diante da crescente penetração da energia elétrica gerada por unidades eólicas no sistema elétrico de inúmeros países, a presente dissertação de mestrado investiga os problemas de estabilidade transitória, para geradores síncronos, de estabilidade de tensão, para geradores síncronos e aerogeradores e de estabilidade de velocidade, para aerogeradores, em sistemas de transmissão de energia elétrica, frente a grandes perturbações. São estabelecidas comparações entre os diferentes comportamentos dinâmicos de cada tipo de unidade eólica, referentes aos tipos A, B, C e D. Também, são verificados os efeitos de contingências aplicadas a sistemas teste, na presença de sistemas de geração convencionais dotados de geradores síncronos e parques eólicos compostos pelos tipos de unidades eólicas citadas, a fim de verificar a relação entre os diferentes sistemas de geração. As simulações realizadas contemplam aspectos dinâmicos de modelos genéricos de aerogeradores. São estudadas as partes constituintes de aerogeradores, realizadas as modelagens e discutidos os métodos de controle usuais. As principais características dos modelos genéricos de unidades eólicas, assim como os respectivos diagramas de bloco para cada modelo são apresentados. As simulações são realizadas no programa computacional PSS/E, cujos modelos, já validados, representam aerogeradores reais de fabricantes distintos. É observado que as diferentes características dos modelos de unidades eólicas e as estratégias de controle empregadas para atenuar os efeitos negativos de contingências impostas ao sistema, influenciam significativamente o perfil da tensão e o fluxo de potência na rede elétrica. Este fato é refletido em diferentes respostas dos sistemas de geração. As unidades eólicas mostram-se resistentes à perderem a estabilidade e apresentam-se capazes de estabilizar um sistema elétrico de potência, devido aos mecanismos de controle de velocidade e potência dos mesmos. A violação da curva LVRT mostra-se a principal causa da desconexão de aerogeradores da rede elétrica. Verifica-se neste trabalho que os aerogeradores somente tornam-se instáveis quando os geradores síncronos perdem o sincronismo, ou quando o controle do torque aerodinâmico é desconsiderado. / Considering the growing penetration of electrical energy generated by wind turbines in the power system of numerous countries, the present masters dissertation investigates the problems of transient stability, for synchronous generators, voltage stability, for synchronous generators and aerogenerators, and velocity stability, for aerogenerators, in transmission systems, before large disturbances. Comparisons are made between the different dynamic behaviors of each type of wind energy conversion system, namely types A, B, C and D. The effects of contingencies in some test systems in the presence of wind farms with different types of aerogenerators and conventional synchronous generators are verified, whose aim of the simulations is to analyze the relation between the different generation systems. The simulations performed contemplate dynamic aspects of generic models of wind turbines. The components of wind turbines are studied, the modeling of these components is elaborated and the usual control methods are discussed. The main characteristics of generic wind models and the diagram blocks are presented. The simulations were performed in software PSS/E, whose models already validated, represent real machines. The different characteristics of aerogenerator models and the control strategies employed to mitigate the negative consequences, from several contingencies, significantly influence the voltage profile and the power flow network. This fact implies in different responses of generation systems. It is verified that wind generators are very robust to perturbations and contribute to the stabilization of synchronous generators in a power system, increasing the average critical clearing times. Unstable modes related to the acceleration of the wind generator rotor are hardly ever observed due to the existing mechanisms of control of speed and generated power. It is observed that violation of the LVRT curve is the main cause of disconnection of wind turbines from the grid and it consists of the main cause of power system collapse triggered by problems in this type of generators.