Como se conoce, en los últimos años el consumo de energía ha ido en aumento debido al incremento poblacional y la dependencia creciente a la energía eléctrica. Esta situación ha ocasionado un aumento en la utilización de fuentes de energía no convencionales y renovables, como la energía solar y la energía eólica. Estos tipos de energía renovable no contaminan el medio ambiente en su generación. El tema de investigación busca obtener la máxima prestación de una turbina eólica utilizando una estructura de control basado en redes neuro-difusas. A fin de lograr este objetivo, primero se obtiene el modelo matemático de una turbina eólica de eje horizontal de tres palas de velocidad variable con generador de inducción doblemente alimentado, así como los modelos que representan la dinámica del proceso. Luego, se realiza el diseño de los controladores basados en redes neurodifusas, y otro controlador basado en linealización por realimentación de estados., el cual se utilizará con fines comparativos. Las variables controladas son la potencia activa y reactiva, mientras que las variables manipuladas son el ángulo de paso de las palas de la turbina eólica y los voltajes aplicados en los terminales del rotor del generador de inducción. Para comparar el desempeño de ambos controladores se desarrollaron simulaciones en Matlab, como resultado se obtuvo que el controlador neuro-difuso presenta mejor desempeño bajo distintas condiciones de operación. / Tesis

El presente trabajo de tesis desarrolla un procedimiento para analizar aerodinámicamente la hélice de un aerogenerador tripala de eje horizontal de 3kW mediante simulación numérica. El alcance del análisis aerodinámico para este trabajo abarca el análisis cualitativo de los resultados obtenidos por simulación numérica de líneas de flujo y mapa de presiones, entre otras. Además, realizar un análisis cuantitativo y comparativo de los valores de torque mecánico por dos métodos diferentes. El primer método, se le llama método o cálculo analítico, trabaja un proceso de cálculo iterativo para aerogeneradores de eje horizontal. A través de este proceso se calcula el valor aproximado de dos parámetros importantes (los factores de inducción) con los cuales es posible obtener la distribución de fuerzas y torque. En parte de este método, se aplica el software libre QBLADE, especializado en perfiles aerodinámicos. El segundo método es un análisis por volúmenes finitos para flujo externo mediante simulación numérica. En este procedimiento se desarrolla un modelo de simulación eficaz y eficiente, en cuanto a resultados y tiempo de uso computacional. De este método se obtiene líneas de flujo, mapa de presiones, mapa de contorno de la velocidad del flujo y representación gráfica de los remolinos formados en el extremo final de las palas. También se obtienen valores numéricos del torque mecánico para cada condición de trabajo de la hélice. Para este método se usa el software ANSYS CFX. Una vez obtenido los resultados, son comparados y analizados, siendo posible obtener conclusiones y recomendaciones útiles como procedimiento de investigaciones y diseños futuros. Se concluye que se tiene un modelo de simulación óptimo para el análisis planteado para este trabajo, con resultados físicamente admisibles según el límite de energía máxima extraíble del viento. El modelo de simulación es capaz de representar gráficamente, de manera correcta, los efectos físicos en el flujo, prueba fehaciente de ello son la concordancia de estos con sus esperados teóricos. Además se rescata la confiabilidad de los resultados por simulación al no alejarse demasiado de los analíticos, al tener que para condición de trabajo nominal, el valor de torque mecánico por simulación numérica (162.32 Nm) y el resultados por método analítico (178.61 Nm) generan un error relativo de 10%, y un error relativo máximo de 11% de las diferentes condiciones de trabajo analizadas.

Since the turn of the century, the talk about the limited reserve of fossil fuels and the effects of their burning on our climate has become a major topic of the media. The evidence is staggering and as a consequence most of our world’s countries have started an energy transition. The main goal is to get away from fossil fuels and use “renewable energies”, so called because the resources are constantly renewed and compared to fossil fuels seem infinite. Energies such as solar, wind, biomass and geothermal are examples of such sources of renewables. Denmark is the current leader in wind generated electricity, California and Spain are showing how to harness the power of the Sun, and all those efforts to generate more with renewables has to be matched with the effort to make those solutions more efficient and more attractive to other countries who still view fossil fuels as the easy solution and keep on using them. With the knowledge available now renewables it feels for some that burning fossil fuels is a primitive solution. Nonetheless it should be the duty of engineers to enlarge and better that knowledge for everyone to use. Now more specifically about wind energy. Humans have harvested the energy in the wind for more than 2000 years (the Persians used windmills around 200 B.C.) and with time our technology has improved. They have designed incredible new machines such as the Savonius and Darreus type turbines and their knowledge of fluid dynamics has permitted the implementation of new streamlined blades that harvest more energy from the wind. Albert Betz has shown that a maximum of 59% was the limit for the efficiency of a wind-turbine. They have been getting closer to this number with the years but there is still room for improvement on certain types of turbines. Vertical axis wind turbines (or VAWTs) have always been considered not as suitable for energy production as horizontal type wind turbines. It is true because not all blades are exposed to the wind at all times (like in a horizontal axis wind turbine), but new studies have proved that streamlining the blades a certain way and adding a wing like thickness to them improved the overall efficiency of the turbine. Knowing that and considering that HAWTs are significantly cheaper to produce and maintain than HAWTS, it makes them a more viable solution notably for local decentralized production in isolated areas of the world.That leads to Peru. Peru is a fast growing still yet a 3rd world country. Its potential for renewable energies production (especially wind energy) is tremendous, yet the great amount of gas and oil available in the underground and them coming at a cheap price does not encourage the government to subsidize renewables. It leaves Peru dependent on foreign investments to develop this sector and takes away a great opportunity to forego its energetical transition and get ahead of competition in South America. Some projects have surfaced notably in northern Peru, in the Trujillo region, but there are few compared to the mega industry of oil and gas. This thesis paper has for goal to further the knowledge of wind turbines in the context of hoping to change Peru’s view on their use and also for the world to use as a database for further research and other works.

Este trabalho de mestrado está relacionado com a análise do comportamento dinâmico de turbinas eólicas equipadas com gerador síncrono com excitação a ímãs permanentes operando durante contingências na rede elétrica e com variação na velocidade do vento. Tal configuração tem muitas vantagens quando comparada com a configuração atualmente utilizada pelos principais fabricantes de turbinas eólicas de grande porte. A principal delas é devido ao fato de não utilizar caixas de engrenagens. Porém, o impacto na rede elétrica com a conexão de tal configuração deve ser minimizado melhorando as condições operativas no ponto de conexão da fazenda eólica. Desta forma, o projeto em questão visa investigar formas de diminuir os impactos negativos causados e melhorar a estabilidade do sistema, principalmente, no ponto de conexão à rede elétrica Portanto, o projeto de pesquisa deste mestrado está relacionado ao desenvolvimento de modelos computacionais que representem tal tecnologia, considerando os principais componentes e controles utilizando o software de simulação PSCAD. Também são incluídos novos métodos de controle e elementos adicionais que melhoram a confiabilidade e o nível de penetração de parques eólicos com geradores a ímãs permanentes. Ressalta-se que tais modelos não estão disponíveis de forma completa no software citado acima, portanto foram desenvolvidos partindo de modelos genéricos existentes. Todas as partes do modelo foram realizadas com elementos básicos acessíveis em qualquer programa de simulação, de modo que qualquer engenheiro ou pesquisador possa programar este mesmo modelo em qualquer software. Esta dissertação começa com uma breve descrição do modelo desenvolvido, incluindo o modelo aerodinâmico das turbinas eólicas, o controle do conversor do lado do gerador, o controle do conversor do lado da rede e o sistema de proteção do link de corrente contínua. Com o modelo desenvolvido, analisa-se a operação do gerador síncrono a imãs permanentes durante contingências na rede. A aplicação de um sistema avançado de armazenamento de energia e a possibilidade de suporte de frequência à rede elétrica também foram desenvolvidos e analisados. Considerando os resultados obtidos, podemos verificar que a conexão de parques eólicos equipados com geradores síncronos com excitação a ímãs permanentes pode trazer benefícios para a rede elétrica, quando o seu potencial de controle e de operação é utilizado. Mais detalhes podem ser verificados nos capítulos a seguir. / This master\'s project aims to study the behavior of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator, operating during contingencies and changes in wind speed. This configuration has many advantages compared with configurations currently used by leading manufacturers of large wind turbines. The main one is due to the fact of use smaller gearboxes or even gearless turbines. However, the impact on the electrical grid connection of this configuration should be minimized by improving the operating conditions at the connection point of the wind farm. Thus, this project aims to investigate ways to reduce the negative impacts and improve the system stability, especially at the grid connection point. This work employs the simulation software PSCAD for developing a computational model of this technology, considering the main components and controls. New control methods and additional features are included, for improving the reliability and the level of penetration of wind farms with permanent magnet generators in the power system. It is noteworthy that such models are not available in the simulation software PSCAD; therefore it was developed from existing generic models. All parts of the model were done with basic elements; as a result any engineer or researcher can program this same model in any software. This work begins with a brief description of the developed model, including: the aerodynamic model of the wind turbines, the control of the generator side converter, the control of the grid side converter and the protection system of the Link-DC. With this model, the operation of the permanent magnet synchronous generator was analyzed during network contingencies. The application of a sophisticated energy storage system for frequency support was also both developed and analyzed. The connection of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator has advantages when its potential for control and operation is used. More details can be checked in the following chapters.

The advancement of renewable energies is dependent on the reduction of the costs involved. One way to diminish the maintenance costs and increase the lifetime of wind turbines is to mitigate the loads and fatigue experienced by their components. Present commercial wind turbine control systems rely usually on feedback. As the control system can act only on errors that are already present, the regulation quality is restricted due to the large rotor inertia. In this work a H2 feedforward blade pitch controller is designed using an algorithm optimized for preview control. The used design method is more computationally efficient and numerically stable than the ones adopted in the preceding literature. The control objectives of the feedforward controller are to regulate the generator speed, reduce tower loads and preserve the pitch system. The controller input is a previewed effective wind speed estimate measured by a LIDAR detector. The validation of the system performance is made with aeroelastic simulations of a reference wind turbine equipped with both baseline and feedforward-enhanced controllers. The simulations are made using the FAST simulator with input wind provided by TurbSim. The results show that the designed controller is able to reduce generator speed fluctuations, tower loads and pitch activity without reducing the generated power, contributing to the turbine lifetime and hence decreasing the cost of energy. The work indicates the feasibility and effectiveness of the design technique and lays ground for future works on the area of feedforward wind turbine pitch control.

Localizadas no litoral sul de Santa Catarina, as planícies costeiras holocênicas de Campos Verdes e Ji caracterizam-se por séries truncadas de cordões litorâneos alternados a campos de dunas livres. Constituem exemplo de planícies formadas em um mesmo contexto regional, porém sob condições distintas quanto ao caráter hidrodinâmico: área semiprotegida de retrobarreira (Campos Verdes) versus tômbolo de mar aberto (Ji). A meta deste trabalho é construir modelos de evolução sedimentar para estas duas planícies com base em fotointerpretação, granulometria, minerais pesados, idades LOE, cálculo de taxas de progradação e simulação computacional. A comparação visa contribuir para a compreensão dos processos formadores ou remodeladores de planícies de cordões em geral e definir o caráter, se autocíclico ou alocíclico, de cada mecanismo no caso em estudo. O desenvolvimento destas planícies teria começado durante a desaceleração da subida de NRM, pouco antes do nível máximo holocênico, alcançado por volta de 5 ka AP. A partir de padrões de transporte e retrabalhamento sedimentar deduzidos com base em estatísticas da distribuição granulométrica (tamanho médio, seleção, assimetria), combinadas com variação dos índices de minerais pesados (iINS, iMET, iZTR, iTZ, iHT, iRZ), infere-se progradação da planície de Campos Verdes para norte, com componente de crescimento longitudinal para oeste, e da planície do Ji para leste, com componente longitudinal para norte. A distribuição dos minerais pesados deve-se em parte a mudança/aproximação, no decorrer do tempo, da fonte representada pelo delta do Tubarão, com entrada crescente de sedimentos menos maturos no sistema. A evolução da planície de Campos Verdes foi dividida em cinco estágios cronológicos: anterior a 4912±270 anos AP (1); de 4199±347 a 2763±205 anos (2); de 2763±205 a 2816±193 anos (3); de 2816 ± 193 a 1946 ± 141 anos (4); e desde 1946 ± 141 anos até o presente (5); com taxas de progradação de 1,07, 0,35, 3,45, 0,76 m/a e indeterminada, respectivamente. O estágio 4 compreende fase de estabilização de dunas eólicas, com lobo deposicional datado em 2255±123 anos, e o estágio 5 inclui fase de reativação deflacionar, com duna parabólica faminta datada de 711±64 anos. Para a planície do Ji, definiram-se cinco estágios cronológicos: anterior a 2794±151 anos (1); de 2794±151 a 2537±140 anos (2); de 2537±140 a 1031±35 (3); de 1031±35 a 831±43 anos (4); e desde 751±43 anos até o presente (5). As taxas de progradação calculadas para os últimos quatro estágios foram de 2,26, 0,28, 1,47 e 1,24 m/a, respectivamente. A fase de estabilização de dunas da geração eólica 3, datada em 1346±73 anos, aconteceu durante o estágio 3. Campos de dunas transgressivos ainda ativos iniciaram seu desenvolvimento durante o estágio 5. O crescimento das duas planícies ocorreu em anti-fase, com alternância entre duas situações: a situação 1 caracteriza-se por predominância de deriva litorânea rumo NE, relacionada a incursões mais freqüentes de frentes frias e massa de ar polar na região; a situação 2 corresponde a dominância de deriva litorânea rumo SW, sob maior ação da massa tropical Atlântica e menor freqüência de incursões de frentes frias. Um boom na progradação de ambas as planícies, registrado por volta de 2700 anos AP, pode estar relacionado à ocorrência de um dos eventos climáticos de escala milenar do Holoceno, o evento Bond 2, caracterizado na região por aumento pontuado de umidade e precipitação e, por extensão, de aporte fluvial. O desenvolvimento ou reativação de dunas do estágio 5 em Campos Verdes pode estar ligado à intensificação dos ventos durante outro evento de escala milenar, a Pequena Idade do Gelo. Fluxos da ordem de 104 m3/ano foram obtidos em simulação estocástica de um cenário geral de trocas de sedimentos entre compartimentos (eg. praia e campo de dunas) no Ji. Na simulação condicionada por variáveis climáticas, observa-se que o transporte eólico, com desenvolvimento de campos de dunas, pode ocorrer mesmo durante períodos chuvosos (precipitação média superior a 400mm), desde que os fluxos eólicos sejam dez vezes maiores que os obtidos na simulação do cenário geral. / The Holocene strandplains of Campos Verdes and Ji (south coast of Santa Catarina, southern Brazil) are characterized by truncated sets of beach ridges alternated with eolian dune fields. They represent examples of neighbor coastal plains formed under the same regional context, but under different hydrodynamic contexts: in a sheltered back-barrier embayment (Campos Verdes) and in an open sea tombolo (Ji). The aim of this work is to construct evolutionary models of sedimentation for both plains based in photointerpretation, grain-size, heavy minerals, OSL ages, calculation of progradation rates and computer simulation. The comparative analysis allows the explanation of the origin of processes responsible for the development of the plains defining whether the mechanisms are autocyclic or alocyclic. Both plains would have begun during the deceleration of the RSL rise, just before the achievement of the Holocene highstand, approximately at 5 ky BP. Patterns of transport and sedimentary reworking based on statistics of grain-size distribution (mean grain-size, standard deviation and skewness) combined with variation of heavy minerals indices (INSi, METi, ZTRi, TZi, HTi, RZi) show northwards progradation with a longitudinal growth component towards west for Campos Verde and progradation towards east with an alongshore growth component towards north for Ji. The heavy mineral distribution is mainly linked to the shift and approximation of the main fluvial source area (Tubarão delta) with an input of less mature sediments into the system. The evolution of Campos Verdes was divided into five chronologic stages: before 4912±270 yr (1); from 4199±347 to 2763±205 anos (2); from 2763±205 to 2816±193 anos (3); from 2816 ± 193 to 1946 ± 141 anos (4); and from 1946 ± 141 anos until present (5); with progradation rates of 1.07, 0.35, 3.45, 0.76 m/yr and undetermined, respectively. A phase of dune stabilization happened during stage 4, indicated by a depositional lobe dated in 2255±123yr and another phase of dune reactivation occurred during stage 5, indicated by a starved parabolic dune dated in 711±64 yr. Five chronologic stages were defined for Ji: before 2794 ± 151 yr (1); from 2794 ± 151 to 2537 ± 140 yr (2); from 2537 ± 140 to 1031±35 (3); from 1031 ± 35 to 831 ± 43 yr (4); and from 751 ± 43 yr until present (5). The progradation rates determined for the last four stages are 2.26, 0.28, 1.47 and 1.24 m/yr. A phase of stabilization of eolian generation 3 was dated in 1346±73yr, within the stage 3. Eolian trangressive dune fields, that are still active, began its development during stage 5. The progradation rates (growth) of the plains show an anti-phase pattern linked to the alternation between two situations: one where there is predominance of net longshore drift towards NE, with frequent cold front incursions and more intense action of polar air mass; and another with the predominance of net longshore drift towards SW with more active tropical Atlantic air mass and less frequent cold front incursions. There was a progradational boom ca. 2700 yr with higher progradation rates in both plains, which might be linked to the occurrence of a millennial Holocene climate change, the Bond event 2, responsible for the punctual humidity and precipitation increase. Dune development or reactivation during stage 5 in Campos Verdes might be linked to an occurrence of another millennial Holocene climate event, the Little Ice Age. Eolian fluxes with magnitude of 104 m3/yr were obtained using stochastic simulation of a general scenario of sediment exchange between stocks (eg. beach and dune field) for Ji. In simulation conditioned by climatic variables, it is possible to observe that the development of dune fields can occur during rainy periods (mean precipitation above 400m) as long as the eolian fluxes are ten times greater than that ones obtained in the general scenario.

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.

Este trabalho de mestrado está relacionado com a análise do comportamento dinâmico de turbinas eólicas equipadas com gerador síncrono com excitação a ímãs permanentes operando durante contingências na rede elétrica e com variação na velocidade do vento. Tal configuração tem muitas vantagens quando comparada com a configuração atualmente utilizada pelos principais fabricantes de turbinas eólicas de grande porte. A principal delas é devido ao fato de não utilizar caixas de engrenagens. Porém, o impacto na rede elétrica com a conexão de tal configuração deve ser minimizado melhorando as condições operativas no ponto de conexão da fazenda eólica. Desta forma, o projeto em questão visa investigar formas de diminuir os impactos negativos causados e melhorar a estabilidade do sistema, principalmente, no ponto de conexão à rede elétrica Portanto, o projeto de pesquisa deste mestrado está relacionado ao desenvolvimento de modelos computacionais que representem tal tecnologia, considerando os principais componentes e controles utilizando o software de simulação PSCAD. Também são incluídos novos métodos de controle e elementos adicionais que melhoram a confiabilidade e o nível de penetração de parques eólicos com geradores a ímãs permanentes. Ressalta-se que tais modelos não estão disponíveis de forma completa no software citado acima, portanto foram desenvolvidos partindo de modelos genéricos existentes. Todas as partes do modelo foram realizadas com elementos básicos acessíveis em qualquer programa de simulação, de modo que qualquer engenheiro ou pesquisador possa programar este mesmo modelo em qualquer software. Esta dissertação começa com uma breve descrição do modelo desenvolvido, incluindo o modelo aerodinâmico das turbinas eólicas, o controle do conversor do lado do gerador, o controle do conversor do lado da rede e o sistema de proteção do link de corrente contínua. Com o modelo desenvolvido, analisa-se a operação do gerador síncrono a imãs permanentes durante contingências na rede. A aplicação de um sistema avançado de armazenamento de energia e a possibilidade de suporte de frequência à rede elétrica também foram desenvolvidos e analisados. Considerando os resultados obtidos, podemos verificar que a conexão de parques eólicos equipados com geradores síncronos com excitação a ímãs permanentes pode trazer benefícios para a rede elétrica, quando o seu potencial de controle e de operação é utilizado. Mais detalhes podem ser verificados nos capítulos a seguir. / This master\'s project aims to study the behavior of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator, operating during contingencies and changes in wind speed. This configuration has many advantages compared with configurations currently used by leading manufacturers of large wind turbines. The main one is due to the fact of use smaller gearboxes or even gearless turbines. However, the impact on the electrical grid connection of this configuration should be minimized by improving the operating conditions at the connection point of the wind farm. Thus, this project aims to investigate ways to reduce the negative impacts and improve the system stability, especially at the grid connection point. This work employs the simulation software PSCAD for developing a computational model of this technology, considering the main components and controls. New control methods and additional features are included, for improving the reliability and the level of penetration of wind farms with permanent magnet generators in the power system. It is noteworthy that such models are not available in the simulation software PSCAD; therefore it was developed from existing generic models. All parts of the model were done with basic elements; as a result any engineer or researcher can program this same model in any software. This work begins with a brief description of the developed model, including: the aerodynamic model of the wind turbines, the control of the generator side converter, the control of the grid side converter and the protection system of the Link-DC. With this model, the operation of the permanent magnet synchronous generator was analyzed during network contingencies. The application of a sophisticated energy storage system for frequency support was also both developed and analyzed. The connection of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator has advantages when its potential for control and operation is used. More details can be checked in the following chapters.

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-02-21T18:40:07Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ImpactoProtecaoTipo.pdf: 1575069 bytes, checksum: a2fcaa26dea5129a1846694b720486fe (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-03-27T13:52:13Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ImpactoProtecaoTipo.pdf: 1575069 bytes, checksum: a2fcaa26dea5129a1846694b720486fe (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-27T13:52:13Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ImpactoProtecaoTipo.pdf: 1575069 bytes, checksum: a2fcaa26dea5129a1846694b720486fe (MD5) Previous issue date: 2016-04-07 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A contínua incorporação de geração distribuída às redes de energia elétrica no mundo, a partir de fontes renováveis, tem contribuído positivamente no fornecimento de energia, na eficiência energética e na redução de gases poluentes. Apesar disso, novos desafios relacionados com as mudanças na qualidade da energia, a estabilidade do sistema e os níveis de curto circuito, dentre outros, continuam sendo alvo de pesquisas. O Brasil tem adicionado nos últimos anos uma importante quantidade de gigawatts às redes graças a conexão de grandes parques eólicos. Adicionalmente, as recentes possibilidades para que os consumidores se tornem pequenos geradores e troquem energia nas redes de distribuição, visa a conexão de outra quantidade de gigawatts. Diante disto, este trabalho apresenta as análises do impacto da atuação da proteção do tipo crowbar dos aerogeradores de indução duplamente excitados (DFIG) sobre os sistemas de proteção empregados nas redes de distribuição radiais, visando avaliar a influência que exerce sobre a coordenação das funções de proteção de sobrecorrente quando ocorrem faltas na rede. Para garantir este objetivo, avaliações das contribuições às correntes de curto-circuito do DFIGs ligados à rede durante perturbação, são efetuadas no software DIGSILENT Power Factory 14.1, sob a consideração de dois casos de operação do DFIG. Um deles contempla a não inserção da proteção do tipo crowbar e o outro considera a inserção desta proteção durante uma perturbação na rede. A estratégia para implantar a proteção do tipo crowbar estabelece a inserção de resistências ao circuito do rotor do DFIG quando forem ultrapassados limites de corrente no rotor e tensão no ponto de conexão. Os resultados obtidos fornecem informações relevantes relacionadas com as mudanças nos níveis de curto-circuito, as quais devem ser contempladas nos estudos prévios à conexão de novos DFIG, devido a importância que representam para coordenar as funções de proteção de sobreccorrente sob considerações dinâmicas e em regime permanente. / The continued incorporation of distributed generation from renewable sources to electricity networks in the world, has contributed positively in the energy supply, energy efficiency and reduction of polluting gases. Nevertheless, new challenges related to the variations in power quality, system stability, short circuit levels, among others, continue to be research. The Brazil has added in recent years an important amount of gigawatts to networks through the connection of large wind farms. In addition, recent possibilities for consumers to make small generators and exchange energy in the distribution network aims to connect another quantity of gigawatts. In this context, this work presents the analysis of the impact of Crowbar protection of double feed induction generator (DFIG) on protection systems used in radial distribution networks to evaluate its influence on the coordination of overcurrent protection functions when there are faults in the network. To reach this goal, assessments of contributions to short-circuit currents of DFIG connected to the grid during disturbance, was simulated in DIGSILENT Power Factory 14.1 software where two cases where considered. The first includes the non-inclusion of crowbar protection and the second considers the inclusion of this protection during a network disturbance. The strategy implemented on crowbar protection proposed the series resistance insertion in the rotor circuit when thresholds velocity, current in the rotor and voltage at the connection point, are Exceeded. The results provide relevant short-circuit levels information that from now on must be considered during previous DFIG connection studies due to the importance they represent to coordinate overcurrent protection function under dynamic and steady state conditions.

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.