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Diversas tecnologias de sistemas eólicos foram rapidamente desenvolvidas nas duas últimas décadas do século passado. Quando a velocidade de rotação é levada em conta, os conceitos de sistemas eólicos são classificados em velocidade fixa e velocidade variável. Quando a regulação de velocidade é considerada, eles podem ser classificados em controle por estol (stall), controle por variação do ângulo de passo (pitch angle), ou ainda, controle por estol ativo (active stall). Quando se fala em trem de acionamento, os conceitos de sistemas eólicos podem ser classificados em acionados por caixa de engrenagens ou acionados diretamente pela turbina. A literatura dispõe de algumas referências sobre uma visão geral dos conceitos de aerogeradores mais presentes no mercado da energia eólica, tais como Li e Chen (2008), Kadam e Kushare (2012) e Pereira et al (2010).

No caso de turbinas eólicas que operam com a velocidade em valor fixo, o conceito do aerogerador acompanha basicamente a caixa de engrenagens de múltiplos estágios e gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo, podendo a velocidade ser limitada por stall, active stall, ou ainda, por pitch angle. Já no caso de turbinas eólicas que operam segundo uma faixa de velocidades, o conceito do aerogerador acompanha caixa de engrenagens com múltiplos estágios e diferentes tecnologias de geradores, tais como o gerador de indução duplamente alimentado, gerador síncrono com rotor a imã permanente, entre outros. Sua limitação e regulação de velocidade são realizadas por controle do ângulo de passo.

Entre os vários conceitos de aerogeradores, os mais populares e aderidos por fabricantes foram os sistemas eólicos a velocidade fixa com geradores de indução em gaiola de esquilo e sistemas eólicos a velocidade variável com geradores de indução duplamente alimentados. O primeiro dominou as décadas de 80 e 90 por ser uma tecnologia com significante capacidade de potência para época, com operação robusta e boa estabilidade de velocidade em condições normais de operação. Com o andamento do desenvolvimento da eletrônica de potência, aumento da capacidade dos parques eólicos e mudança nas diretrizes dos códigos de rede como forma de melhorar a qualidade da potência gerada pelos empreendimentos conectados aos sistemas elétricos, a tecnologia a velocidade variável começou a ganhar espaço, por adequar-se muito mais facilmente aos novos desafios impostos pelo setor elétrico.

Atualmente, a fim de reduzir as falhas e perdas mecânicas e aumentar a vida útil dos sistemas eólicos, tem-se investido amplamente nos estudos e desenvolvimento de aerogeradores a velocidade variável com geradores sendo acionados diretamente por suas turbinas eólicas. Geradores síncronos convencionais e com rotores de imã permanente, compostos por um número elevado de pólos (a fim de promover elevado torque e compatibilização da velocidade do rotor com a velocidade da turbina) são as máquinas elétricas utilizadas nestes conceitos.

Por serem os sistemas eólicos objetos de estudo deste trabalho, a tecnologia a velocidade fixa com gerador em gaiola de esquilo e a velocidade variável com gerador duplamente alimentado serão apresentadas com mais detalhes a seguir.

2.7.1 Turbina eólica a velocidade fixa com gerador de indução em gaiola de esquilo

A Figura 2.8 apresenta o esquema do sistema eólico a velocidade fixa com gerador de indução em gaiola de esquilo (Squirrel Cage Induction Generator - SCIG). Basicamente, o estator do gerador é ligado de forma direta à rede elétrica e a turbina eólica é acoplada indiretamente ao gerador (interligação com o eixo do rotor), por meio de caixa de engrenagens, visto que as velocidades de operação dessas máquinas são distintas.

Figura 2.8 – Diagrama unifilar do sistema eólico a velocidade fixa com gerador de indução em gaiola de esquilo.

De acordo com Li e Chen (2008), como o gerador de indução em gaiola de esquilo opera em uma estreita faixa de velocidade bastante próxima da velocidade síncrona, diz-se que ele é uma máquina que opera a velocidade fixa. Como mencionado na seção anterior, foi o conceito de aerogerador mais adotado por fabricantes e aplicado durante os anos 80 e 90, principalmente por dinamarqueses. A preocupação com a demanda de potência reativa do gerador em gaiola de esquilo fez com que os fabricantes estendessem o conceito adicionando-o um banco de capacitores para a compensação de reativos. Para a conexão suave com a rede elétrica, alguns fabricantes incorporaram um soft-starter ao projeto e para oferecer flexibilidade quanto à velocidade de operação, alguns geradores eram compostos por dupla gaiola de esquilo. Para a limitação da velocidade da turbina normalmente os fabricantes lançam mão do método stall, que é capaz de fornecer ao gerador relativa estabilidade de frequência, quando conectado a rede elétrica. Contudo, os métodos active stall e pitch angle também podem ser aplicados.

O sistema eólico a velocidade fixa é robusto, simples e de custo relativamente baixo para a produção em grande escala. No entanto, além do gerador consumir grandes quantidades de potência reativa para seu funcionamento, o aerogerador trabalha em uma faixa altamente restrita de velocidades, possibilita geração de potência somente se o rotor operar em velocidade super- síncrona e as flutuações na velocidade do vento são integralmente transferidas ao sistema de potência.

2.7.2 Turbina eólica a velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado

A Figura 2.9 corresponde ao diagrama do sistema eólico a velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado (Doubly Fed Induction Generator - DFIG). Nesse esquema percebe-se que o estator está conectado de forma direta à rede elétrica e o rotor de maneira indireta, por meio de um circuito conhecido como Elo CC, composto por dois conversores estáticos, responsáveis pelos controles da máquina. O acoplamento entre a turbina eólica e o gerador também é realizado por intermédio da caixa de engrenagens.

Figura 2.9 – Diagrama unifilar do sistema eólico a velocidade variável, com gerador de indução duplamente alimentado.

De acordo com Li e Chen (2008). O conversor que opera do lado do rotor controla a frequência da tensão nele aplicada, o que possibilita a operação da máquina para uma expressiva faixa de velocidades de vento. Esta faixa de velocidades depende da capacidade do conversor estático, contudo, tipicamente seus limites encontram-se em ± 30 % em torno da velocidade síncrona. O sistema elétrico necessita de um Elo CC composto por conversores que suportem um fluxo de potência de 25 a 30 % da potência nominal do gerador, o que fez o conceito ser popularizado no mercado de energia eólica, do ponto de vista econômico. A energia disponível no rotor do gerador por conta da operação assíncrona pode ser extraída e entregue ao sistema elétrico através de um dos conversores de potência. O modo de operação do gerador duplamente alimentado também permite a compensação de potência reativa em algum ponto do sistema de potência e controle suave da potência ativa gerada.

Como desvantagens, o conceito necessita utilizar anéis deslizantes para o intercâmbio de potência entre o rotor do gerador e o Elo CC. Esse tipo de interface exige manutenção regular, ou

a máquina poderá apresentar expressivas perdas de energia e falhas constantes. Além disso, o conversor estático é sensível a algumas correntes de operação sob falta, sendo necessária a aplicação de dispositivo de proteção para atuação nestas condições. O aerogerador possui elevada capacidade de controle da potência eólica por ele produzida, no entanto, espera-se que ele mantenha essa capacidade sob determinadas condições de falta e isso pode significar uma estratégia de controle bastante complexa.