Basicamente, existem trˆes conceitos atuais de sistemas de convers˜ao e´olicos, sendo as outras vers˜oes existentes varia¸c˜oes destes. Na seq¨uˆencia ´e feita a descri¸c˜ao de cada uma das topologias, ressaltando as caracter´ısticas mais importantes de cada uma delas.
3.6.1
Sistemas de convers˜ao e´olica de velocidade fixa dota-
dos de gerador de indu¸c˜ao diretamente conectado `a rede
el´etrica
A turbina e´olica de velocidade constante, conforme j´a mencionado na se¸c˜ao anterior, est´a associada normalmente a um gerador de indu¸c˜ao em gaiola de esquilo acoplado diretamente `a rede el´etrica. Neste caso, o rotor da turbina est´a conectado ao gera- dor el´etrico atrav´es de uma caixa de transmiss˜ao de velocidade (gearbox ) [4], [17] e [20]. No conceito aqui descrito, a potˆencia extra´ıda do vento ´e limitada utilizando-se o m´etodo de entrada em perda aerodinˆamica ou stall, descrito anteriormente. Isto significa que o rotor ´e projetado de forma tal que a sua eficiˆencia diminui `a medida que a velocidade do vento aumenta, impedindo dessa forma, que a potˆencia mecˆanica extra´ıda do vento se torne muito elevada. A figura 3.13 ilustra o arranjo anteriormente descrito, e exibe os principais componentes deste conceito, at´e o ponto de conex˜ao com a rede el´etrica. Salienta-se que geradores como o descrito nesta se¸c˜ao, normalmente s˜ao conectados atrav´es de dispositivos de partida suave, soft Starter, de maneira a suavizar os transit´orios durante a fase de conex˜ao com a rede el´etrica. O banco de capacitores identificado na figura destina-se a compensar a demanda de potˆencia reativa do gerador de indu¸c˜ao utilizado nesta topologia, aliviando, dessa forma as redes de conex˜ao. Esta pr´atica ´e necess´aria sobretudo quando estes recursos de gera¸c˜ao s˜ao conectados a redes fracas. Dessa forma, consegue-se atingir fatores de potˆencias pr´oximos `a unidade.
Caixa de transmissão
Gerador de indução com rotor em gaiola Capacitores de compensação Rotor Pá Partida suave (Soft Starter) Rede elétrica
Figura 3.13: Topologia de um sistema de convers˜ao e´olico de velocidade constante acoplado `a rede el´etrica.
3.6.2
Sistemas de convers˜ao e´olica de velocidade vari´avel dota-
dos de gerador de indu¸c˜ao
O conceito de opera¸c˜ao de WECS com velocidade vari´avel ´e bastante conhecido. Contudo, a maior difus˜ao desta filosofia tem ocorrido mais recentemente, devido, sobre- tudo, ao desenvolvimento destes dispositivos em escala comercial [66]. Nesse sentido, na seq¨uˆencia, ´e feita uma abordagem das principais t´ecnicas utilizadas pelos fabricantes de aerogeradores deste tipo de arranjo, para o caso de geradores de indu¸c˜ao.
a) Sistemas dotados de gerador de indu¸c˜ao de dupla alimenta¸c˜ao conectado `a rede el´etrica atrav´es de um conversor de freq¨uˆencia
A figura 3.14 apresenta um WECS de velocidade vari´avel, dotado de gerador de indu¸c˜ao de dupla alimenta¸c˜ao (rotor bobinado) - DFIG (Doubly-Fed Induction Gene- rator ) [4], [20] e [49].
Caixa de transmissão
Gerador de indução com rotor bobinado Rotor Pá Rede elétrica Conversor
Figura 3.14: Topologia de um WECS de velocidade vari´avel, dotado de gerador de indu¸c˜ao de dupla alimenta¸c˜ao conectado `a rede el´etrica atrav´es de um conversor de freq¨uˆencia.
Em sistemas deste tipo, o enrolamento do rotor ´e alimentado usando um conversor VSI (Voltage Sourced Imposed ) back-to-back. Como no caso do conceito anterior, o eixo (rotor) da turbina e´olica est´a conectado ao gerador atrav´es da uma caixa de trans- miss˜ao. Entretanto, nesta topologia, ´e permitida a varia¸c˜ao da velocidade numa faixa estreita. Outro fato que merece ser destacado ´e o tipo de controle de potˆencia, neste caso, utiliza-se a varia¸c˜ao do ˆangulo de passo das p´as para limitar a potˆencia extra´ıda do vento (pitch control ) para elevadas velocidades do vento.
b) Sistemas dotados de gerador de indu¸c˜ao com rotor bobinado conectado `a rede el´etrica atrav´es de um dispositivo para partida Suave (soft starter ) Outro arranjo poss´ıvel, derivado do anterior, ´e o uso de geradores de indu¸c˜ao com rotor bobinado conforme ilustrado na figura 3.15 [5]. Trata-se da proposta de um fabri- cante dinamarquˆes, o qual produz turbinas com escorregamentos do gerador vari´aveis (velocidade do rotor), podendo alcan¸car varia¸c˜oes da ordem de at´e 10% da velocidade do gerador [17]. O sistema mencionado utiliza um conversor controlado, atrav´es do qual a resistˆencia do rotor do gerador pode ser manipulada.
Caixa de transmissão
Gerador de indução com rotor bobinado Capacitores de compensação Rotor Pá Partida suave (Soft Starter) Escorregamento variável Rede elétrica
Figura 3.15: Topologia de um WECS de velocidade vari´avel equipado com um gerador de indu¸c˜ao com rotor bobinado conectado `a rede el´etrica atrav´es de um dispositivo para Partida Suave (Soft Starter).
3.6.3
Sistemas de convers˜ao e´olica de velocidade vari´avel dota-
dos de gerador s´ıncrono conectado `a rede el´etrica atrav´es
de conversor de freq¨uˆencia
O terceiro conceito consiste de uma turbina e´olica de velocidade vari´avel, equipada com um gerador s´ıncrono de acionamento direto. Este gerador pode ter um rotor enrolado ou utilizar im˜as permanentes [4].
O acoplamento deste tipo de WECS com o sistema el´etrico pode ser feito atrav´es de um conversor VSI back-to-back ou um conversor composto de um retificador n˜ao controlado (ponte a diodos) e um inversor VSI (Voltage Sourced Imposed ) [20] e [49].
A defini¸c˜ao do gerador el´etrico, retificador e inversor de freq¨uˆencia deve ser realizada em duas etapas praticamente independentes. O gerador e o retificador devem ser escolhidos de forma combinada e o inversor pode ser especificado praticamente independente do gerador e retificador usado.
O gerador s´ıncrono utilizado neste tipo de arranjo ´e uma m´aquina especial, mul- tip´olos de baixa velocidade, com um grande diˆametro, tornando dispens´avel o uso da caixa de transmiss˜ao, sendo esta uma grande vantagem deste conceito [5]. Al´em disso, neste caso, a faixa de varia¸c˜ao da velocidade permitida ´e ampla, uma vez que ocorre a retifica¸c˜ao num primeiro momento e, em seguida, a invers˜ao. O sistema el´etrico deve, portanto, consistir de trˆes partes principais: gerador, retificador e inversor. Como no segundo caso, a potˆencia extra´ıda do vento ´e limitada pelo controle do ˆangulo de passo das p´as, ou seja, pelo pitching das p´as do rotor em velocidades do vento elevadas.
A figura 3.16 ilustra uma turbina e´olica de velocidade vari´avel conectada `a rede el´etrica, equipado com um gerador s´ıncrono e um conversor de freq¨uˆencia.
Gerador síncrono acionado diretamente Rotor Pá Conversor Rede elétrica
Figura 3.16: Topologia de um WECS de velocidade vari´avel, dotado de gerador s´ıncrono conectado `a rede el´etrica atrav´es de um conversor de freq¨uˆencia.
Feita a descri¸c˜ao das principais topologias de sistemas de convers˜ao de energia e´olica que operam com velocidade vari´avel, a figura 3.17, atrav´es do diagrama de blocos, consolida praticamente todos os tipos de esquemas de convers˜ao e´olica de velocidade vari´avel encontrados na atualidade. Ressalta-se que os sistemas que operam com ve- locidade constante n˜ao tˆem arranjos alternativos [67].
Nesta figura est˜ao contemplados os conceitos de aerogeradores que utilizam gera- dores de indu¸c˜ao convencionais. Igualmente, a figura engloba os geradores s´ıncronos convencionais e ainda m´aquinas denominadas de modernas e multipolares. O termo
“m´aquinas modernas” cobre m´aquinas do tipo: de relutˆancia, Windformer, etc. [67]. Transmissão Tipo de máquina Entrada Rotor Estator Conexão com a rede Saída
Fonte de energia mecânica Velocidade variável
Direto Caixa de transmissão
Máquinas síncronas convencionais Máquinas de indução Rotor enrolado (controle do campo) Imã permanente Rotor em gaiola multipólos/convencional
Rotor enrolado ou dupla alimentação sem escovas
Convencional
Conversor Pot. nominal
Fonte de energia elétrica de freqüência fixa ou CC Conversor Pot. Nominal Conversor Pot. nominal Perda por aquecimento Conversão de potência Conversor Pot. reduzida Convencional Convencional Convencional
Máquinas síncronas multipolares e modernas
Figura 3.17: Quadro consolidado das diversas topologias utilizadas em sistemas de convers˜ao de energia e´olica de velocidade vari´avel.