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A Comprehensive Overview on Wind Power Integration to the Power Grid

(Uma visão abrangente sobre Energia Eólica Integrado à rede elétrica)

R. P. S. Leão, F. L. M. Antunes, T. G. M. Lourenço e K. R. Andrade Jr.

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 7, NO. 6, P 620-629, DECEMBER 2009

DISCIPLINA: GERAÇÃO EÓLICAALUNA: KATIUSCIA LOPES DOS SANTOS

AGOSTO/2014

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RESUMO: Além da hidroelétrica, a energia eólica tem emergido como o recurso renovável mais promissora para a base tecnológica industrial, bem como a experiência e confiabilidade alcançado nos últimos 20 anos de operação em pequenos e grandes sistemas em todo o mundo. Apesar do crescimento e desenvolvimento fenomenal nas últimas décadas, a indústria das turbinas eólicas continua a se desenvolver, a fim de aumentar a eficiência e controlabilidade dos aerogeradores e facilitar a integração com a rede elétrica. Este artigo apresenta uma visão geral sobre as mudanças que os sistemas de energia estão passando e discute aspectos importantes decorrentes da penetração em grande escala da energia eólica na rede de energia elétrica, como os desafios relacionados com a infraestrutura de transmissão e distribuição, questões relacionadas ao equilíbrio, reserva e previsão da energia eólica, bem como a capacidade dos aerogeradores. A energia eólica tem causado muitas transformações nos sistemas de energia, como nas estratégias de planejamento e operação, regulamentação e no mercado de energia.

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SUMÁRIO

I. IntroduçãoII. O avanço na tecnologia dos aerogeradores.III. Integração de plantas eólicas à rede elétrica.IV. Desenvolvimento do Mercado e regulação para plantas eólicas.V. Conclusão

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INTRODUÇÃO

• A rede elétrica do presente - modelo uma geração centralizada, com a energia transmitida de grandes centrais de geração aos centros de carga por linhas de transmissão e entregue aos consumidores através de uma infra-estrutura de distribuição passiva.

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INTRODUÇÃO• A rede elétrica do futuro – A descentralização da geração de energia elétrica tem

contribuído à participação de diferentes tecnologias de geração baseadas em fontes renováveis e não-renováveis, como as plantas a gás, as centrais hidrelétricas, os parques eólicos, as plantas de co-geração, e os sistemas fotovoltaicos

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INTRODUÇÃO

Características da futura rede elétrica:• As redes de distribuição ativas com fluxos de energia bidirecionais.• Agregação de micro redes em planta de energia.• Redesenho da arquitetura de rede elétrica com maior participação das

tecnologias de informação e comunicação, transformando a atual rede elétrica em uma rede inteligente.

• Marco regulatório estável e transparente, dando as duas opções ao consumidor: grandes geradores centralizados e pequenas fontes de energia distribuídas.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

A. Tecnologia Atual dos Aerogeradores• Em geral, os conceitos de aerogeradores mais comumente empregados

podem ser classificados pela capacidade de controle de velocidade e pelo tipo de controle de potência .

• Basicamente duas concepções de aerogeradores dominam o mercado: os

aerogeradores de velocidade fixa e os de velocidade variável.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

Velocidade Fixa

Conectado diretamente a rede Com a velocidade do gerador mantida pela velocidade angular da rede elétrica. As flutuações na velocidade do vento são convertidas em flutuações no torque

mecânico e transmitidas à rede elétrica. As flutuações na potência elétrica causam flutuações na tensão e perdas nas

linhas.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

Velocidade Variável Emprego de conversores eletrônicos de potência CA-CC-CA Controle da velocidade do gerador, desacoplando a frequência da rede elétrica (ou

velocidade angular) a frequência (ou velocidade) mecânica do rotor. Possibilidade de adaptar continuamente, acelerando ou desacelerando, a velocidade

girante do aerogerador à velocidade do vento, de modo que a velocidade específica seja mantida no valor correspondente à máxima eficiência aerodinâmica da turbina.

Torque do gerador praticamente constante, sendo as variações do vento absorvidas pela alta inércia da turbina eólica e pelas mudanças na velocidade do gerador, reduzindo o estresse mecânico sobre o eixo e a caixa de engrenagem.

O elo cc do conversor age como um armazenador de energia, tal que a energia capturada do vento é armazenada como uma carga nos capacitores e pode ser instantaneamente injetada na rede.

Conversores de freqüência nos aerogeradores de velocidade variável torna possível o controle rápido e independente de potência ativa e reativa permutada entre aerogerador e rede, tendo como resultados: um melhor controle de freqüência e tensão, uma resposta mais rápida sob situações transitórias e dinâmicas do sistema de potência, influência na estabilidade da rede e melhorias na qualidade de energia, com benefícios na redução do nível de flicker, filtragem de harmônicas de baixa ordem, e limitação na corrente de in-rush.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

Nas modernas turbinas eólicas a potência de saída pode ser controlada:• Controle de passo (Rotação axial das pás ): Gira as pás em torno do seu

eixo para regular a potência extraída pelo rotor, desviando-se ou não do vento. Abaixo da velocidade nominal do vento as pás são rotacionadas para extração ótima de potência, enquanto para velocidades de vento acima da nominal as pás são rotacionadas para um ângulo de ataque pequeno (maior ângulo pitch) a fim de limitar a potência extraída do vento, através dos sensores de posição das pás.

• Controle yaw (rotação da nacele): rotor da turbina também gira para alinhar-se à direção do vento, fazendo girar a nacele sobre a torre a fim de capturar a máxima energia do vento (yaw controle). Isto envolve um sistema de controle ativo com sensores de vento sobre a nacele, que indicam ao controlador de yaw para onde apontar a turbina.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORESA introdução do conceito de velocidade variável diversifica os tipos de geradores usados nos aerogeradores:

• Resistência variavel controlada eletronicamente para controlar a potencia de saida.

• Banco de capacitores para compensação de reativos consumidos pelo gerador.• soft-starter para minimizar a corrente de partida.• caixa de engrenagem para compatibilizar a velocidade girante das pás com a

do gerador.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

• Conversor de freqüência conectado entre o circuito do rotor do gerador e a rede elétrica, estando o enrolamento do estator conectado diretamente à rede.

• Somente a potência de escorregamento é manipulada pelo conversor e, por conseguinte, a potência do conversor é de apenas 20 a 35% da potência nominal do gerador.

• O conversor permite a produção e consumo de potência reativa.• O menor conversor de freqüência torna esta configuração atrativa do ponto de

vista econômico• Apresentam maior dificuldade técnica de integração à rede porque, durante

situações de falta, o conversor de potência é submetido a grandes sobrecorrentes e o elo cc do conversor a elevada sobretensão, necessitando de avançados sistemas de proteção.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

• Configuração do tipo multipolo de acoplamento mecânico direto• Sem caixa de engrenagem• Conectado à rede através de conversor de freqüência de capacidade plena.• Potência nominal compatível à do gerador.• O conversor de freqüência realiza a compensação de potência reativa e permite a

variação plena em ampla faixa de velocidade.• Podem ser ativos durante faltas na rede contribuindo para a recuperação da tensão da

rede, tendo capacidade para diminuir a produção de potência embora haja disponibilidade de vento.

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AVANÇO NA TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

B. Tendências na Tecnologia de Aerogeradores• Aplicação de torres mais altas para aumentar a captura de energia dos ventos.• Inovações em modelo e materiais devem ser empreendidos para reduzir os custos.• Criação de geradores multipolos de menor tamanho.• Inovações são também esperadas para os conversores eletrônicos de potência,

como por exemplo, Conversores multiníveis com chaves de silício permitem reduzir as perdas de chaveamento com melhoria da eficiência do conversor na condição de ventos baixos, sem sacrificar o desempenho na potência nominal.

• Técnicas para compensação de reativos para controle de tensão e de fluxo de potência.

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

• A integração de grande escala pode acontecer em duas condições principais: Grandes usinas eólicas conectadas ao sistema de transmissão. Várias parques eólicos de médio e pequeno porte conectados aos

sistemas de distribuição em uma área do sistema de potência.• Um dos maiores desafios enfrentados pelo setor de energia elétrica é

como integrar eficientemente uma significativa quantidade de energia eólica ao sistema elétrico.

• Os modernos aerogeradores de velocidade variável oferecem melhor integração à rede com desempenho semelhante às plantas convencionais, i.e., rápida resposta às demandas do operador da rede, e maior aproveitamento da energia produzida para o mesmo regime de vento.

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

A. Desafios para a Integração à RedeInfra-estrutura da rede elétricaPrevisibilidade da potência geradaBalanço de energia e capacidade de reservaSuportabilidade dos aerogeradoresEstabilidade transitória

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

1. Infra-estrutura da Rede Elétrica

• Uma das maiores questões da conexão de plantas eólicas à rede elétrica diz respeito a mudanças na infra-estrutura de distribuição ou transmissão. A instalação de novas plantas eólicas pode conduzir ao congestionamento local da rede e assim necessitar de nova infra-estrutura de rede.

• Alternativas Reforço e expansão na rede Corte de produção das plantas eólicas. Armazenamento do excesso de energia eólica

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

2. Balanço, reserva e previsibilidade da energia eólica• Por vezes é incorreto dizer que a energia eólica é inerentemente não

confiável porque é variável – o vento é variável, mas longe de ser imprevisível.

• O que pode diminuir a variabilidade do sistema eolieletrico? Previsão da variabilidade com horas ou dias de antecedência. Quanto

menor a janela de tempo para a energia eólica, maior o acerto e menor o custo do erro.

Distribuição geográfica de plantas eólicas.• Custos com balanço de energia, expansão e reforço de rede

ocorrem com todas as tecnologias de geração de energia elétrica, não apenas com a energia eolielétrica.

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

3. Suportabilidade dos aerogeradores• A capacidade de sobrevivência à falta (FRT - Fault Ride-Through) - refere-

se à capacidade dos geradores de plantas eólicas permanecerem conectados mediante afundamentos de tensão na rede.

• Se as plantas eólicas ou outras unidades de geração não são capazes de suportar quedas de tensão por um tempo limitado, elas serão desconectadas do sistema e então a potência reativa suprida por esses geradores é perdida, podendo acarretar corte de carga ou mesmo um apagão, no pior caso.

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

• Para garantir a recuperação da tensão: Permanecer conectados ao sistema para prover suporte reativo após a

eliminação da falta. Possui banco de capacitores instalados separadamente para dar

suporte à tensão no PCC e melhorar a capacidade FRT da planta eólica.

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

• Perfil de tensão que os geradores de plantas eólicas em países na Europa e no Brasil devem suportar durante faltas em qualquer ou todas as fases do sistema de transmissão (ST) e distribuição (SD).

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INTEGRAÇÃO DE PLANTAS EÓLICAS À REDE ELÉTRICA

4. Controle de Frequência• Para que os aerogeradores de velocidade variável contribuam para

a inércia do sistema de potência e no controle de freqüência, é proposto a adição de uma malha de controle no conversor eletrônico, que conecta a inércia da turbina eólica diretamente à rede tal que o aerogerador ser capaz de aumentar sua potência suprida à rede durante queda de freqüência na rede.

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DESENVOLVIMENTO DE MERCADO E REGULAMENTAÇÃO PARA PLANTAS EÓLICAS

A. Desenvolvimento de MercadoAs três principais categorias de mecanismo de incentivo são: Sistemas Voluntários (mercado verde) - Onde o mercado determina o

preço e a quantidade de energia eolielétrica produzida; Sistemas de Preços Fixos (Feed-in Tariff (FiT)) - O governo dita os preços

da energia elétrica paga ao produtor por um certo prazo de anos e deixa que o mercado determine a quantidade;

Sistemas de Quota – Com o governo definindo a quantidade de energia elétrica gerada, deixando que o mercado determine o preço;

Sistemas Mistos - acrescentados de vários outros incentivos como e.g. nas tarifas de uso dos sistemas de transmissão e de distribuição, direito de comercialização de certificados “Premium” de seqüestro de carbono, apoio financeiro, etc.

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DESENVOLVIMENTO DE MERCADO E REGULAMENTAÇÃO PARA PLANTAS EÓLICAS

B. Regulamentação para Plantas Eólicas A regulamentação determina as condições mínimas que devem

ser atendidas pelas plantas eólicas quando interligadas à rede elétrica, com relação ao modo de operação contínua (estado permanente) e operação durante condição de falta (estado dinâmico).

As exigências vão de como controlabilidade de potência, qualidade de energia, suportabilidade durante falta e suporte à rede durante distúrbios na rede.

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DESENVOLVIMENTO DE MERCADO E REGULAMENTAÇÃO PARA PLANTAS EÓLICAS

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CONCLUSÃO

Sobre a Energia Eólica Integrado à rede elétrica:

Longo caminho a percorrer antes de alcançar seu pleno potencial em termos de suprimento de energia elétrica em larga escala.

É em geral considerado possível alcançar um nível de penetração de até 20% sem fazer grandes ajustes na estrutura ou operação da rede elétrica

Tem causado muitas transformações compelindo a repensar as estratégias de planejamento e operação do sistema de potência, reestruturar a rede elétrica, revisar a regulamentação com novas demandas e mecanismos sobre mercado de energia.

Motivação e admissão de uma geração de jovens engenheiros para a área de sistemas de potência.