Impacto de sistemas eólicos na qualidade de energia

Eloi Rufato Junior
Marcos José Rodrigues dos Santos
IMPACTO DE SISTEMAS EÓLICOS NA QUALIDADE DE ENERGIA
Estudo complementar realizado no âmbito da disciplina de pós graduação
Desempenho de Linhas Aéreas Frente a Descargas Atmosféricas – USP/IEE
Coordenador:
Prof. Dr. Alexandre Piantini
maio/2011

2
Tópicos tratados
 Evolução da capacidade de geração eólica instalada no mundo
 Algumas peculiaridades da geração eólica
 Qualidade da Energia – principais indicadores
 Potência reativa
 Variação de tensão
 Nível de potência de curto circuito
 Cintilação ou “flikers”
 Harmônicas
 Operações de chaveamento
 Considerações finais

Relatório da Nona Conferência Mundial de Energia Eólica (2009)
Evolução da capacidade instalada entre 2001 e 2009
3
Evolução da capacidade de geração
eólica instalada no mundo
24 31 39 47 59 74 93 120 159 203 1900 (2020)

4
Liderança mundial em capacidade instalada:
 EUA: 22%
 China: 16,3%.
 EUA, China, Alemanha, Espanha e Índia: 72,9%.
 Energia eólica:
 Resp. por apenas 2% da demanda mundial de Eletricidade.
 Países com Indicadores de demanda mais relevantes:
 Dinamarca: 20%
 Portugal: 15%
 Espanha: 14%
 Alemanha: 9%

5
 Potência instalada na América Latina (2006 a 2009):
 Maior crescimento do mundo(113%)
 Alcançou 1406 Megawatt
 Desenvolvimento se deve principalmente ao Brasil (aumento de
78,5%, total de 600 Megawatts) e México (372,9%, 402 Megawatt)
 Potencial eólico brasileiro: ordem de 272 TWh/ano de energia
elétrica = 64% do consumo nacional de energia elétrica = 424
TWh/ano (fonte: Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 30, n. 1, 1304 (2008).

6
Figura 3 – Oferta Interna de energia Elétrica por fonte – 2009
Fonte: Balanço Energético Nacional 2010 (ano base 2009)

7
 Mar:
 Instalado: 1,2%
 Crescimento de 30% em 2009, com destaque para a Dinamarca,
Alemanha, Inglaterra, Suécia e China.

8
 Em quatro anos, o setor de energia eólica mais do que duplicou o
número de empregado (diretos e indiretos) em todo o mundo. Passou
de 235.000 no ano de 2005 a 550.000 em 2009. Espera-se
1minhão de empregados e 2012
 Futuro: está sendo prevista a fabricação de turbinas de 10 MW, bem
maiores do que as turbinas de 2,5 – 3 MW fabricadas
atualmente. Essas turbinas, têm hélices com até 245 metros de
diâmetro e devem ser colocadas em mar aberto pelos EUA, Noruega
e Inglaterra

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Algumas peculiaridades da
geração eólica
 Dimensões reduzidas - caso das turbinas de vento individuais -(WT)
 São ligadas a redes de distribuição de baixa ou média tensão ao invés
de redes de transmissão de alta tensão - implica especial atenção: fluxos
de energia e com a proteção do sistema
 Natureza variável do vento
 Adequados cuidados no projeto, associados à tecnologia atualmente
utilizada permitem que sejam enfrentados poucos problemas

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Algumas peculiaridades daa
geração eólica
 Tipo de gerador elétrico
 Inicialmente: geradores síncronos
 Atualmente: geradores de indução*
(*) Considerando-se a evolução da eletrônica de potência (ex: PWM - Pulse Width
Modulation)

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TIPOS DE GERAÇÃO EÓLICA
Utilizados desde os anos 80
Baseado no gerador de indução de gaiola, diretamente
ligado à rede
Sua velocidade só pode variar 1% ou 2%
Fabricante: Suzion, Nordex, Siemens, Ecotecnia
Mercado Europeu: 30%
Introduzido e utilizado pela Vestas nos anos 80 e 90
Baseado no gerador de indução com rotor bobinado,
estator conectado diretamente à rede e resistência do
rotor controlada por conversor de energia
Sua velocidade só pode variar 10% durante rajadas de
vento para maior qualidade de energia e redução do
estresse da caixa de engrenagens
Controle Pich das pás
Fabricante: Vestas (V27, V34, V47)

Baseado no gerador de indução de rotor bobinado. O
estator é ligado diretamente à rede. O rotor é ligado à
rede atráves de um conversor de tensão back-to-back
para controlar o sistema de excitação.
Controle de potência ativa e reativa, controle ativo de
tensão. A alimentação através de conversor é de aprox.
40% do total.
Velocidade pode variar: ± 40% da velocidade síncrona
Fabricante: GE, Repower, Vestas, Nordex, Gamesa,
Ecotecnia, Suzion.
Geradores síncronos com base no rotor bobinado e um
gerador de indução tipo gaiola.
Completamente dissociado da rede, com amplo controle de
potência reativa e tensão.
Tecnologia de conversores variáveis de pontes duplas SCR
(conversores de fonte de corrente) para os tipos mais
antigos - anos 90. Para modernos: conversores de fonte de
tensão de alta potência (> 2MW).
Fabricante: ABB, Enercon, MG, GE, Winwind, Siemens,
Made, Leitner, Areva, outros.
12

Turbinas tipo D
13

Turbinas tipo D
14

Turbinas tipo D
15

16
Principais indicadores da
qualidade da energia
Qualidade de energia de turbinas eólicas
O termo qualidade de energia de uma turbina eólica (WT) descreve
o desempenho elétrico da turbina no sistema de geração de
eletricidade. É o reflexo das interferências da geração na rede e,
assim, a influência de um gerador eólico sobre a qualidade da
tensão da rede

17
Parâmetros de qualidade
 Potência Reativa
 Tensão no estado estacionário
 Flicker ( até 35 Hz)
 Harmônicos
 Operações de Chaveamentos

18
INTERFERÊNCIAS NA REDE CAUSADAS POR
TURBINAS EÓLICAS
OPERAÇÕES DE CHAVEAMENTOPICOS E AFUNDAMENTOS DE TENSÃO
COMPONENTES INDUTIVAS OU GERADORES
SINCRONOS
CONSUMO DE POTÊNCIA REATIVA
CONTROLES TIRISTORIZADOS
INVERSOR DE FREQUÊNCIA
HARMÔNICOS
FLUTUAÇÕES NA VELOCIDADE DO VENTO
FLUTUAÇÕES NA VELOCIDADE DO VENTO
CISALHAMENTO DO VENTO
ERRO DE GUINADA
ERRO DE PASSO DE PÁ
EFEITOS DE SOMBRA DE TORRES
OPERAÇÕES DE CHAVEAMENTO
FLUTUAÇÃO DE TENSÃO E FLICKER
PRODUÇÃO DE ENERGIAAUMENTO DE TENSÃO
CAUSASPARÂMETROS

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Potência Reativa
 Tipos de geradores
 Geradores de indução consomem energia reativa (60% em plena
carga)
 Geradores síncronos consomem energia reativa (sub excitados)
 Geradores síncronos produzem energia reativa (super excitados)

20
 Perda associadas à potência reativa
 A corrente associada ao fluxo de potência reativa é perpendicular (ou
defasado de 90 graus) à corrente associada à potência ativa
 Devido a esta perpendicularidade, a corrente total resultante é a raiz
da soma ao quadrado das duas correntes
 As perdas no sistema são proporcionais ao quadrado da corrente total.
 Corrente reativa deve ser minimizada, pois contribui tanto para as
perdas do sistema como a corrente ativa.
 Corrente reativa também provoca queda de tensão no sistema

21
Turbinas eólicas de velocidade fixa com geradores de
indução acoplado direto:
A demanda de potência reativa do gerador assíncrono é parcialmente
compensada pelos bancos de capacitores. Assim, o fator de potência da
turbina eólica, que é a relação entre potência ativa e aparente, é, em geral
na faixa acima de 0,96.
Turbinas eólicas de velocidade variável com inversor
com largura de pulso modulada (PWM):
Para turbinas eólicas com inversor com largura de pulso modulada a
potência reativa pode ser controlado pelo inversor. Assim, as turbinas
eólicas podem ter fator de potência de 1,00. Mas esses sistemas inversor
também tem a possibilidade de controle de tensão, controlando a potência
reativa (geração ou consumo de potência reativa)

22
Consumo de Potência Reativa –
gerador velocidade fixa

23
Tensão em regime permanente
Em muitos dos casos, o aumento da tensão no estado permanente ou queda é o
principal problema para a ligação à rede
• Em redes fracas uma grande queda de tensão em Regime Permanente é causada
por:
Linhas aéreas longas
- demanda de potência reativa dos consumidores
- demanda de potência reativa de turbinas eólicas
• Método de cálculo
- cálculo do fluxo de complexos de carga (melhor solução)
- De uma forma simplificada:

24
 Para minimizar as perdas:
 instalação de capacitores próximos à carga indutiva, se for o caso
 Compensação da turbinas de modo que trabalhe dentro dos limites de
fator de potência entre as condições de marcha lenta e plena carga.
 Controle da energia produzida por meio de inversores de largura de
pulso modulada (PWM)

25
 Variação de Tensão
 Causada por flutuações de cargas e/ou de produção de energia
 É a causa mais comum de reclamações sobre a qualidade da tensão.
 Sob o ponto de vista da produção – “vilão”: são as variações cíclicas
diárias do vento
 OBS: A caracterização do potencial eólico permite conhecer as variações
lentas da tensão e averiguar a eventual necessidade ações corretivas.

26
 Sob o ponto de vista da carga, grandes distúrbios podem ser
causados por aparelhos de fusão, máquinas de solda a arco e
partida de grandes motores.
 Em sistemas bem projetados, lentas variações de tensão entre -
10% e +6% do valor nominal (em degraus de 3%) são
freqüentes (ocorrem algumas vezes por dia) e não são
preocupantes, apesar de visíveis a olho nu.

27
 Diante de tensão fora dos padrões convém:
 Instalação de transformadores com regulação em carga
 Instalação de bancos de capacitores variáveis e controláveis
 Reajuste dos TAPs dos transformadores instalados
 Ajuste da potência reativa fornecida localmente
 Reforço da rede elétrica
 Desligamento da central eólica (último caso)

28
 Nível de Potência de Curto Circuito
 O nível de potência de curto circuito num dado ponto de uma rede
de energia elétrica é um indicador da sua capacidade de absorver
distúrbios sem se desequilibrar

29
RSC = SSC / P é uma medida da força. A rede é forte em relação à
instalação se RSC é acima de 20 a 25 vezes e fraca para RSC abaixo
de 8 a 10 vezes.
Figura 2 – circuito equivalente
Ssc = Usc2 / Zsc

30
 Cintilação ou “Flickers”
 São pequenas e rápidas variações de tensão, normalmente
provocadas por variações da velocidade do vento em escalas de
tempo de milisegundos a minutos, aliadas a aspectos dinâmicos
estruturais das turbinas eólicas.

31
Coeficiente de flicker “C”
A distorção de cintilação para a operação contínua das turbinas eólicas podem
ser calculadas por:
Sk = Potência de curto-circuito da rede no ponto de acoplamento comum (PCC).
ψk: ângulo de impedância da rede no PCC
Va: velocidade do vento média anual
Sn: potência aparente do Gerador a potência Nominal
c (Ψk, va): coeficiente de cintilação
Plt: distorção cintilação

32
 Há equações específicas para os casos de:
 Emissão de “flicker” de uma única turbina eólica durante operação de
mudança de gerador e partida da mesma
 emissão “flicker” contínua de várias turbinas eólicas
 Emissão de “flicker” de várias turbinas durante as operações de
mudança de gerador e partida das mesmas

33
Flicker
Variações rápidas de tensão na faixa de freqüência até 35 Hz são chamados de
Flicker.
A Pst = 1 dá a curva de nível, onde a cintilação visível é um fator preocupante
para as pessoas. A freqüência mais sensível é de 8,8 Hz.

34
Medições de flicker
Flickers avaliados e flutuação de tensão
Baseados na ICE 61000-4 - 15
• Medição da corrente no Gerador Eólico
• Para converter a variação de tensão na rede com o parâmetro padrão
• Avaliação de cintilação da flutuação de tensão calculada

35
Medições de flicker para turbina de velocidade fixa de
500 kw

36
Coeficiente de flicker “C”
O coeficiente c flicker dá uma medida adimensional normalizado da cintilação,
independente da situação da rede e, portanto, adequados para comparar
geradores eólicos de diferentes tamanhos e tipos.
O coeficiente c flicker determina a relação entre a potência de curto-circuito e a
potência aparente do gerador para um nível de cintilação a longo prazo de Plt
= 1.
Com a potência de curto circuito conhecida, potência nominal, o ângulo de
impedância da rede e do ângulo de fase do gerador o nível de cintilação pode
ser calculado a partir de c para um determinado ponto de acoplamento
comum:

37
Limites de valores de flicker conforme normas IEC
Plt < 0.25 (IEC 61000-3-7)
Pst < 0.35 (IEC 61000-3-7)
Pst – Cálculo de Flicker para Tempo Curto até 10 minutos
Plt – Cálculo de Flicker para Tempo Longo = 2 horas

38
Harmônicos
 É um fenômeno associado à distorção da onda senoidal
fundamental da rede tensões, que por sua vez, é puramente
senoidal na situação ideal.
 Josef Fourier: qualquer função periódica pode ser expressa como
uma soma de curvas senoidais com diferentes freqüências que
vão desde a freqüência fundamental - a primeira harmônica – até
os seus múltiplos inteiros, onde o inteiro designa a ordem da
harmônica.

39
Figura 3 - Distorção harmônica de terceira ordem
Fonte: Energie - Wind Turbine Grid Connection and Interaction

40
 Perturbações Harmônicas:
 Emitidas por vários equipamentos
 Dependendo de sua ordem: diferentes tipos de danos a diferentes
tipos de equipamentos
 Causam aumento da corrente circulante, implicando possível
superaquecimento em capacitores
 Como harmônicos com ordem três e múltiplos ímpares mais elevados
do que três estão em fase em uma rede trifásica equilibrada, não
podem se cancelar entre as fases, o que causa correntes circulantes
nos enrolamentos de transformadores conectados em delta,
novamente implicando um possível superaquecimento de
componentes do sistema.
 Harmônicos mais altos podem ainda dar origem a um aumento do
ruído nos circuitos de telefones analógicos.

41
 Cargas mais antigas são mais propensas a gerar harmônicos, pois se
utilizam conversores de freqüência com base na tecnologia de tiristores
(chaveamento do sinal uma vez em cada meio período = gera grandes
quantidades de harmônicas de ordens menores...até N = 40)
 Atualmente: “Pulse Width Modulation” (PWM) – INVERSOR COM
MODULAÇÃO DE PULSO - executa o chaveamento do sinal muitas
vezes por ciclo - passa a produzir harmônicas a partir do ponto onde a
tecnologia antiga para (2kHz). A amplitude do sinal produzido é
pequena - facilmente suprimida por filtragem
 IEC 61000-03-06 estabelece diretrizes para níveis de compatibilização e
planejamento no que se refere a redes de média e alta tensão. Também
apresenta métodos para avaliação da contribuição de individual em
relação ao nível de distúrbio total.

42
 Os inversores PWM geram Harmônicos de Corrente na ordem de KHz (
múltiplos de 3)

43
Onde, Un são as harmônicas individuais e U1 a amplitude fundamental (ou
valor RMS).
 A distorção é expressa como Distorção Harmônica Total (THD) e o
nível de compatibilidade recomendada em um sistema de média
tensão é de 8%, enquanto os níveis indicativos de planejamento
para um sistema de média tensão é de 6,5% e 3% em um sistema
de alta tensão.
 Com base nas amplitudes (ou valores RMS) dos harmônicos
presentes na tensão, a THD pode ser calculada por:

44
 Limites de harmônicos de corrente
 Alemanha

45
 Limites de harmônicos de corrente
 Dinamarca

46
 Limites de harmônicos
De tensão
COPEL
0,5> 12
0,512
0,510
0,58
0,56
14
22Pares
0,5> 21
0,521
0,515
1,59
53Impares
múltiplas
de 3
1> 25
1,525
1,523
1,519
217
313
3,511
57
65Impares não
múltiplas de 3
1 kV < Vn ≤ 13,8
kV
Harmônica
Distorção Harmônica Individual
de Tensão [%]
Ordem
Harmônica
613,8 kV < Vn ≤ 69 kV
81 kV ≤ Vn ≤ 13,8 kV
DISTORÇÃO HARMONICA TOTAL DE
TENSÃO (DTT) [%]
TENSÃO NOMINAL DO BARRAMENTO

47
Operações de Chaveamento
 Conexão e desconexão de equipamentos elétricos e máquinas de
indução geram:
 Perturbações na rede
 Elevados picos de torque no acionamento de uma turbina de
vento ligada diretamente a um gerador de indução.
 Neste contexto, as turbinas Eólicas classificam-se em:
 Primeiro grupo:
 utilizam-se de eletrônica de potência, para conduzir toda a potência
nominal do gerador num circuito principal.
 Controlam a corrente de entrada continuamente de zero ao valor
nominal. Geram perturbações mínimas durante a comutação

48
 Segundo grupo:
 Conduz somente uma pequena parcela da potência nominal
eletronicamente por meio de um circuito secundário - geralmente
correspondente ao circuito do rotor de um gerador de indução.
 A tecnologia adotada pode permitir a circulação de corrente de
cinco a sete vezes a corrente nominal por menos de 100ms, onde
os picos são de até 18 vezes a corrente nominal.

49
 Diminuição dos efeitos com a instalação de limitadores de
corrente (ou “Soft Starter”) baseados na tecnologia de tiristores:
 Limita a corrente a cerca de duas vezes a corrente nominal
do gerador.
 Tem uma capacidade limitada térmica e é curto circuitado
por um contator que pode conduzir a corrente de plena
carga quando a ligação à rede for concluída.
 Atenua os picos de torque no entreferro do gerador
associadas com os picos de corrente e, conseqüentemente,
reduz a cargas sobre a caixa de velocidades.

50
Proteção com chaveamentos rápidos
Os geradores eólicos são desconectados do sistema, quando do
afundamento de tensão, provocados por curto circuitos ao longo da rede.
 Algumas aplicações podem exigir que as falhas na rede, não
afetem os sistemas de geração distribuída (por exemplo, onde a
qualidade da energia é essencial)
Neste caso, a comutação rápida, de estado sólido 3 fases podem
ser usados para desconexão rápida da rede. Estes dispositivos
incluem:
- Interruptores AC • baseado em SCRs back-to-back
abrindo em um ciclo da Rede – 16,67 ms
 - Chaves do tipo Estado Sólido tipo GTO ou IGCT – abertura em 2
a 3 ms.

51
Gerador eólico durante um curto na carga sem svc
(recuperador estático de tensão)

52
Interruptor de estado sólido

53
 Os acessantes de geração devem adotar medidas necessárias para que
a flutuação de tensão decorrente da operação de seus equipamentos,
bem como outros efeitos dentro de suas instalações não provoque no
respectivo ponto de conexão a superação dos limites de PST (Probability
Short Time) e PLT (Probability Long Time) apresentados na Tabela XI:
FLUTUAÇÃO DE TENSÃO

54
 TERMINOLOGIA - PST (Probability Short Time) e PLT (Probability Long
Time):
FLUTUAÇÃO DE TENSÃO

55
Considerações finais
 Interfaces eletrônicas para a geração distribuída de energia estão
se aproximando de uma estrutura comum.
 Geradores de velocidade variável (turbinas eólicas e gás) estão
evoluindo para alternadores conectados diretamente,
especialmente na faixa de MW, e utilizando retificadores ativos ou
passivos (diodos).
 Fontes de energia renováveis (painéis fotovoltaicos,
aerogeradores) são mais freqüentemente utilizadas em paralelo
para atingir o nível de potência desejado.
 A integração destas fontes podem ser realizadas num link DC
como alternativa ao paralelo normal ( AC) a nível de rede. Neste
caso inversores centralizados de alta potência são utilizados como
interface com a rede.

56
Considerações finais
 A questão da variação de tensão apresentou-se de forma
polêmica, mas podemos admitir que se bem projetadas, as
turbinas eólicas não oferecem, de fato, variações de tensão em
níveis descontrolados
 A julgar pelo potencial eólico brasileiro e pelo atual nível de
domínio da tecnologia empregada em sistema eólicos, é razoável
entender que a energia eólica tem um futuro promissor no Brasil e
no mundo

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