Modelagem e Simulação de uma Bancada Emuladora para Sistemas Eólicos

  • Bruno Samways dos Santos Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento de Engenharia de Produção. PR, Brasil.
  • Hélio Voltolini Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento de Engenharia de Produção. PR, Brasil.
  • Marcelo Henrique Granza Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento de Engenharia de Produção. PR, Brasil.

Resumo

As pesquisas acerca da energia renovável têm se de destacado devido às preocupações com a sustentabilidade. Os estudos sobre a energia eólica demandam testes e aprimoramentos sobre a conversão da energia cinética dos ventos para a energia mecânica transferida pelas pás da turbina eólica. O presente trabalho consistiu em realizar uma simulação de uma bancada de sistemas eólicos, realizando o acoplamento entre dois modelos de máquinas elétricas para suprir a necessidade de uma turbina eólica e um gerador. Buscou-se com essa pesquisa observar o sistema eólico substituindo os motores de corrente contínua pelos motores de indução trifásicos, analisando-se as curvas de potência da turbina, entrada e saída do gearbox, do motor de indução e entregue à rede. A modelagem incluiu os acoplamentos mecânicos dos eixos existentes entre cada máquina do sistema, visando a proximidade do modelo proposto com a realidade, observando a influência de atritos, rigidez, amortecimento, inércias, controles e rendimento principalmente. Os resultados foram promissores para a montagem de uma banca emuladora de sistemas eólicos, concluindo que houve uma perda normal de potência no sistema, entregando uma potência total à rede de 3156 W para uma velocidade de vento de 12 m/s, correspondendo a um rendimento de 84,34% do sistema.

 

Palavras-chave: Sistema Eólico. Turbina Eólica. Motor de Indução. Simulação.

 

Abstract

The research on renewable energy has been highlighted due to the concerns about sustainability. Studies about wind energy require tests and improvements on the conversion of kinetic energy of the wind into the mechanical energy transferred by the blades of the wind turbine. The purpose of this research consisted on a simulation of an emulating stand for wind systems, performing the coupling between two models of electric machines to fulfill the need for a wind turbine and a generator. The wind systems were observed by replacing the DC motors used most commonly as emulators for wind turbine by tri-phase induction motors by analyzing the power curve of the turbine inlet and outlet of the gearbox, induction motor and the power delivered to the power grid. The model included the mechanical linkages between each of the axes of the machine system, aiming the similarity of the proposed model with reality, noting the influence of friction, stiffness, damping, inertia, and efficiency. The results were promising for assembly a wind emulator system, concluding that there was a power loss in the system, delivering 3156 W to the power grid for a wind speed of 12 m/s, corresponding to an efficiency of 84.34% of the system.

Keywords: Wind System. Wind Turbine. Induction Motor. Simulation.

Referências

ABEEÓLICA – Associação Brasileira de Energia eólica. Energia eólica chega a 14,71 GW de capacidade instalada. 2018. Disponível em: <http://abeeolica.org.br/noticias/energia-eolica-chega-a-1471-gw-de-capacidade-instalada/>. Acesso em: 1 out. 2018.

ALVARENGA, E.B. et al. Validação da estratégia de modelagem laboratorial de turbinas eólicas por motores de corrente contínua. In: IX International Conference for Industrial Applications, São Paulo (Brazil). Proceedings... São Paulo, 2010.

ARROYO, A. et al. A methodology for the low-cost optimisation of small wind turbine performance. Appl Energ, v. 104, p. 1-9, 2010.

BOSE, B.K. Modern Power Electronics and AC Drives. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002.

CAMPOS, F.G.R. Geração de energia a partir de fonte eólica com gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo. 2004. 119 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.

DUTRA, R.M. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. 2001. 272 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Programa de Planejamento Energético – COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio De Janeiro, 2001.

FITZGERALD, A.E.; KINGSLEY JR. C.; UMANS, S.D. Máquinas Elétricas: Com introdução à eletrônica de potência. Porto Alegre: Bookman, 2006.

HARDY, T.; JEWELL, W. Emulation of a 1.5MW wind turbine with a DC motor. IN: IEEE POWER & ENERGY SOCIETY GENERAL MEETING, Michigan (USA). Proceedings… Michigan, 2011.

HELLE, L.; BLAABJERG, F. Wind Turbine Systems. In: HELLE, L. (Org.). Control in Power Electronics. Online version: Elsevier, 2003. p.482-509.

LI, W.; XU, D.; ZHANG, W.; MA, H. Research on wind turbine emulation based on DC motor. II IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Harbin (China). Proceedings… Harbin, 2007.

MARTINS, F.R.; GUARNIERI, R.A.; PEREIRA, E.B. O aproveitamento da energia eólica. Rev Bras Ensino Fis, v.30, n.1, p.1304, 2008.

MONFARED, M.; KOJABADI, H.M.; RASTEGAR, H. Static and dynamic wind turbine simulator using a converter controlled dc motor. Renew Energ, v.33, n.5, p.906-913, 2008.

PEREIRA, M.M. Um Estudo do Aerogerador de Velocidade Variável e sua Aplicação para Fornecimento de Potência Elétrica Constante. 2004. 85 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 2004.

ÉPOCA NEGÓCIOS. Brasil avança em ranking de energia eólica com ventos entre os melhores do mundo. 2018. Disponível em: <https://epocanegocios.globo.com/Tecnologia/noticia/2018/02/epoca-negocios-brasil-avanca-em-ranking-de-energia-eolica-com-ventos-entre-os-melhores-do-mundo.html>. Acesso em: 7 dez. 2018.

RABELO, B.; HOFMANN, W.; GLUCK, M. Emulation of the static and dynamic behavior of a wind-turbine with a DC-machine drive. In: IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen (Germany). Proceedings… Aachen, 2004.

ROCHA, P.A.C. et al. Montagem e testes de uma bancada para medição de desempenho de aerogeradores em escala. Rev Bras Ensino Fis, v.32, n.2, p.2309, 2010.

VOLTOLINI, H. et al. Modeling and simulation of the wind turbine emulator using induction motor driven by torque control inverter. In: X International Conference for Industrial Applications, Fortaleza (Brazil). Proceedings... Fortaleza, 2012.

WWEA – World Wind Energy Association. Wind power capacity reaches 539 GW, 52,6 GW added in 2017. 2018. Disponível em: < https://wwindea.org/blog/2018/02/12/2017-statistics/ > Acesso em: 22 dez. 2018.

Publicado
2018-12-30
Seção
Artigos