Investigação sobre o Conversor de Frequência de Excitação para Aerogeradores de Velocidade Variável e Frequência Constante

1 Introdução​
A energia eólica é uma fonte de energia renovável com um potencial de desenvolvimento significativo. Nos últimos anos, a tecnologia eólica tem atraído a atenção extensiva de acadêmicos em todo o mundo. Como uma direção chave para o desenvolvimento da energia eólica, a tecnologia de velocidade variável e frequência constante (VSCF) utiliza o sistema eólico de dupla alimentação como uma solução otimizada. Neste sistema, as bobinas do estator do gerador conectam-se diretamente à rede, enquanto o controle VSCF é alcançado regulando a frequência, amplitude, fase e sequência de fase do fornecimento de energia das bobinas do rotor. Como o conversor transmite apenas o poder de deslizamento, sua capacidade pode ser significativamente reduzida.

Atualmente, os sistemas eólicos de dupla alimentação utilizam principalmente conversores AC/AC ou AC/DC/AC. Os conversores AC/AC foram substituídos em grande parte pelos conversores AC/DC/AC de fonte de tensão devido aos seus harmônicos de saída elevados, fator de potência de entrada baixo e dispositivos de potência excessivos. Embora os conversores matriciais tenham sido explorados para sistemas de dupla alimentação, sua estrutura complexa, requisitos de resistência a tensão elevada e controle de entrada/saída não decoplado limitam sua adoção em aplicações eólicas.

Este estudo desenvolve um sistema eólico de dupla alimentação AC/DC/AC controlado por fonte de tensão, utilizando dois DSPs. O conversor do lado da rede adota o controle vetorial orientado por tensão, e o conversor do lado do rotor usa o controle vetorial orientado pelo fluxo do estator. Experimentos confirmam que o sistema suporta fluxo de potência bidirecional, regulação independente do fator de potência de entrada/saída, distorção harmônica baixa, operação estável em ampla faixa e geração de energia de alta qualidade a partir de fontes instáveis, como o vento.

​2 Configuração do Sistema​
Como mostrado na Figura 1, o sistema compreende cinco partes:

• Gerador de dupla alimentação (gerador de indução de rotor enrolado)
• Conversor AC/DC/AC bidirecional de fonte de tensão (retificador/inversor trifásico back-to-back usando módulos IPM)
• Controlador de duplo DSP (DSP fixo TMS320LF2407A + DSP flutuante TMS320VC33)
• Dispositivo de proteção de conexão à rede (contatores do rotor/estator)
• Aerogerador virtual de velocidade variável (motor DC + sistema de controle de velocidade por tiristores SIEMENS SIVOREG)

​Detalhes Chave​

• Conexão do conversor: lado da rede via indutores trifásicos; lado do rotor via anéis de deslizamento/pincéis para as bobinas do rotor do gerador.
• Papéis dos duplos DSP: LF2407A lida com a troca de dados, geração de PWM e sinais da rede; VC33 executa algoritmos centrais; RAM de porta dupla permite compartilhamento de dados em tempo real; CPLD processa decodificação de endereços.
• Proteção da rede: em caso de falhas, desconecta primeiro o contato do estator e bloqueia o PWM; depois, abre o contato do rotor após um atraso.

​3 Controle Vetorial para Gerador de Dupla Alimentação​
​3.1 Princípios de Controle​
No referencial rotativo sincronizado (eixo d alinhado com o fluxo do estator), o modelo do gerador de dupla alimentação é:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd​=Rs​isd​+dtdψsd​​−ωs​ψsq​
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq​=Rs​isq​+dtdψsq​​+ωs​ψsd​
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd​=Rr​ird​+dtdψrd​​−ωslip​ψrq​
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq​=Rr​irq​+dtdψrq​​+ωslip​ψrd​

​Equações de fluxo:​​
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd​=Lm​ims​+Ls​isd​=Lm​ims​
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq​=−Lm​irq​
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd​=Lr​ird​+Lm​isd​
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq​=Lr​irq​+Lm​isq​

​Equação de torque:​​
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te​=−Ls​np​Lm​ims​irq​​

Desconsiderando a queda de tensão devido à resistência do estator, o fluxo do estator satisfaz:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Estratégia de controle:​​

• Corrente de excitação generalizada constante do estator imsi_{ms}ims​ → Torque eletromagnético Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Para fator de potência unitário, a corrente de excitação é totalmente fornecida pelo rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Após a compensação de decuplagem feedforward, regulam-se urdu_{rd}urd​ e urqu_{rq}urq​ para controlar, respectivamente, o fluxo e o torque do rotor.

​3.2 Controle da Rede​

• Conexão Suave à Rede:
1. Quando a velocidade do vento atinge o valor de corte, o aerogerador impulsiona o gerador até a velocidade mínima.
2. Ativa o conversor para igualar a tensão do estator à da rede (amplitude, fase, frequência).
3. Sincronização automática ao atender às condições de conexão à rede.
• Desconexão: Gradualmente descarrega até o estado sem carga antes de se desconectar. Deve operar dentro da faixa de velocidade permitida.

​4 Controle Vetorial do Retificador do Lado da Rede​
No referencial rotativo sincronizado de duas fases (eixo d alinhado com a tensão da fase A), o modelo do retificador PWM é:
ud=Ldiddt+Rid−ωsLiq+sdudc{u_d = L\frac{di_d}{dt} + R i_d - \omega_s L i_q + s_d u_{dc}}ud​=Ldtdid​​+Rid​−ωs​Liq​+sd​udc​
uq=Ldiqdt+Riq+ωsLid+squdc{u_q = L\frac{di_q}{dt} + R i_q + \omega_s L i_d + s_q u_{dc}}uq​=Ldtdiq​​+Riq​+ωs​Lid​+sq​udc​
Cdudcdt=32(sdid+sqiq)−iload{C\frac{du_{dc}}{dt} = \frac{3}{2}(s_d i_d + s_q i_q) - i_{\text{load}}}Cdtdudc​​=23​(sd​id​+sq​iq​)−iload​

​Equações de potência:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Lógica de controle:​​

• Tensão da rede constante → Regula idi_did​ para controlar o potência ativa; iqi_qiq​ para a potência reativa.
• Equações de controle com compensação de tensão:
  ud∗=(R+Lddt)id−ωsLiq+ud{u_d^* = (R + L\frac{d}{dt})i_d - \omega_s L i_q + u_d}ud∗​=(R+Ldtd​)id​−ωs​Liq​+ud​
  uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗​=(R+Ldtd​)iq​+ωs​Lid​

​5 Resultados Experimentais​
​Verificações Chave:​​

• Conexão suave à rede confiável em uma ampla faixa de velocidades;
• Regulação independente do fator de potência (lado do estator/lado da rede ambos atingem unidade);
• Capacidade de fluxo de potência bidirecional do conversor AC/DC/AC atende às demandas de geração.

​6 Conclusão​
Este estudo desenvolve um sistema eólico de dupla alimentação AC/DC/AC baseado em duplo DSP. Combinado com o controle vetorial orientado por tensão do lado da rede e o controle vetorial orientado pelo fluxo do estator do lado do rotor, os experimentos demonstram:

1. O sistema alcança o fluxo de potência bidirecional e a regulação independente do fator de potência de entrada/saída;
2. Harmônicos baixos e fator de potência alto garantem a qualidade da energia;
3. A conexão/desconexão suave à rede reduz o estresse mecânico/elétrico;
4. A aplicabilidade a instalações eólicas de grande escala de classe megawatt.