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=Rsisd+dtdψsd−ωsψsq
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq=Rsisq+dtdψsq+ωsψsd
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd=Rrird+dtdψrd−ωslipψrq
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq=Rrirq+dtdψrq+ωslipψrd
Equações de fluxo:
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq=−Lmirq
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd=Lrird+Lmisd
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq=Lrirq+Lmisq
Equação de torque:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq
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:
- Quando a velocidade do vento atinge o valor de corte, o aerogerador impulsiona o gerador até a velocidade mínima.
- Ativa o conversor para igualar a tensão do estator à da rede (amplitude, fase, frequência).
- 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−ωsLiq+sdudc
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+ωsLid+squdc
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(sdid+sqiq)−iload
Equações de potência:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq
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−ωsLiq+ud
uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗=(R+Ldtd)iq+ωsLid
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:
- O sistema alcança o fluxo de potência bidirecional e a regulação independente do fator de potência de entrada/saída;
- Harmônicos baixos e fator de potência alto garantem a qualidade da energia;
- A conexão/desconexão suave à rede reduz o estresse mecânico/elétrico;
- A aplicabilidade a instalações eólicas de grande escala de classe megawatt.
