Processamento parcial de energia aplicado a sistemas eólicos de pequeno porte conectados à rede elétrica

Abstract

Esta dissertação apresenta a análise, projeto e implementação experimental de um sistema de processamento de energia aplicado à turbinas eólicas de pequeno porte conectadas à rede elétrica. Com o objetivo de aumentar a eficiência global, reduzir custo e volume, o sistema utiliza o conceito de processamento parcial de energia no estágio CC-CC. Inicialmente, as equações mecânicas que caracterizam a operação de um aerogerador são obtidas, com a definição das curvas de potência em função da velocidade de vento e rotação do gerador síncrono a ímãs permanentes. Sendo, destarte, necessária a conversão CA-CC no sistema, o estágio retificador, composto por uma ponte de Graetz a diodos, é analisado, com o desenvolvimento das equações que descrevem o modo de condução da topologia e as curvas de potência elétrica. A partir desta análise é definida a estratégia de controle para extração da máxima potência do sistema eólico à velocidade variável. Posteriormente, o conceito de processamento parcial de energia é introduzido, bem como a motivação da aplicação em sistemas eólicos de pequeno porte, as características gerais de operação e suas formas de implementação. De modo a definir os requisitos para distinguir quais topologias são capazes ou não de realizar processamento parcial, avalia-se a potência ativa e não-ativa processada em cada conversor estudado. Na sequência, analisa-se de forma estática e dinâmica o conversor com processamento parcial baseado na topologia Full-Bridge, o qual apresentou os melhores resultados em termos de potência não-ativa dentre as estruturas isoladas estudadas. Ademais, define-se a estratégia de controle do inversor monofásico, o qual desempenha a função de interface entre o barramento CC e a rede elétrica. Findada a análise teórica, realiza-se o projeto dos estágios de processamento e a implementação prática do sistema aplicado a uma turbina eólica de 1,5 kW. Por fim, tendo como objetivo corroborar o estudo proposto, apresentam-se os resultados de simulação e experimentais obtidos.

Abstract: This thesis presents the analysis, design and experimental implementation of a energy processing system applied to small wind turbines systems connected to the power grid. In order to increase the overall efficiency, reduce costs and volume, the partial-power processing concept is used in DC-DC stage. Firstly, the mechanical equations that describe the wind turbine operation are obtained, with the definition of power curves as a function of wind speed and generator rotational speed. Once the AC-DC conversion is mandatory in the energy processing system, the rectifier stage, composed of a Graetz diode bridge, is analyzed, with the equations development that represents the topology conduction mode and electric power curves, which ones are used to define the control strategy to extract the maximum available power from the small wind turbine operating with variable speed. Thus, the concept of partial-power processing is introduced, as well as the motivation for appliance in small wind turbines systems, its operating characteristics, and implementation techniques. From a conceptual point of view, the requirements for distinguish that topologies are able or not to perform partial-power processing, the active and nonactive power processing in each converter is evaluated. Then, the partial-power converter based on Full-Bridge topology is studied, which presents the best results in terms of active and nonactive power processing among the isolated converters analyzed. In addition, the control strategy of the single-phase inverter is defined, in order to connect the DC bus in the power grid. Finally, to corroborate the theoretical analysis and evaluate the performance of the proposed system, simulation and experimental results are presented for a 1.5 kW small wind turbine system.