Sistema de processamento de energia aplicado a um aerogerador de pequeno porte conectado à rede elétrica

Abstract

O propósito deste trabalho é apresentar o estudo, análise e simulação de um projeto de sistema de conversão de energia eólica (WECS - Wind Energy Conversion System) de pequeno porte, empregando um gerador síncrono de ímã permanente (PMSG - Permanent Magnet Synchronous Generator) operando com velocidade variável e conectado à rede elétrica. Inicialmente foram obtidas as equações mecânicas que caracterizam o funcionamento de um aerogerador, resultando nas curvas de operação correspondentes. O circuito de processamento foi subdividido em três estágios. No primeiro estágio, responsável pela retificação CA-CC, composto por uma ponte de Graetz com diodos, foi analisado, apresentando equações que descrevem o modo de condução da topologia e as curvas de potência elétrica. No segundo estágio, implementou-se um conversor Boost juntamente com o rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT - Maximum Power Point Tracking). Essa configuração determina a velocidade de rotação do gerador, assegurando o ponto de operação mais adequado. Este modo é mantido enquanto a potência disponível supera a potência mínima estabelecida. O terceiro e último estágio é composto por um inversor de ponte completa com modulação senoidal de três níveis. Seu controle é baseado em compensação da corrente injetada na rede elétrica, com imposição, por PLL, de uma forma de onda senoidal de corrente em fase com a tensão da rede, regulando a tensão do barramento CC, fornecendo assim energia à rede elétrica e cumprindo com as normativas aplicáveis. Finalmente, os resultados da simulação completa, considerando uma potência nominal de 6 kW, são apresentados com o intuito de validar o projeto proposto.

The purpose of this final paper is to present the study, analysis and simulation of a small wind energy conversion system (WECS) project, using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) operating at variable speed and connected to the electricity grid. Initially, the mechanical equations that characterize the operation of a wind turbine were obtained, resulting in the corresponding operating curves. The processing circuit was subdivided into three stages. The first stage, which is responsible for AC-DC rectification and consists of a Graetz bridge with diodes, was analyzed, presenting equations that describe the topology's conduction mode and the electrical power curves. In the second stage, a Boost converter was implemented along with Maximum Power Point Tracking (MPPT). This configuration determines the generator's rotation speed, ensuring the most suitable operating point. This mode is maintained as long as the available power exceeds the minimum power set. The third and final stage consists of a full bridge inverter with a three-level sinusoidal modulation. Its control is based on compensating for the current injected into the grid by imposing, via PLL, a sinusoidal current waveform in phase with the grid voltage, regulating the DC bus voltage, thus supplying energy to the grid and complying with the applicable regulations. Finally, the results of the complete simulation, considering a nominal power of 6 kW, are presented in order to validate the proposed project.