Metodologia para projetos de controladores de frequência em sistemas de conversão de energia eólica offshore com processamento total de energia conectados a redes isoladas

Abstract

Sistemas elétricos isolados utilizam tradicionalmente geradores síncronos para alimentar cargas locais e controlar a tensão e a frequência da rede em níveis adequados. Alterações no balanço de potência devido às variações de cargas e possíveis perdas de geração provocam variações de frequência na rede, que são limitadas pela inércia do sistema e pela atuação dos controladores dos geradores. Diversas redes isoladas, como as utilizadas em unidades flutuantes de armazenamento e transferência na indústria petrolífera, visam expandir sua capacidade utilizando geração eólica offshore. No entanto, a conexão não síncrona dos geradores eólicos à rede apresenta desafios relacionados à estabilidade de frequência no sistema, como maiores desvios e taxa de variação de frequência. Motivado pela crescente utilização de fontes de energias renováveis em sistemas isolados, este trabalho analisa um sistema de geração de energia eólica com processamento completo via conversores estáticos e com suporte ao controle de frequência em uma rede isolada. Considera-se uma geração eólica do tipo offshore direct-drive com gerador síncrono a ímãs permanentes, conversores trifásicos de três níveis na configuração back-to-back e transmissão via cabo umbilical. A rede isolada consiste em geradores síncronos movidos por turbinas a gás, motores de indução e cargas com características resistivas e de potência constante. Este trabalho contribui com a metodologia para projetos de controladores de frequência em um sistema eólico operando como seguidor de rede e sem a utilização de elementos extras de armazenamento de energia. São considerados os métodos de emulação de inércia e controle droop. O objetivo das malhas de controle é igualar ou melhorar a resposta do sistema perante perturbações de potência quando parte da geração síncrona convencional é substituída por geradores eólicos. Para isso, o projeto é divido em duas partes. Primeiro, considera-se a resposta da frequência no sistema, obtendo faixa de valores para os parâmetros dos controladores que atendem aos requisitos de desvio e derivada de frequência para diferentes percentuais de participação da geração eólica. Em seguida, estabelecem-se os limites dos parâmetros dos controladores que garantem a estabilidade estática do sistema eólico a partir da análise do modelo linearizado em coordenadas síncronas. A validação dos projetos é feita por meio de simulações numéricas utilizando três modelos de simulação diferentes: modelo simplificado, médio e comutado. Apresentam-se estudos de caso que consideram a viabilidade técnica e as possíveis limitações na operação da turbina eólica, do gerador eólico e dos conversores estáticos. Os resultados mostram que em grande faixa de percentual de geração eólica é possível manter os níveis de desvio e derivada frequência iguais ou inferiores ao caso sem geração eólica, sem comprometer a estabilidade do sistema nem a produção de energia.

Abstract: Isolated electrical systems traditionally use synchronous generators to power local loads and control grid voltage and frequency at suitable levels. Power imbalances due to load changes and loss of generation lead to grid frequency deviations, which are limited by the system?s inertia and by the actuation of generator controllers. Several isolated grids, such as the ones employed in floating storage and offloading units in the oil industry, intend to expand their capacities using offshore wind generation. However, non-synchronous connection from wind generators to the grid shows challenges related to system?s frequency stability, such as higher deviations and rate of change of frequency. Motivated by the increasing use of renewable energy resources in isolated systems, this work analyses a wind energy generation system with full scale power processing through static converters and with frequency control support in an isolated grid. A direct-drive wind generation unit with permanent magnet synchronous generator, three-level three-phase converters in a back-to-back configuration, and transmission through umbilical cables are considered. The isolated grid consists in synchronous generators powered by gas turbines, induction motors, constant and resistive power loads. This work contributes with a design methodology for the frequency controllers in a wind energy conversion system operating in grid-following mode without using extra energy storage elements. Inertia emulation and droop control are considered. The goal is to obtain an equivalent or better system response from load disturbances when part of the conventional synchronous generation is replaced by wind generators. Firstly, the system?s frequency time response is considered, obtaining a range of values for the controllers that meet the requirements for frequency deviation and derivative under different wind penetration levels. Next, the control parameters limits are established to guarantee the static stability by analyzing the linearized system represented in synchronous coordinates. The project validation is carried out through numerical simulations using three different models: simplified, average and switched models. Case studies consider the technical viability and the possible limitations in the operation of the wind turbine, the permanent magnet synchronous generator and the power converters. The results show that, in a wide range of wind penetration levels, it is possible to keep frequency deviation and rate of change of frequency levels equal or smaller than the case without wind generation, without compromising neither system stability nor energy production.