Emulador de turbina eólica: uma ferramenta para o estudo experimental e computacional

Abstract

As fontes renováveis de energia apresentam-se como solução para problemas relacionados ao aumento da demanda por energia elétrica e crescimento dos níveis de emissão de gás carbônico, uma vez que são não poluentes, limpas e abundantes. Aproveitamentos eólicos se mostram como uma das mais promissoras fontes de energia renovável, e por essa razão as pesquisas envolvendo este tipo de aproveitamento têm despertado grande interesse na comunidade científica. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um emulador de turbina eólica (ETE), uma ferramenta de apoio às investigações experimentais capaz de reproduzir o comportamento mecânico dinâmico de uma turbina eólica através de uma malha de controle digital em configuração de hardware-in-the-loop atuando sobre um acionamento eletrônico de uma máquina de indução Operando como fonte de força motriz, o ETE torna mais fácil a avaliação dinâmica de geradores e seus sistemas de controle associados voltados às aplicações envolvendo energia eólica. A pesquisa apresenta uma revisão bibliográfica sobre o estado da arte, a modelagem e a implementação experimental de um emulador de turbina eólica utilizando um motor de indução trifásico (MIT) acionado por um inversor de frequência. Para isso, é implementado um controle em malha fechada de conjugado e velocidade. Este controle faz com que o acionamento eletromecânico representado pelo MIT e inversor de frequência apresente em seu eixo o comportamento de uma turbina eólica conforme os parâmetros do modelo, considerando ainda as variações na dinâmica do vento, fenômenos aerodinâmicos, efeitos de carga e ângulo de passo. O algoritmo de controle da bancada experimental foi implementado com o auxílio do software MATLAB®/Simulink® e executado de forma autônoma no DSP TMS320F28335. A supervisão e parametrização do emulador é realizada em tempo real por meio de comunicação USB entre o computador e o DSP. Resultados experimentais demonstram a efetividade da utilização do conjunto MIT-inversor de frequência para a emulação de uma turbina eólica, comprovada pela reprodução experimental das curvas de conjugado e potência de turbina eólica real.

Renewable sources of energy appear to be a great solution to problems related to rising demand for electricity and the ever-growing worldwide concern about carbon dioxide emission levels as they are non-polluting, clean and abundant. Wind energy is one of the most promising forms of renewable energy. Thus, in order to further improve wind generation technology, this work presents a wind turbine emulator (WTE) capable of simulating power curves of a turbine by means of hardware-in-the-loop control. An WTE is an important tool for the development of renewable energy systems providing a controllable test environment that allows the evaluation and improvement of control schemes which is difficult to acquire in real wind turbines as wind speed is randomly. Thus, this dissertation presents the analysis, modeling and experimental implementation of a wind turbine emulator using a three-phase induction motor (TIM) driven by a frequency inverter. For this, a closed loop control of torque and speed is implemented. This control causes the TIM along with the frequency inverter to emulate the actual behavior of a wind turbine, considering variations in wind dynamics, aerodynamic phenomena, load effects and pitch angle. The control algorithm is designed via MATLAB®/Simulink® software and communication between the computational model and the experimental bench is ensured through the DSP TMS320F28335. Using a torque sensor and an encoder, this model defines the torque level on the system shaft and the rotational speed of the TIM. These signals are fed back to the computational model and thus the power curve of the WTE is defined with the voltage level to be applied to the frequency inverter. Experimental results demonstrate the effectiveness of using the TIM-frequency inverter assembly for emulating a wind turbine, since the WTE can represent a real wind turbine