Control and integration of wind farms to the power grid using doubly fed induction generators.

Esta Tese trata do controle e integração de centrais eólicas à rede elétrica interligada, utilizando-se geradores de indução duplamente alimentados (GIDE). O objetivo principal da Tese foi desenvolver estratégias de controle discreto para o sistema de geração eólica, de forma a reduzir os impactos na qualidade da energia gerada, em função dos diversos regimes e transitórios de vento, que podem ocorrer no sítio eólico. Para o projeto do sistema de controle dos geradores foi adotada a técnica do controle vetorial, de forma a desacoplar o controle do fluxo das potências ativa e reativa entre o gerador e a rede elétrica. Visando caracterizar os diversos modos de operação do GIDE, com velocidades acima e abaixo da síncrona, foi desenvolvido um estudo de regime permanente do gerador, obtendo-se os limites de correntes, tensões e demais grandezas elétricas e mecânicas, para uma determinada faixa de velocidade. As principais estratégias de controle atualmente utilizadas pelos fabricantes de turbinas eólicas foram analisadas, destacando-se os aspectos da eficiência energética do conjunto turbina-gerador e da qualidade da energia. O projeto das malhas de controle dos conversores estáticos conectados ao circuito do rotor foi desenvolvido utilizando a técnica de controle discreto, propondo-se as estratégias de controle e o conjunto de especificações para definição dos ganhos dos controladores, objetivando reduzir os impactos na qualidade da energia gerada. Foi analisada a influência da modelagem da turbina com eixos elásticos e eixos rígidos, no comportamento das variáveis controladas. Buscando reduzir os harmônicos de ordem elevada da corrente do gerador, devido à modulação por largura de pulso (PWM) dos conversores estáticos, foi proposta uma estratégia de projeto de filtro passivo LCL, instalado no circuito do rotor. Um programa de simulação no ambiente Matlab/Simulinkâ foi desenvolvido, para análise da interligação de um parque eólico, representado por uma turbina equivalente, ao sistema elétrico de potência reduzido, permitindo estudos de regime permanente e transitório. Com este programa, um estudo de caso foi realizado, avaliando-se o controle e a integração de uma usina eólica de 192MW, conectada na rede básica do sistema interligado nacional, na tensão 230kV. Os resultados obtidos mostram as contribuições, das estratégias de controle propostas, para melhorar o comportamento das tensões do sistema elétrico quando da ocorrência de transitórios de ventos na usina.This Thesis presents the control and integration of wind farms to the interconnected power grid, using doubly fed induction generators (DFIG). The main objective of the present Thesis was to develop discrete control strategies for the wind generation system, with the goal to reduce the wind variations impacts in the grid power quality. The design technique selected for the generators control system was the vector control technique, which allows independent control of active and reactive power flow between the generator and the grid. In order to characterize the diverse operation modes of the DFIG, below and above the synchronous speed, a generator steady-state study was developed, getting the current and voltage limits and the others electric and mechanical safe limits variables, for one determined speed range. The main control strategies currently used by the wind turbines manufacturers were analyzed, highlighting the aspects of the turbine-generator energy efficiency and the power quality. The control loops design of the static converters was developed using the discrete control technique. It was elaborated the control strategies and also the basic specifications used to define the controllers gains, with the key target to reduce the impacts in the grid power quality caused by the wind variations. Other aspect covered by this work was the influence of the turbine modeling, with rigid shafts and with shafts of a relatively low stiffness, in the control system performance. In a way to reduce high order harmonics in the generator current, caused by the pulse width modulation (PWM) of the static converters, it was proposed a design strategy of a passive LCL filter, installed in the rotor circuit. A simulation program was developed, using the Matlab/SimulinkÔ platform, to analyze the interconnection of a wind farm, represented by a equivalent turbine, to the reduced power electrical system, allowing steady-state and transient studies. With this simulation program, a case study was developed evaluating the control and integration of a 192MW wind farm, connected to 230kV voltage level of the national interconnected power system. The main results reached by this work showed the contributions of the control strategies proposed to improve the electrical system voltages behavior, when wind variations occur in the wind farm