Conversão eólica offshore ligada à rede elétrica: modelação e simulação

Abstract

A tese incide sobre a modelação e simulação de um sistema de conversão de energia eólica offshore com ligação à rede elétrica por transmissão de energia elétrica estudada quer em corrente alternada quer em corrente contínua, no contexto atual de reestruturação do setor elétrico, e integrando a dinâmica relevante. Além da transmissão de energia elétrica, o sistema é constituído por uma plataforma flutuante semissubmersível; uma turbina eólica de velocidade variável; um sistema de transmissão de energia mecânica cuja dinâmica é descrita respetivamente por uma, duas, três ou cinco massas girantes; um gerador síncrono com excitação assegurada por meio de ímanes permanentes; um conversor eletrónico de energia, descrito respetivamente por um conversor de dois níveis ou por um conversor multinível na configuração de díodos de ligação múltipla de três, de quatro, de cinco ou de p níveis. O controlo do sistema utiliza o modo de deslizamento associado com a modulação PWM por vetores espaciais e controladores PI, ditos de clássicos, ou controladores PI de ordem fracionária. Os comportamentos que advêm do facto da energia eólica ser uma fonte de energia variável, com intermitência, assim como, os de eventuais falhas de funcionamento dos dispositivos que controlam o sistema são estudados na tese, recorrendo a simulações computacionais. As contribuições fundamentais envolvem a modelação do conversor de p níveis, as correntes nos bancos de condensadores associadas aos níveis de tensão e a estratégia de controlo do conversor multinível para a selecção do vetor de tensão. As simulações computacionais permitem concluir sobre o desempenho favorável do sistema e simultaneamente fornecem informação quantificada sobre o comportamento das grandezas mecânicas e elétricas, permitindo quer em fase de projeto, quer em fase de utilização o estudo de comportamentos que necessitam de serem corrigidos devido a serem potencialmente indesejáveis; Offshore Wind Energy Conversion System Connected to the Electric Grid: Modeling and Simulation Abstract: The thesis focuses on the modeling and simulation of offshore wind energy conversion systems connected to the electric grid either by an alternated current link or by a direct current link in a view of timeliness developments on electricity sector restructuring and integrating the relevant dynamics. Besides the electricity transmission, the system consists of a semi-submersible floating platform; a variable speed wind turbine; a mechanical transmission system described respectively by one, two, three, or five masses; a synchronous generator with excitation provided by means of permanent magnets; an electronic power converter, respectively described by a two-level converter or by a multi-level converter in a multiple point clamped topology of three, four, five, or p levels. The control of the system uses PWM by space vector modulation associated with sliding mode and classic PI or fractional order PIcontrollers. The behaviors due to fact that wind energy is a variable, intermittently, source of energy, as well as, due to eventual malfunctions of devices controlling the systems are studied in the thesis, using computer simulations. The fundamental contributions involve the modeling of the p levels converter, the capacitor banks current associated with the voltage level, the control strategy of the multilevel converter for the voltage vector selection. The computer simulations allow to conclude on the favourable performance of the system and simultaneously allow data on mechanical and electric quantities, allowing either in design phase or in usage phase the study of behaviors that need to be corrected because of the potentially undesirability.