CONTROLE DE VELOCIDADE DE UMA TURBINA PARA UM SISTEMA DE CONVERS ˜ AO DE ENERGIA DAS ONDAS Paula B. Garcia-Rosa * , Fernando Lizarralde * , Jos´ e Paulo V. S. da Cunha † * Programa de Engenharia El´ etrica - COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro, RJ, Brasil † Departamento de Eletrˆ onica e Telecomunica¸ c˜ oes Universidade do Estado do Rio de Janeiro Rio de Janeiro, RJ, Brasil Emails: paula@coep.ufrj.br, fernando@coep.ufrj.br, jpaulo@ieee.org Abstract— In this work, a hydraulic turbine speed governor is proposed in view of its application in an isolated system based on wave energy electricity generation. The proposed strategy is based on cascade controllers combined with feedforward. The main characteristics of a wave energy converter prototype are presented and a generating unit model is considered. Experimental results obtained from an electricity generation prototype subsystem illustrate the performance of the proposed control scheme. Keywords— Wave energy, Cascade control, Feedforward control, Pelton turbine. Resumo— Neste trabalho, prop˜ oe-se um regulador da velocidade de uma turbina hidra´ ulica utilizada em um sistema isolado de gera¸ c˜ ao de energia el´ etrica a partir de energia das ondas. A estrat´ egia proposta ´ e baseada em controladores em cascata combinados com uma a¸ c˜ ao feedforward. S˜ ao apresentadas as principais caracter´ ısiticas de um prot´ otipo de convers˜ ao de energia das ondas e a modelagem da unidade de gera¸ c˜ ao. Resultados experi- mentais obtidos a partir de um subsistema do prot´ otipo de gera¸ c˜ ao de energia el´ etrica ilustram o desempenho do regulador proposto. Palavras-chave— Energia das ondas, Controle em cascata, Controle feedforward, Turbina Pelton. 1 Introdu¸ c˜ ao A utiliza¸ c˜ ao de fontes renov´ aveis para a produ- ¸ c˜ ao de energia el´ etrica representa uma alternativa para atender a crescente demanda de energia e re- duzir emiss˜ oes globais de CO 2 ocasionadas, entre outros motivos, pelo uso de combust´ ıveis f´ osseis nos meios de produ¸ c˜ ao tradicionais. Neste con- texto, a energia das ondas do mar apresenta-se como uma solu¸ c˜ ao para ilhas ou pa´ ıses com gran- des faixas costeiras. Desde a crise petrol´ ıfera de 1973, alguns pa´ ıses da Europa, Am´ erica do Norte e ´ Asia vˆ em desenvolvendo programas de pesquisa relacionados ` a gera¸ c˜ ao de energia el´ etrica a partir de fontes renov´ aveis, particularmente de energia das ondas (Cl´ ement et. al., 2002). As tecnologias dispon´ ıveis at´ e o momento encontram-se em est´ agios diferentes de pesquisa e desenvolvimento e s˜ ao baseadas em sua grande maioria nos seguintes princ´ ıpios de convers˜ ao de energia (Muetze & Vining, 2006): (1) Coluna de ´ Agua Oscilante, onde o movimento das ondas pres- suriza ar no interior de uma estrutura, for¸ cando a passagem do mesmo atrav´ es de uma turbina de Wells acoplada a um gerador el´ etrico; (2) Corpos Oscilantes, onde o movimento de um flutuador, sob a a¸ c˜ ao das ondas, pressuriza ´ agua (ou ´ oleo) atrav´ es de cilindros hidr´ aulicos, e ent˜ ao, o fluido passa por turbinas ou motores acoplados a gera- dores. Como exemplos destacam-se a Central da Ilha de Pico, a Central LIMPET, e os dispositi- vos Energetech OWC, Pelamis e Archimedes Wave Swing (Cl´ ement et. al., 2002). A etapa seguinte no desenvolvimento de um conversor de energia das ondas (CEO) ´ e a cone- x˜ ao do sistema com a rede el´ etrica ou o forneci- mento de eletricidade para locais remotos, onde deve atuar como um sistema isolado. Neste con- texto, o sistema de energia el´ etrica deve ser man- tido no estado normal de opera¸ c˜ao,mesmo diante de varia¸ c˜ oes na demanda da carga, onde a quali- dade no suprimento de energia el´ etrica deve aten- der requisitos com rela¸ c˜aoa limites de varia¸ c˜oesde freq¨ uˆ encia e de tens˜ ao e ao n´ ıvel de confiabilidade (Kundur, 1994). Para isto, podem ser utilizados controladores de tens˜ ao e freq¨ uˆ encia (velocidade) nos geradores s´ ıncronos ou outros equipamentos control´ aveis localizados na rede. O controle da freq¨ uˆ encia e da tens˜ ao pode ser simplificado pelo desacoplamento entre os pares de vari´ aveis: potˆ encia ativa/freq¨ uˆ encia da tens˜ ao e potˆ encia reativa/magnitude da tens˜ ao. Portanto, dentro da faixa normal de opera¸ c˜ao, os fluxos de potˆ encia ativa e reativa podem ser considerados independentes um do outro e influenciados por di- ferentes a¸ c˜ oes de controle (Kundur, 1994). Deste modo, controlando-se o torque entregue aos gera- dores controla-se a potˆ encia ativa e, conseq¨ uen- temente, a freq¨ uˆ encia (velocidade). Da mesma forma, atrav´ es da varia¸ c˜aoda excita¸ c˜aode campo do gerador controla-se a potˆ encia reativa gerada e, conseq¨ uentemente, a tens˜ aoterminalda m´aquina.