kleber freire da silva controle e integração de centrais

KLEBER FREIRE DA SILVA

Controle e integrao de centrais elicas rede eltrica com geradores de induo duplamente alimentados.

Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia.

So Paulo 2006

KLEBER FREIRE DA SILVA

Controle e integrao de centrais elicas rede eltrica com geradores de induo duplamente alimentados.

Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia. rea de Concentrao: Sistemas de Potncia Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Saidel

So Paulo 2006

FICHA CATALOGRFICA

Silva, Kleber Freire da Controle e integrao de centrais elicas rede eltrica com

geradores de induo duplamente alimentados / Kleber Freire da Silva So Paulo, 2006.

240 p. Tese (Doutorado) Escola Politcnica da Universidade de

So Paulo. Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas

1. Centrais Elicas 2. Gerador Duplamente Alimentado

I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas II.t

minha esposa Bebel

Aos meus filhos Thiago e Yasmin

Aos meus irmos Tnia e Hernani

Esta tese dedicada aos meus pais Geraldo e Aidil, por terem sido para mim uma

fonte inesgotvel de conhecimentos e por terem sempre me iluminado durante esta

rdua caminhada.

AGRADECIMENTOS

A Deus que me deu foras para a concluso deste trabalho.

Ao professor Marco Antonio Saidel por ter me orientado ao longo desta jornada:

saber compartilhar conhecimentos e amizade um dom que poucos possuem.

Aos professores Ivan Chabu, Eliane Fadigas e Nelson Kagan pelas importantes

contribuies no Exame de Qualificao e pelos ensinamentos nas disciplinas da

Ps-Graduao.

Ao professor Selnio Rocha Silva por compartilhar comigo seus conhecimentos

sobre o tema desta pesquisa.

Aos professores Andr Valente, James Correia, Osvaldo Soliano e Srgio Brito pelo

apoio incondicional realizao deste curso.

Aos meus colegas na Ps-Graduao, Juliana Iwashita, Andr Gimenes, Alisson Dias

e Fabiana Toledo pelas longas horas de estudos e pela amizade.

Aos engenheiros Gustavo Checcucci, Juan Franco e Jos Brito pela oportunidade de

participar dos P&Ds da COELBA sobre gerao elica.

Aos funcionrios do GEPEA, Renata Katayama, Vlademir Junior, Regina Zuccato, e

Neide Albertini, cujo total apoio e amizade foram fundamentais para este trabalho.

Aos meus alunos de iniciao cientfica, Pedro Pinho, Jos Peroba, Milena Campello

e Antnia Cruz pelo desenvolvimento de diversas atividades desta pesquisa.

A minha aluna Aline Marques pelo trabalho paciente e incansvel com as figuras e

com a formatao da tese.

Aos meus amigos Paulo Maurcio e Maurcio Campos pelo acolhimento em terras

paulistanas.

Comece fazendo o que necessrio. Depois,

o que possvel e, de repente, voc estar

fazendo o que impossvel

So Francisco de Assis

RESUMO

Esta Tese trata do controle e integrao de centrais elicas rede eltrica interligada,

utilizando-se geradores de induo duplamente alimentados (GIDE). O objetivo

principal da Tese foi desenvolver estratgias de controle discreto para o sistema de

gerao elica, de forma a reduzir os impactos na qualidade da energia gerada, em

funo dos diversos regimes e transitrios de vento, que podem ocorrer no stio

elico. Para o projeto do sistema de controle dos geradores foi adotada a tcnica do

controle vetorial, de forma a desacoplar o controle do fluxo das potncias ativa e

reativa entre o gerador e a rede eltrica. Visando caracterizar os diversos modos de

operao do GIDE, com velocidades acima e abaixo da sncrona, foi desenvolvido

um estudo de regime permanente do gerador, obtendo-se os limites de correntes,

tenses e demais grandezas eltricas e mecnicas, para uma determinada faixa de

velocidade. As principais estratgias de controle atualmente utilizadas pelos

fabricantes de turbinas elicas foram analisadas, destacando-se os aspectos da

eficincia energtica do conjunto turbina-gerador e da qualidade da energia. O

projeto das malhas de controle dos conversores estticos conectados ao circuito do

rotor foi desenvolvido utilizando a tcnica de controle discreto, propondo-se as

estratgias de controle e o conjunto de especificaes para definio dos ganhos dos

controladores, objetivando reduzir os impactos na qualidade da energia gerada. Foi

analisada a influncia da modelagem da turbina com eixos elsticos e eixos rgidos,

no comportamento das variveis controladas. Buscando reduzir os harmnicos de

ordem elevada da corrente do gerador, devido modulao por largura de pulso

(PWM) dos conversores estticos, foi proposta uma estratgia de projeto de filtro

passivo LCL, instalado no circuito do rotor. Um programa de simulao no ambiente

Matlab/Simulink foi desenvolvido, para anlise da interligao de um parque

elico, representado por uma turbina equivalente, ao sistema eltrico de potncia

reduzido, permitindo estudos de regime permanente e transitrio. Com este

programa, um estudo de caso foi realizado, avaliando-se o controle e a integrao de

uma usina elica de 192MW, conectada na rede bsica do sistema interligado

nacional, na tenso 230kV. Os resultados obtidos mostram as contribuies, das

estratgias de controle propostas, para melhorar o comportamento das tenses do

sistema eltrico quando da ocorrncia de transitrios de ventos na usina.

ABSTRACT

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/Simulink 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.

Keywords: Wind farms, doubly fed induction generator, control and integration,

discrete control, power quality.

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Fontes de energia para gerao de eletricidade Ano 2005. .............................. 5

Figura 1.2 - Participao dos empreendimentos em construo e outorgados at 2005.......... 6

Figura 2.1 - Modelos de vento: constante; rampa crescente; rajada cossenoidal; e rampa

decrescente. .............................................................................................................. 25

Figura 2.2 - Corte transversal da p da turbina. .................................................................. 26

Figura 2.3 - Coeficiente de potncia funo da velocidade especfica .............................. 31

Figura 2.4 - Coeficiente de conjugado funo da velocidade especfica . .......................... 32

Figura 2.5 - Curvas de potncia produzida pela turbina elica de 2MW.............................. 33

Figura 2.6 - Modelo de eixos elsticos com duas massas.................................................... 37

Figura 2.7 - SCEE velocidade fixa com gerador de induo. ........................................... 40

Figura 2.8 - SCEE velocidade varivel com conversor esttico pleno. ............................. 40

Figura 2.9 - SCEE velocidade varivel com gerador sncrono multipolar......................... 41

Figura 2.10 - SCEE velocidade varivel com gerador duplamente alimentado. ................ 42

Figura 3.1 - Curva de potncia da turbina velocidade constante. ...................................... 51

Figura 3.2 - Esquema de controle do ngulo de passo. ....................................................... 52

Figura 3.3 - Controle do ngulo de passo com vento em rampa: (a) Velocidade do vento; (b)

ngulo de passo; (c) Potncia aerodinmica; (d) Velocidade mecnica do gerador. ... 54

Figura 3.4 - Controle escalar do gerador eltrico. ............................................................... 56

Figura 3.5 - Eixos de orientao do controle vetorial do gerador. ....................................... 57

Figura 3.6 - Controle vetorial de torque e fluxo de entreferro do gerador............................ 58

Figura 3.7 - Esquema de simulao da turbina velocidade constante controlada por stall.

................................................................................................................................. 60

Figura 3.8 - Modos de controle velocidade varivel regulada por stall [26] . ................ 62

Figura 3.9 - Turbina de 2MW velocidade fixa e velocidade varivel. ............................ 63

Figura 3.10 - Curvas de potncia mecnica da turbina e eltrica do gerador........................ 65

Figura 4.1 - Mquina de induo no referencial d,q............................................................ 69

Figura 4.2 - Circuito equivalente de eixo-d da mquina de induo. ................................... 71

Figura 4.3 - Circuito equivalente de eixo-q da mquina de induo. ................................... 71

Figura 4.4 - Circuito equivalente por fase em regime permanente. ..................................... 74

Figura 4.5 - Circuito equivalente por fase com tenso aplicada no rotor. ............................ 75

Figura 4.6 - Curvas de torque e potncia ativa da mquina em gaiola. ................................ 77

Figura 4.7 - Curva de potncia reativa para a mquina em gaiola. ...................................... 78

Figura 4.8 - Potncia ativa x potncia reativa no funcionamento como gerador

(a) 0 > s > -7,5% (b) -7,5% > s > -40%. ............................................................... 78

Figura 4.9 - Torque e potncia reativa com a adio de resistores externos no rotor............ 79

Figura 4.10 - Potncia ativa e reativa para tenses aplicadas no rotor. ................................ 81

Figura 4.11 - Torque eletromagntico e potncia ativa do estator funo da tenso rotrica

aplicada. ................................................................................................................... 83

Figura 4.12 - Potncias ativas com potncia reativa do estator fixada. ................................ 84

Figura 4.13 - Tenso fase-fase eficaz de rotor. ................................................................... 85

Figura 5.1 - Mquina de induo duplamente excitada padro............................................ 89

Figura 5.2 - Mquina de induo duplamente excitada em cascata. .................................... 90

Figura 5.3 - Mquina de induo duplamente excitada sem escovas. .................................. 91

Figura 5.4 - Eixos coordenados para orientao do controle. .............................................. 93

Figura 5.5 - Controle de velocidade. .................................................................................. 98

Figura 5.6 - Controle de potncia..................................................................................... 100

Figura 6.1 - Conversores estticos de potncia no circuito do rotor da mquina................ 103

Figura 6.2 - Estimao do mdulo e ngulo do fluxo do estator........................................ 105

Figura 6.3 - Diagrama vetorial completo para o controle. ................................................. 105

Figura 6.4 - Controlador da corrente irq e termo de compensao...................................... 107

Figura 6.5 - Controlador da corrente ird e termo de compensao...................................... 107

Figura 6.6 - Malha de controle da corrente Irq................................................................... 108

Figura 6.7 - Malha de controle da velocidade. .................................................................. 110

Figura 6.8 - Malha de controle da potncia reativa do estator Qs. ..................................... 112

Figura 6.9 - Esquema completo de controle de velocidade e potncia reativa do estator.... 113

Figura 6.10 - Velocidade do vento, velocidade mecnica, torque eletromagntico do gerador,

torque da turbina e tenso no barramento CC........................................................... 114 Figura 6.11 - Potncia aerodinmica, potncias ativas, potncia reativa do estator e correntes

trifsicas do rotor. ................................................................................................... 115

Figura 6.12 - Malha de controle da potncia ativa gerada. ................................................ 119

Figura 6.13 - Potncias ativas e potncias reativas do estator, rotor e total; tenso no

barramento CC; e velocidade mecnica do gerador.................................................. 122

Figura 6.14 - Velocidade do vento; tenso terminal do gerador; torques do gerador e da

turbina; e potncias ativas no eixo da turbina e total nos terminais do gerador.......... 123

Figura 7.1 - Filtro LCL na entrada do CLR. ..................................................................... 127

Figura 7.2 - Orientao do controle vetorial na tenso da rede.......................................... 129

Figura 7.3 - Diagramas de blocos do circuito do filtro. ..................................................... 130

Figura 7.4 - Modelo do filtro para altas freqncias. ........................................................ 133

Figura 7.5 - Atenuao da corrente na rede funo da relao de indutncias. .................. 139

Figura 7.6 - Diagramas de Bode entre a corrente na rede e a tenso no conversor:

(a) sem amortecimento (b) com amortecimento. ........ 139

Figura 7.7 - Diagramas de Bode entre a corrente na rede e a corrente no conversor:

(a) sem amortecimento (b) com amortecimento. ........ 140

Figura 7.8 - Estratgia de controle do conversor do lado da rede (CLR). .......................... 142

Figura 7.9 - Malha de controle da corrente id.................................................................... 144

Figura 7.10 - Malha de controle da corrente iq.................................................................. 144

Figura 7.11 - Topologia completa do GIDE. .................................................................... 147

Figura 7.12 - Diagrama de blocos de clculo da tenso Vcc............................................... 148

Figura 7.13 - Malha fechada de controle da tenso Vcc. .................................................... 149

Figura 7.14 - Tenso do barramento CC; Potncias ativas de estator, rotor e total gerada;

Corrente de eixo d do CLR; Corrente de eixo q do CLR para um degrau em Vccref.

............................................................................................................................... 153

Figura 7.15 - Potncia reativa do rotor; Potncia ativa do rotor; Corrente de eixo d do

CLR; Corrente de eixo q do CLR para um degrau em Qrref. .................................. 154

Figura 8.1 - Topologia do controlador PI digital............................................................... 159

Figura 8.2 - Malha de controle digital de irq...................................................................... 160

Figura 8.3- Margem de ganho e margem de fase da malha de controle de irq..................... 161

Figura 8.4 - Malha de controle digital da velocidade. ....................................................... 163

Figura 8.5 - Resposta em freqncia e resposta ao degrau da malha discreta de velocidade.

............................................................................................................................... 164

Figura 8.6 - Malha de controle digital de id. ..................................................................... 166

Figura 8.7 - Malha de controle digital da tenso Vcc. ........................................................ 167

Figura 8.8 - Resposta em freqncia e resposta ao degrau da malha discreta de Vcc. ......... 168

Figura 8.9 - Malha de controle digital da potncia ativa. .................................................. 169

Figura 8.10 - Resposta em freqncia e resposta ao degrau da malha discreta de potncia.172

Figura 8.11 - Potncias ativas do estator (Ps), rotor (Pr), eixo da turbina (Pt) e total gerada

(Pg); Potncias reativas do estator (Qs), rotor (Qr) e total gerada (Qg); Tenso no

barramento CC (Vcc) e de referncia (VccRef); Velocidade do vento. ........................ 173

Figura 8.12 - Torques eletromagntico e no eixo da turbina; Potncias ativas, total gerada na

rede eltrica e no eixo da turbina; Velocidade do gerador (Nm) e de referncia (NmRef);

Correntes totais trifsicas geradas (Ig1,Ig2,Ig3). (degrau de vento). ............................. 174

Figura 8.13 - Tenses nas barras do sistema eltrico e do gerador elico (degrau de vento).

............................................................................................................................... 175



barramento CC (Vcc) e de referncia (VccRef); Velocidade do vento. ........................ 176

Figura 8.15 - Torques de toro, de amortecimento, e aplicado ao eixo do gerador; ngulo

de toro; Velocidades da turbina e do gerador; Potncias ativas, total gerada na rede

eltrica e no eixo da turbina. (degrau de vento). ....................................................... 177

Figura 8.16 - Tenses nas barras do sistema eltrico e do gerador elico (degrau de vento).

............................................................................................................................... 178

Figura 8.17 - Potncias ativas do estator, rotor e total gerada; Potncias reativas do estator,

rotor e total gerada; Tenso no barramento CC e de referncia; Velocidade do gerador e

de referncia. (rampa de vento). .............................................................................. 179

Figura 8.18 - Tenses nas barras do sistema eltrico e do gerador elico (rampa de vento).

............................................................................................................................... 180

Figura 8.19 - Potncias ativas do estator, rotor e total gerada; Potncias reativas do estator,

rotor e total gerada; Tenso no barramento CC e de referncia; Velocidade do gerador e

de referncia. (rampa de vento). .............................................................................. 180

Figura 8.20 - Tenses nas barras do sistema eltrico e do gerador elico. (rampa de vento).

............................................................................................................................... 181



barramento CC (Vcc) e de referncia (VccRef); Velocidade do vento. (controle de

potncia). ................................................................................................................ 182

Figura 8.22 - Torques de toro, de amortecimento, e aplicado ao eixo do gerador; ngulo

de toro; Velocidades da turbina e do gerador; Potncias ativas, total gerada na rede

eltrica e no eixo da turbina. (controle de potncia). ................................................ 183

Figura 8.23 - Correntes trifsicas do estator (Is1,Is2,Is3); do rotor (Ir1,Ir2,Ir3); do conversor do

lado da rede CLR (Igr1,Igr2,Igr3); total gerada (Ig1,Ig2,Ig3). (controle de potncia). ..... 184

Figura 8.24 - Tenses nas barras do sistema eltrico e do gerador elico. (controle de

potncia). ................................................................................................................ 185

Figura 9.1 - Sistema de potncia com a usina elica interligada........................................ 188

Figura 9.2 - Interligaes da rede bsica em B.J.Lapa. ..................................................... 189

Figura 9.3 - Potncias ativas e reativas do estator, rotor e totais geradas; Tenso no

barramento CC e de referncia; Velocidade do gerador e de referncia. (Modelo 1 e

rampa de vento). ..................................................................................................... 194

Figura 9.4 - Potncias ativas e reativas nas barras do sistema eltrico; Tenses nas barras do

sistema eltrico; Velocidade do vento. (Modelo 1 e rampa de vento). ...................... 195



rampa de vento). ..................................................................................................... 196



Figura 9.7 - Potncias ativas do estator (Ps), rotor (Pr), eixo da turbina (Pt) e total gerada (Pg);

ngulo de toro; Torques de toro, de amortecimento, e aplicado ao eixo do gerador;

Velocidades da turbina e do gerador (Modelo 2 e rampa de vento)........................... 198



rampa de vento). ..................................................................................................... 199




barramento CC (Vcc) e de referncia (VccRef); Velocidade do gerador (Nm) e de

referncia (NmRef). (Modelo 1 e rajada de vento). .................................................... 201


sistema eltrico; Velocidade do vento. (Modelo 1 e rajada de vento)........................ 202













referncia (NmRef). (Modelo 4 e rampa de vento). .................................................... 208




barramento CC (Vcc) e de referncia (VccRef); Velocidade do gerador. (Modelo 4 e

rajada de vento)....................................................................................................... 210

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 - Usinas elicas em operao no Brasil. .............................................................. 9

Tabela 2.1 - Coeficientes do modelo de turbina elica [19]. ............................................... 30

Tabela 2.2 - Velocidades projetadas para a turbina e para o gerador. .................................. 35

Tabela 6.1 - Ganhos dos controladores analgicos de velocidade e corrente. .................... 111

Tabela 6.2 - Ganhos do controlador analgico de potncia reativa do estator.................... 113

Tabela 6.3 - Ganhos do controlador analgico de potncia ativa....................................... 121

Tabela 7.1 - Ganhos dos controladores analgicos de tenso Vcc e correntes id e iq. .......... 150

Tabela 8.1 - Ganhos do controlador digital das correntes ird e irq. ...................................... 160

Tabela 8.2 - Especificaes de projeto da malha de controle de velocidade. ..................... 162

Tabela 8.3- Ganhos do controlador digital da velocidade. ................................................ 163

Tabela 8.4 - Especificaes de projeto da malha de controle das correntes id e iq. ............. 165

Tabela 8.5 - Ganhos dos controladores digitais das correntes do CLR. ............................. 166

Tabela 8.6 - Especificaes de projeto da malha de tenso do barramento CC.................. 167

Tabela 8.7 - Ganhos do controlador digital da tenso do barramento CC. ......................... 168

Tabela 8.8 - Especificaes de projeto da malha de controle de potncia ativa. ................ 170

Tabela 8.9 - Ganhos do controlador digital de potncia ativa............................................ 171

Tabela 9.1 - Interligaes da rede bsica em B.J.Lapa...................................................... 188

Tabela 9.2 - Dados dos equipamentos do parque elico.................................................... 189

Tabela 9.3 - Dados das linhas de transmisso LT-1 e LT-2. ............................................. 190

Tabela 9.4 - Especificaes de projeto da malha de controle das correntes do rotor. ......... 192

Tabela 9.5 - Especificaes de projeto da malha de controle de velocidade. ..................... 192

Tabela 9.6 - Especificaes de projeto da malha de controle das correntes do CLR. ......... 192

Tabela 9.7 - Especificaes de projeto da malha da tenso do barramento CC.................. 192

Tabela 9.8 - Resumo dos resultados com a estratgia de controle de velocidade. .............. 207

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABB Asea Brown Boveri

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

AWEA American Wind Energy Association

BEN Balano Energtico Nacional

BIG Banco de Informaes de Gerao

CBEE Centro Brasileiro de Energia Elica

CEMIG Companhia Energtica de Minas Gerais

CLM Conversor do Lado da Mquina (rotor)

CLR Conversor do Lado da Rede Eltrica

COELBA Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia

DEWI Deutsches Windenergie-Institut GmbH

DFIG Doubly Fed Induction Generator

ELETROBRS Centrais Eltricas do Brasil S.A.

EUA Estados Unidos da Amrica

EWEA European Wind Energy Association

Fc Fator de Capacidade da Usina

f.e.m. Fora eletromotriz

GE General Electric

GEPEA Grupo de Energia do Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas da Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

GIDE Gerador de Induo Duplamente Alimentado (Excitado)

GSIP Gerador Sncrono a ms Permanentes.

GWEA Germany Wind Energy Association

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MDL Mecanismos de Desenvolvimento Limpo

LCL Filtro Indutivo-Capacitivo-Indutivo

NREL National Renewable Energy Laboratory

OCDE Organizao de Cooperao e Desenvolvimento Econmico

OIE Oferta Interna de Energia

PAC Ponto de Acoplamento Comum da Usina Elica

PCH Pequena Central Hidreltrica

PI Controlador Proporcional Integral

PD Controlador Proporcional Derivativo

PID Controlador Proporcional Integral Derivativo

PMSM Permanent Magnets Synchronous Machine

PSS/E Power System Simulator Program (software)

PWM Pulse Width Modulation (Modulao por Largura de Pulso)

PROINFA Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica

SCEE Sistema de Converso de Energia Elica

THDi Distoro Harmnica Total de Corrente

UFPE Universidade Federal de Pernambuco

UFBA Universidade Federal da Bahia

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

UNIFACS Universidade Salvador

USP Universidade de So Paulo

VMT Variao Momentnea de Tenso

VTCD Variao de Tenso de Curta Durao

SI Sistema Internacional de Unidades

SIMPOW Power System Simulation Software

SIN Sistema Eltrico Interligado Nacional

WMO World Meteorological Organization

ZOH Zero Order Hold (Dispositivo Segurador de Ordem Zero)

LISTA DE SMBOLOS

A rea varrida pelo rotor da turbina (tubo de vento)

Ap rea superficial das ps

C Fator de escala da funo densidade de probabilidade de Weibull

co Corda do perfil aerodinmico a 0,7m do raio das ps

C Capacitor do barramento de corrente contnua dos conversores estticos

CA ; CC Corrente Alternada e Corrente Contnua

Cb ; Cf Capacitncia base do circuito do rotor ; Capacitor do filtro no circuito do rotor

Cd ; Cs Coeficiente de arrasto ; Coeficiente de sustentao

Cp Coeficiente de potncia ou rendimento aerodinmico da turbina

Cq Coeficiente de conjugado ou torque da turbina

d,q Eixos ortogonais genricos de referncia

Dmt Constante de amortecimento do sistema, no eixo de baixa velocidade da turbina

DT Constante de amortecimento do sistema concentrado no eixo do gerador

E Tenso na rede eltrica alternada, na entrada do filtro do circuito do rotor

Ec Energia Cintica

EFN ; EFF Tenso fase-neutro e tenso fase-fase na rede eltrica

Er Fora eletromotriz (f.e.m.) induzida no rotor

fc , fc1 , fc2 Frequncias de corte

fchav Freqncia de chaveamento do conversor esttico

fB Freqncia limite da largura de banda da malha de controle

fs, fr Freqncia das correntes do estator e do rotor da mquina

fm Freqncia mecnica do rotor

Fd ; Fs Fora de arrasto ; Fora de sustentao

Fr Fora resultante na p

G(s) ; G(z) Funo de transferncia de malha fechada do sistema completo, analgica e digital

GBcc(s) Funo de transferncia do barramento de corrente contnua

Gc(s) ; Gc(z) Funo de transferncia do controlador, analgica e digital

Gconv Funo de transferncia do conversor esttico

Gmo(s) ; Gmo(z) Funo de transferncia de malha aberta da mquina, analgica e digital

Gfo(s) ; Gfo (z) Funo de transferncia de malha aberta do filtro e transf. isolador, analgica e digital

Go(s) , Go(z) Funo de transferncia de malha aberta do sistema completo, analgica e digital

G1 Constante de proporcionalidade do torque eletromagntico

H Altura de medio da velocidade do vento

hchav Componentes harmnicas de corrente, em torno da freqncia de chaveamento

HT Constante de inrcia total concentrada

Ht ; Hm Constante de inrcia da turbina ; Constante de inrcia do gerador

Ic Corrente no capacitor no barramento de corrente contnua e no filtro do rotor

Iccrede ; Iccmaq Corrente contnua no lado da rede eltrica e no lado da mquina (rotor)

Ig(s); I(s) Correntes no lado da rede e no lado do conversor, no filtro do circuito do rotor

Ims Corrente de magnetizao associada ao fluxo de estator

Is ; Ir Corrente do estator; Corrente do rotor do gerador

J Momento de inrcia equivalente das partes girantes, referido ao eixo do gerador

Jm ; Jt Momento de inrcia do gerador ; Momento de inrcia da turbina

K Fator de forma da funo densidade de probabilidade de Weibull

Ki ; Kp Ganho Integral do controlador ; Ganho Proporcional do controlador

Kmt Constante de elasticidade do eixo de baixa velocidade

Kt ; Kt Constantes de torque da mquina

Ktr Relao de transmisso de velocidades

ls, lr, lm Indutncias prpria do estator, prpria do rotor, e mtua

ls, lr Indutncias de disperso do estator e do rotor

Lf1 , Lf2 Indutncias do filtro no circuito do rotor

Lg Indutncia equivalente no lado da rede, do filtro e transformador isolador do rotor

LTi Indutncia srie de disperso do transformador isolador do circuito do rotor

LT Indutncia total do filtro e transformador isolador no circuito do rotor

MG ; MF Margem de ganho e Margem de fase

Nm Velocidade mecnica do eixo do gerador em rotaes por minuto (rpm)

p Nmero de pares de plos do gerador

pi Plo dominante de malha fechada no plano z

Pconv Potncia ativa nominal do conversor esttico

Pe Potncia ativa transferida ao entreferro da mquina

PerdasCLM Perdas ativas no conversor do lado da mquina

PerdasCLR Perdas ativas no conversor do lado da rede eltrica

Pg Potncia ativa total na barra terminal do gerador

Pm Potncia mecnica desenvolvida interna

Ps, Pr Potncia ativa do estator e do circuito completo do rotor do gerador

Prj Perdas por efeito Joule no rotor

Prm Potncia ativa nos enrolamentos rotricos do gerador

Pt Potncia aerodinmica produzida no eixo da turbina

Pw Potncia disponvel no vento

P(vw) Funo densidade de probabilidade das velocidades do vento

Qg Potncia reativa total na barra terminal do gerador

Qs, Qr Potncia reativa do estator e do circuito completo do rotor do gerador

Qrm Potncia reativa nos enrolamentos rotricos do gerador

r Relao entre indutncias equivalente no lado da rede e no lado do conversor, no filtro

R Raio do rotor da turbina medido na ponta da p

Rf1, Rf2 , Rf3 Resistncias do filtro no circuito do rotor

Rg Resistncia equivalente no lado da rede, do filtro e transformador isolador do rotor

Rs, Rr Resistncia do estator e do rotor

RTi Resistncia srie do transformador isolador do circuito do rotor

RT Resistncia total do filtro e transformador isolador no circuito do rotor

Sconv Potncia aparente nominal do conversor esttico

S,S Eixos ortogonais de referncia posicionados no estator fixo

R,R Eixos ortogonais de referncia posicionados no rotor girante

s Escorregamento do rotor em relao ao campo girante do estator

sM Escorregamento do rotor no ponto de torque mximo

T Tempo de amostragem

Tamort Torque de amortecimento de oscilaes no eixo da turbina

Te Torque eletromagntico do gerador

TL Torque de carga aplicado ao eixo do gerador

Tmt Toque resultante no eixo da turbina modelada com eixos elsticos

Tors Toque de toro no eixo da turbina

Tt Torque da turbina referido ao eixo do gerador

V Tenso no lado do conversor, no filtro do circuito do rotor

Vc Tenso no conjunto capacitor e resistor de amortecimento do filtro, no circuito do rotor

Vcc Tenso do barramento de corrente contnua dos conversores estticos

Vdcomp ; Vqcomp Sinais de compensao nas sadas dos controladores no CLR

Vtg Velocidade tangencial na ponta das ps

Vs ; Vr Tenso do estator; Tenso do rotor do gerador

Vrdcomp ; Vrqcomp Sinais de compensao nas sadas dos controladores no CLM

vw Velocidade do vento incidente, perpendicular ao plano de rotao

vwcut in ; vwcut out Velocidade do vento de partida e de desligamento da turbina

vwmed Velocidade mdia do vento

vwn Velocidade nominal do vento incidente

vwr Vento resultante na p

vwu Vento resistente ao movimento da p, paralelo ao plano de rotao.

x Relao entre a capacitncia do filtro e a capacitncia base do circuito do rotor

Xs, Xr, Xm Reatncias de disperso do estator, disperso do rotor, e de magnetizao

Zb Impedncia base do circuito do rotor

zc Zero do controlador digital

zo Rugosidade do terreno

zi Zero no plano z

Z {.} Transformada z de uma funo

ngulo de ataque

ngulo de passo (pitch angle)

; Parte Imaginria e parte real do nmero complexo

ngulo entre o vetor de corrente rotrica e o eixo d do referencial genrico d,q

ngulo do vetor corrente do rotor em relao ao referencial rotor girante

en Fluxo magntico do entreferro do gerador

s ; r Fluxo magntico do estator ; Fluxo magntico do rotor

ngulo eltrico de posio do eixo d em relao ao estator fixo

Velocidade especfica da turbina

i Grandeza intermediria no clculo de Cp

Tmax Velocidade especfica que resulta em torque mximo na turbina

ot Velocidade especfica tima

ngulo eltrico de posio do rotor em relao ao estator fixo

e ngulo do vetor tenso da rede eltrica, em relao ao referencial de estator fixo

en ngulo do fluxo magntico do entreferro em relao ao estator fixo.

id ngulo do vetor corrente do estator no referencial d,q

is ; ir ngulo de fase da corrente do estator e do rotor

mt ngulo de toro do eixo de baixa velocidade da turbina

vs ; vr ngulo de fase da tenso do estator e do rotor

Massa especfica do ar

s , r , Coeficiente de disperso de fluxo do estator, do rotor, e total da mquina

, 1 , 2 Constantes de tempo

s , r Constantes de tempo do estator e do rotor

Constante de tempo do servomotor acionador do ngulo de passo

E Tempo de atraso na resposta da malha de controle da tenso Vcc

Velocidade angular eltrica do gerador

a Freqncia angular associada funo de transferncia do filtro, no circuito do rotor

b Freqncia angular de ressonncia do filtro, no circuito do rotor

B Freqncia angular limite da largura de banda da malha de controle

c1 , c2 Freqncias angulares de corte

chav Freqncia angular de chaveamento do conversor esttico

d Velocidade angular dos eixos de referncia genricos d,q ortogonais

da ; n Freqncia natural amortecida e Freqncia natural no amortecida

en Velocidade angular do fluxo do entreferro do gerador

m ; t Velocidade angular mecnica do eixo do gerador e do rotor da turbina

r Freqncia angular das correntes e tenses rotricas do gerador

s Velocidade angular eltrica do campo girante do estator do gerador

slip Freqncia angular de escorregamento do rotor do gerador

Coeficiente de amortecimento

ngulo auxiliar de clculo

SUMRIO

1 INTRODUO......................................................................................................... 1

1.1 As Fontes de Energia .......................................................................................... 2

1.2 As Fontes de Energia no Brasil ........................................................................... 3

1.3 A Energia Eltrica no Brasil................................................................................ 4

1.3.1 A Gerao e o Consumo de Energia Eltrica no Brasil ................................... 6

1.4 A Energia Elica no Mundo................................................................................ 7

1.4.1 A Energia Elica no Brasil ............................................................................. 9

1.5 Reviso Bibliogrfica Sobre o Tema ................................................................. 10

1.6 Contribuies Deste Trabalho ........................................................................... 14

1.7 Roteiro do Trabalho.......................................................................................... 17

2 REGIMES DE VENTO E TURBINAS ELICAS................................................ 20

2.1 A Energia Elica .............................................................................................. 20

2.2 A Anlise Estatstica dos Ventos....................................................................... 21

2.2.1 Funo de Distribuio do Vento.................................................................. 22

2.2.2 Modelos de Vento Implementados................................................................. 23

2.3 Converso Aerodinmica de Energia Elica em Energia Mecnica.................... 25

2.3.1 ngulo de Passo e ngulo de Ataque............................................................ 27

2.4 Caractersticas das Turbinas Elicas.................................................................. 28

2.4.1 Coeficiente de Potncia (Cp) e Coeficiente de Conjugado (Cq) ...................... 28

2.4.1.1. Modelos no Polinomiais para Turbinas Elicas ................................... 30

2.4.1.2. Modelos Polinomiais para Turbinas Elicas ......................................... 34

2.4.2 Relao de Transmisso da Turbina ............................................................. 34

2.4.3 Representao dos Sistemas de Eixos ........................................................... 35

2.4.3.1. Converso de Unidades dos Parmetros Mecnicos .............................. 38

2.5 Alternativas Tecnolgicas para Turbinas Elicas............................................... 39

2.5.1 Turbina Elica Velocidade Fixa com Gerador de Induo......................... 39

2.5.2 Turbina Elica Velocidade Varivel com Gerador de Induo ou Sncrono,

Equipados com Conversor Esttico de Potncia no Estator....................................... 40

2.5.3 Turbina Elica Velocidade Varivel com Gerador Sncrono Multipolar ou

Gerador Sncrono Multipolar a ms Permanentes (GSIP ou PMSM) ................... 41

2.5.4 Turbina Elica Velocidade Varivel com Gerador de Induo Duplamente

Alimentado no Estator e no Rotor (GIDE ou DFIG).............................................. 42

2.6 Parmetros de Qualidade da Energia de Turbinas Elicas.................................. 44

2.6.1 Variao de Tenso de Curta Durao (VTCD)............................................ 45

2.7 Consideraes Finais ........................................................................................ 45

3 CONTROLE DE TURBINAS ELICAS .............................................................. 47

3.1 Introduo ........................................................................................................ 47

3.2 Principais Controles do Sistema Supervisrio da Turbina.................................. 48

3.2.1 Turbinas Controladas por Estolamento das Ps (Stall Control) ................ 48

3.2.2 Turbinas Controladas pelo Ajuste do ngulo de Passo (Pitch Control)..... 49

3.2.2.1. Malha de Controle do ngulo de Passo ................................................ 52

3.2.3 Controle do Torque Eletromagntico do Gerador......................................... 54

3.2.3.1. Controle Escalar do Gerador Eltrico ................................................... 55

3.2.3.2. Controle Vetorial do Gerador Eltrico .................................................. 56

3.2.4 Controle de Turbinas Velocidade Constante .............................................. 58

3.2.4.1. Turbinas Velocidade Constante com Duas Velocidades ..................... 59

3.2.4.2. Turbinas Velocidade Constante Controladas por Stall..................... 59

3.2.4.3. Turbinas Velocidade Constante Controladas pelo ngulo de Passo

(Pitch Control) .................................................................................................. 60

3.2.5 Controle de Turbinas Velocidade Varivel................................................. 61

3.2.5.1. Turbinas Velocidade Varivel Controladas por Stall....................... 61

3.2.5.2. Turbinas Velocidade Varivel Controladas pelo ngulo de Passo ...... 62


4 MODELAGEM DINMICA DA MQUINA DE INDUO E ESTUDOS DE

REGIME PERMANENTE ............................................................................................. 68

4.1 Introduo ........................................................................................................ 68

4.2 Modelo da Mquina de Induo no Referencial d,q Genrico ............................ 68

4.3 Transformao Vetorial Complexa.................................................................... 71

4.4 Modelo da Mquina de Induo em Regime Permanente................................... 72

4.4.1 Caractersticas de Regime Permanente......................................................... 75

4.4.1.1. Mquina de Induo com Rotor em Gaiola ........................................... 77

4.4.1.2. Controle de Velocidade Atravs de Resistores Externos ....................... 79

4.4.1.3. Anlise do Regime Permanente do GIDE ............................................. 80

4.4.1.4. Estudo do Regime Permanente do GIDE com Torque Varivel............. 81

4.4.1.5. Estudo do Regime Permanente do GIDE com Torque e Potncia Reativa

de Estator Variveis .............................................................................................. 83


5 SISTEMAS DE ENERGIA ELICA COM A MQUINA DE INDUO

DUPLAMENTE EXCITADA (GIDE)............................................................................ 87

5.1 Mquinas de Induo Duplamente Excitadas .................................................... 88

5.1.1 Mquina de Induo Duplamente Excitada Padro ...................................... 89

5.1.2 Mquina de Induo Duplamente Excitada em Cascata................................ 89

5.1.3 Mquina de Induo Duplamente Excitada em Cascata com Carcaa nica 90

5.1.4 Mquina de Induo Duplamente Excitada sem Escovas .............................. 90

5.2 Modelo Dinmico da Mquina de Induo Duplamente Excitada Padro (GIDE)

91

5.2.1 Parmetros e Coeficientes da Mquina......................................................... 92

5.2.2 Equaes da Mquina no Referencial Complexo de Estator e Rotor ............. 93

5.2.3 Modelo Final da Mquina Orientado no Vetor Fluxo Estatrico................... 94

5.3 Definio do Controle do GIDE........................................................................ 96

5.3.1 Estratgia de Controle de Velocidade........................................................... 98

5.3.2 Estratgia de Controle de Potncia............................................................... 99

5.4 Consideraes Finais ...................................................................................... 101

6 CONTROLE DO CONVERSOR NO LADO DA MQUINA ............................ 102

6.1 Introduo ...................................................................................................... 102

6.2 Estimao do Fluxo Magntico do Estator ...................................................... 104

6.3 Controle das Correntes Rotricas .................................................................... 105

6.4 Controle da Velocidade................................................................................... 109

6.5 Controle da Potncia Reativa do Estator (Qs) .................................................. 111

6.6 Esquema Completo de Controle da Velocidade e Potncia Reativa.................. 113

6.7 Resultados de Simulaes do Controle de Velocidade..................................... 114

6.8 Estratgia de Controle da Potncia Ativa......................................................... 117

6.8.1 Clculo da Potncia de Referncia para o Controlador .............................. 117

6.8.2 Malha de Controle da Potncia Ativa ......................................................... 119

6.8.3 Resultados de Simulaes do Controle da Potncia Ativa ........................... 121


7 CONTROLE DO CONVERSOR NO LADO DA REDE..................................... 126

7.1 Dinmica do Sistema Para o Controle ............................................................. 127

7.2 Projeto do Filtro LCL do Circuito do Rotor..................................................... 129

7.2.1 Funo de Transferncia Aproximada ........................................................ 131

7.2.2 Funes de Transferncia do Filtro para Altas Freqncias ....................... 133

7.2.3 Procedimento de Projeto dos Parmetros do Filtro .................................... 134

7.2.4 Resultados Para o Projeto dos Parmetros do Filtro da Turbina de 2MW .. 138

7.3 Controle de Corrente do Conversor do Lado da Rede (CLR) ........................... 140

7.3.1 Malhas de Controle de Corrente do CLR.................................................... 143

7.3.1.1. Malhas de Corrente de Eixo Direto id e de Eixo em Quadratura iq ....... 143

7.3.2 Projeto do Capacitor do Barramento CC.................................................... 145

7.3.3 Malha de Controle da Tenso do Barramento CC....................................... 146

7.4 Limites de Correntes dos Conversores Estticos do Rotor ............................... 150

7.4.1 Limites de Correntes Trifsicas do CLM..................................................... 151

7.4.2 Limites de Correntes Trifsicas do CLR...................................................... 151

7.5 Resultados de Simulaes das Malhas de Controle do CLR............................. 152


8 ESTRATGIAS DE CONTROLE DIGITAL ..................................................... 157

8.1 Introduo ...................................................................................................... 157

8.2 Controle do Conversor do Lado da Mquina (CLM) ....................................... 158

8.2.1 Malha de Controle das Correntes Rotricas ird e irq .................................... 158

8.2.2 Malha de Controle de Velocidade............................................................... 162

8.3 Controle do Conversor do Lado da Rede (CLR).............................................. 164

8.3.1 Malha de Controle das Correntes do Conversor id e iq ................................ 165

8.3.2 Malha de Controle da Tenso do Barramento CC....................................... 167

8.4 Estratgia de Controle da Potncia Ativa......................................................... 169

8.5 Resultados de Simulaes para a Turbina de 2MW com Controle Digital........ 172

8.5.1 Simulaes da Estratgia de Controle de Velocidade.................................. 173

8.5.2 Simulaes da Estratgia de Controle de Potncia Ativa ............................ 181


9 CONTROLE E INTEGRAO DA USINA ELICA DE CAETIT............... 187

9.1 Descrio do Sistema Eltrico......................................................................... 187

9.1.1 Interligaes da Rede Bsica...................................................................... 188

9.1.2 Dados dos Equipamentos do Parque Elico................................................ 189

9.2 Modelo Equivalente Dinmico da Usina Elica............................................... 190

9.3 Controle Digital da Usina Elica..................................................................... 190

9.3.1 Modelo 1 (Controle de Velocidade e Eixos Rgidos).................................... 191

9.3.2 Modelo 2 (Controle de Velocidade e Eixos Elsticos) ................................. 191

9.3.3 Modelo 3 (Controle de Velocidade e Critrios de Qualidade da Energia) ... 191

9.3.4 Modelo 4 (Controle de Potncia e Eixos Elsticos)..................................... 192

9.4 Transitrios de Ventos na Usina Elica........................................................... 193

9.5 Simulaes com a Estratgia de Controle de Velocidade ................................. 193

9.5.1 Rampa de Vento e Modelo 1 (Eixos Rgidos)............................................... 194

9.5.2 Rampa de Vento e Modelo 2 (Eixos Elsticos) ............................................ 196

9.5.3 Rampa de Vento e Modelo 3 (Critrios de Qualidade da Energia) .............. 198

9.5.4 Rajada de Vento e Modelo 1 (Eixos Rgidos) .............................................. 200

9.5.5 Rajada de Vento e Modelo 2 (Eixos Elsticos) ............................................ 202

9.5.6 Rajada de Vento e Modelo 3 (Critrios de Qualidade da Energia) .............. 204

9.5.7 Resumo das Simulaes com Controle de Velocidade ................................. 206

9.6 Simulaes com a Estratgia de Controle de Potncia Ativa Gerada................ 208

9.6.1 Rampa de Vento e Modelo 4 (Controle de Potncia) ................................... 208

9.6.2 Rajada de Vento e Modelo 4 (Controle de Potncia)................................... 210


10 CONCLUSES..................................................................................................... 215

REFERNCIAS ............................................................................................................ 222

APNDICE A PARMETROS DOS EIXOS ELSTICOS .................................... 228

ANEXO A PARMETROS DAS MQUINAS ........................................................ 230

ANEXO B TRANSFORMAES TRIFSICO - BIFSICO................................. 234

Modelo da Mquina Trifsica......................................................................... 234

Transformao Trifsico (1,2,3) Bifsico (0,,) ......................................... 235

Transformada de Park Generalizada .............................................................. 236

ANEXO C TRANSFORMAO VETORIAL COMPLEXA.................................. 239

1

1 INTRODUO

A disponibilidade de energia um fator fundamental para propiciar condies ao

desenvolvimento industrial e econmico de uma nao. Entretanto, a questo

energtica, num contexto mundial, coloca-se no cerne de uma questo mais ampla,

de sobrevivncia e preservao do planeta, que a questo ambiental. Impe-se

assim a necessidade de se buscar um desenvolvimento sustentvel, com

responsabilidade, sobretudo preservando os ecossistemas naturais e a espcie

humana, tratando adequadamente questes como a mudana climtica, a chuva cida,

a destruio da camada de oznio, o derretimento das geleiras nos plos, os gases

causadores do efeito estufa, a poluio ambiental, entre outros. Indiscutivelmente a

maior parte destes problemas est relacionada com a predominante utilizao pela

humanidade de combustveis fsseis, com os diversos processos de transformao da

energia, objetivando sua adequao para os usos finais. Para se consolidar uma nova

estratgia justa de desenvolvimento e utilizao da energia, preciso englobar

dimenses polticas, econmicas, sociais, tecnolgicas e ambientais de modo a

constituir a base das solues de carter amplo para o desenvolvimento das

populaes mundiais [1].

neste contexto, de um novo paradigma de desenvolvimento, sustentado por todas

estas dimenses, que surge a necessidade da humanidade desenvolver novas fontes

renovveis de energia, que no sejam poluentes, e que apresentem uma menor

agressividade natureza e espcie humana, reduzindo assim drasticamente a

dependncia das fontes de natureza fssil. Para isto, ser necessrio dominar

tecnologicamente a explorao destas novas fontes de energia, reduzindo os custos

de fabricao, instalao e manuteno dos equipamentos associados, disseminando

o conhecimento para a utilizao das fontes de energia, avaliando e resolvendo os

problemas tcnicos para o seu aproveitamento e as questes sociais envolvidas como

a ocupao do solo, a poluio visual, a poluio sonora e o transporte e

armazenamento da energia.

Dentre as energias renovveis sendo exploradas pelo homem, uma das mais

promissoras para os prximos anos a energia elica, seja para produo de

2

eletricidade em sistemas isolados ou em sistemas interligados, normalmente fortes,

dotados de outras fontes predominantes de energia.

Neste contexto, estima-se para o final de 2005 uma capacidade instalada mundial de

58,4GW de geradores elicos, valor este que era de apenas 31,4GW em 2002 [2].

Projeta-se tambm uma capacidade mundial instalada total de 161GW em 2012 [2].

A taxa mdia anual de crescimento da capacidade instalada entre os anos de 2002 e

2007 est estimada em 20,6%, e entre os anos de 2007 e 2012, em 15% [2]. Este

crescimento, entretanto, depende das polticas e regulamentaes energticas dos

pases com potenciais explorveis de recursos elicos.

Considerando o aspecto tecnolgico, a penetrao cada vez maior de turbinas e

parques geradores elicos integrados aos sistemas eltricos interligados, com

potncias cada vez mais significativas (centenas de megawatts), e geralmente

instalados em regies remotas, onde os sistemas eltricos so mais frgeis, origina

problemas de planejamento de longo prazo, problemas operacionais, de controle e

principalmente de desempenho do sistema quanto estabilidade transitria,

estabilidade das tenses na rede e qualidade da energia gerada, que so fortemente

afetados pelo comportamento dinmico da turbina elica e pelo comportamento

aleatrio do vento.

A motivao para esta tese reside na perspectiva do aumento da utilizao da gerao

elica de eletricidade, ampliando sua participao na matriz de gerao de

eletricidade e reduzindo o risco de dficit no sistema eltrico. Motivao esta, que

cresce quando se destaca tambm o grande potencial de gerao elica do Brasil,

uma fonte de energia limpa, no poluente, inesgotvel e praticamente sem agresses

ao meio ambiente e ao homem.

1.1 As Fontes de Energia

A energia disponvel na natureza chamada de energia primria. Nesta definio

pode-se incluir a energia elica, solar, das mars, geotrmica, hidrulica, nuclear e as

energias provenientes de combustveis fsseis, petrleo, carvo mineral e gs natural.

3

Define-se como fonte de energia no renovvel aquela cuja velocidade de reposio

natural inferior velocidade de sua utilizao pela humanidade. Apresenta,

portanto, uma caracterstica finita de utilizao. Citam-se como exemplos o petrleo

e derivados, o gs natural, o carvo mineral e derivados e a nuclear (urnio e

derivados).

Define-se como fonte de energia renovvel aquela cuja velocidade de reposio

natural superior velocidade de sua utilizao, tendo, portanto, uma caracterstica

de utilizao infinita. Citam-se como exemplos a energia hidrulica, a lenha (quando

renovada por aes de reflorestamento) e o carvo vegetal, os derivados da cana-de-

aucar e outras energias renovveis como elica, solar, biomassa e das mars.

A energia primria transformada em energia secundria a partir da interveno do

homem, a exemplo da energia eltrica ou eletricidade, que se constitui numa das

mais nobres formas de energia secundria [3]. Atualmente, em grande escala

comercial, esta transformao advm principalmente das seguintes fontes de energia

primrias: hidrulica, derivados de petrleo, carvo mineral, gs natural e nuclear.

Entretanto, premida pela escassez de fontes primrias no renovveis e pelos

impactos ambientais por elas provocados, a exemplo dos derivados de petrleo e

carvo, a humanidade comea a intensificar a utilizao de outras formas de energia

primria para gerao de eletricidade como a energia elica, solar, das mars e da

biomassa.

1.2 As Fontes de Energia no Brasil

A Oferta Interna de Energia (OIE) representa toda a energia primria disponibilizada

para ser transformada em energias secundrias nas hidreltricas, refinarias de

petrleo, usinas termoeltricas, etc. Esta energia transformada ser distribuda e

consumida nos processos produtivos e de servios energticos do pas. Dividindo-se

a matriz energtica segundo as fontes de energias renovveis e no renovveis

obtm-se, respectivamente, os percentuais de 43,87% e 56,13% referentes ao ano de

2004 [4]. O Brasil, assim, est bastante frente na utilizao de fontes renovveis de

4

energia, quando comparado com a mdia mundial (13,6% de renovveis) e com os

pases desenvolvidos da OCDE (6% de renovveis), conforme dados de 2001

apresentados em [4]. Desta participao das energias renovveis na OIE do Brasil,

14,4% correspondem hidroeletricidade, enquanto 2,7% correspondem outras

renovveis onde se incluem diversas caracterizaes da biomassa, e as energias

elica e solar [4]. As demais componentes da OIE so: petrleo e derivados (39,1%),

gs natural (8,9%), carvo mineral (6,7%), urnio (1,5%), lenha e carvo vegetal

(13,2%), e derivados da cana-de-aucar (13,5%).

1.3 A Energia Eltrica no Brasil

A energia eltrica uma das mais nobres formas secundrias de energia. A sua

facilidade de produo, transporte, distribuio e utilizao, com as consequentes

transformaes em outras formas de energia, atribuem mesma uma caracterstica de

universalizao, disseminando o seu uso pela humanidade.

No Brasil, a indstria de energia eltrica se desenvolveu tecnologicamente de forma

acentuada nas ltimas trs dcadas, impulsionada pela construo de grandes centrais

hidreltricas, linhas de transmisso, incluindo transmisso em corrente contnua a

grandes distncias, usinas trmicas, e, mais recentemente, a construo de centrais

geradoras elicas. Assim, o parque gerador de eletricidade teve a sua potncia

instalada aumentada de 11GW em 1970 para 90,73GW em 2004 [4].

Atualmente o Brasil possui 1.448 empreendimentos em operao totalizando

92,86GW de potncia instalada. Desta potncia total instalada, 76,46%

correspondem s fontes hidrulicas (71GW), representando, entretanto, apenas

26,2% do potencial estimado de gerao hidrulica no territrio nacional (271,2GW)

[4]. Isto indica que ainda existe um enorme potencial de crescimento da gerao de

eletricidade por fonte hidrulica no pas. Adicionalmente, observa-se o crescimento

da participao do gs natural na gerao de eletricidade, j ocupando uma posio

expressiva (10,22%) em 2005 [5], impulsionada pelas descobertas de novas reservas

nacionais, pela importao da Bolvia, e pelos aspectos relacionados eficincia

5

energtica e qualidade do meio ambiente, uma vez que o gs natural o menos

impactante ambientalmente, dos combustveis fsseis.

Esta caracterstica peculiar do Brasil, com um enorme potencial hdrico, aliado s

polticas pblicas, adotadas aps a segunda crise do petrleo, ocorrida em 1979,

visando reduo do consumo de combustveis fsseis, e conseqentes custos

associados de importao, e reforada pelos investimentos e incentivos do governo

brasileiro utilizao da biomassa, da energia elica, e das pequenas centrais

hidreltricas (PCHs), coloca o Brasil numa posio de destaque na utilizao de

energias renovveis para a gerao de eletricidade. O grfico da Figura 1.1 apresenta

as fontes de energias utilizadas para a gerao de eletricidade e seus respectivos

percentuais de participao em capacidade instalada [5]:

Hidrulica 70,28%

Gs natural 10,22%Petrleo 4,9%

Biomassa 3,1%

Nuclear 1,99%Carvo mineral 1,4%

Elica 0,03%

Importao 8,08%

Figura 1.1 - Fontes de energia para gerao de eletricidade Ano 2005.

Fonte: ANEEL Banco de Informaes de Gerao (BIG).

Adicionalmente aos 92,86GW de potncia instalada de gerao de energia eltrica no

Brasil, est prevista para os prximos anos a instalao de mais 29,21GW

provenientes de 77 empreendimentos j em construo (6,07GW) e mais 515

empreendimentos outorgados entre 1998 e 2005 (23,15GW) pela Agncia Nacional

de Energia Eltrica (ANEEL), com a participao ilustrada na Figura 1.2 [5].

6

Empreendimentos em construo

59%3%

38% Gerao HidrulicaGerao ElicaGerao Termeltrica

Empreendimentos outorgados

37%

24%

39% Gerao HidrulicaGerao ElicaGerao Termeltrica

Figura 1.2 - Participao dos empreendimentos em construo e outorgados at 2005.


1.3.1 A Gerao e o Consumo de Energia Eltrica no Brasil

De acordo com dados do ano de 2004 disponibilizados em [4], a gerao total

pblica e de autoprodutores, de energia eltrica no Brasil, foi de 387,5TWh, sendo

este valor 6,3% superior ao do ano de 2003. Deste montante, a gerao de

autoprodutores teve uma participao de 9,8%. Nestes se incluem as usinas de

gerao elica e por outras fontes renovveis, alm dos autoprodutores que no

utilizam energias renovveis. A gerao total de autoprodutores apresentou aumento

de 8,1%, comparado ao ano de 2003, concentrando-se principalmente nos setores de

papel e celulose e sucroalcooleiro.

Este aumento da gerao de eletricidade por autoprodutores, principalmente

utilizando fontes renovveis de energia, vem sendo incentivado pelo governo do

Brasil, a exemplo do Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia

Eltrica (PROINFA) criado em 2002. Este programa, em sua primeira fase, objetivou

ampliar a diversificao da matriz energtica brasileira, promovendo inicialmente a

instalao de 3.300MW de capacidade, no Sistema Eltrico Interligado Nacional

(SIN), divididos em gerao elica, PCHs e gerao por biomassa [6].

A preocupao com a diversificao das fontes de energia, tornando mais eficientes e

menos impactantes as fontes no renovveis, bem como estimulando o uso das fontes

7

renovveis, a exemplo do Brasil, compartilhada pela maioria dos pases no mundo

inteiro, sob a necessidade premente da preservao do planeta e da espcie humana.

Um exemplo disto o Protocolo de Kyoto, um acordo internacional ratificado por

141 pases se comprometendo a reduzir as emisses dos gases causadores do efeito

estufa, responsveis pelo aquecimento global. O objetivo deste protocolo reduzir

entre 2008 e 2012 as emisses de 35 pases industrializados em 5.2%, em mdia, em

relao aos nveis de emisso do ano de 1990. Com a entrada em vigor do Protocolo

em 2005, as fontes renovveis de energia ganham, assim, um mercado atrativo em

investimentos, uma vez que alguns pases signatrios do Protocolo podero destinar

muitos recursos para tecnologias limpas. Estes no sero necessariamente

empregados em seus territrios, pois dependem da disponibilidade da fonte de

energia e da possibilidade de sua explorao, mas praticamente em todo o planeta,

incluindo o Brasil [7].

1.4 A Energia Elica no Mundo

No mundo inteiro a energia elica tem apresentado um acentuado desenvolvimento

tecnolgico. Isto se deve s preocupaes com as questes ambientais, incentivadas

pelo atendimento s metas do Protocolo de Kyoto, ao fator de escala que a gerao

elica incorpora devido possibilidade da instalao de parques elicos com

centenas de megawatts de capacidade e reduo crescente dos custos de produo

dos equipamentos, em funo do avano da tecnologia.

Durante a ltima dcada a capacidade instalada no mundo aumentou rapidamente, de

tmidos 2,5GW em 1991, estimando-se 58,4GW para o final de 2005 [2]. O

continente europeu lidera em capacidade instalada, favorecido pelas boas condies

de vento e arcabouo regulatrio adequado em alguns pases, seguido pelo continente

americano, com os parques elicos instalados nos EUA, principalmente na Califrnia

[8].

8

Em pases densamente povoados, prximos a mares de guas rasas, como o caso de

muitos pases no noroeste da Europa, observa-se a construo de vrios parques

elicos offshore. As principais vantagens destes parques so a reduo de

problemas com a poluio visual e sonora e a ocorrncia de ventos mais estveis,

com elevadas mdias anuais, resultando em maior produo anual de energia. As

principais desvantagens so o custo das turbinas para reas costeiras, o custo da

instalao no mar e as longas distncias a serem percorridas pelas linhas de

transmisso at o ponto de acoplamento com a rede eltrica.

Na Europa, atualmente, a Alemanha com uma potncia instalada de 16,65GW o

primeiro pas do mundo na utilizao da energia elica. Somente no ano de 2004

foram acrescidos 2,05GW ao seu parque instalado. A energia gerada anualmente por

fontes elicas corresponde a 6% da necessidade de energia eltrica do pas [9] e a

Alemanha tem como meta ampliar a participao da energia elica para 25% da sua

necessidade de energia eltrica at o ano de 2010 [2].

A Espanha o segundo pas do mundo com maior capacidade instalada, totalizando

8,27GW de gerao elica, o que equivale a aproximadamente 5% do seu parque

gerador instalado. Em terceiro lugar vem os Estados Unidos com uma potncia

instalada de 6,74GW das quais, 32% no estado da Califrnia, e a parcela restante

distribuda, principalmente no Texas, Minnesota, Iowa e Wyoming. Menos de 1% da

eletricidade gerada nos EUA provm de gerao elica. Em quarto lugar encontra-se

a Dinarmarca com a predominncia de parques elicos offshore, totalizando a

potncia instalada de 3,08GW, sendo atualmente o pas com a maior participao

percentual de gerao elica (20%) no seu parque de gerao de eletricidade [2].

Segundo o grupo de estudos de recursos elicos, chamado Wind Force 12 da

European Wind Energy Association (EWEA) [2], estima-se que at o ano de 2020,

12% do consumo mundial de eletricidade, ou seja, 3.000TWh, ser suprido por

fontes elicas, totalizando 1.254GW de potncia instalada, movimentando um

mercado anual de 80 bilhes de Euros, empregando 2,3 milhes de trabalhadores por

ano, evitando a emisso acumulada de 10,77 bilhes de toneladas de gs carbnico,

sendo 1,83 bilhes anualmente evitados. Estima-se tambm uma reduo do custo

9

para 2,45 centavos de Euros por kWh gerado, bem como do custo de instalao para

512 Euros por kW. Finalmente, estima-se a instalao mdia anual de novos

158,73GW [2]. Estas previses colocam a energia elica numa posio de total

destaque para o futuro suprimento de eletricidade no mundo.

1.4.1 A Energia Elica no Brasil

Atualmente, no Brasil, existem 10 empreendimentos de gerao elica em operao,

totalizando 28,55MW de potncia instalada [5]. Entretanto, j foram outorgados, pela

ANEEL, 128 novos empreendimentos, totalizando 5.642,34MW de capacidade, a

serem instalados em diversos estados, aguardando o incio de sua construo.

Atualmente, 5 empreendimentos esto em construo, totalizando a capacidade

instalada de 208,3MW. A Tabela 1.1 apresenta as usinas elicas atualmente em

operao no Brasil:

Tabela 1.1 - Usinas elicas em operao no Brasil.

USINA ELICA DE: POTNCIA (kW)

LOCALIZAO PROPRIETRIO

FERNANDO DE NORONHA-PE 225 PE CBEE / FADE / UFPE

PRAINHA 10.000 AQUIRRAZ CE WOBBEN WIND POWER

TABA 5.000 SO GONALO DO AMARANTE CE

WOBBEN WIND POWER

MORRO DO CAMELINHO 1.000 GOUVEIA MG CEMIG

PALMAS 2.500 PALMAS PR CENTRAIS ELICAS DO PARAN.

MUCURIPE 2.400 FORTALEZA CE WOBBEN WIND POWER

BOM JARDIM 600 BOM JARDIM DA SERRA SC

PARQUE ELICO DE SANTA CATARINA.

OLINDA 225 OLINDA PE CBEE / FADE / UFPE.

HORIZONTE 4.800 GUA DOCE SC CENTRAL NACIONAL DE ENERGIA ELICA

10

MACAU 1.800 MACAU RN PETROBRS

TOTAL: 28.550


Do exposto, conclui-se que o Brasil precisa se preparar para as demandas oriundas da

incluso de um maior nmero de usinas elicas ao sistema eltrico interligado, em

funo das caractersticas operacionais e tcnicas dessas usinas.

1.5 Reviso Bibliogrfica Sobre o Tema

O interesse atual pela instalao de centrais de gerao elica tem motivado a

realizao de estudos para a interligao das turbinas elicas aos sistemas eltricos

de potncia, avaliando-se os impactos da rede eltrica nas centrais elicas e vice-

versa. Os pontos principais que devem ser e esto, mesmo que em parte, sendo

abordados pelos pesquisadores no mundo inteiro so:

Estudos de regime permanente de fluxo de potncia e curto-circuito;

Estudos de estabilidade dinmica, verificando inclusive o critrio de

permanncia durante a falta e suporte de tenso rede no ps-falta;

Estudos de ajustes das protees do parque elico e sua coordenao com os

esquemas de proteo do sistema eltrico interligado;

Estudos da qualidade da energia gerada, incluindo a avaliao dos nveis de

emisso de cintilao luminosa (flicker), das variaes de tenso de curta

durao (VTCDs), das variaes lentas de tenso e da injeo de correntes

harmnicas na rede eltrica;

Tcnicas de alocao e otimizao da compensao de reativos no parque

elico;

11

Impactos do aumento da participao da gerao elica no planejamento e

operao dos sistemas eltricos de potncia interligados, incluindo as

questes de custos de operao e confiabilidade dos sistemas eltricos.

Adiciona-se aos estudos citados, os pontos especficos de anlise, incluindo a

operao da turbina em velocidade fixa ou varivel; as estratgias de controle

visando a maximizao da potncia gerada; os estresses mecnicos nos sistemas de

eixos (caixa de engrenagens e acoplamento); os desempenhos dinmicos de

geradores de induo em gaiola e de rotor bobinado duplamente alimentado (GIDE);

a utilizao de geradores sncronos convencionais ou a ms permanentes (GSIP)

com conversores estticos de potncia plenos no estator e os avanos tecnolgicos

recentes dos dispositivos semicondutores de chaveamento dos conversores.

Assim, destacam-se os trabalhos citados a seguir e as suas principais contribuies

relacionadas com o tema desta tese:

Em [10] foi elaborado um dos trabalhos pioneiros no Brasil sobre aplicao de

Sistemas de Converso de Energia Elica (SCEE) de pequeno porte, para

bombeamento de gua e carregamento de baterias no meio rural.

Em [11] foi proposta uma estratgia de controle desacoplado da potncia ativa e

reativa do GIDE usando um cicloconversor no rotor, resultando em simplicidade do

controle, porm com reduzida flexibilidade operacional.

Em [12] foi apresentado um sistema de gerao elica de velocidade varivel e

freqncia constante, com GIDE. O controle foi orientado no campo girante do

estator, obtendo-se uma operao tima, com desempenho elevado, enquanto os

problemas de sensibilidade variao paramtrica no foram observados.

Em [13] foram apresentados os sistemas de gerao elica de velocidade varivel e

freqncia constante do GIDE, e do gerador de relutncia duplamente excitado sem

escovas e anis, mostrando um controle flexvel de potncia ativa e reativa, enquanto

as perdas ativas no cobre da mquina foram minimizadas.

12

Em [14] foi apresentado o projeto de um sistema com GIDE, usando um conversor,

com modulao por largura de pulso (PWM), como fonte de tenso, na configurao

back-to-back, regulado em corrente no circuito do rotor. Mostrou-se que, entre

outras, a estratgia de controle de velocidade, a partir da observao do torque do

gerador, apresentou um melhor comportamento dinmico, porm necessitando de um

observador (estimador) de torque.

Em [15] foi implementado um modelo de parque elico no software Power System

Simulator Program (PSS/E), que permite a realizao de estudos de estabilidade

de sistemas de potncia bem como de qualidade da energia da rede, incluindo as

oscilaes mecnicas prprias e as oscilaes por toro, causadas pelo sistema de

eixos elsticos. Observou-se que a representao de turbinas elicas com massa

concentrada no reproduz fielmente os fenmenos de flicker da operao normal,

nem permite a correta investigao da estabilidade e comportamento ps falta do

sistema de potncia.

Em [16] foi apresentado o modelo dinmico do GIDE, usando a conveno gerador,

para turbinas elicas operando em velocidade varivel, com conversor PWM como

fonte de tenso, na configurao back-to-back, no circuito do rotor. Foi

desenvolvido um modelo matemtico do rotor elico com clculo do coeficiente de

desempenho (Cp), realizando-se uma aproximao numrica. Foram apresentados os

projetos analgicos para os controladores de velocidade, do ngulo de passo e tenso

terminal.

Em [17] foi proposta uma metodologia de projeto de um filtro indutivo-capacitivo-

indutivo (LCL), para a entrada trifsica de um retificador, cujo principal objetivo a

reduo do ripple de corrente na freqncia de chaveamento, com um custo

razovel e ao mesmo tempo obtendo um desempenho elevado do retificador. Foi

visto que este filtro pode ser adaptado para utilizao no circuito do rotor do GIDE.

Em [18] foi utilizado o mesmo software PSS/E usado em [15], para modelar um

parque elico conectado rede eltrica, com 80 turbinas de 2MW, equipadas com

geradores de induo em gaiola, e estudar a estabilidade das tenses de curta

durao. As equaes dinmicas do estator foram includas no modelo do gerador

bem como a elasticidade mecnica dos eixos. Foi realizado um estudo da influncia

13

dos parmetros eltricos e mecnicos e da utilizao das estratgias de controle para

geradores de induo em gaiola, na estabilidade das tenses.

Em [19] foram realizadas simulaes de transitrios eletromecnicos, da rede eltrica

com sistemas elicos interligados, para a investigao da estabilidade das tenses e

ngulos. Nestas, a rede eltrica foi representada como uma matriz de impedncias e

somente as componentes fundamentais das tenses e correntes foram consideradas de

forma a reduzir o esforo computacional necessrio. Foram estudados 3 sistemas de

gerao elica: a) turbina em velocidade fixa com gerador de induo em gaiola; b)

turbina em velocidade varivel com GIDE; c) turbina em velocidade varivel com

gerador sncrono de baixa velocidade, sem caixa de engrenagens, e com conversor

esttico pleno no estator.

Em [20] foi desenvolvido um modelo adequado de agregao de turbinas para

simular um parque elico composto por dezenas ou centenas de unidades, atravs de

um pequeno grupo de mquinas. As metodologias para agregao do parque,

composto por turbinas de velocidade fixa e de velocidade varivel, foram

apresentadas, ressaltando-se suas particularidades.

Em [21] foi realizado um estudo sobre a integrao rede eltrica, de sistemas

elicos de velocidade varivel com GIDE, comparando-os com sistemas velocidade

fixa com gerador de induo em gaiola. As margens de estabilidade transitria foram

comparadas para redes fortes e fracas, indicando que o GIDE melhora a

estabilidade ps falta de curta durao dos demais geradores sncronos da rede.

Em [22] foi apresentado um modelo de parque elico agregado, implementado no

programa Power System Simulation Software (SIMPOW) da ABB, que permite

investigar o comportamento dinmico de parques elicos, conectados rede eltrica.

O modelo implementado permite o estudo de estabilidade de sistemas de potncia

bem como de parmetros de qualidade de energia da rede, a exemplo de flicker e

variaes de tenso e frequncia.

Em [23] foi desenvolvido um sistema de controle completo da turbina elica

velocidade varivel com GIDE, com foco nas estratgias e algoritmos aplicados em

cada nvel hierquico de controle (nvel da turbina e nvel do gerador). O mtodo de

14

controle foi projetado para operao contnua normal, e sua principal caracterstica

permitir turbina operar com a mxima eficincia numa faixa maior de velocidades

do vento. O sistema foi implementado no software DIgSILENT.

Em [24] foi apresentada uma estratgia de controle direto de potncia usando a

modulao por vetores espaciais para conversores PWM trifsicos, conectando o

gerador rede eltrica. Obteve-se um algoritmo simples e robusto e um

procedimento simples de sintonia dos controladores das malhas. O projeto do filtro

LCL apresentado em [17] foi aprimorado.

Em [25] foram realizados estudos da eficincia energtica de sistemas velocidade

varivel, incluindo o GIDE. As perdas eltricas e mecnicas do conjunto turbina-

gerador foram identificadas. Foram analisados os desempenhos de diferentes

controladores de corrente, principalmente a influncia da fora eletromotriz induzida

no circuito do rotor, na malha de controle das correntes rotricas.

1.6 Contribuies Deste Trabalho

A principal contribuio desta tese o desenvolvimento de estratgias de controle

discreto (ou digital)1, para o sistema de gerao elica interligado rede eltrica,

usando geradores de induo duplamente alimentados, de forma a reduzir os

impactos na qualidade da energia gerada, em funo dos diversos regimes e

transitrios de vento, que podem ocorrer no stio elico. Com este objetivo, o projeto

das malhas de controle dos conversores estticos de potncia instalados no circuito

do rotor foi realizado, utilizando a tcnica de controle discreto, propondo-se as

estratgias de controle e o conjunto de especificaes bsicas para o clculo dos

ganhos dos controladores, de forma a contribuir para a estabilidade das tenses do

1 Nesta tese as terminologias controle discreto e controle digital, ou controladores discretos e

controladores digitais, sero usadas de forma comum, tendo o mesmo significado.

15

sistema eltrico, minimizando as variaes de tenso de curta durao (VTCDs), em

regime dinmico, durante os transitrios da velocidade do vento.

Para a realizao dos estudos, foi desenvolvido um programa de simulao do parque

elico interligado rede eltrica, utilizando-se o software de simulao dinmica de

sistemas Matlab/Simulink, pelo seu extenso ferramental em sistemas de controle

analgico e digital e tambm em sistemas de potncia. Para viabilizar o uso deste

software, foi adotado um modelo equivalente da usina elica num nico conjunto

turbina-gerador e foi obtido o equivalente do sistema de potncia interligado, na

barra de conexo com a usina.

A motivao para esta linha de pesquisa foi a observao de que a maioria dos

trabalhos consultados na literatura cientfica apresenta investigaes principalmente

sistmicas, predominando-se a utilizao de topologias das malhas de controle

analgico, descritas atravs da tcnica da Transformada de Laplace ou das equaes

de estado, sem entretanto apresentar claramente as especificaes de projeto e os

procedimentos de clculo dos ganhos dos controladores das diversas malhas.

Os fabricantes de turbinas, por sua vez, tambm retm os critrios de projeto e os

ajustes dos ganhos dos diversos subsistemas de controle do conjunto turbina-gerador,

apresentando eventualmente, quando solicitados, dados resumidos de malhas

analgicas de controle.

Entretanto, nas aplicaes prticas dos parques elicos, os projetos e sintonias dos

controladores sero feitos em sistemas computacionais em ambiente digital,

kleber freire da silva controle e integração de centrais

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