Desenvolvimento da eletrónica de potência para um sistema microeólico isolado com baterias

Abstract

A energia elétrica é um bem essencial para a evolução da indústria e consequentemente para o desenvolvimento de um país. Assim sendo, como consequência da necessidade de desenvolvimento dos países, as necessidades de energia elétrica têm aumentado muito nos últimos anos. Atualmente grande parte da energia é obtida a partir de combustíveis fósseis, os quais durante o processo de transformação provocam grandes níveis de poluição. Dessa poluição, um dos problemas mais visíveis é o aumento de CO2 na atmosfera, o que resulta em alterações climáticas. Para combater os efeitos nefastos da utilização de combustíveis fosseis, e dar resposta à procura cada vez maior de energia elétrica, é necessário apostar na produção deste bem essencial a partir de fontes renováveis. Para obter melhorias ambientais a nível global será necessário uma grande disseminação da utilização de energia de fontes renováveis. No sentido de contribuir para a disseminação e para o melhoramento da tecnologia que permita aumentar a produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, esta dissertação versa sobre o desenvolvimento de um sistema microeólico para uma rede elétrica isolada. Este sistema deve permitir a extração otimizada da energia de uma turbina microeólica para alimentar um conjunto de recetores de forma ininterrupta e com boa qualidade de energia. Sendo para isso necessário que a energia elétrica produzida em excesso durante certos períodos seja armazenada em baterias, para tornar possível alimentar as cargas mais prioritárias mesmo na ausência de vento. Dos diversos geradores eólicos estudados, para o sistema proposto foi escolhido o gerador síncrono de ímanes permanentes. A topologia dos conversores de potência é composta por um retificador trifásico, um conversor CC/CC ponte completa do tipo buck que otimiza a extração de energia da turbina microeólica e gere o carregamento das baterias e um inversor monofásico que produz uma tensão alternada sinusoidal com a frequência e amplitude pretendidas. Durante a dissertação foram desenvolvidos modelos computacionais e efetuadas simulações do sistema descrito, para validar o funcionamento das topologias dos conversores de potência e dos algoritmos de controlo desenvolvidos. Foi também construído um protótipo laboratorial do sistema com a topologia proposta e foram realizados diversos ensaios para aferir o desempenho do sistema.

Electric energy is an essential resource to the industrial activity and, consequently, to the development of a country. Considering that development and energy consumption are linked, the energy needs have risen in the last few years in several world countries. Today, most of the electric energy is produced resorting to fossil fuels, which results in high levels of pollution. The most visible problem caused by the use of fossil fuels is the increase in CO2 in the atmosphere, which results in the climate change. To reduce the harmful effects caused by the use of fossil fuels, and to answer the increasingly electric energy needs, it is necessary to invest in the production using renewable sources of energy. To produce global environmental improvements it will be necessary to disseminate the use of renewable sources of energy. To contribute to the dissemination and improvement of the technology that allows a growth in the production of electric energy originated from renewable sources, this MSc dissertation focuses in the development of a micro wind generator system for an isolated grid. This system must allow the optimized extraction of energy from a micro wind turbine to supply a group of receptors, uninterruptedly, and with high levels of power quality. To achieve this, it is necessary that the surplus of electric energy produced during certain periods of time is stored in batteries, making it possible to supply priority loads in the absence of wind. From the several equated wind turbine generators, it was proposed a permanent magnet synchronous generator for the system. The proposed topology is composed by a three-phase rectifier, a DC/DC full-bridge buck type converter which optimizes the extraction of energy from the micro wind turbine and manages the charging process of the batteries, and a single phase inverter that produces a sinusoidal alternated voltage with the required amplitude and frequency. During this MSc dissertation, were developed computational models and were performed simulations to validate the operation of the topology of the power converters and the developed control algorithms. It was also implemented a laboratory prototype of the system with the proposed topology and several tests were conducted to assess the system performance.