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Type: Dissertação
Title: Modelagem e simulação de sistemas de geração de energia eólica através de co-simulação
Author: Silva, Loan Tullio de Frank Willians da
First Advisor: Tomim, Marcelo Aroca
Co-Advisor: Barbosa, Pedro Gomes
Referee Member: Passos Filho, João Alberto
Referee Member: Henriques, Ricardo Mota
Referee Member: Bonatto, Benedito Donizeti
Resumo: Essa dissertação apresenta a modelagem e simulação de sistemas de geração de energia eólica através de técnicas de co-simulação. Primeiramente, o sistema de conversão de energia eólica é caracterizado, sendo constituído por uma turbina eólica, um gerador síncrono de imãs permanentes (PMSG) e conversores fonte de tensão de dois níveis em conexão back-to-back. Também são caracterizadas as regiões operativas da turbina eólica, bem como são modelados os respectivos dispositivos de controle. Para o estabelecimento de um ponto operativo em regime permanente de fazendas eólicas baseadas nos sistemas de geração de energia descritos, propõe-se uma melhoria no cálculo do fluxo de carga convencional de forma a representar nós que possuem especificada apenas sua potência ativa e o fator de potência de um terminal remoto. Resultados são apresentados para uma rede coletora CA de média tensão. A co-simulação, por sua vez, permite que sistemas acoplados e complexos, tais como os elétricos de potência, sejam divididos em subsistemas menores, onde cada subsistema pode ser modelado e simulado individualmente. Dessa forma, possibilita-se o emprego de ferramentas de modelagem e simulação que melhor se adequam aos respectivos modelos ou domínios. Essa divisão bem definida em subsistemas individuais permite que o esforço computacional de uma simulação seja compartilhada entre diversos processos, visando solucionar gargalos computacionais recorrentes nos estudos em sistemas elétricos de maior porte. Nesse trabalho, utiliza-se o padrão FMI (Functional Mock-up Interface) para a implementação da co-simulação, cujo objetivo é compatibilizar os modelos provenientes de diferentes ferramentas. A interface FMI possibilita que os subsistemas individuais sejam encapsulados dentro de uma FMU (Functional Mock-up Unit) contendo o modelo desenvolvido e, no caso da co-simulação, um método matemático de solução. Uma outra vantagem na utilização do padrão FMI consiste na proteção da propriedade intelectual dos modelos desenvolvidos. Os modelos apresentados são desenvolvidos em linguagem Modelica, enquanto a co-simulação é desenvolvida em um ambiente de programação baseado em linguagem Python, empregando-se paradigma de computação paralela baseada em troca de mensagens, como o MPI (Message Passing Interface).
Abstract: The present masters thesis presents strategies for modeling and simulating wind energy generation systems by means of co-simulation techniques. Firstly, the wind energy conversion system (WECS), consisting of a wind turbine coupled to a permanent magnet synchronous generator (PMSG) through a gearbox and back-to-back two-level voltage-source-based power converters, is detailed. Operating modes for the given WECS are also discussed, along with their respective controllers. In order to establish steady-state operating conditions for wind farms, composed by several parallel-connected WECS, an improvement to the conventional load flow computation is proposed to include electric nodes that specifies only active power and power factor at a remote node. Results are shown for a wind farm AC medium-voltage collection system. Co-simulation techniques, in turn, allow complex and interconnected systems, such as the electric power systems, to be partitioned into smaller subsystems, where each subsystem can be modeled and simulated on its own. Furthermore, such a separation among subsystems allows one to use distinct modeling alternatives and solution algorithms, which may be more appropriate or efficient to each subsystem. From a computational viewpoint, partitioning larger systems into smaller interconnected subsystems also helps sharing the required computational effort among several computing processes and, consequently, mitigating computational bottlenecks often encountered in bulk power systems analysis. In this work, the co-simulation is attained by means of the FMI (Functional Mock-up Interface) standard, which aims at making models, developed for different simulations tools, compatible. As a consequence, the FMI standard permits encapsulating whole subsystems into a single FMU (Functional Mock-up Unit), which contains a machine-coded mathematical description of a model along with its numerical solver. As a by-product of the FMU encapsulation, provided by the FMI standard, is the protection of intellectual property, which can be vital for certain applications. The presented mathematical models are developed into Modelica language, whereas the co-simulation is implemented in Python with the aid of the message-passing parallel programming paradigm provided by the MPI (Message Passing Interface) standard.
Keywords: Sistemas de conversão de energia eólica
Co-simulação
Modelica
Padrão FMI
Wind energy conversion systems
Co-simulation
Modelica language
FMI standard
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/11593
Issue Date: 5-Mar-2020
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