Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Santos, Ângelo Marcílio Marques dos
Orientador(a): Moreira, Adson Bezerra
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83004
Resumo: This paper presents a grid-connected wind energy generation system driven by a Squirrel Cage Induction Generator (SCIG), which includes an energy storage system (ESS) configuration with batteries. Additionally, harmonic mitigation of grid currents is performed by the grid-side converter, acting as an Active Power Filter (APF) based on the instantaneous power (p-q) theory. The SCIG was chosen due to advantages such as robustness, simplicity, lower weight, and low cost compared to other machines. It is directly connected to a bidirectional back-to-back power converter, supplying active and reactive power to the grid. The SCIG’s power generation is achieved using a Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique based on the optimal tip-speed ratio (lambda) and optimal turbine speed. This technique, implemented through the SCIG’s speed control, allows for more efficient harvesting of the available wind energy. To make the wind generation system reliable against wind fluctuations and variable power production, a battery-based energy storage system is implemented. This system is responsible for managing the power flow, storing energy when generation exceeds demand and injecting it into the grid when generation is lower than demand. The ESS is connected to the back-to-back converter through a DC-DC buck-boost converter. The generator is controlled based on its speed and magnetizing current, while the Grid-Side Converter (GSC) is controlled based on power flow. The battery bank is controlled by regulating the DC bus voltage and the battery current, using PI controllers. The APF functionality, implemented by the GSC, results in a THD of 4.88%, which is within the limits established by international standards, thereby improving power quality. The system is composed of a wind turbine, gearbox, SCIG, back-to-back power electronic converter, DC-DC converter, battery bank, and non-linear loads. The studied system was mathematically modeled and simulated using computational simulation techniques to validate the employed control strategies under different operating conditions. The Matlab/Simulink software was used for the simulations.
id UFC-7_41dcb9ee98daa2a2ad70f8646ee8f0db
oai_identifier_str oai:repositorio.ufc.br:riufc/83004
network_acronym_str UFC-7
network_name_str Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
repository_id_str
spelling Santos, Ângelo Marcílio Marques dosMoreira, Adson Bezerra2025-10-10T18:58:27Z2025-10-10T18:58:27Z2022SANTOS, Ângelo Marcílio Marques dos. Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência. 2022. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e da Computação), Universidade Federal do Ceará, Campus de Sobral, 2022.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83004This paper presents a grid-connected wind energy generation system driven by a Squirrel Cage Induction Generator (SCIG), which includes an energy storage system (ESS) configuration with batteries. Additionally, harmonic mitigation of grid currents is performed by the grid-side converter, acting as an Active Power Filter (APF) based on the instantaneous power (p-q) theory. The SCIG was chosen due to advantages such as robustness, simplicity, lower weight, and low cost compared to other machines. It is directly connected to a bidirectional back-to-back power converter, supplying active and reactive power to the grid. The SCIG’s power generation is achieved using a Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique based on the optimal tip-speed ratio (lambda) and optimal turbine speed. This technique, implemented through the SCIG’s speed control, allows for more efficient harvesting of the available wind energy. To make the wind generation system reliable against wind fluctuations and variable power production, a battery-based energy storage system is implemented. This system is responsible for managing the power flow, storing energy when generation exceeds demand and injecting it into the grid when generation is lower than demand. The ESS is connected to the back-to-back converter through a DC-DC buck-boost converter. The generator is controlled based on its speed and magnetizing current, while the Grid-Side Converter (GSC) is controlled based on power flow. The battery bank is controlled by regulating the DC bus voltage and the battery current, using PI controllers. The APF functionality, implemented by the GSC, results in a THD of 4.88%, which is within the limits established by international standards, thereby improving power quality. The system is composed of a wind turbine, gearbox, SCIG, back-to-back power electronic converter, DC-DC converter, battery bank, and non-linear loads. The studied system was mathematically modeled and simulated using computational simulation techniques to validate the employed control strategies under different operating conditions. The Matlab/Simulink software was used for the simulations.Este trabalho apresenta um sistema de geração de energia eólica acionado por Gerador de Indução de rotor em Gaiola de Esquilo (GIGE), conectado à rede elétrica e que possui uma configuração de sistema de armazenamento de energia (SAE) com baterias aplicado ao sistema eólico proposto. Além disso, através do conversor do lado da rede elétrica, é realizada a mitigação de harmônicos das correntes da rede elétrica com o Filtro Ativo de Potência (FAP), que utiliza a estratégia das potências instantâneas (p-q). O GIGE foi escolhido por apresentar vantagens como sua robustez, simplicidade, peso menor e baixo custo quando comparado com outras máquinas. É conectado diretamente ao conversor de potência bidirecional back-to-back, fornecendo potências ativa e reativa à rede elétrica. A geração de energia do GIGE é obtida por meio da técnica de MPPT a partir do lambda ótimo e velocidade ótima de rotação da turbina, que realiza com maior eficiência o aproveitamento da energia do vento disponível, sendo aplicada através do controle de velocidade do GIGE. Com o objetivo de tornar o sistema de geração eólica confiável mesmo diante das oscilações do vento e de diferentes potências produzidas, é realizada a implantação de um sistema de armazenamento de energia com baterias, sendo estes responsáveis pelo fluxo de potência gerada/demandada, armazenando energia quando a geração for maior que a demanda e injetando energia na rede elétrica quando a geração for menor que a demanda. O SAE é conectado ao conversor back-to-back por meio de um conversor elevador-abaixador de corrente contínua, conversor buck-boost. O controle do gerador é realizado a partir do controle de velocidade e da corrente de magnetização. Já o controle do Conversor do Lado da Rede (CLR) é realizado pelo controle das potências. Para o banco de baterias é utilizado o controle da tensão no barramento de corrente contínua e do fluxo na corrente da bateria, utilizando controladores do tipo PI. O FAP é aplicado através do CLR, e acarreta a DHT igual a 4,88%, dentro dos valores estabelecidos pelas normas internacionais, melhorando a qualidade de energia. O sistema é composto por turbina eólica, caixa de velocidade, GIGE, conversor eletrônico de potência back-to-back, conversor CC-CC, banco de baterias e cargas não lineares. O sistema estudado foi matematicamente modelado e simulado por meio de técnicas de simulação computacional usando modelos matemáticos do sistema estudado para a validação das estratégias de controle empregadas em diferentes condições de operação. Para as simulações foi utilizado o software Matlab / Simulink.Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potênciainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisGeração EólicaGIGEMPPTSAEQualidade de energiaWind Power GenerationSCIGMPPTESSPower qualityCNPQ::ENGENHARIASinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttp://lattes.cnpq.br/9527105241605962https://orcid.org/0000-0002-1126-6192http://lattes.cnpq.br/11399509381507292025ORIGINAL2022_dis_ammsantos.pdf2022_dis_ammsantos.pdfapplication/pdf9158616http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/83004/1/2022_dis_ammsantos.pdf93eff3377fd42260945a1ccb0d841d34MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/83004/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52riufc/830042025-10-10 15:58:28.061oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-10-10T18:58:28Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
dc.title.pt_BR.fl_str_mv Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
title Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
spellingShingle Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
Santos, Ângelo Marcílio Marques dos
CNPQ::ENGENHARIAS
Geração Eólica
GIGE
MPPT
SAE
Qualidade de energia
Wind Power Generation
SCIG
MPPT
ESS
Power quality
title_short Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
title_full Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
title_fullStr Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
title_full_unstemmed Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
title_sort Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência
author Santos, Ângelo Marcílio Marques dos
author_facet Santos, Ângelo Marcílio Marques dos
author_role author
dc.contributor.author.fl_str_mv Santos, Ângelo Marcílio Marques dos
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Moreira, Adson Bezerra
contributor_str_mv Moreira, Adson Bezerra
dc.subject.cnpq.fl_str_mv CNPQ::ENGENHARIAS
topic CNPQ::ENGENHARIAS
Geração Eólica
GIGE
MPPT
SAE
Qualidade de energia
Wind Power Generation
SCIG
MPPT
ESS
Power quality
dc.subject.ptbr.pt_BR.fl_str_mv Geração Eólica
GIGE
MPPT
SAE
Qualidade de energia
dc.subject.en.pt_BR.fl_str_mv Wind Power Generation
SCIG
MPPT
ESS
Power quality
description This paper presents a grid-connected wind energy generation system driven by a Squirrel Cage Induction Generator (SCIG), which includes an energy storage system (ESS) configuration with batteries. Additionally, harmonic mitigation of grid currents is performed by the grid-side converter, acting as an Active Power Filter (APF) based on the instantaneous power (p-q) theory. The SCIG was chosen due to advantages such as robustness, simplicity, lower weight, and low cost compared to other machines. It is directly connected to a bidirectional back-to-back power converter, supplying active and reactive power to the grid. The SCIG’s power generation is achieved using a Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique based on the optimal tip-speed ratio (lambda) and optimal turbine speed. This technique, implemented through the SCIG’s speed control, allows for more efficient harvesting of the available wind energy. To make the wind generation system reliable against wind fluctuations and variable power production, a battery-based energy storage system is implemented. This system is responsible for managing the power flow, storing energy when generation exceeds demand and injecting it into the grid when generation is lower than demand. The ESS is connected to the back-to-back converter through a DC-DC buck-boost converter. The generator is controlled based on its speed and magnetizing current, while the Grid-Side Converter (GSC) is controlled based on power flow. The battery bank is controlled by regulating the DC bus voltage and the battery current, using PI controllers. The APF functionality, implemented by the GSC, results in a THD of 4.88%, which is within the limits established by international standards, thereby improving power quality. The system is composed of a wind turbine, gearbox, SCIG, back-to-back power electronic converter, DC-DC converter, battery bank, and non-linear loads. The studied system was mathematically modeled and simulated using computational simulation techniques to validate the employed control strategies under different operating conditions. The Matlab/Simulink software was used for the simulations.
publishDate 2022
dc.date.issued.fl_str_mv 2022
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2025-10-10T18:58:27Z
dc.date.available.fl_str_mv 2025-10-10T18:58:27Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv SANTOS, Ângelo Marcílio Marques dos. Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência. 2022. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e da Computação), Universidade Federal do Ceará, Campus de Sobral, 2022.
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83004
identifier_str_mv SANTOS, Ângelo Marcílio Marques dos. Sistema de geração de energia eólica conectado à rede elétrica com utilização de sistema de armazenamento de energia e filtro ativo de potência. 2022. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e da Computação), Universidade Federal do Ceará, Campus de Sobral, 2022.
url http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83004
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)
instacron:UFC
instname_str Universidade Federal do Ceará (UFC)
instacron_str UFC
institution UFC
reponame_str Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
collection Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
bitstream.url.fl_str_mv http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/83004/1/2022_dis_ammsantos.pdf
http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/83004/2/license.txt
bitstream.checksum.fl_str_mv 93eff3377fd42260945a1ccb0d841d34
8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)
repository.mail.fl_str_mv bu@ufc.br || repositorio@ufc.br
_version_ 1847793044294729728