Âmbito e Motivação

Com base no que foi anteriormente referido fica bem patente a importância que a produção eólica tem actualmente e que vai continuar a ter no panorama energético mundial.

Claro que volumes tão elevados de produção eólica, para além de terem inúmeras vantagens provocam também alguns problemas técnicos.

Do ponto de vista técnico a produção de energia eléctrica explorando energia eólica apresenta algumas dificuldades relativamente à sua integração na rede eléctrica. Entre estas podemos destacar o facto de não ser despachável, a dificuldade da utilização dos parques eólicos para

proceder ao controlo de tensão e potência reactiva e o facto, de em geral, os conversores eólicos não participarem no controlo de frequência. Por outro lado as tecnologias de conversão de energia eólica são diferentes das soluções convencionais, apresentando uma menor robustez quando ocorrem perturbações no sistema, tais como cavas de tensão. Estes problemas resultam em parte do tipo de tecnologia utilizada nos aerogeradores.

Até há poucos anos, na grande maioria dos aerogeradores instalados, e caso surgisse um defeito na rede eléctrica, estes teriam de ser desligados de forma a protegerem os seus equipamentos.

Como exemplo apresenta-se na figura seguinte (Figura 1.3) o comportamento da tensão aos terminais de um aerogerador assíncrono após a ocorrência de um curto-circuito. Pode-se observar uma cava de tensão, permanecendo esta enquanto o curto-circuito não for eliminado.

Da Figura 1.3, pode ainda verificar-se o comportamento típico do aerogerador, sendo este desligado devido à actuação da protecção de mínimo de tensão, saindo, desta forma, o aerogerador de serviço. Esta situação não teria problemas significativos caso se tratassem apenas de alguns aerogeradores, ou seja, de algumas dezenas de MW. No caso de ocorrer uma súbita saída de serviço de grandes volumes de produção eólica vão existir claros problemas de segurança de exploração em termos de regime estacionário e dinâmico que se materializam fundamentalmente por aumentos dos trânsitos de potência nas linhas e em particular nas linhas de interligação, variações de frequência e ainda abaixamento dos perfis de tensão. Todas estas ocorrências podem levar a perdas de estabilidade e consequentemente levar ao colapso e/ou isolamento do sistema.

Esta situação pode ser obviada através de soluções avançadas de controlo dos aerogeradores e/ou através da injecção da potência reactiva, soluções que só agora começaram a ser implementadas. Através da instalação de FACTS (Flexible AC Transmission Systems), por exemplo STATCOM (Compensadores Síncronos Estáticos ou na literatura anglo-saxónica Static Synchronous Compensator) é possível obter um comportamento da tensão aos terminais do aerogerador conforme se apresenta na Figura 1.4, impedindo a sua saída de serviço.

Da análise da Figura 1.4, pode constatar-se que a contribuição em termos de suporte de tensão por parte do STATCOM é significativa, evitando a actuação da protecção de mínimo de tensão.

É necessário também perceber como é que o fenómeno se propaga, como se controla, e quais os problemas que daqui resultam, como por exemplo eventuais sobre-tensões originadas pelo funcionamento dos STATCOM após a eliminação dos defeitos.

Figura 1.3 – Tensão aos terminais de uma máquina assíncrona após um curto-circuito.

Nos últimos anos já ocorreram incidentes, que provocaram situações particularmente críticas com perdas de volumes significativos de produção eólica, veja-se o caso, por exemplo, da situação que ocorreu na Alemanha em 2006. Esta situação recente reflecte bem qual o impacto que um elevado volume de produção eólica pode ter no comportamento dinâmico de grandes redes interligadas como é o caso da rede da Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity (UCTE).

Por estas razões, ultimamente tem havido uma maior preocupação por parte dos operadores do sistema que passaram a ser mais exigentes em termos dos requisitos a impor aos aerogeradores, nomeadamente no que se refere à capacidade de sobreviverem a cavas de tensão.

Figura 1.4 – Tensão aos terminais de uma máquina assíncrona após um curto-circuito num cenário com STATCOM.

Foram assim definidas regras e requisitos especiais nos Manuais de Procedimentos de Rede (na literatura anglo-saxónica Grid Codes - GC). Estas regras definem as características e os comportamentos que os aerogeradores devem ter, por exemplo, numa situação em que surja um curto-circuito na rede.

Veja-se o caso dos GC da Alemanha (E.ON), Irlanda (NG), Espanha (REE), Portugal (Concurso para atribuição de capacidade de injecção de potência na rede do sistema eléctrico de serviço público e pontos de recepção associados para energia eléctrica produzida em centrais eólicas” promovido pela Direcção Geral de Geologia e Energia em Julho de 2005), para referir apenas estes.

Para se conseguir dar cumprimento ao requerido pelos GC no que concerne à capacidade de sobrevivência a cavas de tensão existem fundamentalmente duas soluções (excluindo a solução de substituição da totalidade do aerogerador):

• Soluções externas aos aerogeradores, para o caso dos aerogeradores já em funcionamento e que não têm capacidade de sobrevivência a cavas de tensão.

No que diz respeito às soluções intrínsecas dos aerogeradores, os fabricantes têm procurado que as suas máquinas apresentem comportamentos que satisfaçam os requisitos definidos pela generalidade dos GC.

As soluções intrínsecas são soluções de controlo complexas, que envolvem a utilização da protecção crowbar-activo, o controlo de pitch e/ou a injecção de potência reactiva, por exemplo [9].

Em relação às soluções externas aos aerogeradores é possível optar pela tecnologia dos FACTS, ou seja, SVC (Compensadores Estáticos ou na literatura anglo-saxónica Static Var Compensator), STATCOM ou DVR (na literatura anglo-saxónica Dynamic Voltage Restorer), por exemplo [10-13].

Esta solução, quando comparada com a anterior, apresenta-se como um boa solução quando somos confrontados com a realidade da existência de inúmeros parques eólicos que foram instalados e colocados em serviço antes de serem conhecidos os requisitos agora impostos pelos GC.

Assim, este trabalho de investigação tem os seguintes objectivos:

• Identificar soluções técnicas externas aos aerogeradores que permitam assegurar a sua manutenção em operação no caso da ocorrência de cavas de tensão, de acordo com os requisitos definidos nos GC;

• Identificar os cenários de operação críticos e as soluções tecnológicas de compensação mais eficazes no tratamento do problema;

• Desenvolver procedimentos que permitam minimizar o volume global da potência dos equipamentos de compensação externos e a sua localização na rede, com o objectivo de minimizar a perda de produção eólica e evitar o colapso do sistema.

Portanto, este trabalho visa analisar problemas da segurança dinâmica de exploração das redes eléctricas interligadas, em cenários de grande volume de produção eólica.

O desenvolvimento deste trabalho implicou ainda um esforço significativo relativamente à utilização de modelos adequados para representar o comportamento dinâmico dos principais tipos de aerogeradores de modo a que estes permitissem incorporar as capacidades de sobrevivência a cavas de tensão. Relativamente aos aerogeradores de velocidade variável, e devido a estar fora do âmbito deste trabalho, não foram consideradas em detalhe as modelizações finas dos sistemas de controlo e que lhes permitem sobreviver a cavas de tensão.

De referir que a rede utilizada para o desenvolvimento deste trabalho foi a rede interligada da Península Ibérica (Portugal/Espanha) com as suas interligações com França e Marrocos. Com efeito os problemas da segurança dinâmica do tipo sob análise, que ocorrem em redes com reduzida capacidade de interligação com a rede principal, são particularmente criticas podendo conduzir ao colapso do sistema conforme se descreve nesta tese.

Nesta tese optou-se por recorrer por vezes a designações anglo-saxónicas quando se fazem referências a determinados dispositivos, equipamentos e sistemas de controlo, por serem essas as designações mais correntes.