LIMITE DE GERAÇÃO INTERMITENTE 1 Modelagem de parques eólicos

O objetivo deste capítulo é demonstrar o impacto da intermitência da geração de parques eólicos através de sua representação em um limite de segurança da RSE. Portanto, optou-se por uma modelagem simplificada de parques eólicos na solução dos problemas de fluxo de potência, necessários para a construção da RSE. Contudo, abordagens

mais completas sobre a modelagem de parques eólicos em fluxo de potência podem ser encontradas em Castro, Fuerte-Esquivel e Tovar-Hernandez (2012), Costa, Passos Filho e Henriques (2019).

O parque eólico foi modelado como uma barra do tipo PQ, sendo a potência ativa especificada como a geração do parque e seu fator de potência unitário. Sardinha et al.

(2017) apresentam aperfeiçoamentos nos requisitos técnicos mínimos para a conexão de parques eólicos ao SIN, em que é apresentada uma curva de capacidade de geração de potência reativa para o ponto de conexão, indicando que parques eólicos devem possuir a capacidade de operar com fator de potência unitário. Destaca-se que por conta da modelagem como barra PQ, o parque eólico não possui nenhuma capacidade de controle de tensão e potência reativa.

De maneira a reproduzir a variação da velocidade do vento e, consequentemente, o impacto na geração de potência ativa do parque eólico, são introduzidas no sistema duas contingências de geração. O objetivo é aumentar e reduzir a geração de potência ativa do parque eólico através de tais contingências, de acordo com as Equações (5.1) e (5.2), respectivamente.

P_G,kaum = PG,k+ Pctg,k (5.1)

P_G,kred= PG,k− Pctg,k (5.2)

onde Paum

G,k é a geração aumentada de potência ativa da barra k referente ao parque eólico e PG,k é sua geração inicial; já Pctg,k é a potência ativa incremental ou decremental devido a contingência de geração aplicada a barra k. Seguindo o mesmo padrão, Pred

G,k é a geração reduzida de potência ativa da barra k. É importante enfatizar que a geração do parque eólico retorna para o seu valor inicial após a análise de cada contingência de geração.

Considerando que Paum

G,k e PG,kred podem ser chamados de PG,kW G em referência a geração eólica, do inglês wind generation (WG), define-se os resíduos de potência da barra

k, durante uma contingência de geração do parque eólico, conforme as Equações (5.3) e

(5.4) ∆Pk = PG,kW G− PL,k− Pkinj(V, θ) (5.3) ∆Qk = −QL,k− Qinjk (V, θ) (5.4) onde Pinj k e Q inj

k são, respectivamente, as potências ativa e reativa injetadas na barra

k e seu equacionamento pode ser encontrado em Monticelli(1983); e PL,k e QL,k são as potências ativa e reativa demandadas pela barra k.

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5.2.2 Inserção do limite de geração intermitente na RSE

Foi desenvolvida uma metodologia capaz de avaliar, através de RSEs, a segurança estática de um ponto de operação considerando possíveis violações de seus limites de segurança quando a geração de um parque eólico, ou mais, variar bruscamente, seja durante condições normais de operação ou durante alguma situação de contingência. Esse objetivo é alcançado através da inserção de um novo limite de segurança, chamado limite de geração intermitente.

Foi apresentado no Capítulo 3 que uma RSE é construída através da modificação do perfil de geração de potência ativa do sistema, a fim de suprir uma carga que é mantida em um patamar fixo. Essa modificação do perfil de geração faz com que o sistema assuma uma série de novos pontos de operação, que são avaliados através da solução de fluxos de potência com análises de contingência, enquanto diversos limites de segurança são monitorados. Logo, a inserção de um novo limite de segurança em uma RSE depende da monitoração das grandezas de interesse durante a solução dos vários problemas de fluxo de potência. Seguindo essa linha de pensamento, o limite de geração intermitente proposto é inserido na RSE com a utilização das contingências de geração, descritas nas Equações (5.1) e (5.2), e realizando a monitoração do comportamento de grandezas específicas no

estado de pós-contingência do sistema.

Como o objetivo deste limite de segurança é avaliar o impacto da variação abrupta da geração eólica, após cada execução das contingências de geração, deve-se verificar se algumas grandezas do sistema acabam por violar seus limites operacionais, como consequência dessa variação de geração. Dessa forma, o limite de geração intermitente é identificado quando houver violações específicas durante as contingências de geração do parque eólico. De forma mais precisa, se durante a variação abrupta da geração de um parque eólico o caso divergir ou não convergir, ou se o limite de tensão das barras, limite de geração de potência reativa e/ou o limite térmico dos circuitos forem violados, considera-se que houve uma violação do limite de geração intermitente. Essa estratégia é aplicada ao caso base e a lista de contingências. Consequentemente, são executados dois fluxos de potência adicionais para cada caso, sendo um referente ao aumento da geração de potência ativa do parque eólico e o outro à sua redução.

Portanto, o sistema está em um ponto de operação seguro, em relação ao limite de geração intermitente, enquanto as restrições de segurança não forem violadas durante a aplicação das contingências de geração do parque eólico. As restrições dos módulos das tensões, de geração de potência reativa e de carregamento dos circuitos são dadas pelas Equações (5.5), (5.6) e (5.7), respectivamente.

QG,M IN ≤ QG,k ≤ QG,M AX, ∀ k ∈ Ngen (5.6)

Skm,i ≤ SM AX, ∀ i ∈ Nlin (5.7) onde, a Equação (5.5) indica que o módulo da tensão de cada barra do conjunto Nbus deve estar dentro de seus limites mínimo e máximo, sendo Nbus o conjunto de todas as barras do sistema. A Equação (5.6) indica que a geração de potência reativa de todas as barras de geração do conjunto Ngen deve estar dentro de seus limites mínimo e máximo, sendo Ngen o conjunto de todas geradores do sistema. Finalmente, a Equação (5.7) indica que o fluxo de potência aparente para todos os circuitos do conjunto Nlin deve ser menor ou igual ao limite térmico, sendo Nlin o conjunto de circuitos do sistema. É importante ressaltar que os limites de tensão podem ser diferentes para cada barra ou área do sistema, assim como os limites de geração de potência reativa diferem de acordo com o gerador, e os limites térmicos de cada circuito diferem de acordo com suas respectivas capacidades. A partir da metodologia para construção de uma RSE apresentada no Capítulo 3, pode-se realizar a inserção do limite de geração intermitente com poucas modificações no algoritmo, de acordo com o Fluxograma mostrado pela Figura 22.

Pode-se observar no Fluxograma da Figura 22 que as Etapas I e II são exatamente as mesmas do algoritmo convencional mostrado na Figura 15. A Etapa III, em que são analisados os limites de segurança do novo caso base após a modificação do perfil de geração do sistema, é apresentada de maneira simplificada a fim de evitar que o Fluxograma se torne excessivamente complexo. Após o solução do fluxo de potência do novo caso base e a avaliação dos limites de tensão, de Mvar e térmico, é realizada a avaliação do limite de geração intermitente, conforme destacado em linha tracejada vermelha na Etapa III. A avaliação de segurança do limite de geração intermitente é realizada com a aplicação das contingências de aumento e a redução da geração do parque eólico, onde a cada contingência é solucionado um caso de fluxo de potência. Se o limite de geração intermitente for violado, o ponto de operação com os valores de geração dos grupos G1,

G2 e G3 deve ser armazenado. É importante destacar que o processo de redução de passo

também deve ser aplicado a esse limite de segurança, apesar de que esse procedimento foi omitido na Figura 22. Outro fato importante, é que após a análise das contingências de geração do parque eólico, é necessário que o sistema seja restaurado para o estado pré-contingência.

Após a avaliação de segurança do novo caso base, é necessário verificar se existe uma lista de contingência a ser analisada ou não. Em caso negativo, deve-se partir para avaliação do limite de MW. Já em caso positivo, deve-se aplicar as contingências da lista uma a uma e verificar se os limites de segurança são violados, de acordo com o que é apresentado na Etapa IV. Logo, é executado um fluxo de potência após a aplicação de

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Figura 22 – Fluxograma para construção da RSE com limite de geração intermitente.

Início Entrada de dados Calcular FPGs e FPIs Definir regiões exportadora e importadora Calcular passo Pstep Definir parâmetros da RSE Definir direção de transferência de geração Modificar perfil de geração do sistema Solucionar fluxo de potência para novo caso base Avaliar limites de tensão, de Mvar e térmico Etapa I Etapa II Etapa III Restaurar sistema para estado pré-contingência de geração do parque eólico Salvar estado atual do sistema Aplicar contingência de aumento/redução de geração do parque eólico Solucionar fluxo de potência com contingência de geração Limite de geração intermitente violado? Armazenar PO (G1, G2, G3) Restaurar sistema para estado pré-contingência de geração do parque eólico Lista de contingências? Todas as contingências analisadas? Avaliar limites de tensão, de Mvar e térmico e de contingências Aplicar contingência Não Etapa IV Contingências de aumento e redução de geração aplicadas? Salvar estado atual do sistema Aplicar contingência de aumento/redução de geração do parque eólico Solucionar fluxo de potência com contingência de geração e contingência da lista Limite de geração intermitente violado? Contingências de aumento e redução de geração aplicadas? Sim Sim Não Sim Restaurar sistema para estado pré-contingência de geração do parque eólico Restaurar sistema para estado pré-contingência de geração do parque eólico Não Não Armazenar PO (G1, G2, G3) Restaurar sistema para estado pré-contingência Não Sim Sim Avaliação do limite de MW Limite de MW violado? Gerar Região de Segurança Estática com monitoração de geração intermitente Fim Sim Não _{Etapa VI} Sim Todas as direções analisadas? Não Etapa V Não Sim

Fonte: Elaborado pelo autor (2020).

uma contingência da lista e em seguida os limites de contingências, de tensão, de Mvar e térmico são verificados, de forma semelhante ao que é feito na Etapa III. Novamente, todo esse procedimento foi simplificado. Em seguida, é realizada a avaliação do limite de geração intermitente, onde as contingências de aumento e redução da geração do parque eólico são aplicadas em conjunto com cada uma das contingências da lista, conforme

destacado em linha tracejada vermelha na Etapa IV. Dessa forma, para cada caso da lista de contingência são solucionados dois fluxos de potências extras devido a inclusão das contingências de geração do parque eólico. Após a análise de toda a lista de contingências, o processo deve seguir para a avaliação do limite de MW.

As Etapas V e VI, referentes a avaliação do limite de MW do processo de finalização, respectivamente, são realizadas da mesma maneira apresentada na Figura 15, e por esse motivo, são mostradas de maneira simplificada através da Figura 22. O processo é finalizado quando todas as direções de transferência de geração forem analisadas e seus respectivos limites de MW identificados.

É importante notar que, enquanto o limite de geração intermitente não for iden- tificado, são solucionados dois fluxos de potência extras para cada ponto de operação durante o processo de construção da RSE, incluindo os pontos de operação da análise de contingências. Portanto, o número de fluxos de potência solucionados é aumentado significativamente. Esse fato é importante do ponto de vista de eficiência computacional, uma vez que pode-se afirmar que o tempo de construção de uma RSE com o limite de geração intermitente certamente será bem mais elevado do que o tempo de uma RSE sem esse limite.

O limite de geração intermitente não fica limitado a um único parque eólico, podendo ser estendido conforme a necessidade do estudo. Vários parques eólicos podem sofrer as contingências de geração ao mesmo tempo ou pode-se aplicar contingências de geração individuais. Entretanto, a aplicação de contingências de geração individuais fará com que o tempo de construção da RSE seja estendido de forma excessiva.