Caso das Redes Isoladas

2.3.1.1 Problemas de segurança dinâmica provocados pela produção eólica

As redes eléctricas isoladas caracterizam-se por terem elevados custos de produção de electricidade, por basearem a sua produção na utilização de geradores térmicos, requerendo a aquisição e transporte de combustíveis fósseis com elevados custos associados. Por outro lado, muitas ilhas possuem boas condições de vento, que, se forem usadas para a produção de electricidade, poderão substituir o consumo de combustíveis fósseis e assim contribuir para o desenvolvimento da economia local. Estes factores têm contribuído para a instalação, nos

últimos anos, de elevados volumes de produção eólica em redes isoladas, como é o caso da ilha de Creta (Grécia), das ilhas da Madeira e da Terceira (Portugal), e das ilhas de Cabo Verde. Existem, no entanto, algumas restrições técnicas que limitam esta estratégia, nomeadamente resultantes da possibilidade da geração eólica poder provocar problemas de segurança dinâmica.

Efectivamente, quando comparadas com as redes interligadas, as redes isoladas são relativamente fracas, quer por possuírem baixas constantes de inércia, quer por não disporem da ajuda proveniente de interligações com sistemas eléctricos vizinhos. Por estas razões, para se conseguir garantir uma operação segura deste tipo de sistemas, é necessário adoptar medidas adicionais, tais como as que se relacionam com o controlo da frequência e a gestão de reservas do sistema. Em particular, existe uma grande preocupação em operar o sistema com um número mínimo de máquinas convencionais robustas, que disponham de constantes de inércia apropriadas e adequados sistemas de regulação de tensão e de frequência, para conseguirem fazer face a perturbações que resultem num desequilíbrio entre a produção e consumo.

Ao passarem a ser explorados com elevadas parcelas de produção eólica, estes sistemas necessitam de adoptar restrições de operação ainda mais severas, de modo a fazer face às novas perturbações que este tipo de aproveitamentos poderá provocar ao nível da variação da produção. Uma medida adicional, que é usualmente adoptada, corresponde ao estabelecimento de critérios de reserva girante cujo valor mínimo definido cresce com o valor de penetração eólica que é explorado no sistema. Como exemplo de um critério de reserva girante (SR -

Spinning Reserve) tipicamente adoptado em redes isoladas com produção eólica e Diesel refira- se o seguinte (adaptado de [25]):

(2.1) SR≥ ×

α

P_D+ ×

β

P_W −P_Sh (2.1)

onde

D

P : consumo de potência activa prevista;

W

P : produção de potência eólica prevista;

Sh

P : quantidade de carga que poderá ser deslastrada no caso de a frequência da rede começar a baixar de forma drástica;

α

: margem de carga, sendo um parâmetro cujo valor geralmente reflecte a incerteza associada às previsões de consumos;

β: margem de vento, sendo um parâmetro cujo valor geralmente reflecte a incerteza associada às previsões de vento.

O critério atrás descrito, define que a quantidade de reserva girante disponível deverá ser suficiente para compensar um aumento de carga de α×P_D e um abaixamento da produção eólica de β×P_W, a menos da quantidade de carga que poderá ser deslastrada sem que se considere que ocorre perda de segurança. Reflectindo os parâmetros

α

e β, a incerteza associada à previsão de cargas e de produção eólica, torna-se imperativo dispor de previsões precisas sobre estas grandezas, de modo a que o critério de reserva girante a adoptar não se torne excessivo.

Em casos em que se pretendam adoptar maiores margens de segurança, é também comum considerar que a reserva girante seja suficiente para compensar a súbita perda de produção resultante da saída intempestiva de serviço de um parque eólico, de um conjunto de parques eólicos que estejam concentrados numa determinada área geográfica ou da maior máquina convencional em operação.

Tal como já se explicou, na origem das variações de produção eólica poderá estar a ocorrência de rápidas variações de vento, e, em particular, as que provoquem a saída de serviço de geradores eólicos. A situação mais severa corresponde, no entanto, à ocorrência de um curto-circuito que conduza à actuação das protecções de mínimo de tensão dos parques eólicos que estejam a operar nas proximidades. A maior severidade deste último tipo de perturbação ocorre, não só por provocar maiores volumes de perda de produção eólica, e como consequência comportamentos mais severos da frequência em regime transitório, mas também por contribuir para uma redução das margens de estabilidade transitória do sistema.

De diversos estudos de simulação dinâmica que foram realizados para sistemas eléctricos isolados reais [14][16][17], concluiu-se que o problema dinâmico resultante da exploração de elevadas componentes de produção eólica nestes sistemas deve-se mais à possibilidade de ocorrência de problemas de estabilidade da frequência do que de problemas de estabilidade transitória. Efectivamente, através das simulações dinâmicas efectuadas nestes estudos, para analisar o comportamento dinâmico das várias grandezas do sistema face à ocorrência de curto- circuitos que levem à perda de produção eólica, foram detectadas diversas situações de

exploração que conduzem a quedas transitórias da frequência de valor excessivo e associadas a elevadas taxas de variação. Observou-se que estes comportamentos da frequência poderão provocar a actuação dos sistemas de deslastre frequencimétrico de cargas ou de outros grupos geradores que, por sua vez, poderão despoletar fenómenos em cascata e, em último caso, o colapso do sistema. Por outro lado, dos resultados das mesmas simulações dinâmicas efectuadas, observou-se que os sistemas foram sempre capazes de não perder o sincronismo.

Destes estudos, observou-se também que as variações de frequência se tornam particularmente severas no caso de as perturbações eólicas ocorrerem durante as horas de menor consumo, por nesses cenários a penetração eólica poder atingir valores mais elevados e por a reserva girante e inércia disponível nas máquinas convencionais em serviço ser, tipicamente durante aqueles períodos, de valor reduzido. Observou-se ainda que a segurança de operação destes sistemas, relativamente à ocorrência deste tipo de perturbação, depende fortemente da quantidade e qualidade de resposta da reserva girante disponível nas máquinas convencionais que se encontram em operação.

Este tipo de conclusões obteve-se, entre outros, dos estudos de estabilidade que se realizaram para os seguintes sistemas eléctricos isolados:

• caso da ilha de Creta (Grécia) e da Madeira (Portugal), para a situação de exploração prevista para o ano de 2001, tendo estes estudos sido realizados no âmbito do projecto MORECARE e descritos em [14];

• caso da ilha de Santiago (Cabo Verde), para a situação prevista para o ano de 1998, correspondendo a estudos de consultoria e que se publicam em [16];

• caso da ilha da Terceira, para a situação de exploração prevista para o ano de 1999, tendo estes estudos sido realizados no âmbito do projecto CARE e descritos em [17].

2.3.1.2 Solução técnica recomendada – Sistema de controlo avançado

Como conclusão importante dos estudos de estabilidade efectuados e atrás mencionados, observou-se a necessidade de os operadores dos sistemas isolados adoptarem novas regras relacionadas com a gestão da produção convencional e de reservas, sempre que pretendam explorar elevados valores de penetração eólica, de modo a não pôr em causa a segurança de operação do sistema. Como exemplo destas regras, pode referir-se a necessidade de ter determinadas máquinas mais robustas em operação e com determinados valores mínimos de

reserva girante. Estas regras correspondem a restrições de segurança que variam com as condições de operação do sistema, nomeadamente com o cenário de consumos e de penetração eólica explorada. Como consequência, sem a ajuda de ferramentas computacionais apropriadas que apoiem os operadores na tomada de decisões, estes tenderão a adoptar medidas pessimistas, tais como as que resultam na consideração de muitas máquinas térmicas convencionais em serviço e com baixos valores de carga (para garantir suficiente reserva girante e constante de inércia), acabando por subaproveitar as capacidades eólicas instaladas, podendo mesmo cair em situações com elevados custos de produção de electricidade.

Tal como se provou pelos resultados obtidos dos trabalhos realizados no âmbito de diversos projectos de investigação, em particular nos que se descrevem em [5][6][7], uma forma eficiente para se conseguir explorar elevados volumes de penetração eólica em redes isoladas sem que ocorra diminuição das margens de segurança do sistema, corresponde à instalação de um sistema de controlo especialmente concebido para esse efeito, tal como os que resultaram dos trabalhos desenvolvidos no âmbito dos projectos atrás referidos. A seguir, é feita uma descrição da estratégia que foi seguida para o desenvolvimento da versão mais actual deste tipo de sistema de controlo, nomeadamente para a versão que resultou do projecto MORECARE [7] e que foi instalada na ilha da Madeira (Portugal) e de Creta (Grécia). Nesta descrição, é dado especial destaque às funcionalidades relacionadas com a avaliação de segurança dinâmica.

Em termos de arquitectura, tal como se descreve na Figura 2.2, este tipo de ferramenta consiste na integração de um conjunto de módulos de software e da respectiva base de dados num sistema SCADA. Uma das funções deste sistema de controlo consiste no cálculo de cenários de pré-despacho e de despacho, que consideram não só previsões de cargas mas também previsões de produção eólica. Através da consideração deste último tipo de previsões, é possível obter uma operação mais económica do sistema pelas seguintes razões:

• Por permitir reduzir os elevados valores de reserva girante convencional que será necessário considerar no caso de não se dispor de previsões sobre a produção eólica. De facto, tal como já se referiu, os critérios de reserva girante adoptados dependem geralmente do valor de produção eólica que é explorado em cada instante. Se não houver qualquer tipo de previsão em relação a esse valor, como medida de segurança, deverão

ser adoptados critérios pessimistas, tais como os que definem a reserva girante atendendo a um possível cenário de máxima exploração da potência eólica instalada. • Por permitir a definição de cenários de exploração que, sem violar as diversas restrições

de carácter técnico e de segurança, tentem maximizar a penetração de produção eólica no sistema (através da inclusão de módulos de despacho e de pré-despacho que considerem restrições de segurança dinâmica).

OPERADOR OPERADOR

•

•Produção renovável Produção renovável e convencional e convencional

•

•Dados metereológicosDados metereológicos

• •ConsumosConsumos SISTEMA SCADA • •etcetc AVALIAÇÃO DE SEGURANÇA MONITORIZAÇÃO DE SEGURANÇA DESPACHO PREVISÃO DE CARGAS PRÉ-DESPACHO PREVISÃO DE RENOVÁVEIS SCHEDULER BASE DE DADOS INTERFACE HOMEM-MÁQUINA AVALIAÇÃO DE SEGURANÇA MONITORIZAÇÃO DE SEGURANÇA DESPACHO PREVISÃO DE CARGAS PRÉ-DESPACHO PREVISÃO DE RENOVÁVEIS SCHEDULER BASE DE DADOS INTERFACE HOMEM-MÁQUINA AVALIAÇÃO DE SEGURANÇA MONITORIZAÇÃO DE SEGURANÇA DESPACHO DESPACHO PREVISÃO DE CARGAS PREVISÃO DE CARGAS PRÉ-DESPACHO PREVISÃO DE RENOVÁVEIS PREVISÃO DE RENOVÁVEIS SCHEDULER SCHEDULER BASE DE DADOS BASE DE DADOS INTERFACE HOMEM-MÁQUINA INTERFACE HOMEM-MÁQUINA SISTEMA MORECARE

Figura 2.2 – Arquitectura do sistema MORECARE

Dispondo de previsões sobre a produção eólica, o valor das reservas definidas no âmbito dos cenários de pré-despacho e de despacho será directamente proporcional ao erro que está associado a essas previsões. Havendo, assim, um elevado interesse em minimizar os erros associados às previsões de produção eólica e sabendo que estes erros aumentam de forma considerável com a antecedência com que estas são feitas, o sistema de controlo foi dimensionado para actualizar as soluções de pré-despacho e de despacho com alguma frequência (nomeadamente, de 20 em 20 minutos), de modo a dispor de previsões actualizadas de carga e vento. Com esta intenção foram definidos os tempos, para os ciclos de execução, que se descrevem na Figura 2.3.

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No documento Avaliação e Controlo de Segurança de Redes Interligadas com Grande Penetração Eólica com base em Métodos de Aprendizagem Automática (páginas 47-53)