Soluções para melhoria da segurança dinâmica de sistemas interligados com grande integração de produção eólica

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Departamento de Engenharia Electrotécnica

Soluções para Melhoria da

Soluções para Melhoria da Segurança Dinâmica

Segurança Dinâmica

Segurança Dinâmica ddddeeee

Sistemas Interligados com Grande Integração de

Produção Eólica

Pedro José Franco Marques

Mestre em Sistemas e Automação

Pela Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação submetida para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

(Área de especialização de Energia)

Dissertação realizada sob a supervisão de Professor Doutor João Abel Peças Lopes

(Professor Catedrático da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto)

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Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da bolsa de investigação de 3 anos, concedida pelo PRODEP III, em Outubro de 2003.

A investigação foi realizada na Unidade de Sistemas de Energia do INESC Porto – Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto.

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A todos quantos me ajudaram na realização deste trabalho.

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Agradecimentos

Ao meu orientador Professor Doutor João Abel Peças Lopes pela disponibilidade demonstrada desde o primeiro contacto tendo em vista a realização desta dissertação, pela sua permanente e contagiante motivação, e ainda pela forma como me transmitiu muitos e importantes conhecimentos técnicos e científicos. Só com a sua preciosa ajuda foi possível ultrapassar os momentos mais difíceis que ocorreram durante a realização deste trabalho.

À REN, pela autorização da utilização de dados da rede eléctrica portuguesa.

À Doutora Ana Estanqueiro pelo fornecimento de dados referentes aos parques eólicos existentes em Portugal.

Aos meus colegas Ângelo Mendonça e Rogério Almeida, companheiros de trabalho no INESC Porto, pela sua ajuda na implementação dos modelos dos principais tipos de aerogeradores no programa PSS/E. A sua colaboração foi ainda importante na discussão das diversas matérias envolvidas nesta dissertação. Um agradecimento especial também para os restantes colegas do INESC Porto, Miguel Seca, Carlos Moreira, Jorge Pereira, André Madureira, Fernanda Resende, Ricardo Ferreira, Mauro Rosa, Mário Gomes, Bruno Gomes, Nuno Gil, Rute Ferreira e Paula Castro.

Ao INESC Porto e à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto pela disponibilização dos recursos que permitiram realizar esta dissertação.

À Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria, pela dispensa de serviço docente, pela compatibilização do serviço docente na fase final da realização desta dissertação e pelas condições de trabalho que me proporcionaram.

A todos os colegas da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria pelo ânimo e apoio que sempre me transmitiram.

Finalmente, desejo prestar os mais profundos agradecimentos aos que me são queridos, em especial à Margarida, ao João e à Catarina, pelo apoio, incentivo e compreensão demonstrados ao longo deste trabalho e pedir-lhes desculpas pela menor atenção que, por vezes, lhes proporcionei.

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Resumo

Esta tese procura 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 pelos Grid Codes e também identificar os cenários de operação críticos e as soluções tecnológicas de compensação mais eficazes no tratamento do problema. De facto, o volume de produção eólica obtido através de aerogeradores que não possuem capacidade de sobrevivência a cavas de tensão, é bastante significativo, o que em caso de defeito pode levar à actuação das protecções de mínimo de tensão.

Na tese foi desenvolvida uma metodologia de optimização, que explora uma meta heurística, e que inclui o dimensionamento e localização óptima de dispositivos FACTS (STATCOM). Para este efeito foi necessário desenvolver e implementar modelos dinâmicos dos principais tipos de aerogeradores. A metodologia desenvolvida foi aplicada com sucesso, permitindo minimizar o volume global de potência dos equipamentos de compensação externos (STATCOM), com o objectivo de minimizar a perda de produção eólica e evitar o colapso do sistema. Os estudos efectuados foram desenvolvidos sobre cenários da rede Ibérica considerados como mais críticos - vazio seco - de modo a identificar as situações mais graves e através do recurso a STATCOM fornecer capacidade de sobrevivência a cavas de tensão aos aerogeradores de forma a estes não serem desligados da rede, evitando-se desta forma a perda de grandes volumes de produção eólica e a posterior perda de estabilidade do sistema.

Os resultados obtidos demonstraram que as soluções encontradas em muito podem contribuir para a melhoria do comportamento dinâmico de grande redes interligadas com elevada integração de produção eólica, em particular quando os aerogeradores não têm capacidade de sobrevivência a cavas de tensão.

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Abstract

This thesis tries to identify external technical solutions for maintaining wind generators in operation following a default in the electrical network, which provokes a drop in voltage at generator terminals such these generators may be disconnected from the grid, taking into account, Grid Code requirements. Also an identification of the most critical system operational scenarios is performed together with an identification of the most effective technological solutions to deal with this problem. In fact, the amount of wind generators already installed that do not have a ride through fault capability, is quit significative and in case of a grid default they will be disconnected due to the actuation of their under voltage protections.

In the thesis an optimization approach was developed in order to identify the optimum placing and to determine the optimum dimensioning for external FACTS – STATCOM. This approach exploits an heuristic search procedure. For this purpose it was necessary to develop and implement a set of dynamic models for the main types of the wind generators in use. The developed methodology was successfully applied in the Portuguese system, inserted in the Iberian system, leading to the identification of minimum capacity of external compensation devices (STATCOM) to be installed with the aim of reducing the loss of the wind generation and to avoid the collapse of the system. The studies performed were developed for system scenarios considered to be the most critical - summer valley hours - in order to identify the more serious situations where with the aid of STATCOM it was possible to avoid the disconnection of large volumes of the wind generation and consequently to avoid the loss of the stability of the system.

The results obtained showed that the solutions obtained may also contribute for the improvement of the global system dynamic behaviour of large interconnected systems, especially when some of the installed wind generators have no ride through fault capability.

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Résumé

Cette thèse cherche a identifier des solutions techniques externes aux aérogénérateurs qui permettent d’assurer son opération sans interruption, en cas de creux de tension due a un court-circuit ayant lieu sûr le réseau, en considérant les conditions définies par les Grid Codes. Dans cette thèse on a aussi identifié les scénarios d’opérations critiques et les solutions technologiques de compensation externes les plus efficaces pour la solution de ce problème. En effet, le volume de production éolienne obtenu par des aérogénérateurs qui n’ont pas de capacité de survie à de creux de tension est considérable, ce qui en cas de défaut dans le réseau peut mener à l’actionnement des protections à minimum de tension et a la mise hors service de ces machines.

Dans la thèse se présente une méthodologie d’optimisation développé pendant cette recherche qui explore une meta-heuristique et qui inclut le dimensionnement et la localisation optimale des dispositifs FACTS (STATCOM). Pour cela, il a fallu développer et implémenter des modèles dynamiques des principaux types d’aérogénérateurs. La méthodologie développée a été appliquée avec succès, permettant de minimiser la capacité global des équipements de compensations externes (STATCOM), avec l’objectif de minimiser la perte de production éolienne et éviter la faillite du système. Les études réalisés ont été développés sur des scénarios du réseau eléctrique portugais, inséré dans le réseau ibérique, considérés comme les plus critiques – heures creuses d’été - pour identifier les situations les plus graves et en recourant à des STATCOM, pour fournir la capacité de survie aux creux de tension aux aérogénérateurs pour qu’ils ne soient pas débranchés du réseau, évitant de cette façon la perte de grands volumes de production éolienne et la postérieure perte de la stabilité du système.

Les résultats obtenus ont démontrés que les solutions trouvées peuvent contribuer significativement à l’amélioration du comportement dynamique globale de grands réseaux interconnectés avec une intégration éolienne élevée, notamment quand les aérogénérateurs n’ont pas de capacité de survie aux creux de tension.

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Índice

Índice ... i

Índice de Figuras ... vii

Índice de Tabelas... xiii

Siglas e Abreviaturas ... xv

CAPITULO 1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1 Considerações Iniciais ... 3

1.2 Evolução da Produção Eólica ... 4

1.3 Âmbito e Motivação... 10

1.4 Estrutura da tese... 15

CAPITULO 2 SOBREVIVÊNCIA A CAVAS DE TENSÃO – SOLUÇÕES E REQUISITOS DOS TSOs ... 17

2.1 Introdução ... 19

2.2 Sistemas dos aerogeradores ... 21

2.3 Comportamento dos Aerogeradores durante Curto-Circuitos ... 24

2.3.1 Comportamento dos geradores de indução ... 25

2.3.2 Comportamento dos geradores de indução duplamente alimentados ... 26

2.3.3 Comportamento dos geradores síncronos ... 26

2.4 Manuais de Procedimentos da Rede ... 27

2.4.1 Alemanha... 28

2.4.1.1 Regulação dos relés de tensão ... 29

2.4.1.2 Gama de frequências permitida... 29

2.4.1.3 Potência reactiva... 30

2.4.1.4 Limites dos valores da tensão ... 31

2.4.2 Irlanda ... 32

2.4.2.1 Low-voltage ride through ... 33

2.4.2.1.1 Potência reactiva e controlo de tensão ... 33

2.4.2.2 Gama de frequência e Controlo de Frequência... 34

2.4.3 Espanha... 35

2.4.3.1 Resposta a Curto-circuitos ... 35

2.4.3.1.1 Curto-circuitos equilibrados (trifásicos) ... 37

2.4.3.1.2 Curto-circuitos desequilibrados (monofásicos e bifásicos)... 38

2.4.3.2 Procedimentos de verificação ... 39

2.4.4 Portugal... 40

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2.4.5.1 Regulação de tensão... 42

2.4.5.1.1 Factor de potência para geradores síncronos com conversor... 42

2.4.5.1.2 Factor de potência para geradores assíncronos ... 42

2.4.5.2 Exigências dos serviços auxiliares ... 43

2.4.5.3 Requisitos de ride through capacity... 43

2.4.5.3.1 Requisitos gerais... 43

2.4.5.3.2 Protecção de tensão ... 45

2.4.5.3.3 Protecção de frequência ... 45

2.5 FACTS ... 45

2.5.1 Controladores paralelo... 47

2.5.2 Custos dos FACTS ... 50

2.6 Trabalhos de Investigação ... 52

2.7 Soluções Técnicas ... 54

2.7.1 Soluções Intrínsecas Propostas pelos Fabricantes... 54

2.7.1.1 Enercon ... 54

2.7.1.2 GE ... 57

2.7.1.3 Vestas ... 57

2.7.1.4 Gamesa... 59

2.7.2 Soluções Externas - FACTS ... 61

2.8 Conclusão ... 64

CAPITULO 3 MODELIZAÇÃO DO SISTEMA... 67

3.2 Modelo global do sistema eléctrico ... 69

3.3 Modelos dos aerogeradores... 70

3.3.1 Turbina eólica... 71

3.3.2 Controlo de potência das turbinas eólicas... 73

3.3.2.1 Controlo de passo (pitch) ... 74

3.3.2.2 Controlo Stall... 74

3.3.3 Geradores ... 75

3.3.3.1 Gerador de indução convencional... 75

3.3.3.1.1 Controlo de potência ... 78

3.3.3.1.2 Modelo utilizado nas simulações... 79

3.3.3.1.3 Comportamento do IG – Rede de Teste ... 79

3.3.3.2 Gerador de Indução duplamente alimentado ... 80

3.3.3.2.1 Características de controlo em geradores de indução duplamente alimentadas ... 82

3.3.3.2.1.1 Controlos de velocidade angular e de tensão terminal – Conversor PWM - C1. ... 83

3.3.3.2.1.2 Controlo da potência reactiva e da tensão CC – Conversor PWM - C2 ... 86

3.3.3.2.1.2.1 Controlo da Tensão do Barramento CC ... 87

3.3.3.2.1.2.2 Correcção do Factor de Potência ... 87

3.3.3.2.1.2.3 Potência total do Gerador Duplamente Alimentado... 88

3.3.3.2.3 Comportamento do DFIG – Rede de Teste... 89

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3.3.3.3.2 Comportamento do SIN – Rede de Teste ... 92

3.4 Modelo agregados dos aerogeradores ... 93

3.4.1 Agregação de Aerogeradores de velocidade fixa... 93

3.4.2 Agregação de Aerogeradores de velocidade variável... 93

3.5 Modelos de FACTS... 94

3.5.1 SVC... 94

3.5.1.1 Principio de funcionamento do SVC ... 94

3.5.1.2 Modelização do SVC... 95

3.5.2 STATCOM... 96

3.5.2.1 Princípio de funcionamento STATCOM... 96

3.5.2.2 Modelização do STATCOM... 98

3.5.3 Comportamento dos FACTS perante um curto-circuito... 99

CAPITULO 4 CONSEQUÊNCIAS DE CURTO-CIRCUITOS E FORMAS DE MITIGAR OS SEUS EFEITOS ... 103

4.2 Rede Estudada ... 105

4.2.1 Utilização da Rede Ibérica ... 107

4.2.2 Cenário Vazio Seco de Verão de 2009 ... 108

4.3 Simulação dinâmica ... 114

4.3.1 Passo de integração e tempo de simulação... 114

4.4 Parametrização dos aerogeradores ... 115

4.5 Análise de Estabilidade... 115

4.5.1 Índice Baseado na Coerência ... 116

4.5.2 Modelo desenvolvido ... 116

4.6 Simulações ... 117

4.6.1 Curto-circuito – Cenário Vazio Seco de Verão de 2009... 117

4.6.1.1 Situação de estudo A1 ... 118

4.6.1.4 Problemas da utilização de STATCOM ... 134

CAPITULO 5 PROCEDIMENTO INTEGRADO DE LOCALIZAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE STATCOM ... 139

5.2 O Problema... 141

5.2.1 Formulação geral ... 142

5.2.2 Formulação específica ... 142

5.2.2.1 Minimização do volume de perda de Produção Eólica ... 143

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5.3.1 S.A. - Apresentação geral ... 145

5.3.1.1 Analogia com o processo físico ... 145

5.3.1.2 Algoritmo ... 148

5.3.2 S.A. - Apresentação especifica ... 149

5.3.2.1 Algoritmo implementado... 150

5.3.2.2 Função de avaliação ... 155

5.3.2.3 Caracterização dos resultados ... 156

5.4 Definição das situações de estudo analisadas... 158

5.5 Algoritmo para identificação de uma solução robusta... 159

CAPITULO 6 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES... 161

6.2 Parametrização do Simulated Annealing ... 163

6.2.1 Função objectivo ... 165

6.3 Simulações ... 165

6.3.1 Minimização da Perda de produção eólica... 165

6.3.1.1 Localização / potência dos STATCOM... 166

6.3.1.2 Trânsito nas Interligações ... 167

6.3.1.3 Tensões nos barramentos... 169

6.3.1.4 Conclusão ... 171

6.3.2 Minimização da Potência dos STATCOM ... 171

6.3.2.1 Localização / potência dos STATCOM... 171

6.3.2.2 Perda de produção eólica... 173

6.3.2.3 Trânsito nas Interligações ... 174

6.3.2.4 Índice de Estabilidade Transitório... 178

6.3.2.5 Tensões nos barramentos/curvas iso-tensão... 178

6.4 Análise Comparativa ... 181

6.4.1 Comparação entre as situações de estudo A2, A3, Óptimo e 1600Mvar na sequência de um curto-circuito em Recarei ... 182

6.4.2 Comparação entre as situações de estudo A2 e Óptima para um Curto-circuito em Recarei, Paraimo e Ribadave ... 187

6.5 Análise da robustez da solução encontrada... 192

6.6 Comportamento da metodologia... 195

6.7 Conclusões ... 195

CAPITULO 7 CONCLUSÕES ... 197

7.2 Contribuição desta tese ... 199

7.3 Perspectivas de desenvolvimento... 201

BIBLIOGRAFIA ... 203

APÊNDICES ... 211

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A.1 Dados da rede de teste... 214

B Modelos Dinâmicos Desenvolvidos... 221

B.1 SLOOT1... 222 B.2 ROGER1... 223 B.3 RAERO1 ... 224 B.4 CONV1 ... 225 B.5 RPITCH ... 226 B.6 RVOLT1... 227 B.7 RVOLT2... 228 B.8 RCOI1... 228 B.9 RTFC1 ... 229

C Modelos Dinâmicos Standard ... 233

C 1 Gerador Assíncrono... 233

C 1.1 CIMTR3: modelo de gerador de indução... 233

C 2 Gerador Síncrono ... 234

C 2.1 GENROU: modelo de gerador com rotor cilíndrico ... 234

C 2.2 GENSAL: modelo de gerador com pólos salientes ... 235

C 2.3 Reguladores de Tensão ... 236

C 2.3.1 Modelo IEEEX1... 236

C 2.3.2 Modelo ESDC2A: modelo de regulação IEEE tipo DC2A ... 237

C 2.3.3 Modelo ESDC1A: modelo de regulação IEEE tipo DC1A ... 238

C 2.3.4 Modelo ESAC1A: modelo de regulação IEEE tipo AC1A... 239

C 2.3.5 Modelo ESST1A: modelo de regulação IEEE tipo ST1A ... 240

C 3 Máquinas Primárias – Reguladores de velocidade... 241

C 3.1 HYGOV: modelo de regulador para turbinas hídricas ... 241

C 3.2 TGOV1 - modelo de regulador de velocidade das centrais térmicas a carvão, fuelóleo e gás ... 242

C 3.3 GAST - modelo de regulador de velocidade para turbinas a gás ... 243

C 4 FACTS... 244

C 4.1 SVC - CSVGN1 ... 244

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Índice de Figuras

Figura 1.1 – Potência eólica instalada em todo o mundo ... 5

Figura 1.2 – Capacidade de produção eólica instalada durante o ano de 2007 ... 5

Figura 1.3 – Tensão aos terminais de uma máquina assíncrona após um curto-circuito... 12

Figura 1.4 – Tensão aos terminais de uma máquina assíncrona após um curto-circuito num cenário com STATCOM... 13

Figura 2.1 – Princípio geral de funcionamento dos aerogeradores... 21

Figura 2.2 – Sistemas dos aerogeradores: Gerador de indução com rotor em curto-circuito (em cima), Gerador de indução duplamente alimentado (ao meio), e Gerador síncrono de velocidade variável (em baixo)[22]... 22

Figura 2.3 – Aerogerador com caixa de velocidades [23]. ... 24

Figura 2.4 – Aerogerador de acoplamento directo (sem caixa de velocidades) [24]... 24

Figura 2.5 – Áreas referentes aos diferentes TSOs existentes na Alemanha... 28

Figura 2.6 – Regulação dos relés de mínimo e máxima tensão (Uc refere-se à tensão em MT e UNS = Uc/a em que a é a relação de transformação do transformador de BT)... 29

Figura 2.7 – Requisitos de funcionamento – Potência activa / frequência da rede... 30

Figura 2.8 – Requisitos de funcionamento – Tensão da rede / frequência da rede. ... 30

Figura 2.9 – Gama de funcionamento em função da Tensão e do Factor de Potência. ... 31

Figura 2.10 – Limites de tensão no ponto de interligação à rede durante e após um defeito na rede... 32

Figura 2.11 – Injecção de corrente reactiva pelos aerogeradores. ... 32

Figura 2.12 – Curva de sobrevivência a cavas de tensão da EIRGRID... 33

Figura 2.13 – Capacidade de injecção de Potencia Reactiva de um aerogerador... 34

Figura 2.14 – Curva de resposta Potência-Frequência... 35

Figura 2.15 – Curva de tensão-tempo que define a área da cava de tensão no ponto de ligação à rede que deve ser suportado pela rede. Tensão fase-terra às fases com defeito [34]. ... 36

Figura 2.16 – Área de funcionamento admissível durante os períodos de defeito e de recuperação da tensão, em função da tensão no ponto de ligação à rede... 38

Figura 2.17 – Capacidade de Suportar Cavas de Tensão da Produção Eólica na Sequência de Curto-Circuitos Trifásicos, Bifásicos e Monofásicos. ... 40

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Figura 2.18 – Curva de fornecimento de reactiva pelos centros produtores eólicos durante cavas de tensão. ... 41 Figura 2.19 – Curva de Low Voltage Ride Through da Hydro-Québec... 44 Figura 2.20 – Circuito electrónico do STATCOM. ... 48 Figura 2.21 – Característica V-I do STATCOM... 49 Figura 2.22 – Custos típicos de investimento para SVC e STATCOM [44]... 51 Figura 2.23 – SDBR para IG proposto em [46]. ... 52 Figura 2.24 – Capacidade de injecção de potência reactiva dos aerogeradores ENERCON - com e sem capacidade de STATCOM [12]. ... 56 Figura 2.25 – Exemplo das medições efectuadas para verificação da UVRT dos aerogeradores da ENERCON [12]. ... 56 Figura 2.26 – Comportamento do controlo da Vestas perante duas cavas de tensão consecutivas. ... 58 Figura 2.27 – Cava de tensão de 0,1 p.u./150ms. a) Tensão nas fases L1 e L2, b) Correntes nas fases L1 e L2, c) Potência activa injectada e d) Potência reactiva injectada [50]. ... 58 Figura 2.28 – Crowbar activo da GAMESA [9]... 59 Figura 2.29 – Esquema unifilar simplificado da ligação do WINFACT... 60 Figura 2.30 – Sub-estação equipada com STATCOM [63]... 64 Figura 3.1 – Ângulo de pitch [67]. ... 72 Figura 3.2 – Coeficiente de potência, C , em função taxa de velocidade na extremidade das _p

pás,λ, e do ângulo de pitch θ. ... 73 Figura 3.3 – Bloco de controlo do ângulo de pitch de uma turbina eólica... 74 Figura 3.4 – Potência activa injectada pelo IG – CIMTR3... 79 Figura 3.5 – Potência reactiva injectada pelo IG - CIMTR3... 79 Figura 3.6 – Desvio de velocidade do IG - CIMTR3... 80 Figura 3.7 – Tensão aos terminais do IG - CIMTR3. ... 80 Figura 3.8 – Circuito equivalente para o modelo dinâmico da máquina de indução duplamente alimentada como os conversores estáticos representados como fontes de tensão e corrente, respectivamente... 82 Figura 3.9 – Configuração física da turbina eólica acoplada a DFIG e controlada por conversores estáticos... 82 Figura 3.10 – Diagrama de blocos das equações internas do gerador DFIG. ... 85 Figura 3.11 – Diagrama de bloco de controlo de velocidade. ... 85

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Figura 3.12 – Diagrama de bloco de controlo da tensão terminal... 86 Figura 3.13 – Diagrama de bloco do controlo da tensão do barramento CC. ... 87 Figura 3.14 – Potência activa ... 89 Figura 3.15 – Potência reactiva ... 89 Figura 3.16 – Desvio de velocidade... 89 Figura 3.17 – Tensão terminal ... 89 Figura 3.18 – Comparação do modelo do DFIG – PSS/E/ MatLab... 90 Figura 3.19 – Característica óptima da velocidade do rotor versus potência (tracejado) e aproximação de primeira ordem (continua)... 91 Figura 3.20 – Modelo simplificado do aerogerador síncrono de velocidade variável ... 91 Figura 3.21 – Malha de controlo da tensão terminal ... 91 Figura 3.22 – Potência activa... 92 Figura 3.23 – Potência reactiva. ... 92 Figura 3.24 – Tensão terminal. ... 92 Figura 3.25 – (a) Circuito básico de um SVC; (b) Característica V- I... 95 Figura 3.26 – Diagrama de blocos do CSVGN1. ... 96 Figura 3.27 – Diagrama do STATCOM... 97 Figura 3.28 – Diagrama de blocos do CSTATT [77]. ... 98 Figura 3.29 – Curva V-I do CSTATT [77]... 99 Figura 3.30 – Potência reactiva injectada (sem FACTS, com SVC e com STATCOM). ... 100 Figura 3.31 – Tensão num barramento (sem FACTS, com SVC e com STATCOM)... 100 Figura 4.1 – Países que pertencem à Rede da UCTE [78]... 106 Figura 4.2 – Rede Ibérica (2006) [79]. ... 106 Figura 4.3 – Rede Nacional de Transporte (a 1 de Janeiro de 2007) [80]. ... 107 Figura 4.4 – Trânsito de potência activa nas interligações (MW) – cenário vazio seco de 2009. ... 109 Figura 4.5 – Injecção de eólica por tecnologia em cada barramento injector. ... 110 Figura 4.6 – Barramentos com produção eólica na Rede Ibérica. ... 113 Figura 4.7 – Perda de produção eólica na sequência de curto-circuito em Recarei – A1... 119 Figura 4.8 – Trânsitos de potência activa nas interligações Portugal-Espanha – A1... 120 Figura 4.9 – Trânsitos de potência activa nas interligações Espanha-França – A1... 121 Figura 4.10 – Total dos trânsitos de potência activa nas interligações Espanha-França – A1 .. 122 Figura 4.11 – Evolução temporal do IET – A1 ... 122 Figura 4.12 – Curva iso-tensão – A1 ... 123

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Figura 4.13 – Perda de produção eólica na sequência de curto-circuito em Recarei – A2 ... 124 Figura 4.14 – Trânsitos de potência activa nas interligações Portugal-Espanha – A2... 125 Figura 4.15 – Trânsito de potência activa nas interligações Espanha - França – A2... 126 Figura 4.16 – Total do trânsito de potência activa nas interligações Portugal-Espanha e Espanha-França–A2 ... 127 Figura 4.17 – Evolução temporal do IET – A2 ... 127 Figura 4.18 – Curva iso-tensão - A2 - Curto-circuito em Recarei (t=1,5 s) ... 128 Figura 4.19 – Curto-circuito em Recarei – A3 ... 130 Figura 4.20 – Trânsitos de potência activa nas interligações Portugal-Espanha – A3... 131 Figura 4.21 – Trânsito de potência activa nas interligações Espanha - França – A3... 132 Figura 4.22 – Total do trânsito de potência activa nas interligações Portugal–Espanha e Espanha-França–A3 ... 133 Figura 4.23 – Evolução temporal do IET – A3 ... 133 Figura 4.24 – Curva iso-tensão – A3 ... 134 Figura 4.25 – Tensão em Ribadave – Curto-circuito em Ribadave de 500ms ... 135 Figura 4.26 – Tensão em Carrapatelo – Curto-circuito em Ribadave de 500ms ... 136 Figura 5.1 – Analogia entre o processo de optimização e o recozimento simulado... 147 Figura 5.2 – Algoritmo genérico do Simulated Annealing ... 149 Figura 5.3 – Algoritmo detalhado do Simulated Annealing implementado para a resolução do problema sob estudo – parte 1 ... 151 Figura 5.4 – Algoritmo detalhado do Simulated Annealing implementado para a resolução do problema sob estudo – parte 2 ... 152 Figura 5.5 – Função de vizinhança ... 153 Figura 5.6 – Exemplo do ficheiro com os resultados da metodologia implementada... 157 Figura 5.7 – Evolução da função de avaliação do SA... 158 Figura 6.1 – Resultado da optimização (Potência e localização dos STATCOM – CC em Recarei). ... 166 Figura 6.2 – Trânsitos de potência activa nas interligações Portugal-Espanha ... 168 Figura 6.3 – Trânsito de potência activa nas interligações Espanha – França ... 169 Figura 6.4 – Curva iso-tensão – CC Recarei ... 170 Figura 6.5 – Tensões em Recarei, Batalha e Alto Lindoso (400KV) – CC Recarei... 170 Figura 6.6 – Resultado da optimização (Potência e localização dos STATCOM – CC em Recarei). ... 172 Figura 6.7 – STATCOM – Perda de produção eólica... 174

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Figura 6.8 – Trânsitos de potência activa nas interligações Portugal-Espanha ... 175 Figura 6.9 – Trânsito de potência activa nas interligações Espanha – França – CC Recarei.... 176 Figura 6.10 – Total do trânsito de potência activa nas interligações (Portugal-Espanha e Espanha-França) ... 177 Figura 6.11 – Evolução temporal do IET... 178 Figura 6.12 – Tensão em Recarei, Paraimo, Ribadave, Batalha, Rio Maior e Alto Mira - A2 (400kV). ... 179 Figura 6.13 – Tensão em Recarei, Paraimo, Ribadave, Batalha, Rio Maior e Alto Mira (400kV). ... 180 Figura 6.14 – Curva iso-tensão - A2 - Curto-circuito em Recarei (t=1,5 s) ... 180 Figura 6.15 – Curva iso-tensão – Curto-circuito em Recarei (t=1,5 s). ... 181 Figura 6.16 – Evolução temporal do IET (Curto-circuito em Recarei)... 182 Figura 6.17 – Trânsito de potência activa total nas interligações PT-ES (CC em Recarei). ... 183 Figura 6.18 – Trânsito de potência reactiva total nas interligações PT-ES (CC em Recarei). .. 184 Figura 6.19 – Tensão em Recarei (CC em Recarei)... 185 Figura 6.20 – Tensão em Alto Lindoso (CC em Recarei)... 186 Figura 6.21 – Potência reactiva injectada pelo STATCOM em Penela (CC em Recarei). ... 187 Figura 6.22 – Evolução temporal do IET (CC em Recarei, Paraimo e Ribadave)... 188 Figura 6.23 – Trânsito de potência activa nas interligações Portugal-Espanha (CC em Recarei, Paraimo e Ribadave). ... 190 Figura 6.24 – Trânsito de potência activa nas interligações Espanha-França (CC em Recarei, Paraimo e Ribadave). ... 191 Figura 6.25 – Evolução temporal do IET (CC em Recarei, Paraimo, Pego, Valdigem e Ribadave). ... 194

Figura. A.1 – Rede de teste ... 214 Figura B.1 – Modelo simplificado do aerogerador síncrono de velocidade variável... 222 Figura B.2 – Malha de controlo da tensão terminal... 222 Figura B.3 – Diagrama de bloco de controlo de velocidade (potência activa)... 225 Figura B.4 – Diagrama de bloco de controlo da tensão terminal (potência reactiva). ... 225 Figura B.5 – Bloco de controlo do ângulo de pitch de uma turbina eólica... 226 Figura C.1 – Diagrama do modelo do gerador de indução CIMTR3 ... 233 Figura C.2 – Diagrama do modelo do gerador GENROU ... 234

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Figura C.3 – Diagrama do modelo do gerador GENSAL ... 235 Figura C.4 – Diagrama de blocos do regulador de tensão IEEEX1 ... 236 Figura C.5 – Diagrama de blocos do regulador de tensão ESDC2A ... 237 Figura C.6 – Diagrama de blocos do regulador de tensão ESDC1A ... 238 Figura C.7 – Diagrama de blocos do regulador de tensão ESAC1A... 239 Figura C.8 – Diagrama de blocos do regulador de tensão ESST1A ... 240 Figura C.9 – Diagrama de blocos do regulador de velocidade HYGOV... 241 Figura C.10 – Diagrama de blocos do regulador de velocidade TGOV1 ... 242 Figura C.11 – Diagrama de blocos do regulador de velocidade GAST... 243 Figura C.12 – Diagrama de blocos do CSVGN1... 244 Figura C.13 – Diagrama de blocos do CSTATT... 245

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Índice de Tabelas

Tabela 2.1 – Período mínimo de tempo durante o qual os parques eólicos devem permanecer em serviço sem serem desligados quando ocorrem cavas de tensão... 43 Tabela 2.2 - Período mínimo de tempo durante o qual os parques eólicos devem permanecer em serviço sem serem desligados quando ocorrem variações de frequência... 44 Tabela 2.3 – Custo de instalação de FACTS [45]. ... 51 Tabela 2.4 – Algumas aplicações de FACTS instaladas no mundo... 51 Tabela 4.1 – Tecnologias utilizadas nos aerogeradores... 110 Tabela 4.2 – Potência eólica injectada em cada barramento (por tecnologia)... 112 Tabela 4.3 – Barramentos com STATCOM na situação de estudo A3 ... 129 Tabela 5.1 – Relação entre o processo físico de optimização com SA ... 146 Tabela 5.2 – Escalões de referência para os STATCOM. ... 154 Tabela 5.3 – Escalões dos STATCOM. ... 155 Tabela 6.1 – Parâmetros utilizados no SA... 164 Tabela 6.2 – Potência eólica perdida - A2 (0 Mvar de STATCOM)... 164 Tabela 6.3 – Potência e localização dos STATCOM ligados... 172 Tabela 6.4 – Comparação entre situações de estudo... 184 Tabela 6.5 – Robustez – Potência dos STATCOM... 193 Tabela 6.6 – Robustez - Comparação dos cenários simulados. ... 194

Tabela A.1 – Valores de base... 214 Tabela A.2 – Dados da máquina de indução convencional (aerogerador)... 215 Tabela A.3 – Dados da máquina síncrona (aerogerador) ... 215 Tabela A.4 – Dados da máquina de indução duplamente alimentada (gerador) ... 216 Tabela A.5 – Dados da máquina de indução duplamente alimentada – controlador do lado do rotor ... 216 Tabela. A.6 – Dados da máquina de indução duplamente alimentada – controlador do lado da rede... 216 Tabela A.7 – Dados do controlo de pitch da DFIG com controlo de potência activa e reactiva . 216 Tabela A.8 – Dados das linhas ... 217

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Tabela A.9 – Dados dos transformadores... 217 Tabela C.1 - Significado das variáveis (modelo CIMTR3)... 233 Tabela C.2 - Significado dos parâmetros (modelo CIMTR3)... 233 Tabela C.3 - Significado das variáveis (modelo GENROU) ... 234 Tabela C.4 - Significado dos parâmetros (modelo GENROU) ... 234 Tabela C.5 - Significado das variáveis (modelo GENSAL) ... 235 Tabela C.6 - Significado dos parâmetros (modelo GENSAL) ... 235 Tabela C.7 - Significado das variáveis (modelo IEEEX1) ... 236 Tabela C.8 - Significado dos parâmetros (modelo IEEEX1) ... 236 Tabela C.9 - Significado das variáveis (modelo ESDC2A)... 237 Tabela C.10 - Significado dos parâmetros (modelo ESDC2A)... 237 Tabela C.11 - Significado das variáveis (modelo ESDC1A)... 238 Tabela C.12 - Significado dos parâmetros (modelo ESDC1A)... 238 Tabela C.13 - Significado das variáveis (modelo ESAC1A)... 239 Tabela C.14 - Significado dos parâmetros (modelo ESAC1A)... 239 Tabela C.15 - Significado das variáveis (modelo ESST1A) ... 240 Tabela C.16 - Significado dos parâmetros (modelo ESST1A) ... 240 Tabela C.17 - Significado das variáveis (modelo HYGOV) ... 241 Tabela C.18 - Significado dos parâmetros (modelo HYGOV) ... 241 Tabela C.19 - Significado das variáveis (modelo TGOV1)... 242 Tabela C.20 - Significado dos parâmetros (modelo TGOV1)... 242 Tabela C.21 - Significado das variáveis (modelo GAST) ... 243 Tabela C.22 - Significado dos parâmetros (modelo GAST) ... 243 Tabela C.23 - Significado das variáveis (modelo CSVGN1) ... 244 Tabela C.24 - Significado dos parâmetros (modelo CSVGN1) ... 244 Tabela C.25 - Significado das variáveis (modelo CSTATT) ... 245 Tabela C.26 - Significado dos parâmetros (modelo CSTATT) ... 245

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Siglas e Abreviaturas

CA - Corrente Alternada CC - Corrente Contínua

DFIG - Double Fed Induction Generator DSP - Digital Signal Processor

DVR - Dynamic Voltage Restorer EPRI - Electric Power Research Institute ESBNG - ESB National Grid

EWEA - European Wind Energy Association FACTS - Flexible AC Transmission Systems GC - Grid Codes

GTO - Gate Turn-Off Thyristor

IET - Índice de Estabilidade Transitória IG - Induction Generator

IGBT -Insulated-Gate Bipolar Transistor

INEGI - Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial INETI - Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação LVRT - Low Voltage Ride Through

PSS/E - Power System Simulator for Engineering PWM - Pulse Width Modulation

REE - Red Eléctrica de España RNT - Rede Nacional de Transporte RTU - Remote Terminal Unit

RTF (C) - Ride Through Fault (Capability) SA - Simulated Annealing

SIN - Synchronous Generator

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SVC - Static Var Compensator

TCSC - Thyristor-controlled series compensator TSO - Transmission System Operator

UCTE - Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity UPFC - Unified Power Flow Controller

UE - União Europeia

UPS - Uninterruptible Power Supply VDN - Verband der Netzbetreiber VCS - Vestas Control System VSC - Voltage Source Converter

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1.1 Considerações Iniciais

A crescente industrialização e a melhoria da qualidade de vida das populações tem feito aumentar as necessidades energéticas mundiais. Como consequência, o aumento do consumo de energia, particularmente de energia eléctrica atingiu valores nunca antes alcançados.

Este cenário coloca-nos o desafio de produzir energia eléctrica em grandes quantidades sem contudo provocar alterações ambientais que comprometam a qualidade de vida actual e das gerações futuras.

As fontes de energia primária que nos permitem produzir electricidade podem ter diferentes origens, sejam elas renováveis ou não. Dentro das energias não renováveis temos como fontes primárias o carvão, o petróleo e o gás natural. Estas através de um conjunto de processos de conversão intermédios dão origem à energia eléctrica. A utilização do urânio em centrais nucleares conduz também à produção de energia eléctrica.

No outro lado, temos as energias renováveis, como sejam a Biomassa, a Hídrica, a das Ondas, a Geotérmica, a Solar e a Eólica. Estas têm registado taxas de crescimento muito elevadas nas últimas décadas essencialmente por duas razões: em primeiro lugar os vários choques petrolíferos colocam-nos perante a obrigação de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, diversificando o mais possível as fontes energéticas, e em segundo lugar a necessidade de redução de emissões de CO2.

A aposta para um futuro sustentado passa por procurarmos utilizar as fontes energéticas que menor impacto tenham em termos ambientais e neste ponto a produção de electricidade a partir de energia eólica apresenta-se, logo atrás da hidroelectricidade, como umas das opções mais viáveis. Claro que a exploração da hidroelectricidade foi sempre a primeira opção devido aos grandes volumes de produção que uma central deste tipo pode produzir. Contudo encontra-se actualmente praticamente esgotada a possibilidade de construção de grandes centrais hídricas em países desenvolvidos.

A partir da década de 80 a produção de electricidade a partir de energia eólica revelou-se uma solução cada vez mais viável devido à evolução tecnológica impulsionada por politicas de incentivos cada vez mais ambiciosas. A solução do problema energético não se pode contudo limitar à utilização de fontes renováveis exigindo a adopção de medidas complementares do lado da procura através da utilização eficiente de energia.

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1.2 Evolução da Produção Eólica

Tal como referido anteriormente o aumento das preocupações ambientais fez com que a necessidade de explorar as energias renováveis se tornasse num dos vectores de desenvolvimento mais importantes de qualquer politica energética.

Para garantir o cumprimento das metas do protocolo de Quioto, o Parlamento Europeu elaborou um documento destinado a promover a produção de electricidade a partir de energias renováveis no mercado interno de electricidade. Como resultado global pretende-se que no final do ano 2010 a produção de electricidade através da produção renovável atinja um valor de 21%. Em Portugal o objectivo é que esse valor no final de 2010 atinja os 39%. Isto foi baseado no pressuposto que o plano nacional de electricidade poderá prosseguir a construção de nova capacidade hidroeléctrica superior a 10 MW, e que outro tipo de capacidade renovável só será possível mediante auxílios estatais [1].

Neste contexto, e quanto à produção de energia eólica, têm vindo a ser seguidas as orientações estratégicas para a política energética nacional constantes na Resolução do Conselho de Ministros n.º63/2003, na qual foi estabelecida a meta de 3750 MW de potência eólica a instalar até 2010 [2].

Verifica-se que dentro do leque de energias renováveis, excluindo a grande produção hídrica, a produção eólica é a que apresenta uma maior contribuição para permitir o cumprimento dos objectivos propostos [3].

Nos últimos anos a produção de electricidade com base na energia eólica cresceu mais do que qualquer outra fonte de energia renovável. De 4800 MW em 1995 o total mundial da potência instalada multiplicou-se mais do que 19 vezes alcançando mais de 94000 MW no final de 2007 (Figura 1.1) [4-6].

Em vários países a porção de electricidade gerada através do vento está agora a desafiar a produção convencional. Na Dinamarca, 20% das necessidades de energia eléctrica são de origem eólica. Em Espanha, a contribuição da produção eólica alcançou os 8% e tem uma tendência de subida que poderá alcançar os 15% até ao final da presente década. Isto demonstra o quanto a produção eólica pode ser importante na redução da emissão de gases que provocam o efeito de estufa particularmente o CO2. Em 2007 a potência eólica atingiu um novo record anual com um total de 20076 MW de nova capacidade instalada (Figura 1.2). Isto representa um aumento de 32% numa base anual e 27% de crescimento acumulado.

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9 4 1 2 3 3 5 8 1 4 8 0 0 6 1 0 0 7 6 0 0 1 0 2 0 0 1 3 6 0 0 1 7 4 0 0 2 3 9 0 0 3 1 1 0 0 3 9 4 3 1 ₄76 2 0 59 0 9 1 7 4 2 2 3 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Ano [MW]

Figura 1.1 – Potência eólica instalada em todo o mundo

China Espanha EUA Resto do Mundo Canadá Reino Unido Portugal Itália França Alemanha India Pais MW % EUA 5244 26,1 Espanha 3522 17,5 China 3449 17,2 India 1730 8,6 Alemanha 1667 8,3 França 888 4,4 Itália 603 3,0 Portugal 434 2,2 Reino Unido 427 2,1 Canadá 386 1,9 Resto do Mundo 1726 8,6 Total Mundial 20076 100,0

Figura 1.2 – Capacidade de produção eólica instalada durante o ano de 2007

Actualmente a opção de produzir electricidade recorrendo à energia eólica está presente em mais de 50 países. Os que tinham a maior potência instalada em finais do ano de 2007 eram a Alemanha (22247 MW), os Estados Unidos da América (16818 MW), a Espanha (15145 MW), a Índia (8000 MW), a China (6050 MW) e a Dinamarca (3125 MW). Muitos outros países, entre os quais Itália, França, Reino Unido, Portugal e Holanda ultrapassaram já a marca dos 2000 MW.

A União Europeia (EU) continua na liderança mundial da potência eólica instalada, com mais de 56535 MW em finais do ano de 2007, representando 66% do total mundial. Este valor, que só estava previsto ser alcançado em 2010, representa um avanço de mais de 2 anos em relação aos objectivos inicialmente definidos.

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A expansão da produção eólica na UE tem sido norteada por politicas levadas a cabo individualmente pelos seus estados membros de forma a incentivar a instalação de centrais que explorem energias renováveis.

A associação europeia de energia eólica (European Wind Energy Association - EWEA) prevê para 2010, que a energia eólica só por si evitará a emissão de gases de efeito de estufa que permitirão alcançar 1/3 das obrigações da UE perante o protocolo de Quioto

Os objectivos actuais da EWEA são de 75000 MW de produção eólica na Europa em 2010, 180000 MW em 2020 e 300000 MW em 2030 [5].

A Alemanha apresenta-se como o país líder deste tipo de produção de energia eléctrica na Europa. Encorajada por sucessivas leis, mais recentemente em 2000 (Renewable Energy Source Act – actualizado em 2004), os produtores têm tido ajudas, através de tarifas bonificadas, sendo estas gradualmente reduzidas durante um período de 20 anos. Esta medida, atraiu um vasto leque de pequenos investidores, e resultou em taxas de crescimento anual de 2 dígitos desde 1990.

Os projectos eólicos também recebem tratamento preferencial das leis alemãs do planeamento, com cada autoridade local a definir quais os locais onde os parques eólicos podem ser construídos.

A produção eólica cobre cerca de 5,5% do total do consumo de energia eléctrica, sendo a potência instalada no final do ano de 2007 de 22247 MW.

A Espanha tem aumentado rapidamente a produção eólica desde meados dos anos 90 encorajada por subsídios e tarifas vantajosas baseada na regeneração da indústria. Refira-se que actualmente na zona de Navarra está instalada produção eólica que contribui com 69% do consumo de electricidade na província. Nas duas províncias com maior população, Castilla la Macha e Galicia o nível de integração de energia eólica alcançado superou os 20%.

Em 2007 foram comissionados 3522 MW de aerogeradores, correspondendo a um aumento de 200% em relação ao ano anterior. Desta forma foi possível uma redução de emissões de gases de efeito de estufa de 20 milhões de toneladas de CO2.

O valor alcançado no final do ano de 2007 (15145 MW de potência instalada) foi suficiente para satisfazer mais de 8,5% das necessidades de energia eléctrica em Espanha.

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A Dinamarca foi pioneira na produção de aerogeradores na Europa e um dos países com uma maior penetração de produção eólica na sua rede.

Mais de 3100 MW estavam em funcionamento nos finais de 2007. Quando os ventos são favoráveis a produção eólica corresponde a mais de metade da electricidade consumida na metade Ocidental do país.

Projecções do Transmission System Operator (TSO) Energet mostram que em 2010, o consumo de electricidade na parte Ocidental da Dinamarca poderá regularmente ser composto por um mix de produção eólica e produção explorando pequenos ciclos combinados, sem necessidade de uma produção centralizada.

Portugal apresenta-se como um dos dez países com maior valor de potência eólica instalada durante o ano de 2007 (434 MW). Em Dezembro de 2007 a potência instalada superou os 2150 MW.

O total de parques instalados em Portugal no final do ano de 2007 era já de mais de 180, sendo que as potências instaladas variam de 0,5 MW (parque de menor dimensão) a 84 MW (parque de maior dimensão) [7].

Também em Portugal a produção eólica tem sido impulsionada por tarifas atractivas.

De referir que a produção eólica representou cerca de 8% do total da energia eléctrica consumida em Portugal continental durante o ano de 2007.

Outro dado a reter prende-se com o facto de no dia de maior produção eólica em 2007 (19 de Dezembro) a produção eólica (37 GWh) representou 20,6% do consumo total. No dia 18 de Dezembro, dia em que se registou o maior consumo de 2007 (183,7 GWh), a contribuição da produção eólica foi de 13,3% (24,4 GWh) [8].

A América do Norte contribuiu com aproximadamente um quarto da potência instalada em todo o mundo durante o ano de 2007.

Os Estados Unidos instalaram em 2007 mais 5244 MW de produção eólica alcançando uma potência instalada de 16818 MW.

Esta evolução é também em grande parte devida ao incentivo Production Tax Credit (PTC) tendo levado o congresso americano a estender o prazo da sua utilização até finais do ano 2007.

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No Canadá, devido a uma combinação de incentivos federais e iniciativas de diversas províncias Canadianas, foi possível alcançar no final de 2007 os 1846 MW de potência eólica instalada.

Uma importante contribuição teve origem no Wind Power Production Incentive (WPPI) do governo federal. O sucesso desta medida levou a que o seu prazo de aplicação fosse estendido até 2010 e com fundos capazes de suportar um investimento que proporcionará a instalação de mais de 4000 MW. Algumas províncias criaram também os seus próprios incentivos podendo estes alcançar os 2000 MW de novos parques eólicos.

O Continente Asiático está a tornar-se um dos principais lugares do planeta em termos de produção eólica, com uma contribuição de 27% no crescimento da potência eólica instalada em 2007. A taxa de crescimento atingiu os 66%, ficando a potência eólica instalada num valor superior a 16091 MW.

O maior contributo vem da Índia, com uma potência eólica instalada em 2007 de 1730 MW. A Índia alcançou o 4º lugar na tabela dos países que mais produção eólica instalou durante o ano de 2007. O total da potência instalada ronda os 8000 MW.

A Indian Wind Turbine Manufactures Association (IWTMA) espera que entre 1500 e 1800 MW (por ano) sejam instalados entre 2007 e 2009.

O Governo Indiano criou também incentivos ao sector da produção eólica sob a forma de aplicação de taxas reduzidas.

A China, com uma grande área e uma costa suficientemente longa, é rica em potencial eólico. O Meteorology Research Institute (MRI) estima que serão possíveis explorar 230 GW de potência eólica.

No final de 2007 o total de parques eólicos instalados na China registava uma potência de 6050 MW.

A política do governo Chinês vem no sentido de promover a localização de indústrias de construção de equipamentos para aerogeradores, reduzindo assim os custos e aumentando a competitividade entre a produção de energia eléctrica através do aproveitamento da energia eólica e a produção de electricidade através da queima de combustíveis fósseis. Uma das regras para a instalação de parques eólicos é que 70% dos componentes têm de ser fabricados na China.

Actualmente, o objectivo Chinês passa por atingir os 50 GW de produção eólica nos finais de 2015.

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Embora até à data a América Latina tenha tido um desenvolvimento pequeno, muitos são os governos que estão a implementar medidas conducentes à instalação de produção eólica.

De acordo com o atlas dos ventos publicado pelo Ministério Brasileiro de Minas e Energia (MBME) em 2001, o potencial global do país é de 143000 MW.

Em 2002 o governo Brasileiro introduziu o programa PROINFA para estimular a produção de electricidade a partir da energia eólica, entre outras. Durante o ano de 2007 foram instalados apenas 10 MW, o que permitiu alcançar um valor de potência instalada de 247 MW.

Apesar de ter apenas 2 parques eólicos em funcionamento a Mexican Wind Energy Association prevê que o México possa chegar aos 3000 MW de capacidade instalada durante o período de 2006-2014. Uma das razões que fundamenta esta estimativa está relacionada com a aprovação de uma lei que estabelece que até 2012, 8% da energia tem de ser de origem renovável (excluindo a produção hídrica).

Na Austrália existe um dos melhores recursos eólicos do mundo. Contudo, o crescimento da potência instalada no país durante 2007 foi de apenas 7 MW, chegando a um total de potência instalada de 824 MW.

O principal incentivo para a produção eólica partiu do Mandatory Renewable Energy Target (MRET), o qual definiu como objectivo uma produção de 9500 GWh de produção renovável em 2010 – um pouco acima de 1% das necessidades de energia eléctrica da Austrália.

O potencial de aproveitamento eólico de África encontra-se concentrado no norte e no sul do continente, com um valor relativamente reduzido no centro.

No norte, os desenvolvimentos têm-se registado em Marrocos, com um crescimento em 2007 de 60 MW, e uma potência total instalada de 124 MW. O plano nacional de acção prevê a instalação até 2010 de 600 MW. O país africano com maior sucesso é o Egipto onde vários parques eólicos de grandes dimensões têm sido construídos na zona de Zafarana no Golfo do Suez.

Com 310 MW em finais de 2007, o governo Egípcio está a prever alcançar os 850 MW em 2010. Durante o ano de 2007 foram instalados parques eólicos com uma potência total de 80 MW.

A possibilidade de instalação de aerogeradores no mar (offshore) abriu novos horizontes para a produção eólica, especialmente nos países da Europa do norte. Para isto contribuiu a disponibilidade de águas costeiras com baixas profundidades combinada com a facilidade de encontrar no mar espaços para projectos muito maiores do que os que se podem encontrar em terra.

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A Dinamarca foi pioneira na instalação de parques eólicos offshore, tendo instalado o primeiro parque eólico deste tipo no mar Báltico (Vinderby), a cerca de 2 km da costa, em 1991. A constituição deste parque é composta por 11 aerogeradores com uma potência de 450 kW cada. Actualmente, a Dinamarca tem instalado os dois maiores parques eólicos no mar – 160 MW em Horns Rev no mar do norte e 158 MW em Nysted no mar Báltico.

A Alemanha tem também projectos de parques eólicos offshore para o mar do norte. Um estudo do ministério do ambiente (BMU) estima que a produção offshore pode alcançar um valor entre 12000 e 15000 MW em 2020.

O Reino Unido está também na mesma linha, com 214 MW já instalados em 4 locais e mais 1000 MW com aprovação para mais 8 locais.

Outros parques eólicos offshore estão construídos ao longo das costas da Suécia e da Irlanda com um total instado na Europa a alcançar os 680 MW no final de 2007. Mais parques eólicos offshore estão em construção ou projectados para as costas de Holanda, Bélgica, França e Espanha. Nos Estados Unidos da América estão a ser implantados alguns parques na costa Este e no Texas.

Como perspectivas futuras, e considerando um cenário de referência [5], a instalação de parques eólicos vai continuar a crescer a um ritmo de 15% ao ano até 2010, seguido de 10% até 2014. Depois de 2014 existirá uma quebra, ficando o crescimento em 3% ao ano até 2031.

Como resultado, espera-se que até ao final desta década o valor acumulado da capacidade mundial tenha alcançado os 113 GW. Em 2020, a capacidade global será superior a 230 GW e em 2030 superior a 364 GW. No final do período do cenário, em 2050, a capacidade mundial será maior do que 577 GW.

1.3 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

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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.

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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.

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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):

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• 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.

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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.

1.4 Estrutura da tese

Para além deste capítulo, onde é feita uma introdução ao trabalho realizado nesta tese, existem mais 6 capítulos.

O CAPITULO 2 faz a caracterização do problema em estudo. No início há uma breve introdução aos problemas associados ao comportamento dinâmico de rede com elevada integração de produção eólica. Posteriormente é efectuado um levantamento dos principais tipos construtivos de aerogeradores e é abordado com maior ênfase as suas qualidades/defeitos em relação aos problemas de estabilidade sob análise. A análise de diferentes GC foi também realizada para se avaliar o grau de exigência requerido face às redes.

As soluções técnicas que podem mitigar os problemas analisados são também abordadas. Esta abordagem é feita de duas formas: primeiro para os casos em que a solução preconizada é intrínseca do próprio aerogerador e em segundo lugar para o caso da solução ser externa aos aerogeradores.

O CAPITULO 3 refere-se aos modelos dos componentes mais relevantes para o problema em análise e que são: aerogeradores de velocidade fixa (assíncronos convencionais), aerogeradores de velocidade variável (síncronos e de indução duplamente alimentados) e FACTS. Aborda

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também a definição de cenários e situações que permitam identificar condições de insegurança procurando identificar soluções técnicas que os permitam mitigar.

O CAPITULO 4 analisa quais os efeitos do aparecimento de um curto-circuito em redes interligadas com uma elevada integração de produção eólica. Esta análise é efectuada para várias situações de estudo. É dada especial ênfase á rede portuguesa, sendo no entanto analisada num contexto ibérico.

O CAPITULO 5 aborda aos procedimentos de identificação da solução óptima e toda a metodologia adoptada nesta tese. A utilização de uma meta-heurística como ferramenta de optimização é abordada.

No CAPITULO 6 são apresentadas as simulações efectuadas, os respectivos resultados e sua análise. É feita uma análise às diferentes situações de estudo e os problemas de estabilidade e as perdas de grandes volumes de produção eólica merecem especial atenção.

Por fim no CAPITULO 7 apresentam-se as conclusões desta tese assim como as perspectivas para o trabalho futuro.

São ainda apresentados 3 apêndices. O Apêndice A - Rede de teste, onde é feita referência aos parâmetros utilizados nas simulações utilizando a rede de teste, o Apêndice B - Modelos Dinâmicos Desenvolvidos, onde é feita referência aos modelos dinâmicos utilizados na elaboração das situações de estudo e que foram especialmente desenvolvidos para este trabalho e por último o Apêndice C – Modelos Dinâmicos Standard, onde são apresentados os modelos dinâmicos utilizados e que fazem parte da livraria do programa de simulação utilizado o PSS/E.

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CAPITULO 2

SOBREVIVÊNCIA A CAVAS DE TENSÃO –

SOLUÇÕES E REQUISITOS DOS TSOs

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2.1 Introdução

O problema da segurança dinâmica de grandes redes interligadas com uma elevada integração de produção eólica apresenta-se como uma questão de extrema importância, principalmente porque em determinadas situações pode dar-se o colapso do sistema após a ocorrência de um curto-circuito [14-17].

Com efeito, o comportamento dinâmico dos aerogeradores perante curto-circuitos está relacionado com a tecnologia de que estão munidos. Ao abordamos estas questões deparamo-nos com o facto de estarem já em funcionamento diferentes tipos de tecnologias. Assim quando nos referimos aos aerogeradores já instalados no terreno, há 3 soluções possíveis para melhorar o seu comportamento perante defeitos na rede:

• Introduzir melhorias tecnológicas e de controlo no aerogerador; • Substituir o aerogerador por outro de tecnologia mas recente;

• Ou ainda utilizar equipamentos externos de forma a fornecer-lhes capacidade de sobrevivência a cavas de tensão.

A opção de introduzir melhorias tecnológicas e de controlo nos aerogeradores seria, em principio, a solução mais racional. No entanto, como a maioria dos aerogeradores, que seriam alvo desta alteração, ainda não atingiram o limite de vida útil e como a substituição dos sistemas é uma tarefa algo demorada e complexa, não se pode considerar como uma opção muito exequível. A substituição dos aerogeradores, e considerando, para além das razões anteriormente apresentadas, o custo total dos aerogeradores, também não se pode considerar como uma opção muito viável em termos económicos. Recorrer a soluções externas aos aerogeradores é sem dúvida uma opção válida, até porque neste caso a instalação dos equipamentos pode ser feita por parque ou por sub-estação e não de uma forma individual como nas opções referidas anteriormente. Foi esta última opção norteou o trabalho efectuado.

Ocorre que os aerogeradores têm, em geral, relés de mínimo de tensão regulados para valores de tensão relativamente altos, 0,8 a 0,85 p.u.. Este valor está relacionado com as exigências de protecção dos equipamentos que constituem o aerogerador, uma vez que a sua permanência em