“Estudos de estabilidade dinâmica de redes eléctricas para...

“Estudos de estabilidade dinâmica de redes eléctricas para determinar os efeitos das energias renováveis nos sistemas

eléctricos insulares”.

Redes Isoladas com Elevada Penetração de Energia Eólica utilizando

Volantes de Inércia

Eng.º Miguel Aires Martins

11 de Novembro de 2011

Empresas de Produção eléctrica no Grupo EDA

GRUPO EDA ‐REDES ISOLADAS COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA UTILIZANDO VOLANTES DE INÉRCIA

Produção de Energia Eléctrica nos AçoresNove ilhas – Nove sistemas electro produtores

Produção de Energia Eléctrica nos Açores


Centrais Hidroeléctricas e Parques Eólicos

Parque Eólicos:

S. Maria

S. Jorge

Graciosa

Faial

Flores

Pico

Terceira (em fase de ampliação)

S. Miguel (em fase de construção)

Centrais Hídricas:

S. Miguel

Terceira

Faial

Flores


Centrais HidroeléctricasILHA CENTRAL HIDRICA ANO DE INSTALAÇÃO POTÊNCIA

kW% PRODUÇÃO DA

ILHA NO 2010

S. Miguel Tambores 1909 94 0,0

S. Miguel Canário 1990 400 0,4

S. Miguel Túneis 2000 1613 2,2

S. Miguel Foz da Ribeira 1990 824 1,2

S. Miguel Salto do Cabrito 2005 670 0,8

S. Miguel Nova 1927 600 0,0

S. Miguel Ribeira da Praia 1991 800 0,9

S. Miguel Total :5,6 %

Terceira Nasce d’Água 1954 720 0,3

Terceira S. João de Deus 1954 448 0,2

Terceira Cidade 1954 264 0,2

Terceira Total : 0,6 %

Faial Varadouro 1961 320 0,7 %

Flores Além Fazenda 1966 1400 33,3 %


Parques Eólicos

ILHA PARQUE ANO DE INSTALAÇÃO POTÊNCIAkW

% PRODUÇÃO DA ILHA NO 2010

S. Maria Figueiral 2002 3 x 300 10,6 %

Graciosa Serra Branca 1992 e 2002 2 x 100 e 2x300 8,0 %

S. Jorge Pico da Urze 1991 e 2002 5 x 150 e 2x300 5 ,4%

Faial Lomba dos Frades

2002 6 x 300 5,5 %

Pico Terras do Canto 2005 6 x 300 11,6 %

Flores Boca da Vereda 2002 2 x 300 15 ,3 %

Terceira Serra do Cume 20082011

5 x 9005 x 900

8,5 %N.A

S. Miguel Graminhais 2011 10 x 900 N.A


Parques Eólicos e a seu dimensão na ilha

ILHA PARQUE POTÊNCIA DO PARQUE

(kW)

POTÊNCIA DE VAZIO DA ILHA EM 2010

(kW)

PONTA DE PRODUÇÃO DA ILHA EM 2010

(kW)

S. Maria Figueiral 900 1750 3620

Graciosa Serra Branca 800 1156 2450

S. Jorge Pico da Urze 1150 2539 5140

Faial Lomba dos Frades 1800 4471 9308

Pico Terras do Canto 1800 3873 8388

Flores Boca da Vereda 600 1025 2013

Terceira Serra do Cume 4500 15165 40321


EnquadramentoProdução de electricidade nos Açores depende de combustíveis fósseis importados:

‐ Produção total dos Açores 2010: 71,9% térmica(Fuel 63,6 % e Diesel 8,3 %) e 20,5 % renovável (Geotérmica 20,4 % ; Hídrica 3,7 % ; Eólica 4,0 %).

‐ Produção total da Ilha Graciosa em 2010: 92,00% (Diesel) ; 8,00% (Eólica).

‐ Maior Produção eólica diária Ilha Graciosa : 46,70% (Diesel) ; 53,30% (Eólica).

‐ Produção total da Ilha das Flores em 2010: 51,40% (Diesel); 33,30 % (Hídrica) ; 15,30% (Eólica).

‐ Produção 100 % renovável em 10 noites durante o ano de 2009 na ilha das Flores.


EnquadramentoOs Açores possuem dois sistemas de Volante de inércia em exploração industrial desde 2006 instalados na:

•Ilha das Flores.•Ilha Graciosa.

• Pretendia‐se tirar o maior proveito da potência eólica instalada na ilha Graciosa que era fortemente desaproveitada e integrar o sistema de comando do Volante de Inércia com o sistema de controlo de potência do parque;

• Conciliar a produção eólica da ilha das Flores com a lenta reacção a variações de carga dos grupos hídricos existentes;

• Aumentar por via da Instalação dos Volantes de Inércia a produção renovável nas ilhas das Flores e Graciosa.


ProblemaRedes eléctricas isoladas com “forte” produção eólica

Oscilações de potência entre o grupos diesel/hídricos e a eólica

Dificuldade no controlo de frequência da rede eléctrica

Sub e Sobre cargas para os geradores diesel

‐Deslastre de cargas/cortes energia

‐Desgaste dos equipamentos mecânicos

‐Maiores consumos específicos (l/kWh)

‐Grande quantidade de energia “rejeitada” do Parque Eólico (kWh)


Efectuado estudoAvaliar o impacto de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante deinércia na maximização de produção eólica em redes eléctricas isoladas, IlhaGraciosa :

•Analisar condicionantes relativas à integração de energia eólica na Ilha Graciosa.

•Pesquisa de sistemas baseados em volantes de inércia existentes no mercado.

•Pesquisa de históricos de operação e exploração do sistema existente na IlhaGraciosa com e sem volante de inércia.

•Análise do comportamento dinâmico da rede local recorrendo a um modelodesenvolvido sobre MATLAB SIMULINK ©.


Ilha GraciosaSistemas Electroprodutores e Rede Eléctrica da Ilha Graciosa:

•Central Térmica da Graciosa ( 6 grupos diesel ) com o total de 4,23 MW.

•Parque Eólico da Serra Branca (2 aerogeradores Nordtank e 2 aerogeradores ENERCON) com o total de 800 kW.

•Rede de distribuição em média tensão a 15kV única a todo o sistema (4 saídas).

•Volante de Inércia POWERSTORE ± 350 kW


Ilha GraciosaSistema Electroprodutor da Ilha Graciosa:


Volante de inérciaTecnologia:

• Constituídos na generalidade por um cilindro de elevada massa que armazenaenergia, através da sua energia cinética, acoplado a um motor/gerador e com oauxilio de electrónica de potência possam acumular e ou fornecer energiaeléctrica aproveitando a conversão, em, ou, de rotação.

• Designados por flywheel na literatura anglo‐saxónica.


Volante de inérciaCaracterísticas:

• Elevada densidade de potência/energia.

• Manutenção reduzida.

• Elevada capacidade de carga/descarga.

• Utilização de materiais com baixo impacto ambiental.

• Duração do tempo de vida do equipamento independente dos ciclos dedescarga e carga.


Volante de inérciaFabricantes:

Beaconpower

O fabricante apresenta o seu produto com a denominaçãode Smart Energy 25 Flywheel 200KW.

Enercon

PowerCorp

O fabricante apresenta o seu produto com adenominação de Enercon Flywheel 200kW.

O fabricante apresenta o seu produto com adenominação de PowerStore 350kW.


Condições de OperaçãoAnálise dos históricos da exploração do Parque Eólico da Serra Branca e da CentralTérmica da Graciosa com e sem volante de inércia em funcionamento,seleccionando‐se os dias de grande variação de velocidade de vento e penetraçãode energia eólica .

Central Térmica da Graciosa Parque Eólico S.B. Volante de Inércia

Ano Produção

(MWh)

Consumo diesel Produção

(MWh)Auxiliares (MWh)

Produção

(MWh)

Consumo

(MWh)

Auxiliares

(MWh)Litros CE(L/kWh)

2005 9.911,67 2.580.956,00 0,26040 1.675,68 6,29 0,00 0,00 0,00

2006 10.468,44 2.776.536,00 0,26523 1.886,79 4,53 1,84 90,12 40,15

2007 11.238,00 2.941.999,00 0,26179 1.851,72 3,50 1,32 95,97 47,67

2008 12.434,16 3.148.230,00 0,25319 1.422,24 3,96 0,93 99,28 49,51

2009 12.205,56 3.168.391,10 0,25959 1.560,33 2,68 1,17 98,45 47,42

Nota: Só é efectuada limitação nos aerogeradores ENERCON

Condições de OperaçãoSem volante de inércia em funcionamento – ano de 2005

Aerogeradores ENERCON E‐30 (AG3 e AG4)

kWh Quantificação

Produção total do dia (kWh) 9.994,00 68,73%

Produção expectável do dia (kWh) 14.540,67 100,00%

Produção Eólica Total Perdida (kWh) 4.546,67 31,27%


Condições de OperaçãoCom volante de inércia em funcionamento ‐ ano de 2007

Aerogeradores ENERCON (AG3 e AG4)

kWh Quantificação

Produção total do dia (kWh) 13728,17 93,77%

Produção expectável do dia (kWh) 14640,00 100,00%

Produção Eólica Total Perdida (kWh) 911,83 6,23%


Condições de OperaçãoCom volante de inércia em funcionamento – ano de 2008

Aerogeradores ENERCON (AG3 e AG4)

kWh Quantificação

Produção total (kWh) 13105,83 88,44%

Produção expectável (kWh) 14819,33 100,00%

Produção Eólica Total Perdida (kWh) 1713,50 11,56%


Conclusões – Ilha GraciosaRedes eléctricas isoladas com grande volume de produção de energia eólica:

• Graves problemas de controlo de frequência da rede eléctrica.

• Dificuldade de gestão dos limites técnicos mínimos de potência dos grupos diesel.

• Existência uma grande quantidade de energia eólica não utilizada, devido à limitação em potência dos aerogeradores (operadores e autómato do V.I.).

• Com integração de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia (V.I.) consegue‐se melhorar a performance do sistema, sendo possível uma ainda maior penetração de energia eólica na rede.

• Com o V.I. diminui‐se a energia não aproveitada.

• Com V.I. existe um maior controlo da frequência da rede eléctrica, limitando o seu desvio a valores muito interessantes.


Conclusões – Ilha GraciosaRecomendações :

• Instalação de grupos diesel com diferentes potências, para um melhor encaixe nodiagrama de cargas.

• Continuação no investimento em energias renováveis na Ilha Graciosa bem como oaumento da capacidade instalada no Parque Eólico da Serra Branca com aerogeradoresque permitam o controlo de potência.

• Utilização somente de sistemas automáticos e eficientes de controlo da redeeléctrica, ficando o operador de despacho somente com a tarefa de supervisão dosistema.


Ilha das FloresSistemas Electroprodutores e Rede Eléctrica da Ilha das Flores:

•Central Térmica de Além Fazenda ( 4 grupos diesel ) ‐ total de 2,31 MW.

•Parque Eólico da Boca da Vereda (2 aerogeradores ENERCON) ‐ total de 600 kW

•Volante de Inércia POWERSTORE ± 350 kW

•Central Hídrica de Além Fazenda ( 4 turbinas Francis) ‐ total de 1,40 MW.


Ilha das FloresSistema Electroprodutor da Ilha das Flores:


Conclusões – Ilha das FloresRedes eléctricas isoladas com grande volume de produção de energia eólica:

• Graves problemas de controlo de frequência da rede eléctrica.

• Dificuldade de resposta dos grupos hídricos ás instabilidades da eólica.

• Existência uma grande quantidade de energia eólica não utilizada, devido à limitação em potência dos aerogeradores (operadores).

• Com integração de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia (V.I.) consegue‐se melhorar a performance do sistema, sendo possível uma ainda maior penetração de energia eólica na rede.

• Com o V.I. diminui‐se a energia não aproveitada.

• Com V.I. existe um maior controlo da frequência da rede eléctrica, limitando o seu desvio a valores muito interessantes.


Conclusões finaisIntrodução de Volantes de Inércia em Redes eléctricas isoladas com grande volume de produção de energia eólica:

• Os Volantes de Inércia resolvem os problemas de controlo de frequência na rede.• Dificuldade de gestão dos limites técnicos mínimos de potência dos grupos diesel

aconselham a diversificação da sua potências.

• O elevado consumo associado a manter no sistema um Volante de Inércia aconselha a que exista uma elevada potência eólica instalada e portanto a uma alta quantidade de energia eólica não utilizada (devido à limitação em potência dos aerogeradores).

• É aconselhável uma integração de sistemas de armazenamento de energia do tipo volante de inércia com os sistema de controlo do parque conseguindo‐se melhorar a performance do sistema e uma maior penetração de energia eólica na rede.

• Para muito altas taxas de penetração de energia eólica outros tipos de armazenamento de energia terão de ser necessários.


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