Gestão otimizada de uma rede elétrica com elevada penetração renovável e análise dinâmica da capacidade das linhas

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017O aumento da penetração no sistema eletroprodutor da energia elétrica proveniente de fontes renováveis, essencialmente de energia eólica, origina flutuações na rede elétrica, decorrentes da incerteza e da variação na disponibilidade do recurso. Essas variações além de poderem afetar a estabilidade e dificultarem o controlo podem inclusivamente originar o congestionamento de algumas linhas de transporte e distribuição de energia. Para resolver esta situação pode recorrer-se à construção de novas linhas elétricas o que além dos custos económicos enfrenta também a oposição social. A alternativa pode, em muitos desses casos, evitar a ampliação da rede elétrica mediante o recurso à análise dinâmica da capacidade das linhas elétricas, designada na nomenclatura Inglesa por Dynamic Line Rating (DLR). A análise DLR tem em conta as variáveis meteorológicas tais como a velocidade e direção do vento, a temperatura ambiente e a irradiância, entre outros, para contabilizar a contribuição de diversos efeitos na análise termodinâmica dos cabos a partir da qual, por imposição de uma temperatura máxima para esses cabos, se estabelece a corrente e consequentemente a potência limite das respetivas linhas. Nesta dissertação foi prosseguido o desenvolvimento de uma interface gráfica em ambiente SIG que permite agregar toda a informação de uma rede elétrica a estudar, designadamente as características dos condutores elétricos, o trajeto das linhas, as variáveis meteorológicas locais assim como os valores e limites da geração e das cargas por forma a permitir a otimização dos fluxos de potência nessa rede. Para verificar a aplicabilidade da interface recorreu-se a um caso de estudo de uma rede elétrica real, com elevada penetração renovável. O estudo dessa rede envolveu a análise da otimização dos fluxos de potência com e sem análise DLR das linhas para diversos cenários. Além da disponibilização dos resultados na forma de ficheiros Excel e nas tabelas de parâmetros do ArcGIS®, recorreu-se, para as variáveis consideradas mais significativas, à apresentação sob a forma gráfica.The increasing penetration in the existing power systems of renewable energy, largely of wind energy, results in fluctuations on the electric grid due to uncertainty and variation in resource availability. These variations, besides affecting stability and hindering control, may even lead to the eventual congestion of the transmission and distribution lines. To solve this problem new electric lines can be built that, besides their economic costs, may face social opposition. In many cases, the grid expansion may be avoided by using a Dynamic Line Rating (DLR), i.e., the dynamical analysis of the power lines capacities. The DLR analysis takes into account the meteorological variables such as wind velocity, environmental temperature and irradiance, among others, to perform a thermodynamic analysis for the line cables wich by taking into account the contribution from the various effects influencing the cables’ temperature, that depend on the meteorological conditions. This thermal analysis along with the imposition of an upper limit to the temperature of the cable gives its current limit and thus the power limit for the lines under examination. The present dissertation proposes the completion of a graphical interface in a GIS environment, allowing to aggregate all the information of a power grid to be studied, namely the lines’ layout, its cables characteristics, the local meteorological values and all the generation, load values and limits in order to optimize the grid’s power flows. A case study of a real electric grid with high levels of renewable energy was used to assess the applicability of the interface. The case study was used to perform the optimization of the lines’ power flows, with and without DLR, for several scenarios. Besides exporting the results to an Excel spreadsheets and to ArcGIS® parameter tables, the most significant variables may be presented graphically