Impact evaluation of increased penetration of renewable energy in the reliability of portuguese electrical supply system - Reserve Margin Index & Modeling of the Renewable Variable

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaOs Sistemas Elétricos de Energia (SEE) são sistemas com elevada complexidade que têm a necessidade de ser minuciosamente estudados. Um dos parâmetros com maior relevância nos SEE é a fiabilidade. Apesar de a utilização de índices de fiabilidade para avaliação da fiabilidade dos sistemas já não ser recente, é necessária a investigação permanente deste tema, tendo em conta os constantes novos desafios que se apresentam.O aumento da penetração de energia com base em fontes renováveis – principalmente as renováveis variáveis (eólica e solar) – é um destes novos desafios, uma vez que manter ou mesmo aumentar estes índices de fiabilidade é algo complicado, na presença de cada vez mais renovável variável, devido à sua variabilidade e não disponibilidade para despacho. Assim, ao contrário do que acontece com as fontes convencionais, em que se pode quase considerar que as indisponibilidades acontecem apenas devido a avarias e não à falta da fonte primária, no caso da renovável variável o principal fator de indisponibilidade será mesmo a fonte primária.Nesta dissertação procura-se avaliar o impacto da disseminação das renováveis variáveis na fiabilidade do sistema electroprodutor nacional (SEN) através do Índice de Margem de Reserva (IMR) que, tal como o nome indica, tem como finalidade entender a capacidade de reserva que o sistema necessita para diferentes previsões de geração e procura. Com recurso a uma ferramenta de software criada para o cálculo do IMR, foi realizada, com base neste índice, uma análise de adequação do SEN, onde foi possível perceber, segundo várias trajetórias de evolução de procura e ocorrência de eventos, se o sistema terá capacidade para satisfazer o consumo de energia elétrica e os serviços de sistema necessários, ou se existe a necessidade de fazer um reforço da capacidade instalada de modo a garantir o bom funcionamento deste. Este estudo permitiu perceber o impacto que a substituição da convencional geração síncrona por geração renovável variável terá no futuro na fiabilidade do SEN, através dos resultados do IMR.Para além disso, a partir de uma análise retrospetiva aos dados de geração dos últimos 12 anos (2008-2019), foi possível a criação de diagramas de geração para a eólica e solar. Esta modelação da geração eólica e solar é feita para alimentar com dados uma ferramenta já existente, que permite o cálculo de vários índices de fiabilidade, dotando-a assim de capacidade de cálculo dos índices na presença deste tipo de geração. Posto isto, foi realizada uma análise qualitativa entre o IMR e os índices resultantes desta ferramenta.Electric Power Systems (EPS) are highly complex systems that need to be thoroughly studied, with reliability being one of the most relevant parameters analyzed. These reliability studies use indices, that are not new, but still are the best ones to use for study the reliability of EPS, where it’s possible to take into account the new challenges created.Being one of these new challenges, the increase of energy penetration based on renewable sources - mainly the variable renewables (wind and solar) -, since maintaining or even increasing these reliability indexes is somewhat complicated, with the presence of more and more renewable variable, due to its variability and non-availability for dispatch. Therefore, in the renewable variable, the main unavailability factor will be the primary source unlike what happens with conventional sources - which we can almost consider that the unavailability happens only due to malfunctions and not to the lack of the primary source.This dissertation addresses the impact of the dissemination of renewable variables on the reliability of the Portuguese Electricity Generation System (SEN) through the Reserve Margin Index (IMR), as the name implies, aims to understand the reserve capacity that the system needs for different generation and demand forecasts. Using a software tool created to calculate the IMR, an adequacy analysis of the SEN was carried out, where it was possible to perceive, according to various trajectories of the evolution of demand and occurrence of events, if the system will have capacity to satisfy the consumption of electric energy and the necessary system services or, if there is a need to reinforce the installed capacity in order to guarantee its smooth behavior. With that, it´s possible to understand the impact on the future of the reliability on the SEN, with the conventional synchronous replacement with variable renewable generation.In addition, from a retrospective analysis of generation data for the last 12 years (2008-2019), it´s possible to create generation diagrams for wind and solar. This way of modeling wind and solar generation is done to feed data into an existing tool, which allow us the calculation of various reliability indices, providing us with the ability to calculate the indices in the presence of this type of generation. That said, a qualitative analysis was carried out between the IMR and the indexes resulting from this tool