O Impacto da Geração Eólica no Despacho de Geração

Impacto da Geração Eólica no Despacho de Geração

Yuri Matheus Spies Berwanger, Katia Campos de Almeida

LABSPOT – Departamento de Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Santa Catarina

Resumo. Inicialmente foi realizada a modelagem matemática e o estudo de uma rede de potência de catorze barras com a inserção de uma unidade geradora eólica para verificar a variação de fluxo de potência nas linhas de transmissão causado pela geração eólica. Em paralelo a isso, foi realizado um estudo sobre o custo de geração de energia em um sistema com uma unidade geradora térmelétrica e uma unidade geradora hidrelétrica, considerando todas as restrições envolvidas nesse processo. Ao final, foi adicionada uma unidade eólica e a rede de transmissão ao estudo de custo de geração e foram feitas análises. Concluiu-se que há viabilidade econômica em utilizar geração de energia eólica em um sistema hidrotérmico.

Palavras-chave: energia eólica, energia hidrelétrica, energia termelétrica, otimização, fluxo de potência ótimo.

Introdução e objetivo

É de conhecimento geral o impacto negativo ao meio ambiente de fontes de geração de energia não renováveis, com o uso de combustíveis fósseis ou nucleares. Isso faz com que cada vez mais as fontes de energia limpa sejam usadas nos sistemas de geração.

A não necessidade de associação de um custo de combustível às fontes renováveis, o seu relativo baixo custo de operação, e o enorme potencial hídrico em todo território do país faz com que o sistema de geração brasileiro seja predominantemente hidrelétrico. Outra forma de geração limpa de energia é a geração eólica, que devido ao impacto ambiental quase nulo e o custo de produção baixo, está cada vez mais presente na matriz energética do país.

Um dos objetivos do projeto em andamento é analisar o impacto da geração eólica em um sistema de transmissão, modelando matematicamente o sistema e verificando a variação no fluxo de potência em linhas de transmissão quando a eólica é inserida como unidade geradora. Adicionalmente a isso, busca-se determinar o despacho de geração pela resolução de problemas de otimização, com o intuito de reduzir os custos de produção de energia elétrica, onde o sistema deve obedecer a uma série de restrições e funções matemáticas que o descrevem. Por fim, o objetivo final deste trabalho é definir se, para o sistema analisado, a inserção de geração eólica no sistema de geração hidrotérmica é viável em no que concerne ao custo de geração de energia.

Este relatório final descreve as atividades realizadas e os resultados obtidos entre o período de agosto de 2016 e agosto de 2017.

Metodologia

Para o cálculo da potência gerada pela usina eólica foram usados dados de leitura de velocidade do vento [1] e a uma proposta de cálculo de saída de potência ativa do modelo de gerador apresentado por [2], que obedece às seguintes equações:

[pic 1]

[pic 2]

[pic 3]

onde,

[pic 4]

[pic 5]

sendo,

: a potência eólica gerada em ;[pic 6][pic 7]

: a potência máxima gerada em ;[pic 8][pic 9]

: a velocidade do vento, em ;[pic 10][pic 11]

: a velocidade mínima do vento para geração, em ;[pic 12][pic 13]

: a velocidade máxima do vento para geração, em ;[pic 14][pic 15]

: a velocidade mínima do vento para geração máxima, em .[pic 16][pic 17]

Como os dados medidos de velocidade do vento variam muito de hora em hora, o sistema de geração/transmissão foi modelado matematicamente com o objetivo de ver a intensidade de variação dos fluxos de potência nas linhas de transmissão de energia durante um período de um dia em que há muita variação de velocidade do vento.

         O sistema foi modelado utilizando as equações de fluxo de potência linearizado ou CC inicialmente com inserção de perdas [3]:

	[pic 18]	(1)
	[pic 19]	(2)

onde,

[pic 20]

(3)

sendo,

: fluxo de potência da linha k, m;[pic 21]

: reatância da linha;[pic 22]

: condutância série da linha;[pic 23]

: defasagem da tensão na linha;[pic 24]

: vetor das injeções líquidas de potência ativa nas barras;[pic 25]

: vetor de perdas;[pic 26]

: matriz admitância nodal.[pic 27]

Há custo zero associado à geração da usina eólica, por isso, no problema de despacho, o gerador eólico deve, sempre que possível, estar produzindo energia.

A minimização de custo do despacho foi iniciada apenas considerando usinas hidrelétricas e termelétricas para posteriormente serem introduzidas as usinas eólicas com custo zero de geração.

O problema de otimização do despacho hidrotérmico tem o objetivo de encontrar valores ótimos para a geração das usinas hidrelétricas e termelétricas em que há o custo mínimo possível de produção de energia [4]. Deve-se associar a produção da usina hidrelétrica e da termelétrica a custos. O custo associado à usina térmica é função diretamente da quantidade de energia que ela produz, pois é alimentada por combustível, já o custo da usina hidrelétrica é uma função de seu volume de reservatório, pois está associado ao custo futuro da água. Esse custo futuro corresponde ao custo de geração termelétrica futuro, que dependerá da quantidade de água disponível futuramente para geração hidrelétrica.

         O preço de geração termelétrica é expresso como uma função quadrática da potência gerada no período t, :[pic 28]

[pic 29]

Por outro lado, o custo futuro da água é expresso em função do desvio quadrático entre o volume de água, armazenado na hidrelétrica i ao final do horizonte de estudo considerado, , e o volume final ótimo indicado por estudos energéticos de longo prazo, :[pic 30][pic 31]

[pic 32]

sendo nh o número de usinas hidrelétricas.

Portanto, o problema de otimização do despacho hidrotérmico para i usinas hidrelétricas e t períodos de estudo é: