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Tecnologias De Armazenamento De Energia Para Sistemas 100% Renováveis De Média Dimensão

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Tecnologias De Armazenamento De Energia Para Sistemas 100% Renováveis De Média Dimensão Tecnologias de Armazenamento de Energia para Sistemas 100% renováveis de Média Dimensão Caso de estudo: Ilha da Brava Gonçalo Miguel Lírio Nobre Glória Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e Computadores Orientador: Prof. Doutor José Manuel Dias Ferreira de Jesus Júri Presidente: Prof. Doutor Rui Manuel Gameiro de Castro Orientador: Prof. Doutor José Manuel Dias Ferreira de Jesus Vogal: Prof. Doutor João Abel Peças Lopes Março 2017 ii ”O pensamento ainda e´ a melhor maneira de fugir ao pensamento.” Fernando Pessoa iii iv Agradecimentos E´ uma maratona que chega ao fim. Esta dissertac¸ao,˜ no seu estado final, poe˜ fim a um caminho ´ıngreme que durou 9 meses, sempre preenchidos de trabalho arduo´ e sacrif´ıcios mas tambem´ de objectivos atingidos e satisfac¸ao.˜ Neste caminho algumas foram as pessoas que tiveram interferenciaˆ directa ou indirectamente no desenrolar de todo o percurso, as` quais nao˜ quero deixar de agradecer. Em primeira instancia,ˆ queria deixar o meu agradecimento ao meu orientador, o Professor Jose´ Ferreira de Jesus por ter-se apresentado sempre disposto a auxiliar com o seu conhecimento tecnico´ nas questoes˜ que iam surgindo com o desenrolar do trabalho e tambem´ pela valiosa contribuic¸ao˜ que a sua experiente intuic¸ao˜ apresenta para a resoluc¸ao˜ de problemas. A sua boa disposic¸ao˜ tambem´ foi sempre um marco para o ambiente vivido na Area´ Cientifica de Energia. Um agradecimento muito especial a` Inesˆ Barreira por todo o contributo que teve neste percurso desde a partilha de conhecimentos uteis´ para a tese, a` disponibilidade em ajudar e pelo agradavel´ conv´ıvio diario´ vivenciado. Mas, principalmente fico grato pela relac¸ao˜ sui generis que desde logo criamos´ quando nos conhecemos no in´ıcio deste caminho, que agora termina, mas que permitiu a construc¸ao˜ de uma forte amizade que perdurara.´ Sem ela teria sido tudo mais complicado e menos especial. Por fim, quero agradecer a toda a minha fam´ılia e amigos. Quanto aos meus amigos um agradeci- mento especial ao Ricardo Ferro, Filipe Lu´ıs e Bernardo Esteves por serem os irmaos˜ que escolhi na minha vida e que tiveram uma contribuic¸ao˜ indirecta, embora relevante em todo este caminho. Para a minha fam´ılia agradec¸o toda a dedicac¸ao,˜ pacienciaˆ e amor que sempre tiveram durante estes 9 meses, que nem sempre foram faceis´ mas que com o seu apoio me ajudaram a ultrapassar os obstaculos´ e chegar ao fim desta etapa da minha vida com sucesso. A todas estas pessoas dedico esta tese e deixo o meu sincero obrigado! v vi Resumo Com o crescimento da procura de energia verificado e o aumento da quota de penetrac¸ao˜ de energias renovaveis,´ o maior desafio que se coloca aos sistemas electricos´ e´ o de satisfazer este desenvolvi- mento de forma segura, economica´ e sustentavel.´ Os Sistemas de Armazenamento de Energia (SAE), e especificamente os Battery Energy Storage Systems (BESS), temˆ provado ser elementos cruciais nesta mudanc¸a de paradigma pela contribuic¸ao˜ para o aumento da penetrac¸ao˜ renovavel´ e atenuac¸ao˜ dos problemas operacionais que dela advem.ˆ A ilha da Brava em Cabo Verde apresenta um plano energetico´ para 2020, que visa tornar a ilha 100% renovavel´ com aux´ılio de um BESS. Assim o objec- tivo deste trabalho consiste em estudar a possibilidade de operar a rede da ilha em 2020, num panorama so´ com gerac¸ao˜ renovavel´ e um BESS, analisando-se a estabilidade da rede, o controlo de frequenciaˆ e o impacto na penetrac¸ao˜ renovavel.´ Para tal sao˜ constru´ıdos os cenarios´ de simulac¸ao˜ incluindo a previsao˜ de carga e de recursos renovaveis´ para 2020. O dimensionamento/implementac¸ao˜ da rede deMT e´ efectuado no PSS/E.Sao˜ realizados estudos em regime estacionario´ e transitorio´ de forma a se poder retirar as devidas conclusoes.˜ Da analise´ dos resultados verificou-se a interdependenciaˆ entre o BESS em servic¸o e a estabilidade da rede, dada a importanciaˆ que revelou ter no controlo de frequenciaˆ e flexibilidade da rede, permitindo o seu funcionamento com gerac¸ao˜ 100% renovavel.´ Adicionalmente realizaram-se tambem´ estudos que apresentam um panorama em que existe aux´ılio do menor dos grupos convencionais da ilha. Palavras-chave: Ilha da Brava, Projecto 100% Renovavel,´ SAE, BESS, PSS/E vii viii Abstract With the growth in energy demand that has recently occurred, accompanied by the increasing of re- newable energy penetration, the biggest challenge to the electrical networks is to meet this development in a safe, economical and sustainable way. Energy Storage Systems (ESSs), and specifically Battery Energy Storage Systems (BESS) have proven to be crucial elements in this paradigm change by contri- buting to increase the renewable penetration and by mitigating the operational problems that arise from it. The Brava island in Cape Verde presents an energy plan for 2020, which aims to turn the island 100% renewable with the help of a BESS. Thus, the objective of this work is to study the possibility of operating the island network, in 2020, with only renewable generation and a BESS analyzing the system stability, the frequency control and the impact of renewable penetration. For this, the simulation scenarios inclu- ding the forecast of load and renewable resources for 2020 were built. The sizing/implementation of the network is done in PSS/E. To draw the necessary conclusions from this study, stationary and transient studies are carried out. The analysis of the results shows the dependence between the BESS and the stability of the network, given the importance it showed in primary frequency control and in providing flexibility to the grid. Besides, there were also presented studies that offer a picture in which there is the aid of the smaller conventional machine of the island. Keywords: Brava Island, 100% Renewable Project, EES, BESS, PSS/E ix x Conte ´udo Agradecimentos............................................v Resumo................................................. vii Abstract................................................. ix Lista de Tabelas............................................ xv Lista de Figuras............................................ xvii Lista de Abreviaturas.......................................... xxii 1 Introduc¸ao˜ 1 1.1 Enquadramento.........................................1 1.2 Motivac¸ao˜ e objectivos......................................5 1.3 Estrutura do documento.....................................6 2 SAEs para integrac¸ao˜ de renovaveis´ no sector energetico´ 8 2.1 Energias renovaveis´ em redes insulares e problemas operacionais.............8 2.2 Soluc¸oes˜ face aos problemas operacionais.......................... 10 2.2.1 Fontes de energia renovavel´ e regulac¸ao˜ ....................... 10 2.2.2 Sistemas de armazenamento de energia (SAEs)................... 11 2.2.2.1 Introduc¸ao˜ ................................... 11 2.2.2.2 Principais Caracter´ısticas........................... 13 2.2.2.3 Aplicac¸oes˜ ................................... 17 2.3 Baterias.............................................. 19 2.3.1 Introduc¸ao˜ ........................................ 19 2.3.2 Componentes do sistema de armazenamento de uma bateria............ 20 2.3.3 Princ´ıpio de funcionamento............................... 22 2.3.4 Caracter´ısticas tecnicas´ de uma bateria........................ 23 2.3.5 Aplicac¸oes˜ de aux´ılio a` integrac¸ao˜ de renovaveis´ .................. 26 2.3.6 Baterias de l´ıtio vs Baterias de Acido-Chumbo´ .................... 29 3 Caso de Estudo: ilha da Brava 32 3.1 Ilha da Brava........................................... 32 3.2 Brava: Ano 2015......................................... 33 3.2.1 Sistema Electroprodutor e Subestac¸oes˜ ........................ 33 xi 3.2.2 Rede de distribuic¸ao˜ ................................... 34 3.2.3 Diagrama de Carga................................... 35 3.2.4 Caracterizac¸ao˜ do recurso Solar e Eolico´ ....................... 37 3.3 Brava: Ano 2020......................................... 38 3.3.1 Plano de implementac¸ao˜ de novos projectos..................... 38 3.3.2 Previsao˜ de Carga para 2020.............................. 39 3.3.3 Redimensionamento dos projectos a implementar.................. 40 3.3.4 Projecto ilha 100% Renovavel´ ............................. 42 4 Implementac¸ao˜ e Modelizac¸ao˜ 43 4.1 Software PSS/E......................................... 43 4.2 Implementac¸ao˜ e modelizac¸ao˜ da rede no PSS/E....................... 44 4.2.1 Introduc¸ao˜ ........................................ 44 4.2.2 Geradores Convencionais................................ 45 4.2.3 Renovaveis´ ........................................ 48 4.2.4 Protecc¸oes˜ ........................................ 50 4.2.5 Bateria (BESS)...................................... 51 4.2.5.1 Dimensionamento............................... 52 4.2.5.2 Modelizac¸ao˜ .................................. 53 5 Simulac¸oes˜ e Resultados 58 5.1 Construc¸ao˜ dos cenarios´ de simulac¸ao˜ ............................ 58 5.2 Resultados do transitoˆ de energia............................... 62 5.2.1 Ilha da Brava sem gerac¸ao˜ renovavel´ ......................... 63 5.2.1.1 Analise´ ..................................... 63 5.2.2 Ilha da Brava com gerac¸ao˜ renovavel´ ......................... 64 5.2.2.1 Renovaveis´ projetadas no Plano Energetico´ para 2020.......... 64 5.2.2.2 Renovaveis´ redimensionadas........................ 65 5.2.2.3 Analise´ ..................................... 65 5.2.3 Ilha da Brava com gerac¸ao˜ renovavel´ e BESS...................
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