Horácio Borges Ramos Licenciado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Modelização e Diagnóstico em Regime Permanente da Rede Elétrica da Ilha de Santiago Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Doutor Francisco Alexandre Ganho da Silva Reis, Prof, FCT-UNL Co-orientador: Doutor Mário Fernando da Silva Ventim Neves, Prof, FCT-UNL Júri: Presidente: Prof. Doutor João Carlos da Palma Goes Arguente: Prof. Doutor Pedro Miguel Ribeiro Pereira Vogal: Prof. Doutor Francisco Alexandre Ganho da Silva Reis Setembro, 2016 Modelização e Diagnóstico em Regime Permanente da Rede Elétrica da Ilha de Santiago Copyright © Horácio Borges Ramos, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa. A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o direito, perpétuo e sem limites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição com objetivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado crédito ao autor e editor. i ii Agradecimentos Para a realização dum trabalho deste tipo, é imprescindível a colaboração, o apoio e a partilha de conhecimentos com várias pessoas, que com a sua experiência e conhecimento contribuíram para o enriquecimento deste trabalho. Por isso não podia deixar de mostrar e expressar a minha gratidão para com essas pessoas. Ao meu orientador, professor Francisco Ganho da Silva Reis, um muito obrigado e expresso aqui a minha mais profunda gratidão pelos seus ensinamentos, pela sua dedicação e preocupação, pela revisão do texto, por ter acreditado em mim para realizar este trabalho, enfim por todo o seu apoio, motivação e pelos seus conselhos. Ao Professor Mário Fernando da Silva Ventim Neves, o meu agradecimento por ter aceite ser o meu co-orientador e contribuir mesmo que seja de uma forma indireta para a realização deste trabalho. À ELECTRA, em especial aos caros engenheiros Emerson Foseca e Nelson Barreto, um sincero agradecimento pela vossa colaboração, pela autenticação dos dados e por todo o apoio dado. À minha família, com especial destaque para a minha mãe que sempre apostou e acreditou em mim, muito obrigado pelo suporte e apoio. À FACIT, sou eternamente grato pelo vosso apoio. E por fim, mas não menos importante, queria agradecer a todos os meus amigos e os meus colegas e duma forma geral a todas as pessoas que me acompanharam neste percurso. Muito obrigado a todos. iii iv Resumo Nesta dissertação pretende-se efetuar a modelização e o diagnóstico da rede elétrica da ilha de Santiago em regime permanente e em regime de contingência “ n-1”, isto é, a análise em que se considera todos os elementos da rede disponíveis em serviço (geradores, linha, transformador, bateria de condensadores) e a análise em que se considera a falha de um qualquer elemento da rede. Numa primeira fase foi necessário proceder à modelação da rede do ano 2015, caracterizando os seus elementos, a geração, as linhas elétricas, os transformadores e as cargas de modo a concretizar a simulação para cenário operacionais típicos no software usado PSS/E. Numa segunda fase foram desenvolvidos vários cenários operacionais para dois horizontes temporais divididos em dez tipos. Nos dois horizontes temporais de planeamento de curto prazo (2015) e de longo prazo (2020), foram analisados cenários de ponta e de vazio de carga com e sem a presença de energia renovável, solar e eólica. Para cada um desses cenários foi feito o diagnóstico em regime permanente e em regime de contingência “ n-1”, tendo por base critérios de planeamento utilizados por operadores de redes de energia elétrica, foram verificadas e registadas todas as violações dos critérios de tensão e sobrecargas e propostas soluções para essas mesmas violações. Conclui-se que a rede apresenta um bom desempenho em todos os cenários testados, tendo sido identificados procedimentos operacionais que possibilitam um melhor controlo de tensão mediante a utilização de tomadas dos transformadores localizados nas subestações de Palmarejo e da Calheta. Palavras Chave: Sistema de Energia Elétrica, Trânsito de Energia, Modelização da Rede, Diagnóstico da Rede. v vi Abstract This dissertation aims the study and the diagnosis of the electrical network of the island of Santiago, in Cape Verde, in steady state and contingency conditions ("n-1") ,i.e, the analysis that considers all elements of the network available in service (generators, lines, transformers, capacitors, etc) and analysis when considering the failure of any network element. For this purpose it is necessary first to characterize the elements that constitute the system, such as generation, network and loads, in order to obtain a suitable model of the system for simulation purposes. In the second phase various operational scenarios have been developed for two time horizons. For the two planning horizons of short term (2015) and long term (2020), scenarios of peak and off- peak load with and without the presence renewable energy, photovoltaic and wind were analysed. For each of these scenarios a diagnosis in both steady state and contingency conditions ("n-1") was made based on planning criteria used by electricity network operators. All violations of voltage criteria and overloads were reported and proposed solutions to solve these same violations were presented. One may conclude that the network presents a good performance in all tested scenarios, having been suggested some operational procedures that allow better control of the voltage using transformers of substations located in Palmarejo and Calheta for some specific scenarios. Keywords: Electrical Power System, energy transit, network diagnostics. vii viii Índice Agradecimentos…………………………………………………………………………….. iii Resumo……………………………………………………………………………………… v Abstract……………………………………………………………………………………... vii Índice………………………………………………………………………………………... ix Lista de Figuras…………………………………………………………………………….. xiii Lista de Tabelas……………………………………………………………………………. xvii Lista de Abreviaturas ……………...……………………………………………………… xix Capítulo 1 – Introdução…………….…………………………………………………….... 1 1.1 – Enquadramento e Motivação……………………………………………...………... 2 1.2 – Objetivos do trabalho.....………………………………………………………….... 2 1.3 – Organização do Trabalho…………………………………………………...……… 3 Capítulo 2 – Caracterização do arquipélago de Cabo Verde e da ilha de Santiago……. 5 2.1 – Arquipélago de Cabo Verde………………………………………………………... 6 2.1.1 – Economia……………………………………………………………………… 7 2.1.2 – Setor Energético………………………………………………………………. 8 2.1.2.1 – Operador da rede: Electra……………………………………………... 9 2.1.2.2 – Energia Elétrica……………………………………………………….. 10 2.1.2.3 – Combustíveis………………………………………………………….. 11 2.2 – Ilha de Santiago……………………………………………………………………. 12 2.2.1 – Características do consumo……………………………………………....…... 13 2.2.2 – Localização e caracterização dos centros produtores………………………… 13 2.2.3 – Diagramas de carga ………………………………………………………….. 16 Capítulo 3 – Modelização da rede elétrica de Santiago…..……………………………... 29 3.1 – Metodologia……………………………………………………………………….. 30 3.2 – Modelos e Trânsito de energia.……………………………………………………. 50 3.2.1 – Valores por unidade.…………………………………………………………. 50 3.2.2 – Transformador.………………………………………………………………. 50 3.2.3 – Linha.………………………………………………………………………… 52 3.2.4 – Sistema com dois barramentos.……………………………………………… 53 3.2.4.1 – Equações do trânsito de energia.……………………………………... 54 3.2.5 – Sistema com n barramentos.…………………………………………………. 56 ix 3.2.5.1 – Equações do trânsito de energia.……………………………………... 57 3.2.6 – Tipos de barramentos.………………………………………………………. 58 3.2.7 – Solução do trânsito de energia……………………………………………… 59 3.2.8 – Método de Gauss-Seidel.…………………………………………………… 59 3.3 – Aplicação à rede elétrica de Santiago...………………………………………….. 61 3.3.1 – Pressupostos assumidos…………………………………………………….. 61 3.3.2 – Modelização da rede………………………………………………………... 62 3.4 – Cenários operacionais……………………………………………………………. 63 3.4.1 – Cenário 1 – Ponta máxima do ano 2015 sem eólica e sem solar…………... 64 3.4.2 – Cenário 2 – Ponta máxima longo prazo (ano 2020) sem eólica e sem solar.. 65 3.4.3 – Cenário 3 – Vazio do ano 2015 sem eólica e sem solar……………………. 66 3.4.4 – Cenário 4 – Vazio longo prazo (ano 2020) sem eólica e sem solar……….... 67 3.4.5 – Cenário 5 – Ponta máxima do ano 2015 com eólica e sem solar………….... 68 3.4.6 – Cenário 6 – Ponta máxima longo prazo (ano 2020) com eólica e sem solar.... 69 3.4.7 – Cenário 7– Vazio do ano 2015 com eólica e sem solar…………………….. 70 3.4.8 – Cenário 8 – Vazio longo prazo (ano 2020) com eólica e sem solar……….. 71 3.4.9 – Cenário 9 – Ponta máxima do ano 2015 com eólica e com solar………….. 72 3.4.10 – Cenário 10–Ponta máxima longo prazo (ano 2020) com eólica e com solar... 73 Capítulo 4 – Diagnóstico da rede elétrica de Santiago…..……………………………. 75 4.1 – Metodologia …………………………………………………………………….. 76 4.2 – Critérios de Planeamento………………………………………………………... 76 4.3 – Diagnóstico da rede em regime permanente…………………………………….. 77 4.3.1 – Cenário 1 – Ponta máxima do ano 2015 sem eólica e sem solar………….. 77 4.3.2 – Cenário 2 – Ponta máxima longo prazo (ano 2020) sem eólica e sem solar.. 77 4.3.3 – Cenário 3 – Vazio do ano 2015 sem eólica e sem solar…………………… 77 4.3.4 – Cenário 4 – Vazio longo prazo (ano 2020) sem eólica e sem solar……….. 78 4.3.5 – Cenário 5 – Ponta máxima do ano 2015 com eólica e sem solar………….. 78