Determinação do ponto ótimo de conexão de parques eólicos offshore a sistemas interligados considerando a maximização da capacidade de geração de energia

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Devido às crescentes questões relacionadas ao meio ambiente e ao esgotamento de fontes de energia convencionais, as fontes alternativas de energia, principalmente as renováveis, estão recebendo mais atenção do que nunca. Nesse sentido, a energia eólica é uma das que apresentam maior destaque na conjuntura de investimentos em fontes renováveis no cenário brasileiro e mundial. Em alguns casos, as regiões com alto potencial de geração eólica estão longe dos centros de carga e localizadas em ambiente marítimo; em situações como essa, torna-se interessante a instalação de parques eólicos em ambiente offshore. Nesse cenário, é necessária uma análise abrangente para se determinar o ponto ótimo de conexão de Parques Eólicos Offshore (PEO) à rede principal que garanta a máxima penetração de geração eólica, de forma segura e eficiente, levando-se em consideração questões como o perfil de carga, as gerações convencionais de energia existentes no sistema, os impactos causados pela inserção de fontes de energia renováveis intermitentes na operação da rede, as restrições relacionadas às capacidades das linhas de transmissão e o comportamento da velocidade do vento de todas as regiões potenciais em estudo. Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo propor duas metodologias para a determinação do ponto ótimo de conexão de PEO a sistemas interligados considerando a maximização da capacidade de geração de energia. Na primeira metodologia é proposta uma formulação baseada em Programação Não Linear associada a um Fluxo de Potência Linearizado (PNL-CC), em que é possível observar a trajetória de penetração de geração eólica ao sistema até se obter o valor máximo viável, considerando-se a minimização de perdas no sistema de transmissão e apresentando uma estratégia eficiente para a incorporação das restrições ativas referentes ao critério de segurança “N-1”. O segundo método aborda um problema de otimização computacionalmente mais eficiente, em que se propõe uma formulação dividida em duas etapas, ambas baseadas em Programação Não Linear e com uma abordagem de Fluxo de Potência CA (PNL-CA), que determina o ponto ótimo de conexão do PEO, com seus respectivos valores máximos de penetração de geração eólica e de capacidade de geração, considerando-se todos os cenários de contingência (critério de segurança “N-1”), modelados através da técnica de Decomposição Matemática de Benders. As metodologias propostas são aplicadas a sistemas-testes de pequeno, médio e grande porte, de forma a explorar suas características e suas contribuições. Os estudos realizados em sistemas de pequeno e médio porte permitem uma análise do problema com cunho mais tutorial, enquanto que o estudo de sistemas reais de grande porte são capazes de demonstrar a aplicabilidade e eficácia das metodologias propostas em casos práticos. Due to growing environmental issues and depletion of conventional energy sources, alternative energy sources, especially renewable ones, are receiving more attention than ever. In this sense, wind energy is one of the most prominent in the context of investments in renewable sources in Brazil and globally. In some cases, regions with high potential for wind generation are far from load centers and are located in a maritime environment; in such situations, it makes sense to install wind farms in an offshore environment. In this scenario, a comprehensive analysis is required to determine the optimal connection point for Offshore Wind Farms (OWF) to the network to ensure maximum wind generation penetration safely and efficiently, taking into account such aspects as load profile, conventional system power generations, impacts caused by intermittent renewable energy sources in grid operation, capacity constrains of the transmission line and wind speed behavior of all the potential regions under study. In this context, this paper aims to propose two methodologies for determining the optimum OWF connection point to interconnected systems while considering how to maximize the capacity for power generation. The first methodology proposes a formulation based on Nonlinear Programming with Linear Power Flow (NLP-DC), where it is possible to observe the wind generation penetration path to the system until the maximum viable value is obtained, considering the minimization of losses in the transmission system and presenting an efficient strategy for the incorporation of active restrictions regarding the “N-1” safety criterion. The second method addresses a computationally efficient optimization problem, which proposes a two-step formulation, both based on Nonlinear Programming (NLP) with a Nonlinear Power Flow approach, which determines the optimum OWF connection point, with their respective maximum wind generation penetration and generating capacity values, considering all contingency scenarios (“N-1” safety criterion), modeled here with the help of the Benders Mathematical Decomposition technique. The proposed methodologies are applied in small, medium and large test systems in order to explore their characteristics and their contributions. Studies in small and medium-sized systems allow for a more tutorial analysis of the problem, while studies of real large systems are able to demonstrate the applicability and effectiveness of the proposed methodology in practical cases.