Impacto da circulação atmosférica nas rampas de produção eólica em Portugal

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016A integração em larga escala de fontes de energia renováveis com um comportamento estocástico, como a energia eólica, introduz uma incerteza adicional na operação do sistema elétrico. Esta incerteza coloca novos desafios aos operadores do sistema elétrico, uma vez que é necessário, em todo o instante, manter o equilíbrio entre a produção e o consumo, de modo a garantir a estabilidade do sistema electroprodutor. Para a manutenção dos elevados padrões da qualidade do serviço, nomeadamente no que respeita à segurança de abastecimento e robustez do sistema, bem como a otimização do seu desempenho económico, o operador do sistema elétrico pode beneficiar do conhecimento da probabilidade de ocorrência de variações severas na produção de energia eólica, usualmente definidas como eventos de rampa. Assim, na presença de uma rampa de descida, o operador pode ativar unidades de resposta rápida e.g., centrais hídricas ou térmicas por forma a produzir a energia necessária para suprir o consumo. Por outro lado, perante um evento de rampa de subida na produção eólica, é possível ao gestor do sistema electroprodutor tomar uma série de medidas, e.g., a desativação de um grupo de turbinas, com o propósito de evitar a produção excedente de energia. O impacto das rampas de produção eólica pode ser minimizado através da compreensão dos seus mecanismos sinópticos forçadores. Trabalhos recentes identificaram que os principais impulsionadores para as rampas severas de produção eólica são estruturas meteorológicas que se estendem por largas áreas e têm uma assinatura espacial bastante característica, e.g., frentes frias e sistemas de baixas pressões. Nesse sentido, este trabalho visa identificar estas estruturas e compreender o seu impacto durante eventos de rampa no agregado nacional de produção de energia eólica. Para se conseguir alcançar os objetivos traçados neste trabalho recorreu-se a algoritmos de deteção e seguimento i) de ciclones e ii) de tempestades, recorrendo a dados históricos das reanálises do European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. Esta diferenciação foi realizada porque um ciclone per se nem sempre se traduz numa forte intensidade do vento. Uma vez que a existência de variações severas na produção num determinado instante é dependente do instante anterior, neste trabalho propõem-se um novo algoritmo com base em algumas adaptações aos algoritmos anteriores de forma a permitir a sua aplicabilidade como ferramenta de alerta para variações severas na produção eólica. Para cada um dos algoritmos foram identificadas as principais características (e.g., localização, intensidade e trajetórias) destes fenómenos meteorológicos com maior impacto na variabilidade da energia eólica. Com o intuito de verificar o impacto dos sistemas meteorológicos na produção eólica foi efetuada uma análise de compósitos, na qual foi determinada a probabilidade dos eventos que afetam uma determinada região originarem situações de produção superior a 60% da capacidade nominal ou situações de produção inferior a 30% da capacidade nominal. Através desta análise foi possível verificar que os eventos com ocorrência nos meses de Inverno e que intersetam as regiões Norte e Centro de Portugal Continental são os que apresentam maior impacto no nível de produção. Foram também estabelecidos dois algoritmos de deteção de rampas de produção eólica, cujos resultados foram comparados com os resultados da aplicação das metodologias de deteção de sistemas meteorológicos a fim de verificar a precisão e viabilidade de utilização deste tipo de metodologias enquanto ferramentas de alerta a variações severas na produção eólica. Os resultados obtidos sugerem que as metodologias de deteção de tempestades são mais apropriadas para detetar rampas de produção eólica, no entanto todas as metodologias usadas neste trabalho permitem identificar de forma automática uma percentagem elevada das rampas observadas, embora com um número não desprezável de falsos alarmes, especialmente na Metodologia 1. Foi por fim efetuada uma análise por agrupamento, por forma a identificar as trajetórias mais propícias à ocorrência de rampas de produção eólica. Os resultados permitiram identificar que as trajetórias com maior impacto na produção são originadas/passam a Oeste/Sudoeste da Península Ibérica, entre as ilhas dos Açores e da Madeira, chegando a intersetar a região de Portugal Continental.The large-scale integration of renewable energy sources with a stochastic behavior, such as wind power, introduces an additional uncertainty in the electric system operation. This uncertainty poses new challenges to the power system operator since it is necessary in every moment to keep the balance between production and consumption in order to ensure the stability of the power system. For the maintenance of high standards of quality of service, particularly with regard to security of supply and system robustness as well as from an economic point of view, it is important that the system operator is aware of the occurrence of severe fluctuations in wind energy production (usually defined as ramps). Thus, during a downward wind power ramp, the system operator can activate rapid response units e.g., hydro or thermal power plants in order to produce the necessary energy. On the other hand, when the system operator faces an upward ramp event in wind power, it is possible to take a series of measures, e.g., disabling a group of turbines in order to avoid excess production of energy. The impact of wind power ramps can be minimized by understanding the underlying role of the synoptic circulation in triggering these events. Recent studies have identified that the key drivers for the harsh wind power ramps are weather synoptic structures that extend over large areas, and have a quite characteristic spatial signature, e.g., cold fronts and low pressure systems. In this sense, this work aims to identify these structures and understand their impact during ramp events of wind energy in the production of the national aggregate. Detection and tracking algorithms of i) cyclones and ii) wind storms were implemented using the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts historical reanalysis. This distinction was made because a cyclone itself does not always mean a strong wind intensity. Since the existence of severe variations in the wind production at a particular time is dependent on the previous instant, this thesis proposes a new algorithm based on a few adjustments to the previous algorithms, in order to allow its applicability as a warning tool to severe wind power variations. For each of the algorithms, the key characteristics of each event with greatest impact on the wind power production were identified (e.g., location, intensity and trajectories). In order to check the impact of weather systems in the wind production, a composite analysis was performed in order to determine the probability of events that, intersecting a given region, can originate situations of production above 60% of the rated capacity or situations of production below 30% of the rated capacity. Through this analysis, it was possible to verify that the events occurring in the winter months and that intersect the northern and central regions of Portugal are those with the greatest impact on the production level. It was also developed two algorithms of wind power ramp detection. The outputs of these algorithms were then compared with the results derived from the application of the three methodologies for detection of meteorological systems in order to verify the accuracy and feasibility of using such methodologies as warning tools to severe variations in wind power production. The results suggest that storm detection methods are more suitable to detect wind power ramps when compared to the cyclone methodology, and these methodologies allow to identify a large number of true ramps, although with a high number of false alarms, especially in Methodology 1. In order to identify the trajectory of weather events more probable to cause wind power ramps a cluster analysis was performed. The results showed that the trajectories with the greatest impact on production are originated/come through the West/Southwest of Iberia, between the Madeira and Azores islands, reaching the continent in the North/Centre regions of Portugal