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Estudo de Estabilidade Dinâmica de Redes Eléctricas
para Determinação das Perturbações das Energias
Renováveis sobre os Sistemas Elétricos das Ilhas da
Madeira e do Porto Santo
Fase 1
Elaboração de modelos matemáticos para
simulação das redes eléctricas das ilhas da
Madeira e do Porto Santo
Sócio: AREAM - Agência Regional da Energia e Ambiente da Região
Autónoma da Madeira
Autor: Cie3 - Centro para a Inovação em Engenharia Electrotécnica e
Energia
Data: Fevereiro de 2012
PROGRAMA MAC 2007 - 2013
Código: MAC/2/C113
TRES
TRansição para um modelo Energético Sustentável para a Madeira, Açores e Canárias
Elaboração de modelos matemáticos para simulação das redes eléctricas das ilhas da Madeira e do Porto Santo - Estudo de Estabilidade Dinâmica de Redes Eléctricas para Determinação das Perturbações das Energias Renováveis sobre os Sistemas Elétricos das Ilhas da Madeira e do Porto Santo
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AUTORES
José Manuel Ferreira de Jesus, Professor Associado c/ Agregação
Rui Manuel Gameiro de Castro, Professor Auxiliar
Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro, Professora Auxiliar
PROGRAMA MAC 2007 - 2013
Código: MAC/2/C113
TRES
TRansição para um modelo Energético Sustentável para a Madeira, Açores e Canárias
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SIGLAS E ABREVIATURAS
AREAM Agência Regional de Energia e Ambiente da Região Autónoma da Madeira
EEM Empresa de Eletricidade da Madeira, S.A.
IST/Cie3 Centro para Inovação em Engenharia Eletrotécnica e Energia do Instituto Superior
Técnico
RAM Região Autónoma da Madeira
GEOL Gerador Eólico
PE Parque Eólico
PVF Parque Fotovoltaico
MSVV Máquina Síncrona de Velocidade Variável
MIDA Máquina de Indução Duplamente Alimentada
MIRG Máquina de Indução de Rotor em Gaiola
PV Ponta de Verão
VI Vazio de Inverno
CTV Central da Vitória
V Tensão
PROGRAMA MAC 2007 - 2013
Código: MAC/2/C113
TRES
TRansição para um modelo Energético Sustentável para a Madeira, Açores e Canárias
Elaboração de modelos matemáticos para simulação das redes eléctricas das ilhas da Madeira e do Porto Santo - Estudo de Estabilidade Dinâmica de Redes Eléctricas para Determinação das Perturbações das Energias Renováveis sobre os Sistemas Elétricos das Ilhas da Madeira e do Porto Santo
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ÍNDICE
AUTORES ...................................................................................................................................... 2
Siglas e abreviaturas ...................................................................................................................... 3
1. Introdução ............................................................................................................................. 6
2. Modelos utilizados ................................................................................................................. 8
2.1. Modelos dos Geradores Síncronos ................................................................................... 9
2.2. Modelos dos Geradores de Indução de Rotor em Gaiola (MIRG) ................................... 12
2.3. Modelos dos Geradores de Indução Duplamente Alimentados (MIDA) e das Máquinas
Síncronas de Velocidade Variável (MSVV) ..................................................................... 17
2.4. Modelos dos Reguladores de Tensão ............................................................................. 25
2.5. Modelos dos Reguladores Carga-Velocidade ................................................................. 27
2.6. Modelo dos Painéis Fotovoltaicos ................................................................................... 33
2.7. Sistemas de Proteção dos Geradores Eólicos e Painéis Fotovoltaicos ........................... 34
2.8. Modelos do Sistema de Deslastre de Cargas .................................................................. 37
3. Regime Estacionário ............................................................................................................ 39
3.1. Previsão de Carga para 2020 e Cenários de Afetação e Despacho da Geração ............ 39
3.2. Regime Estacionário ....................................................................................................... 45
3.2.1. Ilha da Madeira ........................................................................................................ 46
3.2.2. Ilha de Porto Santo ................................................................................................... 50
4. Seleção Preliminar de Perturbações a Simular .................................................................... 53
4.1. Seleção dos Locais para Simular a Ocorrência dos Defeitos .......................................... 54
4.2. Exemplo do Impacte de Rajadas de Vento ..................................................................... 57
4.3. Exemplo do Impacte da variação da velocidade do vento ............................................... 61
4.4. Exemplo do Impacte da Variação da Irradiância Solar .................................................... 65
5. Conclusões e Prossecução dos Estudos ............................................................................. 68
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1. INTRODUÇÃO
Este relatório trata-se da primeira fase de um estudo que visa avaliar o impacte que o aumento de
potência instalada em energias renováveis tem sobre as redes eléctricas das ilhas da Madeira e do
Porto Santo até o ano 2020, e enquadra-se no projeto TRES - Transição para um modelo
Energético Sustentável para a Madeira, Açores e Canárias, co-financiado pelo Programa
Transnacional MAC 2007-2013.
Com este objetivo, a AREAM adjudicou ao Instituto Superior Técnico – Centro para a Inovação em
Engenharia Electrotecnia e Energia, IST/Cie3, um estudo que visa avaliar o montante de potência
eólica e fotovoltaica instalada que é tecnicamente admissível no ano alvo estipulado, 2020.
Para a ilha da Madeira, a AREAM propõe que se estude a viabilidade de ter, no ano de 2020, uma
potência eólica máxima instalada de 150 MW e uma potência fotovoltaica máxima instalada de 50
MW. Para a ilha de Porto Santo estes montantes seriam, para o mesmo ano, de 4 MW e 5 MW,
respectivamente.
Para a realização deste estudo, a AREAM forneceu ao IST/Cie3 os dados respeitantes às
configurações das redes de energia eléctrica das ilhas da Madeira e do Porto Santo em 2010.
Para o ano de 2020, a AREAM prevê a existência de dois novos aproveitamentos hidroelétricos
com bombagem na ilha da Madeira. A central da “Calheta 3” terá 30 MW de geração e cerca de 18
MW de bombagem. Esta central deverá estar ligada à rede em 2014. A central do “Chão da Lagoa”
terá características semelhantes à central da “Calheta 3”.
O presente relatório, fase 1 do estudo, encontra-se organizado em 5 capítulos:
No Capítulo 2 descrevem-se os modelos e os parâmetros que serão utilizados para a
realização do estudo.
No Capítulo 3 são feitas as projecções de consumo nas ilhas da Madeira e do Porto Santo
para o ano alvo, 2020, e são efectuados estudos em regime estacionário das redes
eléctricas da RAM nos anos de 2010 e 2020. Os estudos realizados para o ano de 2020
assumem a não existência de reforços, nem na potência das linhas de transporte e
distribuição, nem na potência dos transformadores.
No Capítulo 4 desenvolve-se uma metodologia para a escolha dos locais da rede eléctrica
da ilha da Madeira onde vão ser simulados os defeitos que permitem avaliar o
comportamento transitório desta rede. Neste capítulo é ainda realizado um estudo
preliminar do impacte que rajadas de vento e/ou variações da velocidade média do vento
têm na dinâmica das redes eléctricas da ilha da Madeira. É também realizado um estudo
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preliminar do impacte das variações da irradiância solar na resposta transitória da rede da
ilha de Porto Santo.
No capítulo 5 relatam-se as principais conclusões do trabalho realizado até ao momento e
apresentam-se os dados que a AREAM deve disponibilizar para a continuação dos estudos.
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2. MODELOS UTILIZADOS
Neste capítulo, apresenta-se os modelos que serão utilizados nos estudos das redes eléctricas das
ilhas da Madeira e do Porto Santo.
Em 2010 já se encontravam instalados os quatro grupos novos na central térmica da “Vitória”, três
grupos Diesel, com uma potência nominal unitária de 20,6 MVA, e uma turbina a vapor, com uma
potência nominal unitária de 5 MVA. O vapor necessário para o funcionamento desta turbina é
produzido por uma caldeira que recupera a energia térmica dissipada nos grupos Diesel, pelo que
a potência disponível na turbina a vapor depende do estado de carga dos grupos Diesel.
No ano de 2010, a potência eólica instalada na ilha da Madeira era de 43,9 MW, sendo o valor
desta potência instalada no Porto Santo igual a 1,11 MW. Neste mesmo ano, a potência
fotovoltaica instalada na ilha da Madeira era igual a 6 MW, sendo a potência fotovoltaica instalada
na ilha do Porto Santo igual a 2 MW. Na ilha da Madeira, em 2011, entraram em funcionamento
dois novos PFV com uma potência instalada total de 9 MW, pelo que, actualmente, na ilha da
Madeira, a potência fotovoltaica instalada totaliza 15 MW.
As tecnologias utilizadas nos geradores eólicos instalados nas ilhas da Madeira e do Porto Santo
são as seguintes:
Geradores directamente ligados à rede de energia eléctrica equipados com máquinas de
indução de rotor em gaiola (MIRG – tipo I).
Geradores directamente ligados à rede de energia eléctrica equipados com máquinas de
indução de rotor bobinado (MIRG – tipo II).
Geradores ligados à rede de energia eléctrica através de conversores corrente
alternada / corrente contínua / corrente alternada (ca/cc/ca) equipados com máquinas de
indução duplamente alimentadas (MIDA).
Geradores ligados à rede de energia eléctrica através de conversores corrente
alternada / corrente contínua / corrente alternada, equipados com máquinas síncronas de
velocidade variável (MSVV).
Os geradores eólicos da ENERGÓLICA e Porto Santo EEM estão equipados com máquinas de
indução de rotor em gaiola, sendo que os geradores eólicos da ENEREEM estão equipados com
geradores de indução de rotor bobinado. Nestes últimos geradores, a resistência do rotor é variável
para maximizar o rendimento das máquinas. Tanto uns como outros são genericamente
classificados como MIRG. Contudo, como as tecnologias não são iguais, optou-se por os classificar
como MIRG tipo I e II, respectivamente.
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Actualmente, a maioria das empresas concessionárias das redes de transporte têm produzido
códigos de ligação de GEOL à rede, onde se estipula que estes não sejam desligados durante a
ocorrência de cavas de tensão e que, durante a ocorrência destas, injectem potência reactiva na
rede. Os geradores eólicos do tipo MIRG não obedecem a estes requisitos, pelo que são
desligados aquando da ocorrência de cavas de tensão. O mesmo sucede com os PFV, ou seja,
estes são desligados aquando da ocorrência de cavas de tensão.
Admite-se que todos os geradores eólicos do tipo MIDA e MSVV estão equipados com sistemas
que lhes permitem resistir às cavas de tensão, obedecendo assim às especificações produzidas
nos códigos de rede estabelecidos pelas entidades concessionárias das redes de
transporte/distribuição, no caso vertente, a EEM.
2.1. MODELOS DOS GERADORES SÍNCRONOS
A grande maioria das centrais hidroeléctricas e térmicas que compõem o sistema electroprodutor
da RAM estão equipadas com máquinas síncronas de polos salientes.
Para os estudos em regime estacionário, os geradores síncronos das centrais são modelados
como nós do tipo “potência activa constante – módulo da tensão constante” (nós tipo PV). Para
este tipo de nós, o programa utilizado “PSS/E1” solicita, adicionalmente, os limites de produção
máximo e mínimo de potência reactiva, a potência nominal da máquina em MVA e a reactância
subtransitória da máquina na base da potência nominal desta.
Para as simulações em regime transitório, existe na biblioteca do PSS/E-32 um modelo, “GENSAL”,
que é o adequado para simular este tipo de máquinas. Os dados a fornecer a este modelo têm
como grandezas base a potência nominal e a tensão nominal da máquina, e compreendem as
constantes de tempo transitórias e subtransitórias em vazio (T’d0, T’’d0 e T’’q0), a constante de inércia
(H), o amortecimento (D), as reactâncias síncronas, transitórias, subtransitórias e de dispersão do
estator (Xd, Xq, X’d, X’’d e Xl) e a característica de magnetização da máquina.
Para as centrais térmicas existentes na RAM, a AREAM disponibilizou ao IST/Cie3 os dados
necessários para fornecer aos modelos utilizados. Para os grupos existentes nestas centrais foi
apenas necessário arbitrar os valores das reactâncias de dispersão do estator, Xl, e os parâmetros
da característica de magnetização, tendo sido considerados valores típicos para este tipo de
máquinas.
Para os novos grupos Diesel instalados na central térmica da “Vitória”, (G17CTV, G18CTV,
G19CTV e G20CTV), foram considerados os parâmetros constantes nos documentos
disponibilizados pela AREAM.
1 PSS®E Version 32, Siemens PTI – Software Solutions.
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Para os grupos das centrais hídricas existentes na ilha da Madeira assumiram-se valores típicos
baseados na potência nominal das máquinas e na sua velocidade de rotação destas.
Os parâmetros dos grupos da nova central reversível da “Calheta”, denominada GR2CAV, foram
considerados idênticos aos dos grupos da central dos “Socorridos”.
As Tabelas 1 e 2 (Madeira, centrais térmicas e hídricas, respectivamente), e a Tabela 3 (Porto
Santo, centrais térmicas), listam os dados usados nos estudos em regime estacionário e transitório.
Tabela 1: Dados dos geradores síncronors; centrais térmicas; Madeira
Barramentos GRMSR GRCTC G1CTV e G2CTV G3CTV G4CTV a G6CTV G7CTV a G10CTVG11CTV a
G15CTV
G17CTV a
G19CTVG20CTV
Un (kV) 6,6 11 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 11 11
Sn (MVA) 6 37,5 9,8 9,8 10 12,5 12,5 20,7 5,85
Pn (MW) 8,82 30,1 7,84 7,84 8 10 10 17 4,68
Cos(F) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
Pmax (MW) 4,8 30,3 6 5 6,9 9,4 10,1 17 4,68
Pmin(MW) 4,8 5 4 4 4,5 6,3 6,8 8,5 0
H (s) para Sb=Sn 2,52 7,34 2,52 2,52 5,36 6,32 7,34 7,34 5
D (p.u/Hz) 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Rs ( pu) 0,000 0 0 0 0 0 0 0 0
Xd (pu) 2,254 1,431 1,74 1,74 2,001 1,183 1,431 1,874 2,11
Xq (pu) 1,127 0,941 0,741 0,741 1,241 0,752 0,941 0,945 1,06
X'd (pu) 0,311 0,288 0,411 0,411 0,301 0,278 0,288 0,324 0,285
X'q (pu) - - - - - - - - -
X''d (pu) 0,172 0,212 0,271 0,271 0,201 0,188 0,212 0,198 0,195
Xl (pu) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,172 0,15
X''q (pu) 0,172 0,212 0,271 0,271 0,201 0,188 0,212 0,224 0,195
Xi (pu) 0,172 0,212 0,271 0,271 0,201 0,188 0,212 0,267 0,205
Xo (pu) 0,089 0,094 0,1401 0,1401 0,086 0,075 0,094 0,105 0,058
T'd0 (s) 5,03 2,98 4,4 4,4 3,53 4,47 2,98 9,298 4,4
T''d0 (s) 0,08 0,04 0,11 0,11 0,02 0,06 0,04 0,02962 0,03
T''q0 (s) 0,19 0,12 0,19 0,19 0,09 0,17 0,12 0,1296 0,1
Geradores Síncronos das Centrais Térmicas e da Central de Residuos Sólidos - Madeira
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Tabela 2: Dados dos geradores síncronos; centrais hídricas; Madeira
Tabela 3: Dados dos geradores síncronos; centrais térmicas; Porto Santo
Barramentos GRSCR G1RDJ e G2RDJ GRCAV_1 GRCAV_2GR2CAV_1 e
GR2CAV_2GRCTI G1SDA e G2SDA
GR1FDN e
GR2FDNGRFDP GRSTQ
Un (kV) 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 0,4 6,6
Sn (MVA) 30 2 3 2,7 20 8,8 2 1,5 2,1 2,1
Pmax (MW) 24 1,5 2,4 2,1 15 7,3 2 1,5 1,7 1,7
Pmin (MW) 2 0,75 1,2 0,3 2 1,825 0,6 0,6 1,7 1,7
H (s) para Sb=Sn 8,500 4,000 4,240 4,240 8,500 2,06 3,06 4 4 4
D (p.u/Hz) 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Rs (pu) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Xd (pu) 1,52 1,15 1,15 1,15 1,52 1,52 1,15 1,15 2,11 1,15
Xq (pu) 1 0,75 0,75 0,75 1 1 0,75 0,75 1,1 0,75
X'd (pu) 0,2 0,37 0,37 0,37 0,2 0,2 0,37 0,37 0,26 0,37
X'q (pu) - - - - - - - - - -
Xl (ou) 0,1 0,15 0,15 0,15 0,10 0,10 0,15 0,15 0,15 0,15
X''d (pu) 0,13 0,24 0,24 0,24 0,13 0,13 0,24 0,24 0,2 0,24
X''q(pu) 0,13 0,24 0,24 0,24 0,13 0,13 0,24 0,24 0,2 0,24
T'd0 (s) 3,8 1,55 1,55 1,55 3,8 3,8 1,55 1,55 2,47 1,55
T''d0 (s) 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,018 0,015
T''q0 (s) 0,077 0,031 0,031 0,031 0,077 0,077 0,031 0,031 0,055 0,031
Geradores Síncronos das Centrais Hidroeléctricas - Madeira
Barramentos G1CNP e G2CNP G3CNP a G6CNP
Un (kV) 6,6 6,6
Sn (MVA) 3,5 5,16
Pn (MW) 1,5 3,4
Cos(F) 0,8 0,8
Pmax (MW) 1,5 3,4
Pmin(MW) 0,8 1,7
H (s) para Sb=Sn 7,34 7,34
D (pu/Hz) 0,01 0,01
Rs ( pu) 0 0
Xd (pu) 1,431 1,431
Xq (pu) 0,941 0,941
X'd (pu) 0,288 0,288
X'q (pu) - -
X''d (pu) 0,212 0,212
Xl (pu) 0,15 0,15
X''q (pu) 0,212 0,212
Xi (pu) 0,212 0,212
Xo (pu) 0,094 0,094
T'd0 (s) 2,98 2,98
T''d0 (s) 0,04 0,04
T''q0 (s) 0,12 0,12
Geradores Síncronos das Centrais Térmicas - Porto
Santo
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2.2. MODELOS DOS GERADORES DE INDUÇÃO DE ROTOR EM GAIOLA (MIRG)
Os GEOL inicialmente instalados na RAM encontram-se equipados com geradores de indução com
o rotor quer bobinado quer em gaiola. Acresce que, na ilha da Madeira, as centrais hídricas do
“Lombo do Brasil” e da “Terça” encontram-se também equipadas com geradores de indução de
rotor em gaiola.
Para estudos em regime estacionário, os modelos deste tipo de máquinas são similares aos
modelos utilizados para as máquinas síncronas, os quais se encontram descritos na secção 2.1. A
única diferença prende-se com os limites de potência reactiva: como as máquinas de indução são
consumidoras líquidas de potência reactiva, os limites máximo e mínimo desta potência são iguais
e iguais ao valor de potência reactiva consumida nas condições de carga em que a máquina de
indução se encontra.
Para os estudos em regime transitório são utilizados, para estas máquinas, os modelos “CIMTR3”,
“Generic WT1” e “Generic WT2”, que se encontra na biblioteca do PSS/E-32. O modelo “CIMTR3” é
utilizado para modelar os geradores de indução que equipam as centrais hídricas do “Lombo do
Brasil” e da “Terça”. O modelo “Generic WT1” é utilizado para modelar os GEOL da ENERGÓLICA
(PE2, PE3 e PE4) e Porto Santo EEM, sendo o modelo “Generic WT2” utilizado para modelar os
GEOL da ENEREEM (PE1) e Porto Santo ENEREEM.
Os modelos “Generic WT1” e “Generic WT2”, para além do modelo do gerador de indução (de rotor
em gaiola, no caso do modelo “Generic WT1” e de rotor bobinado, com resistência rotórica variável,
no caso do modelo “Generic WT2”), englobam o modelo do veio, o modelo da turbina eólica e, no
caso do modelo “Generic WT2”, o modelo do controlador da resistência rotórica. O modelo do
gerador do modelo “Generic WT1” é idêntico ao modelo “CIMTR3”.
Nas Figuras 1, 2 e 3, apresentam-se os diagramas de blocos do modelo do veio, do modelo da
turbina e do controlador da resistência rotórica, respectivamente.
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Figura 1: Diagrama de blocos do modelo do veio; modelos “Generic WT1” e “Generic WT2”2
Figura 2: Diagrama de blocos do modelo da turbina; modelos “Generic WT1” e “Generic WT2”
2 Os diagramas de blocos apresentados neste documento foram retirados do Manual de Instruções “PSS®E 32.0.5 – Online Documentation”, PSS®E Version 32.0.5, Siemens PTI – Software Solutions, October 2010.
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Figura 3: Diagrama de blocos do controlador da resistência rotórica; modelo “Generic WT2”
Os dados a fornecer ao modelo “CIMTR3” têm como grandezas base a potência nominal e a
tensão nominal da máquina e compreendem as constantes de tempo associadas à máquina ser de
gaiola simples ou dupla (T’ e T’’), a constante de inércia (H), o amortecimento (D), as reactâncias
síncronas, X, transitórias, X’, subtransitórias (só no caso da máquina ser de dupla gaiola), X’’, de
dispersão do estator, Xl, e a característica de magnetização da máquina.
A Tabela 4 descrimina os valores dos dados fornecidos aos modelos dos geradores utilizados para
modelação das centrais / parques eólicos equipados com geradores de indução de rotor em gaiola
nas ilhas da Madeira e do Porto Santo. A maioria dos dados introduzidos nos modelos foi fornecida
pela AREAM, com a excepção dos dados correspondentes à característica de magnetização das
máquinas, tendo, neste caso, sido utilizados valores típicos.
Na Tabela 5 apresentam-se os dados respeitantes ao modelo das máquinas de indução com rotor
bobinado e resistência rotórica variável.
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15
Tabela 4: Dados dos geradores de indução de rótor eem gaiola
GR1PE2GR2PE2 a
GR6PE2PE3 e PE4
GRWP1
(PS-EEM)GRLBR GRTER
Un (kV) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Sn (kVA) 147,7 170,5 170,5 250 190 900
Pmax (kW) 130 150 150 225 180 720
Pmin (kW) 0 0 0 0 150 720
T' (pu) 0,79 0,79 0,79 0,52 0,43 0,46
T'' (pu) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
H (s) - - - - 0,16 4,00
X (pu) 1,66 1,92 1,92 2,49 2,29 4,72
X' (pu) 0,18 0,21 0,21 0,28 0,12 0,25
X'' (pu) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Xl (pu) 0,06 0,07 0,07 0,11 0,06 0,11
Xl (pu) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Xl (pu) 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07
Xl (pu) 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20
Xl (pu) 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28
Xl (pu) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Dados Geradores de Indução Rotor em Gaiola dos Parques Eólicos da RAM e
Centrais Hídricas da Madeira
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Tabela 5: Dados dos geradores de indução de rotor bobinado
Na Tabela 6 apresentam-se os dados respeitantes aos modelos do controlador da resistência
rotórica para os GEOL equipados com geradores de indução de rotor bobinado, os dados
respeitantes aos modelos do veio e os dados respeitantes aos modelos das turbinas eólicas para
os GEOL equipados com máquinas de indução de rotor em gaiola e máquinas de indução de rotor
bobinado.
PE1GRWP2
(PS-ENEREEM)
Un (kV) 0,69 0,69
Sn (kVA) 750 750
Pmax (kW) 660 660
Pmin (kW) 0 0
XA [pu] 0,1070 0,1070
XM [pu] 4,4270 4,4270
X1 0,1400 0,1400
R_ROT_MACH 0,0063 0,0063
R_ROT_MAX 0,1021 0,1021
E1 1,0000 1,0000
S(E1) 0,0000 0,0000
E2 1,2000 1,2000
S(E2) 0,0000 0,0000
Pref_1 0,0000 0,0000
Pref_2 0,0217 0,0217
Pref_3 0,8988 0,8988
Pref_4 0,9000 0,9000
Pref_5 0,9050 0,9050
Slip_1 0,0000 0,0000
Slip_2 0,0054 0,0054
Slip_3 0,0200 0,0200
Slip_4 0,0400 0,0400
Slip_5 0,1000 0,1000
Dados Geradores de Indução de Rotor Bobinado
da RAM
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Tabela 6: Dados do controlador da resistência do rotor, veio e turbina dos GEOL tipo MIRG.
2.3. MODELOS DOS GERADORES DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADOS (MIDA) E DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS DE VELOCIDADE VARIÁVEL (MSVV)
Os GEOL recentemente instalados na ilha da Madeira são, na sua grande maioria, do tipo MIDA,
da Vestas. Os novos PE da Perform encontram-se equipados com GEOL do tipo MSVV, da Eozen.
O IST/Cie3 está a proceder à aquisição dos modelos dos GEOL da Vestas, modelos que foram
desenvolvidos para o programa PSS/E da Siemens, o programa utilizado neste estudo.
Por forma a prosseguir com os estudos, o IST/Cie3 decidiu, para este primeiro relatório, utilizar os
modelos dos GEOL de tipo MIDA e MSVV disponibilizados no PSS/E pelo fabricante General
Electric. A Eozen não tem modelos dos GEOL para o PSS/E, pelo que, para o caso dos GEOL do
tipo MSVV, torna-se necessário recorrer a modelos de GEOL deste tipo disponíveis no PSS/E.
Dado que a Generel Electric disponibiliza para o PSS/E modelos para os GEOL do tipo MIDA e
MSVV e que o IST/Cie3 já tem experiência em trabalhar com estes modelos, optou-se por recorrer
aos modelos deste fabricante nesta fase. Se os modelos da Vestas forem disponibilizados em
tempo útil, o IST/Cie3 substituirá os modelos dos GEOL de tipo MIDA da Generel Electric pelos
modelos da Vestas.
TipoWT2E1:
Resistência rotor
PE1 e
GRWP2 (PS-ENEREEM)
Tsp 0,05
Tpe 0,05
Ti 1,00
Kp 1,00
ROTRV_Max 0,99
Rotrv_Min 0,05
Tipo
PE1 e
GRWP2 (PS-ENEREEM)PE2, PE3 e PE4
GRWP1
(PS-EEM)
H 4,940 3,430 2,000
D 0,000 0,000 0,000
Htfrac 0,810 0,918 0,918
Freq1 1,500 5,000 5,000
Dshaft 0,300 1,000 1,000
WT12T1: Veio
Tipo
PE1 e
GRWP2 (PS-ENEREEM)
PE2, PE3, PE4 e
GRWP1 (PS-EEM)
Droop 0,015 0,015
KP 20,000 0,100
TI 1,000 0,050
TI 0,100 0,100
T2 0,100 0,100
TPE 0,100 0,100
LIMMAX 1,000 0,910
LIMMIN 0,250 0,250
WT12A1: Turbina
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A potência dos GEOL do tipo MIDA da Generel Electric é de 1,5 MW, sendo a potência dos GEOL
do tipo MSVV da Generel Electric de 2,5 MW. Os GEOL do tipo MIDA da Vestas instalados na ilha
da Madeira possuem potências de 850 kW e 3 MW (no Loiral 2). Os GEOL do tipo MSVV possuem
potência igual a 1,5 MW. Em virtude das diferenças da potência unitária das turbinas existentes, o
IST/Cie3 decidiu dimensionar os parques com base nas potências unitárias das turbinas da Generel
Electric, garantindo, no entanto, que o total da potência instalada em cada parque seria mantido.
Assim, no caso dos parques eólicos “Quinta do Lorde” (QL), “Pedras” (EPED), “Loiral I” (ELOI1),
Perform “Fonte do Juncal” e Perform “Norte” (PEN), o número de turbinas considerado é superior
ao existente na realidade (a potência unitária das turbinas instaladas é inferior à potência unitária
das turbinas da General Eletcric). No caso do PE “Loiral II” (ELOI2), o número de turbinas
consideradas é superior às instaladas neste parque. A Tabela 7 ilustra esta situação.
Tabela 7: Simulação dos GEOL Vestas/Eozen por GEOL General Electric.
De acordo com a documentação recebida da AREAM, a potência eólica total injectada será igual a
35,1 MW, valor que corresponde a 80% da potência eólica instalada. Como os parques simulados
com GEOL da General Electric têm um valor de potência instalada superior, a potência injectada
por estes parques é cerca de 75% da potência instalada.
Os modelos de GEOL utilizados integram três submodelos específicos tanto para os GEOL do tipo
MIDA como para os do tipo MSVV. Os submodelos específicos simulam a turbina e o controlador
da turbina, o gerador e os conversores, e os sistemas de controlo de geradores e conversores.
Para além destes submodelos, são ainda utilizados modelos para a velocidade do vento que serve
de input para o GEOL, e um modelo para o sistema de duas massas do rotor associado à caixa de
velocidades da turbina.
A Figura 4 descreve a ligação entre os vários modelos.
DescriçãoBarramento de
ligaçãoLocalização
Grupos
Vestas/EozenP_Inst Real (MW) Grupos GE P_Inst GE (MW)
Quinta do Lord PED3 Paúl da Serra 3x850 2,6 2x1500 3,0
ENEREEM Pedras PED3 Paúl da Serra 12x850 10,2 7x1500 10,5
ENEREEM Loiral I LOI3 Paúl da Serra 6x850 5,1 4x1500 6,0
ENEREEM Loiral II LOI3 Paúl da Serra 2x3000 6,0 4x1500 6,0
Perform Fonte do Juncal BDC3_1 Paúl da Serra 4x1500 6,0
Perform Norte BDC3_1 Paúl da Serra 4x1500 6,05x2500 12,5
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Figura 4: Diagrama de blocos dos modelos para simulação de GEOL do tipo MIDA/MSVV do PSS/E-32
Na modelação dos parques eólicos optou-se por modelar cada GEOL individualmente. A Figura 5
ilustra a modelação dos parques eólicos Perform “Norte” e Perform “Juncal”.
Para estes estudos optou-se por manter a maioria dos parâmetros que a General Electric
aconselha para os modelos que desenvolveu para os seus GEOL. Contudo, como os GEOL
instalados na ilha da Madeira pertencem a outros fabricantes (Vestas e Eozen), e para estes
estudos importa modelar de uma forma rigorosa o comportamento dos GEOL aquando da
ocorrência de perturbações, alguns dos parâmetros dos GEOL modelados terão parâmetros
diferentes dos sugeridos pela General Electric. Especificamente, pretende-se modelar, de uma
forma tão rigorosa quanto possível, a potência reactiva injectada pelos GEOL durante a ocorrência
de uma cava de tensão.
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20
Figura 5: : Representação dos parques eólicos Perform “Norte” e Perform “Fonte do Juncal”
Para ajudar a compreender o impacte da injecção de potência reactiva durante a ocorrência de
cavas de tensão, simulou-se um curto-circuito na Alta Tensão (AT) da subestação da “Vitória”
(VTO), com início em t = 0,1 s e duração 0,1 s. Observou-se o comportamento de um dos
aerogeradores do parque eólico das “Pedras” (EPED), tipo MIDA, e consideraram-se três
situações:
A – Parâmetros do fabricante.
B – Parâmetros alterados por forma a que a injecção de potência reactiva pelo GEOL seja
inferior à proposta pelo fabricante.
C – Parâmetros alterados por forma a que a injecção de potência reactiva pelo GEOL seja
inferior à injectada em B.
Nas Figuras 6, 7 e 8, ilustra-se a variação da tensão aos terminais de um GEOL do parque eólico
das “Pedras” (Figura 6), a variação da potência activa injectada por este GEOL durante este
período (Figura 7), e a variação da potência reactiva injectada por este mesmo GEOL no referido
período (Figura 8).
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Figura 6: Tensão aos terminais de um GEOL do PE das “Pedras” (EPED), tipo MIDA, quando da ocorrência de uma cava de tensão; defeito na AT da subestação da “Vitória”
Como é visível na Figura 6, quanto maior é a potência reactiva injectada aquando da ocorrência da
cava de tensão, menor a profundidade desta cava.
Figura 7: Potência activa injectada por um GEOL do PE das “Pedras” (EPED), tipo MIDA, quando da ocorrência de uma cava de tensão; defeito na AT da subestação da “Vitória”
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22
Conforme ilustrado na Figura 7, a potência activa injectada pelo GEOL do tipo MIDA durante a
ocorrência da cava de tensão é nula, não dependendo da quantidade de potência reactiva
injectada pelo GEOL.
Figura 8: Potência reactiva injectada por um GEOL do PE das “Pedras” (EPED), tipo MIDA, quando da ocorrência de uma cava de tensão; defeito na AT da subestação da “Vitória”
A Figura 8 ilustra a potência reactiva injectada durante a ocorrência das cavas de tensão.
Conforme acima referido, o caso A ilustra a potência reactiva injectada durante a ocorrência da
cava de tensão quando se utilizam os parâmetros aconselhados pelo fabricante destes GEOL
(General Electric). Os outros dois casos ilustrados na Figura 8 reportam situações em que se
alteraram os parâmetros aconselhados pelo fabricante por forma a diminuir o montante de potência
reactiva injectada durante a cava de tensão.
As Figuras 9, 10 e 11 ilustram situações idênticas às representadas nas Figuras 6,7 e 8 para um
GEOL do tipo MSVV. Desta feita, observa-se o comportamento de um GEOL do PE Perform
“Norte” e Perform “Juncal” (PEN), para o mesmo defeito simulado anteriormente.
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Figura 9: Tensão aos terminais de um GEOL do PE Perform “Norte” e Perform “Juncal” (PEN), tipo MSVV, quando da ocorrência de uma cava de tensão; defeito na AT da subestação da “Vitória”
Conforme é visível na Figura 9, a tensão aos terminais do GEOL no caso C apresenta um valor
inferior a 0,2 pu. Nestas condições, e tendo em conta as especificações impostas pela EEM aos
GEOL instalados na ilha da Madeira, as proteções deverão disparar, sendo os GEOL retirados de
serviço. Só para tensões aos terminais dos GEOL superiores a 0,2 pu é que a EEM impõe que os
GEOL não sejam desligados. Esta situação encontra-se ilustrada na Figura 10, no caso C, em que
se observa a desligação do GEOL.
Como é visível na Figura 10, o GEOL, no caso C, é retirado de serviço para t = 0,25 s,na sequência
da tensão aos seus terminais ter descido abaixo de 0,2 pu. Note-se que nos GEOL de tipo MSVV,
a potência activa injectada durante a ocorrência da cava de tensão não se anula, como sucede no
caso dos GEOL do tipo MIDA (ver Figura 8).
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Figura 10: : Potência activa injectada por um GEOL do PE Perform “Norte” e Perform “Juncal” (PEN), tipo MSVV, quando da ocorrência de uma cava de tensão; defeito na AT da subestação da “Vitória”
Figura 11: Potência reactiva injectada por um GEOL do PE Perform “Norte” e Perform “Juncal” (PEN), tipo MSVV, quando da ocorrência de uma cava de tensão; defeito na AT da subestação da “Vitória”
Conforme é visível na Figura 11, no caso C, alteraram-se os parâmetros do fabricante por forma a
garantir que, durante a ocorrência da cava de tensão, a potência reactiva injectada pelo GEOL
fosse nula. Da análise da Figura 9 e da Figura 11 pode concluir-se que a injeção de potência
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reactiva durante a ocorrência da cava de tensão assegura que a tensão aos terminais do GEOL se
mantém acima do valor que ocasiona o disparo do GEOL (V < 0,2 pu).
Por forma a modelar corretamente o comportamento dos GEOL da Vestas e da Eozen carece-se,
neste fase, de indicações quantitativas das potências activa e reactiva injectadas pelos GEOL
durante a ocorrência de cavas de tensão.
2.4. MODELOS DOS REGULADORES DE TENSÃO
Os dados fornecidos pela AREAM relativos aos reguladores de tensão associados aos grupos
síncronos existentes nas centrais da ilha da Madeira indiciam que estes equipamentos são
modelados recorrendo ao modelo “IEEET1” existente na biblioteca do PSS/E-32.
A Figura 12 ilustra o diagrama de blocos do modelo “IEEET1”.
Figura 12: Diagrama de blocos do regulador tensão “IEEET1”
Utilizando o PSS/E-32, realizou-se um teste específico ao modelo do regulador de tensão utilizando
os parâmetros fornecidos pela AREAM. Para cada regulador de tensão, foi aplicado um escalão na
tensão de referência, VREF, e analisada a resposta do regulador a este escalão de tensão. Os
resultados deste estudo conduziram à necessidade de ajustar alguns parâmetros fornecidos pela
AREAM, nomeadamente no que respeita os grupos G17CTV a G19CTV. Na maioria dos casos, o
ajuste do ganho da retroação diferencial, KF, revelou-se adequado à correção da resposta do
regulador face a um escalão na tensão de referência. Nalguns casos houve necessidade de ajustar
o parâmetro da excitatriz, TE.
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Para os reguladores de tensão dos geradores da nova central reversível da “Calheta”, GR2CAV,
foram considerados parâmetros idênticos aos dos reguladores de tensão dos grupos da central
hidroeléctrica dos “Socorridos”.
As tabelas 8 e 9 listam os dados fornecidos ao modelo “IEEET1” para cada uma das centrais
existentes nas ilhas da Madeira.
A Tabela 10 refere-se ao Porto Santo, que apenas possui uma central térmica.
Tabela 8: Dados dos reguladores de tensão; centrais térmicas; Madeira
Tabela 9: Dados dos reguladores de tensão; centrais hídricas; Madeira.
Barramentos GRMSR GRCTC G1CTV e G2CTV G3CTV G4CTV a G6CTV G7CTV a G10CTVG11CTV a
G15CTV
G17CTV a
G19CTVG20CTV
Ka 200 200 200 200 200 200 200 200 200
Ke 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Kf 0,067 0,12 0,12 0,12 0,12 0,075 0,072 0,12 0,07
Ta (s) 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 0,276
Te (s) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,12
Tr (s) 0,023 0,023 0,023 0,023 0,023 0,023 0,023 0,023 0,033
Tf (s) 1 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 1
E1 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47
S(E1) 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
E2 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5
S(E2) 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Vmax (p.u.) 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 5
Vmin (p.u.) -2,5 -2,5 -2,5 -2,5 -2,5 -2,5 -2,5 -2,5 -5,1
Sistema de Excitação e Regulador Automático de Tensão (AVR) - Centrais Térmicas - IEEET1
Barramentos GRSCR G1RDJ e G2RDJGRCAV_1 e
GRCAV_2
GR2CAV_1 e
GR2CAV_2GRCTI G1SDA e G2SDA
GR1FDN e
GR2FDNGRFDP GRSTQ
Ka 187 400 400 187 187 400 400 400 400
Ke 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Kf 0,16 0,07 0,09 0,16 0,12 0,09 0,07 0,06 0,07
Ta (s) 0,4 0,02 0,05 0,4 0,89 0,02 0,035 0,02 0,02
Te (s) 1 0,8 1 1 1,0 1,0 0,9 0,8 0,8
Tr (s) 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02
Tf (s) 0,9 1 0,9 0,9 0,62 0,9 1 1 1
E1 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47 2,47
S(E1) 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
E2 3,5 4,5 4,5 4,5 3,5 4,5 4,5 4,5 4,5
S(E2) 0,6 0,47 0,47 0,47 0,6 0,47 0,47 0,47 0,47
Vmax (p.u.) 3 7,3 6,6 3 3 7,3 7,3 7,3 7,3
Vmin (p.u.) -3 -7,3 -6,6 -3 -3 -7,3 -7,3 -7,3 -7,3
Sistema de Excitação e Regulador Automático de Tensão (AVR) - Centrais Hídricas - IEEET1
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Tabela 10: Dados dos reguladores de tensão; centrais térmicas; Porto Santo
2.5. MODELOS DOS REGULADORES CARGA-VELOCIDADE
Para as centrais térmicas equipadas com motores de combustão interna foi utilizado o modelo dos
reguladores carga-velocidade da biblioteca do PSS/E-32, denominado por “DEGOV1”, tal como
especificado pela AREAM.
O modelo “DEGOV1” simula as máquinas térmicas por um atraso puro, sendo o tempo de atraso,
TD, obtido a partir do conhecimento da velocidade de rotação e do número de cilindros que entram
em combustão por rotação. Sabendo que a velocidade dos motores, em rpm, é igual a 500, e
admitindo que o número de cilindros que entram em combustão por rotação do motor é de 8, o
valor de TD é igual a 0,045 s.
O regulador de carga-velocidade deste modelo simula os reguladores carga-velocidade do
fabricante Woodward, que forneceu os reguladores que equipam os motores térmicos existentes
nas ilhas da Madeira e do Porto Santo
A Figura 13 ilustra o diagrama de blocos do modelo “DEGOV1”.
Barramentos G1CNP e G2CNP G3CNP a G6CNP
Ka 200 200
Ke 1 1
Kf 0,044 0,12
Ta (s) 0,84 0,84
Te (s) 0,3 0,3
Tr (s) 0,023 0,023
Tf (s) 1 0,9
E1 2,47 2,47
S(E1) 0,035 0,035
E2 3,5 3,5
S(E2) 0,6 0,6
Vmax (p.u.) 3,5 3,5
Vmin (p.u.) -2,5 -2,5
Sistema de Excitação e Regulador
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28
Figura 13: Diagrama de blocos do regulador de carga-velocidade “DEGOV1”
O modelo “DEGOV1” admite, como sinal de retroação, a potência eléctrica do grupo ou a posição
da válvula de admissão de combustível ao motor de combustão interna. De acordo com as
informações prestadas pela EEM, o sinal de retroação dos grupos existentes equipados com este
tipo de motores é a posição da válvula de admissão de combustível. Nos grupos Diesel G17CTV a
G19CTV da central da “Vitória”, considerou-se que o sinal de retroação é a potência eléctrica
fornecida pelo gerador síncrono.
Os valores dos estatismos (DROOP na Figura 13) dos diferentes grupos actualmente em operação
foram fornecidos pela AREAM e pela EEM. Para os grupos G17CTV a G19 CTV assumiu-se um
valor de estatismo de 5%.
Os parâmetros do controlador (Electric Control Box) e da válvula (Actuato), naFigura 13), foram
estimados a partir de dados típicos dos reguladores carga-velocidade do fabricante Woodward.
As Tabelas 11 e 12 apresentam os valores fornecidos aos reguladores carga-velocidade dos
grupos equipados com motores de combustão interna na ilha da Madeira e do Porto Santo,
respectivamente.
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29
Tabela 11: Dados dos reguladores carga-velocidade; motores de combustão interna; Madeira
Tabela 12: Dados dos reguladores carga-velocidade; motores de combustão interna; Porto Santo
Na ilha da Madeira, a central de “Meia Serra”, de resíduos sólidos urbanos, e o grupo G20CTV da
central da “Vitória”, encontram-se equipados com uma turbina a vapor, não sendo assim aplicável o
modelo “DEGOV1” a estas centrais. O modelo “DEGOV1” também não é aplicável às centrais
hídricas.
Barramentos GRCTC G1CTV e G2CTV G3CTV G4CTV a G6CTV G7CTV a G10CTVG11CTV a
G15CTV
G17CTV a
G19CTV
T1 (s) 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20
T2 (s) 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30
T3 (s) 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50
T4 (s) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
T5 (s) 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10
T6 (s) 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20
K 9,00 8,00 8,00 8,00 10,00 10,00 9,00
TD (s) 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
Tmax 0,81 0,80 0,80 0,80 0,80 0.81 0,80
Tmin 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Droop 0,07 0,075 0,075 0,075 0,07 0,07 0,05
Te (s) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,50
Reguladores Carga-Velocidade - Motores combustão interna - DEGOV1
Barramentos G1CNP e G2CNP G3CNP a G6CNP
T1 (s) 0,2 0,2
T2 (s) 0,3 0,3
T3 (s) 0,5 0,5
T4 (s) 1,00 1,00
T5 (s) 0,1 0,1
T6 (s) 0,2 0,2
K 10 10
TD (s) 0,045 0,045
Tmax 1 1
Tmin 0 0
Droop 0,07 0,07
Te (s) 0 0
Reguladores Carga-Velocidade de Porto
Santo - DEGOV1
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No caso da “Meia Serra” optou-se por modelar esta central assumindo que a potência mecânica é
constante. Esta opção é tomada em virtude desta central não contribuir para a regulação primária
de frequência na ilha da Madeira.
Na biblioteca do PSS/E-32 encontra-se disponível o modelo “IEESGO”, modelo genérico de um
controlador carga-velocidade, que é aplicável para centrais hídricas e centrais térmicas. Optou-se,
assim, por utilizar este modelo para o grupo G20CTV da central da “Vitória”.
O diagrama de blocos do modelo do regulador carga-velocidade, “IEESGO”, encontra-se
representado na Figura 14.
Figura 14: Diagrama de blocos do regulador de carga-velocidade “IEESGO”
A maioria dos dados fornecidos ao modelo “IEESGO” são dados típicos. O valor do estatismo deste
regulador foi indicado pela EEM e é contabilizado no ganho K1 deste regulador.
A Tabela 13 lista os dados fornecidos ao modelo IEESGO, e o dado Pmax para o grupo G20CTV
não se encontra indicado, já que o seu valor depende da condição de carga dos grupos Diesel
G17CTV, G18CTV e G19CTV. A Figura 15 ilustra a potência do G20CTV em função da carga dos
grupos Diesel que com este se encontram associados.
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Tabela 13: Dados dos reguladores carga-velocidade; G20CTV; Madeira
Figura 15: Relação entre a potência do grupo G20CTV e a potência dos grupos Diesel G17CTV a G18CTV e G19CTV
No que concerne os grupos hídricos, considerou-se que a grande maioria destes não contribuem
para a regulação primária de frequência, admitindo-se que a potência mecânica destes grupos é
constante. Exceptuam-se as centrais dos “Socorridos” (GRSCR) e a nova central reversível da
“Calheta” (GR2CAV).
Tipo IEESGO
Barramentos G20CTV
T1 (s) 0,15
T2 (s) 0,00
T3 (s) 0,40
T4 (s) 0,00
T5 (s) 0,00
T6 (s) 0,00
K1 14,30
K2 0,00
K3 1,00
Pmax (pu) -
Pmin (pu) 0,00
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32
A biblioteca do programa PSS/E-32 inclui o regulador carga-velocidade “HYGOV”, que é o modelo
adequado para modelar o sistema hidráulico, e regulador carga-velocidade de grupos
hidroelétricos.
Na Figura 16 apresenta-se o diagrama de blocos do regulador carga-velocidade “HYGOV”.
Figura 16: Diagrama de blocos do regulador de carga-velocidade “HYGOV”
Na Tabela 14 especificam-se os parâmetros típicos do modelo “HYGOV”.
Tabela 14: Dados do regulador carga-velocidade (“HYGOV”) dos “Socorridos”
Tipo HYGOV 2 4 6 Caudal (m3/s)
Barramentos GRSCR 1 2 3 Nº de Grupos
R (pu) 0,050
r (pu) 0,0007 0,0015 0,0022
Tr (s) 1,334 2,669 4,003
Tf (s) 0,050
Tg (s) 0,500
± VELM (pu/s) 0,167
Gmax (pu) 1,000
Gmin (pu) 0,000
Tw (s) 0,336 0,667 1,000
At 1,200
Dturb 1,500
qNL (pu) 0,080
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Os parâmetros r, Tr e TW, dependem do número de grupos em funcionamento nesta central. r e Tr
dependem de TW, dependendo este parâmetro (denominado constante de tempo da coluna de
água) do caudal, Q, da altura de queda útil, Hu, do diâmetro da conduta forçada e do comprimento
da referida conduta. Na mesma Tabela 14 detalham-se os valores dos parâmetros r, Tr e TW do
regulador “HYGOV” em função do número de grupos em funcionamento.
O regulador carga-velocidade, circuito hidráulico e turbina de cada grupo da nova central reversível
da “Calheta” serão modelados, à semelhança da central dos “Socorridos”, recorrendo ao modelo
“HYGOV”. Por forma a fornecer dados a este modelo é necessário conhecer o comprimento e
diâmetro da conduta forçada, a altura útil, o caudal e o tipo de turbina (Pelton, Francis ou Kaplan)
que equipa cada um dos grupos. No caso de não estarem disponíveis estes dados, utilizar-se-ão
na próxima fase, dados idênticos aos da central hídrica de “Socorridos”.
2.6. MODELO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
O programa PSS/E-32 possui na sua biblioteca um modelo que permite simular o funcionamento
dos painéis fotovoltaicos, tanto em regime estacionário como em regime dinâmico. A Figura 17
apresenta os módulos que integram o modelo que simula o funcionamento dos painéis
fotovoltaicos.
Figura 17: Módulos que integram o modelo que simula o funcionamento dos painéis fotovoltaicos
O módulo “WT4” da Figura 17 modela o inversor que interliga o painel fotovoltaico com a rede e o
sistema de controlo deste mesmo conversor. Na mesma Figura, o módulo “Panel” modela o painel
fotovoltaico, sendo o módulo “IRRAD” utilizado para especificar um perfil de irradiância.
No módulo “Panel”, o utilizador deve introduzir os dados da característica irradiância-potência,
característica que é, na generalidade dos casos, fornecida pelos fabricantes de painéis
fotovoltaicos. Por forma a modelar os painéis fotovoltaicos, torna-se assim necessário conhecer
estas características. Caso não seja possível a obtenção destes dados, utilizar-se-ão
características típicas dos fabricantes dos painéis fotovoltaicos que se encontram instalados na
RAM.
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2.7. SISTEMAS DE PROTEÇÃO DOS GERADORES EÓLICOS E PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Os GEOL e os Painéis Fotovoltaico (PV) possuem diversos sistemas de proteção internos. No
contexto deste estudo, são particularmente importantes as proteções de máximo e mínimo de
tensão, já que são estas que determinam, em primeira instância, se os GEOL e os PV permanecem
ou não ligados à rede. O primeiro caso apelida-se de GEOL e de PV resistentes a cavas de tensão,
e no segundo caso, de GEOL e de PV não resistentes a cavas de tensão.
Importa realçar que as proteções dos GEOL e dos PV são internas ao equipamento, sendo
diferentes das proteções que normalmente equipam a interligação dos PE e dos PFV com a rede.
No presente estudo não foram modeladas as proteções de interligação à rede dos PE e dos PFV.
A regulação das proteções de mínimo e máximo de tensão dos GEOL e PV deve contemplar, por
um lado, o tipo de GEOL – MIRG, MIDA ou MSVV, e, por outro, se o GEOL e PV são ou não
resistentes face à ocorrência de cavas de tensão.
Os modelos “VTGDCA” e “VTGTPA” utilizados para as proteções dos GEOL e PV residem na
biblioteca no PSS/E. O utilizador do modelo deve fornecer o limiar de tensão a partir do qual o relé
atua (Vmin), a temporização do relé (tprot) e o tempo de atuação do disjuntor (tdisj). Os modelos
permitem simular diferentes relés, com limiares de tensão e temporização diferentes.
GEOL e PV não resistentes a cavas de tensão
No caso de os GEOL e os PV não serem resistentes a cavas de tensão, a parametrização dos
modelos foi efectuada com base nas regulações indicadas pela EEM.
Actualmente, na RAM, os parques eólico antigos, PE1, PE2, PE3 e PE4 (Madeira) e GRWP1 e
GRWP2 (Porto Santo), não são resistentes a cavas de tensão. Acresce que os PFV também não
são resistentes a cavas de tensão. Na Tabela 15 ilustram-se as regulações consideradas para as
proteções dos PE antigos e dos PFV.
Tabela 15: Regulação das proteções de mínimo de tensão; GEOL e PV não resistentes a cavas de tensão
MIRG MIRG PV
PE2, PE3, PE4 e
GRWP1PE1 e GRWP2
PVCAN, PVPAU,
PVLOI, FP1 e FP2
Vmin (pu) 0,85 0,75 0,85
tprot (s) 0,08 0,08 0,01
tdisj (pu) 0,08 0,08 0,08
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35
Conforme ressalta da Tabela 15, o limiar de tensão das proteções de mínimo de tensão para os PE
PE1 e GRWP2 é inferior ao estabelecido para os PE PE2, PE3, PE4 e GRWP1, de acordo com as
parametrizações da EEM.
Para os PFV sitos no “Caniçal” (PVCAN), “Paúl da Serra” (PVPAUL), “Loiral” (PVLOI), e para os
PFV do Porto Santo (FP1 e FP2), o limiar de atuação das proteções de mínimo de tensão, Vmin, é o
valor “por defeito” constante nos ficheiros de dados que o PSS/E estabelece para as proteções de
mínimo de tensão dos PFV. Estes valores serão modificáveis com informação sobre os valores que
os fabricantes estabeleceram para estes parques.
GEOL resistentes a cavas de tensão
A parametrização dos modelos das proteções de mínimo de tensão dos GEOL resistentes a cavas
de tensão foi considerada idêntica e independente do tipo de GEOL (MIDA ou MSVV).
Por forma a parametrizar estes modelos, estabelece-se uma curva tensão-tempo que caracteriza o
valor de tensão aos terminais do GEOL e define o tempo durante o qual estes equipamentos
devem suportar esta tensão.
A EEM estabeleceu uma característica tensão-tempo de referência que constitui a característica
mínima que os GEOL devem respeitar. A Figura 18 ilustra esta característica.
Figura 18: Características de referência e simulada para os GEOL resistentes a cavas de tensão
De acordo com esta característica, para uma tensão de 0,2 pu aos terminais do GEOL, a
temporização da proteção de mínimo de tensão deve, no mínimo, ser igual a 500 ms. Para valores
de tensão inferiores a 0,2 pu, o GEOL pode ser retirado de serviço sem temporização do sistema
de proteção. Para um valor de tensão aos terminais do GEOL de 0,8 pu, a temporização da
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36
proteção de mínimo de tensão, deve, no mínimo, ser igual a 1,5 s. Para registos de tensão
compreendidos entre 0,2 pu e 0,8 pu, a temporização da proteção deve obedecer aos tempos
impostos pelo segmento de recta que liga estes dois pontos na “Característica de Referência”
representada na Figura 18.
De idêntico modo, para valores de tensão compreendidos entre 0,8 pu e 0,9 pu (tempo mínimo de
regulação de proteção de mínimo de tensão igual a 10 s), a temporização da proteção de mínimo
de tensão deve estar à direita do segmento de reta que une estes dois valores na “Característica
de Referência”.
Na Figura 18 encontra-se também representada a “Característica Simulada”, que traduz a
parametrização introduzida nos modelos que simulam as proteções de mínimo de tensão no
PSS/E. Esta parametrização encontra-se detalhada na Tabela 16.
Tabela 16: Regulação das proteções de mínimo de tensão; GEOL resistentes a cavas de tensão
De acordo com o constante nesta tabela, um valor de tensão inferior a 0,2 pu aos terminais do
GEOL implica um tempo de atuação da proteção igual a 10 ms. Se o valor da tensão for inferior a
0,25 pu e superior ou igual a 0,2 pu, o tempo de atuação da proteção é igual a 590 ms.
MIDA e MSVV
PEN, QL, ELO1, ELO2 e
EPED
Vmin1 (pu) 0,20
tprot1 (s) 0,01
Vmin2 (pu) 0,25
tprot2 (s) 0,59
Vmin3 (pu) 0,35
tprot3 (s) 0,75
Vmin4 (pu) 0,50
tprot4 (s) 1,00
Vmin5 (pu) 0,65
tprot5 (s) 1,25
Vmin6 (pu) 0,80
tprot6 (s) 1,50
Vmin7 (pu) 0,90
tprot7 (s) 10,00
tdisj (s) 0,08
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2.8. MODELOS DO SISTEMA DE DESLASTRE DE CARGAS
Os dados fornecidos pela EEM permitem constatar que apenas existe deslastre de cargas por
frequência nas subestações das “Virtudes” e do “Funchal” da ilha da Madeira.
Para as simulações em regime transitório, existem na biblioteca do PSS/E-32 modelos adequados
para representar os esquemas de deslastre de carga por diminuição de frequência. Esses modelos
são de dois tipos, “LDSHBL”, modelo de deslastre de cargas por mínimo de frequência, e
“DLSHBL”, modelo de deslastre de cargas por mínimo de frequência e por derivada no tempo da
frequência. Estes modelos necessitam de dados como a frequência de deslastre, o tempo
associado, a variação de frequência associada e a percentagem da carga a deslastrar face ao total
dos consumos associados ao modelo.
Na Tabela 17 apresentam-se os quatro escalões de deslastre de cargas existentes na ilha da
Madeira.
Tabela 17: Escalões de deslastre de cargas; Madeira
Na Tabela 18 mostram-se os consumos deslastrados nas subestações da “Virtudes” e do
“Funchal”, reportados ao ano de 2003. Conforme se pode verificar, apenas parte dos consumos
abastecidos pelas duas subestações são afectados pelo deslastre de cargas. Para o presente
estudo, os consumos a deslastrar nas subestações referidas foram actualizados de acordo com os
consumos verificados em 2010 (Tabela 19).
Para simular o deslastre de cargas na ilha da Madeira é necessário representar nas redes do
PSS/E, nos barramentos das “Virtudes” e do “Funchal”, cargas separadas por forma a associar
cada fracção de consumo ao modelo correspondente de deslastre de carga.
Escalão Frequência (Hz)Tempo ou variação
de frequência
D < 48,0 0,15
C < 47,5 0,15
B < 47,0 0,15
A < 49,0Delta (f) / Delta (t) >
2,5 Hz/s
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38
Tabela 18: Consumos deslastrados nas subestações de Virtudes e Funchal em função do escalão de deslastre associado
3; Madeira; ano 2003
Tabela 19: : Consumos nas subestações de Virtudes e Funchal; Madeira; ano de 2010
3 Os valores de cargas verificados nas pontas referem-se ao ano de 2003. A relação entre a potência das horas de ponta com a das
horas de cheia e do vazio é estimada.
Subestação Pot. Instalada ConsumosInverno
(MVA)Consumos Verão (MVA)
(MVA) Ponta Vazio Ponta Vazio
Funchal 30 MVA 18,5 6,9 20,1 7,0
Virtudes 30 MVA 16,1 6,5 14,5 7,8
Subestação Saídas Ponta Cheia Vazio
Escalão
Nome P (kVA) P (kVA) P (kVA)
S. Martinho 1749 1084 752
Quinta do Leme (S. António) 1749 1084 752
Engenho do Mel (Pilhar) 1469 911 632 D e A
Hotel Reid's 2265 1404 974
Total por Saída 7232 4484 3110
Virtudes Total por Subestação 7232 4484 3110
S. Tiago (Saída 1) 1003 652 391
Liceu (Saída 13) 1079 701 421
C. Barca (Saída 12) 1299 844 506
Assembleia (Saída 11) 769 500 300
Travessa da Malta (Saída 4) 1021 664 398
B
Aljube (Saída 6) 0 0 0
Total por Saída 5170 3361 2016
Europa (Saída 18) 488 317 190
BES (Saída 17) 2234 1452 871
Girassol (Saída 14) 492 320 192
Pontinha (Saída 24) 656 427 256
C
Lourenço (Saída 16) 1309 851 510
Total por Saída 5178 3366 2020
Funchal Total por Subestação 10349 6727 4036
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39
3. REGIME ESTACIONÁRIO
Neste capítulo, descrevem-se os estudos desenvolvidos para analisar o comportamento em regime
estacionário das redes de transporte e distribuição de energia eléctrica das ilhas da Madeira e do
Porto Santo, no ano de 2020.
A primeira fase destes estudos consistiu em realizar uma previsão de cargas para o ano alvo de
2020, baseada nas cargas registadas no ano de 2010. Esta previsão de cargas foi efectuada para
as redes eléctricas da RAM e para diferentes cenários de carga. Com base nestas previsões de
carga, realizou-se a afectação e despacho da geração para os diferentes cenários de carga
considerados. O capítulo 3.1 descreve a metodologia utilizada para o estabelecimento dos cenários
de carga para o ano de 2020, e a metodologia utilizada para realizar a afectação e despacho dos
grupos nos diferentes cenários de carga considerados.
Numa segunda fase, realizaram-se estudos em regime estacionário das redes eléctricas da RAM
para os diferentes cenários de carga estabelecidos para 2020. Estes estudos foram efectuados
considerando que as redes eléctricas das ilhas da Madeira e do Porto Santo, em 2020, são
idênticas às que existem actualmente e utilizaram os resultados obtidos no capítulo 3.1 para a
afectação e despacho das unidades.
O objetivo principal destes estudos em regime estacionário é o de detectar pontos das redes que,
face aos cenários de carga previstos para 2020, necessitem de reforço de potência instalada. No
capítulo 3.2, relatam-se as hipóteses feitas para a realização dos estudos em regime estacionário
das redes eléctricas das ilhas da Madeira e do Porto Santo e as principais conclusões que se
extraem destes estudos.
3.1. PREVISÃO DE CARGA PARA 2020 E CENÁRIOS DE AFETAÇÃO E DESPACHO DA GERAÇÃO
A previsão de cargas para diferentes cenários de carga em 2020 foi realizada com base nas cargas
registadas em 2010. De acordo com o solicitado pela AREAM, os estudos incidirão sobre os
cenários PV (Ponta de Verão) e VI (Vazio de Inverno), tanto para a ilha da Madeira como para a
ilha de Porto Santo.
Para o estabelecimento dos cenários de carga em 2020 foi estabelecida a seguinte metodologia:
1. Identificação do cenário de carga de 2010 que conduz ao maior valor global de consumo.
Os dados fornecidos pela AREAM permitiram concluir que o maior consumo global em 2010
verificou-se para o cenário de carga Ponta de Inverno (PI) na ilha da Madeira e para o
cenário de carga Ponta de Verão (PV) na ilha do Porto Santo.
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2. Determinação de índices de correlação (IC) entre as cargas nos diferentes barramentos,
nos cenários de carga PV e VI, e as cargas nos diferentes barramentos no cenário de carga
máxima, PI na ilha da Madeira e PV na ilha do Porto Santo. Estes índices de correlação são
determinados para as cargas registadas no ano de 2010.
3. Para o cenário da carga máxima em 2010, fazer a projecção das cargas em cada
barramento assumindo:
a. Para a ilha da Madeira, uma taxa de crescimento de consumo nula até 2014 e de
1,5% entre 2014 e 2020. Taxa de crescimento idêntica para todos os nós da rede.
b. Para a ilha do Porto Santo, um decréscimo de carga de 3% em 2011, crescimento
nulo até 2014 e crescimento de 1,5% até 2020. Taxa de crescimento idêntica para
todos os nós da rede.
4. Utilizar os índices de correlação estabelecidos em 2. para, com base nas projeções
realizadas em 3., determinar os cenários de carga Ponta de Verão (PV) e Vazio de Inverno
(VI) no ano de 2020 para as ilhas da Madeira e do Porto Santo.
5. No que concerne o consumo de potência reactiva, considerou-se que o cos φ das cargas
registado em 2010 se mantinha em 2020, tanto para as cargas da ilha da Madeira como
para as cargas da ilha do Porto Santo.
Na Figura 19 apresentam-se, por barramento de carga, as cargas registadas em 2010 e as cargas
previstas para 2020 nos cenários PV e VI nas redes eléctricas da RAM.
Figura 19: Perfil das cargas; anos de 2010 e 2020; cenário PV; RAM
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Figura 20: Perfil das cargas; anos de 2010 e 2020; cenário VI; RAM
A afectação e despacho das unidades para o ano de 2010 foram efectuados com base nos dados
disponibilizados pela AREAM.
Esta informação prevê uma potência máxima injectada pelos PE nos cenários PV e VI de 35,1 MW
(Madeira) e 1 MW (Porto Santo), e um montante máximo de potência fotovoltaica injectada no
cenário PV de 13,5 MW (Madeira) e 1 MW (Porto Santo). Para a ilha de Porto Santo, um cenário
considerado, pela AREAM, como de interesse para estudos de estabilidade é o cenário “Cheia
Outras Estações” (COE), no qual se considera uma potência máxima fotovoltaica injectada de
2 MW.
No que concerne os grupos hídricos, determinou-se a potência injectada com base nos dados
fornecidos pela AREAM. Admitiu-se, ainda, que a central da “Meia Serra” injecta na rede da ilha da
Madeira uma potência constante e igual a 4,8 MW, tanto no cenário de carga PV, como no cenário
de carga VI.
Para os cenários de carga da ilha da Madeira do ano de 2020, assumiu-se uma afectação e
despacho das unidades hídricas, eólicas e fotovoltaicas idênticas às efectuadas para os cenários
de carga do ano de 2010. Assumiu-se ainda que o montante de potência injectada pela central da
“Meia Serra” no ano de 2020 seria idêntico ao montante injectado por essa mesma central nos
cenários de carga de 2010.
A Figura 21 ilustra a potência total injectada pelas centrais hídricas, ΣPH, parques eólicos, ΣPE,
parques fotovoltaicos, ΣPFV, e pela central da “Meia Serra”, P_MSR, para os cenários de VI e PV
nos dois anos em análise.
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Figura 21: Potência injectada pelos grupos hídricos, eólicos, fotovoltaicos e pela central da “Meia Serra”; anos de 2010 e 2020; cenários VI e PV; Madeira
A Tabela 20 lista o despacho realizado para as unidades hídricas nos cenários PV e VI na ilha da
Madeira.
Tabela 20: Despacho dos grupos hídricos; anos 2010 e 2020; cenários VI e PV; Madeira
A afectação e despacho das unidades térmicas para os cenários de carga de 2010 e 2020 foram
efectuados com base no valor de potência eólica injectada, no valor da potência fotovoltaica
Barra PG_VI (MW) PG_PV (MW)
G1RDJ 1,06 1,01
G1SDA 1,70 1,62
G2RDJ 0,00 0,00
G2SDA 0,00 0,00
GR1CAV 0,35 1,15
GR2CAV 0,35 1,62
GR3CAV 0,00 0,00
GR4CAV 0,00 0,00
GR1FDN 0,85 0,81
GR2FDN 0,00 0,00
GRCTI 0,00 0,00
GRFDP 0,00 0,00
GRLBR 0,15 0,15
GRSCR 5,67 5,41
GRTER 0,72 0,72
SQT6.6 0,85 0,85
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injectada, no valor total de potência hídrica despachada e no valor de potência activa de carga
estimada para cada cenário.
No que diz respeito à Madeira, na afectação e despacho dos grupos térmicos, considerou-se que
só os grupos térmicos das centrais da “Vitória” e do “Caniçal” podiam contribuir para a reserva
girante. No cenário VI considerou-se que só um dos grupos da central térmica do “Caniçal” estava
afecto ao despacho.
A metodologia utilizada para afectação e despacho das unidades térmicas foi a seguinte:
1. A afectação dos grupos térmicos é a que consta no documento “Despacho dos grupos para
os cenários de carga em 2010” disponibilizado pela AREAM.
2. O despacho dos grupos é efectuado distribuindo, igualmente, a carga afeta aos grupos
térmicos pelos grupos selecionados em 1. Se a potência gerada for inferior à potência
mínima especificada para o grupo, os grupos são desligados de acordo com a seguinte
ordem de mérito: em primeiro lugar os geradores pertencentes a grupo G10CTV–G15CTV,
e de seguida os geradores pertencentes ao grupo G18CTV–G20CTV.
3. Após o despacho dos grupos, ajusta-se a afectação e despacho dos grupos térmicos por
forma a cumprir os montantes de reserva girante, afectando, se necessário, novos
geradores. Dado que os estudos efectuados para a carga prevista em 2020 foram
realizados com a rede de 2010 e a afectação e despacho das unidades realizada em 2010,
este ajuste da afectação e despacho das unidades para cumprir a reserva girante estipulada
não foi realizado.
As figuras 22 e 23 ilustram a afectação e despacho das unidades térmicas da ilha da Madeira nos
anos de 2010 e 2020 para os cenários VI e PV, respectivamente.
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Figura 22: Afectação e despacho da geração térmica; anos de 2010 e 2020; cenário VI; Madeira
Figura 23: Afectação e despacho da geração térmica; anos de 2010 e 2020; cenário PV; Madeira
A Figura 24 ilustra a reserva girante para os cenários VI e PV nos anos de 2010 e 2020, na
Madeira.
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Figura 24: Reserva girante; anos 2010 e 2020; cenários VI e PV; Madeira
Conforme ilustrado na Figura 24 para o cenário VI, a reserva girante em 2020 é superior à que se
regista em 2010. Tal resulta do facto de, no ano de 2020
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