Acoplamento modelos mesoescala/microescala - calibração para aplicações de análise dinâmica da capacidade de transmissão de linhas eléctricas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Melo, Frederico Cardoso
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/45457
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020
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A abordagem tradicional para resolução deste desafio passa pelo moroso e oneroso investimento económico e ambiental em novas linhas elétricas. Em alternativa, têm sido desenvolvidas metodologias que permitem a substituição das atuais metodologias de análise estática da capacidade máxima admissível das linhas elétricas aéreas (LA) por metodologias de análise dinâmica da capacidade das mesmas, usualmente designada por Dynamic Line Rating (DLR). Com esta metodologia é possível avaliar em tempo real, e de uma forma mais realista a capacidade das LAs, o que resulta numa abordagem técnico-económica mais sustentável para i) lidar com situações de congestionamento e ii) acomodar os valores de capacidade renovável estabelecidos nos planos nacionais para as próximas décadas. Para a aplicação de metodologias de DLR, sem recorrer a uma rede dispendiosa e invasiva de sensores nas linhas elétricas, surge a necessidade de caracterizar com elevada precisão os parâmetros meteorológicos mais relevantes para aplicação desta metodologia, nomeadamente, a velocidade e direção do vento, que segundo vários autores, são os principais fatores no balanço térmico das LAs. Desta forma, de modo a aumentar a precisão e exatidão dos resultados da avaliação do escoamento atmosférico, e tendo em conta as capacidades de resolução espaciotemporais inerentes dos modelos de mesoescala e microescala, é possível proceder-se ao acoplamento (coupling) destes modelos. Nesta dissertação é realizado o desenvolvimento, calibração e validação de uma metodologia de acoplamento usando como caso de estudo dois vãos de LA “virtuais” com o intuito de fornecer a velocidade e direção do vento necessárias para alimentar com a máxima precisão possível uma ferramenta operacional de DLR. O desenvolvimento desta metodologia recorre a testes de sensibilidade entre i) o acoplamento de um modelo de modelo de mesoescala, e um modelo de microescala não linear de dinâmica de fluidos computacionais (computational fluid dynamics - CFD), e de ii) diferentes parametrizações disponíveis no modelo CFD. Assim, o principal objetivo desta dissertação passa pela identificação da configuração mais adequada do acoplamento, incluindo as parametrizações do modelo CFD, que permita a redução dos erros na avaliação do velocidade e direção do vento para o caso específico em análise. O acoplamento foi realizado através da utilização de séries virtuais e de condições iniciais e de fronteira do modelo de mesoescala. Com este trabalho é possível concluir importância e vantagem do acoplamento entre modelos para suprimir algumas dificuldades dos modelos de mesoescala para simular fenómenos locais, percetível através da comparação entre os RMSE do modelo de mesoescala – 2.1 −1 , e da melhor configuração – 1.5 −1 , pertencente ao método de acoplamento através de séries virtuais. Finalmente, entre as duas formas de introdução de dados de mesoescala, conclui-se que a abordagem de aninhamento (nesting) entre modelos, isto é, a introdução de condições iniciais e de fronteira a partir de modelos de mesoescala tende a aumentar erros das métricas avaliadas. A abordagem de acoplamento permite uma avaliação com mais precisão do escoamento atmosférico em qualquer cota dentro da camada limite atmosférica, captando os efeitos orográficos e da rugosidade no escoamento, em comparação com o uso de apenas informação dos modelos de mesoescala.The increasing integration of decentralized renewable energies in the energy mix raises new challenges to the operation and planning of the electric networks of energy transportation and distribution. In particular, the operation of electrical power lines with load levels very close to their thermal limits begins to become an increasingly frequent phenomenon. The traditional approach to solving this challenge involves the time-consuming and costly economic and environmental investment in new power lines. Alternatively, methodologies that allow the replacement of current static analysis methodologies for the assessment of the maximum allowable capacity of overhead power lines (OHL) by a dynamic analysis of their capacity, usually called dynamic line rating (DLR) have been developed. With DLR is possible to evaluate, in real time, and in a more realistic way, the capacity of the LA leading to a sustainable technical-economic approach to i) deal with congestion situations and ii) accommodate the renewable capacity values established in the national plans for the coming decades. For the application of DLR methodologies, without resorting to an expensive and invasive network of sensors in the electric lines, it crucial to characterize with high precision the most relevant meteorological parameters for the application of this methodology, namely, the wind speed and direction. According to several authors, these two parameters are the main factors in the conductors’ thermal balance of OHLs. Thus, to increase the precision and accuracy of the atmospheric flow evaluation, it is possible to proceed to the mesoscale-microscale coupling (coupling) considering the spatiotemporal resolution capabilities associated to each numerical model. In this dissertation, the development, calibration and validation of a coupling methodology are carried out using two “virtual” OHLs as a case study in order to provide the wind speed and direction necessary to feed a DLR operational tool with the greatest possible precision. The development of this methodology resorts to sensitivity tests between i) different coupling approaches of a mesoscale model with a nonlinear microscale model based on computational fluid dynamics (CFD), and ii) different parameterizations available in the CFD model. Thus, the main objective of this dissertation is to identify the most appropriate configuration of the coupling, including the parameterization of the CFD model, which allows the reduction of errors in the evaluation of wind speed and direction for the specific case under analysis. The coupling was performed using virtual series and initial and boundary conditions of the mesoscale model. With this work, it is possible to conclude the importance and advantage of the coupling approach to suppress some difficulties of the mesoscale models to simulate local phenomena, perceived through the comparison between the RMSE of the mesoscale model – 2.1 −1 , and the best configuration – 1.5 −1 . Finally, between the two forms of coupling the mesoscale data, it is concluded that the nesting between models, that is, the introduction of initial and boundary conditions from mesoscale models, tends to increase the deviation between the values observed and simulated. Compared to using only information from the mesoscale models, the results highlight that the coupling approach allows a more accurate assessment of atmospheric flow at any elevation within the atmospheric boundary layer by capturing the orographic effects and the roughness in the flow.Estanqueiro, Ana IsabelCouto, António Manuel VitorianoRepositório da Universidade de LisboaMelo, Frederico Cardoso2020-12-18T16:21:58Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/45457TID:202605175porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-14T15:32:59ZPortal AgregadorONG
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