Introdução

Embora não possa ser considerada uma inovação tecnológica propriamente dita, a operação de hidrelétricas com rotação variável (ou rotação ajustável) tem ocupado mais espaço no presente cenário dos sistemas de energia elétrica, no âmbito da revolução causada pela tecnologia da informação (TI).

As duas tecnologias de geração predominantes neste cenário, as quais permitem desacoplamento das frequências da geração e do consumo, são os ciclo-conversores associados à geradores de indução e os esquemas específicos da transmissão em corrente contínua, nos quais se ressalta a conexão unitária gerador-conversora.

Este artigo apresenta um sumário das principais características e experiências associadas a estas tecnologias, tomando como base projetos de pesquisa e desenvolvimento efetuados no início da década de 1990, em nível internacional e com significativa participação brasileira.

São projetos que envolveram o CIGRÉ (Conselho International de Grandes Sistemas Elétricos – International Council on Large Electric Systems), a Eletrobrás e a Universidade de São Paulo e cujos principais resultados estão disponíveis em relatórios de projeto (Pesquisa da aplicação da conexão unitária gerador- conversora em corrente contínua para transporte de grandes blocos de energia à longa distância) e num guia para projetos e especificações preliminares (Guide for preliminary design and specification of Hydro stations with HVDC unit connected generators).

Fundamentos da Operação de Hidrelétricas com Rotação Ajustável

A operação do sistema de potências em valor controlado e fixo de frequência impõe às turbinas de uma usina hidrelétrica uma rotação também fixa, estabelecendo o que muitos especialistas em turbinas consideram uma espécie de camisa de força ao aproveitamento dos recursos energéticos hidráulicos.

Esta imposição resulta em que, para um determinado projeto, a turbina hidráulica seja projetada para garantir seu maior rendimento no ponto de operação (dependente principalmente das variáveis altura de queda útil da usina e vazão) estatisticamente mais esperado durante a operação na vida útil da usina.

A Figura 1 permite a identificação deste ponto (Qp e Np) num diagrama típico das curvas de colina de uma turbina hidráulica projetada para operar com a rotação Np e produzir, numa determinada altura de queda útil, a potência Pp correspondente à vazão Qp. Nesta Figura, este ponto corresponde a um rendimento de 94% (0,94).

A mesma Figura indica que o rendimento será menor para outros valores da vazão e potência. Por exemplo, será um pouco menor que 92% para o ponto identificado por Q’ e Np.

Valor que poderia ser aumentado para 92% se a rotação pudesse ser aumentada para N’ ou até mesmo para um valor entre 92% e 94% se a rotação pudesse ser controlada na faixa entre Np e N’.

Esta Figura mostra claramente a vantagem energética da operação em rotação variável, que será tanto maior quanto maior for a diferença entre as vazões Qp (fixa) e Q’ (variável durante a operação da usina). Vantagem que poderá ser bastante significativa durante a vida útil da usina, considerada usualmente como 30 anos nos estudos de viabilidade.

Na Figura 1 também está apresentada a curva dos ótimos rendimentos que podem ser obtidos na faixa de 88% a 94%. É esta curva que orientará os ajustes da rotação durante a vida útil da usina, para que seja obtido o melhor rendimento total.

 As tecnologias disponíveis para viabilizar a Operação com Rotação Variável

As principais tecnologias que viabilizam a operação com rotação variável são o cicloconversor associado ao gerador de indução e a conexão unitária gerador conversora, apresentadas na Figura 2. 

O ciclo conversor associado ao gerador de indução

O ciclo conversor é um conversor CA‑CA que, acoplado por meio de anéis ao rotor bobinado de uma máquina assíncrona de indução, alimenta‑o com tensão na frequência equivalente à diferença entre a rotação síncrona e a rotação mecânica do rotor.

Essa tecnologia tem sido utilizada principalmente em usinas reversíveis, com capacidades instaladas atingindo até centenas de Megawatts.

Uma eventual vantagem do cicloconversor em relação à alternativa da conexão unitária gerador conversora, pode estar no dimensionamento de sua capacidade, que deve ser equivalente à potência de escorregamento da máquina. Para operação com baixo valor de escorregamento, a potência do sistema eletrônico pode ser reduzida a 10% ou 15% da potência da unidade geradora. Por outro lado, sobre custos incidirão no gerador, devido à necessidade de enrolamento trifásico no rotor, afetando também as dimensões do próprio estator.

A conexão unitária geradorconversora

O princípio básico da conexão unitária gerador‑conversora consiste em conectar diretamente o gerador síncrono (ou mesmo assíncrono) à ponte conversora Corrente Alternada – Corrente Contínua (CA‑CC), sem a necessidade de um estágio de transformação anterior.

Nessa configuração, o barramento de Corrente Alternada (CA) é eliminado, conectando-se o conjunto turbina‑gerador diretamente ao transformador conversor, o que elimina, no retificador, com relação à configuração convencional, os filtros e elementos de chaveamento CA (bem como os dispositivos de proteção associados), o transformador elevador e o disjuntor do gerador.

Esse esquema pode ser usado tanto para linhas em corrente contínua a longa distância como também para sistema sem linha CC. Nesse caso, seria usado o esquema back to back, com retificador e inversor localizados lado a lado e conexão à rede via linha CA.

Um sumário de aplicações e estudos significativos

Para permitir melhor visualização do cenário atual dessas tecnologias, que confirma a possibilidade de sua aplicação imediata, sumarizam‑se, a seguir, algumas aplicações e resultados significativos mais recentes.

O Cicloconversor associado ao Gerador de Indução

O esquema do cicloconversor para controle da rotação é utilizado no Japão com geradores de até 400 MW, assim como também é utilizado, em conjunto com a mudança do número de polos do gerador, no aproveitamento de Pan Jia Kou, na China.

Este esquema também tem sido considerado em diversos projetos recentes de usinas reversíveis, como apontado pelo autor deste artigo em seu Blog “Terá chegado a hora e vez das usinas hidrelétricas reversíveis?”, nesta mesma plataforma.

A conexão unitária Gerador-Conversora

A análise do desempenho da conexão unitária gerador-conversora para hidrelétricas operando com rotação variável foi desenvolvida durante os projetos de pesquisa e desenvolvimento efetuados no início da década de 1990, citados na Introdução deste artigo.

Nestes projetos, para avaliar os benefícios energéticos e ambientais da operação com rotação variável, foi desenvolvido um programa de simulação digital da operação de usinas hidrelétricas bastante elaborado, permitindo a utilização de diferentes modelos e equações para turbinas e geradores; a simulação detalhada da operação dos reservatórios com base em suas características físicas e de operação; e a escolha de alternativas de atendimento ao consumo, incluindo diferentes características de linhas de transmissão e de patamares da carga elétrica sendo suprida.

Este programa de simulação foi, então, utilizado para obtenção dos resultados que são resumidos a seguir.

Análise de viabilidade de configurações sem Linhas de Transmissão (Esquema “Back to Back”)

Nos casos em que não há linha de transmissão CC e se utiliza o esquema back to back (retificador e inversor na mesma subestação), uma forma preliminar simples de avaliar a viabilidade do uso da rotação ajustável é  comparar dos custos adicionados à geração convencional (eletrônica de potência, rotores maiores e mais potentes, eventuais sobrecapacidades necessárias etc.) com os benefícios associados à maior produção de energia e/ou à ganhos ambientais. Tal procedimento também pode ser aplicado na Recapacitação de usinas existentes. Que pode envolver todas as unidades da usina. Ou apenas algumas unidades de uma usina, como, por exemplo, apenas dois geradores dentre os seis geradores de cada polo da transmissão CC da Figura 3, que apresenta um dos possíveis arranjos da conexão unitária gerador-conversora.

 

Análise de viabilidade de configurações com Linhas de Transmissão em Corrente Contínua (CC)

Foram simulados e estudados quatro tipos de aproveitamento, configurando um cenário representativo das possíveis aplicações da operação com rotação variável: aproveitamentos de médio porte; aproveitamentos de grande porte; usina reversível que estava em fase de estudos preliminares à época dos projetos; e a conexão unitária em linhas de transmissão para grandes blocos de energia à longa distância.

  • Aproveitamentos de médio porte.

Foram utilizados os dados da UHE Caconde, que tem potência instalada total de 80 MW e regime de operação com grande variação da altura de queda.

Os resultados indicaram possibilidade de ganho anual de energia em torno de 4,1% do total da energia transmitida.

A integração ambiental foi analisada qualitativamente avaliando-se a possibilidade de redução dos níveis operativos do reservatório com valor da cota máxima do reservatório inferior ao valor da rotação fixa. Foi verificada possível redução de até 6% da área alagada.

Se a turbina for projetada especificamente para operação com rotação ajustável, conforme sugestão de diversos especialistas em turbinas hidráulicas, é plenamente possível obter maiores valores de eficiência. Simulações efetuadas aumentando em 1,5% os rendimentos máximos das turbinas indicaram a possibilidade de redução da área alagada maior do que 8,5%.

  • Aproveitamentos de grande porte

A UHE Cachoeira Porteira, com capacidade de 700 MW e quatro geradores, que estava em fase de projeto preliminar à época dos estudos, foi utilizada como exemplo de aproveitamento de grande porte. A variação operativa da queda útil desta usina foi determinada como 30,8%.

Esse aproveitamento foi avaliado para diferentes condições de vazão afluente e de carga. Por ser um aproveitamento de grande porte, seu comportamento foi avaliado para valores médios mensais de vazão afluente em três condições, para cada uma das quais foram impostas diferentes solicitações de carga.

Os resultados obtidos, embora com valores menores que os de Caconde, ainda foram bastante significativos, com ganhos energéticos anuais na faixa de 1,0% a 2,5%. As simulações apontaram também a possibilidade de redução de até 2 m na cota máxima operativa, praticamente mantendo a energia gerada, o que reduziria a área alagada em 12,3%.

  • Usina reversível que estava em fase de estudos preliminares à época do projeto

As simulações realizadas consideraram também a possível usina reversível de Pedra do Cavalo, com capacidade total de geração de 620 MW (quatro unidades de 155 MW) e capacidade de bombeamento de 300 MW (duas unidades). Diferentes ciclos de operação foram simulados considerando as estações seca e úmida. Esses resultados mostraram que ganhos anuais significativos de energia, num intervalo de 3% a 4%, poderiam ser obtidos com a operação em rotação ajustável.

Ressalta-se aqui novamente, como apresentado em Blog do autor sobre o assunto nesta mesma plataforma, o papel extremamente importante que as usinas reversíveis podem efetuar no sistema elétrico brasileiro.

  • A conexão unitária em linhas de transmissão para grandes blocos de energia a longas distâncias.

 O estudo enfocou, dentre as alternativas, uma usina hidrelétrica com energia transmitida por uma longa linha de transmissão em corrente contínua (LT CC) com tensão 800 kVcc dimensionada para transmitir 4000 MW a uma distância de 2.400 km.

Os dados usados nas simulações corresponderam a dados da usina de Tucuruí e foi utilizada a configuração de 2conversores/polo para cada bipolo da transmissão CC.

Outras variáveis importantes para as análises econômicas desenvolvidas foram a configuração da casa de força da usina (usando como referência a usina de Tucuruí) e diferentes formas para conexão das subestações CC, como a conexão em grupo utilizada para 800 kVcc, apresentada na Figura 4.

Os estudos foram bastante abrangentes, envolvendo até mesmo equipamentos blindados isolados a SF6, requisitos especiais, vantagens e desvantagens quanto montagem, operação, manutenção e construção.

A avaliação energética foi efetuada para uma usina com potência instalada de 4000 MW a 7300 MW e foram considerados dados diários de 1 ano típico do histórico de vazões de Tucuruí.

No estudo foi efetuada uma análise exaustiva das possíveis combinações, vantagens e desvantagens relacionadas aos ganhos energéticos, redução da altura das barragens e redução dos níveis mínimos operativos. Além disso, foi efetuada uma análise de refinamento dos cálculos de ganhos energéticos de forma a otimizar a rotação em função das particularidades de cada situação encontrada.

Os ganhos percentuais de rendimento obtidos pela operação com rotação variável se situaram, para potência instalada de 4.000 MW a 7.300 MW, na faixa de 0,36% a 0,61%, respectivamente.

Uma análise econômica global foi efetuada para o caso de 4.000 MW, considerando vida útil de 30 anos, fator de atualização do capital de 10% ao ano, valor unitário da energia transportada de 55U$/MWh e fator de capacidade da usina de 0,6.

Os resultados indicaram possibilidade de ganhos bastante significativos com a adoção da operação com rotação variável, reduzindo o custo equivalente de entrega da energia a valores em torno de 27U$/MWh, em torno da metade do valor de referência de 55U$/MWh.

Ressalta-se que estes valores poderiam ser ainda melhores caso fossem utilizadas turbinas desenvolvidas especificamente para operar com rotação variável.

Considerações Gerais sobre a Operação com Rotação Variável

Ganhos significativos em eficiência energética podem ser obtidos da operação em rotação ajustável de usinas hidrelétricas. Esse ganho, totalmente ou em parte, pode ser revertido na diminuição do nível máximo operativo do reservatório, reduzindo a área alagada, com consequente diminuição do impacto ambiental do empreendimento. Uma ponderação entre os ganhos e os benefícios obtidos deve ser estudada durante a análise do projeto.

Para grandes pacotes de energia e longas distâncias de transmissão, a conexão unitária gerador-conversora se impõe como solução preferencial para operação em rotação ajustável. Para projetos já existentes ou de menor capacidade e pequenas distâncias, a análise econômica deverá determinar se os benefícios energéticos são suficientes para cobrir os custos de operar em rotação variável e indicar qual a melhor alternativa dentre a conexão unitária/back to back e o cicloconversor. Esse balanço deve ser cuidadosamente avaliado, excetuando-se casos em que aspectos ambientais sejam suficientemente fortes e os benefícios ambientais justifiquem, de antemão, o uso de rotação variável.

Maiores benefícios podem ser obtidos se, conforme sugestão de especialistas em turbinas, essas máquinas forem projetadas desde o início para operar em rotação ajustável, o que significa uma mudança nos critérios e metodologias usados atualmente.


 

 

 

 

 

 

 

 

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Lineu Belico dos Reis
LINEU BELICO DOS REIS é engenheiro eletricista, doutor em engenharia elétrica e livre docente pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, onde também é professor de Engenharia Elétrica e Engenharia Ambiental. É diretor da empresa de consultoria ALEPH – Serviços e Gestão de Energia. Atua nas áreas de energia, meio ambiente, desenvolvimento sustentável e infraestrutura, como consultor e como coordenador e docente de cursos multidisciplinares de especialização e extensão e educação à distância [USP, Poli/USP, FIA, IEE e outras instituições]. É autor dos livros Geração de Energia Elétrica (1003, 2011, 2017) e Matrizes Energéticas (2011) pela Editora Manole; organizador do livro Energia Elétrica para o desenvolvimento sustentável (2000, 2012) pela Edusp; organizador do livro Energia e Sustentabilidade (2016) e coautor dos livros Energia, recursos naturais e a prática do desenvolvimento sustentável (2005, 2009 e 2012) e Eficiência Energética em Edifícios (2012) da Editora Manole. É tradutor e coautor do livro Energia e Meio Ambiente (2011 e 2014) e consultor técnico da tradução do livro Introdução à Engenharia Ambiental (2011) da Cengage Learning. Consultor do setor energético brasileiro e internacional desde 1968 tem mais de cem artigos técnicos apresentados e publicados em congressos e eventos nacionais e internacionais e participação, em empresas de consultoria e concessionárias do setor elétrico brasileiro, no planejamento, execução e operação de diversos projetos relevantes.

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