Estratégias de controle para Turbinas Hidrelétricas

Introdução

Estratégias empregadas a fim de automatizar determinado sistema geralmente são denominadas de Controle automático. Na 5º edição do livro OGATA (2011) é caracterizado o controle automático como sendo essencial em qualquer campo da engenharia e da ciência. Afirma que o controle automático é um componente importante e intrínseco em sistemas de veículos espaciais, sistemas robóticos, modernos sistemas de manufatura e quaisquer operações industriais que envolvam o controle de temperatura, pressão, umidade, viscosidade, vazão, etc. Reitera dizendo que é desejável que a maioria dos engenheiros e cientistas estejam familiarizados com a teoria e a prática do controle automático.

De maneira geral existem 3 vertentes principais nas técnicas de controle. São elas:

  • O controle clássico: para sistemas denominados como SISO, do inglês, single input and single-output, que são sistemas de entrada e saída simples. Nesta abordagem estão inseridos a teoria de controle clássico, como funções de transferência e controles PID clássicos.
  • O controle moderno: a abordagem moderna da teoria de controle lida com múltiplas entradas e saídas, do inglês, multiple inputs and multiple outputs (MIMO). É baseada na representação variável de estado em termos de um conjunto de equações diferenciais de primeira ordem, as chamadas matrizes de estado. Nesta vertente estão inseridos os controles por Alocação de Polos, os Observadores de Estado, bem como Controle Preditivo baseado em Modelo (MPC) (SILVA, 2002).
  • Novas abordagens do controle: Como o próprio nome diz, tudo que está relativamente novo, em caráter experimental. Nesta vertente temos inúmeras aplicações de Inteligência artificial. Podemos citar (LANSBERRY; WOZNIAK; GOLDBERG, 1992) e (LANSBERRY; WOZNIAK, 1994) que utilizam a abordagem de otimização do algoritmo genético (GA) para ajuste ótimo do controlador, seja diretamente ou pelo ajuste de controlador PI (proporcional-integral). Também, o monitoramento dos ganhos do controlador PID (proporcional-integral-derivativo) por meio de lógica fuzzy (CHEN et al., 2002).

Além destes, a Inteligência Artificial tem apresentado resultados promissores na identificação e modelagem dos sistemas de controle, bem como em sistemas especialistas para controle preditivo e diagnóstico de falhas.

Controle de Sistemas Hidrelétricos

Com relação ao controle de sistemas hidrelétricos, um pré-requisito para qualquer projeto de sistema de controle é a especificação dos objetivos deste, visando avaliar o desempenho do sistema após sua implementação. Para isso, os critérios devem ser estabelecidos pelo qual a qualidade do controle pode ser julgada. Afinal, qualquer sistema de controle precisa ser analisado quanto ao seu desempenho.

A grande diversificação no comportamento das plantas não-lineares em seus pontos operacionais requer diferentes objetivos de controle e, portanto, diferentes ações de controle a serem tomadas para cada variação no ponto de operação. As características dinâmicas não-lineares da usina hidrelétrica dependem em grande parte de distúrbios internos e externos, mudanças no ponto de ajuste, levando à mudança de seu ponto de operação ideal (KISHOR; SAINI; SINGH, 2007).

Um item chave de qualquer usina hidrelétrica é o sistema de controle, que fornece um meio de regulação da potência e frequência. Sistemas de controle são aplicados a sistemas hidrelétricos basicamente em: Regulação de velocidade e Regulação de Excitação do gerador, e são apresentados na figura 1.

Turbinas Hidrelétricas: Malhas de controle de um sistema hidrelétrico
Figura 1 - Malhas de controle de um sistema hidrelétrico. Fonte: Elaborado pelo autor.

Sistemas hidrelétricos são comumente divididos em 3 categorias. São estas: CGH - Central Geradora Hidrelétrica, PCH - Pequena Central Hidrelétrica e UHE - Usina Hidrelétrica. Sendo predominante para essa diferenciação a potência nominal de geração da usina. Os equipamentos de controle também seguem essa divisão e, em alguns casos, são empregados mecanismos diferentes devido ao tamanho e potência de cada usina.

O diagrama de blocos da figura 2 mostra os elementos básicos de uma turbina hidrelétrica dentro do ambiente do sistema de energia, onde é apresentada a correlação entre os diversos componentes que compõem uma hidrelétrica. Através deste é possível verificar o que foi dito anteriormente, onde o comportamento das plantas, e suas não linearidades, em seus pontos operacionais, requerem diferentes ações de controle.

Inter-relação do sistema Hidrelétrico primário e a unidade de geração
Figura 2 - Diagrama de blocos funcionais mostrando a inter-relação do sistema Hidrelétrico primário e a unidade de geração, bem como controles para sistema completo. Fonte: Elaborado pelo autor.

Regulador de Velocidade

O regulador de velocidade inclui todos os elementos, que respondem diretamente à velocidade e posição ou influenciam a ação de outros elementos do sistema de controle de velocidade. O mecanismo de controle de velocidade inclui equipamentos como relés, servo motores, dispositivos de amplificação de pressão ou de potência, alavancas e conexões entre o regulador de velocidade e as portas/barras acionadas pelo controlador. Atualmente, em aplicações de grande porte, são utilizados sistemas hidráulicos para o acionamento destes mecanismos de controle, como mostrado na figura 2. Estes sistemas são bastante utilizados dada sua precisão e grande capacidade de aplicação de força.

Unidade Hidráulica de um regulador de velocidade
Figura 3 – Unidade Hidráulica de um regulador de velocidade. Fonte: Wenckus Energy.

Quando se trata da turbina, as técnicas de controle são aplicadas no regulador de velocidade, atuando no rotor e/ou distribuidor, regulando a entrada de água para a turbina através do mecanismo de controle de velocidade (KISHOR; SAINI; SINGH, 2007). Tais mecanismos podem ser vistos nas figuras 3 e 4. Através de pás móveis no rotor, como também, palhetas que direcionam o fluxo de água em um distribuidor, é possível controlar o fluxo de água que passa pela turbina, de modo a garantir uma velocidade constante que seja proporcional à potência mecânica solicitada pelo gerador.

Turbinas Hidrelétricas - Rotor da turbina Kaplan
Figura 4 - Rotor da turbina Kaplan. Fonte: Hacker.
Turbinas Hidrelétricas - Regulador para turbina Francis
Figura 5 – Regulador para turbina Francis. Fonte: Hidromont S.A.

Regulação de Excitação

Por sua vez, o regulador da tensão de excitação deve manter o gerador dentro dos seus limites de capacidade, além de contribuir para o amortecimento das oscilações de baixa frequência no sistema elétrico. O sistema de excitação é importante pois deve estabelecer a tensão interna do gerador síncrono. Em consequência, o sistema de excitação é responsável não somente pela tensão de saída da máquina, mas também pelo fator de potência e pela magnitude da corrente gerada. A figura 6 ilustra um sistema de excitação para um gerador síncrono.

Diagrama esquemático do sistema de controle de excitação de um gerador Síncrono
Figura 6 - Diagrama esquemático do sistema de controle de excitação de um gerador Síncrono. Fonte: Freitas.

Seja para regulação de velocidade ou de tensão de excitação, equipamentos industriais podem ser comercialmente encontrados. Entre outras grandes marcas que são referência no ramo, como, por exemplo, Voith, Siemens, Alstom, Abb, General Electric, Schneider, como também as nacionais Weg e Bardella.

Conclusão

Este artigo apresentou uma introdução sobre sistemas de controle aplicado a usinas hidrelétricas. Como mostrado, a aplicação das técnicas de controle se dão basicamente no controle de velocidade da turbina e o controle de tensão de excitação do gerador. Como dito, as estratégias de controle, como também os acionamentos utilizados, são diferentes para cada modalidade de usina, sendo estas: CGH, PCH e UHE. Por fim, são apresentadas algumas empresas de destaque no ramo.

Referências - Estratégias de controle para Turbinas Hidrelétricas

OGATA, K. Engenharia de controle moderno. [S.l.]: Pearson Education do Brasil, 2011. v. 5.

SILVA, C. H. F. da. Modelagem e Apliacação de Técnicas de Controle Moderno a Sistemas Reguladores de Velocidade e Tensão de Máquinas síncronas de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Dissertação (Mestrado) — Universidade Federal de Uberlândia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Uberlândia, 2002.

LANSBERRY, J.; WOZNIAK, L.; GOLDBERG, D. E. Optimal hydrogenerator governor tuning with a genetic algorithm. IEEE Transactions on Energy Conversion, IEEE, v. 7, n. 4, p. 623–630, 1992.

LANSBERRY, J. E.; WOZNIAK, L. Adaptive hydrogenerator governor tuning with a genetic algorithm. IEEE Transactions on Energy Conversion, IEEE, v. 9, n. 1, p. 179–185, 1994.

CHEN, G.-D. et al. The application of intelligent integral realized by fuzzy logic for hydroturbine governing system. In: IEEE. Machine Learning and Cybernetics, 2002. Proceedings. 2002 International Conference on. [S.l.], 2002. v. 2, p. 674–678.

KISHOR, N.; SAINI, R. P.; SINGH, S. P. A review on hydropower plant models and control. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 11, n. 5, p. 776–796, 2007. ISSN 13640321. C

Imagem de destaque: https://www.todoestudo.com.br/geografia/energia-hidreletrica

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Receba os melhores conteúdos sobre sistemas eletrônicos embarcados, dicas, tutoriais e promoções.

Conceito de Engenharia » Estratégias de controle para Turbinas Hidrelétricas
Comentários:
Notificações
Notificar
guest
0 Comentários
Inline Feedbacks
View all comments
Talvez você goste:

Séries

Menu

WEBINAR
 

Soluções inteligentes para acionamento de MOSFETs/IGBTs com família STDRIVE

Data: 08/10 às 15:00h - Apoio: STMicroelectronics
 
INSCREVA-SE AGORA »



 
close-link