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ESTUDO E PERSPECTIVA DA UTILIZAÇÃO DA TECNOLOGIA HVDC Luiz Leonardo de L. Saunders e Victor Marques Silva Relatório Final – Estudo HVDC – Disciplina: Técnicas de Alta Tensão Professor: Ivan José da Silva Lopes UFMG – Belo Horizonte – Dezembro/2019 I. INTRODUÇÃO O uso do HVDC (High Voltage Direct Current), vem aumentando no cenário mundial e podemos destacar os 228 projetos em operação ou construção em todo o mundo, correspondendo a uma capacidade total de transmissão de 317.717 MW (Comitê de Transmissão e Distribuição - IEEE, 2012). Em menos de 10 anos, a capacidade de transporte de energia envolvendo o sistema HVDC mais que triplicou e isso mostra que essa tecnologia está voltando a ser viável nas necessidades atuais e demanda energética graças ao avanço das tecnologias e da pesquisa em torno desta técnica. Sendo assim frente a tal expansão, no contexto da disciplina de Técnicas de Alta Tensão, essa tecnologia chamou nossa atenção, motivando este estudo comparativo entre a tecnologia HVDC e HVAC. Dados os nossos conhecimentos, é razoável acreditar que em casos semelhantes, os sistemas CA apresentam desvantagens consideráveis, sendo uma das mais relevantes a indutância da linha. Essa indutância deve ser compensada durante a transmissão por meio de equipamentos específicos, que aumenta o custo e viabiliza o uso do sistema CC, cuja frequência das grandezas corrente. Desta forma, ao se considerar um dos principais requisitos de análise, que é a distância entre a geração e o consumo, é de se esperar que para uma grande quantidade de energia transmitida a longas distâncias, deve-se considerar a corrente contínua como uma alternativa. Fig. 1. Potência Acumulada HVDC entre 1965 e 2020 (IEEE, 2012) II. O CONTEXTO DA TECNOLOGIA HVDC A. Histórico do uso da corrente contínua na transmissão de energia elétrica Partindo do pressuposto de que a transmissão de energia é o transporte da mesma de um ponto de geração até o centro consumidor, com o passar do tempo, temos em vista diferentes níveis das grandezas que envolvem este fenõmeno. Assim, inicia-se uma descrição histórica com início no século XIX onde pode-se identificar diversos fatores que explicam o uso e o posterior desuso dessa tecnologia. O uso dos sistemas de transmissão de energia elétrica em corrente contínua iniciou-se com Thomas Edison em 1882, onde a primeira subestação de energia elétrica do mundo foi construída. Localizada na Pearl Street em Nova York, onde era fornecido uma tensão de 110 V que supria a demanda de 59 clientes em um raio de aproximadamente 1,6 Km, utilizava-se máquinas a vapor para atender a um gerador CC. Contudo, existia uma dificuldade em manipular a tensão, além dos altos níveis de perdas que fizeram com que essa tecnologia ficasse limitada no quesito distãncia entre a geração e o centro consumidor. Partindo deste pressuposto, Nikola Tesla em parceria com George Westinghouse desenvolveram uma nova tecnologia que utiliza a corrente alternada (CA) e juntamente com o transformador, o motor de indução e os circuitos polifásicos marcaram o início de uma nova era. Desta forma, foi possível implantar sistemas elétricos de potência em CA, sendo que o transformador por ser robusto, simples e eficiente permitiu o uso de diferentes níveis de tensão desde a geração até a distribuição de energia. Os motores de indução, por serem simples e relativamente baratos foram de perfeito encaixe nas indústrias e residências. Já o sistema polifásico foi importante para evitar pulsos de potência, com isso, o movimento do motor de indução é suavizado. O sistema AC se mostrou mais vantajoso por essas e outras diversas razões, e essa competição entre os sistemas DC e AC foi chamado de "Guerra das Correntes". Com isso, no final do século 19, os sistemas DC foram superados e sua utilização ficou cada vez mais escassa. Assim, os sistemas AC Figura 2. Primeiro sistema HVDC a entrar em operação – Suécia se provaram mais eficientes e viáveis, e desta forma, desde aquela época a vitória dos sistemas AC foram instaladas no mundo inteiro. Em 1930, após o desenvolvimento das válvulas a arco de mercúrio em 1930, um sistema HVDC foi comissionado em Berlim, mas nunca entrou em operação devido às consequências do final da Segunda Guerra Mundial. O primeiro sistema a realmente entrar em operação foi uma ligação entre a costa da Suécia e uma ilha situada a aproximadamente 90 Km à seu leste (vide Figura 2). Baseado em conversores a arco de mercúrio e cabos submarinos, essa tecnologia foi adotada em outros lugares como Sardenha — Itália em 1967, em uma Linha de Transmissão (LT) de longa distãncia Pacific Intertie - EUA em 1970 e em 1973 no Canadá. O retificador a arco de mercúrio foi utilizado para a transmissão de sistemas de potência e processos industriais entre 1930 e 1975, até que foi superada pelas válvulas de tiristores. O início dos tiristores foi marcado pelo primeiro sistema HVDC back-to-back em El River, no Canadá. Essa tecnologia dominou o mercado durante os anos de 1975 até o ano 2000. Com o desenvolvimento dos semicondutores para a eletrõnica de potência, os chamados IGBTs (Insulated-gate bipolar transistor), GTOs (Gate turn-off thyristor), os conversores fonte de tensão (VSC — Voltage Source Converter) têm alcançado altos níveis de suportabilidade de tensão e corrente e hoje são as tecnologias mais utilizadas. B. Aspectos Gerais Atualmente, os principais fornecedores da tecnologia para projetos HVDC são as empresas ABB, Siemens e Alstrom que juntos, atuam em 155 projetos dentre os 228 citados na introdução deste estudo. Dentre outros fabricantes, encontram-se gigantes no setor como GE, Hitachi, Toshiba e Areva. Os países que mais investem em projetos no mundo são a China e EUA, seguidos por Canadá, India e Brasil, como pode ser observado na Figura 3. Podemos observar que todos os países citados acima possuem características territoriais que geram a necessidade de transportes a longas distâncias, todos são países com grandes áreas, além da grande quantidade de energia demandada pelos mesmos. Outro importante fator que leva ao investimento na transmissão de energia é o crescimento econõmico acelerado de países asiáticos como a China e também a Índia, este fato estão intimamente ligados, levando em consideração que o crescimento econõmico sempre esteve em sintonia com a demanda energética de um país. Figura 3. Projetos HVDC por país (IEEE, 2012) III. COMPOSIÇÃO DO SISTEMA HVDC A tecnologia HVDC é utilizada na transmissão de energia em longas distãncias para interligar estações de sistemas síncronos e assíncronos. O sistema HVDC é basicamente composto por duas estações conversoras e uma linha CC (vide Figura 4). As estações são responsáveis pela conversão CC/CA e CA/CC e possuem diversos componentes envolvidos nessa atividade. Alguns desses componentes de extrema importãncia dos sistemas HVDC serão listados abaixo: Disjuntor CA: Isolador do sistema HVDC do sistema CA quando ocorre alguma falha ou incidente. O disjuntor é dimensionado para transporte de corrente em plena carga, mas interrompem a condução na ocorrência de faltas. São normalmente posicionados entre o barramento CA e a linha HVDC. Filtros CA e Bancos de Capacitores: Remove harmõnicos gerados pelo conversor, podem ser usados para absorver ou injetar potência reativa Transformador Conversor: Manipula a tensão do sistema CA para alimentar a linha HVDC, além de servir como um isolador dos sistemas. Reatores de Alisamento e Filtros CC: O reator de alisamento reduz a ondulação de corrente CC, assim evita a descontinuidade em níveis de baixa potência. O filtro CC em conjunto com o reator protegem a válvula de falhas durante a comutação. Conversor: Executa a conversão de tensão CC paraCA ou o inverso, é o principal componente dos sistemas HVDC e tem extrema importãncia. Portanto, é importante destacar que estes equipamentos que envolvem o sistema HVDC e também o fluxo de energia entre as estações e os sistemas envolvidos em uma visão simplificada e geral da transmissão. O custo desses equipamentos são mais caros que os sistemas de transmissão CA, porém, em uma determinada faixa de operação e distãncia de transmissão os custos são compensados, como será discutido no decorrer deste trabalho. Figura 4. Sistema elétrico simplificado aliado à transmissão de energia C.C. IV. HVDC VS HVAC A escolha entre esses dois sistemas de transmissão é baseada na avaliação dos custos de transmissão, aliado aos quesitos técnicos e relacionados à questão ambiental. Um dos principais pontos no planejamento do sistema é a distância entre a unidade geradora e as unidades consumidoras. Em distâncias superiores a 400 km, a potência mínima dos elos CC, é na grande maioria das vezes, superior a 500 MW. Para essa faixa de potência, o transporte de energia utilizando corrente alternada apresenta desvantagens, sendo uma das principais a indutância inerente a essas linhas. Os efeitos causados por esse fenômeno devem ser compensados ao longo de toda a transmissão CA, o que acarretará no aumento do custo à medida em que a linha se torna maior. No caso da transmissão CC, cujo a frequência de tensão e corrente são iguais a zero, a reatância indutiva é irrelevante. Avaliando sistemas de isolamentos semelhantes para níveis de tensão de pico para ambas as linhas CA e CC, a linha de corrente contínua consegue transportar a mesma quantidade de energia, com dois condutores (polaridade positiva e polaridade negativa) quanto uma linha de corrente alternada com três condutores de mesma dimensão. Sendo assim, cmo visto na Figura 5, para a mesma potência, uma linha CC requer menos linhas e torres mais simples e mais baratas, o que implica na redução dos custos de condutores e isoladores. Além disso, a necessidade de uso de bancos de reatores em paralelo para compensação de reativos é um fator a mais no custo das linhas CA à medida em que sua extensão aumenta. Em contrapartida, as estações conversoras e seus componentes, como disjuntores CC, que são utilizadas nas extremidades do sistema HVDC, são mais caras que os terminais equivalentes para o sistema HVAC, e de tal forma, há um ponto de equilíbrio entres os dois sistemas. Esse ponto de equilíbrio é denominado de “breakeven distance” e pode ser ilustrado na Figura 6. Figura 5. Torres HVAC (a) e HVDC (b). Como mostrado na Figura 6, o ponto de equilíbrio composto por linhas aéreas está localizado entre 400 km e 800 km, sendo que para cabos subterrâneos ou subaquáticos, essa distância está entre 25 km e 50 km. Em outras palavras, a partir dessas distâncias, o sistema HVDC passa a ser economicamente mais atrativo do que um sistema equivalente HVAC. Outro ponto a ser destacado pela figura, são as perdas que apresentam em cada um deles. Como pode ser ilustrado na Figura 6, percebe-se que em um sistema HVDC possui menos perdas quando comparado ao sistema HVAC, para a mesma quantidade de energia transportada. Na Figura 6, as curvas tracejadas, representam a transmissão desconsiderando as perdas. Na curva contínua, onde as perdas são consideradas, o ponto de interseção se localiza a uma distância inferior as das curvas tracejadas, o que leva a concluir que, ao incluir as perdas, os sistemas em HVDC se tornam mais viáveis do que os sistemas HVAC a partir de uma distância inferior. A rápida controlabilidade do sistema de transmissão em corrente contínua faz com que no mesmo tenha pleno controle sobre a potência transmitida, além de conferir a capacidade de melhoria no estado de transitório e estabilidade dinâmica em redes CA conectadas ao sistema. Outros problemas associados aos sistemas de transmissão em corrente alternada também são superados pelo sistema HVDC. Dentre eles, podem ser citados: a) Limites de estabilidade: o limite de transmissão de energia em uma linha CA é reduzido à medida que a distância e os ângulos das tensões aumentam, o que não ocorre no HVDC, pois não existe defasagem angular entre as tensões. b) Controle de tensão: o HVAC requer controle de potência reativa para manutenção de tensão constante nos terminais. Como as linhas CC não requerem potência reativa, controle de tensão é facilitado. b) Controle de tensão: o HVAC requer controle de potência reativa para manutenção de tensão constante nos terminais. Como as linhas CC não requerem potência reativa, controle de tensão é facilitado. c) Problemas de interconexão nos sistemas CA: sistemas CA necessitam de um perfeito sincronismo entre os Controladores Automáticos de Geração – GAC, para garantir a manutenção da frequência nominal de operação do sistema. A rápida controlabilidade do fluxo de energia nas linhas CC elimina o problema referido. d) Transmissão por cabos a longas distâncias: um sistema HVAC através de cabos subterrâneos não é viável para uso em longas distâncias devido aos efeitos capacitivos dos mesmos. O HVDC não sente os efeitos capacitivos desses cabos. e) Interconexão assíncrona: diferente do sistema HVAC, a tecnologia HVDC pode conectar dois sistemas de energia assíncronos através de chaveamento dos conversores. Essa característica é utilizada em sistemas back-to-back, que não possuem linhas de transmissão (LT). Além disso, por apresentar rápida controlabilidade, o sistema HVDC proporciona melhoria no estado transitório e estabilidade dinâmica em redes CA fracas conectadas a ele, que podem apresentar maiores oscilações e desvios de frequência nominal. Figura 6. Custos de linhas de transmissão CC e CA. f) Aspectos ambientais: o HVDC possui menores restrições para os campos magnéticos gerados pela linha CC e menor quantidade de torres e linhas, no entanto, a presença de rádio interferências ao longo de toda a linha CC devido às frequências de chaveamentos das válvulas e de ruídos audíveis nas estações conversoras se tornam negativos visto por esse aspecto. Isso posto, o sistema HVDC possui suas desvantagens e limitações, como todo sistema, são eles: a) Alto custo dos equipamentos de conversão. b) Incapacidade de usar transformadores para alterar os níveis de tensão. c) Geração de harmônicos. d) Exigência de potência reativa pelos conversores. e) Dificuldade de inserção de novas cargas ou geração ao longo da linha, para topologia de rede ponto a ponto. f) Complexidade de controles. Com o avanço da tecnologia no setor de transmissão ao longo dos últimos anos, a superação gradual tem proporcionado a superação das desvantagens listadas acima, o que resulta numa melhoria da confiabilidade e redução dos custos de conversão em linhas de corrente contínua. V. ITAIPÚ EM NÚMEROS, UM COMPARATIVO DE CUSTOS Um sistema integrado por cinco linhas de transmissão: • As linhas cruzam 900 km desde o estado do Paraná até São Paulo; • Três linhas funcionam em corrente alternada de 750 kV e duas linhas em corrente contínua de +- 600 kV, necessárias para contornar o problema de diferentes frequências utilizadas por Brasil e Paraguai; • Toda a energia produzida pela Usina de Itaipu para atender as necessidades do Sistema Elétrico Brasileiro passa pelo sistema de transmissão de FURNAS, correspondendo a uma capacidade aproximada de 13 mil MW; • A energia gerada em Itaipu é transmitida pelas seguintes linhas de transmissão de FURNAS: a) Em Corrente Contínua (600 kV): • Foz do Iguaçu - Ibiúna Bipolo 1: 792 km • Foz do Iguaçu - Ibiúna Bipolo 2: 820 km b) Em Corrente Alternada (750 kV): • Foz do Iguaçu - Ivaiporã 1: 322 km • Foz do Iguaçu - Ivaiporã 2: 323 km • Foz do Iguaçu - Ivaiporã 3:331 km • Ivaiporã - Itaberá - 1: 265 km • Ivaiporã - Itaberá 2: 264 km • Ivaiporã - Itaberá 3: 272 km • Itaberá -Tijuco Preto 1: 305 km • Itaberá -Tijuco Preto 2: 304 km • Itaberá -Tijuco Preto 3: 312 km Cabos: a) Nas linhas de transmissão de FURNAS são utilizados cabos condutores de alumínio, reforçados mecanicamente por alma de aço, denominados ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced). Nas linhas de corrente alternada (750 kV), esses cabos são do tipo BLUEJAY, 1.113 MCM, e nas linhas de corrente contínua (600 kV) são do tipo BITTERN, 1.272 MCM; b) São utilizados quatro cabos desse tipo para cada fase, totalizando 12 cabos por linha de transmissão; Torres: a) As alturas das torres típicas de FURNAS variam de 27,5 m a 60,5 m para as linhas de transmissão de 750 kV e de 24m a 57m para as linhas de 600 kV. b) Em Corrente Contínua (600 kV): • Foz do Iguaçu - Ibiúna Bipolo 1: 1707 torres • Foz do Iguaçu - Ibiúna Bipolo 2: 1828 torres Média de peso de cada torre 8.420 kg c) Em Corrente Alternada (750 kV): • Foz do Iguaçu - Ivaiporã 1: 697 torres • Foz do Iguaçu - Ivaiporã 2: 697 torres • Foz do Iguaçu - Ivaiporã 3: 720 torres • Ivaiporã - Itaberá 1: 572 torres • Ivaiporã - Itaberá 2: 577 torres • Ivaiporã - Itaberá 3: 618 torres • Itaberá - Tijuco Preto 1: 686 torres • Itaberá - Tijuco Preto 2: 674 torres • Itaberá - Tijuco Preto 3: 727 torres Média de peso de cada torre 14.950 kg A cotação de torres foi realizada na empresa SAE Towers em Set/2014 fornecendo: • Preço da estrutura metálica R$ 10,50/kg A cotação de cabos foi realizada na empresa Prismiam em Set/2014 fornecendo: • BLUEJAY, 1.113 MCM – R$ 13,41/metro • BITTERN, 1.272 MCM – R$ 14,75/metro Tabela 1. Orçamento simples dos custos das torres e cabos em Linhas CC e AC. Tabela 2. Custo total de um sistema de transmissão em CC x AC Quando as características dos sistemas HVDC e HVAC são dispostos na Tabela 1, e são analisados os custos das estruturas, fica clara a vantagem financeira de se optar por um sistema de transmissão HVDC. Percebe-se que um grande diferencial está nos custos dos cabos e sua mão de obra, pois é muito trabalhoso erguer cabos de transmissão, o que implica no seu alto preço. Mesmo se tendo em mente o maior custo dos equipamentos das estações conversoras de um sistema HVDC, quando comparados aos terminais em corrente alternada, a economia feita no sistema de transmissão se mostra capaz de cobri-las conforme visto nas tabelas 1 e 2, sendo, em Itaipú, o sistema de transmissão HVAC 2,73 vezes mais caro que o HVDC. VI. CONCLUSÃO DOS AUTORES DOS ESTUDOS As considerações finais explicitadas nos artigos base desse estudo foram consoantes concluir que mediante ao estudos realizados, comparando as tecnologias de transmissão HVDC e HVAC apresentadas sob aspectos ambientais, econômicos e técnicos, já se tem base para entender e analisar caso a caso qual escolha os engenheiros podem fazer em relação à tecnologia de transmissão a ser utilizada em determinado empreendimento. Um importante fator na análise para a tomada de decisão em questão é o fator ambiental. Foi apresentado que a tecnologia HVDC mostra-se mais ambientalmente amigável que a tecnologia HVAC em diversos aspectos. Além disso vale ressaltar a utilização da tecnologia HVDC em conjunto com plataformas eólicas off shore,o que elimina a necessidade de queima de combustíveis fósseis como o dísel para geração de energia das plataformas além da compatibilidade com a geração de energia em CC proporcionada por fontes solares, uma alternativa energética renovável e mais limpa que as derivadas do petróleo ou carvão, ainda presentes em grande peso na matriz energética global. Sob o aspecto econômico, é necessário levar em consideração que as estações conversoras DC são bem mais caras que as subestações de transformação de tensão em AC, no entanto existe um comprimento crítico das linhas de transmissão, que vai de 500 a 800 km. Este comprimento crítico estabelece um marco a partir do qual é economicamente mais viável a implementação da tecnologia HVDC, mediante ao impacto que as linhas de transmissão possuem em relação ao custo total de todo o sistema de transmissão. Outra conclusão observada foi que dado o crescimento do sistema elétrico brasileiro e a prospecção de desenvolvimento para os próximos anos, enxerga-se na região Norte uma atraente alternativa para suprir essa crescente demanda, e é de comum acordo entre os estudiosos desse sistema, que a transmissão da energia produzida para os grandes centros consumidores se feita em corrente contínua, apresentará melhor custo benefício em âmbito nacional. VII. CONCLUSÃO DOS AUTORES DESTE TRABALHO A tecnologia HVDC está sendo redescoberta como uma alternativa a HVAC. A nossa matriz elétrica é composta, em sua maioria, de geradoras de energia em corrente alternada, sendo que para transmitir em corrente contínua seria necessária uma estação de conversão. Com o advento de novas tecnologias de geração de energia elétrica em corrente contínua como a solar, a transmissão em HVDC pode ser bastante vantajoso. Como podemos ver nesse trabalho, os países que mais investem nesse tipo de transmissão são os que tem dimensões continentais. As linhas de transmissões nesses casos se tornam extremamente importantes para entregar energia de qualidade para todo o país. Como pode-se observar na Figura 6, os custos para se construir uma linha de transmissão depende muito de sua distância, sendo que quanto maior ela for, mais vantajoso financeiramente será se ela for feita em corrente contínua. Além das observações citadas anteriormente, a eletrônica de potência está evoluindo muito rápido tecnologicamente. A busca por soluções que utilizam a eletrônica de potência cresceram bastante, o que leva a transmissão em corrente contínua ficar cada vez mais barata. Com isso concluímos que a tecnologia HVDC é uma ótima alternativa para longas distâncias, sendo que a tendência é essa distância ser cada vez menor. REFERÊNCIAS [1] CARVALHO, Antônio Pedro Santos Dias de. ANÁLISE TÉCNICO- ECONÔMICA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA EM ALTA TENSÃO: ESTUDOS DE CASOS. Projeto submetido ao corpo docente do departamento de engenharia elétrica da escola politécnica da universidade federal do rio de janeiro como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de engenheiro eletricista, 2013. Disponível em: http://www.monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10005037.pdf [2] Costa, Robson. Santos, Guilherme. SOLUÇÃO PARA A TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM LONGAS DISTÂNCIAS, UTILIZANDO LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CC. Revista Científica Semana Acadêmica. Fortaleza, ano MMXIV, Nº. 000062, 06/11/2014. Disponível em: https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/solucao_para_a_transmiss ao_de_energia_eletrica_em_longas_distancias_utilizando_linhas_de_transmis sao_em_cc.pdf [3] Coutinho Sato, A.K., TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA EM CORRENTE CONTÍNUA E EM CORRENTE ALTERNADA: ESTUDO COMPARATIVO. 2013. 89 f. Trabalho de graduação (Graduação em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2013. Disponível em: https://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/121076/000734882.pdf?se quence=1 http://www.monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10005037.pdf https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/solucao_para_a_transmissao_de_energia_eletrica_em_longas_distancias_utilizando_linhas_de_transmissao_em_cc.pdf https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/solucao_para_a_transmissao_de_energia_eletrica_em_longas_distancias_utilizando_linhas_de_transmissao_em_cc.pdf https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/solucao_para_a_transmissao_de_energia_eletrica_em_longas_distancias_utilizando_linhas_de_transmissao_em_cc.pdfhttps://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/121076/000734882.pdf?sequence=1 https://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/121076/000734882.pdf?sequence=1
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