Evaluating variable-speed operation for improved hydropower plant operation

dc.contributor.advisor1MESQUITA, André Luiz Amarante
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1331279630816662
dc.contributor.advisor1ORCID******
dc.contributor.memberVINAGRE, Marco Valério de Albuquerque
dc.contributor.memberMARTINEZ, Carlos Barreira
dc.contributor.memberBLANCO, Claudio José Cavalcante
dc.contributor.memberCAMARGO, Ivan Marques de Toledo
dc.contributor.memberFURTADO, Gilton Carlos Andrade
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8044094535697705
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5361181196979714
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8319326553139808
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8319326553139808
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0986142198820433
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-7650-9204
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-0653-5298
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0001-8022-2647
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0001-8022-2647
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0001-7821-0110
dc.creatorWANZELER, Tiago Machado
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5019511052806296
dc.creator.ORCID******
dc.date.accessioned2026-02-06T19:56:45Z
dc.date.available2026-02-06T19:56:45Z
dc.date.issued2026-12-18
dc.description.abstractThe accelerating transition toward renewable energy demands innovative solutions for grid stability and reliability. This work investigates partial and total conversion of existing large hydropower plants to VSO as a means to increase operational flexibility, reduce start–stop cycles, improve efficiency and enhance energy production. Among available technologies, the MMC stands out for its modular, scalable design and suitability for high voltage and power ratings, enabling VSO retrofits without replacing existing synchronous machines. A general methodology is proposed that combines universal hill charts, similarity laws and a power-redispatch algorithm to exploit the extended H–Q–N operating domain under VSO. Simulations using historical operating data compare FSO and VSO for several partial- and full-conversion scenarios. The results show a consistent reduction in machine starts and stops, from about 19% with only three units converted to VSO up to 32% for full-plant conversion. At the same time, VSO combined with optimized dispatch systematically increases annual energy production: for the representative hydrological year, the gain is of the order of 2.5% relative to the historical fixed-speed baseline, whereas optimization alone (without VSO) yields negligible additional energy. The optimized redispatch further indicates that most of these flexibility and energy-gain benefits can be captured with partial conversion, outlining a more cost-effective modernization path than converting all units. In a second step, the same framework is extended to cavitation mitigation using a σ–Ns criterion and VSO-based adjustment strategies in discharge and speed. For a modest power-tolerance band that can be compensated by other units, up to approximately 75% of initially cavitating operating hours are transferred to a safe region with limited deviation from the original dispatch. Overall, the study shows that VSO conversion of existing hydropower plants is technically feasible and highly beneficial, offering an integrated strategy to reduce start–stop cycles, increase energy production and firm energy, and mitigate cavitation, thereby supporting the reliable integration of high shares of variable renewable generation.
dc.description.affiliationUFPA - Universidade Federal do Pará
dc.description.resumoA transição acelerada em direção às fontes renováveis de energia exige soluções inovadoras para garantir estabilidade e confiabilidade ao sistema elétrico. Este trabalho investiga a conversão parcial ou total de usinas Hidrelétricas existentes para operação em VSO como meio de melhorar a operação. Entre as tecnologias disponíveis, o MMC se destaca por seu caráter modular e escalável e por sua adequação a elevados níveis de tensão e potência, possibilitando o retrofit para VSO sem a necessidade de substituição das máquinas síncronas existentes. Propõe-se uma metodologia geral que combina diagramas de colina universais, leis de similaridade e um algoritmos de redespacho sob VSO. Simulações baseadas em dados históricos de Operação comparam os modos FSO e VSO para diversos cenários de Conversão parcial e total. Os resultados mostram uma redução no número de partidas e paradas, variando de cerca de 19% com apenas três unidades convertidas para VSO até 32% para a conversão integral da usina. Ao mesmo tempo, a VSO combinada ao despacho otimizado aumenta sistematicamente a energia anual gerada: o ganho é da ordem de 2,5% em relação ao caso histórico em FS. O redespacho otimizado também indica que a maior parte desses benefícios de flexibilidade e ganho de energia pode ser capturada com conversão parcial, delineando um caminho de modernização mais econômico do que a conversão de todas as unidades. Em outra análise, o mesmo arcabouço é estendido para a mitigação de cavitação, empregando um critério σ–Ns e estratégias de ajuste em vazão e velocidade baseadas em VSO. Para uma faixa modesta de tolerância de potência, que pode ser compensada por outras unidades, cerca de 75% das horas de operação inicialmente cavitantes são transferidas para uma região segura. Em suma, o estudo mostra que a conversão de usinas hidrelétricas existentes para VSO é tecnicamente viável e altamente vantajosa, oferecendo uma estratégia integrada para reduzir ciclos de partidas e paradas, aumentar a produção de energia e a energia firme e mitigar cavitação, apoiando assim a integração confiável de altas Participações de geração renovável variável.
dc.identifier.citationWANZELER, Tiago Machado. Evaluating variable-speed operation for improved hydropower plant operation. Orientador: André Luiz Amarante Mesquita. 2025. 157 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/handle/2011/17973. Acesso em:.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/17973
dc.languageporpt_BR
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Federal do Parápt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentInstituto de Tecnologiapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazôniapt_BR
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.source1 CD-ROM
dc.subjectConversão de usinas
dc.subjectVelocidade variável
dc.subjectPartidas e paradas
dc.subjectRedistribuição de potência
dc.subjectIntegração de fontes renováveis
dc.subjectVariable-Speed operation
dc.subjectStart–Stop cycle reduction
dc.subjectHydropower scheduling
dc.subjectCavitation mitigation
dc.subjectRetrofitting hydropower plants
dc.subject.areadeconcentracaoUSO E TRANSFORMAÇÃO DE RECURSOS NATURAISpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS
dc.subject.linhadepesquisaMEIO AMBIENTE E ENERGIA
dc.titleEvaluating variable-speed operation for improved hydropower plant operation
dc.title.alternativeAvaliação da operação em velocidade Variável para melhorar a operação de usinas hidrelétricas
dc.typeTesept_BR

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