Emuladores ativos de umbilicais submarinos de transmissão e distribuição de energia elétrica

Abstract

O desenvolvimento de sistemas de transmissão de energia e acionamentos elétricos em ambiente marinho tem apresentado desafios para a indústria. Instalações remotas e longasconexões utilizando cabos submarinos de potência, também conhecidos como umbilicaissubmarinos, impõem significativas quedas de tensão entre os dispositivos e, devido à ressonâncias que ocorrem naturalmente nestas aplicações, torna-se muito importante prevero efeito do conteúdo harmônico gerado por conversores no sistema e a influência dos umbilicais em sistemas de medição, controle e proteção. Neste contexto, com o objetivo detestar previamente futuros dispositivos de conversão e sistemas de acionamento voltadospara instalações em alto mar, de forma prática e eficiente, este trabalho apresenta o estudo acerca do desenvolvimento de emuladores ativos de cabos de potência. O emulador écomposto por modelos de parâmetros concentrados que representam o cabo. Um sistemade conversores estáticos é utilizado para simular as resistências do modelo, possibilitandoregenerar a notável quantidade de energia dissipada nestes elementos. Além disso, sãoexploradas possibilidades de simular resistências que variam com o aumento da frequênciae considerar os efeitos pelicular e de proximidade, aumentando a fidelidade do emulador.Neste sentido, são tratados os diversos desafios na concepção deste equipamento, onde sãopropostas novas estruturas de conversores multiníveis de alta eficiência e suas respectivasestratégias de controle, destinadas a implementação deste equipamento. A implementaçãode emuladores de cabos em alta potência e média tensão através de técnicas conhecidase que utilizam conversores que processam 100% da potência processada levaria naturalmente ao uso de conversores de alta potência, tipicamente com alto custo e de grandesdimensões. Em contraponto, esta tese propõe que os conversores sejam apenas responsáveis por emular a parte resistiva dos modelos equivalentes de cabos. Desta forma sereduz em muito a potência e a tensão nominal dos conversores e, com isto, ganha-se emcusto, volume e largura de banda em frequência na qual os conversores são capazes deefetivamente emular um sistema real.

Abstract: The designs of high performance ocean-based power systems and subsea variable speed drives are becoming increasingly complex. Remote plants and connections with long cables, also known as submarine umbilicals, generate significant voltage drop and due to resonances which naturally occur in such applications, it is important to forecast the effects of the harmonics content generated by power converters on the system. The impacts of power umbilicals in sensing, control and protection also need to be accessed. In this context, in order to previously test the performance of future electric components and drive systems of offshore plants, including the cable effects, in a flexible and cost effective manner, this work presents a study concerning the design of active umbilical emulators. Power converters are employed to simulate the resistive part of a lumped-parameters model, which is able to emulate the cable dynamics. Then, the notable quantity of energy generated by virtual resistances is injected back to the grid through a regenerative process. Furthermore, this work suggests solutions in order to take into account the skin and proximity effects in the emulated resistances, improving the performance of the proposed emulator. The scope of research includes many challenges and current topics of power electronics, where new high efficient multilevel power converters are proposed to work within the emulator structure. The implementation of cable emulators in high power and medium voltage applications using known techniques and which use converters that process 100% of the power would naturally lead to high power converters. These are typically of high cost and large dimensions. In contrast, this work proposes that the converters are only responsible for emulating the resistive portion of equivalent cable models. In this way, the power and the nominal voltage of the converters are greatly reduced and, thus, gains occur in cost, volume and frequency bandwidth in which the converters are able to effectively emulate a real system.