BR102012020960A2

BR102012020960A2 - Sistema de conversão de potência e método de transmissão de potência elétrica

Info

Publication number: BR102012020960A2
Application number: BR102012020960-8A
Authority: BR
Inventors: Rajib Datta; Ravisekhar Nadimpalli Raju
Original assignee: Gen Electric Campany
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2013-11-05
Also published as: EP2566030A3; CA2787578A1; AU2012216369A1; NZ601986A; JP2013048546A; US8379416B1; EP2566030A2; US20130051091A1

Abstract

SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA E MÉTODO DE TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA ELÉTRICA. Trata-se de um sistema de conversão de potência (50) que inclui um transformador de potência (62) para receber potência de CA em uma primeira tensão de um lado de entrada (52) e para libertar potência de CA em uma segunda tensão para um lado de saída (56). Um conversor de potência (60) também é incluído no sistema de conversão de potência (50) em que o conversor de potência (60) inclui um conversor de lado de entrada (72) no lado de entrada (52) e um conversor de lado de saída (74) no lado de saída (56) acoplados através de uma pluralidade de enlaces de CC (75). Um controlador de conversor (70) no conversor de potência (60) fornece sinais de controla ao conversor de lado entrada (72) e ao conversor de lado de saída (74) para regular um fluxo de potência ativa e de potência ativa e de potência reativa através do conversor de potência (60). Cada um dos conversores de lado de entrada (72) e dos conversores de lado de saída (74) inclui pelo menos dois transformadores de conversor de potência (104,88) acoplados entre pontes de conversor de potência respectivas (102,76) acoplados à pluralidade de enlaces de CC (75) e ao lado de entrada (52) ou à pluralidade de enlaces de CC (75) e ao lado de saída (56).

Description

"SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA E MÉTODO DE TRANSMISSÃO

DE POTÊNCIA ELÉTRICA" Antecedentes

Realizações da invenção referem-se, geralmente, a uma grelha de potência elétrica e, mais especificamente, a um sistema e um método para transmitir potência elétrica.

A estrutura básica de um sistema de potência elétrica compreende vários elementos de hardware tais como geradores, transformadores, linhas de potência, e equipamento de monitoramento em tempo real, bem como software tal como software de análise de fluxo de potência, software de detecção de falha, e software de desarquivamento para geração, transmissão e distribuição de eletricidade.

Uma situação que ocorre com freqüência em um sistema de potência elétrica é a necessidade de transmitir mais potência sobre o sistema do que o mesmo foi originalmente projetado para. Em casos em que há uma necessidade de transmitir mais potência, e a criação de novas linhas de transmissão é proibitiva devido aos custos, prioridade, ou restrições ambientais, utilização aumentada de equipamento e linhas de transmissão existentes é desejável.

Ademais, com geração distribuída aumentada, a integração de geradores distribuídos em sistemas de potência existentes apresenta desafios técnicos tais como regulação de tensão, estabilidade, problemas de qualidade de potência. Qualidade de potência é uma medida centrada no cliente essencial e é enormemente afetada pela operação de uma rede de distribuição e transmissão.

Dispositivos de sistema de transmissão flexível em corrente alternada (FACTS) podem ser uma das soluções para os problemas acima. Dispositivos de FACTS são dispositivos à base de eletrônica de potência e são capazes de fornecer compensações de potência ativa e reativa a sistemas de potência. Entretanto, dispositivos de FACTS são custosos e, em presentes configurações, uma falha no dispositivo de FACTS pode resultar em uma interrupção de potência para um número significativo de clientes.

Por essas e outras razões, há uma necessidade por um método e sistema de conversão de potência aperfeiçoados.

Breve Descrição

De acordo com uma realização da presente invenção, é fornecido um sistema de conversão de potência que inclui um transformador de potência para receber potência de CA em uma primeira tensão de um lado de entrada e para entregar potência de CA em uma segunda tensão para um lado de saída. O sistema de conversão de potência inclui, ainda, um conversor de potência que inclui um conversor de lado de entrada no lado de entrada e um conversor de lado de saída no lado de saída acoplados através de uma pluralidade de enlaces de CC. O conversor de potência inclui, ainda, um controlador de conversor para fornecer sinais de controle ao conversor de lado de entrada e o conversor de lado de saída para regular um fluxo de potência reativa e de potência ativa através do conversor de potência. Cada um dos conversores de lado de entrada e dos conversores de lado de saída inclui pelo menos dois transformadores de conversor de potência acoplados entre pontes de conversor de potência respectivas acopladas à pluralidade de enlaces de CC e o lado de entrada ou à pluralidade de enlaces de CC e o lado de saída.

De acordo com outra realização da presente invenção, é fornecido um método de transmissão de potência elétrica de um lado de entrada para um lado de saída. O método inclui acoplar o lado de entrada e o lado de saída através de um transformador de potência e um conversor de potência que inclui um conversor de lado de entrada no lado de entrada e um conversor de lado de saída no lado de saída acoplados através de uma pluralidade de enlaces de CC. O método inclui, ainda, regular um fluxo de potência reativa e de potência ativa através do conversor de potência controlando o conversor de lado de entrada e o conversor de lado de saída e desconectando o transformador de potência do lado de entrada ou do lado de saída ou ambos os lados durante uma condição de falha no transformador de potência. Cada um dos conversores de lado de entrada e dos conversores de lado de saída compreende pelo menos dois transformadores de conversor de potência acoplados entre pontes de conversor de potência respectivas acopladas à pluralidade de enlaces de CC e o lado de entrada ou à pluralidade de enlaces de CC e o lado de saída.

Desenhos

Essas e outras características, aspectos, e vantagens da presente invenção serão mais bem compreendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida em referência aos desenhos anexos nos quais caracteres similares representam partes similares ao longo dos desenhos, em que:

A Figura 1 é uma representação diagramática de um sistema de potência elétrica global;

A Figura 2 é uma representação gráfica de uma curva de potência/tensão (P-V); A Figura 3 é uma representação diagramática de um sistema de

conversão de potência de acordo com uma realização da presente invenção;

A Figura 4 é uma representação esquemática de um conversor de potência da Figura 3 de acordo com uma realização da presente invenção; e

A Figura 5 é um diagrama de bloco de um controlador de acordo com uma realização da presente invenção.

Descrição Detalhada Ao introduzir elementos de várias realizações da presente invenção, os artigos "um", "uma", "o", "a" e a expressão "dito(a)" são destinados a significar que há um ou mais dos elementos. Os termos "que compreende," "que inclui," e "que tem" são destinados a serem inclusivos e significam que podem haver elementos adicionais além dos elementos listados. Ademais, os termos "conectados" e "acoplados" são usados de modo intercambiável e poderiam significar conexões diretas ou indiretas, salvo indicação.

A Figura 1 ilustra um diagrama de linha única de um sistema de potência elétrica global 10 da geração à utilização. O sistema de potência elétrica 10 inclui uma estação geradora 12, uma subestação de transmissão 14, subestações locais ou subestações de distribuição 16 e cargas 18. A estação geradora 12 pode compreender uma estação geradora de potência hidrelétrica, uma estação geradora de potência térmica, uma estação geradora de potência eólica, ou uma estação geradora de potência solar, por exemplo. O gerador 20 na estação geradora 12 gera eletricidade em uma tensão de estação geradora que em determinadas realizações pode alcançar de 4 kV a 13 kV. A tensão de estação geradora é intensificada a uma tensão de nível de transmissão mais alta tal como 110 kV em uma realização por um transformador de estação geradora 22 para uma transferência mais eficaz da eletricidade.

A eletricidade é transmitida na tensão de nível de transmissão para a subestação de transmissão 14 por linhas de transmissão primárias 24 que são configuradas para transportar eletricidade através de distâncias longas. Na subestação de transmissão 14, uma redução em tensão ocorre para distribuição a outros pontos no sistema através de linhas de distribuição 26. Reduções de tensão adicionais para cargas comerciais e industriais ou residenciais 18 podem ocorrer na subestação de distribuição 16. A subestação de distribuição 16 pode suprir eletricidade em tensões na faixa de 4 kV a 69 kV, por exemplo. As tensões podem ser reduzidas adicionalmente por um ou dois mais níveis em outras subestações locais (não mostradas) que recebem potência da subestação de distribuição 16 para suprir a eletricidade para cargas residenciais em tensões inferiores tais como 120 V ou 240 V. Classificações de corrente e tensão de linhas de transmissão 24 determinam uma capacidade de transmissão das linhas de transmissão 24 que é geralmente medida em termos de carga de MVA (S). A carga de MVA é uma soma vetorial de uma potência ativa ou uma potência real (P) e uma potência reativa (Q) e é dada como P+jQ. Desse modo, a potência reativa Q que não produz trabalho ou energia coloca um limite na quantidade de potência ativa P que pode ser transmitida através da linha de transmissão 24. Entretanto, se a potência reativa Q é suprida localmente (por exemplo, na estação de distribuição 16), a quantidade de potência ativa transferida pode ser aumentada.

A Figura 2 mostra uma representação gráfica 30 de uma curva de potência/tensão (P-V). Um eixo geométrico horizontal 32 representa a potência ativa P em termos de por unidade (pu) e um eixo geométrico vertical 34 representa uma tensão de linha em pu. Três esquemas 36, 38, 40 representam as curvas de P/V para três fatores de potência diferentes (isto é, retardamento de 0,97, unidade, e adiantamento de 0,97, respectivamente). Um ponto de nariz 42 em cada uma das curvas representa um limite de estabilidade de tensão no fator de potência respectivo. Conforme será observado por aqueles versados na técnica, um ponto de nariz refere-se a um ponto após o qual a queda de tensão ocorre. Ou seja, embora com carga aumentada ou a potência ativa, a tensão de linha também varia levemente, mas além do ponto de nariz 42 a tensão diminui de forma afiada para 0 pu. Essa condição resulta de perdas de potência reativa que excedem de modo significativo os recursos reativos disponíveis para suprir as mesmas. Conforme pode ser visto a partir das três curvas 36, 38, 40, a variação de tensão de linha depende do fator de potência e com fatores de potência mais elevados ou de adiantamento, o ponto de nariz ocorre em tensões mais elevadas. Em outras palavras, com fatores de potência mais elevados ou de adiantamento, o sistema fica mais estável. Um sistema de conversão de potência de acordo com uma realização da presente invenção fornece potência reativa à linha de potência para aperfeiçoar o fator de potência e consequentemente a estabilidade de tensão conforme discutido acima. Outras aplicações do sistema de conversão de potência incluem compensação de corrente harmônica, amortecimento de oscilações de sistema de potência, capacidade de suportabilidade de baixa tensão e regulação de tensão, por exemplo.

A Figura 3 mostra um sistema de conversão de potência 50 de acordo com uma realização da presente invenção. Embora o exemplo fornecido na Figura 3 ilustre um sistema de conversão de potência trifásico, isso não é Iimitante dos ensinamentos no presente documento. O sistema de conversão de potência 50 inclui um conversor de potência 60 e um transformador principal 62 que fornecem acoplamento entre um lado de tensão mais baixa 52 e um lado de tensão mais alta 56. Na realização mostrada, o lado de tensão mais baixa 52 está em um lado de gerador 54, enquanto o lado de tensão mais alta 56 está na linha de transmissão 58. Entretanto, em outras realizações, o lado de tensão mais baixa pode estar em um lado de carga e o lado de tensão mais alta pode estar no lado de linha de transmissão.

Na realização mostrada, o conversor de potência 60 e o transformador principal 62 são conectados de modo paralelo. Entretanto, outras configurações, tais como entradas de conversor de potência 60 e transformador principal 62 sendo conectados em série e saída sendo conectadas de modo paralelo ou vice versa, também são abrangidas pelo escopo dessa invenção. Em geral, durante condições de operação normais, alguma parte da potência do lado de baixa tensão 52 é processada através do transformador principal 62 e uma parte restante da potência é processada através do conversor de potência 60. A relação da potência que pode ser processada através do conversor de potência 60 e do transformador principal 62 depende da classificação do transformador principal 62 e do conversor de potência 60 bem como dos aspectos de controle da aplicação. Durante uma condição anormal, isto é, quando há uma falha em um transformador principal, o transformador principal 62 é desconectado do lado de baixa tensão ou do lado de alta tensão ou de ambos, e uma potência possível máxima é transmitida através do conversor de potência 60. A potência possível máxima depende, novamente, da classificação de tensão ou corrente ou potência do conversor de potência 60. Em uma realização, a classificação de potência do conversor de potência 60 é pequena em comparação com o transformador principal 62. Por exemplo, se a classificação de potência do transformador principal 62 é 500 MVA, então a classificação do conversor de potência 60 pode ser 100 MVA.

Ademais, durante operação normal, o transformador principal 62 meramente transmite a potência que vem do lado de tensão mais baixa 52 para o lado de tensão mais alta 54 alterando o nível da tensão. Enquanto isso, o conversor de potência 60 injeta uma potência reativa e ativa controlável no lado de tensão mais alta 54. Uma quantidade de corrente que o conversor de potência 60 injeta no lado de tensão mais alta 54 depende da aplicação. As aplicações, conforme discutidas no parágrafo anterior, podem incluir compensação de potência reativa, compensação de corrente harmônica, transitória e manejo de estabilidade de estado estável, etc.

A Figura 4 mostra uma representação esquemática do conversor de potência 60 da Figura 3 de acordo com uma realização da presente invenção. O conversor de potência 60 inclui um conversor de lado de entrada 72 e um conversor de lado de saída 74 acoplados através de uma pluralidade de capacitores de enlace de CC 75. Em uma realização, um sinal de entrada trifásico é recebido pelo conversor de lado de entrada 72 a partir de um gerador (não mostrado); enquanto um sinal de saída trifásico é fornecido pelo conversor de lado de saída 74 a uma linha de transmissão. O lado de entrada e o lado de saída podem ser o lado de alta tensão e o lado de baixa tensão, respectivamente, ou o lado de baixa tensão e o lado de alta tensão, respectivamente. Em uma realização, o lado de entrada e o lado de saída podem estar no mesmo nível de tensão se o transformador principal 62 não é usado. Um controlador de conversor 70 monitora, bem como controla, a condição do conversor de lado de entrada 72 e do conversor de lado de saída 74 com base em sinais de referência que podem incluir sinais de tensão, sinais de corrente, ou sinais de potência ativa e reativa, por exemplo.

O conversor de lado de saída 74 compreende pelo menos duas pontes de conversor de lado de saída 76 e pelo menos dois transformadores de conversor de lado de saída 88. Na realização mostrada, seis pontes de conversor de lado de saída 76 e seis transformadores de conversor de lado de saída respectivos 88 são utilizados. Cada componente é descrito em detalhes adicionais abaixo.

Em uma realização, o controlador de conversor 70 é configurado para controlar as pontes de conversor de lado de saída 76 para comutar em uma freqüência baixa e gerar um tensão de saída de conversor correspondente que inclui um componente de tensão fundamental e componentes harmônicos. Em uma realização, a freqüência de comutação baixa alcança de 60 Hz a 180 Hz para uma freqüência fundamental de 60 Hz. Em outra realização, as pontes de conversor de lado de saída podem estar operando em alta freqüência. Por exemplo, em uma realização, a alta freqüência pode ser 2 kHz. A tensão de saída de conversor das pontes de conversor de potência 76 é gerada em uma pluralidade de linhas de CA 99.

Os transformadores de conversor de lado de saída 88 são configurados para gerar uma tensão de saída 100 alterando o nível da tensão da linha de CA 99 para combiná-la com a tensão do lado de saída da linha de potência. A tensão de saída resultante 100 compreende uma soma dos componentes de tensão fundamentais da tensão de saída de cada ponte de conversor de lado de saída 76. Em uma realização, a tensão de saída resultante 100 é substancialmente livre de qualquer componente harmônico que exista nas tensões de saída de conversor das pontes de conversor de lado de saída 76. Substancialmente livre refere-se a uma tensão de saída resultante que não inclui componentes harmônicos de baixa ordem tais como 5a, 7a, 11a ou 13a.

Cada ponte de conversor de lado de saída 76 é acoplada a um enrolamento primário 78 de um transformador de conversor de lado de saída respectivo 88. Tipicamente, cada transformador de conversor de lado de saída compreende um transformador trifásico. Em uma realização, o enrolamento primário 78 de cada transformador de conversor de lado de saída 88 é conectado em um modo delta trifásico (isto é, enrolamento delta trifásico).

Em outra realização, um enrolamento secundário 80 do transformador de conversor de lado de saída 88 compreende um enrolamento único por fase com neutro aberto. Os enrolamentos secundários 80 de todos os transformadores de conversor de lado de saída 88 são então tipicamente conectados em série. Em uma realização, os enrolamentos secundários 88 podem ser conectados de modo paralelo. Em outra realização, alguns enrolamentos secundários podem ser conectados em série e grupos de enrolamentos conectados em série podem ser conectados de modo paralelo. Em ainda outra realização, os enrolamentos secundários 88 podem ser orientados de tal modo que cada um dos enrolamentos secundários tenha a fase alterada por um ângulo em relação a um enrolamento secundário de outro transformador para cancelar harmônicas de baixa ordem em tensões de saída. Em uma realização alternativa, o enrolamento primário e secundário pode compreender um enrolamento em zigue-zague. Em uma realização mais específica, o controlador de conversor 70 é configurado para controlar as pontes de conversor de lado de saída 76 para comutar com uma alteração de fase. Os sinais de comutação para pontes de conversor de lado de saída 76 são derivados de modo que os componentes fundamentais das tensões saída de conversor sejam alterados em fase em relação um ao outro. Em uma realização, os sinais de comutação de fase alterada, quando combinados com alteração de fase em enrolamento secundário 80 dos transformadores de conversor de lado de saída 88, resulta no cancelamento dos componentes harmônicos de baixa ordem da tensão de saída resultante. A ordem de harmônicas canceladas depende do número de pares de unidades de conversor/transformador usadas. O número de pares e nível de alteração de fase podem ser selecionados de tal modo que uma tensão de saída resultante de qualidade de potência alta seja derivada em uma freqüência de comutação relativamente baixa.

A estrutura do conversor de lado de entrada 72 é semelhante ao conversor de lado de saída 74. Ou seja, o conversor de lado de entrada 72 também inclui pelo menos duas pontes de conversor de lado de entrada 102 e dois transformadores de conversor de lado de entrada 104. Cada uma das pontes de conversor de lado de entrada 102 é acoplada às linhas de entrada por meio do transformador de conversor de lado de entrada correspondente 104. Além disso, as pontes de conversor de lado de entrada 102 são acopladas aos enrolamentos secundários 106 dos transformadores de conversor de lado de entrada 104, enquanto os enrolamentos primários 108 dos transformadores de conversor de lado de entrada 104 podem ser conectados em série ou de modo paralelo ou em uma combinação de em série/de modo paralelo conforme descrito com os enrolamentos secundários 80 do transformador de conversor de potência 88. Adicionalmente, as pontes de conversor de lado de entrada 102 do sistema de conversor de lado de entrada 72 podem ser comutadas de maneira semelhante como as pontes de conversor de lado de saída 76.

Em uma realização adicional, o controlador de conversor 70 é adicionalmente configurado para controlar um fluxo de potência ativa a partir das pontes de conversor de lado de entrada 102 e pontes de conversor de lado de saída 76. Em uma realização, a saída de potência ativa é controlada através do controle de um ângulo de fase do componente fundamental da tensão de saída resultante no lado de saída, enquanto a entrada de potência reativa é controlada através do controle de uma amplitude da tensão dos capacitores de enlace de CC 75.

Em outra realização, o conversor de potência 60 é adicionalmente configurado para controlar um fluxo de potência reativa do lado de entrada e pontes de conversor de lado de saída 76 e 102. Nessa realização, a potência reativa é tipicamente controlada através do ajuste de uma magnitude ou amplitude resultantes do componente fundamental da tensão de saída resultante no lado de saída ou no lado de entrada.

Em uma realização, o controlador de conversor 70 pode controlar o lado de entrada e as pontes de conversor de lado de saída 102 e 76 para gerar sinais de comando de tensão ou uma corrente de referência no lado de saída que pode adicionalmente resultar em alterações de fluxo de potência ativa e reativa. Os sinais de comando de tensão ou uma corrente de referência podem depender da aplicação para a qual o presente conversor de potência 60 pode ser empregado. Por exemplo, as aplicações podem incluir compensação de potência reativa, compensação de corrente harmônica, amortecimento de oscilações de sistema de potência, capacidade de suportabilidade de baixa tensão e regulação de tensão. Deve-se notar que, em geral, independentemente da aplicação, quando tensões e correntes do conversor de potência 60 são controladas, a potência ativa e reativa também é controlada de uma maneira padrão. Isso é porque a potência ativa e reativa são finalmente funções de tensões e correntes.

Em uma realização, conexões de enrolamentos de transformadores de conversor de lado de saída e de entrada podem ser alteradas de um tipo a outro quando o transformador principal 62 (Figura 3) é desconectado do sistema. Por exemplo, em uma realização, grupos de enrolamentos primários conectados em série dos transformadores de lado de entrada podem ser conectados de modo paralelo que podem ser adicionalmente conectados em série com o transformador principal 62 durante condições normais. Entretanto, quando o transformador principal 62 é removido devido à falha ou para propósitos de manutenção, a conexão dos enrolamentos primários dos transformadores de lado de entrada pode ser alterada de tal modo que os enrolamentos primários de todos os transformadores de lado de entrada sejam conectados em série. As alterações de conexão podem ser feitas para reconfigurar o conversor de potência 60 para lidar com as tensões de sistema e transferir a potência possível máxima do lado de entrada para o lado de saída.

A Figura 5 mostra um diagrama de bloco exemplificativo de um controlador 120 de acordo com uma realização da presente invenção. O controlador 120 inclui um controlador de conversor de lado de saída 122 e um controlador de conversor de lado de entrada 124. Deve-se notar que o controlador 120 é apenas uma parte do controlador de conversor 70 da Figura 4. Em outras palavras, o controlador de conversor de lado de saída 122 e o controlador de conversor de lado de entrada 124 mostrados são apenas para pontes de conversor de lado de entrada e de saída individuais 76 e 102. Em uma realização, tais controladores múltiplos 120 podem ser utilizados no controlador de conversor 70 para pontes de conversor múltiplas, tais como aquelas mostradas na Figura 4. Esses controladores múltiplos podem ser conectados em uma realização ou podem ser reduzidos a um único controlador sem se desviar do escopo da invenção. Ambos os controladores 122 e 124 utilizam um ângulo θ gerado a partir de uma alça fechada por fase trifásica (PLL) (não mostrada) em matrizes de transformação que transformam tensão ou sinais de corrente de um quadro de referência a outro quadro de referência. O controlador de lado de saída 122 recebe sinais de referência, potência ativa de ponte de lado de saída P0* e potência reativa de ponte de lado de saída Q0* como entradas. Em uma realização, o sinal de potência ativa de ponte de lado de saída P0* e o sinal de potência reativa de ponte de lado de saída Q0* podem ser gerados através da divisão da potência ativa e reativa de saída total requerida do conversor de lado de saída 74 (Figura 4) por um número de pontes de conversor de potência utilizados no conversor de lado de saída 74. Por exemplo, se a potência ativa e reativa de saída total requerida do conversor de lado de saída 74 é 50 MW e 50 MVAR, respectivamente, e o número de pontes de conversor utilizadas é 5, então cada uma das pontes de conversor necessitará emitir potência ativa de 10MW e potência reativa de 10 MVAR, respectivamente.

Um bloco de computação de corrente 126 computa sinais de corrente de referência de ponte de lado de saída de domínio d-q iocj* e ioq* a partir dos sinais de potência ativa e reativa de ponte de lado de saída P0* e Q0*, respectivamente. Em uma realização, os sinais de domínio d-q se referem a sinais em um quadro de referência síncrono (isto é, um quadro de referência que gira em velocidade síncrona). Dois reguladores 128, 130 integrais de proporção (PI) em seguida geram sinais de tensão de referência de ponte de lado de saída de domínio d-q V0d* e Voq* como base nos sinais de erro entre os sinais de corrente de referência de ponte de lado de saída de domínio d-q \od* e ioq* e sinais de corrente reais de ponte de lado de saída de domínio d-q i0d e ioq, respectivamente. Os sinais de corrente reais de domínio d-q i0d e ioq são gerados por uma matriz de transformação abc-dq 132 a partir de correntes de ponte reais de lado de saída de domínio a-b-c ioa, U, e ioc· Em uma realização, a matriz de transformação abc-dq 132 pode ser dada como

COS θ cos (Θ-2-) 3

71 s

COS (0 + 2—) 3

π,

seno θ seno (Θ-2-)

3

η ,

seno (Θ + 2 —) 3

(1)

em que θ é dado como cot, sendo que ω representa a freqüência de tensão de linha de transmissão em rad/segundos e sendo que t representa tempo em segundos.

Uma matriz de transformação dq-abc 134 converte sinais de tensão de domínio d-q V0d* e Voq* em sinais de comando de tensão de referência de ponte de lado de saída de domínio a-b-c Voacmd, V0bcmd e V0Ccmd. A matriz de transformação dq-abc pode ser dada como:

cos θ seno θ

1

λ/2

cos (θ — 2 —) seno (θ-2-)

3 3J V2

cos (6> + 2 —) seno (Θ+ 2—)

3 K r 42

(2)

Um modulador 136 em seguida gera sinais de comutação para conversor de ponte de lado de saída 76 (Figura 4) para gerar os sinais de comando de tensão Voacmd, VobCmd e V0Ccmd· Em uma realização, o modulador 136 pode ser um modulador de modulação por largura de pulso (PWM). Adicionalmente, o modulador de PWM pode ser um modulador de PWM senoidal/triangular ou um modulador de PWM vetorial de espaço.

A estrutura do controlador de lado de entrada 124 é mais ou menos semelhante ao controlador de lado de saída 122. O objetivo do controlador de lado de entrada 124 é controlar o conversor de ponte de lado de entrada 102 (Figura 4) para manter a tensão no enlace de CC 75 (Figura 4) e para gerar uma potência reativa requerida estabelecida por um operador. O controlador de lado de entrada 124 recebe sinais de referência, tensão de enlace de CC Vdc* e potência reativa de ponte de lado de entrada Q* como entradas. Conforme discutido anteriormente, o sinal de potência reativa de ponte de lado de entrada Qi* pode ser gerado, ainda, através da divisão da potência reativa total requerida do conversor de lado de entrada 102 por um número de pontes de conversor de potência utilizadas no conversor de lado de entrada 102.

Um regulador Pl de tensão 138 gera um sinal de corrente de referência de ponte de lado de entrada de domínio d iid* com base em um erro entre a tensão de enlace de CC real Vdc e a tensão de enlace de CC de referência Vdc*, enquanto um bloco de computação de corrente 140 gera sinal de corrente de referência de ponte de lado de entrada de domínio q iiq*. Conforme com o controlador de conversor de lado de saída 122, dois reguladores integrais proporcionais (PI) 142, 144 em seguida geram sinais de tensão de referência de ponte de lado de entrada de domínio d-q Vid* e Viq* com base em sinais de erro entre sinais de corrente de referência de ponte de lado de entrada de domínio d-q iid* e iiq* e sinais de corrente reais de ponte de lado de entrada de domínio d-q iid e iiq, respectivamente. Os sinais de corrente reais iid e iiq são gerados por uma matriz de transformação abc-dq 146 a partir de correntes de ponte de lado de entrada de domínio a-b-c iia, iib, e iic. Finalmente, uma matriz de transformação dq-abc 148 converte os sinais de tensão de domínio d-q Vid* e Viq* em sinais de comando de tensão de ponte de lado de entrada de domínio a-b-c Viacmd, VibCmd e Viccmd, que são em seguida gerados pela ponte de conversor de lado de entrada 102 (Figura 4) após receber os sinais de comutação de um modulador 150.

Deve-se notar que o controlador 120 mostrado aqui é meramente exemplificativo e outras estruturas de controlador que podem ser usadas para controlar realizações do conversor de potência da presente invenção são bastante abrangidas pelo escopo dessa invenção. O objetivo de tais controladores pode incluir a compensação de corrente harmônica, o amortecimento de oscilações de sistema de potência, a capacidade de suportabilidade de baixa tensão e a regulação de tensão.

Uma das vantagens do sistema de conversão de potência apresentado é que ele utiliza baixa potência e, consequentemente, blocos de construção modulares mais econômicos que compreendem pontes de conversor e transformadores comparados com dispositivos de FACTS de alta potência e dispendiosos. Desse modo, quando um dos blocos de construção falha, o mesmo pode ser substituído imediatamente por um bloco de construção de reserva que garante a continuidade do suprimento de potência. Além disso, o mesmo pode transmitir uma potência reduzida mesmo quando o transformador principal falha.

Embora apenas determinadas características da invenção tenham sido ilustradas e descritas no presente documento, muitas modificações e alterações ocorrerão àqueles versados na técnica. Deve-se entender, portanto, que as reivindicações anexas são destinadas a cobrir todas tais modificações e alterações conforme abrangidas pelo verdadeiro espírito da invenção.

Claims

1. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA (50), que compreende: um transformador de potência (62) para receber potência de CA em uma primeira tensão de um lado de entrada (52) e para liberar potência de CA com uma segunda tensão para um lado de saída (56); um conversor de potência (60) que compreende: um conversor de lado de entrada (72) no lado de entrada (52) e um conversor de lado de saída (74) no lado de saída (56) acoplados através de uma pluralidade de enlaces de CC (75); um controlador de conversão (70) para fornecer sinais de controle ao conversor de lado de entrada (72) e ao conversor de lado de saída (74) para regular um fluxo de potência ativa e de potência reativa através do conversor de potência (60); em que cada um dos conversores de entrada lateral (72) e dos conversores laterais de saída (74) compreende pelo menos dois transformadores de conversão de potência (104, 88) acoplados entre as pontes de conversor de potência respectivas (102, 76) acopladas à pluralidade de enlaces de CC (75) e o lado de entrada (52) ou à pluralidade de enlaces de CC (75) e o lado de saída (56).

2. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que o transformador de potência é desconectado do lado de entrada ou do lado de saída ou de ambos os lados durante uma condição de falha no transformador de potência.

3. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que os terminais de entrada do conversor de potência e do transformador de potência são conectados em série e os terminais de saída são conectados em paralelo.

4. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que os terminais de entrada do conversor de potência e do transformador de potência são conectados de modo paralelo e os terminais de saída do conversor de potência e do transformador de potência são conectados em série.

5. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que o controlador de conversão fornece sinais de controle com base em uma aplicação que compreende uma dentre uma compensação de potência reativa, compensação de corrente harmônica, ou transitória e manejo de estabilidade de estado estável.

6. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que regular a potência ativa compreende controlar um ângulo de fase de uma tensão de saída da ponte de conversor de potência ou uma amplitude de pelo menos uma dentre a pluralidade de tensões de enlace de CC.

7. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que regular a potência reativa compreende controlar uma amplitude de uma tensão de saída da ponte de conversão de potência.

8. MÉTODO DE TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA ELÉTRICA, de um lado de entrada (52) para um lado de saída (56), que compreende: acoplar o lado de entrada (52) e o lado de saída (56) através de um transformador de potência (62) e um conversor de potência (60) que inclui um conversor de lado de entrada (72) no lado da entrada (52) e um conversor de lado de saída (74) no lado de saída (56) acoplados através de uma pluralidade de enlaces de CC (75); regular um fluxo de potência ativa e de potência reativa através do conversor de potência (62) mediante o controle do conversor de lado de entrada (72) e do conversor de lado de saída (74); em que cada um dentre os conversores de lado de entrada (72) e os conversores de lado de saída (74) compreendem pelo menos dois transformadores de conversor de potência (104, 88) acoplados entre as respectivas pontes de conversor de potência (102, 76) acopladas à pluralidade de enlaces de CC (75) e o lado de entrada (52) ou à pluralidade de ligações de CC (75) e o lado de saída (56).

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, em que acoplar o lado de entrada e o lado de saída compreende conectar os terminais de entrada do conversor de potência e o transformador de potência em série e os terminais de saída de modo paralelo.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, em que a regulação do fluxo de potência ativa e de potência reativa tem como base uma aplicação que compreende uma dentre uma compensação de potência reativa, compensação de corrente harmônica, ou transitória e manejo de estabilidade de estado estável.