BR102014017323A2

BR102014017323A2 - sistema de energia de cc de alta tensão e conjunto da extremidade receptora submarina

Info

Publication number: BR102014017323A2
Application number: BR102014017323A
Authority: BR
Inventors: Di Zhang; Dong Dong; Luis Jose Garces; Maja Harfman Todorovic; Rixin Lai; Song Chi
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2015-11-17
Also published as: BR102014017323B1; US9496702B2; AU2014203750B2; EP2827158A3; EP2827158B1; CN104297627B; US20150015066A1; EP2827158A2; AU2014203750A1; MY170061A; SG10201403893WA; CN104297627A

Abstract

sistema de energia de cc de alta tensão e conjunto da extremidade receptora submarina. trata-se de um método (600) e um sistema de energia de cc de alta tensão (cc de hv) (100) fornecidos, o sistema inclui uma pluralidade de módulos de extremidade transmissora (se) (110) acoplados em série elétrica e divididos em pelo menos dois grupos (111, 113) em que cada um opera de forma independente em relação ao aterramento elétrico (112) e uma pluralidade de módulos de conversor de energia de extremidade receptora (re) (118) acoplado eletricamente à pluralidade de módulos se (110), a pluralidade de módulos de conversor de energia re que incluem um dispositivo de controle e detecção de falha de aterramento rápido (500), a pluralidade de módulos de conversor de energia re que incluem um controlador de conversor de cc-cc de front-end de extremidade receptora (1100) e um controle de amortecimento de corrente de saída (1106).

Description

“SISTEMA DE ENERGIA DE CC DE ALTA TENSÃO E CONJUNTO DA EXTREMIDADE RECEPTORA SUBMARINA” Declaração referente à pesquisa e ao desenvolvimento patrocinados pelo GOVERNO FEDERAL [001] O governo dos E.U.A. tem certos direitos nesta invenção, como fornecido pelos termos do contrato Na DE-AC-07NT42677.

Antecedentes da revelação [002] Esta descrição refere-se a sistemas de distribuição de energia e, mais particularmente, a sistemas e métodos para controle e proteção de um sistema de distribuição e transmissão de corrente contínua de alta tensão (CC de HV). [003] Visto que os campos de óleo e gás em águas rasas secam, os produtores estão acessando campos em alto mar em águas mais profundas com instalações de óleo que operam muito abaixo da superfície do mar. O equipamento típico para tal produção e recuperação de óleo submarino inclui compressores de gás e várias bombas para múltiplas funções. Sistemas de motor e acionamento de velocidade variável elétrica (VSD) são um modo de alimentar tal equipamento diretamente sob as águas profundas. Portanto, a distribuição de energia elétrica a partir de uma rede de serviços públicos em terra firme afastada ou geração de energia é importante para garantir uma produção e processamento de óleo e gás confiável em localizações submarinas. Tipicamente, o requisito de energia de transmissão é de aproximadamente cem megawatts para campos de óleo/gás de médios a grandes. [004] Para aplicações em que a maior parte da energia é transmitida através de longas distâncias para localizações em alto mar, a transmissão de corrente alternada (CA) enfrenta desafios técnicos, que se tornam mais significantes quando a distância de transmissão é maior do que cem quilômetros. A potência reativa significante extraída dos capacitores de cabos submarinos distribuídos restringe a capacidade de distribuição de energia, bem como aumenta o custo do sistema. [005] A transmissão de corrente contínua (CC) é mais eficiente em distâncias mais longas do que a transmissão CA. A transmissão CC em média tensão (MV) ou alta tensão (HV) exige tipicamente conversores eletrônicos de potência que são capazes de conversor entre CA de HV e CC de HV. Em topologias de conversores convencionais, cada chave do conversor é projetada para lidar com altas tensões, que podem variar de dezenas de quilovolts até centenas de quilovolts a depender das necessidades da aplicação. Tais chaves são tipicamente organizadas com conexões em série de vários dispositivos semicondutores, tais como transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) e tiristores. Outro método é usar chaves dentro dos módulos de regime de tensão baixo e alcançar as altas tensões necessárias através da conexão de tantos módulos em série quanto necessário pela aplicação. Devido à aplicação especial submarina, os conversores de extremidade receptora necessitam serem projetados é uma base modular, a qual é fácil de transportar, marinizar, instalar e recuperar.

Breve Descrição da Invenção [006] Em uma realização, um sistema de energia de CC de alta tensão inclui uma pluralidade de módulos de extremidade transmissora (SE) acoplados em série elétrica e divididos em pelo menos dois grupos em que cada um opera de forma independente em relação ao aterramento elétrico e uma pluralidade de módulos de conversor de energia de extremidade receptora (RE) acoplado eletricamente à pluralidade de módulos SE, a pluralidade de módulos de conversor de energia RE, que incluem um dispositivo de controle e detecção de falha de aterramento rápido, a pluralidade de módulos de conversor de energia RE, que incluem um controlador de conversor de CC de front-end de extremidade receptora e um controle de amortecimento de corrente de saída. [007] Em outra realização, um método de proteção e controle do sistema de energia de CC e alta tensão (CC de HV) inclui o acoplamento de uma pluralidade de cargas a um sistema de distribuição de energia de extremidade receptora (RE), o sistema de distribuição de energia RE, configurado como uma pluralidade de sistemas de distribuição monopólio, configurado para operar de forma independente em relação a um aterramento, cada uma das pluralidades de cargas acopladas a um ramo do sistema de distribuição de energia RE através de um respectivo cabo de distribuição de carga e um respectivo módulo de conversão de energia de carga RE. O método inclui adicionalmente, detectar uma falha de aterramento em um ramo, fechar uma chave de desvio através dos condutores do cabo de distribuição de carga conectado com o ramo para desviar a corrente de carga do ramo, diminuir a atividade da corrente em um sistema de distribuição de monopolo conectado, abrir uma chave de isolamento de fafha de aterramento, quando a corrente do sistema de distribuição de monopolo for aproximadamente zero, aumentar a corrente no sistema de distribuição de monopolo conectado para suprir outras cargas no sistema de distribuição de monopolo, enquanto o ramo afetado pela falha de aterramento é isolado. [008] Em ainda outra realização, um conjunto da extremidade receptora submarina (RE) de um sistema de energia de CC de alta tensão inclui uma pluralidade de ramos de módulos de conversor de energia de extremidade receptora (RE) acoplados em série elétrica e que tem dispositivos de proteção de distribuição de segmento de carga conectados, cada módulo de conversor de energia RE supre uma respectiva carga com energia de corrente alternada trifásica (CA) para cada ramo de carga, cada segmento de carga inclui um sistema de detecção de falha de aterramento rápido, que inclui um primeiro sensor de corrente configurado para medir a corrente de carga que entra em um cabo de distribuição de carga, um segundo sensor de corrente configurado para medir a corrente de carga que entra em um módulo de conversor de energia RE a jusante do cabo de distribuição de carga, um detector de falha de aterramento configurado para comparar uma corrente de modo comum residual, medida pelo primeiro e segundo sensores de corrente até um limiar e gerar um comando de falha de aterramento e um dispositivo de isolamento de carga, configurado para isolar uma falha de aterramento do sistema de energia CC de HV com base no comando de falha de aterramento gerado.

Breve descrição das Figuras [009] As Figuras 1 a 13 mostram realizações exemplificativas do método e aparelho descrito no presente documento. [0010] A Figura 1 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de corrente contínua de alta tensão (CC de HV) de corrente contínua de empilhamento modular (CC de MS) com base em fonte de corrente bipolar e um plano de controle de extremidade transmissora. [0011] A Figura 2 é um diagrama de blocos esquemático de outra realização de um sistema de corrente contínua de alta tensão (CC de HV) de corrente contínua de empilhamento modular (CC de MS) com base em fonte de corrente bipolar e um plano de controle de extremidade transmissora. [0012] A Figura 3 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de controle de extremidade transmissora, tal como, o primeiro controlador ou o segundo controlador mostrados nas Figuras 1 e 2 de acordo com uma realização exemplificativa da presente revelação. [0013] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um circuito equivalente de um sistema de extremidade transmissora, configurado como duas fontes de corrente independentes. [0014] A Figura 5 é um diagrama de bloeos esquemático de um sistema de isolamento e detecção de falha de aterramento para uma fonte de corrente bipolar com base em sistemas de corrente contínua em empilhamento modular. [0015] A Figura 6 é um fluxograma de um método de detecção e isolamento de uma falha de aterramento no sistema. [0016] A Figura 7 é um diagrama de blocos esquemático de uma porção do sistema mostrado nas Figuras 1 e 2 que ilustra uma localização de falha de aterramento. [0017] A Figura 8 é um gráfico de uma corrente de modo comum residual do detector GF mostrado na Figura 5 na entrada de um cabo de distribuição. [0018] A Figura 9 é um gráfico de uma corrente de modo comum residual do detector GF mostrado na Figura 5 na entrada do módulo de extremidade receptora. [0019] A Figura 10 é um gráfico que ilustra os efeitos de uma falha de aterramento transitória no sistema. [0020] A Figura 11 é um diagrama esquemático de um controlador e conversor de CC-CC de front-end de extremidade receptora com um circuito de controle de amortecimento de corrente de saída adicional. [0021] A Figura 12 é um gráfico de uma corrente ressonante que pode estar presente em um ramo do sistema mostrado na Figura 1. [0022] A Figura 13 é um gráfico 1300 de uma corrente de sobrepassagem como resultado de um pico da corrente devido a um descarte de cargas de outras cargas vizinhas. [0023] Embora as funções específicas de várias realizações possam ser mostradas em algumas Figuras e não em outras, isso é apenas por conveniência. Qualquer função de qualquer Figura pode ser referenciada e/ou reivindicada em combinação com qualquer função de qualquer outra Figura. [0024] Salvo se indicado de outro modo, as Figuras fornecidas no presente documento pretendem ilustrar funções das realizações da revelação. Essas funções Acredita-se que essas funções possam ser aplicadas em uma grande variedade de sistemas, que compreendem uma ou mais realizações da revelação. Como tal, as Figuras não pretendem incluir todas as funções convencionais conhecidas por pessoas de habilidade comum na técnica para ser exigido para a prática das realizações reveladas no presente documento.

Descrição detalhada da Invenção [0025] A seguinte descrição detalhada ilustra realizações da invenção com o objetivo de exemplificar e não limitar. Considera-se que a invenção tem aplicações gerais às realizações de controle e proteção de sistemas de energia em várias aplicações. [0026] Especificamente, a revelação desta invenção inclui a arquitetura do sistema bipolar, o controle da estação superior de conversão de energia da extremidade transmissora para operação bipolar, o controle de módulos de conversor de energia de extremidade receptora com amortecimento de ressonância da corrente, a estrutura de proteção de desvio da subestação de distribuição e os recursos para isolamento e detecção de falha de aterramento rápido. [0027] A seguinte descrição refere-se às Figuras anexas, nas quais, na falta de uma representação contrária, os mesmos números em figuras diferentes representam elementos similares. [0028] Todos os módulos de extremidade transmissora das CC de MS previamente mencionadas nas patentes são controlados como uma única fonte de corrente. O sistema é preparado para operar apenas quando o sistema completo é construído, desse modo, prolonga o tempo de comissionamento e construção. Qualquer falha pode colocar em risco toda a operação do sistema e reduzir a confiabilidade do sistema. A flexibilidade do sistema é restringida, devido ao modo de operação única. O plano de aterramento de alta impedância, como mostrado na patente previamente mencionada, resulta no caso de que os cabos submarinos precisam de uma capacidade de isolamento da tensão completa ou até mais alta para manter a falha de aterramento transitória. Adicionalmente, a falha de aterramento não é fácil de detectar devido a corrente de falha de aterramento limitada. [0029] Na realização simples da revelação desta invenção, a arquitetura do sistema de empilhamento modular bipolar e o controle de extremidade transmissora são propostos com maior flexibilidade de modos de operação, tais como modos bipolares e monopolos. O sistema pode tolerar a falha do cabo de transmissão único. A estrutura de subestação e a rápida, porém precisa, solução de proteção de falha de aterramento são propostas, que fornecem uma capacidade de atravessar durante um evento de falha de aterramento. Um controlador de amortecimento de corrente ativa é proposto para os módulos de extremidade receptora para uma operação do sistema de distribuição saudável. [0030] A Figura 1 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de corrente contínua de alta tensão (CC de HV) de corrente contínua de empilhamento modular (CC de MS) com base em fonte de corrente bipolar 100 e um plano de controle de extremidade transmissora. Na realização exemplificativa, o sistema 100 inclui uma extremidade transmissora 102 e uma extremidade receptora 104. A extremidade transmissora 102 e a extremidade receptora 104 são acopladas eletricamente através do uso de um primeiro cabo 106 que tem uma primeira polaridade e um segundo cabo 108 que tem uma segunda polaridade oposta. Na realização exemplificativa, a extremidade transmissora 102 é posicionada acima da superfície de um corpo de água e, uma extremidade receptora 104 é posicionada próxima ao chão do corpo de água e, portanto, opera tipicamente em um ambiente de pressão submersa. [0031] A extremidade transmissora 102 inclui um gerador 109 e uma pluralidade de módulos de extremidade transmissora 110 configurados em série elétrica. Os módulos 110 são divididos eletricamente em, no exemplo da Figura 1, dois grupos 111 e 113 por um aterramento 112. No exemplo ilustrado na Figura 2, os módulos 110 são divididos eletricamente em dois grupos por um conduto de baixa resistência 202, tal como, mas não limitado a um fio ou um cabo. [0032] A extremidade transmissora 102 inclui dois conjuntos de sistemas de inversor/retificador de 12 pulsos unipolares idênticos, através do uso de módulos 110. Os mesmos operam de forma independente em relação ao aterramento. As polaridades dos cabos 106 e 108 são opostas. Durante uma operação normal, a corrente fluindo através do aterramento é desprezível devido à operação simétrica. O uso de um sistema bipolar no lugar de um sistema unipolar inclui, por exemplo, quando uma falha ocorre, com os eletrodos de retorno de terra instalados em cada extremidade do sistema, aproximadamente metade da potência nominal pode continuar a fluir através do uso da terra como caminho de retorno, ao operar em modo monopolar. [0033] Os módulos de extremidade transmissora são divididos em dois grupos pela localização do eletrodo de aterramento e são controlados separadamente através do uso de um primeiro controlador 114 e um segundo controlador 116. O primeiro controlador 114 e o segundo controlador 116 regulam os dois grupos de conversores de extremidade transmissora 110 como duas fontes de corrente idênticas. Tal controle também garante que a corrente de aterramento seja sempre aproximadamente zero. Os níveis de tensão do terminal de saída dos mesmos dependem das condições de carregamento da extremidade receptora 104. As tensões dos grupos 111 e 113 se ajustam automaticamente de acordo com a condição de carga. Portanto, o sistema 100 não exige necessariamente um carregamento simétrico da extremidade receptora 104. A Figura 2 mostra um modo alternativo de usar um fio de retorno metálico de baixo isolamento para conduzir a corrente ao invés de água do mar ou aterramento. O sistema ilustrado na Figura 2 é mais viável quando é difícil construir um sistema de aterramento em uma área submarina. [0034] A extremidade receptora 104 inclui uma pluralidade de módulos de extremidade receptora 118, acoplados eletricamente em uma configuração em série. Em várias realizações, cada módulo de extremidade receptora 118 supre uma única carga, tal como, mas não limitada à, um motor 120. Ademais, as unidades de extremidade receptora 118 incluem um conversor CC-CC de primeira etapa e um inversor CC-CA de segunda etapa (nenhum dos dois mostrados nas Figuras 1 e 2). [0035] A Figura 3 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de controle de extremidade transmissora 300, tal como, um primeiro controlador 114 ou um segundo controlador 116 (mostrados nas Figuras 1 e 2) de acordo com uma realização exemplificativa da presente revelação. Na realização exemplificativa, o sistema de controle de extremidade transmissora 300 inclui dois conjuntos de sistemas de medição de tensão e corrente 302 e 304. Os dois sensores de tensão 306 e 308 medem a tensão entre os cabos 106 e 108 e o solo, respectivamente. Técnicas de intercalação entre módulos de extremidade transmissora (SE) em cada grupo 111 e 113 são implantadas, para reduzir a ondulação da corrente da ligação, A corrente de saída dos conversores do grupo 111 e dos conversores do grupo 113 pode ser adicionalmente intercalada para cancelar completamente a corrente de terra. [0036] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um circuito equivalente do sistema de extremidade transmissora 102 configurado como duas fontes de corrente independentes 402 e 404. O sistema 100 é uma instalação de sistema submarino de CC de MS bipolar, comissionado inicialmente como um sistema bipolar, porém pode ser operado em um modo monopolo. Portanto, o sistema pode operar assim que apenas metade do sistema for construído, desse modo, diminui o tempo de comissionamento pela metade. Abaixo do modo monopolo, dois cabos submarinos podem ser usados como um caminho de retorno e transmissão, ou dois cabos podem ser dispostos em paralelo como o caminho de transmissão e a água do mar ou fio metálico são usados como o caminho de retorno. [0037] O plano bipolar do sistema 100 opera essencialmente como dois monopolos paralelos. Qualquer falha de sistema pode apenas colocar em risco metade da carga total. A outra metade do sistema pode manter a operação como o modo do monopolo. Devido à natureza de duas operações de distribuição de energia independentes, o sistema 100 ainda pode se manter ativo mesmo quando um dos cabos de transmissão submarinos se partir. A flexibilidade e confiabilidade do sistema são, dessa forma, aprimoradas de forma signifieante. [0038] Adicionalmente, o sistema 100 permite reduzir uma força de isolamento de cabos de transmissão e distribuição e conectores, os quais podem ser garantidos sempre menos do que metade da tensão de CA total, mesmo no caso de falhas de aterramento. Isso reduz o estresse dielétrico nos cabos e conectores. [0039] A Figura 5 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de isolamento e detecção de falha de aterramento 500 para sistemas de corrente contínua em empilhamento modular com base em fontes de corrente bipolar, tal como, o sistema 100. Uma falha de isolamento ou falha de aterramento nos cabos e conectores são um dos mais significantes modos de falha de componente em tal sistema CC de HV devido ao ambiente rigoroso. Uma detecção rápida de falha de aterramento, um posicionamento preciso da localização da falha e uma maneira simples de liberação de falha são importantes. O sistema de detecção e isolamento de falhas de aterramento (GF) 500 para o sistema 100 é ilustrado através do uso de quatro módulos de extremidades receptoras 118. Cada ramo 502 inclui uma carga 120 suprida por um módulo de extremidade receptora 118 respectivo. Cada ramo é suprido por um cabo de distribuição de entrada 504 e um cabo de distribuição de saída 506. Em cada extremidade dos cabos 504 e 506 um detector de falha de aterramento é acoplado eletricamente ao ramo 502. Por exemplo, um lado de abastecimento 508 dos cabos 504 e 506 incluem um detector de falha de aterramento do lado de abastecimento 510 e um lado de carga 512 dos cabos 504 e 506 inclui um detector de falha de aterramento do lado de carga 514. Adicionalmente, cada ramo 502 inclui uma chave de isolamento de falha de aterramento em um lado de abastecimento de cada detector de falha de aterramento 510 e 514. Especificamente, os detectores de falha de aterramentos 510 são conectados com uma chave de isolamento 516 e detectores de falha de aterramento 514 são conectados com uma chave de isolamento 518. Cada ramo também inclui uma chave de desvio de ramo 519. Como mostrado em uma vista expandida 520 de detectores de falha de aterramento 510, cada detector de falha de aterramento 510 inclui um circuito sensor de corrente 522 que inclui um filtro passa baixa 524 e um comparador 526. O comparador recebe um sinal 528 representativo da corrente que flui através dos cabos 504 e 506 no lado de alimentação 508 e um sinal limiar representando uma quantidade predeterminada de fluxo de corrente que seria aparente em uma condição de falha de aterramento. Em várias realizações, o circuito sensor de corrente 522 inclui sensores de corrente 532, tais como, mas não limitado a, sensores de corrente de efeito Hall residual para detectar a corrente que flui através dos cabos 504 e 506.

[0040] Os sensores de corrente de efeito Hall residual são implantados na entrada do cabo de distribuição e na entrada do módulo VSD 118 e cada ramo de carga 502. Os detectores GF 510 e 514 comparam a corrente de modo comum residual com o limiar 530 para determinar a ocorrência de uma falha de aterramento. Os detectores GF 510 e 514 são capazes de identificar as localizações de falha de aterramentos diretamente e controlar os disjuntores de isolamento local 516 ou 518 para isolar a porção defeituosa do ramo afetado 502 de todo o sistema 100. Ao detectar uma falha de aterramento, os detectores GF 510 e 514 transmitem simultaneamente um sinal de trip 533 para a chave de desvio 519 para desviar a corrente ao redor do ramo afetado 502 e transmitir um sinal de falha 534 para a extremidade transmissora 102, que então diminui a atividade da corrente de saída do lado defeituoso do sistema de monopolo. Uma vez que a corrente da ligação cai abaixo de um limite predeterminado, os detectores GF 510 e 514 abrem o disjuntor de isolamento conectado 516 ou 518 e deixam a extremidade transmissora 102 aumentar a atividade da corrente de novo. [0041] A Figura 6 é um fluxograma de um método 600 de detecção e isolamento de uma falha de aterramento no sistema 100. A cadeia completa de detecção, posicionamento e isolamento da GF pode ser alcançada de forma independente. A perda de produção devido à falha de aterramento pode desse modo, ser minimizada dentro de um intervalo de tempo muito pequeno. O ramo defeituoso, ou porção de um ramo pode ser detectado e isolado rapidamente, garantindo a operação contínua do resto do sistema. Na realização exemplificativa, o método 600 inclui detectar 602 a falha de aterramento, fechar simultaneamente 604 a chave de desvio do ramo e transmitir um sinal de falha de aterramento para um controlador de extremidade transmissora respectivo 114 ou 116, diminuir a atividade 606 da corrente no monopolo afetado pelo controlador de extremidade transmissora respectivo 114 ou 116, abrir 608 o disjuntor de isolamento conectado quando a corrente no ramo diminuir até um valor predeterminado e, aumentar a atividade 610 da corrente no monopolo afetado de volta para um nível de operação normal para a carga existente no monopolo. [0042] A Figura 7 é um diagrama de blocos esquemático de uma porção do sistema 100 que ilustra a localização de falha de aterramento 702 em um conector para ambiente submerso (wet-mate) entre o cabo de distribuição 504 e um dos módulos da pluralidade de módulos de extremidade receptora 118, como indicado. [0043] A Figura 8 é um gráfico 800 da corrente de modo comum residual do detector GF 510 na entrada do cabo de distribuição 504. O gráfico 800 inclui um eixo geométrico x 802 graduado em unidades de tempo (segundos) e um eixo geométrico y 804 graduado em unidades de corrente (kA). Um traço 806 ilustra a corrente detectada pelo detector GF 510 na entrada do cabo de distribuição. [0044] A Figura 9 é um gráfico 900 de uma corrente de modo comum residual de um detector GF 514 na entrada de um módulo de extremidade receptora 118. O gráfico 900 inclui um eixo geométrico x 902 graduado em unidade de tempo (segundos) e um eixo geométrico y 904 graduado em unidades de corrente (kA). Um traço 906 ilustra a corrente detectada pelo detector GF 514 na entrada do módulo de extremidade receptora 118. Comparar a corrente de modo comum residual dos dois detectores GF 510 e 514 adjacentes mostra que a localização da falha esta no cabo de distribuição. Um traço 806 mostra um pico de aproximadamente 900 A e aproximadamente ao mesmo tempo o traço 906 mostra um pico de apenas 43 A. [0045] A Figura 10 é um gráfico 1000 que ilustra os efeitos de uma falha de aterramento transitória no sistema 100. O gráfico 1000 mostra um traçado superior 1002 e um traçado inferior 1004 onde o traçado superior 1002 mostra a potência de saída de quatro módulos de extremidade receptora 118 que representam duas cargas de compressor de 11 MW e duas cargas de bomba de 2,5MW. O traçado inferior 1004 mostra a corrente de ligação de extremidade transmissora e extremidade receptora. Como a falha de aterramento ocorre em t=12 segundos, o controlador de extremidade transmissora afetado diminui a corrente de ligação para aproximadamente zero, logo após receber o sinal de falha do detector GF conectado. O detector GF abre o disjuntor de isolamento assim que a corrente diminui para um valor predeterminado ou mínimo. Então a corrente de ligação é controlada de volta para o valor normal. Os módulos de extremidade receptora 118 não afetados retornam ao estado normal depois do processo de detecção e isolamento de falha de aterramento. [0046] A Figura 11 é um diagrama esquemático de um conversor de CC-CC de front-end de extremidade receptora 1101 e controlador 1100 com um circuito de controle de amortecimento de corrente de saída adicional 1102. Embora a corrente de extremidade transmissora seja regulada, a corrente de extremidade receptora é rica em picos da corrente e oscilações devido a várias ressonâncias de impedância dos cabos de transmissão e distribuição e do baixo controle de largura de banda da extremidade transmissora. Pelo menos alguns eventos transitórios conhecidos, tais como o descarte de cargas súbito, pode ativar facilmente a sobrepassagem ou oscilação da corrente de extremidade receptora. Esses comportamentos anormais da corrente podem ativar a função de proteção em qualquer um dos módulos de extremidades receptora 118 bem como levar a mais perdas de energia. O controlador de conversor de CC-CC de front-end de extremidade receptora 1100 inclui um circuito de regulador de equilíbrio 1102, um circuito de regulador de energia 1104 e um circuito de controle de amortecimento de corrente de saída 1106 adicional, que tem um circuito de medição de corrente de extremidade receptora 1108. O circuito 1108 inclui um filtro passa alta (HPF) que reduz um componente CA do sinal da corrente, A outra informação de frequência flui através do regulador (Hi) e gera o sinal de ciclo ativo (dter) correspondente. A saída do circuito de controle de amortecimento da corrente 1106 ajusta automaticamente a tensão do terminal para amortecer a oscilação e pico da corrente. Como o laço de amortecimento só Sida com a corrente não CC, o mesmo não vai afetar o circuito de regulador de energia 1104. [0047] O circuito de regulador de equilíbrio 1102 é configurado para equilibrar a corrente através de cada condensador superior, VdcP e um condensador inferior, VdcN. De modo ideal, VdcP e VdcN serão iguais, no entanto, podem existir algumas diferenças entre componentes ou entre condensadores, o que resulta em uma diferença de tensão. Para superar essa diferença, o circuito de regulador de equilíbrio 1102 controla as duas tensões dos condensadores para serem as mesmas. [0048] O circuito de regulador de energia 1104 é configurado para gerar um sinal de controle de ciclo ativo para cada fase de moduladores de largura do pulso 1110 e 1112. Uma tensão referência Vdc_ref é comparada à medição de tensão CA Vdc, o que gera uma entrada de sinal de erro para o controlador Hv gerar o ciclo ativo PWM. Para aumentar uma resposta do controlador Hv, um laço de alimentação direta 1114 é usado. [0049] O laço de alimentação direta 1114 recebe um sinal de energia P e o Vdc medido. A energia, P é o consumo de energia do lado de abastecimento, que é dividido pelo Vdc, que gera uma referência de corrente 1116 correspondente. A referência de corrente 1116 é escalada por um fator de ganho predeterminado, G. O sinal de tensão do controlador Hv e a referência de corrente escalada são combinados para gerar o ciclo ativo ddc. O laço de alimentação direta 1114 ajuda a corrigir uma mudança súbita no lado de abastecimento, que pode criar uma mudança súbita na energia. A mudança súbita de energia pode mudar de forma súbita o ciclo ativo muito rápido para que o controlador Hv mantenha uma saída apropriada. [0050] A Figura 12 é um gráfico 1200 da corrente ressonante. O gráfico 1200 inclui um eixo geométrico x 1202 graduado em unidades de tempo (segundos) e um eixo geométrico y 1204 graduado em unidades de corrente. Um traço 1206 ilustra a corrente do módulo de extremidade receptora 118 sem um circuito 1106 e um traço 1208 ilustra a corrente com o circuito 1106. [0051] A Figura 13 é um gráfico 1300 da corrente de sobrepassagem como resultado de um pico da corrente devido ao descarte de cargas de outras cargas vizinhas. O gráfico 1300 inclui um eixo geométrico x 1302 graduado em unidades de tempo (segundos) e um eixo geométrico y 1304 graduado em unidades de corrente. Um traço 1306 ilustra a corrente do módulo de extremidade receptora 118 sem o circuito 1106 e o traço 1208 ilustra a corrente com o circuito 1106. [0052] As realizações descritas acima de um método e um sistema de controle e proteção de um sistema de transmissão e distribuição de energia submarina fornecem meios confiáveis e eficazes em termos de custo para fornecer um sistema de isolamento e detecção de falha de aterramento de ação rápida, redundante, tolerante a falhas e confiável que usa uma topologia bipolar e um sistema de amortecimento de corrente. Mais especificamente, a topologia bipolar descrita no presente documento facilita suprir energia elétrica a partir de uma localização na superfície até uma localização submarina rigorosa. Como resultado, os métodos e sistemas descritos no presente documento facilitam operar o equipamento remoto de uma maneira eficaz em termos de custo e confiável. [0053] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, a incluir o melhor modo e também capacitar qualquer pessoa versada na técnica a exercer a invenção, que inclui fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos versados na técnica. Tais outros exemplos destinam-se a estar dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.

Claims

1. SISTEMA DE ENERGIA DE CC DE ALTA TENSÃO, (CC de HV) (100) caracterizado peio fato de que compreende: uma pluralidade de módulos de extremidade transmissora (SE) (110) acoplado em série elétrica e divididos em pelo menos dois grupos (111, 113), em que cada um opera de forma independente em relação ao aterramento elétrico (112); e uma pluralidade de módulos de conversor de energia de extremidade receptora (RE) (118) acoplados eletricamente à dita pluralidade de módulos SE, a pluralidade de módulos de conversor de energia RE que incluem um dispositivo de controle e detecção de falha de aterramento rápido (500), a pluralidade de módulos de conversor de energia RE, que incluem um controlador de conversor de CC-CC de front-end de extremidade receptora (1100) e um controle de amortecimento de corrente de saída (1106).

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de energia CC de HV compreende uma configuração bipolar, que tem um aterramento e dois cabos de transmissão de polaridade opostos (504, 506), que suprem os módulos RE a partir dos módulos SE.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de energia CC de HV compreende uma configuração bipolar, que tem um retorno de fio metálico de baixa impedância e dois cabos de transmissão de polaridade opostos, que suprem os módulos RE a partir dos módulos SE.

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de energia CC de HV compreende uma configuração monopolar, que tem dois cabos de transmissão em paralelo elétrico que suprem os módulos RE a partir dos módulos SE e pelo menos um retorno de fio metálico de baixa impedância e um aterramento.

5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de módulos de conversor de energia de extremidade receptora (RE), compreende um ou mais dispositivos de detecção de falha de aterramento implantados em cada terminal da configuração de subestação para facilitar a identificação de uma localização de falha de aterramento (702).

6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controle de amortecimento de corrente de saída compreende um laço de medição de corrente de extremidade receptora (1108) que compreende: um filtro passa alta (HPF) configurado para eliminar um componente de corrente contínua da corrente; e um regulador (Hi) configurado para gerar um sinal de ciclo ativo (dter) correspondente, configurado para modificar o ciclo ativo de um conversor CC-CC de primeira etapa (1101) dos módulos de conversor de energia RE (118).

7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador de conversor de CC-CC de front-end de extremidade receptora (1110) compreende um circuito de referência de corrente (1116) configurado para gerar um sinal de referência de corrente com base em uma razão de energia elétrica pelo conversor, uma tensão através da saída do conversor e uma tensão de referência.

8. CONJUNTO DA EXTREMIDADE RECEPTORA SUBMARINA, (RE) (104) de um sistema de energia de cc de alta tensão (CC de HV) (100) caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de ramos de módulos de conversor de energia de extremidade receptora (RE) (502) acoplados em série elétrica e que tem dispositivos de proteção de distribuição de segmento de carga conectados, em que cada módulo de conversor de energia RE supre uma carga respectiva (120) com energia de corrente alternada trifásica (CA) para cada ramo de cargas, cada segmento de carga, que compreende: um sistema de detecção de falha de aterramento rápido (500), que compreende um primeiro sensor de corrente (532) configurado para medir a corrente de carga que entra em um cabo de distribuição de carga; um segundo sensor de corrente (532) configurado para medir a corrente de carga que entra em um módulo de conversor de energia RE a jusante do cabo de distribuição de carga; um detector de falha de aterramento (526) configurado para comparar uma corrente de modo comum residual medida pelo primeiro e segundo sensores de corrente até um limiar e gerar um comando de falha de aterramento; e um dispositivo de isolamento de carga (516, 519) configurado para isolar uma falha de aterramento do sistema de energia CC de HV com base no comando de falha de aterramento gerado.

9. SISTEMA, conforme definido na reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o detector de falha de aterramento é adicionalmente configurado para transmitir, de forma simultânea, um sinal de falha para um controlador de extremidade transmissora (SE), o controlador SE é configurado para diminuir a atividade de uma corrente de saída do lado falho de um sistema SE.