Surgimento de tecnologias atuais para distribuição e abastecimento da eletricidade submarina

A transmissão de eletricidade submarina desempenha um papel cada vez maior na retirada do petróleo off-shore. Os aplicativos são diversos, variando entre equipamentos de controle de potência relativamente baixa às ligas de motores compressores submarinos e plataformas off-shore.

As plantas de separação submarina trazem inúmeros benefícios, mas também requerem substancial energia, normalmente fornecida por longas distâncias. A viabilidade de fornecimento de energia tem grande influência sobre as decisões para continuar a explorar campos maduros e futura exploração do Ártico e outros campos de águas profundas. Esses campos não só exigem uma fonte de alimentação submarina que possa operar de forma confiável em um ambiente difícil, mas as distâncias e as classificações são cada vez maiores e isso pode empurrar os limites de tecnologia AC.

Enquanto a transmissão baseada em DC aumenta, diversas tecnologias emergentes têm o potencial para levar a mudanças mais difundidas nas redes de abastecimento e de distribuição submarinas.

A transmissão DC foi abandonada em grande parte por volta da virada do século passado, por causa da incapacidade de transformar a tensão contínua e as dificuldades com o isolamento de DC. No entanto, linhas DC têm algumas vantagens significativas desde que eles exijam menos cobre atualmente e não tenha problema de potência reativa. Na maioria dos casos submarinos de alta potência, sistemas de cabos AC são mais econômicos em 50 a 100 km.

Há cerca de 80 alta-voltagem de corrente contínua (HVDC), transmissão de links em todo o mundo, que se proliferaram por causa do progresso técnico em eletrônica de alta potência na segunda metade do século 20. A tecnologia convencional HVDC, que usa tiristores e numerosas interligações submarinas, provou ter alta confiabilidade e baixas perdas de conversor, mas harmônicos de baixa frequência do conversor e requisitos de potência reativa exigem um grande número de bancos de filtro. A topologia HVDC tiristor também é mais sensível às perturbações do sistema de AC.

A introdução da tecnologia de conversor de fonte de tensão (VSC) HVDC, há cerca de dez anos, reduziu filtro e requisitos de potência reativa, tornando-o mais adequado para instalações em espaços restritos (como plataformas off-shore). No entanto, VSC HVDC tem perdas mais elevadas, custos mais elevados e ele é incapaz de limitar as correntes de falha sobre os cabos de DC. VSC HVDC recentemente tem sido aplicada para fornecer energia para plataformas de gás natural Troll A e Valhall. A plataforma de poderes dois grandes compressores usando dois 40 MW Submarino VSC HVDC links de uma subestação onshore norueguês.

A plataforma de gás Valhall está atualmente sendo equipada para que 11 kV offshore sistema eléctrico da plataforma é alimentado através um km 292, 150 kV HVDC link.

Não há nenhum circuto operacional de alta potência DC desde que as atuais falhas de DC são de cruzamentos artificiais e é difícil de se extinguir os arcos elétricos de alta corrente. Todas as linhas HVDC existentes são operadas apenas ponto a ponto e falhas de DC são isoladas também ou usando os controles de conversor para reduzir a atual (para tiristor HVDC) DC ou AC disjuntores (para VSC HVDC). Essa abordagem não será aceitável para redes mais complexas de DC. Para proporcionar confiabilidade do sistema adequado, uma grade de DC deve ser capaz de isolar linhas individuais de DC em caso de falhas.

Tensão em sistemas de corrente contínua é mais complexo do que em sistemas de corrente alternada, mas é tecnicamente viável dependendo dos custos admissíveis e perdas. Um método que tem sido estudado em todo o mundo para os sistemas de alta potência envolve conversão AC (usando um conversor DC/AC), tensão pisando usando o transformador de AC e, em seguida, convenção DC (usando um conversor DC/AC), também chamado de um conversor de ponte dupla. Uma vez que a massa dos transformadores de alta potência de frequência de grade pode ser de centenas de toneladas; o tópico de investigação importante tem aumentado a frequência de operação, que permite que a massa do núcleo seja reduzida.

Muitos sistemas aeroespaciais e militares operam a 400 Hz, apesar de frequências mais altas levarem a perdas superiores do núcleo (Foucault e histerese). Reduzir essas perdas, utilizando materiais de alta eficiência, como núcleos amorfos, pode atenuar alguns dos problemas de operar em freqüências mais altas. Mas dificuldades de construção atualmente limitam práticos dispositivos kW e baixos intervalos MW.

A equipe de investigação na Universidade de Aberdeen adotou uma abordagem totalmente diferente para tensão contínua, revisão e isolamento de falhas de DC. Eles desenvolveram um novo tipo de conversor DC/DC que usa um princípio de ressonância conversora para fornecer uma transferência bi-direcional controlável de potência DC entre os terminais DC com voltagens distintas. Cada unidade DC/DC pode operar a uma ampla gama de tensão stepping rácios, que só é limitada pela classificação dos componentes. A inversão de energia é rápida, suave e totalmente controlável.

Os princípios de ressonância permitem liderar a comutação suave (zero atual) e reduzir perdas de comutação. Desde que a tensão de reforço seja alcançada, usando um circuito ressonante de LC, o ferro não é necessário, implicando uma economia significativa de peso. Estudos comparáveis de parques eólicos offshore mostraram que esse conversor oferece uma redução de peso 5 vezes menor em comparação com os convencionais AC, transformadores operando na frequência de 50 Hz. Nas aplicações offshore de alta potência, as economias de custo resultantes desta redução de peso podem ser significativas.

O conversor tem respostas particularmente favoráveis à falhas de DC. Em caso de falhas extremas de um terminal, o conversor inerentemente reduz o atual dentro da falha e permanentemente pode isolar a falha por interromper os pulsos de controle. Foram efetuados diversos estudos de grandes redes de DC com esses conversores de unidades fornecendo tensão, pisando isolamento de falhas e regulação de energia, substituindo vários componentes em uma grade offshore tradicional. Atualmente, a equipe de investigação em Aberdeen, está construindo protótipos e comercializando a tecnologia, bem como a construção de uma grade de DC completa com vários conversores DC/DC no laboratório do Universidade.

Foi construído um conversor bem-sucedido de baixo consumo de energia e um protótipo de 30 kW está sendo estudado para demonstrar a eficiência, isolamento de falhas, controle de grades de DC e conexão de várias fontes e cargas de DC. Fases posteriores de design incluirá conversores de potência superiores e demonstrações de campo.

A tecnologia acima tem o potencial de resolver algumas questões importantes na transmissão de energia submarina e sua distribuição. O uso de DC permitirá distâncias mais longas e o recurso de isolamento de falhas do conversor de grande tensão e potência permitirá o desenvolvimento DC submarinos que podem atuar como cargas distribuídas em diferentes níveis. Uma falha em qualquer linha ou componente é facilmente isolada com impacto mínimo sobre a grade de abastecimento restante. A capacidade de regular o fluxo de energia por meio de cada conversor DC/DC implica optimização de cada cabo para corresponder ao tamanho de carga (isto não é normalmente possível com redes AC). O uso de tiristores industriais autorizados de alta potência permitirá alta confiabilidade e algumas limitações técnicas em voltage ou classificação em vigor.

Esses são fatores importantes, já que a indústria de petróleo e gás busca desenvolver campos mais profundos e mais remotos e aumentar a capacidade de compressores submarinos em campos maduros de energia. A tecnologia acima baseia-se na transmissão de submarinos HVDC comprovada e confiável, mas oferece significativamente mais flexibilidade e gerenciamento mais simples de falhas de DC. Praticamente sem limitações em termos de níveis de potência, distâncias ou topologias de rede poderia tornar-se uma chave facilitando a ferramenta para a indústria offshore de petróleo e gás no futuro.

.Por: J Robinson e D Jovcic SMIEEE, Universidade de Aberdeen, na Escócia.