BR112012031593B1

BR112012031593B1 - central elétrica e método de redução das variações em uma carga de força em um gerador em uma central elétrica

Info

Publication number: BR112012031593B1
Application number: BR112012031593-5A
Authority: BR
Inventors: Edward Peter Kenneth Bourgeau
Original assignee: Transocean Sedco Forex Ventures Ltd.
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2020-12-08
Also published as: KR20130038330A; CN102939697B; CA2800128C; MX2012014737A; US10389113B2; SG185686A1; US8373949B2; JP2013529057A; CA2800128A1; MY179761A; US20110309677A1; JP2018133995A; AU2011267943B2; EP2583368B1; EP2583368A4; EA201291257A1; ZA201209656B; JP2017023000A; AU2011267943A1; CN102939697A

Abstract

CENTRAL ELÉTRICA HÍBRIDA PARA APERFEIÇOAMENTO DO DESEMPENHO DINÂMICO E DA EFICIÊNCIA. Uma central elétrica híbrida é caracterizada por uma carga substancialmente constante em geradores a despeito das oscilações momentâneas na carga de força. Pequenas mudanças na carga de força são acomodadas por componentes DC, tais como capacitores, baterias, resistores, ou uma combinação dos mesmos. Os resistores são empregados para o consumo de energia quando as cargas na central elétrica estão gerando energia quando as cargas na central elétrica demandam por energia adicional. A redução de rápidas alterações na carga de força, conforme visto pelo geradores, possibilita a que os geradores operem sob eficiências mais elevadas e com emissões reduzidas. Adicionalmente, as centrais elétricas empregando combinações de geradores, cargas, e dispositivos de armazenagem de energia apresentam desempenho dinâmico melhorado.

Description

Campo Técnico

Este relatório se relaciona, em termos gerais, a redes de transmissão de força. Mais especificamente, este relatório se refere a operação de um sistema DC advindo de um ou mais geradores de força DC ou AC ou DC. Ainda mais especificamente, este relatório se refere ao melhoramento da eficiência de um gerador AC quando conectado a um barramen- to DC por meio de provisão de uma carga aproximadamente constante para os geradores.

Fundamentos da Invenção

As redes de transmissão de força podem ser formadas de sistemas AC, sistemas DC, ou uma combinação dos dois. As redes de força AC têm sido utilizadas, convencional-mente, através de todo mundo. Entretanto, as redes de força DC apresentam certas vanta-gens. As redes de força DC são de mais fácil projeção e implementação devido a não intro-duzirem reações dentro do sistema de força. Podem ser alcançadas eficiências mais eleva-das dos geradores em sistemas DC devido a somente ser transmitida a energia real. Adicio-nalmente, o paralelismo dos abastecimentos de energia vem a ser simples devido a não ser necessária sincronização quando as cargas ou abastecimentos adicionais vem a serem tra-zidos para o interior da rede.

Portanto, nas redes de força que experimentam grandes oscilações de carga junto aos geradores e requerem de operação confiável, é benéfica uma combinação de sistemas DC e AC. Um exemplo de tal tipo de rede de força é encontrado em plataformas ou embar-cações de perfuração operando equipamentos de empuxo a bordo. As embarcações de per-furação não são ancoradas no oceano, sendo controladas dinamicamente para manterem uma posição desejada no oceano. Os equipamentos de empuxo consistem em hélices pro-pulsoras que podem apresentar velocidade rotacional e o ângulo azimutal das lâminas vari-áveis. Elas são utilizadas para manterem uma posição dentro de tolerâncias especificadas de uma aparelhagem de perfuração. Esses equipamentos de empuxo são operados por uma fonte de alimentação a bordo da embarcação de perfuração. Qualquer falha da fonte de alimentação pode levar ao deslocamento da embarcação para fora das tolerâncias da apa-relhagem de perfuração. Em tal situação, a aparelhagem de perfuração necessitaria de ser mecanicamente desacoplada e reacoplada após ter ocorrido a restauração da fonte de ali-mentação e a correção da posição da embarcação de perfuração.

Um método de facilitação de uma fonte de alimentação confiável é o de utilizar um barramento DC para energização dos equipamentos de empuxo e outros componentes. Tal sistema de transmissão de força é demonstrado na FIGURA 1. Em tal sistema, a fonte de alimentação é feita, geralmente, de geradores AC acoplados a um conversor de AC para DC, tal como o conversor AC para DC 112. O conversor AC para DC fornece energia a partir dos geradores AC em um barramento DC intermediário. Cada motor ou equipamento de empuxo, assim como outros dispositivos utilizando o barramento DC intermediário, a bordo da embarcação de perfuração, é acoplado ao barramento DC intermediário através de um conversor DC para AC.

A FIGURA 1 consiste de um diagrama de bloco ilustrando um barramento de volta-gem DC convencional acoplando múltiplos sistemas de geração de voltagem AC para diver-sas cargas. O sistema de força 100 inclui geradores 102. Os geradores 102 são acoplados a um barramento AC 104 através dos isoladores 106. Os isoladores 106 possibilitam a que os geradores 102 sejam removidos do barramento AC 104 quando não estão sendo utilizados ou apresentando mau funcionamento. O barramento AC 104 é acoplado a um transformador 108 para fornecer energia para transmissão a uma linha 110. Um conversor AC para DC 112 é acoplado a linha 110 e converte a energia AC na linha 110 para energia DC para saída até a um barramento DC intermediário 120. Conversores DC para AC 130 são acoplados ao barramento DC 120. Os conversores de DC para AC 130 convertem energia DC no bar- ramento DC 120 para energia AC projetada para uso na maior parte dos dispositivos. Aco-plada aos conversores de DC para AC 130 apresenta-se uma linha 132 aonde podem ser conectadas cargas. Um dispositivo de dissipação de força 134 é acoplado à linha 132, e o dispositivo de dissipação de força 134 pode ser, por exemplo, um equipamento de empuxo. Adicionalmente, um transformador 135 é acoplado à linha 132 para fornecer energia para uma carga 136. A carga 136 pode ser, por exemplo, uma lâmpada elétrica.

Um outro exemplo do motor 134 pode ser a máquina de extração a bordo na plata-forma de perfuração. A máquina de extração consiste em uma máquina bobinando para dentro e para fora da linha de perfuração, incluindo convencionalmente um carretel de aço, freios, e uma fonte de alimentação. A operação da máquina de extração junto ao cilindro na linha de perfuração pode requerer a total capacidade dos geradores a bordo do navio. Entre-tanto, existem condições operacionais aonde as máquinas de extração podem não consumir qualquer energia. Na operação reversa, a máquina de extração pode gerar energia que é colocada de volta na linha 132, enquanto a gravidade atende no bobinamento para fora da linha de perfuração. Mudanças na carga de força podem ocorrer quase que de forma instan-tânea.

Rápidas mudanças na carga no gerador requerem que o gerador aumente a saída de força para gerar a energia demandada pela carga. Os geradores a diesel são projetados para consumirem combustível a uma taxa otimizada em uma pequena gama da saída de força disponível. Os custos de combustível a diesel são os mais elevados presentes para a operação de um gerador a diesel em relação ao tempo de vida. Portanto, um operador busca manter o gerador operando na faixa de saída de força otimizada em função do consumo de combustível

Voltando atenção agora a FIGURA 2, são examinadas curvas de saída de força para um gerador diesel. A FIGURA 2 consiste em um gráfico ilustrando a operação de um gerador diesel. Uma curva 220 representa o consumo de combustível em quilogramas por qui- lowatt-hora do gerador diesel para diversas cargas de motor (saída de força). Uma faixa entre 0 e 100 por cento de saída nominal demonstra uma variação na taxa de quilos (kw/hora), ou a eficiência do consumo de combustível. De forma a se operar eficientemente, uma faixa de 230 de carga de força deve de ser mantida no gerador diesel. Caso a carga aumente ou diminua, o consumo de energia do motor e a eficiência se alteram.

Além das questões quanto ao consumo de combustível, os equipamentos lavadores nos geradores diesel que reduzem a exaustão perigosa são sensíveis ao volume da exaustão. As rápidas alterações na potência do motor variam a taxa de fluxo de exaustão e os componentes químicos da exaustão. Devido ao equipamento lavador ser projetado para operar otimamente em um fluxo de exaustão contínuo e estável, as emissões de saída podem não ser minimizadas caso a carga de força varie rapidamente.

Além disso, o desempenho dinâmico dos geradores diesel é limitado. Ou seja, os geradores diesel podem não aumentarem a saída de força rapidamente o bastante para conjugarem com o aumento de carga de força no gerador diesel.

Convencionalmente, os geradores diesel adicionais devem ser trazidos alinhados caso a taxa de crescimento da carga de força exceda a taxa de crescimento da saída de força do gerador diesel. Nenhum gerador diesel irá funcionar de forma eficiente, resultando no aumento do consumo de combustível e na capacidade expressa quando havendo picos na carga de força.

Com referência agora a FIGURA 3, os geradores e cargas de energia serão exami-nados em uma central elétrica convencional. A FIGURA 3 consiste de um diagrama de bloco ilustrando a distribuição de energia em uma central elétrica convencional 300. A central elé-trica 300 inclui um gerador AC 302 acoplado a um painel de distribuição 308 através de uma linha AC 306. O painel de distribuição 308 vem a ser acoplado a múltiplas cargas. Por exemplo, cargas típicas a bordo de navios e de perfuração são representadas por um dispo-sitivo de dissipação de força 312 acoplado ao painel de distribuição 308 por uma linha AC 310. Adicionalmente, o painel de distribuição 308 é acoplado a um conversor AC para DC 318. O conversor AC para DC 318 é acoplado a uma linha AC 316 e a uma linha DC 320. Cargas adicionais podem ser acopladas à linha DC 320. Por exemplo, uma lâmpada 322 pode ser acoplada na linha DC 320 ou a um conversor DC para AC 324. O conversor DC para AC 324 acopla as cargas AC adicionais, tal como um dispositivo de dissipação de força 326. O dispositivo de dissipação de força 326 pode compreender de uma máquina de extração, descrita acima ou um motor. Cada uma das cargas 312, 322, 326 produzem diferentes cargas de energia junto ao gerador AC 302. Em seguida, procede-se ao exame do gerador AC 302.

As FIGURAS 4A E 4E compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica convencional, tal como na FIGURA 3. Uma linha 402 na FIGURA 4A indica consumo de energia no dispositivo de dissipação de força 312. As cargas a bordo do navio, tal como o dispositivo de dissipação de força 312, operam como uma carga constante ao longo de grandes períodos de tempo, tal como horas no gerador AC 302. A linha 402 é uma indicação positiva do consumo de energia. Uma linha 404 na FIGURA 4B indica o con-sumo de energia junto ao dispositivo de dissipação de força 326. A máquina de extração funciona como o dispositivo de dissipação de força 326 operando como uma carga variante, que pode se alterar rapidamente, como em milissegundos no gerador AC 302. A linha 404 varia entre os valores negativo e positivo indicando o consumo de energia pela carga em algumas oportunidades, produzindo energia nas outras ocasiões. Uma linha 406 na FIGURA 4C indica consumo de energia na lâmpada 322. A lâmpada 322 funciona sob uma carga constante ao longo de grandes períodos de tempo, tal como horas junto ao gerador AC 302.

A energia total transferida através do conversor AC para DC 318 é representada pelo acréscimo da linha 404 na linha 406 e é mostrada em uma linha 408 na FIGURA 4D. A linha 408 compreende do consumo total de energia com respeito ao tempo da linha DC 320. A energia total fornecida pelo gerador AC 302 é apresentada em uma linha 410 na FIGURA 4E e compreende da soma das linhas 408, 402. Na central elétrica convencional 300 a energia fornecida pelo gerador AC 302 varia com o tempo. Isto leva a qualidades indesejáveis exibidas pelo gerador AC 302, conforme indicado acima, incluindo um consumo ineficaz de combustível e pobreza de limpeza da exaustão.

Assim, existe uma necessidade por um modelo de central elétrica produzindo uma carga substancialmente constante junto aos geradores AC e aumentando o desempenho dinâmico.

Breve Sumário da Invenção

Uma central elétrica inclui um gerador AC, um conversor AC para DC acoplado ao gerador AC e a um barramento DC, e a uma chave acoplada ao barramento DC. A central elétrica inclui ainda um sistema de compensação de potência ativa acoplado à chave. O sistema de compensação de potência ativa reduz as variações da carga de força na central elétrica. A chave pode incluir um conversor de DC para AC. O sistema de compensação de potência ativa pode incluir dispositivos de consumo de energia. Os dispositivos de consumo de energia podem ser resistores. A central elétrica pode incluir ainda dispositivos de arma-zenagem de energia. Os dispositivos de armazenagem de energia compreendem de ultra- capacitores. Os ultracapacitores podem ser acoplados a um ou mais microcontroladores. Um ou mais dos microcontroladores podem regular os ultracapacitores. Os dispositivos de armazenagem de energia podem incluir baterias ou máquinas rotacionais.

Um método de redução das variações em uma carga de força em um gerador inclui o direcionamento da energia entre o gerador e o dispositivo de consumo de energia durante um tempo quando a carga de força no gerador é menor do que em um primeiro nível. O dis-positivo de consumo de energia pode incluir um elemento resistivo. O primeiro nível pode ser baseado, em parte, na eficiência de combustível do gerador.

Um método de redução das variações em uma central elétrica contendo um gerador inclui o direcionamento da energia entre o gerador e o dispositivo de armazenagem de energia durante um tempo quando a carga de força na central elétrica é menor do que em um primeiro nível. O dispositivo de armazenagem de energia armazena energia provida pelo gerador. O dispositivo de armazenagem de energia pode incluir pelo menos um ultracapacitor. O dispositivo de armazenagem de energia pode incluir pelo menos uma bateria. O primeiro nível pode ser baseado, em parte, em uma eficiência de combustível do gerador. O método pode incluir ainda o direcionamento da energia entre o gerador e o dispositivo de armazenagem de energia durante um tempo quando a carga de força na central elétrica é mais elevada do que em um segundo nível. O segundo nível pode ser escolhido, em parte, com base em uma eficiência de combustível do gerador. O método inclui ainda o direciona-mento da energia entre o gerador e um dispositivo de consumo de energia durante um tempo quando a carga de força na central elétrica se apresenta inferior a de um terceiro nível. O terceiro nível pode ser inferior ao do primeiro nível. O terceiro nível pode ser escolhido com base, em parte, na capacidade do dispositivo de armazenagem de energia.

Uma central elétrica inclui meios para geração de força atendendo a uma carga de força da central elétrica. A central elétrica inclui ainda meios para variação de redução na carga de força da central elétrica. Os meios para variação de redução podem incluir meios para o consumo de energia. Os meios de variação de redução podem incluir meios para armazenagem de energia.

A exposição anterior salientou de forma ampla as características e vantagens técni-cas do presente relatório de forma que a descrição detalhada, feita em seguida, possa ser melhor entendida. As características e vantagens adicionais serão descritas em seguida, constituindo o assunto das reivindicações deste relatório. Deve ser apreciado pelos especia-listas da área que o conceito e as modalidades específicas descritas podem ser prontamente utilizados com base na modificação ou idealização de outras estruturas para a realização das mesmas finalidades do presente relatório descritivo. Deve ser observado pelos especialistas da área que tais construções equivalentes não se desviam da tecnologia do relatório descritivo, estabelecido de acordo com o quadro de reivindicações em anexo. As caracterís-ticas inovativas, cridas como características pertinentes ao relatório descritivo, tanto quanto a organização e ao método de operação, em conjunto com outros aspectos e vantagens, serão melhor compreendidos a partir da descrição que se segue quando considerados em conexão com as figuras de acompanhamento. Deve ser expressamente entendido, contudo, que cada uma das figuras é provida somente para finalidades ilustrativa e descritiva, não sendo destinadas como uma definição dos limites do presente relatório descritivo.

Breve Descrição dos Desenhos

Para uma compreensão mais completa da presente invenção, faz-se agora referên-cia quanto as partes descritivas a seguir tomadas em conjunto com os desenhos de acom-panhamento.

A FIGURA 1 compreende de um diagrama de blocos ilustrando um barramento de voltagem DC convencional acoplando múltiplos sistemas de geração de voltagem AC para várias cargas.

A FIGURA 2 compreende de um gráfico ilustrando a operação de um gerador de energia diesel.

A FIGURA 3 compreende de um diagrama de blocos ilustrando uma distribuição de energia em uma central elétrica convencional.

As FIGURAS 4A a 4E compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica convencional tal como na FIGURA 3.

A FIGURA 5 compreende de um diagrama de blocos ilustrando uma distribuição de energia em uma central elétrica de exemplo contendo dispositivos de dissipação de força para o consumo de energia regenerada de acordo com uma modalidade.

As FIGURAS 6A a 6F compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica de exemplo contendo resistores para o consumo da energia regene-rada de acordo com uma modalidade.

A FIGURA 7 compreende de um diagrama de blocos ilustrando a distribuição de energia em uma central elétrica de exemplo contendo compensação de potência ativa de acordo com uma modalidade.

As FIGURAS 8A a 8G compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica de exemplo contendo compensação de potência ativa de acordo com uma modalidade.

As FIGURAS 9A a 9G compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica de exemplo contendo compensação de potência ativa e um disposi-tivo de armazenagem de energia com capacidade limitada de acordo com uma modalidade.

A FIGURA 10 compreende de um diagrama de blocos ilustrando um sistema de compensação de potência ativa de exemplo de acordo com uma modalidade.

Descrição Detalhada da Invenção

A variação de redução da carga em um gerador em uma central elétrica pode ser efetuada através da adição de dispositivos que dissipam a energia durante pequenos inter-valos quando as cargas de energia são voláteis. Nesta disposição, o gerador pode ser ca- paz de prosseguir a operação a uma saída mais elevada, enquanto os dispositivos de dissi-pação de força removem a energia gerada por algumas cargas. Sem os dispositivos de dis-sipação de energia para a remoção da energia gerada pelas cargas, os geradores reduziriam a saída de força e possibilitariam a que outras cargas absorvessem a energia regenerada.

A FIGURA 5 compreende de um diagrama de bloco ilustrando a distribuição de energia em uma central elétrica de exemplo contendo dispositivos de dissipação para o con-sumo da energia regenerada de acordo com uma modalidade. Uma central elétrica híbrida 500 inclui um gerador AC 502 acoplado a um painel de distribuição 508 através de uma linha AC 506. O painel de distribuição 508 é acoplado à linha AC 506 e a uma linha AC 510. Um dispositivo de dissipação de força 512 é acoplado a linha AC 510. O dispositivo de dissipação de força 512 pode representar, por exemplo, as cargas a bordo do navio. O painel de distribuição 508 é ainda acoplado ao conversor AC para DC 518 através de uma linha AC 516. O conversor de AC para DC 518 fornece energia para uma linha DC 520. Uma lâmpada 522 acopla-se a linha DC 520. Adicionalmente, um conversor DC para AC 524 é acoplado a um dispositivo de dissipação de força 526 e a linha DC 520. O dispositivo de dissipação de força 526 pode ser uma máquina de extração, de acordo com a descrição anterior. Adici-onalmente, um conversor DC para DC 532 acopla um dispositivo de dissipação de força 534 para a linha DC 520. O dispositivo de dissipação de força 534 pode compreender de qualquer dispositivo capaz de consumir energia. Por exemplo, o dispositivo de dissipação de força 534 pode ser um resistor, resistor variável, bloqueio de água, ou uma combinação dos dispositivos mencionados anteriormente. Em seguida, tem-se a avaliação da demanda de energia em um gerador AC 502 advinda das cargas 512, 522, 526, 534.

As cargas nas diversas localidades na central elétrica híbrida 500 são examinadas com referência a FIGURA 6. As FIGURAS de 6A a 6F compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica de exemplo contendo resistores para o consumo de energia regenerada de acordo com uma modalidade. Uma linha 602 na FIGURA 6A indica o consumo de o consumo de energia no dispositivo de dissipação de força 512. As cargas a bordo do navio, tais como, o dispositivo de dissipação de força 512 funcionam sob uma carga constante ao longo de períodos extensos de tempo na central elétrica. Uma linha 606 na FIGURA 6C indica consumo de energia na lâmpada 522. A lâmpada 522 funciona sob uma carga constante ao longo de extensos períodos de tempo na central elétrica híbrida 500. Uma linha 604 na FIGURA 6B indica consumo de energia no dispositivo de dissipação de força 526. A máquina de extração, tal como o dispositivo de dissipação de força 526 apresenta uma carga de força variando rapidamente com o tempo em intervalos tão pequenos quanto milissegundos. No caso do dispositivo de dissipação de força 526, a carga de força é positiva em algumas oportunidades, e negativa em outras ocasiões. Durante a por- ção positiva da linha 604, o dispositivo de dissipação de força 526 consome energia, durante a porção negativa da linha 604, o dispositivo de dissipação de força 526 fornece energia a central elétrica.

Durante o tempo quando o dispositivo de dissipação de força 526 está fornecendo energia a central elétrica híbrida 500, o gerador AC 502 irá reduzir a saída de força para acomodar a energia regenerada. De acordo com a descrição acima, o gerador AC 502 perde eficiência quando a sua saída de força é reduzida ou se altera rapidamente. Portanto, o dispositivo de dissipação de força 534 pode ser comutado pelo conversor DC para DC para consumir o excesso de energia na linha DC 520. Isto possibilita a que o gerador AC 502 continue operando a uma saída de força aproximadamente constante. Uma linha 608 na FIGURA 6D indica o consumo de energia pelo dispositivo de dissipação de força 534. A linha 608 é possível devido ao dispositivo de dissipação de força 534 estar capacitado a somente consumir energia. O conversor DC para DC é comutado as vezes, quando se é vantajoso adicionar consumo de energia adicional junto à central elétrica híbrida 500. De acordo com uma modalidade, a linha 608 representa o consumo de energia substancialmente igual em magnitude a linha 604 durante o período de tempo em que a linha 604 é negativa. Portanto, o dispositivo de dissipação de força 534 consome energia gerada pelo dispositivo de dissipação de força 526. O conversor DC para DC 532 pode ser comutado por um período de tempo maior ou menor dependendo da condição das outras cargas na central elétrica híbrida 500.

A energia total transferida através do conversor AC para DC 518 é indicada pela linha 610 na FIGURA 6E. A linha 610 consiste em um somatório das linhas 604, 606, 608. A energia total fornecida pelo gerador AC 502 é indicada pela linha 612 na FIGURA 6F. A linha 612 consiste em um somatório das linhas 610, 602. A linha 612 indica que a carga na central elétrica híbrida 500 é confinada junto a uma estreita faixa, mais estreita do que aquela referente a linha 410 na FIGURA 4E, aonde nenhum dispositivo de dissipação de força é implementado. Por exemplo, a linha 612 apresenta um mínimo de 1 MW enquanto a linha 410 apresenta um mínimo de 0 MW. O acréscimo do dispositivo de dissipação de força 534 e do conversor DC para DC 532 limita a redução de saída de força do gerador AC 502 quando uma das cargas na central elétrica híbrida 500 gera energia. A faixa operacional de menor eficiência do gerador AC 502 compreende a saída de baixa potência, entretanto, a eficiência do gerador AC 502 na central elétrica híbrida 500 é melhorada não se operando o gerador AC 502 nas cargas de baixa potência.

A central elétrica pode ser ainda adaptada para aumentar a eficiência caso a energia gerada pelas cargas possa, ao invés de ser dissipada, ser armazenada e utilizada poste-riormente quando a demanda por energia aumente. Tem-se que um aumento na carga na central elétrica resultará em uma descarga da energia armazenada, possibilitando a que o gerador AC prossiga operando para uma carga de força do motor aproximadamente cons-tante. Um sistema para armazenagem de energia e fornecimento de energia dependente das condições na central elétrica é referido como um sistema de compensação de potência ativa.

A FIGURA 7 compreende de um diagrama de blocos ilustrando uma distribuição de energia em uma central elétrica de exemplo contendo compensação de potência ativa de acordo com uma modalidade. Uma central elétrica híbrida 700 inclui um dispositivo de ar-mazenagem de energia 744 acoplado à linha DC 520 através do conversor DC para DC 742. O dispositivo de armazenagem de energia 744 pode ser comutado pelo conversor DC para DC 742 quando energia adicional deve de ser fornecida para a linha DC 520. O dispositivo de armazenagem de energia 744 pode ser ainda comutado nas vezes quando o excesso de energia é fornecido para a linha DC 520, de modo que a energia possa ser armazenada pelo dispositivo de armazenagem de energia 744. O dispositivo de armazenagem de energia 744 pode compreender de qualquer dispositivo de armazenagem de energia incluindo, mas sem estar limitado a, tensão de mola, células de combustível, volantes, capacitores, capacitor variável, ultracapacitores, baterias, ou uma combinação dos dispositivos mencionados acima. Em acréscimo ao dispositivo de armazenagem de energia 744, a central elétrica híbrida 700 pode, em uma modalidade, incluir também o dispositivo de dissipação de força 534 acoplado ao conversor DC para DC 532.

Voltando atenção agora para a FIGURA 8, faz-se uma avaliação da carga na central elétrica híbrida 700 nas diversas localizações. As FIGURAS 8A a 8G compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica de exemplo contendo a compensação de potência ativa de acordo com uma modalidade. As linhas 602, 604, 606 das FIGURAS 8A, 8B, e 8C, respectivamente, apresentam-se idênticas aquelas referentes a FIGURA 6. Uma linha 809 na FIGURA 8E indica carga de força do dispositivo de armazena-gem de energia 744. A linha 809 apresenta substancialmente a mesma magnitude da linha 604, porém com polaridade oposta. A linha 809 compreende de uma imagem espelhada da linha 604. O dispositivo de armazenagem de energia 744 armazena energia durante os pe-ríodos de excesso de geração de força e fornece energia durante os períodos de carência de geração de força. Tem-se que as variações na carga de força no gerador AC 502 são reduzidas. A redução é resultante do dispositivo de armazenagem de energia 744 consumir força durante o tempo em que o dispositivo de dissipação de força 526 está fornecendo a força de volta a central elétrica híbrida 700. Uma linha 808 na FIGURA 8D indica a carga de força no dispositivo de dissipação de força 534. A carga de força no conversor AC para DC 518 na central elétrica híbrida 700 é indicada pela linha 810 na FIGURA 8F. A linha 810 compreende o somatório das linhas 808, 809, 606, 604 e apresenta um valor substancial-mente constante. Uma linha 812 na FIGURA 8G indica a carga de força total no gerador AC 502 e compreende do somatório das linhas 810, 602 e apresenta também um valor aproxi-madamente constante.

Assim, o uso do dispositivo de armazenagem de energia 744 reduz os efeitos de uma carga de força variante no gerador AC 502. O dispositivo de armazenagem de energia 744 pode adaptar as mudanças na carga de força do dispositivo de dissipação de força 526 e as outras cargas na central elétrica híbrida 700. A carga de força aproximadamente constante no gerador AC 502 possibilita por uma operação contínua na região operacional de maior eficiência do gerador AC 502. Adicionalmente, o dispositivo de armazenagem de energia aumenta o desempenho dinâmico da central elétrica híbrida 700. O gerador AC 502 em atendimento a uma carga de força aumentada pode não ser capaz de aumentar a saída rápido o bastante para conjugação do aumento da carga de força. O dispositivo de armaze-nagem de energia 744 pode apresentar um tempo de resposta mais curto para o aumento da carga de força e fornecer força adicional enquanto o gerador AC aumenta a saída para conjugar-se com a carga de força na central elétrica híbrida 700. De acordo com uma moda-lidade, o desempenho dinâmico melhorado da central elétrica híbrida 700 contendo o dispo-sitivo de armazenagem de energia 744 possibilita a que o gerador AC mantenha uma saída de força substancialmente constante.

O dispositivo de dissipação de força 534, em uma modalidade é utilizado para con-sumir energia quando a geração de força pelo dispositivo de dissipação de força 526 vier a exceder a capacidade do dispositivo de armazenagem de energia 744. As FIGURAS de 9A a 9G compreendem de gráficos ilustrando o consumo de energia em uma central elétrica de exemplo contendo compensação de potência ativa e um dispositivo de armazenagem de energia com capacidade limitada, de acordo com uma modalidade. A linha 909 na FIGURA 9E representa energia no dispositivo de armazenagem de energia 744. De acordo com uma modalidade, o dispositivo de armazenagem de energia 744 apresenta uma capacidade energética de 1 megaJoule. Durante o consumo de energia da linha 604, a linha 909 é nega-tiva indicando que o dispositivo de armazenagem de energia 744 está fornecendo força. Durante a geração de força da linha 604, a linha 909 é positiva indicando que o dispositivo de armazenagem de energia está armazenando força. Conforme o dispositivo de armazenagem de energia 744 alcança uma capacidade máxima de energia no tempo t2, o dispositivo de armazenagem de energia irá buscar absorver a força regenerada a partir da carga 526 de modo a preservar uma carga substancialmente constante no gerador AC 502. A capacidade de energia atual do dispositivo de armazenagem de energia 744 pode variar da modalidade demonstrada. A linha 908 na FIGURA 9D ilustra que durante a porção do tempo em que o dispositivo de armazenagem de energia 744 está próximo a sua capacidade, o dispositivo de dissipação de força 534 consome força. Tem-se que o somatório do painel de distribuição 508 disponibiliza a mesma carga de força conforme na FIGURA 8.

A FIGURA 10 compreende de um diagrama de blocos ilustrando um sistema de compensação de potência ativa de exemplo de acordo com uma modalidade. Um sistema de compensação de potência ativa 100 pode ser empregado para armazenar e fornecer energia para a central elétrica híbrida 700. Uma linha de entrada 1012 é usada para conectar o sistema de compensação de potência ativa junto a uma central elétrica. O sistema de compensação de potência ativa 1000 inclui diversas colunas 1034 de dispositivos de arma-zenagem de energia. Cada coluna 1034 inclui dispositivos de armazenagem de energia 1042. Os dispositivos de armazenagem de energia 1042 podem ser, por exemplo, ultraca- pacitores, capacitores, baterias, ou volantes. Os dispositivos de armazenagem de energia 1042 são empilhados em séries, para obtenção de uma voltagem desejada e, em colunas 1034 para obtenção de uma corrente desejada ou densidade de energia otimizada. Os dispositivos de armazenagem de energia 1042 são controlados pelos microcontroladores 1044 para regulagem das atividades de carregamento e descarregamento. Por exemplo, os mi- crocontroladores 1044 podem desconectar dispositivos de energia 1042 danificados ou de-feituosos das colunas 1034.

Foram apresentados exemplos de centrais elétricas híbridas para embarcações de perfuração incluindo cargas a bordo de navios nas modalidades acima. Entretanto, as centrais elétricas descritas podem ser adaptadas para uso em uma quantidade de outras aplicações. Adicionalmente, as centrais elétricas podem incluir geradores AC ou DC e cargas. Conversores AC para DC, DC para AC, e DC para DC, mostrados de acordo com as figuras anteriores podem ser unidirecionais ou bidirecionais. Um especialista da área estaria capaci-tado a efetuar a substituição, por exemplo, um conversor AC para DC em um conversor DC para AC, dependendo da configuração de carga e das características (ou seja, carga DC ou carga AC) de uma central elétrica particular.

Muito embora o presente relatório descritivo e suas vantagens tenham sido descritas em detalhes, deve ser entendido que diversas alterações, substituições e alterações podem ser efetuadas sem afastamento do espírito e alcance do relatório descritivo, conforme definido pelo quadro de reivindicações apenso. Mais ainda, o escopo do pedido presente não pretende ficar limitado as modalidades particulares do processo, maquinário, fabricação, composição de matéria, meios, métodos e etapas descritos por este relatório específico. Um especialista da área irá apreciar a partir da presente invenção, descrição, máquinas, fabricação, composições e matéria, meios, métodos, ou etapas, presentemente existentes ou vindas a serem desenvolvidas posteriormente desempenhando substancialmente a mesma função ou atingindo substancialmente o mesmo resultado das modalidades correspondentes descritas neste documento que podem ser utilizados de acordo com o relatório descritivo presente. Consequentemente, as reivindicações apensas são destinadas a incluírem, dentro de suas abrangências, tais processos, máquinas, fabricação, composições de matéria, mei- os, métodos, ou etapas.

Claims

1. Central elétrica, compreendendo: um gerador AC (502); um conversor AC para DC (518) acoplado ao gerador AC (512) e a um barramento DC (520); uma chave (742) acoplada ao barramento DC (520); e um sistema de compensação de potência ativa (744) acoplado à chave (742), CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de compensação de potência ativa reduz as variações de carga de força na central elétrica (700).

2. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato da chave (742) compreender de um conversor de DC para DC (742).

3. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato do sistema de compensação de potência ativa (744) compreender de dispositivos de con-sumo de energia (534) para o consumo de energia quando uma carga na central elétrica (700) diminui.

4. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato dos dispositivos de consumo de energia (534) serem resistores.

5. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato do sistema de compensação de potência ativa (744) compreender ainda pelo menos de um dispositivo de armazenagem de energia (1042) para provisão de energia quando a carga na central elétrica (700) aumenta.

6. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADA pelo fato do dispositivo de armazenamento de energia (744) compreender pelo menos de um ultraca-pacitor, um capacitor, uma bateria, e um volante.

7. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que pelo menos um dispositivo de armazenagem de energia (1042) ser acoplado a um ou mais microcontroladores (1044), em que um ou mais microcontroladores regulam pelo menos um dispositivo de armazenagem de energia (1042).

8. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de compreender: meios para geração de força atendendo a uma carga de força da central elétrica (700); e meios para variação de redução na carga de força da central elétrica (700).

9. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato dos meios de variação de redução compreenderem de meios para consumo de energia.

10. Central elétrica, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato dos meios de variação de redução compreenderem ainda de meios para armazenagem de energia.

11. Método de redução das variações em uma carga de força em um gerador em uma central elétrica (700), CARACTERIZADO por compreender: direcionar a energia entre o gerador e pelo menos um dispositivo de consumo de energia (534) durante um tempo quando a carga de força no gerador é menor do que um primeiro nível para manter uma saída constante de força do gerador.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de compreender pelo menos um elemento resistivo, elemento resistivo variável, e uma abertura para água.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato do primeiro nível ser baseado, em parte, na eficiência do combustível do gerador.

14. Método de redução das variações em uma carga de força em um gerador em uma central elétrica (700), CARACTERIZADO pelo fato de compreender: direcionar a energia entre um dispositivo de armazenagem de energia (744) e o ge-rador durante um tempo quando a carga de força no gerador é mais elevada do que um pri-meiro nível, em que o dispositivo de armazenagem de energia (744) proporciona energia para a central elétrica (700) para manutenção de uma saída de força constante do gerador.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato do dispositivo de armazenagem de energia (744) compreender pelo menos de um ultracapacitor, um capacitor, uma bateria, e um volante.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato do primeiro nível ser baseado, em parte, na eficiência de combustível do gerador.

17. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda: direcionar a energia entre o gerador e o dispositivo de armazenagem de energia (744) durante um tempo quando a carga de força na central elétrica (700) é menor do que um segundo nível, em que o segundo nível é menor do que o primeiro nível, e em que o dispositivo de armazenagem de energia armazena energia a partir da central elétrica (700) para a manutenção da saída de força constante do gerador.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato do se-gundo nível ser escolhido, em parte, com base na eficiência de combustível do gerador.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda: direcionar a energia entre o gerador e o dispositivo de consumo de energia (534) durante um tempo quando a capacidade de energia do dispositivo de armazenamento de energia (744) encontra-se atendida.