BR112016023471B1 - Sistema de transformação de potência de cc em cc de múltiplos módulos e sistema para regulação de transferência de potência - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE TRANSFORMAÇÃO DE POTÊNCIA DE CC EM CC DE MÚLTIPLOS MÓDULOS. Trata-se de um sistema de transformação com a capacidade de transformar de modo eficaz a potência elétrica de uma tensão de cc para uma segunda tensão de cc, ou de regular o fluxo de potência dentro de uma rede de tensão nominal constante; em cada caso, sem transformação magnética intermediária. O sistema de transformação tem por base a entrega periódica e ressonante de carga a partir do primeiro dentre dois nós de cc a um sistema de capacitores, a reconfiguração elétrica daqueles capacitores e, então, a entrega de potência para um segundo nó de cc.

Description

CAMPO
[0001] Esta inovação refere-se à conversão de potência elétrica de uma tensão de CC em outra tensão de CC sem o uso de transformadores de base magnética.
ANTECEDENTES
[0002] As tecnologias usadas na conversão entre corrente alterna da (CA) e corrente contínua (CC) têm avançado rapidamente ao longo das últimas décadas, assim como o uso de CC como um meio para transportar grandes quantidades de potência. A CC transporta potência de modo mais eficiente do que a CA e, ao contrário da CA, tem capacidade para o fazer isso em um nível controlado, por exemplo, em um nível que corresponde à capacidade térmica máxima dos condutores usados.
[0003] A quantidade de projetos de transmissão de CC de alta tensão cresceu em termos de distância, nível de tensão e classificação de potência. Além disso, a necessidade de transformação de CC em CC tem sido limitada visto que, independentemente da tensão de transmissão de CC, os transformadores de CA são incluídos tanto em terminais de envio quando de recepção de modo que a conversão em uma tensão conveniente para o sistema local seja bastante simples. No entanto, a evolução em andamento do sistema de fornecimento elétrico mundial gera pelo menos quatro aplicações gerais em que a transformação de CC em CC direta pode ter um papel importante.
[0004] 1. Tanto na Europa quanto na América do Norte, os plane jadores de sistema preveem a necessidade de uma rede de CC de tensão muito alta e extensiva para servir como uma cobertura para o sistema de transmissão de CA existente. No entanto, em adição à conexão de tal rede elétrica a postos-chaves nesse sistema de CA, um transformador de CC em CC econômico permitirá tanto uma interco- nexão dessa rede elétrica a várias linhas de transmissão de CC existentes principais quanto uma transformação de diferentes tensões de CC entre linhas de CC que compreendem uma rede elétrica de CC, fornecendo, desse modo, grandes benefícios econômicos adicionais a consumidores de eletricidade.
[0005] 2. No contexto de uma rede elétrica de CC, os conversores de CA em CC que conectam sistemas de CA à rede elétrica de CC terão um controle limitado da potência através das várias linhas de transmissão de CC que compreendem a rede elétrica. Os transformadores de CC em CC colocados estrategicamente na rede elétrica de CC fornecerão um fluxo de potência de CC desejado através das linhas de transmissão da rede elétrica de CC onde não é possível se realizar com os conversores de CA em CC.
[0006] 3. A arquitetura elétrica de parques eólicos é relativamente complexa e, em alguns sistemas, faz uso da conversão de CA em CC no sítio de turbina eólica para acomodar a natureza assíncrona da tensão de CA gerada por pás de velocidade variável. Em vez de reconverter a CC em CA síncrona, como é a prática atual, a transformação direta dessa energia de CC em um nível de CC mais alto para a agregação dentro de um parque eólico, e em uma tensão de CC ainda mais alta para a transmissão para um centro de carga, pode promover grandes reduções de custo na agregação de potência em um ponto central no parque eólico assim como a transmissão da potência coletada para um ponto conveniente no sistema de recepção de CA.
[0007] 4. As cargas domésticas, comerciais e industriais são, cada vez mais, ou dependentes de CC ou, em alguns casos, poderiam operar de modo mais eficiente se convertidas em CC. A carga de carre- gamento para automóveis elétricos, que se prevê um crescimento muito rápido como uma porcentagem da carga elétrica total, é um exemplo importante. Essa realização tem aumentando de modo constante o interesse em sistemas de distribuição de CC, por meio dos quais as cargas de CC, em vez de dependerem ou de conversores de CA em CC internos ou de módulos de extensão em pequena escala, podem ser entregues diretamente a partir de postes de distribuição ou de vias de cabos existentes.
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR
[0008] Há uma abundância de tecnologia, depósitos de patente e experiência com conversão de CC em CC a níveis de tensão (eletrônica) muito baixos, por exemplo, dentro de fornecimentos de potência para computadores, telefones e outros dispositivos eletrônicos. No entanto, essa tecnologia foi desenvolvida com necessidades muito diferentes e restrições diferentes do que aquelas que distinguem as aplicações de nível de potência de tensão mais altas, como aquela abordada pela presente revelação. Por exemplo, as exigências de isolamento no nível de milivolts são uma questão secundária, enquanto que em uma tensão de CC alta, são de extrema importância. Os dispositivos de comutação disponíveis também são diferentes, assim como as restrições dos métodos de comutação de capacitor para capacitor e capacitor para nó. Nos níveis eletrônicos, a geração de calor é um limitador maior para perdas do que para eficiência, enquanto que o contrário ocorre em aplicações de potência de tensão alta. Além disso, visto que a inclusão de reatores dentro de placas de circuito não é prática, a transferência de carga de um capacitor para outro ou entre dois capacitores deve ser realizada diretamente, resultando, desse modo, em grandes perdas. Portanto, as oportunidades para a adaptação direta de tecnologia eletrônica a aplicações de CC de alta tensão são limitadas.
[0009] Quando a conversão entre duas tensões de CC mais altas é necessária, como no caso de algumas aplicações industriais, a CC é primeiramente convertida em um nível de CA conveniente, geralmente em uma frequência de CA alta para se reduzir o custo de um transformador usado para alterar outra tensão de CA e, assim, de uma CA para CC transformada desse modo por um transformador indutivo convencional para uma tensão de CA diferente, e finalmente transformada de CA para a tensão secundária de CC desejada. Embora sejam tecnicamente eficazes, os esquemas de transformação tripla desse tipo são dispendiosos e relativamente ineficientes.
SUMÁRIO
[0010] O que foi mencionado anteriormente ilustra a necessidade de um transformador de CC em CC (DCT) econômico e eficiente (isto é, um sistema de transformação em níveis de potência altos) com capacidade de realizar a transformação ascendente e descendente de tensão e, quando necessário, operar nos níveis de tensão de CC mais altos existentes em classificações na casa dos milhares de megawatts. Para se equiparar à funcionalidade de transformadores de CA através dos quais a transferência de potência é proporcional à diferença de ângulo de fase entre os sistemas primário e secundário, um DCT deve operar, sem um controlador de potência, para a diferença de tensão entre os sistemas primário e secundário. Os sistemas e métodos de transformação de energia capacitiva descritos no presente documento têm capacidade para atender a essa exigência com eficiências comparáveis à transformação magnética de CA em CA.
[0011] A comutação ressonante, isto é, a conexão entre os capaci- tores e um nó de alta tensão através de um reator de modo que o intercâmbio de energia seja oscilatória e possa ser interrompida na primeira corrente zero, é usada nesta revelação. A mesma encontrará aplicação em várias situações análogas à função entregue por transformadores de base magnética em sistemas de CA, por exemplo, a regulação de fluxo de potência entre dois ou mais sistemas de CC ou entre múltiplas linhas que compreendem uma rede elétrica de CC de alta tensão assim como a transformação de níveis modestos de potência a partir de uma tensão de CC muito alta na qual a conversão de CC em CA não é economicamente favorável para um nível de tensão de CC mais baixo em que a conversão em CA é menos dispendiosa. A mesma também encontrará aplicação na transformação de fontes de frequência variável, tais como geradores eólicos, em uma tensão de CC mais alta, resultando em uma conexão mais econômica de geradores eólicos individuais a um ponto em comum e a conexão de sua agregação a um ponto conveniente na rede elétrica de CA de recepção, assim como a conversão de CA em CC para a distribuição, como CC, para residências, prédios comerciais e indústrias. Outras aplicações do presente sistema se tornarão aparentes aos indivíduos versados na técnica e estão dentro do escopo desta revelação.
[0012] Esta revelação apresenta um sistema de transformação de potência de CC em CC de múltiplos módulos que é construído e disposto para transformar potência de um primeiro nó de alta tensão de CC para um segundo nó de alta tensão de CC. O sistema inclui (a) uma coluna que compreende uma pluralidade de módulos de meia- ponte conectada em série, sendo que cada módulo de meia-ponte compreende uma capacitância conectada em série com capacidade de ser eletricamente inserida na coluna ou eletricamente isolada e eletricamente contornada, em que a primeira extremidade da coluna é eletricamente conectada ao terra, (b) dois comutadores de alta tensão, cada um em série com um reator; um comutador de alta tensão adaptado para conectar eletricamente uma segunda extremidade da coluna ao primeiro nó de alta tensão e o outro comutador de alta tensão adaptado para conectar eletricamente a segunda extremidade da coluna ao segundo nó de alta tensão, e (c) um controlador adaptado para contro- lar os estados dos comutadores dentro da coluna e dos dois comutadores de alta tensão de modo a transformar a potência por troca ressonante de energia entre múltiplas capacitâncias dentro da coluna e do dos nós.
[0013] Um meio ciclo de corrente ressonante e senoidalmente va riante, iniciado pela conexão de múltiplas capacitâncias da coluna a nós de alta tensão e interrompido em seu primeiro ponto zero de corrente, pode ser usado pelo controlador como um meio para alcançar a troca de energia entre essas múltiplas capacitâncias e os nós de alta tensão. Uma razão de tensão de entrada e saída pode ser estabelecida fazendo-se com que o controlador afete as posições de comutação que desviam eletricamente as capacitâncias da coluna selecionadas entre a aceitação de carga do primeiro nó de CC de alta tensão e a entrega de carga para o segundo nó de CC de alta tensão.
[0014] A operação estável pode ser alcançada equalizando-se a carga em um grupo de capacitâncias, tal equalização de carga é realizada usando-se o controlador para reatribuir seletivamente os estados de desvio entre as múltiplas capacitâncias durante a conexão a um nó de menor tensão. A operação estável pode ser alcançada usando-se o controlador para desviar capacitâncias diferentes de um ciclo de car- ga-descarga para o próximo.
[0015] O sistema pode ter múltiplas colunas conectadas em para lelo entre o terra e os dois nós de alta tensão, com comutadores de alta tensão separados em série com um reator entre a segunda extremidade de cada coluna e cada um dos dois nós, e em que o controlador é adaptado para controlar os estados de todos os comutadores. O controlador pode ser adicionalmente adaptado para estabelecer pulsos de corrente de entrada e saída para ou a partir de múltiplas colunas que são aditivas. O controlador pode ser adicionalmente adaptado para ocasionar a geração de pulsos a partir de cada uma das colunas e que são igualmente espaçadas no tempo entre si.
[0016] Um meio ciclo de corrente ressonante e senoidalmente va riante, iniciado pela conexão de múltiplas capacitâncias da coluna a nós de alta tensão e interrompido em seu primeiro ponto zero de corrente, pode ser usado pelo controlador como um meio para alcançar a troca de energia entre essas múltiplas capacitâncias e os nós de alta tensão. Uma razão de tensão de entrada e saída pode ser estabelecida fazendo-se com que o controlador afete as posições de comutação que desviam eletricamente as capacitâncias de cada coluna selecionadas entre a aceitação de carga do primeiro nó de CC de alta tensão e a entrega de carga para o segundo nó de CC de alta tensão.
[0017] A operação estável pode ser alcançada equalizando-se a carga em um grupo de capacitâncias em cada coluna, tal equalização de carga é realizada usando-se o controlador para reatribuir seletivamente o estado de desvio entre as múltiplas capacitâncias durante a conexão a um nó de menor tensão. A operação estável pode ser alcançada usando-se o controlador para desviar capacitâncias diferentes em cada coluna de um ciclo de carga-descarga para o próximo.
[0018] Também é apresentado no presente documento um siste ma para a regulação de transferência de potência de um primeiro nó em uma alta tensão de CC para um segundo nó nominalmente na mesma alta tensão de CC. O sistema inclui uma pluralidade de capaci- tâncias e um controlador que é adaptado para usar as capacitâncias de modo a trocar de modo ressonante a energia entre as capacitân- cias e os dois nós.
[0019] Um meio ciclo de corrente ressonante e senoidalmente va riante, iniciado pela conexão de múltiplas capacitâncias da coluna a nós de alta tensão e interrompido em seu primeiro ponto zero de corrente, pode ser usado pelo controlador como um meio para alcançar a troca de energia entre essas múltiplas capacitâncias e os nós de alta tensão. Uma razão de tensão de entrada e saída pode ser estabelecida fazendo-se com que o controlador afete as posições de comutação que desviam eletricamente as capacitâncias selecionadas entre a aceitação de carga do primeiro nó de CC de alta tensão e a entrega de carga para o segundo nó de CC de alta tensão.
[0020] A operação estável pode ser alcançada equalizando-se a carga em um grupo de capacitâncias, tal como a equalização de carga realizada usando-se o controlador para reatribuir seletivamente o estado entre as múltiplas capacitâncias. A operação estável pode ser alcançada usando-se o controlador para desviar capacitâncias diferentes de um ciclo de carga-descarga para o próximo.
[0021] O controlador pode ser adicionalmente adaptado para esta belecer pulsos de corrente de entrada e saída para ou a partir de múltiplas colunas que são aditivas. O controlador pode ser adicionalmente adaptado para ocasionar a geração de pulsos que são igualmente espaçados no tempo entre si. Um meio ciclo de corrente ressonante e senoidalmente variante, iniciado pela conexão de múltiplas capacitân- cias da coluna a nós de alta tensão e interrompido em seu primeiro ponto zero de corrente, pode ser usado pelo controlador como um meio para alcançar a troca de energia entre essas múltiplas capacitân- cias e os nós de alta tensão. Uma razão de tensão de entrada e saída pode ser estabelecida fazendo-se com que o controlador afete as posições de comutação que desviam eletricamente as capacitâncias se-lecionadas entre a aceitação de carga do primeiro nó de CC de alta tensão e a entrega de carga para o segundo nó de CC de alta tensão. A operação estável pode ser alcançada equalizando-se a carga em um grupo de capacitâncias, tal equalização de carga é realizada usando- se o controlador para reatribuir seletivamente o estado de desvio entre as múltiplas capacitâncias durante a conexão a um nó de tensão. A operação estável pode ser alcançada usando-se o controlador para desviar capacitâncias diferentes de um ciclo de carga-descarga para o próximo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0022] Outros objetivos, recursos e vantagens ocorrerão ao indiví duo versado na técnica a partir da descrição a seguir das modalidades preferenciais das inovações e dos desenhos anexos.
[0023] A Figura 1 mostra um módulo de meia-ponte de nível de potência com comutadores internos configurados para desconectar e desviar o capacitor interno.
[0024] A Figura 2 mostra um módulo de meia-ponte de nível de potência com comutadores internos configurados para inserir o capacitor interno no circuito ao qual o mesmo é conectado.
[0025] A Figura 3 mostra uma modalidade de sistema de transfor mação de potência de CC em CC multimodular configurado para o car-regamento pré-operacional inicial de capacitores dentro de módulos de meia-ponte.
[0026] A Figura 4 mostra uma modalidade de sistema de transfor mação de potência de CC em CC multimodular configurado para receber carga de um nó de CC de alta tensão.
[0027] A Figura 5 mostra um sistema de transformação de potên cia de CC em CC multimodular configurado para entregar carga a um segundo nó de CC de alta tensão.
[0028] A Figura 6 mostra a natureza ressonante do pulso de cor rente de entrada de baixa tensão e do pulso de corrente de saída em um sistema de transformação de potência de CC em CC multimodular.
[0029] A Figura 7 mostra um exemplo em que múltiplos sistemas de transformação de CC em CC multimodulares são usados tanto para suavizar os níveis de corrente de entrada e de saída quanto para aumentar a capacidade de potência de um sistema de transformação de CC em CC composto.
[0030] A Figura 8 mostra a natureza de forma de onda de corrente de entrada e de saída que resulta de um sistema de transformação de CC em CC composto exemplificador que compreende três transformadores de CC em CC individuais.
MODALIDADES
[0031] Para simplificar a explicação das modalidades citadas no presente documento, os dispositivos de comutação eletrônicos de potência comumente usados, tais como tiristores, transístores bipolares de porta isolada (IGBTs) e diodos, são todos representados no presente documento por um simples símbolo de comutação, sendo que sua função é clara a partir do contexto das figuras apresentadas. Além disso, a identificação mais geral de "nós" corresponderá, em aplicações de potência de tensão alta, a "barramentos".
[0032] As modalidades citadas no presente documento são base adas somente em transferências de carga elétrica entre barramentos de CC de alta tensão e múltiplos capacitores. As transferências desse tipo resultariam em grandes perdas a menos que realizadas de modo ressonante, isto é, colocando-se uma indutância em série com o comutador que efetua a transferência, ocasionando, desse modo, uma onda senoidal ressonante de corrente que pode ser interrompida na corrente zero por dispositivos de comutação eletrônicos de potência, por exemplo, tiristores ou comutadores bidirecionais de estado sólido, deixando o(s) capacitor(es) envolvidos ou com um aumento ou uma diminuição em carga e uma tensão correspondente mais alta ou mais baixa. Os princípios de tais transferências ressonantes são bem conhecidos pelos indivíduos versados na técnica.
[0033] O(s) capacitor(es) 93 envolvidos em uma modalidade do presente sistema está incorporado em um módulo de meia-ponte 90, conforme ilustrado na Figura 1. O termo "meia-ponte", conforme usado nesta revelação, refere-se ou a (1) um módulo de capacitor e comuta- dor compósito, conforme mostrado na Figura 1, que tem capacidade tanto para inserir eletricamente uma capacitância em um circuito em série quanto para isolar essa capacitância e desvia a mesma dentro do mesmo circuito em série e é comumente definido com o nome de "meia-ponte", ou (2) qualquer outra configuração de comutadores e capacitâncias que funcionam coletivamente como a meia-ponte descrita acima. Nota-se que a capacitância 93 é ilustrada como um único capacitor, mas a capacitância também pode ser realizada com uma série de capacitores eletricamente acoplados ou outros dispositivos que exibem capacitância.
[0034] Também é mostrado na Figura 1 um controlador 110 que regula a sequência e a temporização de todos os comutadores nas várias modalidades descritas no presente documento; esse controlador está presente em cada exemplo, mas não é mostrado em todos os desenhos. O controlador pode fazer parte de um circuito personalizado que inclui as meias pontes ou o mesmo pode ser um controlador separado que é operacionalmente acoplado aos comutadores. A Figura 1 também mostra um dispositivo protetor comumente aplicado 94 para proteger os elementos dentro da meia-ponte no caso de uma falha elétrica no sistema em que o mesmo é aplicado. Tais módulos 90 podem consistir tanto em comutadores 91, 92 e capacitor 93 ordenados de modo independente ou módulos de meia-ponte 90 comercialmente disponíveis e comumente aplicados que consistem nos mesmos componentes 91, 92, 93. Os módulos comercialmente disponíveis são equipados com capacitores 93 de classificação de microfarad relati-vamente alta.
[0035] O capacitor 93 pode tanto ser inserido no circuito 20 atra vés da abertura do comutador 91 e fechamento do comutador 92 quanto removido do circuito 20 e desviado através da abertura do comutador 92 e fechamento do comutador 91. O carregamento de um estado para outro dentro de tal módulo 90 pode ser alcançado na ordem de microssegundos; ordens de magnitude menores que um período razoável de troca de carga ressonante entre capacitores 93. Enquanto que a Figura 1 mostra o capacitor 93 dentro da meia-ponte desconectado do circuito em série do qual o mesmo faz parte através do fechamento do comutador 91 e abertura do comutador 92, a Figura 2 mostra o mesmo capacitor 93 inserido no circuito em série através da abertura do comutador 91 e fechamento do comutador 92.
[0036] A Figura 3 ilustra uma modalidade básica de um sistema de transformação de potência de CC em CC de múltiplos módulos 30 revelado no presente documento que usa uma coluna 100 que compreende múltiplos módulos de meia-ponte 90 conectados em série. A coluna 100 pode ser alternativamente conectada tanto a um primeiro nó de CC de alta tensão 2 através do reator 70 e do comutador 12 quanto a um segundo nó de CC de alta tensão 3 através de um segundo reator 71 e um segundo comutador 13. Na prática, esses comutadores 12 e 13 e suas contrapartes em desenhos subsequentes são complementares, isto é, quando um comutador é fechado o outro sempre será aberto, sempre fornecendo, portanto, um isolamento galvânico entre os dois nós de CC de alta tensão 2 e 3. Os reatores 70 ou 71 podem ser produzidos de modo a variar em valor quando a razão de transfor-mador de tensão de CC é tornada ajustável.
[0037] A modalidade mostrada na Figura 3 irá operar tanto como um transformador elevador ou redutor de energia. Em ambos os casos essa modalidade opera com duas etapas repetitivas que compreendem um ciclo de operação. Considera-se a primeira operação como um DCT elevador.
INICIALIZAÇÃO
[0038] Assume-se que haja um total de n módulos de meia-ponte 90 dentro da coluna de módulos capacitivos 100, em que cada um contém um capacitor 93 que pode, conforme ilustrado na Figura 1, ser eletricamente inserido nessa coluna 100 ou desviado e eletricamente removido da coluna 100. Assume-se, ainda, que V2 > V1 de modo que o DCT ilustrado na Figura 3 tenha como objetivo converter energia a uma tensão nominal V1 até uma energia em uma tensão nominal mais alta V2. Durante a energização de inicialização inicial, faz-se com que o comutador 12 seja aberto e o comutador 13 seja fechado conforme mostrado na Figura 3, fornecendo, desse modo, uma trajetória de carregamento inicial para a coluna de módulos capacitivos 100 do segundo nó de alta tensão 3 ao terra 1. Durante esse carregamento inicial, o comutador 10 é aberto, inserindo-se o resistor 80 na trajetória de carregamento inicial, evitando, desse modo, um excesso ressonante e deixando cada um dos n capacitores 93 dentro da coluna de módulos 100 com uma carga de V2/n. O comutador 13 é, então, aberto e o comutador 10 é fechado permanentemente para a operação nominal. O terra é definido como sendo ou um terra real, ou para um condutor de retorno metálico, ou para a mesma extremidade de outro DCT conectado a um polo de polaridade oposta em um sistema de CC sem um terra imediato.
ETAPA 1:
[0039] O comutador 13, que está agora aberto, m (em que m é menor que n) capacitores 93 dentro dos módulos capacitivos 90 que compreendem a coluna 100 são desviados, deixando, desse modo, a coluna capacitiva 100 com uma tensão reduzida de (n-m)/n x V2. Suponha, por exemplo, que n e m sejam selecionados de modo que a razão (n-m)/n seja exatamente igual a V1/V2. Nesse caso, a tensão no outro lado do comutador 12 será a mesma, e o fechamento do comutador 12, conforme ilustrado na Figura 4, não ocasionará nenhuma transferência de carga do primeiro barramento de alta tensão 2 para a coluna capacitiva 100. Suponha, no entanto, que se faça com que a tensão no primeiro nó de alta tensão 2 seja um tanto maior que (n-m)/n x V2. Nesse caso, o fechamento do comutador 12 na Figura 4 resultará em uma transferência de carga ressonante do primeiro nó de alta tensão 2 pra n-m dos capacitores 93 dentro da coluna capacitiva 100 embora, conforme observado acima, m desses capacitores 93, ainda desviados, permaneçam carregados a V2/n. Se tanto os m capacitores desviados 93 quanto os n-m capacitores não desviados, em série, fossem, então, simplesmente conectados de modo ressonante ao segundo barramento de alta tensão 3, conforme mostrado na Figura 5, a tensão da coluna capacitiva 100 iria exceder V2 e resultar em uma energia sendo transferida para esse barramento. No entanto, o resultado iria deixar também n-m capacitores com uma tensão pós- descarga mais alta do que os m capacitores - uma diferença que iria crescer com cada ciclo de repetição. Portanto, dentro dessa modalidade, durante o meio ciclo ressonante de tempo de carregamento durante o qual n-m capacitores 93 estão recebendo carga do primeiro nó de alta tensão 2, conforme mostrado na Figura 4, o número real dos ca- pacitores desviados permanece igual a m. No entanto, o(s) capaci- tor(es) que são desviados devem ser girados entre os capacitores 93, em um ou múltiplos ciclos em uma sequência e por durações de tempo que asseguram que todos os capacitores, m e n-m têm variações de carga e tensão iguais. Isso é um processo de equalização de carga comumente usado, chamado de "ordenação".
ETAPA 2:
[0040] Essa etapa consiste apenas em fechar o comutador 13 pa ra descarregar de modo ressonante a coluna capacitiva total 100, agora com todos os desvios removidos, para o segundo barramento de alta tensão 3, conforme é mostrado na Figura 5.
[0041] Uma modificação a essa modalidade, que também irá supe rar o desequilíbrio cumulativo em tensões de capacitor citado acima e remediado acima através da ordenação de procedimentos, pode ser alcançada através da rotação contínua da atribuição de capacitores desviados entre ciclos de carga e descarga. Portanto, um capacitor que é desviado em um ciclo pode não ser desviado nos diversos próximos ciclos, e um capacitor não desviado nesse ciclo pode ser desviado no próximo, sendo que a seleção em cada caso é realizada de modo a estabilizar a distribuição de carga entre todos os capacitores ao longo de um grande número de ciclos.
[0042] Será aparente a partir do que foi citado acima que nessa modalidade a quantidade de potência que flui do nó primário 2 para o nó secundário 3 dependerá do grau em que a tensão primária é elevada acima de V2 x (n-m)/n e, além disso, que se a tensão no barramen- to primário 2 cai para abaixo de V2 x n-m)/n, a sequência apresentada acima resultará em um fluxo de potência do segundo nó de alta tensão 3 para o primeiro nó de alta tensão 2.
[0043] É igualmente aparente que a direção e nível do fluxo res ponderão do mesmo modo às alterações no nível de tensão do nó secundário 3. Essas alterações no fluxo de potência são consequência de ajustes de tensão externa em vez de um sinal de controle de potência. Portanto, o fluxo através dessa modalidade de sistema de transformação de CC será governado pela razão de tensões de terminal em relação à razão entre n e m, assim como, com um transformador de ca, o fluxo é ditado pela diferença de ângulo de fase dos sistemas em seus dois terminais. Se essa modalidade for usada para ligar os sistemas de CC independentes, a mesma irá trocar potência entre esses sistemas sem controles de potência interna e, em resposta aos ajustes de tensão em ambos os sistemas. Além disso, se a modalidade ligar dois sistemas de CC de tensão idêntica, as variações na seleção de m, o número de capacitores desviados 90, durante o curso de operação desses dois sistemas podem ser usadas para permitir o controle do fluxo de potência em ambas as direções entre esses dois sistemas.
[0044] O número de módulos capacitivos 90 fornecidos na coluna 100 pode exceder o número usado no processo descrito acima a fim de serem inseridos para substituir um módulo capacitivo 90 que falha na operação e é permanentemente desviado, aguardando a substituição.
[0045] A explicação da modalidade supracitada foi baseada em uma operação de elevação da modalidade discutida. Será aparente aos indivíduos versados na técnica que a sequência reversa de operação irá transferir potência de uma tensão de barramento mais alta para uma mais baixa, que constitui uma operação de redução.
[0046] A razão de tensão do DCT pode ser alterada ao se alterar o número de capacitores desviados durante a etapa 1 e ao se ajustar o valor do reator de modo correspondente para manter a mesma frequência ressonante. Portanto, outra modalidade da invenção, em que o número m de capacitores desviados é variado, pode ser usada dentro de uma rede elétrica de CC de alta tensão para regular o fluxo de uma ou mais linhas específicas.
[0047] A comutação ressonante dentro do método e sistema supraci tados resultará em formas de onda de pulso tanto de entrada quanto de saída da natureza mostrada na Figura 6; uma forma de onda que seria muito difícil de se converter a uma corrente de CC constante e útil. No entanto, uma segunda modalidade (composta) da invenção consiste em dois ou mais DCTs em paralelo (três na ilustração exemplificadora da Figura 7) em que se faz com que cada um gere pulsos igualmente espaçados em temo uns dos outros; produzindo, desse modo, uma série de pulsos de corrente aditivos, conforme ilustrado na Figura 8 para o caso com três DCTs. A forma de onda de CC compósita resultante foi mostrada pela simulação transiente detalhada como sendo facilmente filtrada para uma corrente de CC suave. Além de se suavizar ambas as formas de onda de saída e de entrada, A modalidade de DCT composta aumen- ta a capacidade de transferência de megawatts compósitos de um DCT individual por um fator igual ao número de DCTs paralelos.
[0048] Qualquer dispositivo incorporado em um sistema de CC de alta tensão deve ter capacidade para sustentar curtos-circuitos acidentais dentro do(s) sistema(s) de CC conectado(s) e, de modo oposto, não deve, como resultado de curto-circuito dentro de si mesmo ou através de sua conexão com outro sistema, aumentar o risco ou as consequências de um curto-circuito no(s) sistema(s) conectado(s).
[0049] As modalidades de DCT citadas no presente documento atendem a esses critérios. Uma falha ou no nó 2 ou no nó 3 na Figura 7 não será conduzida para o outro nó visto que em nenhum momento há uma trajetória galvânica de um nó para o outro. Quando cada um dos pares de comutadores 12 e 13, 14 e 15 ou 16 e 17 na Figura 7 é fechado, o outro é aberto.
[0050] Será aparente aos indivíduos versados na técnica que no ca so de uma falha ao terra dentro de módulos individuais, tais como 90 na Figura 2, os métodos do estado da técnica podem ser empregados dentro de módulos de meia-ponte, tais como aquele ilustrado na Figura 1, como o componente 94 para proteger os módulos remanescentes.
[0051] Um ou mais indutores podem ser incluídos na coluna de capacitor que compreende módulos individuais 90 para proteger a descarga de capacitor direta no caso de uma falha interna. A indutân- cia total incluída desse modo na coluna de capacitor é determinada em relação aos valores dos 70 e 71 para manter a frequência projetada de ressonância.
[0052] Várias implantações foram descritas. Todavia, será com preendido que modificações adicionais podem ser realizadas sem se afastar do escopo dos conceitos inventivos descritos no presente documento, e, consequentemente, que outras modalidades estão dentro do escopo das reivindicações a seguir.

Claims (21)

1. Sistema de transformação de potência de CC para CC de múltiplos módulos que é construído e disposto para transformar potência de um primeiro nó de tensão de CC em um segundo nó de tensão de CC separado compreendendo: (a) uma coluna (100) compreendendo uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) conectados em série, cada módulo de meia-ponte compreendendo uma capacitância (93) que é configurada para ser eletricamente inserida no interior da coluna (100) ou eletricamente isolada da coluna (100) usando comutadores (91, 92) dentro da coluna (100), em que uma primeira extremidade da coluna (100) é eletricamente conectada ao terra; (b) dois comutadores de alta tensão (91, 92), cada um em série com um reator (70, 71); um primeiro dos dois comutadores de alta tensão (91, 92) adaptado para conectar eletricamente uma segunda extremidade da coluna (100) ao primeiro nó de tensão de CC, e um segundo dos dois comutadores de alta tensão (91, 92) adaptado para conectar eletricamente a segunda extremidade da coluna (100) ao segundo nó de tensão de CC; e (c) um controlador (110) adaptado para controlar os estados dos comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) e os estados dos dois comutadores de alta tensão (91, 92) para transformar a potência por troca ressonante de energia entre capacitâncias (93) dos módulos de meia-ponte (90) da coluna (100) através dos reatores (70, 71) e dos primeiro e segundo nós de tensão de CC; caracterizado pelo fato de que um meio-ciclo de corrente ressonante e senoidalmente variante, iniciado por uma conexão das capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) da coluna (100) aos primeiro e segundo nós de tensão de CC e interrompido em um primeiro ponto zero de corrente, é usado pelo contro- lador (110) para alcançar a troca de energia entre as capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) e os primeiro e segundo nós de tensão de CC.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma razão de tensão de entrada e saída é estabelecida fazendo com que o controlador (110) use os comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) para isolar eletricamente as capacitâncias (93) de coluna de módulos de meia-ponte (90) da coluna (100) entre a aceitação da carga a partir do primeiro nó de tensão de CC e entrega de carga para o segundo nó de tensão de CC.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a operação estável é alcançada equalizando uma carga nas capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia- ponte (90) da coluna (100), de modo que a equalização de carga seja realizada usando o controlador (110) para reatribuir seletivamente estados de desvio entre as capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) da coluna (100) durante a conexão a um nó de tensão de CC.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a troca ressonante de energia entre capacitâncias (93) dos módulos de meia-ponte (90) da coluna (100) através dos reatores (70, 71) e dos primeiro e segundo nós de tensão de CC compreende usar o controlador (110) para controlar uma pluralidade de ciclos de carga-descarga de coluna sequenciais, em que os estados de comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) são variados entre um ciclo de carga de coluna e um ciclo de descarga de coluna.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende múltiplas colunas conectadas em paralelo entre o terra e os primeiro e segundo nós de tensão de CC, com comutadores de alta tensão (91, 92) separados em série com um rea- tor (70, 71) entre uma segunda extremidade de cada coluna (100) e de cada um dos primeiro e segundo nós de tensão de CC, e em que o controlador (110) é adaptado para controlar estados dos comutadores de alta tensão (91, 92) separados.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o controlador (110) é ainda adaptado para estabelecer pulsos de corrente de entrada e saída para ou a partir de múltiplas colunas.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os pulsos de corrente de entrada e saída são espaçados igualmente no tempo.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um meio ciclo de corrente ressonante e senoidal- mente variante, iniciado por uma conexão das capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) da coluna (100) aos primeiro e segundo nós de tensão de CC e interrompido em um primeiro ponto zero de corrente, é usado pelo controlador (110) como um meio para alcançar a troca de energia entre as capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) e os primeiro e segundo nós de tensão de CC.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que uma razão de tensão de entrada e saída é estabelecida fazendo com que o controlador (110) use os comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) para se isolar eletricamente das capacitâncias (93) de coluna de módulos de meia-ponte (90) de cada coluna (100) entre aceitação de carga a partir do primeiro nó de tensão de CC e entrega de carga para o segundo nó de tensão de CC.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a operação estável é alcançada equalizando uma carga nas capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia- ponte (90) de cada coluna (100), de modo que a equalização de carga seja realizada usando o controlador (110) para reatribuir seletivamente estados de desvio entre as capacitâncias (93) de uma pluralidade de módulos de meia-ponte (90) de cada coluna (100) durante uma conexão a um nó de tensão de CC.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a troca ressonante de energia entre capacitân- cias (93) dos módulos de meia-ponte (90) de cada coluna (100) através dos reatores (70, 71) e dos primeiro e segundo nós de tensão de CC compreende usar o controlador (110) para controlar uma pluralidade de ciclos de carga-descarga de coluna sequenciais, em que os estados de comutadores (91, 92) dentro das colunas são variados entre um ciclo de carga de coluna e um ciclo de descarga de coluna.
12. Sistema para regulação de transferência de potência de um primeiro nó em uma tensão de CC para um segundo nó na mesma tensão de CC compreendendo: uma coluna (100) compreendendo uma pluralidade de ca- pacitâncias (93) conectadas em série que é configurada para ser ele-tricamente inserida no interior da coluna (100) ou eletricamente isolada da coluna (100) usando comutadores (91, 92) dentro da coluna (100); e um controlador (110) que é adaptado para controlar a inserção elétrica e o isolamento elétrico das capacitâncias (93) da coluna (100) de modo a trocar de modo ressonante energia entre as capa- citâncias e os primeiro e segundo nós de tensão de CC; caracterizado pelo fato de que um meio-ciclo de corrente ressonante e senoidalmente variante, iniciado por uma conexão das capacitâncias (93) da coluna (100) aos primeiro e segundo nós de tensão de CC e interrompido em um primeiro ponto zero de corrente, é usado pelo controlador (110) para alcançar a troca de energia entre as capacitâncias (93) da coluna (100) e os primeiro e segundo nós de tensão de CC.
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que uma razão de tensão de entrada e saída é estabelecida fazendo com que o controlador (110) use os comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) para se isolar eletricamente das capa- citâncias (93) de coluna da coluna (100) entre a aceitação de carga a partir do primeiro nó de tensão de CC e entrega de carga para o segundo nó de tensão de CC.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a operação estável é alcançada equalizando uma carga em uma pluralidade das capacitâncias (93), de modo que a equalização de carga seja realizada usando o controlador (110) para reatribuir seletivamente estados de desvio entre as capacitâncias (93).
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a troca ressonante de energia entre capacitân- cias (93) da coluna (100) e os primeiro e segundo nós de tensão de CC compreende usar o controlador (110) para controlar uma pluralidade de ciclos de carga-descarga de coluna sequenciais, em que os estados de comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) são variados entre um ciclo de carga de coluna e um ciclo de descarga de coluna.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o controlador (110) é ainda adaptado para estabelecer pulsos de corrente de entrada e saída a partir de múltiplas colunas.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os pulsos de corrente de entrada e saída são igualmente espaçados no tempo.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que uma interrupção de corrente em um ponto zero de corrente em um formato de onda de corrente senoidalmente variante resultante de conexão ressonante entre uma pluralidade das capacitân- cias (93) e os primeiro e segundo nós de tensão de CC é usada pelo controlador (110) para completar uma troca ressonante de energia.
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que uma razão de tensão de entrada e saída é estabelecida fazendo com que o controlador (110) use os comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) pra isolar capacitâncias (93) da coluna (100) entre a aceitação de carga a partir do primeiro nó de tensão de CC e entrega de carga para o segundo nó de tensão de CC.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a operação estável é alcançada equalizando uma carga nas capacitâncias (93), de modo que a equalização de carga seja realizada usando o controlador (110) para reatribuir seletivamente estados de desvio entre as capacitâncias (93) durante uma conexão a um nó de tensão de CC.
21. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a troca ressonante de energia entre capacitân- cias (93) da coluna (100) e os primeiro e segundo nós de tensão de CC compreende usar o controlador (110) para controlar uma pluralidade de ciclos de carga-descarga de coluna sequenciais, em que os estados de comutadores (91, 92) dentro da coluna (100) são variados entre um ciclo de carga de coluna e um ciclo de descarga de coluna.
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