BR112018011543B1 - Módulo de injeção por impedância ativa para balanceamento de linha dinâmica de uma linha de transmissão de alta tensão distribuída, melhoria para no módulo e método para fornecer balanceamento de linha dinâmica e distribuída de uma linha de transmissão de alta tensão - Google Patents
Módulo de injeção por impedância ativa para balanceamento de linha dinâmica de uma linha de transmissão de alta tensão distribuída, melhoria para no módulo e método para fornecer balanceamento de linha dinâmica e distribuída de uma linha de transmissão de alta tensão Download PDFInfo
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Abstract
MÉTODO DE TENSÃO DE INJEÇÃO POR IMPEDÂNCIA USANDO TRANSFORMADORES COM MÚLTIPLOS ENROLAMENTOS SECUNDÁRIOS PARA CONTROLE DE FLUXO DE ENERGIA DINÂMICA A presente invenção descreve um módulo de injeção por impedância ativa para balanceamento de linha dinâmica de uma linha de transmissão de alta tensão (HV, high-voltage). O módulo de injeção por impedância compreende uma pluralidade de transformadores, ca-da um tendo um enrolamento primário em série com uma linha de transmissão de alta tensão. Cada transformador também tem enrola-mentos secundários, cada um conectado a um conversor eletrônico individual. A pluralidade de enrolamentos secundários é eletricamente isolada do enrolamento primário associado e extrai a energia da linha de transmissão de alta tensão para operação dos conversores e ou-tros circuitos ligados aos enrolamentos secundários. O módulo de in-jeção por impedância ativa é habilitado para gerar uma impedância controlada, indutiva ou capacitiva, para ser impressa na linha de transmissão de alta tensão. Uma pluralidade de módulos de injeção por impedância ativa espacialmente distribuídos em uma linha de transmissão de alta tensão está habilitada para injetar uma impedân-cia cumulativa controlada em uma linha de transmissão de alta tensão enquanto limitam a capacidade de conversores individuais àqueles exequíveis com componentes (...).
Description
[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório Norte-Americano 62/264.744 depositado em 8 de dezembro de 2015.
[002] A presente invenção se refere a sistemas e métodos para balanceamento de linha dinâmica de linhas de transmissão de alta tensão (HV, high-voltage) usando módulos de injeção por impedância ativa espacialmente distribuídos que são ligados diretamente em série com a linhas de transmissão de alta tensão que formam as redes de energia elétrica de alta tensão.
[003] As redes elétricas de alta tensão normalmente operam com tensões na ordem de cerca de 50 kV até cerca de 600 kV. Um dos requisitos dessas redes de energia de alta tensão é a necessidade de capacidade de controle de fluxo de potência ativa distribuída dinâmica que pode injetar tanto impedância indutiva quanto capacitiva na linha de transmissão de alta tensão conforme necessário para obter o equilíbrio de linha e correção de ângulo de fase. Um sistema que possa reagir rapidamente aos problemas de fluxo de energia sobre a rede, melhorará grandemente a operação da rede e a eficiência da transferência de energia.
[004] As redes congestionadas limitam a confiabilidade do sistema e aumentam o custo de fornecimento de energia por ter parte da energia dissipada em circuitos desbalanceados, causando correntes de circuito com perda de energia associada. Além disso, tensões substancialmente fora de fase e correntes nas linhas de transmissão reduzem a capacidade das linhas de transferir energia real do gerador para a subestação de distribuição. Para remover esta limitação, é desejável ter redes elétricas de alta tensão com linhas de transmissão que sejam balanceadas, com a transferência de energia compartilhada substancialmente por métodos de otimização, com fator de potência razoável, e diferença de fase controlável entre tensão e correntes. Estes recursos reduzem as correntes e as perdas associadas e permitem a transferência real de energia através da rede até a capacidade das linhas.
[005] Atualmente, a maioria dos recursos de controle de rede é baseada em terra e instalada em subestações com cargas capacitivas e indutivas selecionáveis. Essas instalações exigem isolamento de alta tensão e recursos de comutação de alta corrente. Estando nas subestações, estes podem usar métodos de resfriamento que incluem resfriamento de óleo, recirculação forçada de refrigerante, e outras opções sem considerar o peso e o tamanho das unidades. Esses controles agrupados exigem uma instalação centralizada de coleta e controle de dados para coordenar a operação em toda a rede e, portanto, têm atrasos associados na implementação da função de controle na rede elétrica.
[006] O controle ativo e distribuído da impedância da linha de transmissão, se efetivamente implementado com alta confiabilidade, melhora substancialmente a eficiência do sistema, mas requer implementações econômicas que podem alterar a impedância das linhas de transmissão de alta tensão, com rápida identificação e rápida resposta a problemas de balanceamento de linha, mudando o ângulo de fase da relação corrente-tensão aplicada através da linha, controlando assim o fluxo de potência.
[007] Atualmente, as soluções eficazes e confiáveis comprovadas para o controle distribuído da rede elétrica, como, por exemplo, descritas na patente US 7.835.128 de Divan et al. (A patente "128") são limitadas. A Figura 1 mostra uma representação do atual sistema de balanceamento de linhas distribuídas 102 utilizando um "reator de série distribuída (DSR)" 100, utilizando um módulo de injeção de impedância passiva.
[008] A energia é transmitida da fonte de energia elétrica ou gerador 104 para a subestação de carga ou distribuição 106. Módulos de injeção por impedância passiva indutiva distribuída espacialmente (ou DSR 100) são diretamente ligados ao condutor de potência na linha de transmissão de alta tensão 108 e, portanto, formam o enrolamento primário do DSR 100 com um enrolamento secundário tendo um comutador de derivação que, quando aberto, injeta uma impedância indutiva na linha para controle distribuído. Esses DSRs 100 fornecem apenas uma quantidade limitada de controle, injetando apenas a impedância indutiva na linha. Quando o enrolamento secundário está em curto com o comutador de derivação, o DSR 100 está em um modo de proteção e injeta impedância substancialmente zero na linha de alta tensão.
[009] As Figuras 2 e 2A e 2B mostram modalidades de um módulo de injeção por impedância passiva DSR 100. A linha de transmissão de alta tensão 108 é incorporada dentro do módulo como o enrolamento primário adicionando duas (ou mais) seções do núcleo de divisão 132, que são montadas ao redor da linha de transmissão de alta tensão 108. As seções de núcleo 132 são fixadas na linha de transmissão de alta tensão 108 com uma lacuna de ar 138 separando as seções após a montagem. A lacuna de ar 138 é usada para definir um valor máximo de impedância indutiva fixa que deve ser injetado na linha de alta tensão através do enrolamento primário. O enrolamento secundário 134 e 136 envolve as duas seções do núcleo de divisão 132 e permitiu que o comutador de derivação 122 encurte o enrolamento secundário e impeça a injeção de impedância indutiva em uma linha de transmissão de alta tensão 108 e ainda forneça proteção aos circuitos secundários quando picos de energia ocorrerem na linha de transmissão de alta tensão. As seções do núcleo dividido 132 e o enrolamento 134 e 136 compreendem o transformador de único giro (STT) 120. Um módulo da fonte de alimentação 128 deriva a energia dos enrolamentos secundários 134&136 do STT 120 através de um transformador conectado em série 126. A fonte de alimentação 128 fornece energia a um controlador 130. O controlador 130 monitora a corrente da linha através da corrente secundária do STT 120, e desliga o comutador de derivação 122 quando a corrente da linha atingir e exceder um nível predeterminado. Com o comutador de contato 122 aberto, um tristor 124 pode ser usado para controlar a impedância indutiva injetada a um valor de até o máximo definido pela lacuna de ar 138 de DSR 100.
[0010] Ao usar múltiplos DSRs 100 conectados na linha de transmissão de alta tensão como na Figura 1, a impedância indutiva injetada por todos os DSRs 100 nos segmentos de linha fornece a impedância de controle total. A principal razão para a escolha e uso da unidade de injeção de impedância indutiva DSR 100 é sua simplicidade, baixo custo e confiabilidade, pois não necessita de circuitos eletrônicos ativos para gerar a impedância indutiva necessária. O valor da impedância indutiva de cada DSR 100 é fornecido pelo ajuste de entreferro do núcleo do transformador e não gerado eletronicamente, e, portanto, tem menos modos de falha do que se o mesmo fosse implementado usando circuitos eletrônicos. A dificuldade em implementar e usar circuitos eletrônicos para unidades de injeção de impedância que podem produzir uma alta impedância para injeção ativamente controlável, compreendendo impedância indutiva e capacitiva, é multipartida. Isso inclui alcançar a confiabilidade de longo prazo exigida pelas concessionárias de energia elétrica, gerando os níveis de tensão e corrente necessários para obter um controle ativo efetivo das linhas no circuito secundário, permanecendo dentro dos limites de custo razoável para o módulo.
[0011] Módulos de injeção por impedância ativa distribuídos em linhas de transmissão de alta tensão foram propostos no passado. A Patente US 7.105.952 de Divan et al. licenciada para a entidade candidata é um exemplo disso. A Figura 3 mostra um esquema exemplificativo de um módulo de injeção por impedância distribuída ativa 300. Espera-se que estes módulos 300 sejam instalados no mesmo local na linha de energia de alta tensão como os módulos de injeção de impedância passiva (ou "DSR" 100) mostrados na Figura 1. O módulo de injeção por impedância ativa 300 não executa as mesmas funções. De fato, o módulo de injeção por impedância ativa 300 não tem um núcleo com lacuna 132 da Figura 2B que proporciona a impedância indutiva fixa. Em vez disso, a impedância indutiva ou capacitiva é gerada usando o conversor 305 com base na corrente da linha de transmissão de ata transmissão detectada 108. A detecção da magnitude da corrente de linha é feita por amostragem da corrente secundária pelo transformador secundário ligado em série 302. O bloco de detecção e alimentação 303 ligado ao transformador secundário 302 extrai a informação de corrente da linha de transmissão de alta tensão e alimenta o controlador 306. O controlador baseado na entrada recebida fornece os comandos necessários ao conversor 305 para gerar a impedância indutiva ou capacitiva necessária para ajustar a impedância da linha. O valor da impedância, neste caso, não é fixo, mas varia de acordo com o status da corrente medida na linha de transmissão de alta tensão. Portanto, o sistema que utiliza módulos de injeção de impedância ativa espacialmente distribuídos 300 proporciona um método muito mais suave e eficiente para equilibrar a rede.
[0012] Na prática, os módulos de injeção por impedância ativa 300s não são viáveis devido a razões de custo e confiabilidade. Para injetar as impedâncias necessárias na linha de transmissão de alta tensão para fornecer um balanceamento de linha razoável, é necessário gerar uma quantidade significativa de energia nos circuitos do conversor. Isto exigiu que os módulos de injeção por impedância ativa 300 utilizassem dispositivos especializados com tensões e taxas de correntes adequadas.
[0013] A falha de um módulo em um sistema de balanceamento de linha de injeção de impedância indutiva distribuída espacialmente usando módulos DSR 100 insere uma impedância indutiva fixa definida pela "lacuna de ar" 138 ou impedância substancialmente zero na linha. A falha de alguns módulos em um grande número distribuído pela linha de transmissão de alta tensão não exige o desligamento imediato da linha. Os reparos ou a substituição dos módulos com falha podem ser realizados no momento em que a linha pode ser derrubada com impacto mínimo no fluxo de energia na rede. Para que as concessionárias implementem o balanceamento de linha ativo distribuído, os módulos individuais devem ser extremamente confiáveis. Eles também precisam ser econômicos para serem aceitos pelas Concessionárias.
[0014] Os circuitos de balanceamento da linha de transmissão de energia foram limitados ao uso de injetores de impedância capacitiva indutiva e capacitiva arrefecidos a óleo de trabalho pesado totalmente isolados e transformadores de mudança de fase propensos a falhas de ponto único, localizados em subestações onde os reparos dessas unidades falhas podem ser manuseados sem grande impacto na transferência de energia através da rede.
[0015] Conforme descrito acima, o uso de dispositivos especializados que podem lidar com a energia necessária com alta confiabilidade exigida pelas concessionárias a um custo razoável não foi possível até o momento. Existe uma necessidade de tal capacidade de converter a rede em um sistema mais eficiente e inteligente para distribuição de energia. Se puder ser estabelecido, terá um grande impacto na eficiência e nas capacidades da rede.
[0016] Os desenhos destinam-se apenas a ajudar a distinguir a invenção da técnica anterior. Os objetos, características e vantagens da invenção são detalhados na descrição, em conjunto com os desenhos.
[0017] A Figura 1 é uma representação de uma linha de transmissão de alta tensão que mostra os módulos de injeção por impedância passiva distribuídos fixados diretamente à linha de transmissão de alta tensão. (técnica anterior)
[0018] A Figura 2 é um diagrama em blocos exemplar de um módulo de injeção por impedância indutiva usando um transformador de único giro para a injeção de impedância indutiva em uma linha de transmissão de alta tensão. (técnica anterior)
[0019] As Figuras 2A e 2B são esquemas exemplares do transformador de único giro usado no módulo de injeção por impedância passiva da Figura 2. (técnica anterior)
[0020] A Figura 3 é um diagrama em blocos exemplar de um módulo de injeção por impedância ativa, licenciado para a entidade da corrente, usando um transformador de único giro para a injeção por impedância ativa distribuída em uma linha de transmissão de alta tensão. (técnica anterior)
[0021] A Figura 4 é um diagrama em blocos exemplar de uma primeira modalidade do módulo de injeção por impedância ativa divulgado usando uma pluralidade de enrolamentos secundários para a injeção de impedância ativa distribuída em uma linha de transmissão de alta tensão.
[0022] A Figura 5 é um diagrama em blocos exemplar de uma segunda modalidade do módulo de injeção por impedância ativa divulgado usando uma pluralidade de enrolamentos secundários para injeção de impedância ativa distribuída em uma linha de transmissão de alta tensão.
[0023] As Figuras 5A e 5B são esquemas exemplares do transformador de giro primário único multissecundário.
[0024] As Figuras 5C e 5D mostram cortes transversais dos transformadores nas Figuras 5A e 5B.
[0025] A Figura 6 é uma representação de uma linha de transmissão de alta tensão que mostra várias formas dos módulos de injeção por impedância ativa distribuída que são suportados enquanto são diretamente fixados nas linhas de transmissão de alta tensão e operando na tensão da linha de acordo com as modalidades da invenção.
[0026] Conforme discutido acima, há a necessidade de ter módulos de controle dinâmico distribuído inteligentes e tolerantes a falhas, distribuídos (módulos ativos de injeção de impedância distribuídos) com capacidade de injetar indutância e impedâncias capacitivas de magnitude suficiente e apropriada em linhas de transmissão de alta tensão para permitir o controle de fluxo de energia. Esses módulos de controle dinâmicos distribuídos devem ser conectados diretamente à linha de transmissão de alta tensão e estão em linha potencial durante a operação. Os módulos de controle dinâmico distribuídos são habilitados para operar extraindo energia da linha de transmissão de alta tensão para controle e para gerar as tensões necessárias do conversor. Os módulos geram e injetam tensões no ângulo de fase correto para injeção na linha de transmissão de alta tensão para fornecer a impedância indutiva ou capacitiva necessária durante a operação.
[0027] O lado secundário do transformador de giro único e todos os circuitos associados são eletricamente isolados do solo. No entanto, um lado do enrolamento secundário é conectado ao enrolamento primário para fornecer uma referência de aterramento virtual ou "aterramento flutuante".
[0028] Para que os módulos de controle distribuídos sejam aceitos com sucesso pelas concessionárias e instalados em linhas, esses módulos de controle distribuídos devem ser inteligentes e autoconscientes, controlados remotamente e configuráveis. Os módulos devem ter um peso razoável em comparação com o segmento de linha sobre o qual eles serão instalados, mesmo onde os módulos estejam suspensos de forma isolada das torres ou sejam suportados por estruturas de suporte adicionais. Estes também devem ter uma baixa resistência ao vento para reduzir o efeito da carga de vento na linha/torre/estrutura de suporte especial empregada. Como uma característica essencial, todos os componentes e circuitos eletrônicos do módulo devem ter uma confiabilidade muito alta para reduzir a probabilidade de tempos de inatividade devido à falha dos módulos/componentes usados no mesmo.
[0029] Invenção: A invenção divulgada é geralmente direcionada para proporcionar capacidade de controle ativo distribuído de alta confiabilidade para balanceamento de fluxo de potência através das múltiplas linhas de alta tensão usadas para transmissão de energia no sistema de rede de alta potência que supera as questões das implementações da técnica anterior.
[0030] Existem várias necessidades que foram definidas para alcançar o uso de controle distribuído que precisam de alterações das implementações da técnica anterior. Esses são:
[0031] A necessidade é ter um módulo distribuído que possa gerar e fornecer a faixa necessária de impedâncias indutivas e capacitivas (gerando as tensões de avanço ou atraso necessárias com a corrente de linha) para a linha de transmissão para fornecer o controle necessário para o balanceamento de linha.
[0032] Fornecer a capacidade acima em um ponto de custo razoável - de preferência usando componentes padrão de componentes eletrônicos de consumo disponíveis no mercado; isto significa que o enrolamento secundário e os circuitos associados operam em tensões e níveis de corrente normalmente vistos em aplicações de eletrônica de potência de alto volume. A utilização de componentes eletrônicos de potência prontos para uso significa o uso de componentes eletrônicos de potência de uso geral que também são fabricados e vendidos no curso normal dos negócios para outros usos.
[0033] A terceira é a necessidade de confiabilidade dos módulos distribuídos ser alta o suficiente para eliminar falhas e substituições relacionadas a um nível aceitável para as Concessionárias - Isso é possível se componentes eletrônicos de potência padrão, com confiabilidade conhecida, podem ser usados nos circuitos secundários.
[0034] A necessidade final é ter uma seção transversal relativa ao peso e vento relativamente baixa para que o módulo seja conectado à linha de transmissão de alta tensão com um mínimo de suporte extra.
[0035] A invenção descrita fornece a melhoria em todos os aspectos acima nas modalidades descritas abaixo:
[0036] Os módulos de injeção dinâmica da técnica anterior tinham problemas que impediam sua aceitação. Uma delas era a necessidade de componentes especializados para a geração da magnitude da potência de injeção (tensão e corrente) necessária para gerar controle adequado do segmento da linha de transmissão de alta tensão onde o módulo é conectado. O segundo foi a falta de confiabilidade devido aos módulos que lidam com altos níveis de energia, o que novamente exigiu o uso de componentes especialmente testados e qualificados. Ambos os requisitos acima resultaram no custo do módulo também sendo muito alto para uso por concessionárias.
[0037] A invenção utiliza uma pluralidade de enrolamentos secundários com conversores de tensão individuais que são usados para gerar tensões da polaridade e amplitude corretas a serem impressas nas linhas elétricas de alta tensão. Os módulos de injeção de impedância distribuída compreendendo a pluralidade de blocos de injetor que permitem a geração e injeção da impedância direita, indutiva ou capacitiva, como requerido, para o equilíbrio de linha dinâmico são divulgados. Esses módulos de injeção de impedância distribuída são conectados diretamente às linhas de transmissão de alta tensão nas torres ou em estruturas especiais de suporte que podem ajudar a suportar o peso dos módulos.
[0038] No módulo distribuído que deve ser conectado à linha de transmissão de alta tensão no lado secundário do transformador e todos os circuitos associados estão eletricamente na linha de tensão e isolados da terra. Um lado do enrolamento secundário é conectado ao enrolamento primário para fornecer uma referência de aterramento virtual ou "aterramento flutuante".
[0039] Usando múltiplos enrolamentos secundários, cada um injetando uma impedância na linha de transmissão de alta tensão, a tensão acumulativa total necessária para a correção do ângulo de fase pode ser impressa no segmento da grade sem tensionar indevidamente os circuitos associados a cada um dos enrolamentos secundários do módulo do injetor por impedância distribuído.
[0040] A presente invenção aborda as vantagens e características do módulo distribuído com múltiplos enrolamentos secundários e segmentos nucleares associados com conversores/inversores de tensões associados para resolver o problema da ativação de impedâncias indutivas e capacitivas em segmentos de linha. O conversor de tensão ou simplesmente o conversor 405 pode ser de qualquer desenho apropriado, uma vez que tais dispositivos de vários desenhos são bem conhecidos na técnica. Normalmente, esses dispositivos são configurados para injetar uma carga indutiva na linha de transmissão de alta tensão e também podem ter a capacidade de injetar uma carga capacitiva na transmissão para controle do fator de potência e podem ainda ser capazes de controlar o conteúdo harmônico na linha de transmissão de alta tensão. Tais dispositivos são também conhecidos por outros nomes, como, por exemplo, inversores ou conversores/inversores. Um dispositivo exemplificativo deste tipo geral é a combinação do inversor 71 e armazenamento de energia 74 da Patente U.S. 7.105.952, embora muitos outros exemplos de tais dispositivos sejam bem conhecidos. Esses dispositivos normalmente atuam como impedâncias ativas para impor de maneira controlável a impedância desejada na linha de transmissão de alta tensão. Ainda preferencialmente o controlador 410 utilizado nas modalidades preferidas inclui um transreceptor para receber sinais de controle e relatar condições da linha de transmissão de alta tensão, etc.
[0041] O uso de múltiplos enrolamentos e múltiplos circuitos para gerar a potência de injeção necessária permite a redução da tensão de operação dos componentes utilizados. A tensão mais baixa resultante, devido ao uso de múltiplos enrolamentos secundários por transformador, permite que as unidades usem um design mais econômico, enquanto usam semicondutores altamente confiáveis produzidos em massa e outros componentes de eletrônica de potência. O uso adicional de uma abordagem distribuída permite uma confiabilidade significativamente maior do sistema "N + X", onde N é o número de módulos distribuídos necessários para atingir uma capacidade de balanceamento de linha desejada, e X é o número de módulos redundantes extras. Portanto, com a garantia da confiabilidade de cada unidade, selecionando cuidadosamente o número e o tipo de enrolamentos secundários, combinando cuidadosamente dispositivos semicondutores produzidos em massa e outros componentes usados, os módulos de controle de impedância ativa distribuídos redundantes adicionais fornecem uma camada adicional de confiabilidade do "sistema" além da confiabilidade da unidade. Isso, por sua vez, resulta em módulos de injeção distribuída de alta confiabilidade, capazes de fornecer confiabilidade de sistema muito alta, aceitável para as concessionárias. O uso dos módulos de injeção de impedância distribuída são facilitadores para fornecer a capacidade de equilibrar a energia transmitida através das linhas de transmissão de alta tensão da rede elétrica.
[0042] A Figura 4 é um diagrama em blocos 400 de uma primeira modalidade da presente invenção tendo uma pluralidade de blocos do injetor. Cada bloco do injetor é acoplado à linha de transmissão de alta tensão através de um enrolamento secundário de um transformador de único giro. A Figura 4 mostra dois blocos do injetor exemplares 400A e 400B. A Figura 5A mostra o esquema da implementação do transformador de único giro na Figura 4 e na Figura 5C mostra o corte transversal do transformador de único giro. Os blocos do injetor exemplares 400A e 400B são mostrados, cada um tendo um único giro do transformador do enrolamento primário 401A e 401B. O enrolamento primário destes transformadores compreende a linha de transmissão de alta tensão 108. O enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A e o enrolamento secundário 401B-2 do transformador de injeção 401B mostrado nas Figuras 5A e 5C são eletricamente isolados do chão e do enrolamento primário, mas indutivamente acoplado ao enrolamento primário 108 usando núcleos sem lacunas independentes 407A e 407B conforme mostrado na Figura 5A.
[0043] Os circuitos secundários de cada um dos transformadores de injeção 401A e 401B compreendem circuitos eletrônicos de potência para geração e injeção das impedâncias indutivas e capacitivas (ou voltagens equivalentes) na linha de transmissão de alta tensão 108. Por exemplo, o circuito de enrolamento secundário do bloco injetor 400A tendo o transformador de injeção de um giro 401A, compreende um interruptor de curto-circuito 304A, um conversor de potência 405A para gerar as tensões e correntes necessárias no ângulo de fase apropriado para injetar na linha de transmissão de alta tensão 108 através do transformador de injeção de um giro 401A. Um controlador 406A é habilitado para detectar as características de corrente e tensão da linha de transmissão de alta tensão 108 através de um sensor e transformador de fonte de alimentação 302A conectado a um módulo de sensor e fonte de alimentação 303A. O controlador 406A fornece as instruções de controle necessárias para o conversor de potência 405A para gerar as tensões de injeção necessárias para serem impressas na linha de transmissão de alta tensão para controle de fluxo de potência. O controlador 406A também pode detectar através do sensor e transformador de fonte de alimentação 302A e do sensor conectado e módulo de fonte de alimentação 303A, quando existirem condições de sobrecorrente na linha de transmissão de alta tensão e fornecer instruções ao comutador 304A para encurtar o enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A. Isto é feito para proteger os circuitos eletrônicos de potência e componentes conectados ao enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A contra danos devidos a altas tensões e correntes. O sensor e o módulo de fonte de alimentação 303A também estão habilitados para extrair energia da linha e fornecer as tensões de alimentação CC necessárias aos circuitos eletrônicos de potência conectados ao enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A. O mesmo conjunto de componentes e blocos são repetidos para a mesma funcionalidade implementada pelo segundo bloco de injetor 400B. Um bloco de controle mestre 408 coordena e sincroniza a operação dos controladores secundários 406A e 406B para fornecer a injeção de impedância corretiva. O controlador principal 408 também fornece a capacidade para o módulo que contém a pluralidade de blocos de injeção para comunicação com o mundo externo, bem como outros módulos distribuídos, para fornecer informações de status e controle. A capacidade de comunicação também é usada para controle externo e configuração do módulo.
[0044] A Figura 5 mostra uma segunda modalidade alternativa da invenção divulgada tendo uma pluralidade de enrolamentos secundários, cada um associado com um bloco do injetor por impedância. Os dois blocos de injeção similares à modalidade anterior 400A e 400B são mostrados na Figura 5. Os blocos do injetor exemplares 400A e 400B são mostrados, cada um tem um único-giro do transformador do enrolamento primário 401A e 401B. O enrolamento primário destes transformadores é a linha de transmissão de alta tensão 108. O enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A e o enrolamento secundário 401B-2 do transformador de injeção 401B são mostrados na Figura 5A. O corte transversal do transformador de único giro é mostrado na Figura 5C. (O formato do transformador pode ser diferente conforme mostrado aqui. Independentemente do formato de transformador específico empregado, a invenção fornece o mesmo valor. Portanto, o respectivo formato mostrado é apenas para finalidades exemplares.) Os enrolamentos secundários dos transformadores são eletricamente isolados do chão, estando na tensão da linha de transmissão de alta tensão, e são indutivamente acoplados ao enrolamento primário 108 usando núcleos sem lacunas independentes 407A e 407B conforme mostrado na Figura 5A.
[0045] O circuito secundário de cada um dos transformadores de injeção 401A e 401B compreende circuitos eletrônicos de potência para geração e injeção das impedâncias indutivas e capacitivas na linha de transmissão de alta tensão 108. Cada um dos circuitos de enrolamento secundário dos blocos de injeção 400A e 400B é semelhante na estrutura e, como tal, o diagrama de blocos é explicado utilizando o bloco injetor 400A. O bloco injetor 400A tem um transformador de injeção de uma volta 401A, tendo um interruptor de curto-circuito 304A através de seu enrolamento secundário 401A-2 e um conversor de potência 405A para gerar as tensões e correntes necessárias no ângulo de fase apropriado para injetar na linha de transmissão de alta tensão 108 através do transformador de injeção de uma volta 401A acoplado a esta. Um controlador mestre 508 é comum a todos os blocos de injeção e está habilitado para detectar as características de corrente e tensão da linha de transmissão de alta tensão 108 através de um sensor e transformador de alimentação 502 acoplado à linha de transmissão de alta tensão 108 através de um sensor e módulo de fonte de alimentação 503. O controlador mestre 508 fornece as instruções de controle necessárias ao conversor de potência 405A para gerar as tensões de injeção necessárias para serem impressas na linha de transmissão de alta tensão 108 para o balanceamento de linha. (Em outras modalidades, os respectivos controladores conversor/inversor podem fornecer arquiteturas alternativas de mestre-controlador redundantes. Portanto, a modalidade específica mostrada aqui é apenas representativa.) O controlador 508 também pode detectar através do sensor e transformador de fonte de alimentação 502 e do sensor conectado e módulo da fonte de alimentação 503 quando existem condições de sobrecorrente na linha de transmissão de alta tensão e fornecer instruções ao comutador 304A para curto-circuito do enrolamento secundário 401A-2 mostrado na Figura 5A do transformador de injeção 401A de modo a proteger os circuitos eletrônicos e componentes ligados ao enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A de danos devidos a altas voltagens e correntes. O sensor e o módulo de fonte de alimentação 503 também são habilitados para extrair energia da linha e fornecer as tensões de alimentação CC necessárias aos circuitos eletrônicos de potência conectados ao enrolamento secundário 401A-2 do transformador de injeção 401A. Conforme discutido antes, o mesmo conjunto de componentes e blocos são repetidos para a mesma funcionalidade implementada pelo segundo bloco de injeção 400B. O controlador principal 508 também fornece a capacidade para o módulo que contém a pluralidade de blocos de injeção para comunicação com o mundo externo para fornecer status e para ser controlado externamente e configurado para operação.
[0046] A Figura 5B e o corte transversal da Figura 5D mostram uma forma alternativa de implementar o transformador de injeção de único- giro 401C. Um núcleo sem lacunas único 407 é habilitado para carregar a pluralidade de enrolamentos secundários. Dois enrolamentos secundários 401A-2 e 401B-2 são mostrados de acordo com o diagrama em blocos exemplar na Figura 4 e na Figura 5. O transformador de injeção de único-giro fornece o acoplamento necessário para imprimir a impedância gerada na linha de transmissão de alta tensão 108.
[0047] Tendo uma pluralidade de enrolamentos secundários com circuitos eletrônicos de potência associados, cada um gerando uma parte da tensão de injeção permite que cada bloco de injetor, como 400A e 400B do módulo, produza uma porção da impedância injetável necessária para controlar a impedância da linha enquanto permite que o módulo de injeção distribuída 400 gere a gama necessária de impedância injetável (ou respectiva tensão) de uma forma cumulativa da pluralidade de blocos de injetor a serem impressos na linha de transmissão de alta tensão 108. Assim, os circuitos eletrônicos de potência dentro dos blocos de injetor secundários 400A e 400B são capazes de operar sem estresse indevido em voltagens que são normais para esses componentes quando uma pluralidade de tais blocos é usada em um módulo para gerar a impedância necessária (ou respectiva tensão). Isso proporciona maior confiabilidade dos componentes e, portanto, do bloco de injeção e do módulo como um todo. O uso de uma pluralidade de enrolamentos secundários com blocos de injetor associados também permite que voltagens e correntes mais baixas sejam usadas nos blocos individuais de injetor. Utilizando um número suficiente de tais blocos de injetor, é possível usar componentes de fora da validade com características operacionais e confiabilidade conhecidas e alcançar um ponto de custo de fabricação mais baixo para o módulo como um todo. Em essência, os múltiplos enrolamentos secundários eletricamente equivalentes a um único enrolamento secundário com um múltiplo do valor de tensão do enrolamento único, em que um tal enrolamento secundário necessitaria de um conversor de saída de potência maior do que o utilizado na presente invenção, com a pluralidade de enrolamentos secundários, para impressionar a mesma impedância na linha de energia.
[0048] Embora apenas dois blocos secundários exemplificativos 400A e 400B sejam mostrados na Figura 4 e na Figura 5, estes não devem ser considerados como limitativos. Uma pluralidade de blocos de injeção, dentro de um módulo de injeção 400, similar aos blocos 400A e 400B pode ser implementada em um módulo de injeção de impedância. Cada bloco de injetor associado a um enrolamento secundário do transformador de um giro e capaz de injetar uma pequena porção da impedância indutiva ou capacitiva total necessária para o controle da linha de transmissão de alta tensão. Ao injetar um componente de tensão e corrente com o ângulo de fase correto na linha de transmissão de alta tensão acoplada, de cada um dos blocos de injeção de pluralidade, como 400A e 400B, do módulo 400, o módulo pode ser usado para fornecer a capacidade do controle distribuído cumulativo completo para o segmento de linha da rede elétrica. Assim, tendo uma pluralidade de módulos distribuídos espacialmente distribuídos sobre a rede, cada um tendo uma pluralidade de módulos de injeção secundária acoplados à linha de transmissão de alta tensão através dos transformadores de um giro, toda a rede pode ser balanceada e otimizada para transferência de potência.
[0049] Conforme discutido anteriormente, tendo uma pluralidade de enrolamentos secundários com blocos de injetor associados para um módulo de injeção, cada bloco de injeção com seu próprio controle eletrônico de potência e capacidade de conversor, o peso e o corte transversal de vento do módulo podem ser maiores. Deve ser entendido que todos os circuitos associados do módulo são encerrados em um alojamento, que é suspenso isolado da terra na tensão da linha de transmissão de alta tensão. Devido a considerações de peso, é preferível ter esses módulos suspensos das torres ou fornecer suporte adicional para conexão. A Figura 6 mostra os métodos típicos de fixação 600 possíveis para suportar os módulos de injeção 400 ou o módulo de injeção 500 ligados às linhas de transmissão de alta tensão. O acessório em linha 601 é o acessório típico da técnica anterior usado para os módulos estáticos, que conecta o módulo diretamente à linha, sem suporte adicional e permitindo que os suportes da linha recebam o peso do módulo e da linha. Embora isto seja aceitável, este tipo de acessório não é o preferido para os módulos injetores 400 da presente invenção. O acessório preferido para estes módulos injetores 400 para controle distribuído é com suporte adicional como mostrado. Ligado diretamente suportando isoladores 602 nas torres de transmissão de alta tensão 610 ou utilizando estruturas de suporte especiais 611 com suportes isolados 603 para proporcionar ao módulo distribuído uma capacidade adicional de transporte de peso. O uso dos métodos de suporte acima também é orientado para melhorar a confiabilidade das estruturas durante distúrbios climáticos extremos.
[0050] Embora a invenção descrita seja descrita usando uma implementação específica, pretende-se que seja apenas exemplificativa e não limitativa. Os praticantes da técnica serão capazes de entender e modificar os mesmos com base em novas inovações e conceitos, à medida que forem disponibilizados. A invenção destina-se a abranger estas modificações.
Claims (25)
1. Módulo de injeção por impedância ativa para balanceamento de linha dinâmica de uma linha de transmissão de alta tensão (108) distribuída, caracterizado pelo fato de que compreende: um transformador tendo um núcleo do transformador, o núcleo do transformador tendo uma pluralidade de enrolamentos secundários (134, 136) no mesmo; uma pluralidade de conversores, cada um acoplado a um respectivo enrolamento secundário; e um controlador (130, 306, 410) acoplado a cada conversor; o transformador, os conversores e o controlador (130, 306, 410) todos sendo embalados em um único alojamento para uso com uma linha de transmissão de alta tensão (108) que passa através do núcleo do transformador, formando assim um transformador com um único giro primário e a pluralidade de enrolamentos secundários (134, 136).
2. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o núcleo do transformador é um núcleo dividido (132), pelo qual o alojamento pode ser aberto e o núcleo dividido (132) desmontado para receber a linha de transmissão de alta tensão (108).
3. Módulo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o núcleo do transformador, uma vez posicionado com a linha de transmissão de alta tensão (108) no lugar, pode ser montado sem lacuna em uma divisão do núcleo dividido (132).
4. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de circuitos de derivação (122), cada circuito de derivação (122) sendo acoplado a um respectivo enrolamento secundário.
5. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador (130, 306, 410) é acoplado para controlar cada conversor independentemente de seu controle de qualquer outro conversor, pelo qual cada controlador (130, 306, 410) pode operar nenhum conversor, todos os conversores, ou qualquer subconjunto de conversores em qualquer momento.
6. Módulo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o controlador (130, 306, 410) controla cada conversor através de uma pluralidade de controladores adicionais (406A, 406B), cada um associado com um respectivo conversor.
7. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um número (N) de enrolamentos secundários (134, 136) é selecionado para alcançar uma capacidade de acoplamento para e a partir da linha de transmissão de alta tensão (108) igual a um transformador tendo um giro N primário e um único conversor.
8. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um número (N) de enrolamentos secundários (134, 136) e conversores usados no módulo é selecionado para reduzir cada tensão secundária e energia do conversor necessária para fornecer um acoplamento igual àquele de um módulo tendo um transformador de enrolamento secundário utilizando componentes de alta tensão em seu conversor feito especialmente para clientes individuais, pelos quais, componentes eletrônicos de energia de finalidade geral que também são fabricados e vendidos para outros usos podem ser usados nos módulos.
9. Melhoria para uso em um módulo de injeção por impedância ativa para balanceamento de linha dinâmica de uma linha de transmissão de alta tensão (108), caracterizada pelo fato de que compreende: um transformador tendo um núcleo do transformador, o núcleo do transformador tendo uma pluralidade de enrolamentos secundários (134, 136) no mesmo; uma pluralidade de conversores, cada um acoplado a um respectivo enrolamento secundário; e um controlador (130, 306, 410) acoplado a cada conversor; o núcleo do transformador sendo um núcleo dividido (132), pelo qual o núcleo dividido (132) é montado ao redor da linha de transmissão de alta tensão (108) instalada; em que o próprio módulo de injeção por impedância ativa está no potencial da linha de transmissão de alta tensão (108).
10. Melhoria, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o núcleo do transformador, uma vez posicionado com a linha de transmissão de alta tensão (108) no lugar, pode ser montado sem lacuna em uma divisão do núcleo dividido (132).
11. Melhoria, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de circuitos de derivação (122), cada circuito de derivação (122) sendo acoplado a um respectivo enrolamento secundário.
12. Melhoria, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o controlador (130, 306, 410) tem controle de cada conversor independentemente do controle do controlador (130, 306, 410) de qualquer conversor, pelo qual o controlador (130, 306, 410) pode operar nenhum conversor, todos os conversores, ou qualquer subconjunto de conversores em qualquer momento.
13. Melhoria, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o controlador (130, 306, 410) controla cada conversor através de uma pluralidade de controladores adicionais (406A, 406B), cada um associado com um respectivo conversor.
14. Melhoria, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que um número (N) de enrolamentos secundários (134, 136) e conversores é selecionado para alcançar uma capacidade de acoplamento para e a partir da linha de transmissão de alta tensão (108) igual a um transformador tendo um giro N primário e um único conversor.
15. Melhoria, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que um número (N) de enrolamentos secundários (134, 136) e conversores usados no módulo são selecionados para reduzir cada tensão secundária e energia do conversor necessária para fornecer um acoplamento igual àquele de um módulo tendo um único transformador de enrolamento secundário e utilizando componentes de alta tensão em seu conversor feito especialmente para clientes individuais, pelos quais, componentes eletrônicos de energia de finalidade geral que também são fabricados e vendidos para outros usos podem ser usados nos módulos.
16. Método para fornecer balanceamento de linha dinâmica e distribuída de uma linha de transmissão de alta tensão (108), caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer pelo menos um módulo de injeção por impedância ativa para balanceamento de linha dinâmica de uma linha de transmissão de alta tensão (108), cada módulo tendo; pelo menos um transformador tendo um núcleo dividido (132) do transformador, habilitado para instalações distribuídas na linha de transmissão de alta voltagem, cada núcleo do transformador tendo uma pluralidade de enrolamentos secundários (134, 136) no mesmo, pelo qual o núcleo dividido (132) pode ser montado ao redor de uma linha de transmissão de alta tensão (108) e o módulo de injeção por impedância está no potencial de linha de transmissão de alta tensão (108) ao qual o mesmo é acoplado; uma pluralidade de conversores, cada acoplado a um respectivo enrolamento secundário; e um controlador (130, 306, 410) acoplado a cada conversor; o transformador, os conversores e o controlador (130, 306, 410) todos sendo embalados em um único alojamento como um módulo para uso com uma linha de transmissão de alta tensão (108) que passa através do núcleo do transformador, formando assim um transformador com um único giro primário, e a pluralidade de enrolamentos secundários (134, 136); e suportar cada módulo por uma das linhas de transmissão, suportando diretamente cada módulo de isoladores em uma respectiva torre de suporte da linha de transmissão de alta tensão (108) ou usando uma respectiva estrutura de suporte especial.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que cada único alojamento é aberto e o respectivo núcleo dividido (132) é desmontado para passagem da linha de transmissão de alta tensão (108) através dela, e então o respectivo núcleo dividido é remontado e o respectivo único alojamento é fechado.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o núcleo dividido (132) é remontado sem uma lacuna em cada divisão do núcleo dividido (132).
19. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o módulo compreende ainda uma pluralidade de circuitos de derivação (122), cada circuito de derivação (122) sendo acoplado a um respectivo enrolamento secundário.
20. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende ainda o controle de cada respectivo conversor independentemente para operar nenhum respectivo conversor, todos os respectivos conversores, ou qualquer subconjunto de respectivos conversores em qualquer momento.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o controlador (130, 306, 410) controla cada conversor através de uma pluralidade de controladores adicionais, cada um associado com um respectivo conversor.
22. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que um número (N) de enrolamentos secundários (134, 136) e conversores é selecionado para alcançar uma capacidade de acoplamento para e a partir da linha de transmissão de alta tensão (108) igual a um transformador tendo um giro N primário e um único enrolamento secundário.
23. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que um número (N) de enrolamentos secundários (134, 136) e conversores usado no módulo é selecionado para reduzir cada tensão secundária e energia do conversor necessária para fornecer um acoplamento igual ao de um único enrolamento secundário transformador usando componentes de alta tensão padrão para permitir o uso de componentes eletrônicos de energia de finalidade geral que são fabricados e vendidos para outros usos.
24. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o módulo está em uma tensão da linha de transmissão de alta tensão (108), é isolado do chão e é mecanicamente suportado pela linha de transmissão, uma torre da linha de transmissão ou uma estrutura de suporte de finalidade especial.
25. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade de módulos de injeção N+X é usada, onde N é um número de módulos distribuídos ao longo da linha de transmissão de alta tensão (108) necessária para alcançar uma capacidade de balanceamento da linha desejada e X é um número módulos redundantes também distribuídos ao longo da linha de transmissão de alta tensão (108), garantindo assim a confiabilidade.
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