BR112019023207A2

BR112019023207A2 - sistema de suprimento de energia elétrica e método

Info

Publication number: BR112019023207A2
Application number: BR112019023207A
Authority: BR
Inventors: Lund Haavard; Kjesbu Harald; B Andersen Rune
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2020-05-19
Also published as: CN110710078B; WO2018215307A1; CN110710078A; CA3062742A1; EP3630523A1; US20200144853A1; MX2019014046A; EP3407459A1; US11146100B2

Abstract

a presente invenção refere-se a um sistema de suprimento de energia elétrica que compreende uma fonte de energia elétrica primária e um sistema de armazenamento de energia. a fonte de energia elétrica primária é adaptada de modo a fornecer energia sob demanda em um fator de carga. um ou mais módulos de armazenamento de energia (16) do sistema de armazenamento de energia são adaptados de modo a receberem uma energia regenerativa a partir da carga. o sistema de suprimento de energia elétrica compreende, ainda, um conversor (21) conectado entre a carga, o sistema de armazenamento de energia e a fonte de energia elétrica primária; o conversor compreendendo um conversor de fonte de tensão trifásica (24) e uma ponte de dois pulsos adicional (32). um diodo de bloqueio (11) é conectado entre a carga e o conversor (21).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE SUPRIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA E MÉTODO.

[0001] A presente invenção refere-se a um sistema de suprimento de energia elétrica e a um método de operação, em especial para sonda de perfuração, por exemplo, em um navio ou plataforma.

[0002] Na produção de óleo e gás, os equipamentos de perfuração das sondas de perfuração, estejam os mesmos em terra ou no mar, produzem calor e precisam ser resfriados. No entanto, a energia de travagem produzida no motor é geralmente dissipada em uma série de resistores e os resistores são, em seguida, resfriados à água. Este processo é um desperdício de energia e poderá ser recusado por razões ambientais.

[0003] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, um sistema de suprimento de energia elétrica compreende uma fonte de energia elétrica primária e um sistema de armazenamento de energia, em que a fonte de energia elétrica primária é adaptada de modo a suprir energia elétrica sob demanda em um fator de carga; e em que um ou mais módulos de armazenamento de energia do sistema de armazenamento de energia são adaptados de modo a receber uma energia regenerativa a partir da carga; o sistema de suprimento de energia elétrica compreendendo ainda um conversor conectado entre a carga, o sistema de armazenamento de energia; e a fonte de energia elétrica primária; e um diodo de bloqueio conectado entre a carga e o conversor; em que o conversor compreende um conversor de fonte de tensão trifásica e uma ponte de dois pulsos adicional.

[0004] O diodo de bloqueio permite que o nível de tensão do conversor e o nível de tensão do barramento de carga de CC sejam independentes um do outro.

[0005] O conversor de fonte de tensão pode compreender um módulo de transistores de seis pulsos.

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[0006] O módulo de transistores pode compreender seis transistores bipolares de porta isolada com diodos paralelos inversos.

[0007] A ponte de dois pulsos adicional pode compreender transistores bipolares de porta isolada com diodos paralelos inversos.

[0008] O sistema de armazenamento de energia pode compreender um ou mais módulos de armazenamento de energia conectados à ponte de dois pulsos adicional do conversor,

[0009] A fonte de energia elétrica primária pode compreender a energia de um armazenador de energia primária, mas, de preferência, a fonte de energia elétrica primária compreende um gerador de CA; e o sistema de suprimento de energia elétrica compreende, ainda, um transformador que compreende enrolamentos primários e secundários entre o gerador de CA e o conversor.

[0010] Isso transforma a tensão de corrente CA em um nível adequado antes da conversão em CC.

[0011] O sistema de armazenamento de energia pode compreender, ainda, um sistema de gerenciamento de energia, em função do que o sistema de armazenamento de energia será ainda adaptado de modo a receber energia a partir da fonte de energia elétrica primária, quando a demanda de carga é inferior à potência disponível a partir da fonte de energia elétrica primária.

[0012] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, um método de operação de um sistema de suprimento de energia elétrica, de acordo com o primeiro aspecto, compreende um dentre o fornecimento de energia a partir de uma fonte de energia elétrica primária em um fator de carga; a detecção de um excesso de energia elétrica disponível acima da demanda, e o redirecionamento do excesso de energia para o sistema de armazenamento de energia; ou o suprimento de energia elétrica a partir de uma fonte de energia elétrica primária em um fator de carga; a detecção de uma falta de energia

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3/12 disponível com relação à demanda e o arrasto da energia elétrica do sistema de armazenamento de energia; ou o recebimento da energia regenerativa a partir da carga e o armazenamento da energia regenerativa no sistema de armazenamento de energia.

[0013] Um exemplo de um sistema de suprimento de energia elétrica de acordo com a presente invenção será descrito a seguir com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

[0014] A Figura 1 ilustra um exemplo de um sistema de suprimento de energia elétrica de acordo com a invenção;

[0015] As Figuras 2a e 2b ilustram detalhes de implementações de parte do sistema da Figura 1;

[0016] A Figura 3 ilustra mais detalhes de uma parte das Figuras 2a e 2b;

[0017] A Figura 4 ilustra detalhes de uma implementação alternativa de uma parte do sistema da Figura 1;

[0018] A Figura 5 ilustra uma outra implementação alternativa de uma parte do sistema da Figura 1;

[0019] A Figura 6 é um fluxograma ilustrando um método de operação do sistema de suprimento de energia elétrica de acordo com a presente invenção.

[0020] A presente invenção refere-se à eficácia dos bem como às objeções ambientais aos sistemas convencionais por meio de um conversor, o qual permite uma combinação de armazenamento de energia e a potência de travagem das unidades de equipamentos de perfuração. Com relação às sondas de perfuração, aos navios de perfuração, ou às plataformas de perfuração no mar, há uma grande demanda de carga para as unidades de perfuração. Além disso, para os navios de perfuração que operam ao largo da costa, há uma grande demanda de carga por parte das unidades de propulsão. Normalmente, essa demanda de carga é atendida por geradores, tais como geradores

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4/12 a diesel, que proveem a fonte primária de energia. No entanto, uma vez que o perfil de carga das unidades de perfuração e das unidades de propulsão não é constante, os geradores operam muitas vezes de uma maneira ineficiente. No caso das unidades de perfuração, a elevada energia regenerativa é convencionalmente queimada em uma série de resistores e os mesmos são resfriados com a água de refrigeração do navio, ou nas sondas baseadas em terra, a partir de um abastecimento de água de refrigeração.

[0021 ] Ao invés de simplesmente dissipar essa energia, um sistema de armazenamento de energia recebe a energia regenerativa e armazena a mesma para uso em um momento posterior. Isso ajuda a suavizar a demanda de carga, uma vez que uma energia armazenada poderá ser usada, em vez de ter que recorrer a um gerador adicional a fim de atender a uma demanda temporariamente mais alta por parte das unidades de perfuração ou das unidades de propulsão. O sistema de armazenamento de energia opera efetivamente como se fosse um gerador, a fim de suportar a rede elétrica de um navio com uma demanda de carga variável. Deste modo, uma vez que existe uma disponibilidade de armazenamento de energia como um pseudogerador, o sistema será ambientalmente mais amigável. De um modo mais geral, os geradores poderão ser configurados de modo a operar de uma forma mais eficiente, uma vez que, quando há uma demanda de outra forma insuficiente para os geradores funcionarem em uma carga máxima, nesse caso, o excesso de energia produzida será direcionado para o sistema de armazenamento de energia e armazenado, ao invés de trabalhar o motor com cargas mais baixas.

[0022] A Patente dos Estados Unidos N. 8446037 descreve um sistema de armazenamento de energia que conecta um armazenador de energia a um barramento de CC, além de conectar uma ou mais cargas ao barramento de CC.

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[0023] A presente invenção provê uma solução para o problema acima descrito por meio da provisão de uma conexão direta de um sistema de armazenamento de energia com um conversor entre um barramento de CC e a carga que é servida por esse conversor. Esse conversor pode ser conectado ao armazenador de energia, tais como baterias, por meio de um interruptor de ajuste, a fim de obter uma correta tensão de CC interna no conversor. A conexão dos conversores 21 a uma unidade de perfuração do barramento de CC 10 é feita por meio de diodos de bloqueio 11 que permitem uma maior tensão de CC no conversor de armazenamento de energia 21 do que no barramento de CC da unidade de perfuração. O sistema de armazenamento de energia pode usar um transformador da unidade de perfuração a fim de conectar a uma rede de média tensão do navio ou da sonda. A tensão média, tal como referida no presente documento, inclui tensões na faixa de 1,5 kV a 20 kV, por exemplo, uma rede que opera a uma corrente alternada de 440 V ou a uma corrente alternada de 11kV está dentro do âmbito de uma tensão média. Tal como acima mencionado, as unidades de propulsão têm uma necessidade de carga variável.

[0024] Um exemplo de uma rede de distribuição de energia elétrica que compreende um sistema de suprimento de energia elétrica de acordo com a presente invenção é ilustrado na Figura 1. A fim de atender aos requisitos de redundância regulatória para navios ou plataformas no mar, o sistema de suprimento de energia elétrica pode ser dividido entre dois quadros de distribuição conectados por um disjuntor normalmente fechado, o qual, em caso de falha de um quadro de distribuição, se abrirá a fim de evitar que a falha cause danos ao equipamento do outro quadro de distribuição. Neste exemplo, uma primeira seção de quadro de distribuição 1 é provida em uma primeira seção de sistema 2, e uma segunda seção de quadro de distribuição 3 é provida em uma segunda seção de sistema 4. Outras disposições,

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6/12 por exemplo, múltiplas subseções interconectadas que constituem cada seção de quadro de distribuição 1, 3, ou outros quadros de distribuição conectados em série por meio de disjuntores, serão também possíveis.

[0025] Uma tensão de rede de corrente CA típica para um navio de perfuração é de 11 kV 60 Hz, produzida por geradores de bordo, por exemplo, geradores a diesel ou turbinas a gás. Para este exemplo, o quadro de distribuição 1,3 pode ser classificado para uma capacidade de carga de corrente operacional de 1250 A ou para uma capacidade de carga de curto circuito de 25 kA para 1 s, porém outras classificações mais elevadas serão possíveis de acordo com a aplicação. Os quadros de distribuição são conectados em conjunto através de um acoplador de barramento 5 e disjuntores de acoplador de barramento 6, 7, com a mesma capacidade de carga de corrente operação. Os disjuntores 17 podem conectar os quadros de distribuição a outros quadros de distribuição (não mostrados) em uma configuração de anel fechado, por exemplo, tal como descrito na Publicação WO2016001272. Um transformador trifásico 8, 9, no presente exemplo, com uma capacidade de potência aparente de 6000 kVA, poderá ser conectado ao quadro de distribuição 1,3 através de um disjuntor, e transformar a tensão de rede em uma tensão adequada para um barramento de CC de carga de perfuração 10, neste exemplo, uma corrente CA de 690 V. A tensão de corrente CA transformada é, em seguida, convertida de corrente CA para CC nos conversores 21,12. Além disso, um quadro de distribuição de corrente CA de armazenamento de energia 13 na tensão de corrente CA transformada poderá ser conectado através de um outro enrolamento de transformador 14 do transformador 8, 9. As fontes de energia elétrica ininterruptas (UPS) 15, que operando a uma CC de 110 V, podem ser conectadas a esse quadro de distribuição de tensão mais baixa a fim de prover uma energia de controle para todas as funções

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7/12 lógicas, com conversão de corrente CA para CC, ou vice-versa, no interior das fontes UPS.

[0026] O barramento de CC 10 da unidade de perfuração pode ser conectado ao conversor através dos diodos 11 em série com o conversor, referidos como diodos de bloqueio, permitindo que a energia regenerativa da unidade de perfuração seja transferida para o sistema de armazenamento de energia. Diferentemente da técnica anterior, os módulos de armazenamento de energia 16 do sistema de armazenamento de energia são conectados ao conversor, e não ao barramento de CC de perfuração 10. Para cada seção do sistema 2, 4, os módulos de armazenamento de energia 16 podem ser providos, conectados ao conversor 21, de modo que uma energia adicional dos módulos 16 possa ser suprida para as unidades de perfuração, ou as unidades de perfuração poderão retornar a energia regenerativa para os módulos de armazenamento de energia 16, ou a potência transformada da rede de corrente CA poderá ser suprida para os módulos de armazenamento de energia quando a demanda dos propulsores e das unidades de perfuração for menor que a potência disponível por parte da rede.

[0027] Os conversores e a conexão entre os módulos de armazenamento de energia 16 e o barramento de CC são mostrados em mais detalhe nas Figuras 2a e 2b. A Figura 2a ilustra um exemplo de um conversor único 21, capaz de converter de corrente CA para CC, ou de CC para corrente CA, para o sistema de suprimento de energia elétrica da presente invenção, o qual mostra a conexão do barramento de CC 10 a um barramento de carga de corrente CA 22 através do conversor 21. Um interruptor ou disjuntor 23 e o fusível 24 podem ser providos na linha entre o barramento de CC 10 e o conversor 21. A Figura 2b mostra uma disposição alternativa na qual existem múltiplos conversores 21 em paralelo, conectados a um único transformador 38,

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8/12 mas, por outro lado, tendo as mesmas características, tal como mostrado no exemplo do único conversor da Figura 2a. Nesse caso, a frequência de saída e os pulsos precisam ser sincronizados a fim de evitar oscilações entre as unidades conversoras individuais 21.

[0028] O conversor é mostrado em mais detalhes na Figura 3, e compreende um módulo totalmente trifásico 24, neste exemplo, compreendendo uma ponte de transistor IGBT trifásica. A ponte do conversor compreende, tipicamente, dispositivos semicondutores, tais como transistores bipolares de porta isolada (IGBT) 25, mostrados neste exemplo como seis transistores IGBTs com diodos, tipicamente, diodos amortecedores ou diodos de roda livre 26. Os diodos são mostrados conectados em paralelo inverso. O diodo de bloqueio 11 é conectado entre a carga e a entrada para o conversor 21. Os capacitores 27 podem ser providos na entrada para o conversor e cada uma das saídas trifásicas 28, 29, 30 chega a uma perna 31 a, 31 b, 31 c do conversor 21. Diferentemente de um conversor convencional, o conversor 21 é provido com uma quarta perna 32. Esta quarta perna 32 é conectada a um módulo de armazenamento de energia 16, tal como uma batería, e atua como um interruptor a fim de elevar a tensão da batería variável para o nível exigido pela carga, como também para controlar a carga do módulo de armazenamento de energia. A conexão pode ser através dos fusíveis 33, do indutor 34 e do interruptor 35, tal como ilustrado na Figura 2a. Uma pluralidade de dispositivos de armazenamento de energia poderá ser conectada em conjunto em série de modo a formar o módulo de armazenamento de energia 16. Além disso, a quarta perna poderá ser conectada a um resistor limitador de pico de tensão 41 a fim de evitar picos de CG nos sistemas do navio.

[0029] Mais uma vez com referência à Figura 2a, os fusíveis 33, um indutor 34 e um disjuntor 35 podem ser providos entre os módulos de armazenamento de energia 16 e a quarta perna 32 do conversor 21. Um

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9/12 filtro de circuito LC 36, 37 no lado da corrente CA do conversor pode ser provido entre o conversor e um transformador 38 no lado de corrente CA a fim de filtrar a saída modulada da largura de pulso do conversor. Um disjuntor pode ser provido entre o transformador 38 e o barramento de carga de corrente CA 22. O equipamento de perfuração, não mostrado, recebe a energia do, ou provê uma energia regenerativa para o módulo de armazenamento de energia quando o mesmo é conectado a esse barramento de corrente CA. Além disso, a filtragem pode fazer uso do transformador 38 como uma segunda indutância. Sempre que existir uma sincronização limitada com relação à rede externa, poderá ser usado um filtro totalmente baseado em indutância. O transformador 38 tem de adequar a tensão de saída à tensão necessária, por exemplo, uma tensão de saída de 675 V poderá ser adequada a uma apropriada tensão de rede de, por exemplo, uma corrente CA de 440 V, uma corrente CA de 690 V ou uma corrente CA de 11 kV, dependendo da aplicação. Quando o transformador não é necessário para a aplicação, este elemento poderá ser omitido. Nos exemplos, tal como ilustrado com relação a um transformador adaptador 38, o conversor poderá ser usado para a conversão da tensão de CC para uma corrente CA de 50 Hz ou de uma corrente CA de 60 Hz para consumidores de frequência fixa. O sistema poderá ser usado para uma partida direta em linha (DOL) de motores de corrente CA de 200 kW e para uma carga não linear de 70 %. O conversor de transistor IGBT tem alta capacidade de sobrecarga, o que permite a possibilidade de um arranque direto DOL dos motores a até 200 kW, o que torna, portanto, este conversor atraente e provê uma solução econômica em termos de custo.

[0030] As Figuras 4 e 5 ilustram uma outra modalidade na qual uma maior funcionalidade poderá ser alcançada ao se interconectar dois ou mais conversores com cada um ou mais conversores. Essa interconexão é feita por meio de um controlador de carga inteligente 40

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10/12 conectado em série entre dois disjuntores 41, permitindo, deste modo, um controle em linha total da interconexão de CC. Por exemplo, uma frequência fixa de 690 V pode ser gerada, conectada ao quadro de distribuição de média tensão de corrente CA 1,3 da Figura 1.

[0031 ] Um exemplo de um método de funcionamento de um sistema de suprimento de energia elétrica de acordo com a presente invenção é ilustrado na Figura 6. A energia é suprida 50 a partir de uma fonte de energia elétrica primária para uma carga através de um quadro de distribuição 1, 3, do barramento de CC 10, dos conversores 21 e do barramento de carga de corrente CA 22. Um sistema de gerenciamento de energia monitora a demanda de carga variável e a energia disponível. Quando um excesso de energia elétrica disponível acima da demanda é detectado 51, nesse caso, o excesso de energia é redirecionado 52 para um sistema de armazenamento de energia 16. Quando a energia disponível é suficiente para a demanda de carga, nesse caso, essa energia continua 53 a ser suprida para a carga. Quando uma falta de energia elétrica disponível com relação à demanda é detectada 54, nesse caso, uma energia adicional é arrastada 55 do sistema de armazenamento de energia 16. Mais uma vez, quando o teste indica que não há falta de energia, o suprimento para a carga 53 continua. O sistema de gerenciamento de energia também monitora 56 a energia regenerativa produzida pela carga, ou seja, pelo equipamento de perfuração. Quando a energia regenerativa está sendo gerada 57, nesse caso, essa energia é direcionada para o sistema de armazenamento de energia e armazenada 58 para uso posterior.

[0032] A presente invenção permite que uma energia de corrente CA de frequência fixa para cargas auxiliares seja gerada com a adição de um armazenamento de energia, tal como descrito por meio do uso da quarta perna do retificador como um interruptor bidirecional de dois

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11/12 quadrantes. O sistema poderá ser projetado para uma diferente classificação de amperagem de corrente CA de acordo com a necessidade, por exemplo, até 500 kW, ou até 1600 kW. Os benefícios da presente invenção incluem economia de combustível através da operação de menos geradores a diesel em melhores condições de carga, tipicamente, mais elevadas. Consequentemente, a redução no uso de combustível resulta em reduções de C02 e de emissão de NOX, por conseguinte, sendo melhor para o ambiente. Além disso, o funcionamento de menos geradores a diesel em melhores condições de carga possibilita economia em termos de horas de funcionamento e custos de manutenção. A segurança operacional é aperfeiçoada pela provisão de um armazenamento de energia, por exemplo, em caso de problemas de geração de energia. O sistema pode ser adaptado aos geradores existentes no sentido de melhorar o desempenho e a manipulação de variações de carga.

[0033] Outra vantagem, além do custo e da economia de espaço, é observada pelo fato de que a energia regenerativa da unidade de perfuração é usada sem que uma quantidade significativa de equipamentos extras seja necessária e pelo fato de que os onerosos resistores de frenagem poderão ser substituídos ou evitados. O conversor trabalha tanto com a energia da batería como também com a energia regenerativa do barramento de CC das unidades de perfuração.

A descrição detalhada da presente invenção se refere ao exemplo de um navio de perfuração, ou a equipamentos de perfuração sobre uma plataforma no mar, no entanto, tal como anteriormente indicado, a presente invenção é aplicável a qualquer local remoto com um abastecimento não ligado à rede de energia, no qual cargas variáveis e geração de energia reativa fazem que a otimização da fonte de energia elétrica primária se torne mais complicada e, por isso, as plataformas

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12/12 de perfuração em terra, em estuários, Iagos ou ambientes marinhos poderão se beneficiar com a aplicação da presente invenção. A presente invenção não se limita à perfuração e poderá ser aplicada a outros tipos de instalações remotas e equipamentos de energia que produzem uma energia regenerativa mediante o uso de um abastecimento autônomo, não ligado à rede de energia elétrica, tal como um parque eólico, ou uma instalação de produção em um lago, ou outras instalações de geração de energia.

Claims

1. Sistema de suprimento de energia elétrica, caracterizado pelo fato de compreender uma fonte de energia elétrica primária e um sistema de armazenamento de energia elétrica, em que a fonte de energia elétrica primária é adaptada de modo a suprir energia elétrica sob demanda em um fator de carga; e em que um ou mais módulos de armazenamento de energia de um sistema de armazenamento de energia são adaptados de modo a receber uma energia regenerativa a partir da carga; o sistema de suprimento de energia elétrica compreendendo, ainda, um conversor conectado entre a carga, o sistema de armazenamento de energia e a fonte de energia elétrica primária; e um diodo de bloqueio conectado entre a carga e o conversor; em que o conversor compreende um conversor de fonte de tensão trifásica e uma ponte de dois pulsos adicional.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conversor de fonte de tensão compreende um módulo de transistor de seis pulsos.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o módulo de transistor compreende seis transistores bipolares de porta isolada com diodos paralelos inversos.

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a ponte de dois pulsos adicional compreende transistores bipolares de porta isolada com diodos paralelos inversos.

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o sistema de armazenamento de energia compreende um ou mais módulos de armazenamento de energia conectados à ponte de dois pulsos adicional do conversor.

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6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a fonte de energia elétrica primária compreende um gerador de CA; e o sistema de suprimento de energia elétrica compreende, ainda, um transformador que compreende enrolamentos primários e secundários entre o gerador de CA e o conversor.

7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o sistema de armazenamento de energia compreende, ainda, um sistema de gerenciamento de energia, pelo fato de que o sistema de armazenamento de energia é ainda adaptado de modo a receber energia elétrica a partir da fonte de energia elétrica primária, quando a demanda de carga é inferior à energia disponível a partir da fonte de energia elétrica primária.

8. Método de operação de um sistema de suprimento de energia elétrica, como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o método compreender uma das etapas dentre: suprir energia elétrica a partir de uma fonte de energia elétrica primária em um fator de carga; detectar um excesso de energia elétrica disponível acima da demanda; e redirecionar o excesso de energia para o sistema de armazenamento de energia; ou suprir energia elétrica a partir de uma fonte de energia elétrica primária em um fator de carga; detectar uma falta de energia elétrica disponível acima da demanda e arrastar a energia elétrica do sistema de armazenamento de energia; ou receber uma energia regenerativa a partir da carga e armazenar a energia regenerativa no sistema de armazenamento de energia.