Contribuições ao gerenciamento de potências em plataformas marítimas de petróleo através do controle coordenado de conversores eletrônicos

Abstract

Com o avanço de tecnologias e a integração de fontes de energias renováveis, o setor de óleo e gás tem demonstrado compromisso na redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE) e na transição energética, focando na eletrificação e modernização dos sistemas elétricos de potência (SEP) em plataformas FPSO (Floating Production Storage and Offloading). Normalmente, essas plataformas operam de forma isolada e alimentadas por geradores a gás (GTGs), sendo grandes emissores de GEE, e devido à limitação de potência, eventos como a conexão/desconexão de cargas elevadas podem comprometer a estabilidade dos SEPs, especialmente com a partida direta de grandes motores. Conversores de frequência variável (ASDs), com entrada passiva, são frequentemente empregados para acionar motores elétricos, introduzindo componentes harmônicas que afetam a qualidade da energia, resultando em variações de tensão e frequência, baixo fator de potência e componentes harmônicas nas tensões. O SEP geralmente é supervisionado por um sistema de gerenciamento de potência (Power Management System - PMS), que coordena ações através de uma infraestrutura de comunicação com os equipamentos e dispositivos conectados ao SEP. No contexto de modernização e aplicação de novas tecnologias, esta tese de doutorado propõe um controle coordenado utilizando conversores eletrônicos com entrada ativa (AFE-ASDs), para o gerenciamento avançado do fluxo de potência em plataformas marítimas de petróleo, como uma funcionalidade adicional ao PMS. A metodologia proposta é fundamentada no compartilhamento das parcelas de corrente dadas pela Teoria de Potência Conservativa (Conservative Power Theory – CPT), usando a Transformada Discreta de Fourier (TDF) com detector de picos para o empacotamento dos sinais e envio desses dados através da infraestrutura de comunicação do PMS, e visa mitigar os efeitos da potência reativa, as distorções harmônicas e desbalanços, fazendo uso da disponibilidade de potência remanescente dos AFE-ASDs distribuídos. A estratégia de controle é avaliada no ambiente de simulação MATLAB/SIMULINK, considerando, na modelagem dos equipamentos. dados de fabricantes e relatórios de cenários operacionais reais de uma plataforma FPSO típica. Os resultados obtidos demonstram que a implementação da estratégia de controle coordenado contribui para o SEP em diversos aspectos: melhoria do fator de potência, redução da variação de tensão em eventos de partida direta de máquinas, redução do risco de colapso de tensão sob condições de carregamento próximo do nominal dos GTGs, mitigação de efeitos de distorção harmônica de corrente e potência reativa de desbalanço.

With the advancement of technologies and the integration of renewable energy sources, the oil and gas sector has shown a strong commitment to reducing greenhouse gas (GHG) emissions and supporting energy transition, focusing on the electrification and modernization of electric power systems (EPS) in FPSO (Floating Production Storage and Offloading) platforms. These platforms typically are islanded systems powered by gas turbine generators (GTGs), which are significant GHG emitters. Due to power limitations, events such as the connection/disconnection of large loads can compromise the stability of EPS, particularly during the direct starting of large motors. Adjustable Speed Drives (ASDs), with passive input, are often used to drive electric motors, introducing harmonic components that affect power quality, resulting in voltage and frequency variations, low power factor, and harmonic distortions in voltages. EPS are generally monitored by a Power Management System (PMS), which coordinates actions via a communication infrastructure with equipment and devices connected to the EPS. In the context of modernization and the adoption of new technologies, this doctoral thesis proposes a coordinated control strategy using active front-end Adjustable Speed Drives (AFE-ASDs) for advanced power flow management in offshore oil platforms, as an additional feature to the PMS. The proposed methodology is based on the current-based control strategy by sharing the current components from the Conservative Power Theory (CPT), using the Discrete Fourier Transform (DFT) with a peak detector to encapsulate signals and transmit this data through the PMS communication infrastructure, aiming to mitigate the effects of reactive power, harmonic distortions, and imbalances by utilizing the remaining power capacity of distributed AFE-ASDs. The control strategy is evaluated in a MATLAB/SIMULINK simulation environment, incorporating equipment modeling based on manufacturer data and real operational scenarios from a typical FPSO platform. The results demonstrate that the implementation of the coordinated control strategy improves EPS performance in several aspects: power factor improvement, reduction of voltage variations during direct machine starts, reduced risk of voltage collapse under near-nominal GTG loading conditions, and mitigation of harmonic current distortion and reactive power unbalances.