Retificador híbrido unidirecional baseado em módulos MMC

Abstract

Embarcações movidas a propulsão elétrica (MES - more-electric ships) e sistemas submersos de extração de óleo são tipicamente alimentados por geradores síncronos. Eles são impulsionados principalmente por turbinas a gás no caso de óleo e gás (O&G) ou motores a diesel em MESs. Em nenhuma destas aplicações o gerador deve experimentar uma operação regenerativa, ou seja, ele não opera com fluxo de potência reverso. Os retificadores unidirecionais de média tensão possuem características elétricas favoráveis às aplicações, além de oferecer proteção natural contra reversões de fluxo de energia. Assim, propõe-se um retificador híbrido transformerless baseado em uma ponte de diodos comutando na frequência da rede, o qual processa o fluxo da maior parte da energia elétrica, aliada à redundância e maior frequência de operação de submódulos (SMs) de conversor multinível modular (MMC - modular multilevel converter). Os SM do retificador híbrido proposto sintetizam formas de onda idealmente compostas de harmônicos com três ou seis vezes a frequência da rede. Assim, as oscilações de potência nos capacitores dos SM são deslocadas para frequências superiores às de um MMC convencional. A capacitância geral necessária é consequentemente reduzida. Além disso, um número muito menor de SMs é necessário quando comparado a um MMC trifásico convencional. Essas características são bem-vindas nas aplicações apresentadas. Este trabalho discute o dimensionamento, operação e controle do conversor proposto.

Abstract: More-electric ships (MESs) and subsea oil processing electric power systems are typically fed by synchronous generators. These are primarily driven by gas turbines in the case of O\&G or diesel engines in MESs. In neither of these applications the generators should experience regenerative operation, i.e., they do not operate under reversed power flow. Medium voltage dc unidirectional rectifiers are well suited and provide natural protection against power flow reversals. Thus, a hybrid transformerless rectifier concept that is based on line commutated diodes to transfer a large portion of electric power allied with the redundancy and higher operating frequency of modular multilevel converter (MMC) submodules (SMs) is proposed. The hybrid rectifier operates the MMC SMs to synthesize waveforms that are ideally composed of triplen harmonics. Therefore, the frequency of the power oscillations at the capacitors are shifted to frequencies higher than those of a conventional MMC. The overall required capacitance is consequently reduced. Furthermore, a much lower number of SMs is required when compared to a conventional three-phase MMC. These characteristics are welcome in the cited applications. This work discusses how to size, operate and control the proposed system.