Contribuições ao Sistema de Gerenciamento de Potência em Plataformas FPSO através do Controle Coordenado de Conversores Multifuncionais

Felipe L. Paes; Lucas C. Souza; Augusto M. S. Alonso; Helmo K. M. Paredes; Flavio A. S. Goncalves; Luis De O. Arenas; Fernando P. Marafao

doi:10.18618/REP.e202514

Authors

Felipe L. Paes Universidade Estadual Paulista (Unesp) https://orcid.org/0000-0002-4409-2336
Lucas C. Souza Universidade Estadual Paulista (Unesp) https://orcid.org/0000-0003-1853-0301
Augusto M. S. Alonso Universidade de São Paulo https://orcid.org/0000-0002-7505-309X
Helmo K. M. Paredes Universidade Estadual Paulista (Unesp) https://orcid.org/0000-0001-8664-3573
Flavio A. S. Goncalves Universidade Estadual Paulista (Unesp) https://orcid.org/0000-0002-5410-7407
Luis De O. Arenas Universidade Estadual Paulista (Unesp) https://orcid.org/0000-0001-5160-606X
Fernando P. Marafao Universidade Estadual Paulista (Unesp) https://orcid.org/0000-0003-3525-3297

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.e202514

Keywords:

Controle coordenado de potência, FPSO, Gerenciamento de potência, Inversores de frequência, Qualidade de energia

Abstract

Este artigo propõe uma abordagem de controle coordenado utilizando conversores eletrônicos de velocidade variável (AFE-ASDs), para o gerenciamento avançado de potência em plataformas marítimas de petróleo, do tipo FPSO (Floating Production Storage and Offloading). A metodologia de controle coordenado é fundamentada na Teoria de Potência Conservativa e visa mitigar a potência reativa, as distorções harmônicas e desbalanços, fazendo uso da disponibilidade de potência dos AFE-ASDs distribuídos. Simulações computacionais da abordagem proposta considerando o modelo real de sistema elétrico de uma FPSO demonstram uma redução de 10,16% na potência dos geradores a gás, em condições de estado estacionário. Durante a partida direta de motores, a coordenação dos AFE-ASDs também possibilitou que a variação de tensão diminuísse de 14,45% para 2,64%. Além disso, uma redução significativa na distorção harmônica foi alcançada pela mitigação de correntes de distorção, com o DHTi diminuindo de 5,42% para 1,39% e DHTv de 3,89% para 0,98%.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Felipe L. Paes, Universidade Estadual Paulista (Unesp)

é doutor (2024) e mestre (2018) em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista (UNESP), com pesquisas focadas em qualidade de energia e controle de sistemas elétricos avançados. Graduado em Engenharia Elétrica pela FACENS (2013), também possui especialização em Gestão de Projetos pela FGV (2015). Como membro do Grupo de Automação e Sistemas Integráveis (GASI), dedica-se a temas como medidores inteligentes, controle coordenado de conversores eletrônicos e gestão de sistemas elétricos em plataformas de produção de petróleo e gás. Atualmente, é professor adjunto no Instituto Federal de São Paulo (IFSP), campus Sorocaba, onde integra o Departamento de Eletroeletrônica e Energias Renováveis.

Lucas C. Souza, Universidade Estadual Paulista (Unesp)

é graduado em Engenharia Elétrica pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás (2018). Concluiu o mestrado (2021) em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista (UNESP) – Campus Ilha Solteira. Atualmente, é doutorando no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da UNESP – Campus Bauru, em parceria com o Instituto de Ciência e Tecnologia (ICTS) da UNESP – Campus Sorocaba. Seus interesses incluem eletrônica de potência, qualidade de energia, sistemas embarcados e sistemas elétricos isolados.

Augusto M. S. Alonso, Universidade de São Paulo

obteve o título de Doutor em Engenharia Elétrica em 2021, com dupla titulação pela Universidade Estadual Paulista (UNESP) e pela Norwegian University of Science and Technology (NTNU). Em 2022, atuou como pesquisador de pós-doutorado na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Desde 2022, é professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo (EESC/USP). Seus interesses de pesquisa incluem controle digital de conversores de potência, microrredes, qualidade de energia e redes inteligentes. É membro do IEEE e da SOBRAEP.

Helmo K. M. Paredes, Universidade Estadual Paulista (Unesp)

é Professor Associado na UNESP em Sorocaba. Obteve o título de Engenheiro em Engenharia Elétrica pela Universidade Nacional de San Agustin, Arequipa, Peru em 2002, os títulos de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela UNICAMP em 2006 e 2011, respectivamente. Realizou estágios na Università degli Studi di Padova (2009), na Universidade de Nottingham (2014) e na Colorado School of Mines (2018). Seus interesses de pesquisa incluem análise e condicionamento da qualidade da energia elétrica, propagação de harmônicas e desequilíbrios, controle de conversores de potência em ambientes de redes e microrredes inteligentes. É membro sênior do IEEE, membro da SBA e da SOBRAEP.

Flavio A. S. Goncalves, Universidade Estadual Paulista (Unesp)

possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP, mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica com especialização na área de Eletrônica de Potência pela UNESP e estágio na Università degli Studi di Padova (2011). Atua como professor na UNESP em Sorocaba desde 2010, suas principais áreas de interesse são Aplicações da Eletrônica de Potência, Controle e Acionamentos Eletrônicos de Máquinas Elétricas, Integração de Recursos Energéticos e Modernização de Sistemas de Energia Offshore. É membro do IEEE e da SOBRAEP.

Luis De O. Arenas, Universidade Estadual Paulista (Unesp)

é graduado em Engenharia Eletrônica pela Universidade Nacional da Colômbia – Bogotá (2012). Possui mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), concluídos em 2014 e 2019, respectivamente. Realizou estudos de pós-doutorado no Laboratório de Eletrônica de Potência – UNESP/FEIS (2019) e no Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba – UNESP (2020–2022). Atualmente, é professor assistente no ICTS-UNESP, vinculado ao Departamento de Engenharia Ambiental. Sua pesquisa abrange Instrumentação Eletrônica e Ciência de Dados aplicadas a Sistemas Ambientais, Qualidade de Energia e Processamento de Sinais Digitais e Analógicos.

Fernando P. Marafao, Universidade Estadual Paulista (Unesp)

é graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista (UNESP), com mestrado e doutorado pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Realizou estágios nas instituições Università degli Studi di Padova (2002), Colorado School of Mines (2013) e Norwegian University of Science and Technology (2020). Desde 2005, é professor associado na UNESP, em Sorocaba (SP), onde lidera ou contribui em diversos projetos de pesquisa, com mais de 200 artigos publicados. Suas principais áreas de interesse incluem aplicações de Eletrônica de Potência, Digitalização de Sistemas Elétricos, Integração de Recursos Energéticos e Modernização de Sistemas de Potência Offshore.

References

M. C. Abraham-Dukuma, M. O. Dioha, O. C. Aholu, N. V. Emodi, C. Ogbumgbada, and A. Isah, “A marriage of convenience or necessity? Research and policy implications for electrifying upstream petroleum production systems with renewables,” Energy Res Soc Sci, vol. 80, p. 102226, Oct. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.erss.2021.102226

A. A. Adeyemo, E. Alves, F. Marra, D. Brandao, and E. Tedeschi, “Suitability assessment of high-power energy storage technologies for offshore oil and gas platforms: A life cycle cost perspective,” J Energy Storage, vol. 61, p. 106643, May 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106643

R. C. Camargo, H. Sakamoto, L. F. N. Lourenço, M. B. C. Salles, and L. Kulay, “Eco-efficiency of power supply systems for offshore platforms,” e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, vol. 7, p. 100475, Mar. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.prime.2024.100475

R. N. Fard and E. Tedeschi, “Integration of Distributed Energy Resources into Offshore and Subsea Grids,” CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 3, no. 1, pp. 36–45, Mar. 2018, doi: 10.24295/CPSSTPEA. 2018.00004. DOI: https://doi.org/10.24295/CPSSTPEA.2018.00004

L. F. da Rocha, L. A. Vitoi, E. Tedeschi, and D. I. Brandao, “Control Strategies for Multifunctional Active Front-End Converter in Oil and Gas Platforms,” in 2021 Brazilian Power Electronics Conference (COBEP), IEEE, Nov. 2021, pp. 1–8.. DOI: https://doi.org/10.1109/COBEP53665.2021.9684089

F. L. Paes et al., “Coordinated Control of Adjustable Speed Drives Applied to Oil and Gas Production Platforms,” in 2023 IEEE 8th Southern Power Electronics Conference and 17th Brazilian Power Electronics Conference (SPEC/COBEP), IEEE, Nov. 2023, pp. 1–8. DOI: https://doi.org/10.1109/SPEC56436.2023.10407290

L. C. Souza, F. L. Paes, L. de O. Arenas, D. I. Brandão, E. Tedeschi, and F. P. Marafão, “An overview on recent advances and research in offshore O&G power systems,” 2024 Rio Oil and Gas (ROG.e 2024) Sep. 2024, pp. 2776–2790. DOI: https://doi.org/10.48072/2525-7579.roge.2024.3032

L. A. Vitoi, D. Brandao, and E. Tedeschi, “Active Power Filter Pre-Selection Tool to Enhance the Power Quality in Oil and Gas Platforms,” Energies (Basel), vol. 14, no. 4, p. 1024, Feb. 2021. DOI: https://doi.org/10.3390/en14041024

P. Pandele, E. Thibaut, and E. Meyer, “All-Electrical FPSO Scheme With Variable-Speed Drive Systems,” IEEE Trans Ind Appl, vol. 49, no. 3, pp. 1188–1197, May 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2252133

X. Liang and W. Jackson, “Influence of Subsea Cables on Offshore Power Distribution Systems,” in 2008 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, IEEE, Oct. 2008, pp. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/08IAS.2008.377

E. Alves, S. Sanchez, D. Brandao, and E. Tedeschi, “Smart Load Management with Energy Storage for Power Quality Enhancement in Wind-Powered Oil and Gas Applications,” Energies (Basel), vol. 12, no. 15, p. 2985, Aug. 2019. DOI: https://doi.org/10.3390/en12152985

Q. Li, Y. Mao, Y. Liu, A. Zhang, and W. Yang, “Modeling of Integrated Energy System of Offshore Oil and Gas Platforms Considering Couplings Between Energy Supply System and Oil and Gas Production System,” IEEE Access, vol. 8, pp. 157974–157982, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3020135

M. S. Dall Asta et al., “Offshore Wind Energy Conversion System Connected to a Floating Production Storage and Offloading Unit: Electrical Aspects,” in 2023 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE, Oct. 2023, pp. 321–328. DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE53617.2023.10362766

G. Kim, J. Ahn, S. Chae, and E.-H. Kim, “Analysis of Resonant Frequency of Transmission Line Based on Large Scale Offshore Wind Farm,” in 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE), IEEE, Oct. 2019, pp. 221–225. DOI: https://doi.org/10.1109/ISEE2.2019.8921149

S. Chapaloglou, D. Varagnolo, and E. Tedeschi, “Techno-Economic Evaluation of the Sizing and Operation of Battery Storage for Isolated Oil and Gas Platforms with High Wind Power Penetration,” in IECON 2019 - 45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IEEE, Oct. 2019, pp. 4587–4592. DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2019.8926739

A. Adeyemo, F. Marra, and E. Tedeschi, “Sizing of energy storage for spinning reserve and efficiency increase in isolated power systems within a stochastic unit commitment framework,” SSRN Electronic Journal, 2024. DOI: https://doi.org/10.2139/ssrn.4733919

J. K. Banda, A. A. Adeyemo, F. Marra, and E. Tedeschi, “Co-operative Control of BESS and Wind Turbines for Heavy Motor Starting on Industrial Isolated Grids,” in 2023 11th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2023 - ECCE Asia), IEEE, May 2023, pp. 192–198. DOI: https://doi.org/10.23919/ICPE2023-ECCEAsia54778.2023.10213912

J. Banda, S. Chapaloglou, and E. Tedeschi, “MV Multi-functional Retrofit Converter for Enhanced Power Quality on O&G Platforms,” in 2022 IEEE 13th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), IEEE, Jun. 2022, pp. 1–6. DOI: https://doi.org/10.1109/PEDG54999.2022.9923203

L. F. N. Lourenco, D. F. Pereira, R. M. Monaro, M. B. C. Salles, and R. M. P. Rosa, “Assessment of an Isolated Offshore Power Grid Based on the Power Hub Concept for Pre-Salt Oil and Gas Production,” IEEE Access, vol. 10, pp. 87671–87680, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3199761

R. Itiki, S. G. Di Santo, C. Itiki, M. Manjrekar, and B. H. Chowdhury, “A comprehensive review and proposed architecture for offshore power system,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 111, pp. 79–92, Oct. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.04.008

L. F. da Rocha, D. I. Brandao, K. de S. Medeiros, M. S. Dall’asta, and T. B. Lazzarin, “Coordinated Decentralized Control of Dynamic Volt-Var Function in Oil and Gas Platform With Wind Power Generation,” IEEE Open Journal of Industry Applications, vol. 4, pp. 269–278, 2023. DOI: https://doi.org/10.1109/OJIA.2023.3307299

H. M. A. Antunes, D. I. Brandao, V. H. M. Biajo, M. H. S. Alves, F. S. Oliveira, and S. M. Silva, “Floating, Production, Storage, and Offloading Unit: A Case Study Using Variable Frequency Drives,” IEEE Trans Ind Appl, pp. 1–9, 2023. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2023.3258420

H. K. Morales-Paredes, J. P. Bonaldo, and J. A. Pomilio, “Centralized Control Center Implementation for Synergistic Operation of Distributed Multifunctional Single-Phase Grid-Tie Inverters in a Microgrid,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 10, pp. 8018–8029, Oct. 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2801780

T. D. C. Busarello, A. Mortezaei, A. Peres, and M. G. Simoes, “Application of the Conservative Power Theory Current Decomposition in a Load Power-Sharing Strategy Among Distributed Energy Resources,” IEEE Trans Ind Appl, vol. 54, no. 4, pp. 3771–3781, Jul. 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2820641

D. I. Brandao, L. S. Araujo, A. M. S. Alonso, G. L. dos Reis, E. V. Liberado, and F. P. Marafao, “Coordinated Control of Distributed Three- and Single-Phase Inverters Connected to Three-Phase Three-Wire Microgrids,” IEEE J Emerg Sel Top Power Electron, vol. 8, no. 4, pp. 3861–3877, Dec. 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2019.2931122

A. M. S. Alonso, L. D. O. Arenas, D. I. Brandao, E. Tedeschi, R. Q. Machado, and F. P. Marafão, “Current-Based Coordination of Distributed Energy Resources in a Grid-Connected Low-Voltage Microgrid: An Experimental Validation of Adverse Operational Scenarios,” Energies (Basel), vol. 15, no. 17, p. 6407, Sep. 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/en15176407

J. M. S. Callegari, L. A. Vitoi, and D. I. Brandao, “VFD-Based Coordinated Multi-Stage Centralized/Decentralized Control to Support Offshore Electrical Power Systems,” IEEE Trans Smart Grid, vol. 14, no. 4, pp. 2863–2873, Jul. 2023. DOI: https://doi.org/10.1109/TSG.2022.3224616

P. Tenti, H. K. M. Paredes, and P. Mattavelli, “Conservative Power Theory, a Framework to Approach Control and Accountability Issues in Smart Microgrids,” IEEE Trans Power Electron, vol. 26, no. 3, pp. 664–673, Mar. 2011. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2093153

WEG, “Inversor de Frequência de Média Tensão MVW3000,” 2022.

IEC, “IEC 61850 series: Communication networks and systems for power utility automation (parts 1–10)”, 2nd ed., Switzerland: IEC, 2011, pp. 1–10.

M. P. de Santana, E. L. G. Junior, E. J. Agnoletto, H. K. Morales Paredes, and F. P. Marafão, “Modelo de Gerador Síncrono de Ordem Reduzida para Otimizar Simulações Computacionais de Sistemas de Energia de Plataformas de Petróleo e Gás,” in 2024 IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Brasil (PCIC Brasil), IEEE, Apr. 2024, pp. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1109/PCICBrasil54376.2024.10553201

EPA, “Stationary Internal Combustion Sources Section 3.1: Stationary Gas Turbines,” in Air Emissions Factors and Quantification, Fifth Edition., vol. I, 2009, ch. 3. Accessed: Oct. 11, 2024. [Online]. Available: https://www3.epa.gov/ttnchie1/ap42/ch03/index.html

M. P. de Santana et al., “Modeling and Tuning of Speed Regulators for FPSOs Generation Systems,” in 2023 IEEE 8th Southern Power Electronics Conference and 17th Brazilian Power Electronics Conference (SPEC/COBEP), IEEE, Nov. 2023, pp. 1–7.. DOI: https://doi.org/10.1109/SPEC56436.2023.10408478

F. A. Serrão Gonçalves et al., “Estratégias para Modelagem de Motores de Indução E Estudo de Caso em Uma Plataforma Marítima de Petróleo,” in 2024 IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Brasil (PCIC Brasil), IEEE, Apr. 2024, pp. 1–11. DOI: https://doi.org/10.1109/PCICBrasil54376.2024.10552927

R. Dos Santos et al., “Análise da Resposta Transitória do Sistema de Energia Elétrica de Uma FPSO,” in 2024 IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Brasil (PCIC Brasil), IEEE, Apr. 2024, pp. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/PCICBrasil54376.2024.10552930

F. L. Paes et al., “Evaluating A Coordinated Control Proposal in Operational Scenarios of an FPSO Oil and Gas Platform,” in 2024 IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Brasil (PCIC Brasil), IEEE, Apr. 2024, pp. 1–8. DOI: https://doi.org/10.1109/PCICBrasil54376.2024.10553099

L. C. Souza et al., “Análise Computacional do Sistema Elétrico de Potência de Uma Plataforma FPSO de Petróleo em Regime Permanente,” in 2024 IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Brasil (PCIC Brasil), IEEE, Apr. 2024, pp. 1–8. DOI: https://doi.org/10.1109/PCICBrasil54376.2024.10553041