Análise da estabilidade de frequência de sistemas elétricos de plataformas de petróleo com geração eólica offshore e célula a combustível

Abstract

Esta dissertação tem como objetivo analisar o comportamento dinâmico, com foco na estabilidade de frequência, de um sistema offshore elétrico de produção de petró- leo de uma Plataforma FPSO (Floating Production Storage and Offloading), alimentado por uma usina eólica offshore em conjunto com um eletrolisador/célula a combustível de Membrana Polimérica Trocadora de Prótons (PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Em momentos de sobra de energia eólica, é realizada a eletrólise da água para a produção de hidrogênio (H2) e, quando necessário, o H2 é convertido em energia através da célula a combustível, para suprir a demanda exigida ou auxiliar o sistema da FPSO na ocorrência de eventos transitórios. Para as simulações foi utilizado o software DigSILENT©PowerFactory. Primeiramente, foi implementado e validado o funcionamento do modelo dinâmico do eletrolisador e da célula a combustível. Um sistema teste foi criado, com dados típicos obtidos na literatura, para representar um sistema equivalente de uma FPSO, que engloba seus geradores e cargas e o conjunto PEM/PEMFC. A FPSO é conectada a um parque eólico com geradores síncronos de ímãs permanentes (PMSG - Permanent Magnet Synchronous Generator) através de sistemas coletores submarinos em 33 kV e a um sistema onshore através de uma linha de transmissão submarina de 230 kV. Observou-se que o conjunto PEM/PEMFC fornece melhoria na estabilidade de frequência do sistema teste estudado, para todos os casos simulados, especialmente para eventos em que há necessidade de aumentar o despacho de geração ativa. Pode-se também observar que o eletrolisador opera somente na condição em que há excesso de geração eólica. Com a operação da PEMFC foi observada redução no pico de frequência de aproximadamente 2,0 Hz no evento de perda de conexão com a costa, 3,0 Hz para o evento de perda do parque eólico e 2,0 Hz para o evento de perda de gerador da FPSO. Outra característica observada foi a melhoria no amortecimento e redução no tempo de estabilização, sendo que as mais significativas foram nos eventos de perda de conexão com a costa, curto-circuito na barra FPSO e perda do gerador da FPSO, com redução de 4,0 s, 8,0 s e 9,0 s respectivamente.

This dissertation aims to analyze the dynamic behavior, with a focus on frequency stability, of an offshore electrical system for oil production from an FPSO (Floating Production Storage and Offloading) platform, feed by an offshore wind farm in conjunction with an electrolyzer (PEM) and a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). During periods of excess wind energy, water electrolysis is carried out to produce hydrogen (H2), which is then converted into electricity through the fuel cell when needed, either to meet demand or to assist the FPSO system during transient events. The simulations were performed using DigSILENT©PowerFactory software. Initially, the dynamic model of the electrolyzer and fuel cell was implemented and validated. A test system, based on typical data from the literature, was created to represent an equivalent FPSO system, including its generators, loads, and the PEM/PEMFC system. The FPSO is connected to a wind farm with Permanent Magnet Synchronous Generators (PMSG) via underwater collector systems at 33 kV, and to an onshore grid through a 230 kV submarine transmission line. The results showed that the PEM/PEMFC system improved frequency stability across all simulated scenarios, especially during events that required increased active generation dispatch. Additionally, the electrolyzer operated only when there was excess wind generation. The operation of the PEMFC resulted in a reduction in the frequency peak by approximately 2.0 Hz during the loss of shore connection, 3.0 Hz during the loss of the wind farm, and 2.0 Hz during the loss of the FPSO generator. Another observed feature was the improvement in damping and the reduction in stabilization time, with the most significant reductions occurring during the loss of shore connection, a short circuit at the FPSO busbar, and the loss of the FPSO generator, with reductions of 4.0 s, 8.0 s, and 9.0 s, respectively.