用于模块化堆叠DC传输系统中无通信链路时的前端转换器的功率分摊的系统和方法

摘要

一种海底功率传输/分配网络包括在功率源侧(16)和海底负载侧(22)的每一侧的多个经标准验证的功率转换器构件(12)。功率源侧转换器和海底负载侧转换器各自配置成提供模块化堆叠DC(MSDC)转换器结构。功率源侧转换器还配置成均等地或与其各自的额定功率成比例地分摊负载。这些配置是基于表示MSDC链路电流幅度数据和功率源侧转换器的平均输出电压数据的对应降落曲线。

说明书

背景技术

本发明一般涉及向诸如驱动位于远离海岸的压缩机/泵的电动机 的海底电气设备传输电功率，并且更具体地涉及用于在将模块化堆叠 DC(MSDC)技术用于海底应用的传输和分配系统中无通信链路时在 不同的源侧转换器模块之间分摊功率的系统和方法。

向油气海底电气设备传输电功率经常需要在长距离上传输高功 率。这样的传输在高压完成以减少损耗。在海底接收端，电压降低然 后分配到各个负载。分配距离通常比传输距离短得多。

三相50/60Hz的AC功率传输和分配是一项成熟的技术。利用该 技术，在发送端使用升压变压器将电压增大到传输电平(例如72kV)。 在海底端，使用降压变压器将电压降低到分配电平。

AC传输虽然成熟，但是为其中大量功率在长电缆上传输的应用 带来技术挑战。由于电缆电容，需要由功率源提供并且由电缆传送相 当多的无功功率。电容导致充电电流沿长的AC电缆流动。因为电缆 除了传送有用的负载电流之外还必须传送该充电电流，所以电缆损耗 高；电缆被高估因而昂贵。大的无功功率需求可能引发电力系统稳定 性问题。50/60Hz的AC传输和分配的缺陷可以通过降低功率传输频 率(例如162/3Hz)来减轻。这降低电缆电容的无功功率需求。然而， 这一解决方案是以诸如变压器的磁组件尺寸增大为代价的。在高功率 电平，尺寸和重量的不利影响会是超出合理范围的。

通常，多相升压泵要求电驱动的电动机输送在2MW和6MW之 间的轴功率。这样的泵群组可能要求大约20MW的功率传输50km。

另外，驱动气体压缩机的海底电动机通常具有更高的标称功率 (例如，大约10或15MW)。因此，可能要求海底压缩群组将大约 50到100MW的总功率传输100或200km的距离。对于AC传输和 分配系统，在超过100km的距离上传输高功率和在海底分配功率非 常有挑战性，这是因为分配系统中涉及的组件的大数量和高充电电 流。

一般而言，在长距离上实现DC传输可以比实现AC传输更有效。 高压(HV)DC传输通常要求在传输系统中使用能够在HVAC和 HVDC之间转换的功率电子转换器。用于常规HVDC转换器拓扑的转 换器的每个开关设计成处理高压。转换器标称电压的范围可能从数十 千伏到数百千伏，这取决于应用。这样的开关通常利用多个串联的半 导体器件(例如，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和晶闸管)来配 置。由于涉及的组件的尺寸和大数量，常规HVDC终端不太适合海底 装置。

在功率分配系统的负载侧也需要功率转换器，通常，功率转换器 结合高压变压器用于将电压从DC传输电平降低到在功率分配系统中 使用的电压电平。海底泵/压缩机电动机的变速驱动(VSD)将该分配 电平的电压转换成在广的速度范围运行电动机所需的可变频率的AC 电压。

模块化堆叠DC转换器结构很适合要求长距离传输和分配的海底 应用。与其他DC传输选择不同，在DC传输(链路)电压被控制即 被保持几乎恒定期间，DC传输(链路)电流在模块化堆叠DC转换 器中被控制。图1中示出一个MSDC结构10。MSDC结构的名字来 源于以下事实：该结构在诸如图1中示出的传输链路的发送端和接收 端的DC侧都使用若干堆叠且串联连接的DC-DC/AC-DC/DC-AC转换 器模块。

发送端/顶侧转换器12包括一组AC-DC转换器14，该组AC-DC 转换器14从AC干线或电网16抽取功率。这些转换器14的每一个与 DC-DC转换器18级联。这些DC-DC转换器18串联连接并且它们被 控制以调整将顶侧12连接到海底装置22的DC电缆20中的电流。应 理解，发送端AC-DC转换器级14和DC-DC转换器级18(图1中明 确示出)可以用结合这两级的功能的单个AC-DC转换器代替。海底/ 接收端22也包括若干串联连接的DC-DC转换器19。这些转换器19 的每一个与DC-AC逆变器/电动机驱动24级联。这些DC-DC转换器 19被控制以将DC链路电压调整到下游电动机驱动24所需的电压。 还应理解，海底DC-DC转换器19和电动机驱动24(图1中明确示出) 也可以用结合这两级的功能的单个DC-AC转换器代替。虽然图1示 出用于AC-DC、DC-DC和电动机驱动模块的两级转换器，但应理解， 在高功率电平，多级的堆叠将用于这些转换器模块。

发送端转换器12可以从如图2中为一个实施例说明的位于一个 地方中的单个或多个源/发电机30得到功率。根据另一个实施例，发 送端转换器12可以从诸如图3中示出的位于相隔大的地理距离的地 方中的若干源30得到功率。在这两个实施例中，需要将总的负载功 率在相连的不同源30之间分摊。根据一个实施例，可以使用管理控 制器，管理控制器将传递每个模块要输送的功率，其中每个模块连接 到一个源30。这一方法要求在控制器和每个模块之间有通信线路。对 应的通信链路或管理控制器自身的任何故障将不合需要地关闭整个 系统。系统可靠性是海底传输和分配系统中的关键特性之一；所以这 样的单点故障是不可接受的。

考虑到前面所述的，需要以不易受单点通信链路故障(诸如由使 用管理控制器的系统呈现的那些)影响的方式在前端转换器之间均等 地或者与其额定值成比例地分摊在海底传输和分配系统中的总负载。

发明内容

本发明的示范实施例包括海底功率传输/分配网络，该海底功率传 输/分配网络包括在功率源侧和海底负载侧的每一侧的多个经标准验 证的功率转换器构件，其中功率源侧转换器和海底负载侧转换器各自 配置成提供模块化堆叠DC转换器结构。功率源侧转换器还配置成基 于表示链路电流幅度数据和功率源侧转换器的平均输出电压数据的 对应线性/非线性降落曲线均等地或与其各自的额定功率成比例地分 摊网络负载。

根据另一个实施例，功率传输和分配系统包括：

功率源侧；

海底负载侧；以及

在功率源侧和海底负载侧的每一侧的多个功率转换器，其中功率 源侧转换器和负载侧转换器各自配置成提供模块化堆叠DC转换器结 构，并且其中功率源侧转换器还配置成在功率源侧转换器之间不存在 通信链路时均等地或与其各自的额定功率成比例地分摊负载。

附图说明

通过结合附图来理解以下的详细描述，本发明的前述的和其他的 特性、方面和优点显而易见，所有附图中相同的符号代表相同的部分， 其中：

图1是说明根据本发明一个实施例的海底功率传输/分配系统的 简化图，在系统的岸上侧和海底侧都有模块化堆叠功率转换器构件；

图2说明在一个位置中有岸上功率源的岸上转换器配置；

图3说明在不同地理位置中有岸上功率源的岸上转换器配置；

图4是说明具有共同额定功率的转换器的线性降落曲线的图；

图5是说明具有彼此不同的额定功率的转换器的线性降落曲线的 图；

图6说明根据一个实施例的岸上转换器的负载分摊；

图7示出用于模拟岸上转换器的负载分摊结果的功率转换器的降 落曲线；

图8示出根据一个实施例的基于图7中示出的降落曲线的转换器 负载分摊结果；

图9说明响应负载变化的转换器负载分摊变化；

图10说明负载变化之后的转换器稳态负载分摊状态；

图11是说明具有共同额定功率的转换器的非线性降落曲线的图；

图12是说明具有共同额定功率的转换器的另一非线性降落曲线 的图；

图13是说明具有共同额定功率的转换器的又一非线性降落曲线 的图；以及

图14是说明具有彼此不同的额定功率的转换器的非线性降落曲 线的图。

虽然以上指出的图形提出可选的实施例，但如在论述中提到的， 还预期本发明的其他实施例。在所有情况下，本公开用代表而不是限 制的方式来呈现所说明的本发明的实施例。属于本发明的原理的范围 和精神的许多其他改造和实施例可以由本领域技术人员设计。

具体实施方式

向在使用MSDC结构的海底传输和分配系统中的负载输送的功 率可以或者从一个源(例如位于平台上的发电机或AC电网)得到， 或者从相隔大的地理距离的若干发电机得到。在两种情况中都需要在 前端转换器之间均等地或与其额定值成比例地分摊在海底传输和分 配系统中的总负载，分摊以不易受单点通信链路故障(诸如由使用管 理控制器的系统呈现的那些)影响的方式来进行。

如本文中所述，MSDC结构包括两组转换器，这两组转换器包括 发送端/顶侧转换器和接收端/海底转换器。根据一个实施例，在不同 的发送端转换器18之间分摊功率通过用诸如图4中示出的降落曲线 40对每个发送端DC侧转换器18编程实现。在这点上，每个发送端 DC侧转换器可经由集成可编程软件/固件编程。根据一个实施例，每 个DC侧转换器18包括集成可编程控制器，集成可编程控制器包括例 如CPU或者DSP中的至少一个以及对应的存储设备，诸如可以是可 编程的RAM和/或ROM(诸如EPROM/EEPROM设备)。也可使用 可编程逻辑设备来提供需要的可编程控制特性。根据流经DC电缆(诸 如图1中示出的DC电缆20)的链路电流(I_link)的幅度以及特定DC 侧转换器18的平均输出电压(V_dc(avg))确定该特定DC侧转换器18 的降落曲线40。然后该特定转换器18分摊的负载被确定为在工作点 42的(I_link)和DC电压V_dc的乘积，例如V_dc(avg)(opn)*I_link(opn)。

MSDC系统中的发送端转换器18在无负载时将输出很低的电压， 只是为了补偿系统损耗。在这些情况下，链路电流将是最高的。当系 统负载增加时，链路电流的幅度减少而转换器18移动到新的工作点， 输送更高的电压并且因此供给增大的功率以满足负载要求。

根据一个实施例，可以在与额定值相同或大体相同的每个前端转 换器18相关联的本地控制器中编程单个降落曲线40。根据具体的实 施例，一条或多条降落曲线可以或者是线性的，诸如图4和5中示出 的，或者是非线性的，诸如图11-14中示出的。图4是说明具有共同 额定功率的转换器18的降落曲线的图。可选地，对于对链路电流作 出贡献的额定功率不同的转换器18，负载可以通过使用诸如图5中示 出的不同降落曲线与其额定功率成比例地分摊，图5说明具有彼此不 同的额定功率的转换器的线性降落曲线52、54。诸如图14中示出的 非线性降落曲线也可用于另一个实施例中具有彼此不同的额定功率 的转换器。

图6说明根据一个实施例的配置成提供对应的岸上DC侧转换器 18的负载分摊的发送端转换器12。每个DC侧转换器18编程为产生 对应于其相应的DC侧转换器工作点的平均输出电压60。

本发明的发明人已经使用对诸如图6中示出的包括串联的发送端 DC-DC转换器18的系统的计算机模拟演示了在不存在物理通信链路 时在转换器之间的负载分摊。为这个实施例使用的输入电压分别为 200伏和250伏。用于模拟岸上转换器18的负载分摊结果的降落特性 70在图7中示出。为了模拟结果还使用了三(3)kHz的开关频率。

图8示出根据一个实施例的、基于图7中示出的降落曲线的、图 6中示出的DC-DC转换器18的DC-DC转换器负载分摊结果80。这 些结果是在DC-DC转换器18分摊400瓦的负载功率(即每个200瓦) 时产生的。可以看出，当第二转换器的输入电压更高(250V)时， 产生的脉冲宽度(V_dc2)比对应于第一转换器的脉冲宽度(V_dcl)小。 模拟结果是通过在应用降落特性来确定平均输出电压之前对电流中 的开关波纹滤波得到的。

图9说明响应负载变化的DC-DC转换器负载分摊的变化。更具 体地，图9示出当负载功率从约400W变化到约2kW时的效果。可 以看出，链路电流最初急剧下降。所编程的降落导致DC-DC转换器 18增大其对应的输出电压因此支持增大的负载。图10说明在本文中 参照图8和9描述的负载变化之后的DC-DC转换器稳态负载分摊状 态。

总而言之，本文中已描述了包括在功率源侧和海底负载侧的每一 侧的多个经标准验证的功率转换器构件的海底功率传输/分配网络的 示范实施例，其中功率源侧转换器和海底负载侧转换器各自配置成提 供模块化堆叠DC转换器结构。功率源侧转换器还配置成基于表示链 路电流幅度数据和功率源侧转换器的平均输出电压数据的对应降落 曲线均等地或与其各自的额定功率成比例地分摊网络负载。

虽然在本文中只说明和描述了本发明的某些特性，但本领域技术 人员将想到许多改造和变化。因此，应理解，所附的权利要求书旨在 涵盖所有这样的属于本发明的真实精神的改造和变化。