具有電纜分段故障轉(zhuǎn)移支持的功率傳輸系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及用于電力傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法，并且更具體地涉及使用直流(DC)電纜進(jìn)行電力傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]交流(AC)傳輸系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸高壓電可能是效率低的，原因是AC電纜中的電容降低了 AC電纜的負(fù)載承受能力。相反，DC傳輸可以提供遠(yuǎn)距離傳輸高壓電的更加有效的方式。中壓(MV)和高壓(HV) DC是在各種應(yīng)用中(比方說(shuō)例如海底石油和天然氣加工工業(yè)以及海上風(fēng)力發(fā)電)常用的兩種遠(yuǎn)距離傳輸DC系統(tǒng)。
[0003]從陸地或海上平臺(tái)向位于海床或遠(yuǎn)程海上位置的電力負(fù)荷傳送功率的需求在日益增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)的HVDC系統(tǒng)由于尺寸和所包括的數(shù)量眾多的組件可能不能很好地適應(yīng)海底安裝。
[0004]進(jìn)一步地，遠(yuǎn)距離傳輸，諸如用于海底功率傳輸可以通過(guò)海底電纜獲得，海底電纜將來(lái)自諸如DC源或AC源的功率源的功率運(yùn)送到一個(gè)或多個(gè)海上電站或變電所。然而，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜出現(xiàn)故障的可能性在增加。修理海底電纜可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間，例如幾個(gè)星期。同時(shí)，電纜中的故障可能影響將功率供應(yīng)到與故障電纜連接的電站/變電所。
[0005]因此，需要提供較不昂貴、可靠和甚至在電纜故障情況下也全面運(yùn)行的功率傳輸系統(tǒng)。進(jìn)一步地，需要提供在功率傳輸系統(tǒng)運(yùn)行中故障電纜可以被修理或更換的功率傳輸系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種功率傳輸系統(tǒng)。所述功率傳輸系統(tǒng)包括:至少一個(gè)變電所，所述至少一個(gè)變電所用于從功率源接收功率；以及直流DC電纜，所述直流DC電纜用于將來(lái)自所述功率源的功率傳遞到所述變電所。所述DC電纜包括多個(gè)分段，所述多個(gè)分段分別地或者組合形成將功率發(fā)送(route)到所述變電所的路徑。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括電耦連到每個(gè)分段的至少一個(gè)分段開(kāi)關(guān)單元。所述分段開(kāi)關(guān)單元中的至少一個(gè)包括:至少一個(gè)短路開(kāi)關(guān)元件，所述至少一個(gè)短路開(kāi)關(guān)元件用于響應(yīng)于短路命令提供短路路徑，以防止來(lái)自所述功率源的功率發(fā)送到相應(yīng)的分段；以及至少一個(gè)斷開(kāi)(disconnect)開(kāi)關(guān)元件，所述至少一個(gè)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件用于響應(yīng)于斷開(kāi)命令斷開(kāi)所述相應(yīng)的分段。
[0007]在另一實(shí)施例中，提供了一種海底DC功率傳輸系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括陸地系統(tǒng)和海上系統(tǒng)。所述陸地系統(tǒng)包括功率源。所述海上系統(tǒng)包括變電所，所述變電所用于從所述功率源接收功率。至少一個(gè)或更多個(gè)變電所包括子模塊堆疊功率變換系統(tǒng)，所述子模塊堆疊功率變換系統(tǒng)包括多個(gè)子功率變換器模塊。所述海上系統(tǒng)進(jìn)一步包括主電站，所述主電站電耦連于所述功率源和所述變電所之間。所述主電站包括主模塊堆疊功率變換系統(tǒng)，所述主模塊堆疊功率變換系統(tǒng)包括多個(gè)主功率變換器模塊。所述海上系統(tǒng)進(jìn)一步包括主開(kāi)關(guān)單元和DC電纜，所述DC電纜用于將來(lái)自所述功率源的功率傳遞到所述變電所。所述DC電纜包括在所述主開(kāi)關(guān)單元和所述變電所之間的多個(gè)分段，所述分段分別地或者組合形成將功率發(fā)送到所述變電所的路徑。所述海上系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)分段開(kāi)關(guān)單元，所述至少一個(gè)分段開(kāi)關(guān)單元電耦連到所述分段中的每一個(gè)。所述分段開(kāi)關(guān)單元中的至少一個(gè)包括:短路開(kāi)關(guān)元件，所述短路開(kāi)關(guān)元件用于響應(yīng)于短路命令提供短路路徑，以防止來(lái)自所述功率源的功率發(fā)送到相應(yīng)的分段。所述分段開(kāi)關(guān)單元中的至少一個(gè)進(jìn)一步包括至少一個(gè)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件，所述至少一個(gè)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件用于響應(yīng)于斷開(kāi)命令斷開(kāi)所述相應(yīng)的分段。
[0008]在又一實(shí)施例中，提供了一種用于在功率傳輸系統(tǒng)中傳輸功率的方法。所述功率傳輸系統(tǒng)包括用于從功率源接收功率的變電所和DC電纜，所述DC電纜包括多個(gè)分段，所述多個(gè)分段分別地或者組合形成將功率發(fā)送到所述變電所的路徑。所述方法包括:在相應(yīng)分段的故障情況或者維修情況下，確保所述功率傳輸系統(tǒng)通過(guò)以下步驟保持運(yùn)行:觸發(fā)至少一個(gè)短路開(kāi)關(guān)元件，以提供短路路徑，從而防止來(lái)自所述功率源的功率發(fā)送到所述相應(yīng)的分段；觸發(fā)至少一個(gè)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件，用于斷開(kāi)所述相應(yīng)的分段；以及將功率經(jīng)由所述多個(gè)分段中的至少一個(gè)運(yùn)行分段發(fā)送到所述變電所。
【附圖說(shuō)明】
[0009]本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)在參照附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)將變得更好理解，圖中，相同的字符在所有圖中代表相同的部件，其中:
[0010]圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于將來(lái)自功率源的電功率傳輸?shù)降谝蛔冸娝墓β蕚鬏斚到y(tǒng)的框圖。
[0011]圖2是圖1的功率傳輸系統(tǒng)在DC電纜的第一分段出現(xiàn)故障時(shí)的示意表示。
[0012]圖3是圖1的功率傳輸系統(tǒng)在DC電纜的第二分段出現(xiàn)故障時(shí)的示意表示。
[0013]圖4圖解說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三極類型的分段開(kāi)關(guān)單元。
[0014]圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于將來(lái)自功率源的電功率傳輸?shù)降谝蛔冸娝偷诙冸娝墓β蕚鬏斚到y(tǒng)的框圖。
[0015]圖6是圖5的功率傳輸系統(tǒng)在DC電纜的第一分段出現(xiàn)故障時(shí)的不意表不。
[0016]圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于將來(lái)自功率源的電功率傳輸?shù)降谝?、第二和第三變電所的功率傳輸系統(tǒng)的框圖。
[0017]圖8是圖7的功率傳輸系統(tǒng)在DC電纜的第一分段出現(xiàn)故障時(shí)的示意表示。
[0018]圖9是圖7的功率傳輸系統(tǒng)在DC電纜的第三分段出現(xiàn)故障時(shí)的示意表示。
[0019]圖10是圖7的功率傳輸系統(tǒng)在DC電纜的第四分段出現(xiàn)故障時(shí)的示意表示。
[0020]圖11是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例海底DC功率傳輸系統(tǒng)的不意表不。
[0021]圖12圖解說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的功率傳輸系統(tǒng)，其描繪擴(kuò)展的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓β蕚鬏斚到y(tǒng)。
[0022]圖13圖解說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例描繪星形-環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓β蕚鬏斚到y(tǒng)的框圖。
[0023]圖14圖解說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例描繪網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓β蕚鬏斚到y(tǒng)。
[0024]圖15是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于控制主開(kāi)關(guān)單元和一對(duì)分段開(kāi)關(guān)單元的運(yùn)行的控制器系統(tǒng)的框圖。
[0025]圖16是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例描繪用于在功率傳輸系統(tǒng)中提供電纜分段故障轉(zhuǎn)移支持的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]除非以另外方式定義，否則本文中使用的科技詞語(yǔ)具有本申請(qǐng)所屬的領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。如本文中使用的詞語(yǔ)“第一”、“第二”等等不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用來(lái)將元件相區(qū)分。同樣，英語(yǔ)不定冠詞“一個(gè)”不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)所引用的項(xiàng)目。詞語(yǔ)“或者”表示是包括性的，表示一個(gè)、一些或所有引用的項(xiàng)目。在本文中“包括”、“包含”或“具有”及其變形的使用表示包括之后所列的項(xiàng)目和其等同物以及附加項(xiàng)目。詞語(yǔ)“電路”、“電路系統(tǒng)”、“控制器”和“處理器”可以包括單個(gè)組件或多個(gè)組件，他們可以是有源的和/或無(wú)源的，連接或另外耦連在一起提供所描述的功能。另外，出于解釋目的，列出具體的數(shù)目、材料和配置以便提供對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的徹底理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到不同實(shí)施例的各個(gè)特征的可互換性。相似地，所描述的各種方法步驟和特征以及這些方法和特征中每一個(gè)的其它已知的等同物可以根據(jù)本申請(qǐng)的原理由本領(lǐng)域技術(shù)人員混合和搭配來(lái)構(gòu)造附加組件和技術(shù)。
[0027]本發(fā)明的實(shí)施例可以包括被配置成傳輸和分配功率的功率傳輸系統(tǒng)，諸如直流(DC)傳輸系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，DC傳輸系統(tǒng)可以在DC電纜的一個(gè)或多個(gè)分段中出現(xiàn)故障情況下提供全面運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，不間斷的功率供應(yīng)到連接到一個(gè)或多個(gè)電站和/或變電所的負(fù)載。如本文中使用的詞語(yǔ)“全面運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)”指操作DC傳輸系統(tǒng)，使得所有電站/變電所在故障情況下以滿功率運(yùn)行。換言之，DC傳輸系統(tǒng)可以在DC電纜分段中出現(xiàn)故障的情況下提供故障轉(zhuǎn)移(failover)支持。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，電纜分段中的故障可以被遠(yuǎn)程地確定。在另一實(shí)施例中，故障事件可以在預(yù)定的維修事件中被預(yù)測(cè)和緩解或者防止，比方說(shuō)例如在觀察或預(yù)料有一般的磨損和撕裂時(shí)通過(guò)修理或更換電纜分段。下文將對(duì)照故障事件描述一些實(shí)施例；然而，這些實(shí)施例可以同樣地也適用于預(yù)定維修事件。進(jìn)一步地，一些實(shí)施例提供在DC傳輸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，修理或更換DC電纜的故障分段的靈活性。功率源向功率變換系統(tǒng)提供功率，功率變換系統(tǒng)可以將所接收的功率變換成DC功率。功率經(jīng)由DC電纜分段傳輸?shù)诫娬?變電所。下文描述功率傳輸系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)施例。
[0029]圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于將來(lái)自功率源102的電功率傳輸?shù)阶冸娝?04的功率傳輸系統(tǒng)100的框圖。功率傳輸系統(tǒng)100可以是中壓(MV)DC或高壓(HV)DC傳輸系統(tǒng)。這種類型的傳輸系統(tǒng)在各種應(yīng)用中使用，諸如但不限于海底石油和天然氣加工工業(yè)以及海上風(fēng)力發(fā)電。在一些實(shí)施例中，功率源102可以包括交流(AC)功率源，在這些實(shí)施例中，功率傳輸系統(tǒng)100可以進(jìn)一步包括功率變換系統(tǒng)，功率變換系統(tǒng)包括用于將AC功率變換成DC功率的整流器106。在一些其它的實(shí)施例中，功率源102可以包括DC功率源，在這些實(shí)施例中，功率傳輸系統(tǒng)100可以可選地包括功率變換系統(tǒng)，功率變換系統(tǒng)包括DC-DC功率變換器(圖1中沒(méi)有顯示)。功率傳輸系統(tǒng)100進(jìn)一步包括DC電纜108，DC電纜108包括多個(gè)分段，并被配置成將來(lái)自功率源102的功率運(yùn)送到變電所104。
[0030]圖1的功率傳輸系統(tǒng)100進(jìn)一步包括主開(kāi)關(guān)單元110，主開(kāi)關(guān)單元110電耦連于功率源102和變電所104之間。如本文中使用的詞語(yǔ)“主開(kāi)關(guān)單元”指確定將功率發(fā)送到功率傳輸系統(tǒng)100中的各個(gè)組件(諸如變電所104)的路徑的開(kāi)關(guān)裝置。如圖1中所示，在一些實(shí)施例中，DC電纜108包括第一分段112和第二分段114，使得第一分段112可以將主開(kāi)關(guān)單元110電耦連到變電所104的一端，第二分段114可以將主開(kāi)關(guān)單元110電耦連到同一變電所104的另一端。由此布置形成的網(wǎng)絡(luò)與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)相似。在正常運(yùn)行時(shí)，主開(kāi)關(guān)單元110可以將功率經(jīng)由第一和第二分段112和114中的任何一個(gè)或兩者發(fā)送到變電所104。如本文中使用的詞語(yǔ)“正常運(yùn)行”指功率傳輸系統(tǒng)(諸如100)的運(yùn)行，其中，所有的DC電纜分段都在運(yùn)行。第一和第二分段112和114可以分別地或者組合形成將功率發(fā)送到變電所104的路徑。在此實(shí)施例中，主開(kāi)關(guān)單元110可以在第一分段112中出現(xiàn)故障的情況下將功率經(jīng)由第二分段114發(fā)送到變電所104。類似地，主開(kāi)關(guān)單元110可以在第二分段114中出現(xiàn)故障的情況下將功率經(jīng)由第一分段112發(fā)送到變電所104。
[0031]在圖1的實(shí)施例中，功率傳輸系統(tǒng)100包括電耦連到第一分段112的一對(duì)第一分段開(kāi)關(guān)單元116和118和電耦連到第二分段114的一對(duì)第二分段開(kāi)關(guān)單元120和122。在替代性實(shí)施例(未顯示)中，功率傳輸系統(tǒng)100可以包括電耦連到第一分段112的單個(gè)分段開(kāi)關(guān)單元和電耦連到第二分段114的單個(gè)分段開(kāi)關(guān)單元。如本文中使用的詞語(yǔ)“分段開(kāi)關(guān)單元”指被配置成將其相應(yīng)的分段電耦連到功率傳輸系統(tǒng)(諸如100)/將其相應(yīng)的分段從功率傳輸系統(tǒng)(諸如100)電去耦連的開(kāi)關(guān)裝置。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中