NO312080B1

NO312080B1 - Electric power distribution system

Info

Publication number: NO312080B1
Application number: NO20002284A
Authority: NO
Inventors: Ole Johan Bjerknes; Roger Haarvik
Original assignee: Aker Eng As
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2002-03-11
Also published as: AU5894801A; NO20002284D0; WO2001084689A1; NO20002284L

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et arrangement for DC-effektdistribusjon spesielt til bruk i undersjøiske og offshore omgivelser. The present invention relates to an arrangement for DC power distribution especially for use in underwater and offshore environments.

Oppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

"Direkte høyspentstrøm" (HVDC - High voltage Direct Cur-rent) er i dag en velprøvd teknologi som benyttes for ef-fekttransmisjon i hele verden. HVDC-teknologien brukes for "Direct high voltage direct current" (HVDC - High voltage Direct Current) is today a proven technology that is used for power transmission all over the world. The HVDC technology is used for

å transmittere elektrisitet over lange avstander med luft-transmisjonslinjer eller undervannskabler. Grunnen til at AC-transmisjon ikke er å foretrekke er av både økonomisk og teknisk art. to transmit electricity over long distances with overhead transmission lines or underwater cables. The reason why AC transmission is not preferable is both economic and technical.

Det finnes to forskjellige kategorier av høyeffekts HVDC-transmisj oner: There are two different categories of high power HVDC transmissions:

1. strømkildeinvertere 1. power source inverters

2. spenningskildeinvertere 2. voltage source inverters

De fleste bemyndigede HVDC-prosjektene er av den første kategorien, men den har noen iboende svakheter som til en viss grad begrenser bruken av HVDC. Fordi likerettere og invertere typisk er laget av thyristorer, må man stole på Most of the mandated HVDC projects are of the first category, but it has some inherent weaknesses that limit the use of HVDC to some extent. Because rectifiers and inverters are typically made of thyristors, they must be trusted

at forsyningsnettet er i stand til å skru av thyristorene. Dette gjør det umulig å ha flere utganger fra DC-transmisjonen. Dette gjør det også nødvendig for synkronmaskiner å kontrollere frekvensen i forsyningsnettet. that the supply network is capable of turning off the thyristors. This makes it impossible to have multiple outputs from the DC transmission. This also makes it necessary for synchronous machines to control the frequency in the supply network.

Det er også kommersielt tilgjengelige teknologityper for den andre kategorien. Likeretteren og inverteren er typisk laget av transistorer som kan skru på og av strømmen uavhengig av forsyningsnettet. Dette gjør det mulig å benytte flere innganger og utganger koblet til DC-transmisjonen, og å lage et flerterminals forsyningsnett. Det eliminerer også nødvendigheten av synkronmaskiner i forsyningsnettet. There are also commercially available technology types for the second category. The rectifier and inverter are typically made of transistors that can switch the power on and off independently of the supply network. This makes it possible to use several inputs and outputs connected to the DC transmission, and to create a multi-terminal supply network. It also eliminates the need for synchronous machines in the supply network.

Når en offshoreinstallasjon eller en undersjøisk installa-sjon forsynes med effekt fra land er det avgjørende å unngå å måtte benytte synkronmaskiner på offshoreinstallasjonen, og det er også avgjørende å minimalisere volumet og vekten til offshoreutstyret. When an offshore installation or an underwater installation is supplied with power from land, it is crucial to avoid having to use synchronous machines on the offshore installation, and it is also crucial to minimize the volume and weight of the offshore equipment.

Den foreliggende oppfinnelse omarbeider eksisterende spen-ningskildeinverterteknologi (VSI-teknologi) for å unngå offshore transformatorer, noe som reduserer isolasjonsnivå-et for igjen å redusere inverternes størrelse samtidig som man fortsatt får en høy DC-spenning for transmisjon fra fastlandet og minimalisere transmisjonskablenes størrelse. The present invention reworks existing voltage source inverter technology (VSI technology) to avoid offshore transformers, which reduces the level of insulation to again reduce the size of the inverters while still obtaining a high DC voltage for transmission from the mainland and minimizing the size of the transmission cables.

Kort oppsummering av oppfinnelsen Brief summary of the invention

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et arrangement som eliminerer ulempene beskrevet ovenfor. Et spesielt formål ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et arrangement som har færre begrensninger i forhold til kabellengden i et distribusjonsnett. Et ytterligere formål ved den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et arrangement uten behov for mange store transformatorer. Generelt forsøker den foreliggende oppfinnelse å redusere antall, størrelse og vekt for alle komponenter i et effektdistribusjonsnett. The purpose of the present invention is to provide an arrangement which eliminates the disadvantages described above. A particular purpose of the present invention is to provide an arrangement which has fewer restrictions in relation to the cable length in a distribution network. A further object of the present invention is to provide an arrangement without the need for many large transformers. In general, the present invention attempts to reduce the number, size and weight of all components in a power distribution network.

For oppfinnelsens karakteristiske trekk, henvises det til de vedlagte krav. For the characteristic features of the invention, reference is made to the attached claims.

I en foretrukket utførelse av arrangementet, består gren-sesnittet til fastlandseffektforsyningsnettet eller det lokale effektforsyningsnett av to tre-kjerne transformatorer. Hver av transformatorene er koblet til en likeretterbro. Kabler eller transmisjonslinjer vil distribuere DC-effekten. Kabel kan bli den vanligste distribusjonskanalen. Kanalen termineres ved en eller flere lokasjoner hvor spenningskildeinverterne genererer AC-spenningskilder som kan forsyne individuelle konsumenter eller et effektforsynings-system. In a preferred embodiment of the arrangement, the branch section to the mainland power supply network or the local power supply network consists of two three-core transformers. Each of the transformers is connected to a rectifier bridge. Cables or transmission lines will distribute the DC power. Cable may become the most common distribution channel. The channel is terminated at one or more locations where the voltage source inverters generate AC voltage sources that can supply individual consumers or a power supply system.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

For at oppfinnelsen skal kunne forstås bedre vil utførelsen In order for the invention to be better understood, the execution will

i det følgende bli beskrevet i nærmere detalj med henvis-ning til de vedlagte tegninger. in what follows will be described in more detail with reference to the attached drawings.

Tegningene viser prinsippene for et DC-ef f ektdistribusj onssystem som består av to elektriske poler: "+" og "-" med en nøytral leder som kan være jordet for isolasjonsnivåkontroll. The drawings show the principles of a DC power distribution system consisting of two electrical poles: "+" and "-" with a neutral conductor which may be grounded for insulation level control.

Figur 1 viser det generelle prinsipp for et elektrisk effektsystem i henhold til den foreliggende oppfinnelse, Figure 1 shows the general principle of an electrical power system according to the present invention,

figur 2 demonstrerer en ytterligere konfigurasjon av effektsystemet, og Figure 2 demonstrates a further configuration of the power system, and

figur 3 viser kretsdiagrammet som omfatter de elektroniske effektkomponenter. figure 3 shows the circuit diagram which includes the electronic power components.

Beskrivelse av en foretrukket utførelse Description of a preferred embodiment

Systemet som presenteres i figur 1 omfatter to tre-kjerne transformatorer (1). Primærviklingene til de to parallelle transformatorene (2) kan være skiftet +7,5 elektriske grader for å gjøre at de to 12-puls inverterbroene (3) fungerer som 24-puls likerettere. På denne måten genererer DC-ef f ektdistribusj onssystemet svært små mengder harmonisk forvrengning inn i det lokale fastlandsforsyningsnett. Dette er spesielt viktig hvis effekten forsynes fra et effektforsyningsnett med lokal generering som for en offshore olje- og gassplattform. Dette vil begrense nødvendigheten av harmoniske filtre som øker kostnad, vekt og behov for plass på plattformen. The system presented in Figure 1 comprises two three-core transformers (1). The primary windings of the two parallel transformers (2) can be shifted +7.5 electrical degrees to make the two 12-pulse inverter bridges (3) function as 24-pulse rectifiers. In this way, the DC power distribution system generates very small amounts of harmonic distortion into the local mainland supply grid. This is particularly important if the power is supplied from a power supply network with local generation such as for an offshore oil and gas platform. This will limit the need for harmonic filters which increase cost, weight and the need for space on the platform.

Videre er hver tre-kjerne transformator (1) koblet til en likeretterbro (3). Likeretterne fungerer som klassiske tre-fasediodebrolikerettere, men de er forelått å være imple-mentert med thyristorer. Thyristorene opererer som brytere som er i stand til å isolere distribusjonssystemet fra forsyningsnettet raskere enn en kretsbryter. De kan også styre den initielle oppladningen av DC-kanalen ved å redusere negative effekter på interne komponenter og forsyningsnett. Likeretterbroene er koblet i serie for å øke distribusjonsspenningen som vist i figur 3 (3) . Det serielle sammenkoblingspunkt mellom de to transformatorene og likeretterne er motstandsjordet for å kontrollere isolasjonsspenningsnivået i kanalen for DC-ef f ektdistribusj on . Furthermore, each three-core transformer (1) is connected to a rectifier bridge (3). The rectifiers function as classic three-phase diode bridge rectifiers, but they are permitted to be implemented with thyristors. The thyristors operate as switches capable of isolating the distribution system from the supply network faster than a circuit breaker. They can also control the initial charging of the DC channel by reducing negative effects on internal components and supply networks. The rectifier bridges are connected in series to increase the distribution voltage as shown in Figure 3 (3). The serial connection point between the two transformers and rectifiers is resistance grounded to control the insulation voltage level in the channel for DC power distribution.

Distribusjonskanalen (4), som distribuerer DC-effekten fra likeretterbroen, er trefaselinjer eller kabler koblet til den positive fase (5), negative fase (6) og den motstands-jordede nøytrale fase (7) til likeretterbroene. Det bør be-merkes at det i denne kontekst, og i det følgende, brukes uttrykket "fase" i betydningen av elektriske poler. I nor-mal bruk går strømmen hovedsakelig i den positive og den negative fase av distribusjonskanalen. Hvis kretsen ikke er belastet symmetrisk, går den usymmetriske del av strømmen i den "nøytrale" fase som er terminert ved det motstandsjor-dede serielle koblingspunkt. Hvis feil oppstår i en av likeretterbroene eller i en av kabelkjernene som er koblet til den positive eller negative fase, kan den feilinfiserte halvdelen av distribusjonssystemet slås av ved hjelp av thyristorene uten å påvirke den andre halvdel. Dette gjør at den maksimalt tilgjengelige effekt reduseres til det halve, og konsumentene som er koblet til den feilinfiserte halvdel vil miste sin effektforsyning. The distribution channel (4), which distributes the DC power from the rectifier bridge, is three-phase lines or cables connected to the positive phase (5), negative phase (6) and the resistance-grounded neutral phase (7) of the rectifier bridges. It should be noted that in this context, and in what follows, the term "phase" is used in the sense of electrical poles. In normal use, current flows mainly in the positive and negative phases of the distribution channel. If the circuit is not loaded symmetrically, the unsymmetrical part of the current flows in the "neutral" phase which is terminated at the resistance-grounded serial connection point. If faults occur in one of the rectifier bridges or in one of the cable cores connected to the positive or negative phase, the fault-infected half of the distribution system can be switched off by means of the thyristors without affecting the other half. This means that the maximum available power is reduced by half, and the consumers connected to the faulty half will lose their power supply.

I tilfelle med undersjøisk effektdistribusjonssystem, kan kablene være koblet til de individuelle undersjøiske modu-ler ved hjelp av våtkoblinger (8). Våtkoblinger er kommersielt tilgjengelig for 11 kV AC-spenning, og vil om kort tid være tilgjengelig for 36 kV. Det forutsettes at noen av disse koblingene også kan benyttes for DC-spenninger etter en lastreduksjon (de-rating). In the case of a subsea power distribution system, the cables can be connected to the individual subsea modules by means of wet connectors (8). Wet connectors are commercially available for 11 kV AC voltage, and will shortly be available for 36 kV. It is assumed that some of these connections can also be used for DC voltages after a load reduction (de-rating).

Til slutt termineres distribusjonskanalen ved en eller flere lokasjoner, hvor spenningskildeinverterne (9) genererer AC-spenningskilder som kan forsyne individuelle konsumenter (10) eller et AC-effektdistribusjonssystem. Den valgte DC til AC inverterteknologi er en spenningskildeinvertertekno-logi som benytter halvlederbrytere som i IGBT-transistorer (Insulate Gate Bipolar Transistorer), GTO-thyristorer (Gate Turn Off thyristors), eller IGCT-thyristorer (Integrated Gate Communitated Thyristors). Disse halvlederne er godt kjent i industrien, og er derfor ikke beskrevet her. VSI genererer pulsbreddemodulert AC-spenning til en AC-motor eller AC-effektdistribusjonssystem fra den kondensator-støttede DC-link. IGBT-teknologien er antagelig det natur-lige valg. VSI-teknologien gjør at flere konsumenter kan være uavhengig koblet til DC-linken. Dette gjør det igjen enkelt å koble effektkanalene til flere lokasjoner med flere konsumenter. Nåværende kommersielt tilgjengelige tekno-logier for DC og AC invertere er fra 0 til 6 kV. For å gjø-re det mulig å overføre DC-effekt ved høyere spenninger, er DC-linkene til to invertere koblet i serie for å utgjøre et drivorgan. Drivorganet er koblet mellom enten den positive fase (5) og jord (7) eller den negative fase (6) og jord/nøytral (7). Finally, the distribution channel is terminated at one or more locations, where the voltage source inverters (9) generate AC voltage sources that can supply individual consumers (10) or an AC power distribution system. The chosen DC to AC inverter technology is a voltage source inverter technology that uses semiconductor switches as in IGBT transistors (Insulate Gate Bipolar Transistors), GTO thyristors (Gate Turn Off thyristors), or IGCT thyristors (Integrated Gate Communitated Thyristors). These semiconductors are well known in the industry, and are therefore not described here. The VSI generates pulse-width modulated AC voltage to an AC motor or AC power distribution system from the capacitor-backed DC link. IGBT technology is probably the natural choice. The VSI technology means that several consumers can be independently connected to the DC link. This again makes it easy to connect the effect channels to several locations with several consumers. Current commercially available technologies for DC and AC inverters are from 0 to 6 kV. To make it possible to transmit DC power at higher voltages, the DC links of two inverters are connected in series to form a drive. The actuator is connected between either the positive phase (5) and earth (7) or the negative phase (6) and earth/neutral (7).

For å kunne forsyne store individuelle konsumenter som kre-ver elektriske motorer, er AC-kortslutningsmotorene bygget med dobbelt sett med elektriske tre-fasestatorviklinger. De to seriekoblede inverterne forsyner en av de to tre-fase-viklingene til AC-motoren hver, se figur 1 og 3. In order to supply large individual consumers who require electric motors, the AC short-circuit motors are built with double sets of electric three-phase stator windings. The two series-connected inverters supply one of the two three-phase windings of the AC motor each, see figures 1 and 3.

Det er flere scenarioer for bruksområdet til denne teknolo-giløsning. De mest sannsynlige tilfellene er kanskje i olje- og gassindustrien som plattformforsyning eller under-sjøisk effektforsyning. There are several scenarios for the application area of this technological solution. The most likely cases are perhaps in the oil and gas industry such as platform supply or subsea power supply.

Eksempler på anvendelsesområder: Examples of areas of application:

a) En enkelt offshoreinstallasjon kan forsynes med DC- ■v w a) A single offshore installation can be supplied with DC ■v w

effekt fra fastlandet og/eller annen offshorein-stallasj on. effect from the mainland and/or other offshore installation.

b) Elektriske DC-effektkabler kan sammenkoble flere offshoreinstallasjoner, for dermed å gjøre dem i b) Electrical DC power cables can interconnect several offshore installations, thereby making them i

stand til å kjøpe og selge elektrisk effekt fra hverandre. Forsyningsnettet kan være koblet som et ring eller semi-radielt effektsystem langs off-shoreinstallasjonene for forbedret tilgjengelighet. Forsyningsnettet kan også ha en eller flere forbindelser til fastlandet av de samme grunnene. able to buy and sell electrical power from each other. The supply network can be connected as a ring or semi-radial power system along the offshore installations for improved availability. The supply network may also have one or more connections to the mainland for the same reasons.

c) Undersjøiske installasjoner som inneholder pumper og kompressorer kan forsynes med DC-effekt fra c) Subsea installations containing pumps and compressors can be supplied with DC power from

fastlandet eller fra en offshoreinstallasjon som vist i figur 1. Distribusjonskanalen kan være koblet til et templat og fortsette til det neste. DC-ef f ektsystemet kan innbefatte forbindelser til flere templater. the mainland or from an offshore installation as shown in Figure 1. The distribution channel can be connected to one template and continue to the next. The DC effect system can include connections to several templates.

d) En eller flere øyer kan være forsynt med elektrisk kraft fra fastlandet. Arrangementet med invertere d) One or more islands may be supplied with electricity from the mainland. The arrangement with inverters

vil være ekstra nyttige ved store individuelle for-brukere på øya. will be extra useful for large individual for-users on the island.

Det er ingen ny individuell komponentteknologi i den beskrevne tekniske løsning. Det totale effektdistribusjonssystem er unikt gjennom de seriekoblede spenningskildeinverterne i kombinasjon med et elektrisk to- og tre-viklingsutstyr og hvordan disse benyttes i et fullstendig effektdistribusjonssystem. Denne systemkonfigurasjon er kompatibel med en høyere DC-effekttransmisjonsspenning enn for de forskjellige komponentene alene. There is no new individual component technology in the described technical solution. The total power distribution system is unique through the series-connected voltage source inverters in combination with two- and three-winding electrical equipment and how these are used in a complete power distribution system. This system configuration is compatible with a higher DC power transmission voltage than for the various components alone.

Foreliggende kommersielt tilgjengelige VSD-er har en maksi-mums utgangsspenning på 6 kV. Ligning 1 viser spenningen multiplisert med standardkonverteringsfaktoren 1,34 for konvertering fra AC-spenning til den ekvivalente DC-spenning. Current commercially available VSDs have a maximum output voltage of 6 kV. Equation 1 shows the voltage multiplied by the standard conversion factor of 1.34 for conversion from AC voltage to the equivalent DC voltage.

I henhold til den beskrevne løsning, er de to seriekoblede VSD-er koblet mellom hver fase og jord i distribusjonskanalen. Dette gjør at distribusjonsspenningen mellom fasen og jord er det dobbelte av Udc,vsd i ligning 1, som blir + 16,0 kV. Spenningen mellom de positive og negative faser er da tilnærmet 32 kV. Som et eksempel har en 300 mm<2> undersjøisk tre-kjerne kabel en termisk strømgrense på omtrent 675 A, som gir en maksimal overført effekt som gitt i ligning 2. According to the described solution, the two series-connected VSDs are connected between each phase and earth in the distribution channel. This means that the distribution voltage between the phase and earth is twice Udc,vsd in equation 1, which becomes + 16.0 kV. The voltage between the positive and negative phases is then approximately 32 kV. As an example, a 300 mm<2> submarine three-core cable has a thermal current limit of approximately 675 A, giving a maximum transmitted power as given in Equation 2.

For fremtidige VSD-er, er en utgangsspenning på 11 kV prak-tisk gjennomførbart, siden mye elektrisk utstyr er kommersielt tilgjengelig for dette spenningsnivå. Med et tilnærmet doblet VSD-utgangsspenningsnivå sammenlignet med ligning 1, vil DC-inngangsspenningsnivået for hver VSD også være doblet som gitt i ligning 3. For future VSDs, an output voltage of 11 kV is practically feasible, since much electrical equipment is commercially available for this voltage level. With an approximately doubled VSD output voltage level compared to Equation 1, the DC input voltage level of each VSD will also be doubled as given in Equation 3.

Effektsystemet gir da en DC-distribusjonsspenning omtrent + 30 kV, som igjen gir en spenning mellom de positive og negative faser på 60 kV. Med den samme kabel som i ligning 1 og 2, vil den maksimale overførte effekt være gitt i ligning 4 . The power system then provides a DC distribution voltage of approximately + 30 kV, which in turn provides a voltage between the positive and negative phases of 60 kV. With the same cable as in equations 1 and 2, the maximum transmitted power will be given in equation 4.

Ved å benytte 11 kV VSD-er, kan en total DC-effekt på omtrent 40 MVA overføres gjennom en 300 mm2 tre-kjernekabel eller to 1x300/150 mm<2> koaksial effektkabler. For lange avstander kan det utgjøre store kostnadsbesparelser å minimalisere anskaffelseskostnadene og installasjonskostnadene for distribusjonskabelen(e). Using 11 kV VSDs, a total DC power of approximately 40 MVA can be transmitted through a 300 mm2 three-core cable or two 1x300/150 mm<2> coaxial power cables. For long distances, minimizing the acquisition and installation costs of the distribution cable(s) can result in significant cost savings.

For å forsyne mange konsumenter i et stort forsyningsnett-verk, kan det være kostnadseffektivt å benytte en distribu-sjonskabel som er større enn 300 mm<2> og distribuere enda mer effekt. To supply many consumers in a large supply network, it can be cost-effective to use a distribution cable that is larger than 300 mm<2> and distribute even more power.

Claims

1. Arrangement for power distribution between a primary AC power supply network to a number of consumers, characterized by the specific arrangement of commercially available components with a transformer or a number of transformers in parallel, each connected to a rectifier bridge or similar means, from which power is distributed through one or more DC power distribution channels, terminated with one or more consumers in parallel, where a number of inverters connected in series supply a single consumer.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the inverters are voltage source inverters (VSI - voltage source inverters) such as IGBT transistors (Insulate Gate Bipolar Transistors), GTO thyristors (Gate Turn Off thyristors), or IGCT thyristors (Integrated Gate Communitated Thyristors) .

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that each of the distribution channels contains a positive and a negative phase and ground/neutral.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that. there are two DC to AC inverters connected in series, connected between the distribution channel's positive or negative phase and earth/neutral.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier bridge functions as classic multiphase diode bridge rectifiers.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the rectifier bridges are connected in series.

7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the primary windings of the transformers can be shifted by +7.5 electrical degrees.

8. Arrangement according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the neutral phase is the resistance word.

9. Arrangement according to claim 6, 7 or 8, characterized in that there are two three-core transformers, the rectifier bridges are classic three-phase diode bridge rectifiers and the distribution channel is three-core cables or two coaxial power cables.

10. Arrangement according to one of the preceding requirements, characterized in that the consumer is an AC motor.