CN101366157A - 电力传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用高压直流电技术向水下系统(130)、例如模块化海底处理系统(300)远距离供电的电力传输系统(100)。该系统(100)包含主站(110)、遥控电力变换设施(120)和连接至水下系统(130)的集成化供给脐带缆线(150)。主站(110)通过海底电缆(140)向距离主站(110)大于100公里的遥控电力变换设施(120)传输直流电。之后，包括直流－交流变换器(123)、变压器(122)和本地控制站(121)的遥控电力变换设施(120)将直流电变换成水下系统(130)所需要的交流电。向水下系统(130)输电的操作通过主站(110)的主控制站(111)和/或遥控电力变换设施(120)的本地控制站(121)来监测和控制。有利地，电力可以被提供给距离电源100公里的水下系统(130)。此外，水下系统(130)和传输的电力可以被远程监测和遥控。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力传输系统，尤其涉及一种利用高压直流电(HVDC)技术向水下系统和装置、例如模块化海底处理系统输电的电力传输系统。
背景技术
高压直流电(High Voltage Direct Current，HVDC)是一种输电技术，其中电力在传输端由交流电(AC)变换为直流电(DC)，在接收端由直流电变回到交流电。高压直流电技术是解决远距离(大于100公里)传输交流电电力的一种方法，在该远距离下，由于过度电力损耗，直接传输交流电是不可行的。此外，高压直流电技术允许在不同步的交流配电系统之间进行电力传输。因此，通过防止连锁故障从较为宽广的输电网的一部分传输到另一部分时蔓延，高压直流电增加了系统的稳定性，同时允许如果发生较小故障时电力仍然可以被输入或输出。
自从1954年瑞典首次工业安装高压直流电以来，大量高压直流电传输系统已在世界范围内被安装。在巴西伊泰普(Itaipu)，选择高压直流电从伊泰普水电站向巴西工业中心圣保罗(Sao Paulo)的交流配电网络提供总额定功率为6300兆瓦的电力。伊泰普高压直流电传输由两个双极直流输电线构成，其将电压为500千伏的直流电传输800公里到达圣保罗，到达后被变回到交流电以适应巴西电网。高压直流电系统的另一个例子是菲律宾的莱特岛-吕宋岛工程(Leyte-Luzon Project)，其将电力从莱特岛的地热电厂传输到吕宋岛的南部，以便供应在马尼拉(Manila)地区内已有的交流配电网。在燃油和燃气工业中，高压直流电被用于从大陆电力资源或海上平台向其他海上平台供电。
对于海底系统，现有的传统海底系统由电动液压系统提供动力和控制。这些传统的海底系统具有离开距离的限制，同时，压力损耗和响应时间随着连接海底系统和主系统或海上平台的脐带缆线的长度成比例地增加。因此，对于由电力供电和控制的海底系统有一个转换。已经实施了多种不同的方法来供应所有的海底电力系统；然而，所有这些方法都具有技术局限性。
在一种方法中，利用交流电力传输向海底系统供电，可是这些交流电压传输受适当估价的水下连接器的可获得性的限制。因此，这实际上就将海底交流电力传输的离开距离限制在大约80公里左右。
在另一种方法中，直流电力传输被例如卡梅伦直流(Cameron DCTM)的解决方案所使用，该方案适合低功率应用。而且，电力浮标被用于自发电以向海底系统供电。除了集成于电力浮标上的控制、通信和化学注射设备之外，这些电力标浮还包括柴油发电机和柴油储油箱。然而，集成于电力浮标上的所有设备需要定期维护，并因此导致需要接近电力浮标及其内部和周围的设备来进行维护。接近浮标和维护活动取决于天气，因为这仅仅在风平浪静的天气下才能进行。
燃气轮机也已经作为电力浮标中的柴油发电机的一个替代物而被引入。燃气轮机能够通过源自海底系统的小型管道供给燃油，因此不再需要电力浮标中的储油箱，也消除了补给燃料的需要。可是，燃气轮机比柴油发电机需要更多的维护。
可选地，经远距离传输的直流电的变换可以通过在海底层设置直流-交流变换器和变压器来完成。因为大尺寸的设备需要装入到1巴(bar)的环境中，所以就出现问题了。此外，直流电向交流电的变换引起设备散热，因此还需要制冷装置来防止设备过热。因为电力设备位于水下，需要大量的湿式耦合连接，这将对电力传输系统的可靠性产生不利影响。
因此，仍需要向水下系统、例如模块化海底处理系统进行远距离输电的技术。此外，还需要提供不需频繁维护的输电装置。
发明内容
本发明公开了一种电力传输系统，该系统利用高压直流电技术向至少一个水下系统输电。该系统包含直流电发电系统，该直流电发电系统连接至外部电源将交流电变换为直流电；管道，其将直流电传输至设置于水上的直流-交流变换器；和一个变压器，该变压器连接至直流-交流变换器。此外，该系统的特征在于该直流-交流变换器和变压器连接至本地控制站；其中该直流-交流变换器、变压器和本地控制站设置在遥控电力变换设施中；且其中连接至少一个脐带缆线以从遥控电力变换设施向至少一个水下系统传输交流电；且其中本地控制站被设置成监测和控制从直流电发电系统输出的直流电，通过至少一个脐带缆线监测和控制至少一个水下系统，传输和/或接收来自主控制站的数据，并传输和/或接收来自至少一个水下系统的数据。
本发明的另一方面，提供了一种利用高压直流电技术向至少一个模块化海底处理系统输电的电力传输系统。该系统包括直流电发电系统，该直流电发电系统连接至外部电源将交流电变换为直流电；管道，其将直流电传输至设置于水上的直流-交流变换器；和一个变压器，该变压器连接至直流-交流变换器。此外，该系统的特征在于该直流-交流变换器和变压器连接至本地控制站；其中该直流-交流变换器、变压器和本地控制站设置在遥控电力变换设施中；且其中连接至少一个脐带缆线以从遥控电力变换设施向至少一个模块化海底处理系统传输交流电；且其中本地控制站被设置成监测和控制从直流电发电系统输出的直流电，通过至少一个脐带缆线监测和控制至少一个模块化海底处理系统，传输和/或接收来自主控制站的数据，并传输和/或接收来自至少一个模块化海底处理系统的数据。
还提供了一种利用根据本发明的电力传输系统向至少一个水下系统输电的方法。该方法包含以下步骤：通过直流电发电系统产生直流电；向遥控电力变换设施传输直流电；接收从直流电发电系统输出的直流电并将直流电变换为交流电；通过至少一个脐带缆线向至少一个水下系统传输交流电。
还提供了一种利用根据本发明的电力传输系统向至少一个模块化海底处理系统输电的方法。该方法包含以下步骤：通过直流电发电系统产生直流电；向遥控电力变换设施传输直流电；接收从直流电发电系统输出的直流电并将直流电变换为交流电；通过至少一个脐带缆线向至少一个模块化海底处理系统传输交流电。
其他特征是所公开的本发明和装置所固有的，或者，对于本领域的技术人员来说从以下对实施例及其附图的详细描述中这些特征将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的电力传输系统的图示。
图2是根据本发明的电力传输系统的方框图。
图3是根据本发明的适于控制电子-机械水下系统的电力传输系统的方框图。
图4是适用于模块化海底处理系统的电力传输系统的图示。
图5是模块化海底处理系统的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图对本发明的最佳实施例进行说明。在以下说明中，未详细描述公知的功能或结构，因为多余细节将会使说明书变得不清楚。
首先参照图1，图1表示根据本发明的某些实施例设置以实现其原理的电力传输系统100。该电力传输系统100被安装以向水下系统130、例如模块化海底处理系统供电。电力从海上平台经过大于100公里的距离被供应给水下系统130。该电力传输系统100包括主站110，遥控电力变换设施120和集成化供给脐带缆线(Integrated Services Umbilical，或称为ISU)150。主站110通过海底电缆140向遥控电力变换设施120传输直流电。电缆140的芯线被设计为在直流电传输过程中最好地减少电力损耗，而电缆绝缘能够经受水下环境。在系统100内从交流电向直流电的变换(由直流电发电系统112提供)以及从直流电向交流电的变换(由直流-交流变换器123提供)利用普通换相换流器(CommutatedConverter)、电容换相换流器(Capacitor Commutated Converte)、电压源型换流器(Voltage Source Converter)或任何其他能够达到交—直流变换和直—交流变换目的的装置。
图2表示根据本发明的电力传输系统100的方框图。设置于海上平台的主站110包括主控制站(或称为MCS)111和直流电发电系统112。主控制站111是监测和控制站，它作为与位于遥控电力变换设施120中的本地控制站(或称为LCS)121进行通信的装置。主控制站111和本地控制站121之间的通信是通过通信链接实现的，上述通信链接包括卫星通信、视线(line-of-sight)、高频无线电通信系统或任何其他通信链接技术。主控制站111连接至直流电发电系统112以便获得用于沿着直流电线向遥控电力变换设施120输送的所需直流电。如果检测到遥控电力变换设施120有故障，本地控制站121就将该故障信息传送给主控制站111。之后，主控制站111将基于接收到的信息采取必要的措施；这个措施可以包括通过关闭或暂停直流电发电系统112来停止向遥控电力变换设施120输电。主控制站111还可以连接至另一个监测系统(图中未示)、例如移动计算机，以便于远程监测和遥控向水下系统130的电力传输。
主站110的直流电发电系统112是通过直流发电机或通过变换来自另一个交流电源的交流电而产生直流电的地方。而且，直流电发电系统112包含交流滤波器(未示)和保护装置或系统(未示)、例如断路器、电涌抑制器和/或电弧故障检测器。从直流电发电系统112产生的直流电含有很多谐波，因此设置直流滤波器以便将谐波的量限制在一个可以接受的水平上。直流电从直流电发电系统112通过海底电缆140被传输至遥控电力变换设施120。
遥控电力变换设施120包括本地控制站(或称为LCS)121、变压器122、直流-交流变换器123和化学物质贮存系统124。优选地，遥控电力变换设施120是一个遥控浮标，不过，根据水位的深度和主要的天气情况，遥控浮标也可以用小型设备平台或轻量构造或船舶来代替。本地控制站121通过集成化供给脐带缆线(或称为ISU)150搜集来自变压器122、直流-交流变换器123、化学物质贮存系统124和水下系统130的数据。之后，本地控制站121通过通信链接将数据转送至主控制站111。这是为了监测遥控电力变换设施120中的设备的状况和性能，并检查收自主站110的电力的状况。此外，本地控制站121可以从主控制站111遥控，以便设定变压器122或暂停向水下系统130输电。
直流电从直流电发电系统112传输至遥控电力变换设施120中的直流-交流变换器123。直流-交流变换器123被设计为将来自主站110的直流电变换为水下系统130所需要的交流电。可以用于系统中的这种变换器123包括晶闸管阀、电压源型变换器或任何其他能够将直流电变换为交流电的装置。变换器123还包括电滤波器(未示)以便清除变换所得的交流电线中的不必要的干扰。例如，交流滤波器作为分流元件被安装在变换器中以将谐波量限制到所需的水平。集成于遥控电力变换设施120中的变压器122能够使变压到达最佳。而且，变压器122通过本地控制站121监测，并通过集成化供给脐带缆线150连接至水下系统130。
化学物质贮存系统124由贮存所必需的设备构成并以必要的量向水下系统130传送所需化学物质。化学物质通过集成化供给脐带缆线150传送至水下系统130。集成化供给脐带缆线150连接至水下系统130以提供必要的交流电和化学物质。集成化供给脐带缆线150还包括连接至本地控制站121的控制线。该控制线用于通过本地控制站121和主控制站111的通信链接在水下系统130和主控制站111之间运载信息。
图3是根据本发明的用于包括电动机装置的水下系统130的电力传输系统200的方框图。在此及权利要求中所述的“电动机”应该被广义地解释为包括阀、泵或促动器的任何电子-机械装置或系统。感应电动机的速度可以通过调制传送至其的交流电的频率来控制。这可以通过利用变频驱动器来实现。在图3所示的系统中，变频驱动器125连接至变压器122。变频驱动器125用于向感应电动机提供交流电，借此变频驱动器125可以控制和改变电动机的速度。例如，通过变频驱动器125向电动机供应50赫兹的交流电使得电动机以每分钟3000转的速度转动，而供应200赫兹的交流电就使得电动机以每分钟12000转的速度转动。因此，电动机的转速取决于传输至电动机的交流电的频率。
参照附图4，其表示设置成向模块化海底处理系统300输电的根据本发明的电力传输系统。模块化海底处理系统300通过水下流路301连接至井302，其从海底油/气田移动包含水和油/气的液体混合物。模块化海底处理系统300包含基础系统，对接单元或多头导管303接合在基础系统上。
参照图5，其表示集成于模块化海底处理系统300的系统模块310的示意图。系统模块310包含控制器单元311、阀312、温度传感器(313)、压力传感器314和增压泵315。控制器单元311搜集来自压力传感器314和温度传感器313的信息，之后将信息通过通信链接传输至与主控制站111连接的本地控制站121。控制器单元311还可以被主控制站111和/或本地控制站121控制，以改编程序或关闭模块化海底处理系统300，其在正常工作时可以自主运行。控制器单元311还连接至多个阀312以控制从井流出通过对接单元或多头导管303进入模块化海底处理系统300的系统模块310的液体的混合。
增压泵315设置成将液体从井302泵向互联管路或其他系统模块。增压泵315由高压电源供电，其连接至集成化供给脐带缆线150且交流电的频率相应地调整以控制增压泵。交流电通过图3中所示的变频驱动器125来调整。因此，为了使模块化海底处理系统300发挥功能，需要将交流电供应给控制器单元311、增压泵315和其他集成于模块化海底处理系统300的用电装置。作为正常工作的部分或作为有计划或无计划的关闭的结果，化学物质也可以从遥控电力变换设施120的化学物质贮存系统124注入到模块化海底处理系统300，以防止不必要的化学反应、例如水合物生成、石蜡沉积和腐蚀。
尽管在优选实施例中描述了海上平台的电源连接于遥控电力变换设施120进而连接于水下系统130，但主站110发出的电力还可以被传输至多个遥控电力变换设施120并/或从遥控电力变换设施120传输至多个水下系统130。向多个遥控电力变换设施120和水下系统130输电取决于电源能够提供的额定功率。前述主站110还可以位于陆上位置而不是海上平台。有利地，电力传输系统需要较少的维护时间并可遥控监测。
尽管本发明的实施例已经被阐明和描述，但并不意味着这些实施例阐明和描述出了本发明所有可能的形式。确切地说，说明书中所用的词汇是描述性的而不是限制性的，并在不背离本发明的精神和保护范围的条件下可以作出各种改变。
Claims (36)
1.一种利用高压直流电技术向至少一个水下系统输电的电力传输系统(100)，包含：
a.直流电发电系统(112)，该直流电发电系统(112)连接至外部电源以将交流电变换为直流电；
b.管道(140)，其将直流电传输至设置于水上的直流-交流变换器(123)；及
c.变压器(122)，该变压器(122)连接至直流-交流变换器(123)；
其特征在于，该直流-交流变换器(123)和该变压器(122)连接至本地控制站(121)；
且该直流-交流变换器(123)、变压器(122)和本地控制站(121)设置在遥控电力变换设施(120)中；
且连接至少一个脐带缆线(150)，以从遥控电力变换设施(120)向至少一个水下系统(130)传输交流电；
且该本地控制站(121)设置成：
a.监测和控制直流电发电系统(112)输出的直流电，
b.通过至少一个脐带缆线(150)监测和控制至少一个水下系统(130)，
c.向主控制站(111)传输数据和/或从主控制站(111)接收数据，及
d.向至少一个水下系统(130)传输数据和/或从至少一个水下系统(130)接收数据。
2.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该直流电发电系统(112)包括发电机，以在缺乏外部电源时自发直流电。
3.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该直流电发电系统(112)连接至主控制站(111)，其中该主控制站(111)设置成：
a.监测和控制直流电发电系统(112)产生的直流电；
b.监测和控制传输至至少一个水下系统(130)的电力；及
c.监测和控制至少一个水下系统(130)。
4.根据权利要求3所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该主控制站(111)通过通信链接连接至遥控电力变换设施(120)的本地控制站(121)。
5.根据权利要求3所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该主控制站(111)通过通信链接连接至监测系统。
6.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该本地控制站(121)进一步设置成监测变压器(122)和直流-交流变换器(123)的性能和状况。
7.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)进一步包括化学物质贮存系统(124)，该化学物质贮存系统(124)为至少一个水下系统(130)贮存化学物质。
8.根据权利要求7所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该化学物质贮存系统(124)通过本地控制站(121)和/或主控制站(111)控制。
9.根据权利要求7所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该至少一个脐带缆线(150)设置成向至少一个水下系统(130)传输化学物质贮存系统(124)中的化学物质。
10.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)是遥控浮标。
11.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)是轻量构造。
12.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)是轻量船舶。
13.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该至少一个脐带缆线(150)包括多个控制线，该控制线用于在至少一个水下系统(130)和遥控电力变换设施(120)之间传递数据。
14.根据权利要求1所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)包括变频驱动器(125)，该变频驱动器(125)连接至变压器(122)以控制至少一个水下系统(130)的至少一个电子-机械系统。
15.一种利用高压直流电技术向至少一个模块化海底处理系统(300)输电的电力传输系统(100)，包含：
a.直流电发电系统(112)，该直流电发电系统(112)连接至外部电源以将交流电变换为直流电；
b.管道(140)，其将直流电传输至直流-交流变换器(123)；及
c.变压器(122)，该变压器(122)连接至直流-交流变换器(123)；
其特征在于，该直流-交流变换器(123)和该变压器(122)连接至本地控制站(121)；
且该直流-交流变换器(123)、变压器(122)和本地控制站(121)设置在遥控电力变换设施(120)中；
且连接至少一个脐带缆线(150)，以从遥控电力变换设施(120)向至少一个模块化海底处理系统(300)传输交流电；
且该本地控制站(121)设置成：
a.监测和控制直流电发电系统(112)输出的直流电，
b.通过至少一个脐带缆线(150)监测和控制至少一个模块化海底处理系统(300)，
c.向主控制站(111)传输数据和/或从主控制站(111)接收数据，及
d.向至少一个模块化海底处理系统(300)传输数据和/或从至少一个模块化海底处理系统(300)接收数据。
16.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该直流电发电系统(112)包括发电机，以在缺乏外部电源时自发直流电。
17.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该直流电发电系统(112)连接至主控制站(111)，其中该主控制站(111)设置成：
a.监测和控制直流电发电系统(112)产生的直流电；
b.监测和控制传输至至少一个模块化海底处理系统(300)的电力；及
c.监测和控制至少一个模块化海底处理系统(300)。
18.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该主控制站(111)通过通信链接连接至遥控电力变换设施(120)的本地控制站(121)。
19.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该主控制站(111)通过通信链接连接至监测系统。
20.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该本地控制站(121)进一步设置成监测变压器(122)和直流-交流变换器(123)的性能和状况。
21.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)进一步包括化学物质贮存系统(124)，该化学物质贮存系统(124)为至少一个模块化海底处理系统(300)贮存化学物质。
22.根据权利要求21所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该化学物质贮存系统(124)通过本地控制站(121)和/或主控制站(111)控制。
23.根据权利要求21所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该至少一个脐带缆线(150)设置成向至少一个模块化海底处理系统(300)传输化学物质贮存系统(124)中的化学物质。
24.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)是遥控浮标。
25.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)是轻量构造。
26.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)是轻量船舶。
27.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该至少一个脐带缆线(150)包括多个控制线，该多个控制线用于在至少一个模块化海底处理系统(300)和遥控电力变换设施(120)之间传递数据。
28.根据权利要求15所述的一种电力传输系统(100)，其特征在于该遥控电力变换设施(120)包括变频驱动器(125)，该变频驱动器(125)连接至变压器(122)以控制至少一个模块化海底处理系统(300)的至少一个电子-机械系统。
29.一种利用如权利要求1至14所述的电力传输系统(100)向至少一个水下系统(130)输电的方法，包含以下步骤：
a.将接收自外部电源的交流电变换为直流电或通过直流电发电系统(112)产生直流电；
b.向遥控电力变换设施(120)传输直流电；
c.接收直流电发电系统(112)输出的直流电并将直流电变换为交流电；及
d.通过至少一个脐带缆线(150)向至少一个水下系统(130)传输交流电。
30.根据权利要求29所述的向至少一个水下系统(130)输电的方法，其特征在于直流电的产生由主控制站(111)监测和控制。
31.根据权利要求29所述的向至少一个水下系统(130)输电的方法，其特征在于从直流电向交流电的变换由本地控制站(121)监测和控制。
32.根据权利要求29所述的向至少一个水下系统(130)输电的方法，其特征在于从直流电向交流电的变换包括调整交流电的频率以控制至少一个水下系统(130)。
33.一种利用如权利要求15至28所述的电力传输系统(100)向至少一个模块化海底处理系统(300)输电的方法，包含以下步骤：
a.将接收自外部电源的交流电变换为直流电或通过直流电发电系统(112)产生直流电；
b.向遥控电力变换设施(120)传输直流电；
c.接收直流电发电系统(112)输出的直流电并将直流电变换为交流电；及
d.通过至少一个脐带缆线(150)向至少一个模块化海底处理系统(300)传输交流电。
34.根据权利要求33所述的向至少一个模块化海底处理系统(300)输电的方法，其特征在于直流电的产生由主控制站(111)监测和控制。
35.根据权利要求33所述的向至少一个模块化海底处理系统(300)输电的方法，其特征在于从直流电向交流电的变换由本地控制站(121)监测和控制。
36.根据权利要求33所述的向至少一个模块化海底处理系统(300)输电的方法，其特征在于从直流电向交流电的变换包括调整交流电的频率以控制至少一个模块化海底处理系统(300)。
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