CN103427613A - 远程负载旁路系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“远程负载旁路系统”。在如下事件中，负载旁路开关能够实现至远程负载的持续功率：1）一个或多个远程负载故障，或2）dc功率系统内，这些远程负载内的故障。该旁路开关利用dc负载或逆变器的无源组件，并因此减少总组件计数。远程dc系统的自力启动方法使用负载/逆变器内存在的相同无源组件，并且同时使用旁路开关的一些特征功能。旁路模块场使用多个旁路开关，这些旁路开关能够在dc系统中远程定位的一个或多个配电线缆（对远程负载馈电）故障的事件中实现至远程负载的持续功率。

Description

远程负载旁路系统

技术领域

本公开的主题一般涉及控制系统，更具体地来说涉及能够容易地与用于海底应用的模块化堆叠DC（MSDC）拓扑集成的控制系统和控制方法。

背景技术

模块化堆叠DC转换器体系结构较好地适于需要长距离传输和配送的海底应用。不同于其中控制DC传输（链路）电压，即保持几乎常量的其他DC传输选项，在模块化堆叠DC转换器中控制DC传输（链路）电流。MSDC体系结构取名源自以下事实：该体系结构在传输链路的发送端和接收端均使用DC侧上堆叠并串联连接的若干DC-DC/AC-DC/DC-AC转换器模块。

所有海底安装均需要控制系统。海底控制系统可以由数十或数百个低功率耗能装置、例如用于阀门的物理转移的电驱动的传感器。直流电线缆是长距离功率传输的最经济选择，因为DC功率输送和配送能够从根本上克服与AC功率送递关联的线缆电容和无功功率问题。

直流电功率传输需要海底逆变器，例如基于MSDC技术的逆变器。除了将DC转换到AC外，MSDC逆变器可以通过在传输线路的端部将电压提升来保持海底母线电压恒定。

采用MSDC体系结构的海底功率传输和配送（T/D）系统10的远程海底位置处的负载在配送侧12上串联连接11，如图1所示。此类拓扑不仅对于MSDC系统是有效的，而且对于其中将传输线路电流14控制成硬性的任何系统，例如经典线路换向的HVDC系统也是有效的。

如图1所示，对于每个远程负载和/或可变频率驱动（VFD）18，可能都需要负载旁路开关16。每个负载旁路开关16并联连接到相应的远程负载18。在开路故障VFD或负载18的事件中，这些旁路开关16对传输线路电流14提供旁路路径以确保维持点到点功率流。

旁路开关16确保了维持持续的点到点功率流。公知的系统和方法一般提供最好也不过在几毫秒内的开关操作。旁路开关16的快速操作对于确保针对开路故障瞬变的可靠保护是期望的。

鉴于前文，需要提供一种能够在几微秒内旁路传输电流的控制系统和控制方法。该系统和控制方法应该可应用于任何基于电流源的DC T&D体系结构。该系统和控制方法应该例如能够容易地与用于海底应用的模块化堆叠DC（MSDC）拓扑集成。

发明内容

本公开的示范实施例涉及一种远程模块旁路系统。该示范实施例还包括串联连接且响应DC传输线路电流接收DC电流的多个远程模块。多个负载旁路开关配置成使得每个旁路开关与选择自多个远程模块中的独特且相应的远程模块并联连接，以及还使得每个模块与独特且相应的旁路开关关联。每个旁路开关在与相应远程模块关联的开路负载故障期间为对应远程模块DC电流提供旁路路径。每个旁路开关包括耦合的DC扼流装置（DC-choke）和集成在耦合的DC扼流装置内并与之连接的晶闸管过电压保护电路。

另一个实施例涉及一种远程模块旁路开关，其包括DC扼流装置，该DC扼流装置将DC源电流耦合到一个或多个远程模块。晶闸管过电压保护电路集成在耦合的DC扼流装置内并与之连接，以使耦合的DC扼流装置和晶闸管过电压保护电路在远程模块开路故障之后对远程模块形成旁路电流路径。

上文描述用于开路故障的旁路开关的操作仅是使用旁路开关针对一种类型故障(开路)的保护的一个示例。但是，旁路开关还可以用于阻止至其他串联连接的负载的点到点功率递送的其他故障情况中。例如，电动机断路器跳闸或压缩机故障。除了故障处理，还能够从控制激活旁路开关以便故意地将这些负载旁路。故意旁路可能是由于如海底逆变器跳闸或任何故障的若干原因。

根据第一方面，提供了一种远程负载旁路系统，包括：串联连接且响应DC传输线路电流接收DC电流的多个远程海底逆变器模块；多个负载旁路开关，其中每个旁路开关与选择自所述多个远程模块中的远程模块并联连接，以使每个模块与独特且相应的旁路开关关联，以及再有其中每个旁路开关在与所述相应远程模块关联的故障或故意旁路期间为对应远程模块DC电流提供旁路路径，以及再有其中每个旁路开关包括：耦合的DC扼流装置或至少一个离散海底逆变器DC扼流装置；以及集成在所述耦合的DC扼流装置或至少一个离散海底逆变器DC扼流装置内的过电压检测/保护电路。

优选地，根据第一方面的系统包括模块化堆叠DC电流源，所述模块化堆叠DC电流源配置成生成所述DC电流。

优选地，所述多个远程模块通过模块化堆叠DC拓扑来配置。

优选地，根据第一方面的系统还包括高电压DC电流源，所述高电压DC电流源配置成生成所述DC电流。

优选地，每个旁路开关还包括击穿二极管，所述击穿二极管配置成在对应的远程模块的开路故障之后触发相应晶闸管。进一步地，所述旁路开关在所述开路故障的数微秒且充分小于1毫秒内触发所述相应晶闸管。更进一步地，每个旁路开关还包括常态开路（NO）机械开关，所述常态开路（NO）机械开关配置成在触发所述相应晶闸管之后闭合。再进一步地，所述旁路开关在所述相应晶闸管的触发之后数毫秒内闭合所述NO机械开关。

优选地，每个旁路开关还包括常态闭合（NC）机械开关，所述常态闭合（NC）机械开关配置成在自力启动事件期间对相应远程模块提供DC电流的循环。进一步地，根据第一方面的系统包括辅助绕组，所述辅助绕组耦合到所述耦合的DC扼流装置或至少一个离散扼流装置的预定绕组，其中在所述自力启动事件期间响应所循环的DC电流，所述辅助绕组生成AC电流并将其供给到所述相应远程模块。更进一步地，所述AC电流以充分小于60 Hz的频率生成并在所述循环的DC电流上流动。

优选地，根据第一方面的系统包括远程线缆旁路模块场，所述远程线缆旁路模块场配置成因配电线缆故障或准备维护选择的远程模块而将与其余远程模块隔离的远程模块预定集合旁路。

优选地，至少一个远程模块包括可变频率驱动。

根据第二方面，提供了一种远程负载旁路开关，包括：将DC源电流耦合到一个或多个远程海底逆变器模块的DC扼流装置或将所述DC电流源耦合到一个或多个远程海底逆变器模块的至少一个远程海底逆变器模块离散DC扼流装置的至少其中之一；以及集成在所耦合的DC扼流装置或至少一个逆变器离散DC扼流装置内且与之连接的晶闸管或过电压检测/保护电路，其中所述耦合的DC扼流装置或至少一个逆变器离散DC扼流装置和晶闸管或过电压检测/保护电路一起配置成在远程模块故障之后或响应故意旁路命令对远程模块提供旁路电流路径。

优选地，至少一个远程模块包括远程负载或可变频率驱动。

优选地，根据第二方面的开关包括击穿二极管，所述击穿二极管配置成在对应的远程模块的开路故障之后触发晶闸管，以使所触发的晶闸管形成所述旁路电流路径的一部分。进一步地，所述旁路电流路径在所述开路故障的数微秒且充分小于1毫秒内形成。更进一步地，根据第二方面的开关还包括常态开路（NO）机械开关，所述常态开路（NO）机械开关通过所述耦合的DC扼流装置或逆变器离散扼流装置耦合到所述晶闸管，并在所述晶闸管的触发之后对所述远程模块提供DC电流的循环路径。再进一步地，所述NO机械开关在所述晶闸管的触发之后数毫秒内闭合。

优选地，根据第二方面的开关还包括常态闭合（NC）机械开关，所述常态闭合（NC）机械开关通过所述耦合的DC扼流装置或逆变器离散DC扼流装置耦合到所述晶闸管，并在自力启动事件期间对一个或多个远程模块提供DC电流的循环路径。进一步地，根据第二方面的开关还包括辅助绕组，所述辅助绕组耦合到所述耦合的DC扼流装置或逆变器离散DC扼流装置的预定绕组，其中在所述自力启动事件期间响应经由所述NC机械开关的所循环的DC电流，所述辅助绕组生成AC电流并将其供给到至少一个远程模块。更进一步地，所述AC电流以充分小于60 Hz的频率生成并在所述循环的DC电流上流动。

优选地，根据第二方面的开关还包括远程线缆旁路模块场，所述远程线缆旁路模块场在所述远程负载旁路开关于远程模块开路故障或负载故障之后对多个远程模块提供旁路电流路径时，对与远程模块集合隔离的预定远程模块子集提供旁路路径。进一步地，所述远程模块集合按星型拓扑配置。进一步地，所述远程模块子集按星型拓扑配置。

附图说明

根据下文结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他特征、方面和优点是显而易见的，在这些附图中，相似符号表示相似部件，其中：

图1是图示在系统的海底侧具有负载旁路开关的公知海底功率传输/配送系统的简化示意图；

图2图示采用根据一个实施例的负载旁路开关的DC功率传输/配送系统的一部分；

图3是图示图2所描绘的耦合的DC扼流装置内的旁路开关的连接的简化示意图；

图4图示图2和图3所描绘的负载旁路开关的操作期间产生的开关路径；

图5更详细地图示采用根据一个实施例的多个负载旁路开关的DC功率传输/配送系统；

图6图示采用与根据一个实施例的图2和图3所描绘的负载旁路开关集成的供电源的DC功率传输/配送系统；

图7图示采用将根据一个实施例的多个负载旁路开关互连的旁路模块场（module yard）的DC功率传输/配送系统；

图8图示根据一个实施例，发送端堆叠转换器站（位于发电侧）产生的甚低频率小AC电流，在DC传输电流上流经dc传输线缆，导致如海底逆变器或旁路开关模块内的远程位置处的电感以产生供电源；

图9图示根据一个实施例的旁路模块场以及在危及DC传输线缆的事件中一个旁路开关的闭合；以及

图10图示根据一个实施例支持负载的星型配置的旁路模块场拓扑。

虽然上文标识的附图阐述了多个备选实施例，但是还可设想本发明的其他实施例，正如论述中特别提到的。在所有情况中，此公开均通过表示性而非限制的方式来呈示本发明的图示实施例。本领域技术人员可以设想落在本发明原理的范围和精神内的多种其他修改和实施例。

具体实施方式

海底线缆或脐带缆在目前是长距离传输系统中的最昂贵的组件。本文参考附图描述的实施例涉及对海底负载的兆瓦范围的功率传输以及与长距离功率传输组合的海底能量存储，其采用减缓对线缆横截面极大的海底线缆的需求的拓扑，以便在供给高且时间短的海底控制系统功率时实现恒定的母线电压。

图2图示采用根据一个实施例的负载旁路开关22的DC功率传输/配送系统20的一部分。负载旁路开关22是混合电子/机械开关，其包括与常态开路（NO）机械开关26和常态闭合（NC）机械开关28组合的SCR 24。SCR 24有利地包含微秒范围的开关反应时间；同时机械开关26、28包含大于5毫秒的毫秒范围的开关反应时间。

DC功率T/D系统20的操作期间，在远程VFD或负载18上开路故障的事件中，SCR 24被击穿二极管（BOD）29瞬间地触发。常态闭合开关28帮助自力启动操作，本文对此进行进一步详细描述。

电子旁路开关22通过将连接的晶闸管过电压保护电路集成在耦合的DC扼流装置30中来实现，对此图3中更明晰地进行了图示。图3是图示图2所描绘的VFD 18的耦合的DC扼流装置内的旁路开关的连接的简化示意图。该最终的拓扑有利地消除对附加无源组件的需求，并且确保旁路操作期间晶闸管24的有益dv/dt和di/dt。耦合的DC扼流装置是优选；但是，也可以使用离散的dc扼流装置。

开路故障的VFD 18或负载可能导致晶闸管24两端的过电压。旁路开关22起到过电压保护电路的作用，其采用与经典过电压保护电路不同方式实现以导通晶闸管24，并因此在仅几微秒中形成旁路路径。晶闸管24的导通之后，常态开路机械开关26无任何电流制动能力的情况下在几毫秒内闭合以形成传输线路电流的更永久性旁路路径。

图4图示图2和图3所描绘的负载旁路开关22的操作期间产生的开关路径40。电压V_AK升高，以及当V_AK > V_BOD时，BOD 29触发SCR 24，以提供VFD或负载18中的飞弧或任何开路故障的事件中用于传输线路循环电流的持续路径。此开关路径事件在充分小于1毫秒的数微秒时间周期内完成。NO开关26在如本文陈述的旁路开关路径40建立之后被激活，以便提供用于传输线路循环电流的更永久性的持续路径。

图5更详细地图示采用根据一个实施例的多个负载旁路开关22的DC功率传输/配送系统50。可以见到T/D系统50采用并联连接的输出变压器52-56的拓扑。

图6图示采用与根据一个实施例的负载旁路开关22（图2和图3也有描绘）集成的辅助供电源62的DC功率传输/配送系统60。辅助供电源62支持自力启动事件期间VFD/负载18的启动。

系统/负载的自力启动是指需要负载启动而辅助功率不可用于负载时的情况。对于控制系统启动位于连接到配电电网的远程位置的负载，称为辅助功率的小功率是需要的。

典型地有用于能量存储的不间断供电源（UPS）可用，其提供用于控制和附件启动连接到电网的远程负载的足够辅助功率。访问远程负载非常昂贵的一些应用，如负载设在最大3000米深且远离海岸大于100英里的海底应用，由于UPS崩溃或UPS完全放电而无法通过UPS服务。

继续参考图6，辅助供电源62提供便宜的机构以在UPS或供给必要的辅助功率的其他便宜装置缺失的情况下向VFD或负载18提供辅助功率。辅助供电源62包括至少一个附加绕组64，附加绕组64缠绕在现有DC耦合的扼流装置30的预定绕组上。辅助供电源62在控制方案命令甚低频率小AC电流在DC传输电流上流动时操作，从而在远程位置处产生电感，如图8所示。此电感生成用于辅助供电源的小电压。在自力启动事件期间，NC断路器28提供DC电流的必要循环。耦合的绕组64表现如同非常差的变压器，从而产生唤醒负载或VFD 18的足够功率。

在简要说明中，使用DC传输线缆作为介质在DC传输电流（大振幅）上发送低频AC电流（小振幅），并且使用海底逆变器的现有DC扼流装置以使用此低频AC电流分量（与60 Hz相比的甚低频率，并因此在自力启动期间需要来自发送端的低无功功率）以生成小控制电压，这是用于支持自力启动事件期间VFD/负载18的启动的一种创新技术。

图7图示采用将根据一个实施例的多个负载旁路开关22互连的远程旁路模块场（module yard）72的DC功率传输/配送系统70。图7所示的T/D系统70图示从远程旁路模块场72旁路负载集合74。此实施例有利地提供一种更容易地定位系统70中的故障的方法，并且还能够在MSDC系统70中远程定位的一个或多个配电线缆的故障时实现至远程负载的持续功率流。

图9图示旁路模块场，以及在传输线缆其中之一运行上受损的事件中一个旁路开关22闭合。还示出附加的隔离器，其可以用于在电流未在线缆中流动时物理上连接/隔离。此类应用典型地用于维护。应该注意，存在远程旁路模块场72的情况下，NO开关26是冗余的，因为借助旁路模块场72中的旁路开关22，也能够永久性地旁路故障的远程负载。

旁路模块场72能够实现如图10所示的负载的星型配置。该海底系统能够在甚至严重故障，例如船舶的锚完全损坏配电系统之后保持运行。旁路模块场72能够总是相同设计的（对于海底使用一次性标准化和合格认证）；并且它能够具有多个端口（多于具体应用的实际所需）和连接到这些端口的一个或两个备用线缆。在海底配电线缆故障的情况中，受影响的MSDC模块能够重新连接到这些备用端口之一。

在另一个简要说明中，控制方法和系统拓扑采用一种用于MSDC应用的本文描述的负载旁路开关，其甚至能够在位于MSDC系统内的一个或多个远程负载故障之后实现至幸存远程负载的持续功率流。与负载旁路开关集成的便宜辅助供电源能够实现MSDC系统的自力启动。与负载旁路开关关联的配电线缆布局能够在甚至MSDC系统中远程定位的远程负载馈电的一个或多个功率配电线缆故障期间实现至远程负载的功率流。本领域技术人员将认识到，MSDC是基于电流链路的DC T/D系统的多个示例的其中之一。本文描述的原理可应用于其中负载串联连接且通过电流源供给并且因此需要在故障/故意负载脱离的事件中旁路负载的任何系统。

虽然本文仅图示并描述本发明的某些特征，但是本领域技术人员将设想到许多修改和更改。因此，要理解，所附权利要求应涵盖落在本发明的真实精神内的所有此类修改和更改。

元件

(10) 海底功率传输和配送（T/D）系统

(12) T/D系统的配电侧

(14) 传输线路电流

(16) 负载旁路开关

(18) 可变频率驱动（VFD）或负载

(20) T/D系统

(22) 负载旁路开关

(24) SCR

(26) NO机械开关

(28) NC机械开关

(29) 击穿二极管

(30) 耦合的dc扼流装置

(40) 开关路径

(50) T/D系统

(52) 输出变压器

(54) 输出变压器

(56) 输出变压器

(60) T/D系统

(62) 辅助供电源

(70) T/D系统

(72) 远程旁路模块场

(74) 负载集合。

Claims (10)

1. 一种远程负载旁路系统，包括：

串联连接且响应DC传输线路电流接收DC电流的多个远程海底逆变器模块；

多个负载旁路开关，其中每个旁路开关与选择自所述多个远程模块中的远程模块并联连接，以使每个模块与独特且相应的旁路开关关联，以及再有其中每个旁路开关在与所述相应远程模块关联的故障或故意旁路期间为对应远程模块DC电流提供旁路路径，以及再有其中每个旁路开关包括：

　　耦合的DC扼流装置或至少一个离散海底逆变器DC扼流装置；以及

　　集成在所述耦合的DC扼流装置或至少一个离散海底逆变器DC扼流装置内的过电压检测/保护电路。

2. 如权利要求1所述的远程负载旁路系统，还包括模块化堆叠DC电流源，所述模块化堆叠DC电流源配置成生成所述DC电流。

3. 如权利要求1所述的远程负载旁路系统，其中所述多个远程模块通过模块化堆叠DC拓扑来配置。

4. 如权利要求1所述的远程负载旁路系统，还包括高电压DC电流源，所述高电压DC电流源配置成生成所述DC电流。

5. 如权利要求1所述的远程负载旁路系统，其中每个旁路开关还包括击穿二极管，所述击穿二极管配置成在对应的远程模块的开路故障之后触发相应晶闸管。

6. 如权利要求5所述的远程负载旁路系统，其中所述旁路开关在所述开路故障的数微秒且充分小于1毫秒内触发所述相应晶闸管。

7. 如权利要求6所述的远程负载旁路系统，其中每个旁路开关还包括常态开路（NO）机械开关，所述常态开路（NO）机械开关配置成在触发所述相应晶闸管之后闭合。

8. 如权利要求7所述的远程负载旁路系统，其中所述旁路开关在所述相应晶闸管的触发之后数毫秒内闭合所述NO机械开关。

9. 如权利要求1所述的远程负载旁路系统，其中每个旁路开关还包括常态闭合（NC）机械开关，所述常态闭合（NC）机械开关配置成在自力启动事件期间对相应远程模块提供DC电流的循环。

10. 如权利要求9所述的远程负载旁路系统，还包括辅助绕组，所述辅助绕组耦合到所述耦合的DC扼流装置或至少一个离散扼流装置的预定绕组，其中在所述自力启动事件期间响应所循环的DC电流，所述辅助绕组生成AC电流并将其供给到所述相应远程模块。

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