CN104953609A - 直流电能传输系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种应用于海下的模块化变电站，其包括多个模块化直流/交流变换器，用于将沿直流电传输线路传输的直流电能转换成交流电能，并将该交流电能提供给多个海下负载。该多个模块化直流/交流变换器的输入端与该直流电传输线路串联连接，输出端与交流电分配网络并联连接。该多个模块化直流/交流变换器中的至少第一模块化直流/交流变换器被配置成可以选择性地与该直流电传输线路和交流电分配网络失去电性连接并且失去机械连接，以方便对该至少第一模块化直流/交流变换器进行维护，同时该交流电分配网络持续提供交流电能给该多个海下负载的至少一者。本发明还揭示直流电能传输系统和方法。

Description

直流电能传输系统和方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及直流电能传输系统和方法，特别涉及一种应用于海下的直流电能传输系统和方法。
背景技术
对于长距离电能传输而言，至少从成本和效率两个角度来看，直流电能传输系统已经被证明可以取代交流电能传输系统。针对海下直流电能传输应用场合，一个典型的直流电能传输系统包括在岸（onshore）电能变换装置（例如，交流/直流变换器），该在岸电能变换装置可以将从电源接收的交流电能转换成直流电能，然后，该直流电能沿着直流电能传输线路（也称为脐带线）传输至离岸（offshore）变电站，该离岸变电站一般位于海床上。在该离岸变电站处，该直流电能可以被转换回交流电能，并被进一步分配给海下负载（例如，电机等）。
但是，传统的直流电能传输系统遇到的一个问题是离岸变电站可能会占据比较大的体积，而这样的海下变电站，在对体积有严格限制的场合缺点明显。传统的直流电能传输系统遇到的另外一个问题是其离岸变电站的拓扑结构的现有配置方式，不方便在该直流电能传输系统发生故障时对其进行维护。
因此，有必要提供一种改进的系统和方法来解决现有的系统和方法所存在的技术问题或者满足上述技术需求。
发明内容
有鉴于上面提及之技术问题或者技术需求，本发明的一个方面在于提供一种应用于海下的模块化变电站。该模块化变电站包括多个模块化直流/交流变换器，该多个模块化直流/交流变换器被配置成将沿直流电传输线路传输的直流电能转换成交流电能，并将该交流电能提供给多个海下负载。其中，该多个模块化直流/交流变换器的输入端与该直流电传输线路串联连接，该多个模块化直流/交流变换器的输出端与交流电分配网络并联连接。其中，该多个模块化直流/交流变换器中的至少第一模块化直流/交流变换器被配置成可以选择性地与该直流电传输线路和交流电分配网络失去电性连接并且失去机械连接，以方便对该至少第一模块化直流/交流变换器进行维护，同时该交流电分配网络持续提供交流电能给该多个海下负载的至少一者。
本发明的另一个方面在于提供一种直流电能传输系统，该直流电能传输系统包括发送端和接收端。该发送端包括至少一个电能变换装置，该至少一个电能变换装置被配置成将从至少一个能量源接收的输入电能转换成直流电能。该接收端通过直流电传输线路与该发送端电连接，该接收端被配置成接收由该直流电传输线路传输的直流电能。该接收端包括多个逆变器模块和交流电分配网络，每个逆变器模块具有直流侧和交流侧，该直流侧可拆卸地与该直流传输线路相连接，该交流侧用于输出从该直流侧转换得到的交流电能。该交流电分配网络可拆卸地与每一个逆变器模块的交流侧连接，该交流电分配网络被配置成将从该多个逆变器模块接收的交流电能分配给多个负载。
本发明的另一个方面在于提供一种控制直流电能传输系统的方法，该方法至少包括如下步骤：将由位于第一位置的能量源产生的并由直流电传输线路传输的直流电能传输至位于第二位置的模块化变电站；通过多个模块化变换器将该直流电能转换成交流电能；通过交流电分配网络将该交流电能分配至位于该第二位置附近的多个负载；以及选择性地将一个或者多个模块化变换器与该直流电传输线路和该交流电分配网络隔离，并且同时持续提供交流电能至该多个负载中的至少一者。
本发明提供的模块化变电站，直流电能传输系统，以及相关方法等，通过模块化结构的变换器，可以方便在直流电能传输系统发生故障时对其进行维护，既实现了变电站的小型化，也使其具有高可靠性。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为直流电能传输系统的一种实施方式的模块示意图；
图2所示为保护和旁路电路的一种实施方式的电路结构示意图；
图3所示为保护和旁路电路的另一种实施方式的电路结构示意图；
图4所示为模块化直流/交流变换器的一种实施方式的电路结构示意图；
图5所示为图1所示的直流电能传输系统的工作状态的的一种实施方式示意图；
图6所示为直流电能传输系统的另一种实施方式的模块示意图；
图7所示为控制施加至海下模块化变电站直流输入电压的一种实施方式的模块示意图；以及
图8所示为控制直流电能传输系统运行的方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
首先，请参阅图1，其所示为一种实施方式的直流电能传输系统10的模块示意图。在图1所示的实施方式中，该直流电能传输系统10被应用在海下场合，以用于将从在岸(onshore)或者离岸(offshore)处获得的直流电能传输至海下(subsea)变电站，并作进一步的处理和分配。在其他实施方式中，该直流电能传输系统10也可以被应用在非海下场合，例如，陆地环境，以进行直流电能的传输。在此所述的“海下”应当指代一片水区域，包括大洋，大海，湖泊，蓄水池，江河，以及任何其他合适的水路。
请参阅图1，该直流电能传输系统10包括发送端12和接收端14，其中，发送端12和接收端14通过一个或者多个直流电能传输线路24进行连接。在一种实施方式中，直流电能传输系统10中的直流电能由发送端12提供，并沿着该直流电能传输线路24传输至接收端14。在其他实施方式中，该直流电能传输系统10中的直流电能也可以由接收端14提供，例如，海下的一个或者多个负载在再生制动操作时可能产生直流电能，该直流电能可以沿着该直流电能传输线路24传输至发送端12。在此情形下，接收端14实际上为发送端，而发送端12实际上为接收端。
在一种实施方式中，该发送端12被设置在第一位置，通常该第一位置为在岸的某一位置。在其他实施方式中，该发送端12所处的第一位置也可以为离岸的某一位置。举例而言，在一些特定的实施方式中，该发送端12可以为离岸的位于海面的浮动平台或者水上移动工具。在该发送端12，一个发送端电能转换装置16被用来提供合适形式的直流电能，以方便通过该直流电能传输线路24传输至该接收端14。在其他实施方式中，该发送端12可以包括多于一个的发送端电能转换装置16，以用来提供合适形式的直流电能，以方便通过该直流电能传输线路24或者不同的直流电能传输线路传输至该接收端14。
在一个特定的实施方式中，该发送端12使用一个交流直流电能变换装置16，将电源18提供的交流电能转换成直流电能。在一种实施方式中，该电源18可以为电网，其被配置成提供三相交流电能至该交流直流电能变换装置16。在其他实施方式中，该电源18可以为任何合适的供电源，例如风力涡轮机发电装置或者具有成群的风力涡轮机的风力发电场，其也可以用来提供交流电能给该交流直流电能变换装置16。
在一些实施方式中，该发送端电能变换装置16也可以为直流直流电能变换装置，其被配置成将电源18提供的第一直流电能转换成例如具有较高电压等级的第二直流电能，并将该第二直流电能通过该直流电能传输线路24传送至接收端14。
虽然未在图1中示出，在一些实施方式中，该发送端12也可以包括一个或者多个其他元件。例如，在该电源18和发送端电能变换装置16之间可以设置一个或者多个开关保护装置。
请进一步参阅图1，在一种实施方式中，该直流电能传输线路24至少部分浸没在海水中。该直流电能传输线路24可以包括海下直流电能传输线缆（也称为脐带线），其通过合适的方式进行构建，以能够携带具有高电压（例如，50KV）的直流电能。在一些实施方式中，该直流电能传输线路24也可以集成设置一个或者多个信号传输线路，该信号传输线路用于将发送端12的控制信号传送至接收端14，和/或将接收端14的一个或者多个状态信号（例如，电压信号，电流信号灯）传送至发送端12。
该接收端14被设置在第二位置处，通过该第二位置为离岸的位置（或者也称为边远位置，remote location），该离岸的位置一般位于海下，在本发明中，概括地将该接收端14位于海下的部分称为海下模块化变电站。在一种实施方式中，该接收端14被设置成包括多个模块化直流/交流变换器32（从1标至N，也称为逆变器）。在一种特定的实施方式中，该多个直流/交流变换器32以冗余的方式进行设置，例如，可以提供N+1个直流/交流变换器32，其中N为自然数。可以理解的是，冗余化的模块设计可以使得该直流电能传输系统10的海下负载具有高度的电能可获得性（high power availability），也即，该海下负载可以持续地接收到电能进行正常工作，即便其中一个直流/交流变换器32遇到故障或者无法正常工作。
在一种实施方式中，该多个模块化直流/交流变换器32的输入端彼此串联连接在直流电能传输线路24的两条直流电能传输线缆之间。该多个模块化直流/交流变换器32的输出端相互并联连接，并一起连接至交流电分配网络52，关于该交流电分配网络52的细节将在下文描述。在运作时，每一个模块化直流/交流变换器32被配置成独立的提供交流电能至该交流电分配网络52。在一个特定的实施方式中，多个湿配合连接器（wet-mated connector）28被用来将分别将多个模块化直流/交流变换器32的输入端或者直流侧与该直流电能传输线路24相连接。并且，每一个模块化直流/交流变换器32可以通过使其与对应的湿配合连接器28分离，从而与该直流电能传输线路24失去电性连接，并且失去机械连接。在此所述的湿配合连接器是指被特别设计成可以在水下环境进行插拔的连接器。
请进一步参阅图1，每一个模块化直流/交流变换器32被配置成将直流电能传输线路24传输而来的直流电能的一部分转换成交流电能。在一种实施方式中，该多个模块化直流/交流变换器32被配置成具有基本相同的结构，从而直流电能传输线路24的直流电压被平均作用至该多个模块化直流/交流变换器32。在其他实施方式中，该多个模块化直流/交流变换器32的至少一者被配置成与其他的模块化直流/交流变换器具有不同的结构。
在一些实施方式中，该多个模块化直流/交流变换器32被控制成工作在准电压源模式，也即，该多个模块化直流/交流变换器32可以接收相同指令的电压信号，从而提供基本相同的交流输出电压至交流电分配网络52。在一些实施方式中，还可以在该多个模块化直流/交流变换器32之间执行协调控制。举例而言，负责给该多个模块化直流/交流变换器32产生脉冲信号的脉冲样式调制器之间可以进行一定的相位移动，以改善提供给交流电分配网络52的交流电能的品质。
在一种方式中，每一个模块化直流/交流变换器32被设置成具有特定的拓扑结构，以减小该海下模块化变电站的体积或者占据空间（footprint）。举例而言，在一种实施方式中，该模块化直流/交流变换器32中的至少一者可以使用一种电路拓扑结构，使得从该直流电能传输线路24传输而来的直流电能可以被直接转换成交流电能，而不需要使用前级的电能转换设备，例如直流直流变换器。关于模块化直流/交流变换器32的一种合适的结构如图4所示。在其他实施方式中，图4所示的模块化直流/交流变换器50也可以被设置成具有其他合适的电路拓扑结构，例如，中点导向拓扑结构，或者主动中点箝位拓扑结构等。
如图4所示，模块化直流/交流变换器50为三相变换器，其被配置成将从第一、第二输入端口506，508接收的直流电压转换成三相交流电压。更具体而言，该模块化直流/交流变换器50包括直流环节520，其具有第一电容521和第二电容523，该第一、第二电容521，523串联连接在正连接线502和负连接线504之间。该模块化直流/交流变换器50还包括第一相位桥臂510，第二相位桥臂540和第三相位桥臂570。该第一相位桥臂510通过第一输出端口536提供第一相位电压，该第二相位桥臂540通过第二输出端口566提供第二相位电压，该第三相位桥臂570通过第三输出端口596提供第三相位电压。
在一种实施方式中，该第一相位桥臂510包括四个可控开关512、514、516、518，其串联连接在第一连接线502和第二连接线504之间。该第一相位桥臂510还包括四个二极管522、524、526、528，其分别以反并联（anti-parallel）方式与该四个可控开关512、514、516、518连接。该第一相位桥臂510还包括第一箝位二极管532和第二箝位二极管534。该第一箝位二极管532的阳极与直流环节520的直流中点相连接，阴极与开关元件512，514之间的连接点相连接。第二箝位二极管534的阳极与直流环节520的直流中点相连接，阴极与开关元件516，518之间的连接点相连接。开关元件514，516之间的共同连接点与第一端口536相连接。
在一种实施方式中，该第二相位桥臂540包括四个可控开关542、544、546、548，其串联连接在第一连接线502和第二连接线504之间。该第二相位桥臂540还包括四个二极管552、554、556、558，其分别以反并联（anti-parallel）方式与该四个可控开关542、544、546、548连接。该第二相位桥臂540还包括第一箝位二极管562和第二箝位二极管564。该第一箝位二极管562的阳极与直流环节520的直流中点相连接，阴极与开关元件542，544之间的连接点相连接。第二箝位二极管564的阳极与直流环节520的直流中点相连接，阴极与开关元件546，548之间的连接点相连接。开关元件544，546之间的共同连接点与第二端口566相连接。
在一种实施方式中，该第三相位桥臂570包括四个可控开关572、574、576、578，其串联连接在第一连接线502和第二连接线504之间。该第三相位桥臂570还包括四个二极管582、584、586、588，其分别以反并联（anti-parallel）方式与该四个可控开关572、574、576、578连接。该第三相位桥臂570还包括第一箝位二极管592和第二箝位二极管594。该第一箝位二极管592的阳极与直流环节520的直流中点相连接，阴极与开关元件572，574之间的连接点相连接。第二箝位二极管594的阳极与直流环节520的直流中点相连接，阴极与开关元件576，578之间的连接点相连接。开关元件574，576之间的共同连接点与第三端口596相连接。
请返回参阅图1，在一些实施方式中，该接收端14可以进一步包括多个保护和旁路电路26（从1标至N），该多个保护和旁路电路26通过湿配合连接器25串联连接在直流电能传输线路24的两条直流电缆之间。在其他实施方式中，该多个保护和旁路电路26也可以通过干配合连接器（dry-mateconnector）25串联连接在直流电能传输线路24的两条直流电缆之间。在此所述的干配合连接器是指在浸没水下之前进行插拔连接的连接器。在一种实施方式中，该多个保护和旁路电路26的每一者还通过对应的湿配合连接器28与对应的模块化直流/交流变换器32相连接。在一种实施方式中，该多个保护和旁路电路26被密封在单一的容器42内。在此所述的容器是指一种防水壳体或者箱体，其被设计成可以抵抗一定的海下压力。该容器42可以通过使其与湿配合连接器25，28失去连接，以将其从直流电能传输系统10移除。该多个保护和旁路电路26的每一者还可以被操作成将与其对应的模块化直流/交流变换器32旁路，这样可以允许剩余的模块化直流/交流变换器32，在其中一个模块化直流/交流变换器32发生至少一个故障（例如，短路故障或者开路故障）时，仍然能正常工作。此外，该多个保护和旁路电路26还可以在直流电能传输线路24的直流电缆发生故障时，形成短路路径。
接下来，请参阅图2，其所示为可以用作图1所示的保护和旁路电路26的一种实施方式的保护和旁路电路100的电路结构示意图。如图2所示，该保护和旁路电路100包括第一输入端102，第二输入端104，第一输出端106以及第二输出端108。该第一、第二输入端102，104与直流电能传输线路24的直流电缆相连接，以接收由该直流电缆传输的直流电能。该第一、第二输出端106，108与模块化直流/交流变换器32的两个输入端电连接。
请继续参阅图2，该保护和旁路电路100进一步包括第一空载隔离开关116，第二空载隔离开关118，第一旁路开关112以及第二旁路开关114。该第一空载隔离开关116电连接在该第一输入端102和该第一输出端106之间。该第二空载隔离开关118电连接在该第二输入端104和该第二输出端108之间。该第一旁路开关112与该第二旁路开关114并联连接。在一种实施方式中，该第一旁路开关112为高速半导体开关器件，其可以在遇到故障，例如短路故障时，在短达数毫秒的时间内被导通，从而创建一个旁路电流路径。可以用作第一旁路开关112的半导体开关器件包括但不限于，晶闸管，绝缘栅双极型晶体管，集成门极换流晶闸管，金属-氧化层半导体场效晶体管等。该第二旁路开关114为慢速开关，其具有正常的带电流能力。在一种特定的实施方式中，该第二旁路开关114可以为机械隔离开关，其可以在发生故障（例如短路故障）时，被进一步开通，以提供旁路路径，供直流电能通过。当第二旁路开关114被开通时，第一旁路开关112可以被关断。
在一些情形下，该直流电能传输线路24可能被偶然地形成短路，如果处理不当的话，会损坏直流线缆。在一种实施方式中，该第一旁路开关112可以被快速地开通，以将短路故障在直流电缆产生的短路电流旁路掉。然后，可以进一步将第二旁路开关114开通，进一步将短路电流旁路掉，以避免直流电缆被损坏。可以理解的是，结合第一旁路开关112和第二旁路开关114可以提供对短路故障的快速响应，并且可以维持较低的能量损耗。
类似地，当连接至第一、第二输出端口106，108的某一模块化直流/交流变换器发生短路故障时，该第一、第二旁路开关112，114也可以被顺序开通，使直流电能传输线路24的直流电能不经过该发生故障的模块化直流/交流变换器。在此所述的变换器短路故障可能由于将其某一相桥臂的所有开关器件同时错误开通所致。该第一、第二空载隔离开关116，118可以被关断，以将该发生故障的模块化直流/交流变换器与直流电能传输线路24隔离。将发生故障的模块化直流/交流变换器与直流电能传输线路24隔离后，可以对该发生故障的模块化直流/交流变换器执行特定的维护，但不影响其他模块化变换器模块提供电能给一个或者多个海下负载。
请参阅图3，其所示为可以用作图1所示的保护和旁路电路26的另一种实施方式的保护和旁路电路200的电路结构示意图。图3所示的保护和旁路电路200基本与图2所示的保护和旁路电路200相类似。例如，该保护和旁路电路200也包括第一、第二空载隔离开关116，118以及第一、第二旁路开关112，114。其中一个不同之处在于，该保护和旁路电路200还包括反向阻隔二极管122。在一种实施方式中，该反向阻隔二极管122的阳极与该第一空载隔离开关116相连接，阴极与该第一输出端106相连接。该反向阻隔二极管122被配置成阻止模块化直流/交流变换器32的电压被作用至第一、第二输入端102，104，这样可以避免发生短路故障的直流线缆，由于从模块化直流/交流变换器32流入的大电流而被损坏。
请返回参阅图1，该接收端14还可以包括多个变压器34（从1标至N）。在一种实施方式中，该多个变换器34的每一者通过对应的干配合连接器33与对应的模块化直流/交流变换器32相连接。在其他实施方式中，该干配合连接器33也可以省去。该多个变压器34的每一者被配置成在模块化直流/交流变换器32和海下负载56之间提供电气隔离。在一些实施方式中，该多个变压器34可以被进一步配置成，根据直流电能传输系统10中交流电分配网络52的需求和/或负载56的需求，将对应的模块化直流/交流变换器32所提供的交流电能进行升压或者降压操作。在一种实施方式中，该多个变压器34的每一者被密封在一个容器内。此外，每一个变压器34和对应模块化直流/交流变换器32被一起安装到框架38上，以使得该变换器34可以和对应的模块化直流/交流变换器32一起，从该直流电能传输系统10中移除，以执行维护服务。
请进一步参阅图1，该接收端14可以进一步包括交流电分配网络52，该交流电分配网络52与该多个变压器34以及负载56电连接。在一种特定的实施方式中，该交流电分配网络52可以包括交流母线（AC bus bar）44，其用来将从该多个变压器34提供的交流电能分配给多个负载56。
在一种实施方式中，该交流电分配网络52包括多个主侧开关46（从1标至N）以及多个次侧开关48（从1标至N），该多个主侧开关46和多个次侧开关48均与该交流母线44电连接。在一种实施方式中，该多个主侧开关46，该多个次侧开关48以及该交流母线44被密封在一个容器内，以方便放入海下环境中。该多个主侧开关46的每一者通过湿配合连接器36与对应的变换器34相连接。在其他实施方式中，也可以使用干配合连接器36将主侧开关46与对应的变换器34连接在一起。在一种特定的实施方式中，该主侧开关46可以包括机械隔离开关，其可以被打开或者关断，以在该模块化直流/交流变换器32发生至少一个故障时中断提供电流。
在一种实施方式中，该多个次侧开关48的每一者通过一个湿配合连接器54与对应的负载56电连接。该次侧开关48可以包括断路器，其可以在负载56发生故障或者无法正常工作时被关断，以使得对应的负载56与该交流电分配网络52脱离连接。
在一种实施方式中，该多个负载56可以包括交流负载，例如，压缩机（compressor）和泵（pump），其均可以根据交流电分配网络52提供的交流电能进行工作。在其他实施方式中，该多个负载56也可以包括直流负载，在此情形下，可以使用另外的交流/直流变换器将该交流电分配网络52提供的交流电能转换成直流电能，并将该直流电能提供给该直流负载。
图5所示为图1所示的直流电能传输系统10的工作状态的的一种实施方式示意图。在一些实施方式中，该多个模块化直流/交流变换器32中的一者，例如，第一模块化直流/交流变换器32-1可能遇到短路故障。该第一保护和旁路开关26-1根据该短路故障进行动作（例如，开通第一旁路开关112和第二旁路开关114），以创建旁路路径，使得该直流电能传输线路24的直流电能直接通过该旁路路径，施加至其他正常工作的模块化直流/交流变换器。该第一保护和旁路开关26-1还可以执行进一步的动作（例如，关断第一和第二隔离开关116，118），将第一模块化直流/交流变换器32-1的输入端与第一保护和旁路电路26-1断开。进一步，该第一主侧开关46-1被关断，以将第一模块化直流/交流变换器32-1的输出端或者第一变换器34-1的输出端与交流电分配网络52断开连接。如图5所示，安装于第一框架38-1的第一模块化直流/交流变换器32-1和第一变压器34-1通过操作湿配合连接器28-1，36-1，使其从直流电能传输系统10中移除。由于第一模块化直流/交流变换器32-1被构建成具有占据较小体积的电路拓扑结构，并且具有较轻的重量，因此，该第一框架38-1可以比较容易地提升出海面，以执行维护服务。
图6所示为另一种实施方式的直流电能传输系统20的模块示意图。该直流电能传输系统20基本与图1所示的直流电能传输系统10相类似。为了简化描述，该直流电能传输系统10的发送端在此省略不表。
该直流电能传输系统20中与图1所示的系统相类似的元件在此不作详细描述。在一种实施方式中，该交流电分配网络52包括多绕组变压器62，该多绕组变压器62连接在多个模块化直流/交流变换器38和交流母线44之间，以提供电气隔离。在一种实施方式中，该多绕组变压器62包括多个初级绕组（从1标至N）64和一个次级绕组66，该多个初级绕组64和次级绕组磁耦合在一起。该多个初级绕组64的每一者通过湿配合连接器36与对应的模块化直流/交流变换器32连接在一起。该多个初级绕组64和次级绕组66被配置成，根据直流电能传输系统10中交流母线44的需求和/或负载56的需求，对多个模块化直流/交流变换器32所提供的交流电能进行升压或者降压操作。在一种实施方式中，在模块化直流/交流变换器323和对应的初级线圈64之间设置有主侧开关46。该主侧开关46可以包括机械隔离开关，其可以被关断，以使得对应的故障变换器32可以被隔离，并可以从该直流电能传输系统20中移除。
在一种实施方式中，该交流电分配网络52可以进一步包括多个次侧开关48。该多个次侧开关48的每一者通过湿配合连接器54与对应的负载56相连接。该次侧开关48可以包括断路器，其可以被关断，以使得该直流电能传输系统20的至少一个负载56发生故障时，与对应的负载56断开连接。
在一种实施方式中，该多个主侧开关46，该多绕组变压器62，该交流母线44以及多个次侧开关48可以被密封在同一容器内。在一些实施方式中，可以通过操作湿配合连接器36，54，将容器与该直流电能传输系统20脱开连接，从而可以执行维护服务。
图7所示为控制施加至海下模块化变电站直流输入电压的一种实施方式的模块示意图，其中，施加至模块化直流/交流变换器32的直流输入电压可以通过控制器输出的交流电能或者交流功率进行调节。在图7所示的实施方式中，为了简化描述，仅仅示出了四个模块化直流/交流变换器616、618、620、622。在其他实施方式中，在此描述的原理也可以适用于任何具有合适数目模块化直流/交流变换器的模块化变电站。如图7所示，第一电容单元602，第二电容单元604，第三电容单元606以及第四电容单元608被串联连接在两条直流线缆612，614之间。虽然在图7中，每一个电容单元均显示出一个电容器，在其他实施方式中，每一个电容单元也可以包括任何合适数目的电容器。因为四个电容单元602、604、606、608串联连接，因此流过该四个电容单元602、604、606、608的电流相同，并且在一种实施方式中被控制成具有恒定的电流值。该四个电容单元602、604、606、608的总电压可以通过下面的公式（1）来表示：
V＝V1+V2+V3+V4    (1)，
其中，V1为第一电容单元602两端的电压， V2为第二电容单元604两端的电压，V3为第三电容单元606两端的电压，V4为第四电容单元608两端的电压，V为四个电容单元602、604、606、608的总电压。
在正常运作时，期望将总电压均匀分配至该四个电容单元602、604、606、608。然而，实际运行过程中，该四个电容单元之间会出现电压不平衡问题，这样会导致一个或者多个模块化直流/交流变换器承受较大的电压应力。在此所谓的电压不平衡是指至少一个电容单元的电压比所有电容单元的平均电压高或者低。为了解决此电压不平衡问题，在一种实施方式中，这些电容单元的个别电压可以通过调节每个模块化直流/交流变换器的输出交流电能以及由该四个模块化直流/交流变换器提供的总交流输出电能，进行控制。该总交流输出电能可以通过下面的公式来表示：
P=P1+P2+P3+P4    (2)，
其中，P1为第一模块化直流/交流变换器616提供的第一交流电能，P2为第二模块化直流/交流变换器618提供的第二交流电能，P3为第三模块化直流/交流变换器622提供的第三交流电能，P4为第四模块化直流/交流变换器624提供的第四交流电能，P为该四个模块化直流/交流变换器提供的总交流电能。
如图7所示，该四个模块化直流/交流变换器616、618、620、622提供的交流电能被进一步提供给该交流电分配网络626，并由该交流电分配网络626进一步分配该多个负载。虽然图7仅示出了三个负载632、634、636，在其他实施方式中，也可以采用任何合适数目的负载。
在一种特定的情形下，该第一电容单元602处的第一电压可能具有高于该四个电容单元602、604、606、608平均电压的电压值。在此情形下，该第一模块化直流/交流变换器616可以根据控制器642提供的控制信号，提供更多的第一交流输出电能给交流电分配网络626，此可以通过增加与该第一模块化直流/交流变换器616相关的交流电能参考值来实现。可以理解的是，增加第一模块化直流/交流变换器616的第一交流电能输出会导致第一电容单元602的电压下降。由于由该四个模块化直流/交流变换器提供的总交流电能被控制成维持在恒定的数值，并且由于流过该四个电容单元602、604、606、608的电流也被维持在恒定的数值，因此，该四个电容单元的总电压被维持不变。因而，其他三个电容单元的电压增加，从而，该四个电容单元602、604、606、608的电压被从不平衡状态调节到平衡状态。
图8所示为控制图1或者图6所示的直流电能传输系统运行的方法800的一种实施方式的流程图。该方法800可以编程为程序指令或者计算机软件，并保存在可以被电脑或者处理器读取的存储介质上。当该程序指令被电脑或者处理器执行时，可以实现如流程图所示的各个步骤。可以理解，电脑可读的介质可以包括易失性的和非易失性的，以任何方法或者技术实现的可移动的以及非可移动的介质。更具体言之，电脑可读的介质包括但不限于随机访问存储器，只读存储器，电可擦只读存储器，闪存存储器，或者其他技术的存储器，光盘只读存储器，数字化光盘存储器，或者其他形式的光学存储器，磁带盒，磁带，磁碟，或者其他形式的磁性存储器，以及任何其他形式的可以被用来存储能被指令执行系统访问的预定信息的存储介质。
在一种实施方式中，该方法800可以从步骤802开始执行，在执行步骤802时，获取各种电流值或者电流信号。在一种实施方式中，代表在多个模块化直流/交流变换器32中的一者和对应的主侧开关46之间流过的电流的数值或者信号被获得。在另外一种实施方式中，代表在多个负载56中的一者和对应的次侧开关48之间流过的电流的数值或者信号被获得。在一种特定的实施方式中，可以使用一个或者多个电流传感器来获取电流信号或者电流数值。在其他实施方式中，该电流信号或者电流数值可以被存储在与该直流电能传输系统的控制器相关的存储装置中。在此所述的控制器可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以及专用集成电路（ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC）等。
在步骤804中，该方法800判断该直流电能传输系统或者更具体而言该模块化直流/交流变换器是否发生故障。该判断步骤可以通过确定上述获得电流数值是否超过预定的阈值来实现。如果该获得的电流数值被判断为超过该预定的阈值时，此意味着该模块化直流/交流变换器遇到至少一个短路故障，该方法转向步骤806执行。如果该获得电流数值被判断为不超过该预定的阈值时，此意味着该模块化直流/交流变换器没有遇到故障，因此该方法返回步骤802执行。
在步骤806中，该方法800使得发生故障的模块化直流/交流变换器停止工作，以降低其能量。在一种实施方式中，降低故障变换器能量的一种手段为该发生短路故障的模块化直流/交流变换器32停止工作。更具体而言，在一种实施方式中，该控制器可以停止提供脉冲信号或者门极驱动信号给模块化直流/交流变换器中的开关器件，从而降低其能量状态。
在步骤808中，该方法进一步判断该降低能量的模块化直流/交流变换器是否已经达到低能量状态。该判断步骤可以通过判断该模块化直流/交流变换器的直流电压是否跌落到预设的阈值电压一下来实现。如果其直流电压跌落到该预设的阈值电压以下时，该方法转向步骤812执行。如果其直流电压还高于该预设的阈值电压时，该方法返回步骤806执行。
在步骤812中，该方法800打开或者关断与发生故障的模块化直流/交流变换器32相关的主侧开关，从而将故障的模块化直流/交流变换器32与交流电分配网络隔离。由于该主侧开关在低能量状态下进行开关操作，因此，可以使用一般的机械隔离开关，来切断电流路径，从而使得该直流电能传输系统剩余部分仍然能够正常工作，提高海下变电站的可靠性。
如上所述的方法800还可以包括其他的步骤。举例而言，该方法800可以包括在对故障的模块化直流/交流变换器进行维修服务之后，使其恢复正常操作的步骤。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种应用于海下的模块化变电站，其特征在于：该模块化变电站包括多个模块化直流/交流变换器，该多个模块化直流/交流变换器被配置成将沿直流电传输线路传输而来的直流电能转换成交流电能，并将该交流电能提供给多个海下负载；其中，该多个模块化直流/交流变换器的输入端与该直流电传输线路串联连接，该多个模块化直流/交流变换器的输出端与交流电分配网络并联连接；其中，该多个模块化直流/交流变换器中的至少第一模块化直流/交流变换器被配置成可以选择性地与该直流电传输线路和交流电分配网络失去电性连接并且失去机械连接，以方便对该至少第一模块化直流/交流变换器进行维护，同时该交流电分配网络持续提供交流电能给该多个海下负载的至少一者。
2.如权利要求1所述的模块化变电站，其特征在于：该模块化变电站包括多个保护和旁路电路，该多个保护和旁路电路与该直流电传输线路串联连接，每一个保护和旁路电路与对应的模块化直流/交流变换器并联连接，每一个保护和旁路电路被配置成可以工作在正常模式和故障模式；其中，在正常模式下，该直流电传输线的直流电能通过该保护和旁路电路传输给对应的模块化直流/交流变换器；在故障模式下，该对应的直流/交流变换器被旁路并且被隔离。
3.如权利要求1所述的模块化变电站，其特征在于：该模块化变电站包括多个直流环节和控制器，该多个直流环节与该直流电传输线路串联连接，每一个直流环节与对应的模块化直流/交流变换器并联连接，该控制器和该多个模块化直流/交流变换器相连接，该控制器被配置成发送控制信号给该多个模块化直流/交流变换器，调节至少一个模块化直流/交流变换器的交流输出功率，使该多个直流环节的直流电压取得平衡。
4.一种直流电能传输系统，其特征在于：该直流电能传输系统包括发送端和接收端；该发送端包括至少一个电能变换装置，该至少一个电能变换装置被配置成将从至少一个能量源接收的输入电能转换成直流电能；该接收端通过直流电传输线路与该发送端电连接，该接收端被配置成接收由该直流电传输线路传输的直流电能；该接收端包括多个逆变器模块和交流电分配网络，每个逆变器模块具有直流侧和交流侧，该直流侧可拆卸地与该直流电传输线路相连接，该交流侧用于输出从该直流侧转换得到的交流电能，该交流电分配网络可拆卸地与每一个逆变器模块的交流侧连接，该交流电分配网络被配置成将从该多个逆变器模块接收的交流电能分配给多个负载。
5.如权利要求4所述的直流电能传输系统，其特征在于：每一个逆变器模块的直流侧包括至少一个电容器，其中，该至少一个电容器的电压通过将该交流电分配系统的总交流电能维持在恒定的数值进行调节。
6.如权利要求4所述的直流电能传输系统，其特征在于：该接收端包括多个空载隔离开关，每一个空载隔离开关连接在对应的逆变器模块的交流侧和交流电分配网络之间，其中，该逆变器模块被配置成在遇到至少一个故障时停止工作，以方便将对应的空载隔离开关关断。
7.一种控制直流电能传输系统的方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
将由位于第一位置的能量源产生的并由直流电传输线路传输的直流电能传输至位于第二位置的模块化变电站；
通过多个模块化变换器将该直流电能转换成交流电能；
通过交流电分配网络将该交流电能分配至位于该第二位置附近的多个负载；以及
选择性地将一个或者多个模块化变换器与该直流电传输线路和该交流电分配网络隔离，并且同时持续提供交流电能至该多个负载中的至少一者。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
选择性地触发至少一个保护和旁路电路以将至少一个模块化变换器旁路。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
使至少一个模块化变换器停止工作；以及
打开至少一个空载隔离开关，将至少一个对应的模块化变化器隔离。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
通过维持该多个模块化变换器输出恒定的总交流电能，并调整至少一个模块化变换器输出的交流电能，以调节该对应的模块化变换器的直流侧的电容器处的直流电压。
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