CN106385045A - 一种海上平台供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海上平台供电系统及其控制方法，所述系统包括第一换流器和第二换流器；第一换流器的交流侧与岸侧供电交流系统连接，第二换流器的交流侧与海上平台侧受电交流系统连接；第二换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括串联的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块，且二者数量相同。与现有技术相比，本发明提供的一种海上平台供电系统及其控制方法，采用由全桥型功率子模块和半桥型功率子模块组成的换流器，使得该换流器可以直接与岸侧供电系统或海上平台侧受电系统连接而不需要设置换流变压器，节省了海上平台换流站的空间和成本。

Description

一种海上平台供电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种海上平台供电系统及其控制方法。

背景技术

随着可再生能源的发展以及海上钻井平台规模的不断扩大，海上平台的建设在世界范围内正经历着前所未有的增长。然而由于海上平台规模的扩大以及作用的多样化，传统采用柴油发电机等为海上平台供电的方法由于可靠性、经济性以及环保要求等因素已无法满足目前的工程需求。

模块化多电平柔性直流输电技术具有灵活、可控的技术特点以及环保、占用空间较小、供电可靠性高等多方面优势，使得其特别适合应用于为海上平台系统供电等场合。但是换流变压器作为柔性直流输电系统内的重要组成部分将直接影响到工程的造价以及海上平台尺寸空间。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种海上平台供电系统及其控制方法。

第一方面，本发明中一种海上平台供电系统的技术方案是：

所述供电系统包括：第一换流器和第二换流器；

所述第一换流器的交流侧与岸侧供电交流系统连接，直流侧与所述第二换流器的直流侧连接；所述第二换流器的交流侧与海上平台侧受电交流系统连接；

所述第二换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；所述的多个功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块；所述全桥型功率子模块和半桥型功率子模块均包括全控型功率器件。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：

所述第一换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；所述的多个功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述供电系统还包括：换流变压器；

所述第一换流器通过所述换流变压器与岸侧供电交流系统连接；

所述第一换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的半桥型功率子模块。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述换流变压器为单相三绕组变压器，包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组；

所述第一绕组为星型绕组，用于连接岸侧供电交流系统；

所述第二绕组为星型绕组且其中性点接地，用于连接第一换流器；

所述第三绕组为角型绕组。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：

所述第一换流器采用单极接线方式与岸侧供电交流系统连接；

所述第二换流器采用单极接线方式与海上平台侧受电交流系统连接。

第二方面，本发明中一种海上平台供电系统的控制方法的技术方案是：

所述控制方法包括：

当所述供电系统正常运行时：控制所述第一换流器中功率子模块的投入数量，维持第一换流器的交流侧电压与所述岸侧供电交流系统的系统电压相同，及控制所述第二换流器中功率子模块的投入数量，维持第二换流器的交流侧电压与所述海上平台侧受电交流系统的系统电压相同；

当所述供电系统发生直流侧故障时：将所述第一换流器或第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制所述第一换流器或第二换流器输出反向电压抑制故障电流。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述第一换流器和第二换流器均包括全桥型功率子模块和半桥型功率子模块时，所述抑制故障电流包括：

若所述直流侧故障的故障点临近所述第一换流器，则将所述第一换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制所述第一换流器输出反向电压抑制故障电流；

若所述直流侧故障的故障点临近所述第二换流器，则将所述第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制所述第二换流器输出反向电压抑制故障电流。

进一步地，本发明提供的优选技术方案为：所述第一换流器包括全桥型功率子模块和半桥型功率子模块，第二换流器的功率子模块为半桥型功率子模块时，所述抑制故障电流包括：

将所述第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，控制所述第二换流器输出反向电压抑制故障电流，以及断开临近所述直流侧故障的故障点的交流断路器。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种海上平台供电系统，连接海上平台侧的换流器采用由全桥型功率子模块和半桥型功率子模块组成的混合子模块，全桥型功率子模块可以输出0和±Uc三个电平，该换流器可以直接与海上平台侧受电系统连接而不需要设置换流变压器，节省了海上平台换流站的空间和成本；

2、本发明提供的一种海上平台供电系统的控制方法，在供电系统正常运行时可以采用常规的模块化多电平换流器控制策略调整换流器的输出电压，在供电系统发生直流侧故障时可以通过投入全桥型功率子模块并控制换流器输出与交流电网的系统电压反向的电压抑制故障电流，该控制方法不需对换流变压器进行控制，降低了海上平台供电系统的设计难度和成本。

附图说明

图1：本发明实施例中一种海上平台供电系统的拓扑结构示意图；

图2：本发明实施例中另一种海上平台供电系统的拓扑结构示意图；

图3：模块化多电平换流器的拓扑结构示意图；

图4：混合子模块拓扑结构示意图；

图5：全桥型功率子模块工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种海上平台供电系统进行说明。

本实施例中海上平台供电系统可以包括第一换流器和第二换流器。其中，

第一换流器的交流侧与岸侧供电交流系统连接，直流侧与第二换流器的直流侧连接。

第二换流器的交流侧与海上平台侧受电交流系统连接，本实施例中第二换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；所述的多个功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块，即多个全桥型功率子模块和多个半桥型功率子模块依次串联。本实施例中全桥型功率子模块可以为采用全控型功率器件构成的全桥结构的功率子模块，半桥型功率子模块也可以采用全桥型功率器件构成的半桥结构的功率子模块。

本实施例中第二换流器采用由全桥型功率子模块和半桥型功率子模块组成的混合子模块，全桥型功率子模块可以输出0和±Uc三个电平。在供电系统正常运行时输出与交流电网匹配的电压，在供电系统发生直流故障时可以通过投入全桥型功率子模块并控制第二换流器输出与交流电网的系统电压反向的电压抑制故障电流，从而第二换流器可以直接与海上平台侧受电系统连接而不需要设置换流变压器，节省了海上平台换流站的空间和成本。

进一步地，本发明还提供了一种海上平台供电系统，并给出具体实施。

图1为本发明实施例中一种海上平台供电系统的拓扑结构示意图，如图所示，本实施例中海上平台供电系统包括上述第一换流器和第二换流器。其中，

第一换流器采用单极接线方式直接与岸侧供电交流系统连接，同时第一换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块。

第二换流器采用单极接线方式直接与海上平台侧受电交流系统连接，同时第二换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块。

本实施例中第一换流器和第二换流器的功率子模块均为混合子模块，因此第一换流器与岸侧供电系统，及第二换流器与海上平台侧受电系统之间均不需要设置换流变压器，节省了海上平台换流站的空间和成本。

进一步地，本发明还提供了另一种海上平台供电系统，并给出具体实施。

图2为本发明实施例中另一种海上平台供电系统的拓扑结构示意图，如图所示，本实施例中海上平台供电系统包括上述第一换流器、第二换流器和换流变压器。其中，

第一换流器采用单极接线方式并通过换流变压器与岸侧供电交流系统连接，同时第一换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的半桥型功率子模块。

第二换流器采用单极接线方式直接与海上平台侧受电交流系统连接，同时第二换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块。

本实施例中换流变压器可以采用单相三绕组变压器，包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组。其中，第一绕组为星型绕组，用于连接岸侧供电交流系统；第二绕组为星型绕组且其中性点接地，用于连接第一换流器；第三绕组为角型绕组，可以起到平衡换流变压器磁通等作用。

本实施例中第二换流器的功率子模块均为混合子模块，因此第二换流器与海上平台侧受电系统之间均不需要设置换流变压器，节省了海上平台换流站的空间和成本。

本发明还提供了一种海上平台供电系统的控制方法，并给出具体实施。

本实施例中供电系统包括与岸侧供电交流系统连接的第一换流器，及与海上平台侧受电交流系统连接的第二换流器。第一换流器和第二换流器的直流侧相互连接，且二者均为模块化多电平换流器。其中，

第一换流器的每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；该功率子模块，包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块；或者，该公路子模块为半桥型功率子模块且第一换流器通过换流变压器与岸侧供电交流系统连接。

第二换流器的每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；该功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块。

本实施例中海上平台供电系统的控制方法可以按照下述步骤实施，具体为：

1、供电系统正常运行

控制第一换流器中功率子模块的投入数量，维持第一换流器直流侧的输出电压恒定；以及控制第二换流器中功率子模块的投入数量，维持第二换流器交流侧的输出电压恒定。本实施例中以采用常规的模块化多电平换流器控制策略调整第一换流器和第二换流器的输出电压。

图3为模块化多电平换流器的拓扑结构示意图，如图所示，模块化多电平换流器各相桥臂均是通过一定量具有相同结构的功率子模块和一个阀电抗器串联构成，直流侧电压由桥臂中功率子模块所包含的电容电压构成，通过控制功率子模块的投入数量，即可灵活改变换流器输出的电压及功率等级。

图4为混合子模块拓扑结构示意图，如图所示，本实施例中：

半桥型功率子模块包括两个功率开关器件、两个二极管和一个直流电容。半桥型功率子模块正常运行时功率开关器件VT1和VT2交替导通：当功率开关器件VT1导通、VT2关断时半桥型功率子模块输出电压等于直流电容电压，该半桥型功率子模块为投入状态；当功率开关器件VT1关断、VT2导通时半桥型功率子模块输出电压等于0，该半桥型功率子模块为闭锁状态。

全桥型功率子模块包括四个功率开关器件、四个二极管和一个直流电容。图5为全桥型功率子模块工作原理示意图，如图所示，通过控制功率开关器件VT1-VT4的导通和关断状态，全桥型功率子模块可以输出0和±Uc三个电平，Uc为直流电容电压。全桥型功率子模块可以等效串联的电容和二极管，电容在故障回路中提供反电势，迅速阻断故障电流，整个过程大约为几个ms。

2、供电系统发生直流侧故障

将第一换流器或第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制第一换流器或第二换流器输出反向电压抑制故障电流。具体为：

海上平台供电系统为图1所示供电系统时，若直流侧故障的故障点临近所述第一换流器，则将第一换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制第一换流器输出反向电压抑制故障电流；若直流侧故障的故障点临近第二换流器，则将第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制第二换流器输出反向电压抑制故障电流。。

海上平台供电系统为图2所示供电系统时，将第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，控制第二换流器输出反向电压抑制故障电流，以及断开临近直流侧故障的故障点的交流断路器，从而切除故障线路。

本实施例中在供电系统正常运行时可以采用常规的模块化多电平换流器控制策略调整第一换流器和第二换流器的输出电压，在供电系统发生直流侧故障时可以通过投入全桥型功率子模块控制第一换流器或第二换流器输出与交流电网的系统电压反向的电压抑制故障电流，该控制方法不需对换流变压器进行控制，降低了海上平台供电系统的设计难度和成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种海上平台供电系统，其特征在于，所述供电系统包括：第一换流器和第二换流器；

所述第一换流器的交流侧与岸侧供电交流系统连接，直流侧与所述第二换流器的直流侧连接；所述第二换流器的交流侧与海上平台侧受电交流系统连接；

所述第二换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；所述的多个功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块；所述全桥型功率子模块和半桥型功率子模块均包括全控型功率器件。

2.如权利要求1所述的一种海上平台供电系统，其特征在于，

所述第一换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的功率子模块；所述的多个功率子模块包括数量相同的全桥型功率子模块和半桥型功率子模块。

3.如权利要求1或2所述的一种海上平台供电系统，其特征在于，所述供电系统还包括：换流变压器；

所述第一换流器通过所述换流变压器与岸侧供电交流系统连接；

所述第一换流器为模块化多电平换流器，其每个桥臂均包括多个串联的半桥型功率子模块。

4.如权利要求3所述的一种海上平台供电系统，其特征在于，所述换流变压器为单相三绕组变压器，包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组；

所述第一绕组为星型绕组，用于连接岸侧供电交流系统；

所述第二绕组为星型绕组且其中性点接地，用于连接第一换流器；

所述第三绕组为角型绕组。

5.如权利要求1所述的一种海上平台供电系统，其特征在于，

所述第一换流器采用单极接线方式与岸侧供电交流系统连接；

所述第二换流器采用单极接线方式与海上平台侧受电交流系统连接。

6.一种采用如权利要求1-5任一项所述的海上平台供电系统的控制方法，其特征在于，

所述控制方法包括：

当所述供电系统正常运行时：控制所述第一换流器中功率子模块的投入数量，维持第一换流器的交流侧电压与所述岸侧供电交流系统的系统电压相同，及控制所述第二换流器中功率子模块的投入数量，维持第二换流器的交流侧电压与所述海上平台侧受电交流系统的系统电压相同；

当所述供电系统发生直流侧故障时：将所述第一换流器或第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制所述第一换流器或第二换流器输出反向电压抑制故障电流。

7.如权利要求6所述的一种海上平台供电系统的控制方法，其特征在于，所述第一换流器和第二换流器均包括全桥型功率子模块和半桥型功率子模块时，所述抑制故障电流包括：

若所述直流侧故障的故障点临近所述第一换流器，则将所述第一换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制所述第一换流器输出反向电压抑制故障电流；

若所述直流侧故障的故障点临近所述第二换流器，则将所述第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，并控制所述第二换流器输出反向电压抑制故障电流。

8.如权利要求6所述的一种海上平台供电系统的控制方法，其特征在于，所述第一换流器包括全桥型功率子模块和半桥型功率子模块，第二换流器的功率子模块为半桥型功率子模块时，所述抑制故障电流包括：

将所述第二换流器的全桥型功率子模块全部投入，控制所述第二换流器输出反向电压抑制故障电流，以及断开临近所述直流侧故障的故障点的交流断路器。