CN110710078B - 供电系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种供电系统包括一个主电源和一个能量储存系统。主电源适于按需求向一个负载供应功率。能量储存系统的一个或多个能量储存模块(16)适于从负载接收再生功率。供电系统还包括一个变流器(21)，其连接在负载、能量储存系统和主电源之间，该变流器包括一个三相电压源变流器(24)和一个附加的两脉冲桥(32)。一个阻塞二极管(11)连接在负载与变流器(21)之间。

Description

供电系统和方法

技术领域

本发明涉及一种供电系统和操作方法，具体用于例如在船舶或平台上的钻机。

背景技术

在石油和天然气生产中，无论是陆上钻机还是海上钻机上的钻井设备都会产生热量并且需要冷却。然而，所产生的电机制动能量通常会散发到一串电阻器中，而这些电阻器随后在水中冷却。这浪费了能量，并且可能由于环境原因而受到反对。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种供电系统包括一个主电源和一个能量储存系统，其中主电源适于按需求向一个负载供应功率，并且其中能量储存系统的一个或多个能量储存模块适于从负载接收再生功率；供电系统还包括：一个变流器，连接在负载、能量储存系统和主电源之间；以及一个阻塞二极管，连接在负载二极管与变流器之间，其中变流器包括一个三相电压源变流器和一个附加的两脉冲桥。

阻塞二极管允许变流器的电压电平和负载DC母线的电压电平彼此独立。

电压源变流器可以包括一个六脉冲晶体管模块。

晶体管模块可以包括具有多个反向并联二极管的六个绝缘栅双极型晶体管。

附加的两脉冲桥可以包括具有多个反向并联二极管的多个绝缘栅双极型晶体管。

能量储存系统可以包括一个或多个能量储存模块，该一个或多个能量储存模块连接到变流器的附加的两脉冲桥。

主电源可以包括来自一个主能量储存器的能量，但是优选地，主电源包括一个AC发电机；并且供电系统还包括一个变压器，该变压器包括在AC发电机与变流器之间的初级绕组和次级绕组。

这可以在转换为DC之前将AC电压转换到合适电平。

能量储存系统还可以包括一个能量管理系统，由此该能量储存系统还适于在负载需求低于来自主电源的可用功率的情况下从主电源接收功率。

根据本发明的第二方面，一种操作根据第一方面的供电系统的方法包括以下之一：从一个主电源向一个负载供应功率；检测可用功率相对于需求的过量，并且将过量功率重新引导到能量储存系统；或者从一个主电源向一个负载供应功率；检测可用功率相对于需求的不足，并且从能量储存系统中汲取功率；或者从负载接收再生能量，并且将再生能量储存在能量储存系统中。

附图说明

现在将参考附图对根据本发明的供电系统的示例进行描述，其中：

图1图示了根据本发明的一种供电系统的一个示例；

图2a和图2b图示了图1的系统的一部分的多个实现方式的细节；

图3图示了图2a和图2b的一部分的更多细节；

图4图示了图1的系统的一部分的一个备选实现方式的细节；

图5图示了图1的系统的一部分的另一备选实现方式；

图6是图示了根据本发明的一种操作供电系统的方法的流程图。

具体实施方式

本发明借助于变流器解决了常规系统的效率问题和环境问题，该变流器使得能量储存装置能够与钻井设备驱动器的制动功率相结合。在钻机、钻井船舶或海上钻井平台上，对钻井驱动器的负载需求很大。另外，对于海上钻井船舶而言，来自推进器驱动器的负载需求很大。通常，这种负载需求由提供主电源的发电机(诸如柴油发电机)满足。然而，因为钻井驱动器和推进器驱动器的负载曲线不是恒定的，所以发电机通常以低效方式操作。在钻井驱动器的情况下，通常，高再生功率在电阻器串中被耗费掉，并且这些钻井驱动器通过船舶的冷却水被冷却、或者对于陆上钻机而言从冷却水源被冷却。

能量储存系统不是简单地耗散该能量，而是接收再生功率，并且将该再生功率储存以备后用。由于可以使用储存能量，所以这有助于减轻负载需求，而不必运行附加的发电机来满足来自钻井驱动器或推进器驱动器的临时更高需求。能量储存系统如同它是发电机那样有效地操作，以支持负载需求不断变化的船舶网络。因此，利用作为伪发电机的能量储存装置，该系统对环境更加友好。更一般地，发电机可以被设置为更高效地操作，因为当在其他情况下对于发电机以最佳负载运行的需求不足时，则所产生的过量功率被引导到能量储存系统并且被储存，而并非使引擎以较低负载运行。

US8446037描述了一种能量储存系统，该能量储存系统除了将一个或多个负载连接到一个DC母线之外，还将一个能量储存器连接到该DC母线。

本发明通过在一个DC母线与由一个变流器服务的一个负载之间设置从一个能量储存系统到该变流器的一个直接连接，来提供对上文所讨论的问题的一个解决方案。该变流器可以通过一个升压斩波器被连接到诸如多个电池之类的能量储存装置，以便在变流器中获得正确的内部DC电压。从多个变流器21到一个钻井驱动器DC母线10的连接通过一个阻塞二极管11来实现，该阻塞二极管11使得能量储存变流器21中的DC电压比钻井驱动器DC母线上的电压高。能量储存系统可以使用钻井驱动器的一个变压器来连接到船舶或钻机的一个中压网络。本文中所指的中压包括从1.5kV至20kV范围内的电压，例如，以440V AC或1lkVAC操作的网络落在中压范围之内。如上文所提及的，多个推进器驱动器具有可变的负载要求。

在图1中图示了包括根据本发明的一种供电系统的一个配电网络的一个示例。为了满足针对船舶或海上平台的监管冗余要求，供电系统可以被分配在通过一个常闭断路器连接的两个开关柜之间，该常闭断路器在一个开关柜发生故障的情况下断开，以防止故障导致损坏另一开关柜上的设备。在该示例中，在一个第一系统部分2中设置了一个第一开关柜部分1，而在一个第二系统部分4中设置了一个第二开关柜部分3。其他布置(例如，构成每个开关柜部分1，3的多个互连子部分)或者由多个断路器串联的多个附加开关柜也是可能的。

用于一个钻井船舶的典型AC网络电压为11kV 60Hz，由多个船载发电机(例如，多个柴油发电机或多个燃气轮机)产生。对于该示例，开关柜1，3的额定操作电流可以为1250A，并且1s内的短路额定值可以为25kA，但是根据应用，其他更高的额定值也是可能的。多个开关柜经由具有相同操作电流额定值的一个联络母线5和多个母联断路器6，7而连接在一起。多个断路器17可以以闭环配置将多个开关柜连接到多个其他开关柜(未示出)，例如，如WO2016001272中所描述的那样。在该示例中，额定视在功率为6000kVA的一个三相变压器8，9可以经由一个断路器而被连接到开关柜1，3，并且将网络电压变换到用于钻井负载DC母线10的合适电压，该合适电压在该示例中为690V AC。然后，在变流器21，12中将变换后的AC电压从AC转换到DC。附加地，可以通过变压器8，9的另一变压器绕组14来连接处于变换后的AC电压的一个能量储存AC开关柜13。以110V DC操作的多个不间断电源(UPS)15可以连接到该低压开关柜，以针对所有逻辑功能提供控制功率，其中在UPS内部从AC转换为DC，反之亦然。

钻井驱动器DC母线10可以经由与变流器串联的多个二极管11而被连接到变流器，该多个二极管被称为多个阻塞二极管，从而使得来自钻井驱动器的再生功率能够传递到能量储存系统。与现有技术不同，能量储存系统的多个能量储存模块16连接到变流器，而非连接到钻井DC母线10。对于每个系统部分2，4，可以设置连接到变流器21的多个能量储存模块16，使得如果来自推进器驱动器和钻井驱动器的需求低于来自网络的可用功率，则来自多个模块16的附加能量可以供应到多个钻井驱动器、或者多个钻井驱动器可以将再生功率返回到多个能量储存模块16、或者来自AC网络的变换后的功率可以供应到多个能量储存模块。

在图2a和图2b中更详细地示出了多个变流器以及多个能量储存模块16与DC母线之间的连接。图2a图示了用于本发明的功率系统的、能够从AC转换为DC或者从DC转换为AC的单个变流器21的一个示例，其示出了经由变流器21从DC母线10到一个负载AC母线22的连接。可以在DC母线10与变流器21之间的线路中设置一个开关或断路器23以及熔断器24。图2b示出了一个备选布置，其中存在并联连接到单个变压器38的多个变流器21，但是在其他方面具有与图2a的单个变流器示例中所示的特征相同的特征。在这种情况下，需要使输出频率和脉冲同步，以避免各个变流器单元21之间的振荡。

变流器在图3中被更详细地示出，并且包括一个完整的三相模块，该变流器在该示例中包括三相IGBT桥。变流器桥通常包括多个半导体器件，诸如多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)25，在该示例中被示为带有多个二极管(通常是多个缓冲二极管或多个续流二极管26)的六个IGBT。多个二极管被示为反向并联连接。阻塞二极管11连接在负载与变流器21的输入之间。多个电容器27可以设置在变流器的输入处，并且三相输出28，29，30中的每个输出都来自变流器21的一个支路31a，31b，31c。与常规变流器不同，变流器21设置有一个第四支路32。该第四支路32连接到诸如一个电池之类的一个能量储存模块16，并且用作一个斩波器，以将变化的电池电压提升至负载所需电平、并且还控制能量储存模块的充电。如图2a所示，该连接可以经由多个保险丝33、电感34和开关35完成。多个能量储存设备可以串联连接在一起以形成能量储存模块16。附加地，第四支路可以连接到一个电压峰值限制器电阻器41，以便避免多个船舶系统中的DC峰值。

再次参考图2a，可以在多个能量储存模块16与变流器21的第四支路32之间设置多个保险丝33、电感34和断路器35。可以在变流器与AC侧上的一个变压器38之间设置变流器的AC侧上的一个LC滤波器36，37，以对变流器的脉宽调制输出进行滤波。可以在变压器38与负载AC母线22之间设置一个断路器。未示出的钻井设备在连接到该AC母线时，从能量储存模块接收功率或向能量储存模块提供再生功率。附加地，滤波可以利用变压器38作为第二电感。在与外部电网的同步受限的情况下，可以使用一个仅基于电感的滤波器。变压器38使输出电压与所需电压匹配，例如，取决于应用，675V的输出电压可以与适当的网络电压(例如，440V AC，690V AC或11kV AC)匹配。如果应用中不需要变压器，则可以省略该元件。在用一个适配变压器38图示的示例中，变流器可以用于针对固定频率用户而将DC电压转换到50Hz AC或60Hz AC。该系统可以用于200kW AC电机和70％的非线性负载的直接在线(direct on line，DOL)启动。IGBT变流器具有高过载能力，这使得DOL有可能启动高达200kW的电机，因此使该变流器具有吸引力，并且提供了经济高效的解决方案。

图4和图5图示了另一实施例，其中当将两个或更多个变流器各自与一个或多个变流器互连时，可以实现增强的功能。该互连由串联连接在两个断路器41之间的一个智能负载控制器40完成，从而实现DC互连的完全在线控制。例如，可以生成连接到图1的AC中压开关柜1，3的690V固定频率。

图6图示了根据本发明的一种操作供电系统的方法的一个示例。功率经由一个开关柜1，3、DC母线10、多个变流器21以及AC负载母线22而从一个主电源供应50到一个负载。一个能量管理系统监测变化的负载需求和可用功率。如果检测51到可用功率相对于需求的过量，则过量功率被重新引导52到一个能量储存系统16。如果可用功率足以满足负载需求，则可用功率继续53被供应给负载。如果检测54到可用功率相对于需求的不足，则从能量储存系统16中汲取55附加功率。再一次地，如果测试表明不存在功率不足，则继续53向负载供应。能量管理系统还监测56由负载(即，由钻井设备)产生的再生功率。如果正在生成57再生功率，则该再生功率被引导到能量储存系统并且被储存58以供后续使用。

本发明使得能够利用添加能量储存装置来生成到多个辅助负载的固定频率AC功率，该能量储存装置如使用整流器的第四支路作为一个两象限双向斩波器所描述的。该系统可以根据要求(例如，最高500kW或最高1600kW)被设计为不同的AC安培额定值。本发明的益处包括通过在更好的、通常更高的负载条件下运行更少的柴油发电机来节省燃料。因此，减少燃料使用量减少了CO2和NOX的排放，由此对环境更有利。附加地，在更好的负载条件下运行较少的柴油发电机组可以节省运行时间和维护成本。例如，在出现发电问题的情况下，操作安全性通过设置能量储存装置得以提高。该系统可以改装为现有发电机，以提高性能并且应对负载变化。

除了节省成本和节省空间外，另一优点是无需使用大量额外设备即可以使用钻井驱动器的再生动力，并且可以更换或避免使用昂贵的制动电阻器。变流器处置来自钻井驱动器DC母线的电池功率和再生功率。

具体实施方式提及了在海上平台上的钻井船舶或钻井设备的示例，然而，如先前所指出的，本发明适用于具有离网供应的任何偏远位置，其中变化的负载和无功发电使得主能量源的优化更加复杂，因此陆地上、河口、湖泊或海洋环境中的钻机都可以从本发明的应用中受益。本发明不限于钻井，并且可以应用于为使用离网供应(诸如风电场)产生再生功率的设备供应功率的其他类型的远程设施、或者湖泊上的生产设施、或者其他发电设施。

Claims (8)

1.一种供电系统，包括一个主电源和一个能量储存系统，其中所述主电源适于按需求向负载总线供应功率；并且其中所述能量储存系统的一个或多个能量储存模块适于从所述负载总线接收再生功率；所述供电系统还包括一个变流器，所述变流器连接至所述负载总线中的每个负载总线、所述能量储存系统和所述主电源之间；以及一个阻塞二极管，所述阻塞二极管连接在所述负载总线与所述变流器之间，以允许在所述能量储存系统中具有比所述负载总线更高的直流电压；

其中所述变流器包括一个三相电压源变流器和一个附加的两脉冲桥，所述三相电压源变流器用于从所述主电源向所述负载总线供应功率以及从所述能量储存系统向所述负载总线供应功率，所述附加的两脉冲桥用于从所述负载总线接收再生功率并且将所述再生功率供应至所述一个或多个能量储存模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压源变流器包括一个六脉冲晶体管模块。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述晶体管模块包括具有多个反向并联二极管的六个绝缘栅双极型晶体管。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述附加的两脉冲桥包括具有多个反向并联二极管的多个绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述能量储存系统包括一个或多个能量储存模块，所述一个或多个能量储存模块连接到所述变流器的所述附加的两脉冲桥。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述主电源包括一个AC发电机；并且所述供电系统还包括一个变压器，所述变压器包括在所述AC发电机与所述变流器之间的初级绕组和次级绕组。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述能量储存系统还包括一个能量管理系统，由此所述能量储存系统还适于在负载需求低于来自所述主电源的可用功率的情况下从所述主电源接收功率。

8.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的供电系统的方法，所述方法包括以下之一：从一个主电源向一个负载总线供应功率；检测可用功率相对于需求的过量，并且将过量功率重新引导到所述能量储存系统；或者从一个主电源向一个负载总线供应功率；检测可用功率相对于需求的不足，并且从所述能量储存系统中汲取功率；或者从所述负载总线接收再生能量，并且将所述再生能量储存在所述能量储存系统中。