KR20100063676A

KR20100063676A - 배전 시스템

Info

Publication number: KR20100063676A
Application number: KR1020090119093A
Authority: KR
Inventors: 리차드 에스 장; 라지브 다타; 크리스토프 마틴 실러; 만구엘르 요셉 송
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-06-11
Also published as: JP2010136615A; US20100133901A1; CN101753039B; JP5627879B2; US8692408B2; EP2194638A2; CA2686177A1; RU2009145979A; EP2194638A3; RU2518163C2; CN101753039A; KR101655457B1

Abstract

해저 배전 시스템(10)은, 사이트 확장 요건 및 전기 부하 토폴로지를 충족시키도록 적층되어 상호 접속된 전원측(20)과 해저 부하측(30)의 각각에 복수의 모듈러 변전기 구축 블록(12, 13)을 포함한다. 배전 시스템(10)은 시스템 DC 송전 링크/버스(14)를 포함하며, 여기서, 시스템 DC 링크(14)는 육상의 전력 설비(utility) 또는 최상위측 전원(20)으로부터 복수의 해저 부하 모듈(18)에 HVDC 또는 MVDC 전력을 송전하도록 구성되어 있다. 해저 배전 시스템(10)의 해저측에서의 적층형 모듈러 변전기 토폴로지는 해저 배전 시스템(10)의 육상/최상위측에서의 적층형 모듈러 변전기 토폴로지와 대칭이다.

Description

배전 시스템{MODULAR STACKED SUBSEA POWER SYSTEM ARCHITECTURES}

본 출원은, 35 U.S.C.§119(e)(1)하에서, Richard S. Zhang 등에 의해 2008년 12월 3일에 가출원된 미국 가특허 출원 제 61/119,490 호를 우선권으로서 주장한다.

본 발명은 일반적으로 직류(DC) 송전 버스를 통한 근해 및 해저 전기 부하용의 배전 시스템(electrical power delivery system)에 관한 것이다. DC 송전 버스의 수전단과 송전단 각각은 구조적으로 대칭인 모듈러 적층형 변전기(modular stacked power converters)를 포함한다. 수전단의 변전기는, 사이트 확장 요건에 근거하여, 또한 부하 유형 및 구성에 근거하여, 재구성이 가능하다.

육상 또는 근해의 플랫폼으로부터 해저 또는 먼바다에 위치하는 전기 부하로, 또는 역으로 근해의 발전(power generation) 타이백(tie-back)을 위한 역 전력 흐름 방향으로, 저비용 및 고 신뢰성/고 보수가능성, 고 효율성 및 고 전력 밀도로 보다 효율적으로 배전(deliver power)할 필요성이 산업계에서 늘고 있다. 오일 및 가스 산업에 있어서의 해저 처리 및 근해의 풍력 발전 등의 여러 애플리케이션에서 의 전화(electrification)의 경향에 의해 이러한 필요성이 점점 더 가속화되고 있다.

특히, 오일 및 가스 산업의 해저 처리에 있어, (1) 해저 처리를 위한 전기 드라이브 및 모터 구동 펌프 및 컴프레서, 해저 제어 및 통신 전자 장비, 전기 파이프라인 히팅(heating), 분리기/접착기용의 전력 공급 등과 같은 전기 부하가 늘어나고 있으며, (2) 프로젝트마다 수 kW ~ 대략 100MW 범위의 더 높은 전력이 요구되고 있고, (3) 수십 km에서 100~600km까지 거리가 더 길어지며, (4) 수심 1km ~ 3km의 더 깊어지고 있는 경향들을 보이고 있다.

단거리 또는 장거리에 거쳐 해저 및 근해 위치에서의 어느 영역에 분포된 많은 수의 전기 부하에 전력을 공급하기 위해, 전형적으로, 전력은, 육상 또는 근해의 플랫폼의 전원으로부터 송전 버스를 통해 해저 또는 근해의 전력 변전소(substation)로 송전되고, 그 후, 배전 버스를 통해 그들의 전기 부하에 또한 배전되어야 한다. 일부의 경우에, 전기 부하를 갖는, 새롭게 발견된 오일 및 가스 저장소는, 인근의 이미 설립된 발전/송전/배전 인프라구조에 타이백(tie-back)되어야 한다.

그들의 해저 및 근해 부하에 효율적으로 송전 및 배전하는 시스템 구조는, 시스템의 토폴로지 구조에서, 교류(AC) 또는 직류(DC) 송전 및 배전의 선택으로부터, 송전 및 배전을 위한 저압 레벨의 선택까지, 매우 중요하다. 이들 시스템 구조는 시스템 비용, 신뢰성/보수가능성, 시스템 복잡성, 효율성 및 전력 밀도에 상당히 영향을 준다. 예를 들어, 전형적으로, 송전을 위한 근해 또는 해저 케이블은 전체 시스템 비용의 상당한 부분을 차지한다. 3상 AC 송전과 비교하여, DC 송전은 케이블의 수와 중량을 감소시켜, 잠재적으로 재료 및 설치 비용을 감소시킨다. 송전/배전을 위한 더 높은 전압은 케이블 손실을 감소시키기 때문에, 효율성은 높아지고 케이블 비용은 적어진다. 그러나, 전기 부하는 중간 전압 또는 저전압을 필요로 할 수 있으며, 송전/배전 전압을 필요한 부하 전압 레벨로 변전하는 추가의 변전 스테이지가 필요할 수 있다. 최적의 시스템 구조는 시스템의 복잡성과 비용을 상당히 적게 할 수 있다. 웨트 메이트(wet-mate) 및 드라이 메이트(dry-mate) 커넥터 등의 해저 커넥터와, 결함 부품을 회피하는 결함 허용 운용 능력은 시스템의 신뢰성 및 보수가능성에 크게 영향을 준다. 해저 커넥터의 수를 감소시킬 수 있고, 결함 허용 운용 능력을 제공하는 시스템 구조는 해저 및 근해의 애플리케이션에 대한 장기 신뢰가능한 운용에 있어 가장 중요하다.

3상 50/60 Hz의 AC 송전 및 배전은 충분히 발달된 기술이다. 그러나, 장거리 및 고전력의 해저 또는 근해의 애플리케이션에서, 또는 단거리이지만 전원의 한정된 용량 마진을 가진 애플리케이션에서조차도, 나름대로의 제한사항들이 존재한다. 케이블의 캐패시턴스로 인해, 부하가 필요로 하는 유효 전력에 부가하여, 상당량의 무효 전력이 전원으로부터 공급되어 케이블에 의해 배송되어야 한다. 그 결과, 케이블 손실이 높아지고, 전류 정격이 높아지고, 케이블의 수가 많아지고 비 용이 높아지며, 케이블을 통과하는 전압 손실이 높아진다. 오일 및 가스 해저 프로젝트의 장거리 및 고 전력 송전에 있어, 이들은 문제점은 더 심각하게 된다. 단거리 송전/배전에 있어서 조차도, 이들 문제점은 전원의 한정된 용량 마진을 가진 애플리케이션에 있어 여전히 존재한다. 예를 들어, 한정된 용량 마진을 가진 근해 플랫폼 상의 기존의 전력 인프라구조에 타이백되어 있는 전기 부하에 있어, 비교적 많은 양의 무효 전력이 시스템의 안정성 문제점을 유발할 수 있거나, 전원의 전류 정격 한계값을 초과할 수 있다.

50/60 Hz의 AC 송전/배전의 단점은, AC 주파수를, 예를 들어, 16 2/3 Hz로 감소시켜 동일한 케이블의 캐패시턴스 하에서 무효 전력의 양을 감소시킴으로써 완화될 수 있다. 그러나, 이러한 해결책은 변압기 등의 자기 부품(magnetic component)의 크기를 비례해서 증가시킨다는 것이다. 고 전력 레벨에서는, 크기 및 중량의 불이익이 과도하게 커질 수 있다.

직류(DC) 송전 및 배전은 배전에 있어서의 케이블의 캐패시턴스 및 무효 전력의 문제점을 기본적으로 극복할 수 있으며, 고전압은 송전 및 배전에서의 손실을 더 감소시킬 수 있다. 기존의 고전압의 직류 기술은, 변전을 위한 고전압 능력을 제공하기 위해, 단지 2 레벨 회로 토폴로지를 이용하고, 프레스 팩 IGBT 및 사이리스터(thyristor) 등의 다수의 특수 전력 스위치의 직렬 접속에 의존한다. 2 레벨 회로를 이용한 고전압 스위칭으로 인해, 입력 및 출력을 평탄하게 하는데 큰 필터가 필요하다. 이들 특수 전력 스위치(밸브) 및 큰 필터는 기존의 고전압 직류 기술은 비싸고 규모가 큰 해저 애플리케이션 해결책이 되어질 수 있다.

다른 고전압 또는 중간 전압의 직류 기술은 다수의 모듈러 변전기의 구축 블록(building block)을 이용하여 적층하는 DC 송전 또는 배전 버스를 형성한다. 이들 구축 블록은 다른 표준의 드라이브 애플리케이션에서 동일하게 만들어질 수 있기 때문에, 적층형 모듈러 DC 기술은 잠재적으로 상당히 낮은 비용 및 상당히 높은 신뢰성을 제공한다. 또한, 더 낮은 비용으로 필터를 상당히 소형화할 수 있도록, 이들 모듈러 변전기를 위한 제어 수단이 AC 측에서의 고조파를 소거할 수 있다.

다수의 전기 부하에 작용하는 송전 및 배전용의 모듈러 적층형 변전기에 의해 형성된 DC 전송 버스에 근거한 시스템 구조에 주목할 필요가 있다. 주된 목적은, 낮은 시스템 비용 및 복잡성, 높은 시스템 신뢰성/보수가능성, 높은 효율성 및 전력 밀도를 가진 최적의 배전 시스템을 달성하는 것이다. 대상은, 단수 또는 복수의 전기 부하가, 해저 또는 근해에서, 장거리 또는 단거리로, 또한 고전력 또는 저전력으로, 전력을 공급받도록 하는 애플케이션이다.

본 발명의 실시예는, DC 송전 버스를 통해 하나 또는 복수의 AC 부하에 전력을 배전하도록 구성된 AC 전원을 포함하는 배전 시스템을 포함하되, 상기 DC 송전 버스는 송전단과 수전단을 포함하며, 상기 송전단은 적층형 모듈러 변전기 토폴로지로 구성된 복수의 모듈러 변전기에 접속되며, 상기 수전단은 적층형 모듈러 변전기 토폴로지로 구성된 복수의 모듈러 변전기에 접속되며, 상기 수전단에서의 상기 적층형 모듈러 변전기 토폴로지는 상기 송전단에서의 상기 적층형 모듈러 변전기 토폴로지와 대칭이다.

본 발명에 따르면, 낮은 시스템 비용 및 복잡성, 높은 시스템 신뢰성/보수가능성, 높은 효율성 및 전력 밀도를 가진 최적의 배전 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 따라, 시스템의 최상위(top)측/육상측 및 해저측 모두의 모듈러 적층형 변전기 구축 블록(12, 13)을 구비한 해저 배전 시스템(10)을 예시하는 개략도이다. 해저 배전 시스템(10)은 중간 전압의 직류(MVDC) 또는 고전압의 직류(HVDC) 케이블일 수 있는 시스템 DC 송전 링크/버스(케이블)(14)를 포함하며, 여기서 송전 DC 버스(14)는 최상위측 또는 육상의 전력 모듈(16)으로부터 적어도 하나의 해저 부하 모듈(18)로 전력을 배송하도록 구성되어 있다. 전력 모듈(16)과 해저 부하 모듈(18)은 모두 각각이 하나 이상의 개별적인 적층형 모듈러 변전기 구축 블록(12, 13)을 포함할 수 있다. 각각의 모듈러 변전기 구축 블록(12, 13)은 다수의 기존의 모터 드라이브 유형에서는 일반적인 DC-AC 변환기, AC-AC 변전기, DC-DC 변전기, 또는 AC-DC 변환기 등의 모듈러 변전기를 포함하며, 전력 모듈(16)과 해저 부하 모듈(18)은, 예를 들어, 고전압 절연 레벨을 필요로 하는 그들의 토폴로지 등의 다른 종류의 전기적인 해저 부하 토폴로지와 사이트 확장 요건을 충족시키기 위해, 맞춤형의 변전기를 필요로 하지 않는다.

또한, 해저 배전 시스템(10)은, 예를 들어, 터빈(24)을 통해 구동되어 AC 전력을 생성하는 발전기(22)를 포함할 수 있는 발전 시스템(20)을 포함한다. 발전 시스템(20)은, 중간 전압의 직류(MVDC) 또는 고전압의 직류(HVDC) 전력을 생성하기 위해, 발전기(22) 및 터빈(24)과 함께 적층되어 구성되어 있는 복수의 산업 표준의 모듈러 변전기(12)를 각각이 포함할 수 있는 적어도 하나의 전력 모듈(16)을 더 포함한다.

해저 배전 시스템(30)은, 발전 시스템(20)을 통해 생성된 중간 전압의 DC 송전 전력 또는 고전압의 DC 송전 전력 레벨에 응답하여, 시스템의 해저 부하 모듈측에 함께 적층되어 구성되어 있는 복수의 산업 표준의 모듈러 변전기(13)를 각각이 포함할 수 있는 적어도 하나의 해저 부하 모듈(18)을 포함한다.

모듈러 적층형 변전기(13) 및 본 명세서에 기재된 다른 구성 요소뿐만 아니라, 표준의 모듈러 적층형 변전기(12) 간의 상호 접속은, 사이트 확장 요건 및 전기적인 해저 부하 토폴로지에 근거하여, MVDC 송전 전압, HVDC 송전 전압, 및 원하는 해저 배전 시스템 전압을 생성하도록, 또한, 예를 들어, 매칭되거나 매칭되지 않는 송전 및 배전 전압과 해저 부하 모듈 전압 사이의 매칭을 최적화하도록 쉽게 구성될 수 있다.

도 2는 종래의 해저 변전기 모듈(32)을 예시하는 개략도이다. 종래의 해저 변전기 모듈(32)은, 변전기 모듈(32)의 고장의 경우에 변전기 모듈(32)을 절연하도록 동작하는 스위치기어(switchgear)(34)를 더 포함하는 것으로 볼 수 있다. 변압기(36)는 스위치기어(34)의 출력에서의 AC 송전 전압을 해저 부하에 유용한 레벨까 지 감소시키는데 사용된다. 또한, 해저 커넥터(38)는 스위치기어(34)를 변압기(36)에 접속하기 위해 필요하며, 이는 해저 배전 네트워크의 신뢰성에 악영향을 준다. 종래의 변전기 모듈(32)은 AC-DC 변환기(40)와 DC-AC 변환기(42)를 포함하는 것으로 볼 수 있다.

도 3은, 본 발명의 특정 실시예에 따라, 통합된 바이패스 및 조정 기능을 가진 해저 변전기 모듈(13)을 도시한다. 통합된 바이패스 및 조정 기능을 가진 적층형 변전기 모듈(13)을 포함하는 해저 배전 네트워크를 통해 사용될 수 있는 변전기 모듈(13)은 변전기 모듈(32)에 비해 상당히 간단한 구조를 가진 것으로 볼 수 있다. 변전기 모듈(13)은, 예를 들어, DC 입력 전압에 응답하여 동작하기 때문에 AC-DC 변전 스테이지(40)를 필요로 하지 않아, 전체적인 시스템 신뢰성을 향상시키고 비용을 감소시킨다. 변전기 모듈(13)은, 예를 들어, 전압 조정기와 바이패스 스위치의 둘 다로서 구성될 수 있는 DC 초퍼 소자(DC chopper element)(44)를 더 포함하는 것으로 볼 수 있다. 초퍼 소자(44)는 상술한 스위치기어(34)를 대신하며, 변전기 모듈(12)의 고장시에 해저 변전기 모듈(13)을 바이패스하는 기능을 행한다. 초퍼 소자(44)는 대응하는 모듈러 적층형 변전기(13)에 대한 DC 버스 송전 전압을 조정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 초퍼 소자(44)는, 스위치기어(34)와 변압기(36) 사이에, 또한 변압기(36)와 해저 변전기(32) 사이에 추가적인 해저 커넥터의 필요성을 제거하여, 상술한 바와 같이, 시스템의 신뢰성을 개선시키고 시스템 비용을 감소시킨다. 변전기 모듈(13)은, 본 발명의 일측면에 따라, 변전기 모듈(13)의 입력 브리지 부분의 2개의 절연된 게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT) 중 하나만이 동작가능할 때조차, 계속해서 동작할 수 있다는 점에서, 충분히 중복적으로 동작한다.

본 명세서에 기재된 다른 예시적인 변전기 모듈의 실시예뿐만 아니라 변전기 모듈(13)은 추가적인 필터 소자, 예를 들어, 인덕터를 사용할 수 있다. 이들 추가적인 필터 소자는, 그들 소자가 본 명세서에 기재된 신규한 원리의 이해에 필수적인 것이 아니기 때문에, 추가로 상세히 설명되거나 도면에 도시되어 있지 않다. 본 발명의 특정 실시예에 관련해서 본 명세서에 설명된 도면은 간결함을 유지하기 위해 또한 이들 신규한 원리의 이해를 돕기 위해 간략화되어 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 복수의 DC 송전 기반 해저 배전 시스템 토폴로지(50)를 나타내는 고레벨의 도면이다. DC 송전 기반 토폴로지(50) 각각은 본 명세서에 추가로 상세히 설명되는 대칭적인 모듈러 적층형 변전기의 개념으로 구현된다. 이들 모듈러 적층형 변전기는, 해저 배전 시스템이 사이트 확장 요건을 충족하거나 초과하며 다양한 전기적인 해저 부하 토폴로지를 지원하도록, 해저 배전 시스템을 쉽게 재구성하는 수단을 제공한다. 예를 들어, 짧거나 긴 송전 거리에 걸쳐 동작가능한 해결책을 제공하고, 고전력 또는 저전력의 부하 소비 요건을 수용하고, 및/또는 매칭되지 않은 송전/배전 전압 및 해저 부하 전압을 수용하는 해저 배전 시스템(10)이 필요할 수 있다.

복수의 모듈러 적층 해저 배전 시스템의 토폴로지(50)는 1) 송전 및 배전 전압이 모두 DC 전압이고 모듈러 적층형 변전기가 해저 부하에 통합되는 통합 가변 속도 드라이브 시스템을 가진 DC 배전(52)과, 2) 송전 및 배전 전압이 모두 DC 전 압이고 배전 전압이 송전 전압과 분리되지 않은 시스템(54)과, 3) 송전 전압과 배전 전압이 모두 DC 전압이고 배전 전압이 송전 전압과 분리된(즉, 변압기를 통한 전기적 분리(galvanic isolation)) 시스템(56)과, 4) 송전 전압이 DC 전압이고 배전 전압이 분리된 AC 전압인 시스템(58)과, 5) 송전 전압이 DC 전압이고 배전 전압이 DC 전압과 AC 전압의 모두를 포함하는 시스템(60)을 포함하는 것으로 볼 수 있다. 토폴로지(50) 각각에서의 송전 전압은, AC 송전 전압 케이블 비용과 비교하여 송전 케이블(14)의 비용이 감소되는 DC 송전 전압이다.

도 5는, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 송전단이 적층형 모듈러 변전기로 구현되고, DC 송전선의 수전단이 복수의 부하를 DC 송전선에 통합하도록 구성되고, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지에 대응하는 예시적인 해저 배전 시스템(46)을 예시한다. 본 발명에 따르면, 해저 배전 시스템(46)은, 송전/배전 전압이 총 소비 전압과 실질적으로 일치한 경우에 사용하기에 적합하다. 해저측의 모듈러 적층형 변전기의 토폴로지는 해저 배전 시스템(46)의 육상 또는 최상위측의 모듈러 적층형 변전기의 토폴로지와 대칭인 것으로 볼 수 있다.

도 6은, 본 발명의 일실시예에 따라, 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기(55)로 구현되고, 직렬 접속된 인덕턴스(61)를 통해 대응하는 모듈러 변전기(55)에 접속된 하나 이상의 AC-DC 변전기(59)를 통해 하나 이상의 중간 DC 배전 버스(57)를 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지(54)에 대응하는 해저 배전 시스템에 있어서의 DC 송전선의 수전단에 대한 상세도이다. DC 배전 버스(57)는, 예를 들어, DC 전력을 하나 이상의 전기 부하(63)에 배전하기 위해 래디얼(radial) 구조 또는 링 구조를 이용하여 구성될 수 있다.

도 7은, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기(62)로 구현되고, 하나 이상의 전기적 분리 변압기(65)를 통해 대응하는 모듈러 변전기(62)에 접속된 하나 이상의 AC-DC 변전기(71)를 통해 DC 전력을 하나 이상의 전기 부하(67)에 배전하기 위한 하나 이상의 중간 DC 배전 버스(69)를 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지(56)에 대응하는 해저 배전 시스템의 송전단 및 수전단에 대한 상세도이다. 시스템 토폴로지(56)는, 총 DC 송전 전압이 총 해저 부하 전압과 실질적으로 일치하지 않는 경우에 사용하기에 적합하다. 이 경우에, 송전 스테이지에서의 전압은 절연 변압기(65)에 의해 배전 시스템의 전압까지 단계적으로 낮추어진다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 절연 변압기(65)는 저주파수의 변압기, 중간 주파수의 변압기, 고주파수의 변압기, 또는 이들의 조합일 수 있다. 저주파수는, 예를 들어, 16.7 Hz, 50 Hz, 또는 60 Hz일 수 있다. 중간 주파수는 대략 200 Hz와 대략 1 kHz 사이의 주파수일 수 있다. 고주파수는 대략 5 kHz와 대략 20 kHz 사이의 주파수일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 명세서에 기재된 이론에 따라 구현되는 다른 실시예가 대략 10 Hz와 대략 20 kHz 사이의 주파수 범위 중 어느 하나 이상의 주파수에서 동작하도록 구성된 절연 변압기를 이용하여 실행가능한 해결책을 제공할 수 있다.

도 1에 도시된 발전 시스템(20)은, 예를 들어 터빈(24)을 통해 구동되는 발전기(22)에 의해 전력이 제공될 수 있는, 본 명세서에 기재된 모듈러 적층 배전 시 스템의 각각에서 이용하기에 적합하다. 일실시예에 따르면, 육상 또는 최상위측 부하 모듈(16)은 복수의 모듈러 AC-DC 정류기 구축 블록(64)을 포함하며, 각각의 정류기(64)는 폴리건 변압기(polygon transformer)(66) 등의 변압기를 통한 감소된 발전기 신호에 응답한다. 간략화를 위해서 2 레벨 정류기만이 예시되어 있지만, 각각의 정류기 구축 블록(64)은, 예를 들어, 2 레벨 또는 3 레벨 정류기일 수 있다. 각각의 정류기 구축 블록(64)은, 타이밍 위상 시프트 출력 신호로 되는 방식으로 스위칭된다. 각각의 폴리건 변압기(66)는, 잔여 변압기 출력 신호에 대하여 공간적으로 위상 시프트된 출력 신호로 되는 방식으로 동작한다. 동시에, 바람직하게, 이들 타이밍 위상 시프트 및 공간 위상 시프트는, 송전 전압, 배전 전압, 및/또는 부하 전압 상에 나타날 수 있는 고조파 성분을 소거하도록 동작한다. 최상위측 또는 육상의 부하 모듈(16)은, 각각의 초퍼 모듈(44)이 자신의 대응하는 정류기(64)의 고장으로 인해 필요하다면 자신의 대응하는 정류기(64)에 대한 바이패스를 제공할 수 있도록, 바이패스 스위치로서 동작하도록 구성되는 복수의 초퍼 모듈(44)을 더 포함할 수 있다.

모듈러 적층 해저 DC 배전 시스템 토폴로지(56)의 해저 부분은 적층 토폴로지에서 복수의 모듈러 DC-DC 변전기(62)를 포함한다. 또한, 각각의 모듈러 변전기(62)는 고장시에 초퍼 모듈(44)을 통해 바이패스될 수 있다. DC 송전 버스/링크(14)의 해저측 상의 모듈러 적층형 변전기 토폴로지는 DC 송전 버스/링크(14)의 육상/최상위측 상의 모듈러 적층형 변전기 토폴로지와 대칭인 것으로 볼 수 있다.

도 8은, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기(72)로 구현되고, 하나 이상의 변압기(65)를 통해 하나 이상의 중간 AC 배전 버스(74)를 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지(58)에 대응하는 해저 배전 시스템의 수전단에 대한 상세도이다. 각각의 해저 부하(68)는 자기 자신의 가변 속도 드라이브(70)를 갖는 것으로 볼 수 있다. 하나의 토폴로지(58)에서의 해저 부하 모듈(18)은, 함께 적층되어 적어도 하나의 AC 전압을 생성하는 복수의 모듈러 DC-AC 변전기 구축 블록(72)을 포함한다. 변압기(65)는 대응하는 가변 속도 드라이브(70)를 통해 구동되는 해저 부하(68)와 해저 부하 모듈(18)의 수전단 사이를 분리한다.

본 발명의 특정 측면에 따르면, 해저 변압기(65)는 1차측의 복수의 3상 권선과 2차측의 탭 절환기(tap changer)를 포함한다. 탭 절환기는 부하가 있는 상태에서 동작하지 않아야 하며, 동작시에 직렬 접속된 송전 모듈의 개수와 접속된 해저 부하(68)의 개수에 따라 출력 전압을 적응시키는 메카니즘을 제공하기 때문에, 이러한 특징은 기존의 해저 배전 시스템에 비해 상당한 유연성을 갖는다. 해저 변압기(65)는 상이한 출력 전압을 공급하기 위해, 병렬 또는 직렬 접속될 수 있거나, 전환 스위치에 의해 접속되어, 예를 들어, 병렬 접속식으로부터 직렬 접속식으로 변경될 수 있다.

도 9는, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기(76)로 구현되고, 1) 하나 이상의 절연 변압기(65)를 통해 절연되거나 절연되지 않은 하나 이상의 중간 DC 배전 버스(77)와, 2) 하나 이상의 대응하는 변압기(65)를 통한 하나 이상의 중간 AC 배전 버스(79) 와, 3) DC 송전선에 통합된 하나 이상의 부하(80)를 제공하도록 구성되고, 도 4에 나타낸 하나 이상의 합성 토폴로지(60)에 대응하는 해저 배전 시스템의 수전단에 대한 상세도이다.

시스템 토폴로지(60)는, 모듈러 적층 해저 부하 모듈의 DC-AC 변환기 부분(82)과 모듈러 해저 부하 모듈의 DC-DC 변전기 부분(84)을 제공하도록 적층될 수 있는 복수의 모듈러 변전기 구축 블록(76)을 포함한다. DC-AC 변환기(76)는 복수의 가변 속도 DC 드라이브(86)를 위한 MVDC 또는 HVDC 전력을 생성하는 인덕터 소자(61) 및 정류기 메카니즘(78)으로 구성될 수 있다. 또한, DC-AC 변환기(76)는 복수의 가변 속도 AC 드라이브(88)를 위한 MVAC 또는 HVAC 전력을 직접 생성하도록 구성될 수 있다. 통합된 변압기(65)를 구비한 모듈러 DC-DC 변전기 부분(84)은 DC 커플러로서 동작하여 고 DC 전압을, 대응하는 해저 부하에서 이용하기에 적합한 저 DC 전압 레벨로 감소시킬 수 있다.

도 10은, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기(76)로 구현되고, 전기적 분리 변압기(65)로 DC 송전선의 수전단에서의 제어 전력을 AC 배전 버스(92)에 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나 이상의 토폴로지에 대응하는 해저 배전 시스템의 수전단에 대한 상세도이다.

모든 해저 설비는 제어 시스템을 필요로 한다. 해저 제어 시스템은 수십 또는 수백의 저전력 소비 부품, 예를 들어, 밸브의 물리적인 변위를 위한 전기 구동 액츄레이터로 구성될 수 있다. 장거리에 걸쳐 해저 제어 시스템용 전력을 송전하 는 것은 도전을 받고 있는데, 왜냐하면 이들 부하는 전형적으로 일정한 해저 버스 바 전압(sub-sea bus bar voltage)을 필요로 하기 때문이다. 도 10에 도시된 적층형 변전기 토폴로지는 수백 km에 걸쳐 신뢰성 있는 방식으로 제어 전력을 공급하는 해결책을 제공한다. 일반적으로, 공급되어야 하는 부하는 저전압/저전력(반드시 모터 구동의 부하일 필요는 없다)이며, AC 공급 전압, 예를 들어, 400V, 60Hz로 일반적으로 설계되는 상당수의 해저 저전력 소비 부품일 수 있다.

설명을 요약하면, 몇몇 해저 배전 시스템의 실시예가 본 명세서에 기재되어 있다. 이들 해저 배전 시스템의 실시예는, 사이트 확장 요건 및 전기 부하 토폴로지에 근거하여 용이하게 적층되어 구성되는 모듈러 변전기 구축 블록을 사용한다. 각각의 해저 배전 시스템의 실시예는 최상위측 또는 육상의 전원으로부터 적어도 하나의 해저 부하 모듈에 전력을 송전하도록 구성된 시스템 DC 송전 버스/링크를 포함할 수 있다. 최상위측 또는 육상의 전원과 함께 적층되어 구성되어 있는 복수의 모듈러 변전기를 포함하는 발전 시스템이 사용되어, DC 송전 버스/링크를 통해 송전되는 중간 전압의 직류(MVDC) 또는 고전압의 직류(HVDC) 전력을 생성한다. 시스템의 해저 부하측에 함께 적층되어 구성되어 있는 복수의 모듈러 변전기를 포함하는 해저 배전 시스템은 MVDC 또는 HVDC 송전 전력에 응답하여 원하는 해저 배전 시스템 전압을 생성한다. 해저 배전 시스템에서의 해저측 상의 적층형 모듈러 변전기 토폴로지는 해저 배전 시스템에서의 육상/최상위측의 적층형 모듈러 변전기 토폴로지와 대칭이다.

본 명세서에서 본 발명의 특정 실시예만이 예시되고 설명되었지만, 당업자에 의해 다수의 변경 및 수정이 일어날 수 있다. 따라서, 첨부한 청구범위는 본 발명의 진정한 사상의 범위 내에서 이러한 모든 수정 및 변경을 커버하고자 한다.

본 발명의 상술한 특징 및 다른 특징, 측면 및 장점은, 동일 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면과 결부시켜 설명된 상세한 설명으로부터 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 육상측 또는 최상위측 및 해저측의 양쪽 상의 적층형 모듈러 변전기의 구축 블록을 가진 해저 배전 시스템을 예시하는 개략도,

도 2는 해저 배전 네트워크에서 알려져 있는 종래의 해저 변전기 모듈을 예시하는 개략도,

도 3은 해저 배전 네트워크에 있어 본 발명의 일실시예에 따른 통합 바이패스 및 조정 기능을 가진 해저 변전기 모듈을 예시하는 개략도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 모듈러 적층 해저 배전 시스템의 토폴로지를 나타내는 도면,

도 5는, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 송전단이 적층형 모듈러 변전기로 구현되고, DC 송전선의 수전단이 복수의 부하를 DC 송전선에 통합하도록 구성되고, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지에 대응하는 예시적인 해저 배전 시스템을 예시하는 도면,

도 6은, 본 발명의 일실시예에 따라, 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기로 구현되고, 직렬 접속된 인덕턴스를 통해 대응하는 모듈러 변전기에 접속된 하나 이상의 AC-DC 변전기를 통해 하나 이상의 중간 DC 배전 버스를 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지에 대응하는 해저 배전 시스템에 있어서의 DC 송전선의 수전단에 대한 상세도,

도 7은, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기로 구현되고, 하나 이상의 전기적 분리 변압기를 통해 대응하는 모듈러 변전기에 접속된 하나 이상의 AC-DC 변전기를 통해 하나 이상의 중간 DC 배전 버스를 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지에 대응하는 해저 배전 시스템에 대한 상세도,

도 8은, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기로 구현되고, 하나 이상의 변압기를 통해 하나 이상의 중간 AC 배전 버스를 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나의 토폴로지에 대응하는 해저 배전 시스템의 수전단에 대한 상세도,

도 9는, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기로 구현되고, 1) 하나 이상의 절연 변압기를 통해 절연되거나 절연되지 않은 하나 이상의 중간 DC 배전 버스와, 2) 하나 이상의 대응하는 변압기를 통한 하나 이상의 중간 AC 배전 버스와, 3) DC 송전선에 통합된 하나 이상의 부하를 제공하도록 구성되고, 도 4에 나타낸 하나 이상의 토폴로지에 대응하는 해저 배전 시스템의 수전단에 대한 상세도,

도 10은, 본 발명의 일실시예에 따라, DC 송전선의 수전단이 DC 송전 전압을 수전하기 위해 모듈러 적층형 변전기로 구현되고, 전기적 분리 변압기로 DC 송전선의 수전단에서의 제어 전력을 AC 배전 버스에 제공하도록 구성되며, 도 4에 나타낸 하나 이상의 토폴로지에 대응하는 해저 배전 시스템의 수전단에 대한 상세도.

상술한 도면은 대안의 실시예를 설명하는 반면, 상세한 설명에서 설명하는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예가 또한 고려된다. 어떤 경우든, 이러한 설명은 제한이 아닌 대표로서 본 발명의 예시된 실시예를 제공한다. 다수의 다른 수정 및 실시예는 본 발명의 이론의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 당업자에 의해 개조될 수 있다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 해저 배전 시스템 12, 13 : 모듈러 변전기

14 : DC 송전 링크/버스/케이블 16 : 육상의 전력 모듈

18 : 해저 부하 모듈 20 : 발전 시스템

22 : 발전기 24 : 터빈

30 : 해저 배전 시스템 32 : 종래의 해저 변전기 모듈

34 : 종래의 해저 변전기 모듈 스위치기어

36 : 변압기

40 : 종래의 해저 변압기 모듈 AC-DC 변환기

42 : 종래의 해저 변압기 모듈 DC-AC 변환기

44 : DC 초퍼 46 : 해저 배전 시스템

50 : DC 송전 기반의 해저 배전 시스템 토폴로지

52 : 통합된 가변 속도 드라이브 시스템을 구비한 DC 배전

54 : 송전 및 배전 전압이 모두 DC 전압이고 배저 전압이 송전 전압과 분리되지 않은 시스템

55 : 모듈러 적층형 변전기

56 : 송전 및 배전 전압이 모두 DC 전압이고 배저 전압이 송전 전압과 분리된 시스템

57 : 중간 DC 배전 버스

58 : 송전 전압이 DC 전압이고 배전 전압이 분리된 AC 전압인 시스템

59 : AC-DC 변전기

60 : 송전 전압이 DC 전압이고 배전 전압이 DC 전압과 AC 전압을 모두 포함하는 시스템

61 : 직렬 접속의 인덕턴스 62 : 모듈러 적층형 변전기

63 : 전기 부하 64 : 모듈러 AC-DC 정류기 구축 블록

65 : 절연 변압기 66 : 폴리건 변압기

67 : 전기 부하 68 : 해저 부하

69 : 중간 DC 배전 버스 70 : 해저 부하 가변 속도 드라이브

71 : AC-DC 변전기 72 : 모듈러 적층형 변전기

74 : 중간 AC 배전 버스 76 : 모듈러 적층형 변전기

77 : 중간 DC 배전 버스 78 : 정류기 메카니즘

79 : 중간 AC 배전 버스 80 : 부하

82 : DC-AC 변환기 84 : DC-AC 변전기

86 : 가변 속도 DC 드라이브 88 : 가변 속도 AC 드라이브

92 : AC 배전 버스

Claims

배전 시스템(10)으로서,

DC 송전 버스(14)를 통해 하나 이상의 AC 부하에 전력을 배전하도록 구성된 AC 전원(20)을 포함하되,

상기 DC 송전 버스(14)는 송전단과 수전단을 포함하며,

상기 송전단은 적층형 모듈러 변전기 토폴로지로 구성된 복수의 모듈러 변전기(12)에 접속되며,

상기 수전단은 적층형 모듈러 변전기 토폴로지로 구성된 복수의 모듈러 변전기(13)에 접속되며,

상기 수전단에서의 상기 적층형 모듈러 변전기 토폴로지는 상기 송전단에서의 상기 적층형 모듈러 변전기 토폴로지와 대칭인

배전 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 하나 이상의 AC 부하는 하나 이상의 대응하는 수전단의 모듈러 변전기에 직접 접속되어 있는 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 하나 이상의 AC 부하는 적어도 하나의 변압기를 통해 하나 이상의 대응하는 수전단의 모듈러 변전기(13)에 접속되어 있는 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 DC 송전 버스(14)의 상기 수전단에서의 상기 모듈러 변전기 토폴로지는 중간 DC 배전 버스를 제공하도록 구성된 DC-DC 변전 스테이지를 포함하는 배전 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 DC 송전 버스(14)의 상기 수전단에서의 상기 모듈러 변전기 토폴로지는 AC 버스를 제공하도록 구성된 DC-AC 변전 스테이지를 더 포함하는 배전 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 DC-AC 변전 스테이지의 AC 출력에 접속된 AC-DC 변전 스테이지를 더 포함하는 배전 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 DC 송전 버스(14)의 상기 수전단에서의 상기 복수의 적층형 모듈러 변전기(13)는, 상기 중간의 DC 배전 버스에 접속되어 하나 이상의 해저 부하를 구동하도록 구성된 하나 또는 복수의 DC-AC 변전기를 더 포함하는 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 수전단은,

복수의 별개의 중간 DC 배전 버스로서, 각각이, 대응하는 변압기 및 대응하는 정류기 메카니즘와 함께 구성되어 대응하는 중간 DC 배전 버스를 제공하는 모듈러 DC/AC 변전기를 포함하는, 상기 복수의 별개의 중간 DC 배전 버스와,

중간 AC 배전 버스로서, 함께 구성된 하나 이상의 모듈러 DC/AC 변전기 및 대응하는 변압기를 포함하는, 상기 중간 AC 배전 버스

를 포함하는 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,

적어도 하나의 수전단의 모듈러 변전기(13)는, 대응하는 해저 부하를 제어하기 위해, 변전기와, 통합된 가변 속도 드라이브의 둘 다로서 구성되는 배전 시스 템.
제 1 항에 있어서,

상기 수전단의 적층형 모듈러 변전기(13)는, MVDC 또는 HVDC의 해저 부하와, MVAC 또는 HVAC의 해저 부하의 둘 다를 수용하도록 구성되는 배전 시스템.