具有电缆分段故障转移支持的功率传输系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及用于电力传输的系统和方法，并且更具体地涉及使用直流(DC)电缆进行电力传输的系统和方法。
【背景技术】
[0002]交流(AC)传输系统对于远距离传输高压电可能是效率低的，原因是AC电缆中的电容降低了 AC电缆的负载承受能力。相反，DC传输可以提供远距离传输高压电的更加有效的方式。中压(MV)和高压(HV) DC是在各种应用中(比方说例如海底石油和天然气加工工业以及海上风力发电)常用的两种远距离传输DC系统。
[0003]从陆地或海上平台向位于海床或远程海上位置的电力负荷传送功率的需求在日益增长。然而，传统的HVDC系统由于尺寸和所包括的数量众多的组件可能不能很好地适应海底安装。
[0004]进一步地，远距离传输，诸如用于海底功率传输可以通过海底电缆获得，海底电缆将来自诸如DC源或AC源的功率源的功率运送到一个或多个海上电站或变电所。然而，随着电缆长度的增加，电缆出现故障的可能性在增加。修理海底电缆可能需要很长的时间，例如几个星期。同时，电缆中的故障可能影响将功率供应到与故障电缆连接的电站/变电所。
[0005]因此，需要提供较不昂贵、可靠和甚至在电缆故障情况下也全面运行的功率传输系统。进一步地，需要提供在功率传输系统运行中故障电缆可以被修理或更换的功率传输系统。
【发明内容】
[0006]根据一个实施例，提供了一种功率传输系统。所述功率传输系统包括:至少一个变电所，所述至少一个变电所用于从功率源接收功率；以及直流DC电缆，所述直流DC电缆用于将来自所述功率源的功率传递到所述变电所。所述DC电缆包括多个分段，所述多个分段分别地或者组合形成将功率发送(route)到所述变电所的路径。所述系统进一步包括电耦连到每个分段的至少一个分段开关单元。所述分段开关单元中的至少一个包括:至少一个短路开关元件，所述至少一个短路开关元件用于响应于短路命令提供短路路径，以防止来自所述功率源的功率发送到相应的分段；以及至少一个断开(disconnect)开关元件，所述至少一个断开开关元件用于响应于断开命令断开所述相应的分段。
[0007]在另一实施例中，提供了一种海底DC功率传输系统。所述系统包括陆地系统和海上系统。所述陆地系统包括功率源。所述海上系统包括变电所，所述变电所用于从所述功率源接收功率。至少一个或更多个变电所包括子模块堆叠功率变换系统，所述子模块堆叠功率变换系统包括多个子功率变换器模块。所述海上系统进一步包括主电站，所述主电站电耦连于所述功率源和所述变电所之间。所述主电站包括主模块堆叠功率变换系统，所述主模块堆叠功率变换系统包括多个主功率变换器模块。所述海上系统进一步包括主开关单元和DC电缆，所述DC电缆用于将来自所述功率源的功率传递到所述变电所。所述DC电缆包括在所述主开关单元和所述变电所之间的多个分段，所述分段分别地或者组合形成将功率发送到所述变电所的路径。所述海上系统进一步包括至少一个分段开关单元，所述至少一个分段开关单元电耦连到所述分段中的每一个。所述分段开关单元中的至少一个包括:短路开关元件，所述短路开关元件用于响应于短路命令提供短路路径，以防止来自所述功率源的功率发送到相应的分段。所述分段开关单元中的至少一个进一步包括至少一个断开开关元件，所述至少一个断开开关元件用于响应于断开命令断开所述相应的分段。
[0008]在又一实施例中，提供了一种用于在功率传输系统中传输功率的方法。所述功率传输系统包括用于从功率源接收功率的变电所和DC电缆，所述DC电缆包括多个分段，所述多个分段分别地或者组合形成将功率发送到所述变电所的路径。所述方法包括:在相应分段的故障情况或者维修情况下，确保所述功率传输系统通过以下步骤保持运行:触发至少一个短路开关元件，以提供短路路径，从而防止来自所述功率源的功率发送到所述相应的分段；触发至少一个断开开关元件，用于断开所述相应的分段；以及将功率经由所述多个分段中的至少一个运行分段发送到所述变电所。
【附图说明】
[0009]本发明的这些和其它特征、方面和优点在参照附图阅读下面的详细描述时将变得更好理解，图中，相同的字符在所有图中代表相同的部件，其中:
[0010]图1是根据一个实施例用于将来自功率源的电功率传输到第一变电所的功率传输系统的框图。
[0011]图2是图1的功率传输系统在DC电缆的第一分段出现故障时的示意表示。
[0012]图3是图1的功率传输系统在DC电缆的第二分段出现故障时的示意表示。
[0013]图4图解说明根据一个实施例的三极类型的分段开关单元。
[0014]图5是根据一个实施例用于将来自功率源的电功率传输到第一变电所和第二变电所的功率传输系统的框图。
[0015]图6是图5的功率传输系统在DC电缆的第一分段出现故障时的不意表不。
[0016]图7是根据一个实施例用于将来自功率源的电功率传输到第一、第二和第三变电所的功率传输系统的框图。
[0017]图8是图7的功率传输系统在DC电缆的第一分段出现故障时的示意表示。
[0018]图9是图7的功率传输系统在DC电缆的第三分段出现故障时的示意表示。
[0019]图10是图7的功率传输系统在DC电缆的第四分段出现故障时的示意表示。
[0020]图11是根据一个实施例海底DC功率传输系统的不意表不。
[0021]图12图解说明根据一个实施例的功率传输系统，其描绘扩展的星形网络拓扑的功率传输系统。
[0022]图13图解说明根据一个实施例描绘星形-环形网络拓扑的功率传输系统的框图。
[0023]图14图解说明根据一个实施例描绘网格网络拓扑的功率传输系统。
[0024]图15是根据一个实施例用于控制主开关单元和一对分段开关单元的运行的控制器系统的框图。
[0025]图16是根据一个实施例描绘用于在功率传输系统中提供电缆分段故障转移支持的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0026]除非以另外方式定义，否则本文中使用的科技词语具有本申请所属的领域内的普通技术人员通常理解的相同含义。如本文中使用的词语“第一”、“第二”等等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将元件相区分。同样，英语不定冠词“一个”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。词语“或者”表示是包括性的，表示一个、一些或所有引用的项目。在本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变形的使用表示包括之后所列的项目和其等同物以及附加项目。词语“电路”、“电路系统”、“控制器”和“处理器”可以包括单个组件或多个组件，他们可以是有源的和/或无源的，连接或另外耦连在一起提供所描述的功能。另外，出于解释目的，列出具体的数目、材料和配置以便提供对本发明的各个实施例的彻底理解。本领域技术人员会认识到不同实施例的各个特征的可互换性。相似地，所描述的各种方法步骤和特征以及这些方法和特征中每一个的其它已知的等同物可以根据本申请的原理由本领域技术人员混合和搭配来构造附加组件和技术。
[0027]本发明的实施例可以包括被配置成传输和分配功率的功率传输系统，诸如直流(DC)传输系统。在一些实施例中，DC传输系统可以在DC电缆的一个或多个分段中出现故障情况下提供全面运行的网络，不间断的功率供应到连接到一个或多个电站和/或变电所的负载。如本文中使用的词语“全面运行的网络”指操作DC传输系统，使得所有电站/变电所在故障情况下以满功率运行。换言之，DC传输系统可以在DC电缆分段中出现故障的情况下提供故障转移(failover)支持。
[0028]在一个实施例中，电缆分段中的故障可以被远程地确定。在另一实施例中，故障事件可以在预定的维修事件中被预测和缓解或者防止，比方说例如在观察或预料有一般的磨损和撕裂时通过修理或更换电缆分段。下文将对照故障事件描述一些实施例；然而，这些实施例可以同样地也适用于预定维修事件。进一步地，一些实施例提供在DC传输系统运行时，修理或更换DC电缆的故障分段的灵活性。功率源向功率变换系统提供功率，功率变换系统可以将所接收的功率变换成DC功率。功率经由DC电缆分段传输到电站/变电所。下文描述功率传输系统的各个实施例。
[0029]图1是根据一个实施例用于将来自功率源102的电功率传输到变电所104的功率传输系统100的框图。功率传输系统100可以是中压(MV)DC或高压(HV)DC传输系统。这种类型的传输系统在各种应用中使用，诸如但不限于海底石油和天然气加工工业以及海上风力发电。在一些实施例中，功率源102可以包括交流(AC)功率源，在这些实施例中，功率传输系统100可以进一步包括功率变换系统，功率变换系统包括用于将AC功率变换成DC功率的整流器106。在一些其它的实施例中，功率源102可以包括DC功率源，在这些实施例中，功率传输系统100可以可选地包括功率变换系统，功率变换系统包括DC-DC功率变换器(图1中没有显示)。功率传输系统100进一步包括DC电缆108，DC电缆108包括多个分段，并被配置成将来自功率源102的功率运送到变电所104。
[0030]图1的功率传输系统100进一步包括主开关单元110，主开关单元110电耦连于功率源102和变电所104之间。如本文中使用的词语“主开关单元”指确定将功率发送到功率传输系统100中的各个组件(诸如变电所104)的路径的开关装置。如图1中所示，在一些实施例中，DC电缆108包括第一分段112和第二分段114，使得第一分段112可以将主开关单元110电耦连到变电所104的一端，第二分段114可以将主开关单元110电耦连到同一变电所104的另一端。由此布置形成的网络与环形网络相似。在正常运行时，主开关单元110可以将功率经由第一和第二分段112和114中的任何一个或两者发送到变电所104。如本文中使用的词语“正常运行”指功率传输系统(诸如100)的运行，其中，所有的DC电缆分段都在运行。第一和第二分段112和114可以分别地或者组合形成将功率发送到变电所104的路径。在此实施例中，主开关单元110可以在第一分段112中出现故障的情况下将功率经由第二分段114发送到变电所104。类似地，主开关单元110可以在第二分段114中出现故障的情况下将功率经由第一分段112发送到变电所104。
[0031]在图1的实施例中，功率传输系统100包括电耦连到第一分段112的一对第一分段开关单元116和118和电耦连到第二分段114的一对第二分段开关单元120和122。在替代性实施例(未显示)中，功率传输系统100可以包括电耦连到第一分段112的单个分段开关单元和电耦连到第二分段114的单个分段开关单元。如本文中使用的词语“分段开关单元”指被配置成将其相应的分段电耦连到功率传输系统(诸如100)/将其相应的分段从功率传输系统(诸如100)电去耦连的开关装置。
[0032]在一个实施例中