CN103380558B - 用于远程dc电力系统中的控制电力的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供控制电力供应系统的方法和系统。该控制电力供应系统包括配置成将直流（DC）电流从源运送到负载的第一导体、配置成将该DC电流从该负载运送到该源的第二导体、与该第一和第二导体中的至少一个串联电耦合的电装置。该电装置配置成在短路条件下故障使得该电装置的故障维持包括该第一和第二导体的直流（DC）环总线。该控制电力供应系统还包括控制电力电路，其与该电装置的至少一部分并联电耦合，使得该电装置的至少一部分两端的DC电压提供DC电压供应给该控制电力电路。

Description

用于远程 DC 电力系统中的控制电力的方法和系统

技术领域

本发明的领域一般来说涉及远程DC电力系统，并且更具体地涉及用于从DC电力系统提供远程控制电力的方法和系统。

背景技术

至少一些已知的电力系统相对长距离地将DC电力电流传送到远离该DC电力的源的负载。这样的电力系统通过使用AC控制电力来供应靠近该负载的辅助设备和控制系统而获益。然而，通过单独的线缆供应AC控制电力增加电力系统安装和操作的成本与复杂性。

发明内容

在一个实施例中，控制电力供应系统包括配置成将直流（DC）电流从源运送到负载的第一导体、配置成将该DC电流从该负载运送到该源的第二导体、与该第一和第二导体中的至少一个串联电耦合的电装置。该电装置配置成在短路条件下故障使得该电装置的故障维持包括该第一和第二导体的直流（DC）环总线。该控制电力供应系统还包括控制电力电路，其与该电装置的至少一部分并联电耦合，使得该电装置的至少一部分两端的DC电压提供DC电压供应给该控制电力电路。

在另一个实施例中，从DC电力线缆接收控制电力供应的方法包括通过DC电力线缆将DC电力电流从发送站传送到位于远离该发送站的负载站，使通过该DC电力线缆与该发送站和负载站电串联耦合的多个电装置两端的DC电压下降，并且使用与该多个电装置电并联耦合的有源半导体开关产生控制电力电压。

在再另一个实施例中，海底负载的电力供应系统包括耦合于DC电力线缆的第一端的发送站。该发送站安置在海面上方并且配置成将DC电流的流引导到该DC电力线缆中。该系统进一步包括耦合于该DC电力线缆的第二端的负载站。该负载站安置在海面下方并且配置成接收DC电流的流并且将该DC电流传送到一个或多个负载。该系统还包括控制电力供应系统，其包括串联电耦合于靠近负载站的DC电力线缆的电装置，和与该电装置的至少一部分并联电耦合的控制电力电路，使得该电装置的至少一部分两端的DC电压提供DC电压供应给该控制电力电路。

附图说明

图1-7示出本文描述的方法和系统的示范性实施例。

图1是根据本发明的示范性实施例的高电流直流（DC）环电力传送系统的示意框图；

图2是根据本发明的示范性实施例的控制电力供应电路的示意框图；

图3是根据本发明的示范性实施例的控制电力供应电路的示意框图；

图4是根据本发明的另一个示范性实施例的控制电力供应电路的示意框图；

图5是根据本发明的示范性实施例的控制电力供应系统的示意图；

图6是可与图4中示出的系统一起使用以在启动后供应连续控制电力给系统的控制电力供应系统的示范性实施例的示意图；

图7是图示图6中示出的波纹滤波器两端的电压随时间的图形。

具体实施例

下列详细描述通过示例而非通过限制说明本发明的实施例。预想本发明对于工业、商业和住宅应用中相对长距离上从DC电力线缆供应控制电力供应的分析和方法实施例具有普遍应用。

如本文使用的，以单数列举的并且具有单词“一（a）”或“一（an）”在前的元件或步骤应该理解为不排除复数个元件或步骤，除非这样的排除明确地规定。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不意在解释为排除也包含列举的特征的另外的实施例的存在。

本发明的目的是从高电流DC环抽取控制电力。该DC环具有高电流额定值（例如1kA）来供应例如泵或压缩机的电驱动器的高功率负载。由于相对高的电流值，供应控制单元或其他低到中等功率辅助负载所需要的电压是相对低的。例如，以1千安输送的10伏特足够输送高达10千瓦的功率。

在本发明的实施例中，串联连接高电流二极管，使得它们的总正向电压足够供给最大所需的功率，并且也足够高来容许辅助或控制电力的适当处理。典型地，辅助或控制负载将使用比高功率环的电流少的电流。过多的电流在二极管中绕过。控制电力供应电路从电流环接收提供给负载或在二极管中耗散的它的最大功率。用于控制电力的电力量仅代表总体配电系统电力的小部分。

该解决方案的优势是二极管非常可靠地保证环电流的连续，独立于辅助电力供应的下游电路。短路和开路两者都将不会不利地影响高电流环。在示范性实施例中，二极管实施在压装壳体中并且设计成万一故障则短路。因此，维持了电流环的连续。如果安装了比向辅助负载供电实际所需要的更多的二极管，万一一个（或多个）二极管故障，辅助或控制电力电路可以维持操作。

图1是根据本发明的示范性实施例的高电流直流（DC）环电力传送系统100的示意框图。在该示范性实施例中，DC环电力传送系统100包括发送站102、高电流DC电力传送线缆104、一个或多个负载站106、一个或多个负载108和控制电力供应电路110。

发送站102包括电耦合于电转换器114的一个或多个变压器组112，所述电转换器114配置成将产生的交流（AC）电力转换成DC电力，其然后施加于DC电力传送线缆104。开关116与转换器114的输出并联耦合，从而如果相应转换器114离线则将电力分流绕过该相应转换器114。开关116还可代表转换器114的更短故障模式，使得当故障时，转换器114对于DC环电力传送系统100代表短路来维持电流。

高电流DC电力传送线缆104采用环配置电耦合转换器114和相应负载站106的逆变器118。控制电力供应电路110配置成为DC环电力传送系统100的组件供应控制电力，并且在示范性实施例中包括多个电装置，例如但不限于与高电流DC电力传送线缆104的线122和124中的一个串联的二极管120。在正向偏置方向上，二极管120各自代表相对小量电阻，并且因此相对小的压降，例如大约0.7伏特（V）。在操作期间，可选择多个串联的二极管来提供大约十伏特的控制电力供应电路供应电压。在一个实施例中，流过线124的电流是大约1000安（A）。因此，大约十千瓦的电力可用于控制电力供应电路110。一个或多个低功率DC-DC转换器126可以电耦合于控制电力供应电路110来将电压水平128调节到任何期望的值和/或向高电流环配置提供流电隔离。

图2是根据本发明的示范性实施例的控制电力供应电路202的示意框图。在该示范性实施例中，控制电力供应电路202包括二极管120（在图1中示出）和升压（或增压）转换器204来将控制电力供应电路202的输出电压206从例如10伏特增加到大约100伏特。在各种实施例中，升压转换器204配置成将输出电压206增加到任何期望的电压。控制电力供应电路202包括电感器208、开关装置210（例如但不限于绝缘栅双极晶体管（IGBT）或栅极关断晶闸管（GTO））、二极管212和电容器214。升压转换器204允许使用基于电感器208、开关装置210、二极管212和电容器214的电参数的选择所期望的控制电力的任何电压水平。

如果有源开关装置210额定用于全高电流DC环电流值，当需要较低的输出功率时，升压转换器204可以采用它的输入电压低于二极管120的压降这样的方式来操作。使用该方法，可以避免二极管120中的电力耗散并且可以改进效率。因为如在标准配置中二极管120将一直提供备用电流路径，没有不利地影响总体高电流DC环的可靠性。

图3是根据本发明的示范性实施例的控制电力供应电路302的示意框图。在该示范性实施例中，控制电力供应电路302包括二极管120（在图1中示出）和升压（或增压）转换器304来将控制电力供应电路302的输出电压306从例如10伏特增加到大约20伏特。在各种实施例中，升压转换器304配置成将输出电压306增加到任何期望的电压。控制电力供应电路302包括有源开关装置310（例如但不限于绝缘栅双极晶体管（IGBT）或栅极关断晶闸管（GTO））、二极管312和电容器314。升压转换器304允许使用基于有源开关装置310、二极管312和电容器314的电参数的选择所期望的控制电力的任何电压水平。因为由高电流DC电力传送线缆104的线122和124形成的高电流DC环的现有和大环路电感提供对于升压转换器304的操作足够的电感，在控制电力供应电路202的升压转换器204中使用的电感器（电感器208）在升压转换器304中省略。二极管120确保DC电流环对于升压转换器304的启动或万一有源开关装置310故障时的故障安全完整性。在正常操作中，输出电压306被控制稍稍低于二极管120的正向压降来避免不必要的损耗。为了限制需要的二极管数量和辅助电力关闭/启动或故障期间它们对应的损耗，相对低地维持升压转换器304的输出电压。如果负载需要，DC-DC转换器可以添加到升压转换器304的输出。

升压转换器304的优势是在其中不使用完全的10伏特、1千安和10千瓦功耗的应用中，升压转换器304提供更高的效率或更低的功耗和来自电力传送系统100更低的电力损耗。为了确保启动能力，升压转换器304在输出侧上配置有二极管120，使得在启动期间有源开关装置310是断开的因此电流通过二极管312和串联连接的二极管120，其将升压转换器304充电到大约20伏特。至少有源开关装置310或二极管312和二极管120设计成故障短路来维持完好的电流环或维持电流环起作用。

图4是根据本发明的另一个示范性实施例的控制电力供应电路402的示意框图。当启动电力传送系统100时，控制电力供应电路402从高压DC电压提供控制和辅助电力供应。在示范性实施例中，主转换器的控制电力通常从下游控制和辅助供应系统408供应。然而，在启动期间，控制电力的至少一部分可通过转换器DC链路供应。转换器114包括DC链路，其充电到例如20kV。转换器114也需要供应它们自己的控制电力，并且具体地转换器114需要能够自主启动使得当电力传送系统100的剩余部分没有通电时，电力传送系统100仍然需要一些电力来设置控制。在启动期间，大的单个电容器可以供应启动控制电力而不是控制电力，除非降低电压。可以使用的该单个大的电容器由形成电容分压器404的两个电容器416和418代替。在示范性实施例中，电容器416和418不具有相同的电容值。电容器418的电容大于电容器416的电容，使得电容分压器404的输出电压420（电容器418两端的电压）是电容分压器404两端的总电压的相对小的一部分，例如与20kV相比大约200伏特。在各种实施例中，开关模式电力供应可用于进一步根据需要调节控制电力供应电压。

如上文描述的，控制电力从电容分压器404从高压DC链路406得出，其可以是转换器114和逆变器118（两者都在图1中示出）中的任何的现有DC链路电容器组装件的部分。当DC链路406加电时，控制电力电压与主DC链路电压成比例增加，例如到总20kV的200V，其具有100:1的分压比。当在控制电力供应上达到预定电压时，控制器“唤醒”并且开始主转换器114或逆变器118的操作。作为该过程的部分，第二控制和辅助供应系统408可以从更下游开始操作。第二控制和辅助供应系统408在正常操作期间为控制和辅助设备提供电力，例如经由变压器410和二极管桥412。二极管414提供从电容分压器404的去耦合。

电容分压器404包括串联电耦合的第一电容器416和第二电容器418。选择第一电容器416和第二电容器418以具有允许足够的能量储存在电容器416中的额定值来提供电力的连续供应直到标准电力供应可操作时。

电容分压器404在启动期间提供电力。然而，一旦转换器114开启并且电力在控制电力供应电路402的输出426两端从电容器424取得，电容器424将缓慢放电并且电容器418也可放电到零伏特同时电容器416充电到完全的20kV。

在启动阶段后，来自第二控制和辅助供应系统408的电力用于维持转换器114的控制电力。

图5是根据本发明的示范性实施例的控制电力供应系统500的示意图。在该示范性实施例中，低电压、低功率传送注入到将传送高功率源到转换器114和逆变器118的相同线缆上。控制电力供应系统500包括一个或多个DC源502和504，其可具有与DC电力一起的一些AC波纹分量。包括电容器508和电感器510的滤波器506去除可以是DC电力的分量的AC波纹的显著部分。AC源512配置成将来自AC源512的相对高频的AC电力分量叠加到DC电力上。AC源512通过变压器514和电容器516隔离。AC源512的频率可以是基于供电组件的应用和特性而可选择和/或可变的。在一个实施例中，电力网频率可允许供应来自电网的随时可用的电力，或者可选择频率来使对叠加在线路上的其他信号的干扰最小化。

复合的DC电力信号和AC电力信号通过线缆104传送，其在图5中由电阻器518、电感器520和电容器522与524代表。在负载站106，电容器526配置成仅传递复合电力信号的AC分量给降压变压器528来产生隔离控制电力电压水平，其与由电阻器530代表的安装在负载站106的设备兼容。电容器532、电容器534和电阻器536代表负载逆变器118和/或负载108。

图6是可与控制电力供应电路402（在图4中示出）一起使用来在启动后供应连续控制电力给控制电力供应电路402的控制电力供应系统600的示范性实施例的示意图。在该示范性实施例中，控制电力供应系统600包括通过线缆104电耦合于输入滤波器604的电源602。降压转换器606配置成将来自电源602的电压从通过线缆104传送的大约100千伏逐步下降到本地更实际地使用的电压，例如10千伏。降压转换器606包括多个电开关，例如但不限于IGBT和二极管。这样的装置的开关动作切断DC链路电压和/或将AC波纹添加到线缆104上的DC电力。尽管开关效应一般是不可期望的，因为它们表现难以说明由DC电力供应的组件的加热和/或磁通量集中问题的原因，波纹可被“收获”或滤波来提供控制电力源而不使用另外的控制电力线缆。

波纹滤波器608配置成接收降压转换器606的输出并且将输出的AC波纹分量滤波，其然后可以用于供应例如控制和辅助供应系统408（在图4中示出并且由电阻器610代表）。在示范性实施例中，波纹滤波器包括在滤波器网络中电耦合的多个静态组件。具体地，电容器612串联连接到电感器614，并且电容器616串联连接到电感器618而形成分压器620。

图7是随时间图示波纹滤波器608（图6中示出）两端的电压的图形700。在示范性实施例中，图形700包括刻有时间单位的x轴702和刻有电压单位的y轴704。DC链路降压电力电压迹线706图示如由波纹滤波器608接收的AC开关动作诱导的波纹分量连同DC供应电力分量。滤波器电压迹线708图示滤波器电容器612两端的波纹电压并且迹线710图示通过电感器614的电流。

如本文使用的，术语处理器指可中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路（RISC）、专用集成电路（ASIC）、逻辑电路、和能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。

如本文使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中用于处理器执行的任何计算机程序，该存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、以及非易失性RAM（NVRAM）存储器。上文的存储器类型只是示范性的，并且从而关于可用于存储计算机程序的存储器类型不是限制性的。

如将基于前面的说明书意识到的，本公开的上文描述的实施例可使用包括计算机软件、固件、硬件或其的任何组合或子集的计算机编程或工程技术实现，其中技术效果是从相对高电流直流供应为海底负载站的控制电力电路提供源而不布设单独的控制电力线缆。任何这样所得的程序（具有计算机可读代码部件）可实施或提供在一个或多个计算机可读介质内，由此制作根据本公开讨论的实施例的计算机程序产品，即制品。该计算机可读介质可是例如但不限于固定（硬）驱动器、磁盘、光盘、磁带、例如只读存储器（ROM）的半导体存储器和/或例如因特网或其他通信网络或链路的任何传送/接收介质。包含计算机代码的制品可通过直接从一个介质执行代码，通过将代码从一个介质复制到另一个介质，或通过在网络上传送代码而制作和/或使用。

使用串联电装置的方法和系统的上文描述的实施例提供用于使用供应给远程负载的DC电流提供控制电力给远离AC电力源的负载站的成本有效并且可靠的方式。更具体地，本文描述的方法和系统便于从源相对长距离地提供控制电力给负载而不使用专用单独的线缆。因此，本文描述的方法和系统便于采用成本有效并且可靠的方式操作海底设备。

该书面描述使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利权范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种控制电力供应系统，包括：

第一导体，其配置成将直流（DC）电流从源运送到负载；

第二导体，其配置成将所述直流电流从所述负载运送到所述源；

电装置，其串联电耦合到所述第一和第二导体中的至少一个，所述电装置包括多个二极管并

配置成仅在故障条件下短路使得所述电装置的故障维持包括所述第一和第二导体的直流（DC）环总线；以及

控制电力电路，其与所述电装置的至少一部分并联电耦合，使得所述电装置的所述至少一部分两端的DC电压提供DC电压供应给所述控制电力电路。

2.如权利要求1所述的控制电力供应系统，其中，所述电装置包括至少一个半导体装置。

3.如权利要求1所述的控制电力供应系统，其中，所述多个二极管每个包括压装壳体。

4.如权利要求1所述的控制电力供应系统，其中，所述控制电力电路包括有源开关装置来便于将处于第一水平的DC电压转换成处于不同于所述第一水平的第二水平的DC电压。

5.如权利要求1所述的控制电力供应系统，其中，所述控制电力电路包括有源开关装置，其可控来以小于所述电装置的所述至少一部分的正向压降的电压操作。

6.如权利要求1所述的控制电力供应系统，进一步包括配置成供应启动电力给所述控制电力电路的电容分压器，和配置成供应操作电力给所述控制电力电路的第二辅助电力供应。

7.如权利要求6所述的控制电力供应系统，其中，所述第二辅助电力供应配置成从开关的DC转换器收获AC波纹。

8.根据权利要求1所述的控制电力供应系统，包括：

AC电力源，其耦合到所述第一导体和所述第二导体中的至少一个，所述AC电力源配置成将可选择的相对高频的AC分量叠加到所述直流电流上来产生复合的电力信号。

9.如权利要求8所述的控制电力供应系统，进一步包括配置成从所述复合的电力信号抽取叠加的AC分量的滤波器网络。

10.如权利要求9所述的控制电力供应系统，其中，所述滤波器网络包括配置成使用所述复合的电力信号的所述叠加的AC分量来产生隔离的控制电力电压水平的变压器。

11.一种控制电力供应系统，包括：

第一导体，其配置成将直流（DC）电流从源运送到负载；

第二导体，其配置成将所述直流电流从所述负载运送到所述源；

降压转换器，其配置成使用多个半导体开关逐步降低电压，其中所述多个半导体开关通过开关动作产生AC波纹电流；以及

波纹滤波器，其电耦合到所述降压转换器的输出，所述波纹滤波器配置成将所述降压转换器的输出的AC波纹分量滤波并且将滤波的输出传送到控制和辅助供应系统。

12.如权利要求11所述的控制电力供应系统，进一步包括分压器，其包括电容器、电感器和电容器、电感器的组合中的至少一个。

13.一种从DC电力线缆供应控制电力供应的方法，所述方法包括：

通过DC电力线缆将DC电力电流从发送站传送到位于远离所述发送站的负载站；

使通过所述DC电力线缆与所述发送站和负载站电串联耦合的一个或多个电装置两端的DC电压下降；并且

使用与所述一个或多个电装置电并联耦合的有源半导体开关产生控制电力电压。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

将来自所述DC电力线缆的AC波纹电压滤波，所述AC波纹电压通过降压转换器的多个电装置的开关动作诱导到所述DC电力线缆上；并且

将滤波的AC波纹电压传送到所述控制电力供应。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括使用电容分压器供应启动电力给AC控制电力供应。

16.一种电力供应系统，用于海底负载，所述电力供应系统包括：

发送站，其耦合到DC电力线缆的第一端，所述发送站安置在海面上方并且配置成将DC电流的流引导到所述DC电力线缆中；

负载站，其耦合到所述DC电力线缆的第二端，所述负载站安置在所述海面下方并且配置成接收DC电流的流并且将所述DC电流传送到一个或多个负载；以及

如权利要求1-12中任一项所述的控制电力供应系统，其从靠近所述负载站的所述DC电力线缆供电，并且配置成提供DC电压供应给控制电力电路。

17.如权利要求16所述的电力供应系统，进一步包括：

多个电装置，其与所述DC电力线缆串联电耦合，每个所述电装置配置成仅在故障条件下短路使得所述电装置中的任何装置的故障使用所述DC电力线缆维持直流（DC）环总线；

降压转换器，其配置成使用多个半导体开关逐步降低电压，其中所述多个半导体开关通过开关动作产生AC波纹电流；

波纹滤波器，其电耦合到所述降压转换器的输出，所述波纹滤波器配置成将所述降压转换器的输出的AC波纹分量滤波并且将滤波的输出传送到控制和辅助供应系统。