CN104980005A - 可浸功率分配系统及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种可浸功率分配系统(110)。系统包括构造成暴露于水下环境(105)的至少一个容器(150)，和定位在至少一个容器内的多个功率变换模块(152,158)。多个功率变换模块中的各个包括第一封壳(154)，第一封壳(154)构造成暴露于水下环境，第一封壳限定第一内腔(155)，第一内腔(155)构造成具有第一压力。功率变换模块还包括定位在第一内腔内的至少一个第二封壳(160)。至少一个第二封壳限定第二内腔(164)，第二内腔(164)构造成具有低于第一压力的第二压力。至少一个第二封壳构造成限制第二内腔中的非耐压功率电子器件(166)对第一压力的暴露。
Description
技术领域
本公开内容大体上涉及功率传输和分配，并且更具体地涉及用于在水下环境中使用的功率变换模块。
背景技术
由于浅水中的油气田在减少，例如，小于大约500米(m)(1640英尺(ft.))的水深，故开采者正在开发更深水中的近海油田，例如，500m(1640 ft.)或更大的水深。此类深水油田不但包括在海面下远离地操作的油气开采设备，而且还包括远离海岸(例如，大于大约300公里(km)(186英里(mi)))的油气开采设备，
在许多已知的海底油气开采系统中，用于此类海底油气采收和开采的典型设备包括气体压缩机和泵。电动变速驱动器(VSD)和马达系统是在深水环境中对此种设备直接供能的一种方式。电功率从远程公用电网或发电源的可靠输送有助于海底位置中的油气的可靠开采和处理。通常，传送功率要求对于中等到大型的油/气田可为大约一百兆瓦。
因此，一些已知的海底油气开采系统为电功率密集型的，且要求稳健、坚固且可靠的电传输和分配(T&D)。因此，一些已知的海底油气开采系统使用交流(AC)传输和分配系统，以用于将电功率输送至海底位置。此类系统通常将AC功率从平台或陆地位置通过功率线缆输送至海底变压器。功率通过另一功率线缆从海底变压器传输至海底AC开关装置。海底AC开关装置通过又一线缆将AC功率给送至一个或更多个海底VSD，或至其它类型的电负载。VSD各自将变频AC功率通过功率线缆提供至电动马达。此类AC传输和分配系统面临技术挑战，这在传输距离超过一百公里时变得更为显著。例如，从分配的海底线缆电容吸收的显著的无功功率抑制了功率输送能力，并且增加了系统成本。
因此，海底油气开采系统可改为使用高压直流(HVDC)传输和分配系统，以用于将电功率输送至海底位置。此类HVDC系统通常包括路基或顶侧变换器分站，在该处，执行AC到DC功率变换。另外，这些HVDC T&D系统可包括邻近海底油气开采系统的海底DC到AC和DC到DC变换器站。
活动的海底功率电子构件大体上包含在封壳(例如，压力容器)内侧，从而相对于周围的海底环境保护它们。此类已知的封壳加压至大约1bar，以允许活动的海底功率电子构件中的至少一些能够在增加的水下深度下令人满意地操作。随着水下DC到AC和DC到DC变换器站的操作深度增大，至少一些已知的封壳由更稳健的材料制成，以有助于耐受海底环境与封壳内之间的增大的压差。此外，封壳随着所要求的变换器功率额定值增加而变得越来越大。因此，在增加深度的水下环境中操作的已知海底封壳通常很大且重，这使得变换器站的维护和/或修理是困难的。
发明内容
在一方面中，提供了一种可浸功率分配系统(submersible power distribution system)。该系统包括构造成暴露于水下环境的至少一个容器，和定位在该至少一个容器内的多个功率变换模块。多个功率变换模块中的各个包括第一封壳，第一封壳构造成暴露于水下环境，第一封壳限定第一内腔，该第一内腔构造成具有第一压力。功率变换模块还包括定位在第一内腔内的至少一个第二封壳。至少一个第二封壳限定第二内腔，该第二内腔构造成具有低于第一压力的第二压力。至少一个第二封壳构造成限制第二内腔中的非耐压功率电子器件对第一压力的暴露。
在另一方面中，提供了一种用于在水下环境中使用的功率变换模块。该模块包括第一封壳，该第一封壳构造成暴露于水下环境，第一封壳限定第一内腔，该第一内腔构造成具有第一压力。模块还包括定位在第一内腔内的至少一个第二封壳。至少一个第二封壳限定第二内腔，该第二内腔构造成具有低于第一压力的第二压力。至少一个第二封壳构造成限制第二内腔中的非耐压功率电子器件对第一压力的暴露。
在又一方面中，提供了一种组装功率变换模块的方法。该方法包括提供第一封壳，该第一封壳构造成暴露于水下环境，第一封壳限定第一内腔，该第一内腔构造成具有第一压力。该方法还包括：提供至少一个第二封壳，其限定第二内腔，第二内腔构造成具有低于第一压力的第二压力；识别功率变换模块的非耐压功率电子器件；将非耐压功率电子器件定位在第二内腔内；和将至少一个第二封壳定位在第一内腔内。至少一个第二封壳构造成限制第二内腔中的非耐压功率电子器件对第一内腔的第一压力的暴露。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本公开内容的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似的标号表示全部附图中的相似部分，其中：
图1为示例性可浸功率系统和示例性电负载组的一部分的示意性框图；
图2为图1中所示的可浸功率系统和电负载的透视图；
图3为可与图2中所示的可浸功率系统一起使用的示例性可浸功率分配系统的透视图；并且
图4为可与图3中所示的功率变换模块一起使用的示例性封壳的示意图。
除非另外指出，则本文提供的附图意在例示出本公开内容的实施例的特征。这些特征认为能够应用在包括本公开内容的一个或更多个实施例的多种系统中。因此，附图并不意在包括实施本文公开的实施例所需的本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。
部件列表
100 可浸功率系统
102 可浸资源采收系统
103 DC电源
104 AC电源
105 水下环境
106 DC变换器
110 可浸功率分配系统
112 HVDC脐带线缆
114 HVDC接收端
116 可干式匹配的连接器
118 DC变换器区段
120 MVDC总线模块
122 可湿式匹配的连接器
124 VSD单元
126 电负载
128 泵站
130 压缩机站
134 AC线缆
135 MVDC线缆
136 远程站
150 容器
152 DC功率变换模块
154 第一封壳
155 第一内腔
158 VSD模块
160 第二封壳
162 耐压功率电子器件
164 第二内腔
166 非耐压功率电子器件
168 介电液体。
具体实施方式
在以下的说明书和权利要求中，将提到多个用语，其应当限定为具有以下含义。
单数形式“一个”、“一种”和“该”包括多个参考对象，除非上下文清楚地另外指出。
“可选的”或“可选地”意思是随后描述的事件或环境可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情形和其不发生的情形。
如这里在说明书和权利要求各处使用的近似语言可用于修饰任何数量表示，其可允许变化，而不导致其涉及的基本功能的改变。因此，由一个或多个用语如“大约”或“大致”修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情形中，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。在这里和在说明书和权利要求各处，范围限制可组合和/或互换，此种范围被识别出，且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
本公开内容的实施例涉及包括模块化功率电子装置封壳的可浸功率分配系统。在示例性实施例中，基于水下的直流(DC)到DC和DC到交流(AC)功率变换器是模块化的，以有助于变换器的维护和修理，且有助于减小可浸功率分配系统的总重量。例如，各模块包括第一封壳，该第一封壳暴露于水下环境的第一封壳，且收纳至少一个第二封壳和变换器的耐压功率电子器件。至少一个第二封壳收纳变换器的非耐压功率电子器件。第二封壳的内腔在低于第一封壳的内腔的压力下加压，使得非耐压构件可在逐渐加压的水下深度下令人满意地操作。通过识别非耐压功率电子器件且将非耐压功率电子器件与耐压构件隔离开，且通过将非耐压构件收纳在紧凑的次级封壳中，第一封壳的直径和侧壁厚度可减小。因此，本文所述的功率变换器相对于常规海底功率变换器具有减小的重量。
图1为示例性可浸功率系统100和多个电负载126的一部分的示意性框图，例如而不限于示例性可浸资源采收系统102。图2为可浸功率系统100和可浸资源采收系统102的透视图。在示例性实施例中，可浸功率系统100示为独立系统，其支持可浸资源采收系统102中的电负载126。作为备选，可浸功率系统100将电功率分配至电负载126，以用于水下环境105中要求电功率的任何操作。可浸资源采收系统102为允许可浸功率系统100能够如本文所述那样操作的任何资源采收系统，包括而不限于海底油气开采系统。
可浸功率系统100由DC电源103供能。在示例性实施例中，DC电源103为基于平台的AC到DC功率变换器，其将来自AC电源104(例如而不限于AC电力网)的AC功率变换成DC功率。在其它实施例中，DC电源103可为陆基DC电源、DC发电机(不论是基于陆地的或基于平台的)，或任何其它适合的DC电源。另外，在示例性实施例中，可浸功率系统100包括联接到AC源104的陆基AC到DC变换器106。AC到DC变换器106接收AC功率，且生成和传输允许可浸资源采收系统102和可浸功率系统100如本文所述那样操作的任何电压和任何极性下的高压DC(HVDC)电功率，例如而不限于在大约±50千伏(kV)和大约±100kV之间的范围内。系统100还包括通过HVDC脐带线缆112联接到AC到DC变换器106的至少一个可浸功率分配系统110(仅示出一个)。
可浸功率分配系统110包括HVDC接收端114，HVDC接收端114通过多个可干式匹配的连接器116联接到HVDC脐带线缆112。系统110还包括联接到HVDC接收端114的DC到DC变换器区段118。DC到DC变换器区段118将HVDC电压变换成中压DC(MVDC)，例如而不限于大约±10kV。系统110还包括联接到DC到DC变换器区段118的MVDC总线120。系统110还包括多个可湿式匹配的连接器122。在备选实施例中，使用DC到AC变换器区段，而非DC到DC变换器区段118。
可浸资源采收系统102包括通过可湿式匹配的连接器122联接到MVDC总线模块120的多个变速驱动(VSD)单元124。各VSD单元124通过可湿式匹配的连接器122和海底AC线缆134联接到电功率消耗装置，即，负载126中的一个，例如而不限于电动马达驱动泵站128和压缩机站130。系统102还可包括通过海底MVDC线缆135直接地联接到MVDC总线模块120的其它装置，包括而不限于远程站136，该远程站136包括其自身的本地VSD单元124。
图3为可浸功率分配系统110的透视图。系统110包括暴露于水下环境105的具有海底基盘的容器150，即，容器150向水(未示出)开放。系统110还包括可移除地定位在容器150内的多个功率变换模块151。更具体而言，在示例性实施例中，系统110包括可移除地定位在容器150内的多个DC到DC功率变换模块152，和可移除地定位在容器150内的多个变速驱动(VSD)模块158。DC到DC功率变换模块152形成DC到DC变换器区段118(图1中所示)。各功率变换模块151包括构造成暴露于水下环境105的第一封壳154。在一些实施例中，第一封壳154为压力容器。各功率变换模块151还包括内腔，内腔收纳下文进一步论述的功率电子器件(都未在图3中示出)。
VSD模块158包括收纳VSD单元124(图1中所示)的第一封壳154。在示例性实施例中，系统110包括三个DC到DC功率变换模块152和三个VSD模块158。在其它实施例中，系统110包括更多或更少的海底DC到DC功率变换模块152和/或VSD模块158。DC到DC功率变换模块152和VSD模块158可具有允许系统110如本文所述地作用的任何功率额定值。此外，功率变换模块151的数目大体上基于被供能的负载的总体累积大小来选择。附加功率变换模块151可包括在一个容器150内，以在一个或多个功率变换模块151故障的情况下提供备用冗余。另外，在一些实施例中，使用了多个容器150，且各容器构造成收纳仅一个或多个海底功率变换模块151。
图4为示例性功率变换模块151的示意图。更具体而言，在示例性实施例中，功率变换模块151为DC到DC功率变换模块152(图3中所示)。功率变换模块151包括限定第一内腔155的第一封壳154，和定位在第一内腔155内的至少一个第二封壳160。在一些实施例中，多个第二封壳160定位在第一内腔155内，这将在下文中更详细描述。尽管示为包括三个封壳160，但任何数目的封壳160可定位在允许功率变换模块151如本文所述地作用的第一内腔155中。
在示例性实施例中，第一封壳154的第一内腔155接收第二封壳160和耐压功率电子器件162，且各第二封壳160的第二内腔164接收非耐压功率电子器件166。如本文使用的，“耐压功率电子器件”是指如下电子构件，该电子构件在经历高于大约一bar的压力时可令人满意地操作或可制造为令人满意地操作。示例性耐压功率电子器件162包括但不限于电感器、电阻器、变压器、滤波器线圈、机械开关、连接器、线缆、电容器和总线排。此外，如本文使用的，“非耐压功率电子器件”是指如下电子构件，其不能制造、难以制造或制造昂贵，以在经历高于大约一bar的压力时令人满意地操作。示例性非耐压功率电子器件166包括但不限于有源半导体装置(即，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))，用于有源半导体装置的相关控制器、门驱动器、光学接收器、光学发送器和传感器。
第一内腔155处于第一压力，且第二内腔164处于小于第一压力的第二压力。耐压构件162收纳在第一压力下的第一封壳154中，且非耐压构件166收纳在第二压力下的第二封壳160中。第二封壳160限制第二内腔164中的非耐压功率电子器件166对第一内腔155的第一压力的暴露。此外，第一封壳154暴露于水下环境105的第三压力。第三压力的大小基于容器150(图3中所示)和第一封壳154在水下环境105中的深度。在示例性实施例中，第一封壳154在第一压力下加压，以与水下环境105的第三压力基本平衡。作为备选，第一封壳154可在允许功率变换模块151如本文所述地作用的任何压力下加压。
在一些实施方式中，第一封壳154的第一内腔155至少部分地填充有介电液体168来加压第一内腔155。示例性介电液体168包括但不限于变压器油和硅油。以介电液体168至少部分地填充第一内腔155有助于维持第一内腔155与水下环境105之间的基本平衡的压力。此外，第一封壳154至少部分地填充有介电液体168，使得第二封壳160至少部分地浸在介电液体168中。通过将第二封壳160浸在介电液体168中，由非耐压功率电子器件166生成的热传导穿过第二封壳160，穿过介电液体168，穿过第一封壳154，且进入水下环境105中。此外，在示例性实施例中，耐压功率电子器件162也至少部分地浸在介电液体168中，且由耐压功率电子器件162生成的热同样传导穿过介电液体168且朝水下环境105传导。
在示例性实施例中，第一压差限定在第一内腔155的第一压力与水下环境105的第三压力之间，且第二压差限定在第一压力与第二内腔164的第二压力之间。例如，如果第一内腔155在大约450bar下加压，且第二内腔164在大约1bar下加压，则第一压差小于大约1bar，且第二压差直到大约450bar。因此，第一封壳154和第二封壳160的大小至少部分地基于第一和第二压差，且更具体而言，取决于第一封壳154和第二封壳160耐受第一和第二压差的能力。
第一封壳154具有允许功率变换模块151如本文所述地作用的任何适合的形状和大小。在示例性实施例中，第一封壳154具有大致管状形状，其具有长度L和直径D。第一封壳154的形状和大小基于以下中的至少一者选择：可浸功率分配系统110的操作深度、用于制造第一封壳154的材料，和在可浸功率分配系统110的操作深度下的第一内腔155的第一压力与水下环境105的压力之间的压差。例如，第一封壳154的长度与直径(L/D)比可增大，以允许可浸功率分配系统110在增大的水下深度下操作。在一些实施方式中，第一封壳154的L/D比为至少大约5比1。此外，例如，如果第一内腔155加压至与系统110的操作深度下的水下环境105的压力大致平衡，则第一封壳154的侧壁厚度(未示出)可减小来有助于减小各模块151的总重量。
第二封壳160具有允许功率变换模块151如本文所述地作用的任何适合的形状和大小。在示例性实施例中，第二封壳160具有大致管状形状，且具有大于第一封壳154的侧壁厚度(未示出)。更具体而言，第二封壳160的形状和大小基于以下中的至少一者来选择：第一内腔155内的压力，和第一内腔155的第一压力与第二内腔164的第二压力之间的压差。如上所述，第一内腔155与第二内腔164之间的压差可直到大约450bar。因此，第二封壳160的大小可改变，以增大第二封壳160的侧壁厚度，例如，以有助于耐受第一内腔155与第二内腔164之间的压差。
在示例性实施例中，多个第二封壳160定位在第一内腔155内。第二封壳160可以以允许系统110如本文所述地作用的任何构造布置在第一内腔155内。由于第二封壳160的大小至少部分地基于第二封壳160耐受比较大的压差的能力来选择，故各第二封壳160内的空间可受限。因此，在一些实施例中，可能要求收纳非耐压功率电子器件166的多个第二封壳160来生成适合的功率额定值。在示例性实施例中，来自各第二封壳160的非耐压功率电子器件166通过可干式匹配的连接器116电连通地联接在一起。此外，耐压功率电子器件162和非耐压功率电子器件166通过可干式匹配的连接器116电连通地联接在一起来形成功率变换器(未示出)。
此外，耐压功率电子器件162和非耐压功率电子器件166通过可湿式匹配的连接器122与第一封壳154外侧的电气构件(未示出)电连通地联接，连接器122联接到第一封壳154，且在第一内腔155与水下环境105之间延伸。可湿式匹配的连接器122允许各功率变换模块151与可浸功率分配系统110独立地断开，以有助于其维护和修理。由于第一封壳154和水下环境105的压力大致平衡，故可湿式匹配的连接器122比经历显著大的压差的可湿式匹配的连接器更简单且更廉价。
本文所述的系统和方法有助于减小海底功率电子器件封壳的重量。在示例性实施例中，功率变换模块的耐压和非耐压功率电子器件被识别出且与彼此分开。耐压功率电子器件收纳于在第一压力下加压的第一封壳中，且非耐压功率电子器件收纳在第二封壳中，第二封壳位于第一封壳内且在第二压力下加压。第一压力与功率变换模块的操作深度下的水下环境的压力大致平衡，且第二压力低于第一压力，以允许非耐压功率电子器件在水下环境中令人满意地操作。通过将非耐压功率电子器件划分成较小的次级封壳，且通过使第一封壳与水下环境之间的压力大致平衡，第一和第二封壳的大小可选择成减小功率变换模块的重量。
本文所述的系统和方法的示例性技术效果包括以下中的至少一者：(a)显著减小海底功率变换封壳的重量；(b)加强发热功率变换构件的冷却；和(c)允许各种功率变换器的模块化，以允许变换器的维护和修理。
可浸功率分配系统的示例性实施例在上文中详细描述。该系统不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地使用且与本文所述的其它构件和/或步骤分开地使用。例如，本文所述的模块还可与其它过程组合使用，且不限于仅与如本文所述的可浸功率分配系统和方法一起来实施。相反，示例性实施例可与期望在海底环境中执行操作的许多应用结合地实施和使用。
尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些图中示出且其它图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合地参照和/或要求保护。
本书面描述使用了实例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，且还允许本领域技术人员实施本公开的实施例，包括制造和使用任何装置或系统，并且执行任何合并的方法。本文所述的实施例的可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。
Claims (10)
1. 一种可浸功率分配系统(110)，其包括：
至少一个容器(150)，其构造成暴露于水下环境(105)；
多个功率变换模块(152,158)，其定位在所述至少一个容器内，其中，所述多个功率变换模块中的各个包括：
第一封壳(154)，其构造成暴露于所述水下环境，所述第一封壳限定第一内腔(155)，所述第一内腔(155)构造成具有第一压力；和
至少一个第二封壳(160)，其定位在所述第一内腔内，所述至少一个第二封壳限定第二内腔(164)，所述第二内腔(164)构造成具有低于所述第一压力的第二压力，所述至少一个第二封壳构造成限制所述第二内腔中的非耐压功率电子器件(166)对所述第一压力的暴露。
2. 根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，还包括多个第二封壳(160)，所述多个第二封壳(160)定位在所述第一封壳(154)的所述第一内腔(155)内，其中，来自所述多个第二封壳中的各个的所述非耐压功率电子器件(166)电连通地联接在一起。
3. 根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述非耐压功率电子器件(166)包括以下中的至少一者：有源半导体装置、控制器、门驱动器、光学接收器、光学发送器、和传感器。
4. 根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述第一和第二压力之间的第一压差小于或等于大约450bar，且所述第一压力与所述水下环境(105)的第三压力之间的第二压差小于大约1bar。
5. 根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述水下环境(105)处于第三压力，所述第三压力大致等于所述第一封壳(154)的第一压力。
6. 根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述第一封壳(154)的所述第一内腔(155)至少部分地填充有介电液体(168)，使得所述至少一个第二封壳(160)至少部分地浸在所述介电液体中。
7. 根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述第一封壳(154)构造成将耐压功率电子器件(162)收纳在所述第一内腔(155)中，所述耐压功率电子器件包括以下中的至少一者：电感器、电阻器、变压器、滤波器线圈、机械开关、连接器、线缆、电容器和总线排。
8. 一种用于在水下环境(105)中使用的功率变换模块(152,158)，所述模块包括：
第一封壳(154)，其构造成暴露于所述水下环境，所述第一封壳限定第一内腔(155)，所述第一内腔(155)构造成具有第一压力；和
至少一个第二封壳(160)，其定位在所述第一内腔内，所述至少一个第二封壳限定第二内腔(164)，所述第二内腔(164)构造成具有低于所述第一压力的第二压力，所述至少一个第二封壳构造成限制所述第二内腔中的非耐压功率电子器件(166)对所述第一压力的暴露。
9. 根据权利要求8所述的模块(152,158)，其特征在于，所述第一封壳(154)具有至少大约5比1的长度与直径比。
10. 根据权利要求9所述的模块(152,158)，其特征在于，还包括可湿式匹配的连接器(122)，所述可湿式匹配的连接器(122)联接到所述第一封壳(154)且在所述第一内(155)腔与所述水下环境(105)之间延伸。
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