NO339867B1

NO339867B1 - Energy Transfer System

Info

Publication number: NO339867B1
Application number: NO20101551A
Authority: NO
Inventors: Bjørnar S Johansen
Original assignee: Magtech As
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2017-02-13
Also published as: NO20101551L

Description

Oppfinnelsen vedrører et energioverføringssystem for overføring av elektrisk energi fra en energikilde og til en last. The invention relates to an energy transfer system for transferring electrical energy from an energy source to a load.

Det foreligger visse tekniske ulemper i forbindelse med ulike midler for overføring av elektrisk energi, så som energioverføringsledninger og energioverføringskabler, særlig tapsbeheftede og kapasitive energioverføringsledninger eller -kabler. There are certain technical drawbacks in connection with various means of transmitting electrical energy, such as energy transmission lines and energy transmission cables, in particular lossy and capacitive energy transmission lines or cables.

Underdimensjonerte energioverføringsledninger for elektrisk energi blir ofte betegnet som "svake" ledninger. Slike ledninger har et for lite ledningstverrsnitt i forhold til lastkravet, og vil derfor ha en relativt høy motstand og høy serieimpedans. Lange overføringsledninger kan også være kapasitive. Undersized power transmission lines for electrical energy are often referred to as "weak" lines. Such cables have too small a cable cross-section in relation to the load requirement, and will therefore have a relatively high resistance and high series impedance. Long transmission lines can also be capacitive.

Energioverføringskabler for overføring av vekselstrøm kan bare brukes opp til en viss avstand for høye spenningsnivåer. Dette fordi deres kapasitive egenskaper vil hindre en energioverføring når kablene når en viss lengde. Lange kabler er også beheftet med tap, dvs. at de har høy serieimpedans. Energy transmission cables for the transmission of alternating current can only be used up to a certain distance for high voltage levels. This is because their capacitive properties will prevent an energy transfer when the cables reach a certain length. Long cables are also subject to loss, i.e. they have a high series impedance.

Vanligvis kompenseres en kapasitiv ledning eller kabel for å unngå/redusere Ferranti-effekten. Dessuten vil en tapsbeheftet ledning eller kabel kunne medføre et for stort spenningstap, hvilket reduserer i inadekvate spenningsnivåer for den lasten som er forbundet med ledningen eller kabelen. Usually a capacitive wire or cable is compensated to avoid/reduce the Ferranti effect. In addition, a lossy wire or cable could cause an excessive voltage loss, which reduces to inadequate voltage levels for the load connected to the wire or cable.

Undersjøiske energioverføringskabler er typisk kapasitive og tapsbeheftet. Som følge av disse egenskapene vil lengden til slike kabler være begrenset. Ved enden av kabelen kan det anordnes en opptransformator for transformering av spenningen opp til et aksepterbart nivå for lasten ved nominell last. Dersom imidlertid lasten svikter, eller reduseres betydelig, vil Ferranti-effekten medføre at kabelens endespenning øker, eventuelt over tillatte grenser for kabelen, penetratorer eller transformatorer. Derfor vil lastspenningen nå et uakseptabelt høyt nivå som vil kunne skade lasten. Submarine power transmission cables are typically capacitive and lossy. As a result of these properties, the length of such cables will be limited. At the end of the cable, a step-up transformer can be arranged to transform the voltage up to an acceptable level for the load at nominal load. If, however, the load fails, or is significantly reduced, the Ferranti effect will cause the cable's terminal voltage to increase, possibly above permissible limits for the cable, penetrators or transformers. Therefore, the load voltage will reach an unacceptably high level which could damage the load.

Dersom lasten er en undersjøisk pumpe, så kan lasten variere mellom null og en nominell last. Dersom det brukes en varierbar frekvensomformer for styring av pumpehastigheten, så vil den reaktive energien som trekkes fra kabelen variere i samsvar med frekvensen. If the load is a subsea pump, then the load can vary between zero and a nominal load. If a variable frequency converter is used to control the pump speed, then the reactive energy drawn from the cable will vary in accordance with the frequency.

US 6933822 viser en magnetisk styrt strøm- eller spenningsregulator. US 7180206 viser et spenningsstabiliseringssystem for kraftforsyningslinjer. US 7256678 viser en styrbar induktor. US 6933822 shows a magnetically controlled current or voltage regulator. US 7180206 shows a voltage stabilization system for power supply lines. US 7256678 shows a controllable inductor.

I fig. 1, som svarer til fig. 43 i WO 03/044613, er det vist en magnetinnretning som innbefatter en magnetkjerne, en første vikling og en andre vikling lagt rundt kjernen, og en styrevikling som er lagt rundt kjernen for styring av kjernens permeabilitet. Innretningen kan brukes som en transformator med styrbar magnetiseringsinduktans. In fig. 1, which corresponds to fig. 43 in WO 03/044613, a magnetic device is shown which includes a magnetic core, a first winding and a second winding placed around the core, and a control winding placed around the core for controlling the permeability of the core. The device can be used as a transformer with controllable magnetizing inductance.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et The purpose of the present invention is to provide a

energioverføringssystem hvor lengden til den kapasitive og tapsbeheftede energioverføringskabelen kan økes. energy transmission system where the length of the capacitive and lossy energy transmission cable can be increased.

Det er også en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe et energioverføringssystem som kan håndtere lastvariasjoner mellom null og nominell last. It is also a purpose of the invention to provide an energy transfer system that can handle load variations between zero and nominal load.

Det er også en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe et energioverføringssystem som kan håndtere frekvensvariasjoner i inngangsenergien mellom null og en nominell frekvens. I slike situasjoner skal det være mulig å forbinde energioverføringssystemet med en standard (dvs. hyllevare-)frekvensomformer, dvs. at energioverføringssystemet ikke skal være avhengig av frekvensomformeren eller vice versa. It is also a purpose of the invention to provide an energy transfer system that can handle frequency variations in the input energy between zero and a nominal frequency. In such situations, it should be possible to connect the energy transfer system with a standard (ie off-the-shelf) frequency converter, i.e. the energy transfer system should not be dependent on the frequency converter or vice versa.

Det er også en hensikt å unngå elektroniske komponenter, dvs. halvledere, i energioverføringssystemets hovedstrømledning. It is also intended to avoid electronic components, i.e. semiconductors, in the main power line of the energy transmission system.

Dessuten er det en hensikt å tilveiebringe et energioverføringssystem som har et styresystem som er uavhengig av en separat energikilde. Furthermore, it is an object to provide an energy transfer system having a control system that is independent of a separate energy source.

Oppfinnelsen vedrører et energioverføringssystem for overføring av elektrisk energi fra en energikilde og til en last, innbefattende: - en kapasitiv og tapsbeheftet overføringslinje eller -kabel med en første ende som er forbundet med energikilden, The invention relates to an energy transmission system for the transmission of electrical energy from an energy source and to a load, including: - a capacitive and lossy transmission line or cable with a first end which is connected to the energy source,

- en transformatorinnretning som innbefatter: - a transformer device which includes:

- en magnetkjerne, - a magnetic core,

- en første vikling lagt rundt en første akse for magnetkjernen, hvilken første vikling er forbundet med en andre ende av overføringsledningen, - en andre vikling lagt rundt den første aksen for magnetkjernen, hvilken andre vikling er forbundet med lasten, og - en styrevikling lagt rundt en andre akse for magnetkjernen, idet den første aksen og den andre aksen er ortogonale akser, slik at når den første viklingen, den andre viklingen og/eller styreviklingen tilføres elektrisk strøm, genereres ortogonale flukser i magnetkjernen, - et styresystem forbundet med styreviklingen for styring av magnetkjernens permeabilitet for derved automatisk å tilveiebringe en spenningsstyring av den spenningen som leveres til lasten ved å styre den reaktive energien som trekkes fra kabelen. - a first winding laid around a first axis of the magnetic core, which first winding is connected to a second end of the transmission line, - a second winding laid around the first axis of the magnetic core, which second winding is connected to the load, and - a control winding laid around a second axis for the magnetic core, the first axis and the second axis being orthogonal axes, so that when the first winding, the second winding and/or the control winding are supplied with electric current, orthogonal fluxes are generated in the magnetic core, - a control system connected to the control winding for control of the permeability of the magnetic core thereby automatically providing a voltage control of the voltage supplied to the load by controlling the reactive energy drawn from the cable.

Ifølge et inventivt aspekt innbefatter systemet en tredje vikling lagt rundt den første aksen for magnetkjernen, idet denne tredje viklingen er forbundet med styresystemet for tilføying av energi til styresystemet. According to an inventive aspect, the system includes a third winding laid around the first axis of the magnetic core, this third winding being connected to the control system for adding energy to the control system.

Ifølge et inventivt aspekt innbefatter styresystemet en spenningssensor for måling av utgangsspenningen, idet en styrestrøm som tilføres styreviklingen baserer seg på en sammenligning av den målte utgangsspenningen ved en According to an inventive aspect, the control system includes a voltage sensor for measuring the output voltage, a control current supplied to the control winding being based on a comparison of the measured output voltage at a

r eferans eutgangs sp enning. r eference output voltage.

Ifølge et inventivt aspekt innbefatter styresystemet videre en frekvenssensor for måling av spenningsfrekvensen. According to an inventive aspect, the control system further includes a frequency sensor for measuring the voltage frequency.

Ifølge et inventivt aspekt innbefatter styresystemet en på forhånd bestemt spenning/frekvensprofil for styring av utgangsspenningen basert på utgangsspenningsmålingen og frekvensmålingen. According to an inventive aspect, the control system includes a predetermined voltage/frequency profile for controlling the output voltage based on the output voltage measurement and the frequency measurement.

Ifølge et inventivt aspekt er kabelen en undersjøisk kabel. According to an inventive aspect, the cable is a submarine cable.

Ifølge et inventivt aspekt er lasten en undersjøisk pumpestasjon eller et undersjøisk energifordelingssystem. According to an inventive aspect, the cargo is a subsea pumping station or a subsea energy distribution system.

Utførelser av oppfinnelsens skal nå beskrives under henvisning til tegningen, hvor: Fig. 1 viser en tidligere kjent transformator med styrbar magnetiseringsinduktans, Embodiments of the invention will now be described with reference to the drawing, where: Fig. 1 shows a previously known transformer with controllable magnetizing inductance,

Fig. 2 viser en første utførelse, Fig. 2 shows a first embodiment,

Fig. 3 viser en andre utførelse, og Fig. 3 shows a second embodiment, and

Fig. 4 viser et plott som viser inngangsenergien som en funksjon av styrestrømmen. Fig. 4 shows a plot showing the input energy as a function of the control current.

Det skal nå vises til fig. 2. Det er der vist et energioverføringssystem for overføring av elektrisk energi fra en energikilde, her betegnet Uin, til en last. Energikilden kan være en vekselstrømenergi med en fast frekvens, eller en frekvensomformer hvor frekvensen kan varieres mellom null og en nominell frekvens. Reference should now be made to fig. 2. There is shown an energy transfer system for transferring electrical energy from an energy source, denoted here Uin, to a load. The energy source can be alternating current energy with a fixed frequency, or a frequency converter where the frequency can be varied between zero and a nominal frequency.

Spenningen over lasten betegnes som Uout. Lasten kan eksempelvis være en frekvensstyrt pumpe. Lasten kan variere mellom null og en nominell verdi. Det skal nevnes at lasten i slike tilfeller kan variere ganske betydelig og raskt, eksempelvis dersom det dannes gasslommer i den fluidstrømmen som pumpes. The voltage across the load is denoted as Uout. The load can, for example, be a frequency-controlled pump. The load can vary between zero and a nominal value. It should be mentioned that in such cases the load can vary quite significantly and quickly, for example if gas pockets form in the fluid flow being pumped.

Energioverføringssystemet innbefatter en kapasitiv og tapsbeheftet overføringskabel. Det skal nevnes at overføringskabelen også kan være en kapasitiv og tapsbeheftet overføringsledning, dvs. at i noen tilfeller kan overføringsledninger ha de samme egenskapene som kabler, og derfor kan den samme eller lignende løsninger som brukes for kabelen også brukes for bedring av ledningens egenskaper. The energy transmission system includes a capacitive and lossy transmission cable. It should be mentioned that the transmission cable can also be a capacitive and lossy transmission line, i.e. that in some cases transmission lines can have the same properties as cables, and therefore the same or similar solutions used for the cable can also be used to improve the properties of the line.

Som nevnt innledningsvis, kan slike kabler ha en lengde på mer enn ti til flere hundre kilometer. As mentioned at the outset, such cables can have a length of more than ten to several hundred kilometres.

En første ende av overføringskabelen er forbundet med energikilden Uin. En andre ende av overføringskabelen er forbundet med en transformatorinnretning 10 som har varierbar eller styrbar magnetiseringsinduktans. Transformatorinnretningen 10 er vist som en stiplet boks i fig. 2. A first end of the transmission cable is connected to the energy source Uin. A second end of the transmission cable is connected to a transformer device 10 which has variable or controllable magnetization inductance. The transformer device 10 is shown as a dashed box in fig. 2.

I utførelsen i fig. 1 har transformatorinnretningen 10 en magnetkjerne, en første vikling Wl, en andre vikling W2, og en styrevikling CW. Den første viklingen Wl er lagt rundt en første akse for magnetkjernen, og er forbundet med overføringskabelens andre ende. In the embodiment in fig. 1, the transformer device 10 has a magnetic core, a first winding Wl, a second winding W2, and a control winding CW. The first winding Wl is laid around a first axis of the magnetic core, and is connected to the other end of the transmission cable.

Den andre viklingen W2 er også lagt rundt magnetkjernens første akse. Den andre viklingen W2 er forbundet med lasten. The second winding W2 is also laid around the first axis of the magnetic core. The second winding W2 is connected to the load.

Styreviklingen CW er lagt rundt en andre akse for magnetkjernen, og er forbundet med et styresystem. Den første aksen og den andre aksen er ortogonale akser, slik at når den første, den andre, og/eller styreviklingen tilføres elektrisk strøm, genereres det ortogonale flukser i magnetkjernen. The control winding CW is laid around a second axis for the magnetic core, and is connected to a control system. The first axis and the second axis are orthogonal axes, so that when the first, the second and/or the control winding is supplied with electric current, orthogonal fluxes are generated in the magnetic core.

Styresystemet er anordnet for styring av magnetkjernens permeabilitet for derved automatisk å oppnå spenningsstyring av den spenningen som tilføres lasten, idet man styrer den reaktive energien som trekkes fra kabelen. Derfor innbefatter styresystemet en spenningssensor for måling av utgangsspenningen Uout. The control system is arranged to control the permeability of the magnetic core in order to thereby automatically achieve voltage control of the voltage supplied to the load, by controlling the reactive energy that is drawn from the cable. Therefore, the control system includes a voltage sensor for measuring the output voltage Uout.

Styresystemet leverer en likestrøm Ikontroii til styreviklingen CW mellom en verdi lik 0 og en nominell verdi, avhengig av systemutformingen. For en verdi for Ikontroii = 0, vil transformatorinnretningen arbeide som en "standard" transformator, hvor utgangsspenningen Uout vil være avhengig av forholdet mellom antall vindinger i henholdsvis den første og den andre viklingen Wl og W2. I en slik situasjon vil transformatorinnretningen ikke trekke mer reaktiv energi enn en ordinær transformator. The control system delivers a direct current Icontroii to the control winding CW between a value equal to 0 and a nominal value, depending on the system design. For a value of Icontroii = 0, the transformer device will work as a "standard" transformer, where the output voltage Uout will depend on the ratio between the number of turns in the first and second windings W1 and W2, respectively. In such a situation, the transformer device will not draw more reactive energy than an ordinary transformer.

Ved verdier for Ikontroii > 0, og opp til nominell verdi, vil transformatorinnretningen 10 bruke eller trekke reaktiv energi, dvs. at den kompenserer for den reaktive energien som kabelen produserer. Derved unngår man eller reduserer Ferranti-effekten. Ferranti-effekten i den kapasitive ledningen/kabelen vil ha en tendens til å øke spenningen under last som er lavere enn den nominelle. Her vil transformatorinnretningen 10 forbruke den mengden reaktiv energi som er nødvendig for samtlige laster for å holde lastspenningen på dens nominelle nivå. At values for Icontroii > 0, and up to the nominal value, the transformer device 10 will use or draw reactive energy, i.e. it compensates for the reactive energy produced by the cable. This avoids or reduces the Ferranti effect. The Ferranti effect in the capacitive wire/cable will tend to increase the voltage under load which is lower than the nominal one. Here, the transformer device 10 will consume the amount of reactive energy that is necessary for all loads to keep the load voltage at its nominal level.

Transformatorinnretningen 10 i fig. 2 kan svare til transformatoren med styrbar magnetiseringsinduktans som er vist i fig. 1, hvor den første viklingen Wl svarer til henvisningstallet 2, den andre viklingen W3 svarer til henvisningstallet 3, og styreviklingen svarer til henvisningstallet 4. 1 utførelsen i fig. 2 tilføres styresystemet energi fra en separat energitilførsel, eksempelvis en likestrøm- eller vekselstrømkabel (ikke vist) fra en nærliggende energikilde, i kabelen selv, etc. I tilfelle at energitilførselen er en vekselstrømenergi, bør styresystemet innbefatte en vekselstrøm/likestrøm-omformer. The transformer device 10 in fig. 2 may correspond to the transformer with controllable magnetizing inductance shown in fig. 1, where the first winding W1 corresponds to the reference number 2, the second winding W3 corresponds to the reference number 3, and the control winding corresponds to the reference number 4. 1 the embodiment in fig. 2, the control system is supplied with energy from a separate energy supply, for example a direct current or alternating current cable (not shown) from a nearby energy source, in the cable itself, etc. In the event that the energy supply is an alternating current energy, the control system should include an alternating current/direct current converter.

Styresystemet styrer styrestrømmen basert på en sammenligning av en referanseutgangsspenning med en målt utgangsspenning Uout. Dersom den målte utgangsspenningen Uout er lavere enn referansespenningen, så reduseres styrestrømmen for derved å øke utgangsspenningen. Dersom den målte utgangsspenningen er høyere enn referansespenningen, så økes styrestrømmen for derved å redusere utgangsspenningen. The control system controls the control current based on a comparison of a reference output voltage with a measured output voltage Uout. If the measured output voltage Uout is lower than the reference voltage, then the control current is reduced to thereby increase the output voltage. If the measured output voltage is higher than the reference voltage, then the control current is increased to thereby reduce the output voltage.

I tillegg kan spenningsfrekvensen ved enden av kabelen måles ved hjelp av en frekvenssensor, og leveres som et inngangssignal til styresystemet. Det vil være tilfellet dersom energikilden er en frekvensomformer. Er frekvensen ved en nominell frekvens, så vil styresystemet styre utgangsspenningen slik at den blir lik den nominelle utgangsspenningen (dvs. Ikontroii = null). Dersom eksempelvis frekvensen er 10 % av nominell frekvens, så skal styresystemet styre utgangsspenningen til eksempelvis en utgangsspenning lik null (dvs. Ikontroii = nominell verdi). Dette vil imidlertid være avhengig av frekvensomformerens funksjon. In addition, the voltage frequency at the end of the cable can be measured using a frequency sensor, and delivered as an input signal to the control system. This will be the case if the energy source is a frequency converter. If the frequency is at a nominal frequency, the control system will control the output voltage so that it is equal to the nominal output voltage (ie Icontroii = zero). If, for example, the frequency is 10% of the nominal frequency, then the control system must control the output voltage to, for example, an output voltage equal to zero (i.e. Icontroii = nominal value). However, this will depend on the function of the frequency converter.

Det vil være mulig å bruke både den målte frekvensen og den målte utgangsspenningen som inngangs signaler i styresystemet. Dersom energikilden er en frekvensomformer, så kan lastspenningen, idet man kjenner spenningen og frekvensen, styres (ved hjelp av styrestrømmen) for derved å holde V/f (spenning/frekvens)-forholdet konstant, slik at det dannes en induksjonsmotor viss nominelle luftgap flukser. Eller, om nødvendig, kan det brukes en annen på forhånd bestemt V/f-profil, eksempelvis med spenningsforsterkning ved lave frekvenser (dvs. et ikke-lineært V/f-forhold). It will be possible to use both the measured frequency and the measured output voltage as input signals in the control system. If the energy source is a frequency converter, then the load voltage, knowing the voltage and frequency, can be controlled (using the control current) to thereby keep the V/f (voltage/frequency) ratio constant, so that an induction motor is formed if nominal air gap fluxes . Or, if necessary, another predetermined V/f profile can be used, for example with voltage gain at low frequencies (ie a non-linear V/f ratio).

I utførelsen i fig. 2 oppnår man at energioverføringslengden kan økes med en faktor på 2-2,5, sammenlignet med kjent teknologi, så som ikke-kompenserte kabler. In the embodiment in fig. 2, one achieves that the energy transmission length can be increased by a factor of 2-2.5, compared to known technology, such as non-compensated cables.

Det skal nå vises til fig. 4, som viser ulike variabler avhengig av styrestrømmen. Man kan der se at mens utgangsspenningen AU er relativt konstant, kan den reaktive energien Q styres ved hjelp av styrestrømmen. Reference should now be made to fig. 4, which shows different variables depending on the control current. It can be seen that while the output voltage AU is relatively constant, the reactive energy Q can be controlled using the control current.

En andre inventiv utførelse er vist i fig. 3. Systemet innbefatter de samme elementer som er beskrevet i forbindelse med fig. 2, og det er benyttet de samme henvisningstall/bokstaver. Disse lignende elementene blir derfor ikke beskrevet nærmere nedenfor. A second inventive embodiment is shown in fig. 3. The system includes the same elements that are described in connection with fig. 2, and the same reference numbers/letters are used. These similar elements are therefore not described in more detail below.

I utførelsen i fig. 3 er en tredje vikling MW3 lagt rundt magnetkjernens første akse. Den tredje viklingen MW3 er forbundet med styresystemet for levering av energi til styresystemet. Når således den første viklingen Wl magnetiseres ved hjelp av kabelen, genereres en spenning over den tredje viklingen W3, og derved forsynes styresystemet med energi. Dessuten, når energien til kabelen stenges, vil det ikke foreligge noen spenning i den første viklingen Wl, og derfor heller ikke i den tredje viklingen W3. In the embodiment in fig. 3 is a third winding MW3 placed around the first axis of the magnetic core. The third winding MW3 is connected to the control system for supplying energy to the control system. Thus, when the first winding Wl is magnetized by means of the cable, a voltage is generated across the third winding W3, and thereby the control system is supplied with energy. Also, when the power to the cable is shut off, there will be no voltage in the first winding W1, and therefore also in the third winding W3.

I utførelsen i fig. 3 er det ikke nødvendig med en egen energikilde for styresystemet. Det skal nevnes at ved legging av den tredje viklingen rundt kjernen, tilveiebringes elektrisk isolasjon mellom styresystemet og In the embodiment in fig. 3, there is no need for a separate energy source for the control system. It should be mentioned that by laying the third winding around the core, electrical isolation is provided between the control system and

energioverføringssystemet. the energy transfer system.

Claims

1. Energy transmission system for the transmission of electrical energy from an energy source and to an undersea load, including: - a capacitive and lossy undersea cable or line with a first end connected to the energy source, - a transformer device including: - a magnetic core, - a first winding laid around a first magnetic core axis, which first winding is connected to a second end of the transmission cable, - a second winding laid around the first magnetic core axis, which second winding is connected to the underwater load, and - a control winding laid around a second magnetic core axis, the first and second axes are orthogonal axes, so that when the first winding, the second winding and/or the control winding are supplied with electric current, orthogonal fluxes are generated in the magnetic core, - a control system connected to the control winding for controlling the permeability of the magnetic core, thereby providing voltage control of the voltage supplied to it subsea load by controlling the reactive energy drawn from the subsea cable.

2. System according to claim 1, characterized in that it includes a third winding laid around the magnetic core's first axis, which third winding is connected to the control system for supplying energy to the control system.

3. System according to claim 1, characterized in that the control system includes a voltage sensor for measuring the output voltage, a control current supplied to the control winding being based on a comparison of the measured output voltage with a reference output voltage.

4. System according to claim 1, characterized in that the control system further includes a frequency sensor for measuring the voltage frequency.

5. System according to claim 4, characterized in that the control system includes a predetermined voltage/frequency profile for controlling the output voltage based on the output voltage measurement and the frequency measurement.

6. System according to claim 1, characterized in that the cable is a submarine cable.

7. System according to claim 1, characterized by the cargo being a submarine pumping station or a submarine energy distribution system.