CN104297627B - 用于控制和保护直流海底电力系统的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供方法(600)和高压DC(HVDC)电力系统(100)。该系统包括：多个发送端(SE)模块(110)，其电串联耦合，并且分为关于电接地(112)各自独立地进行操作的至少两组(111、113)；以及多个接收端(RE)功率转换器模块(118)，其电耦合到多个SE模块(110)，多个RE功率转换器模块包括快速接地故障检测和控制装置(500)，多个RE功率转换器模块包括接收端前端DC‑DC转换器控制器(1100)和输出电流衰减控制(1106)。

Description

用于控制和保护直流海底电力系统的方法和系统

关于联邦资助研发的声明

美国政府根据合同号DE-AC-07NT42677对所提供的本发明具有某些权利。

技术领域

本描述涉及配电系统，以及更具体来说，涉及用于高压直流(HVDC)传输和分配系统控制和保护。

背景技术

随着浅水区的油田和气田干涸，生产商采用在远低于海面下进行操作的供油装置来开发深水区的海上油田。用于这种海底采油和生产的典型设备包括用于多个功能的气体压缩机和各种泵。电动变速驱动(VSD)和电动机系统是直接驱动深水区下的这种设备的一种方式。因此，电力从远程岸上公用电网的输送或者电力生成对保护海底位置的油和气的可靠生产和处理是重要的。通常，输电要求对于中等至大型油/气田大约为一百兆瓦特。

对于大电力通过长距离传送到海上位置的应用，交流(AC)传输面临技术难题，其在传输距离超过一百公里时变得更为显著。从分布的海底电缆电容器所吸取的显著的无功功率抑制电力输送能力以及增加系统成本。

直流(DC)传输对较长距离比AC传输更为有效。中压(MV)或高压(HV)DC传输通常要求功率电子转换器，其能够在HV AC与HV DC之间进行转换。在常规转换器拓扑中，转换器的各开关设计成操控高压，其范围可从数十千伏至数百千伏，这取决于应用需要。这类开关通常采用若干半导体器件(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和晶闸管)的串联连接来设置。另一种方法是使用较低额定电压的模块中的开关，并且通过串联连接与应用要求同样多的模块来取得高电压。由于海底的特殊应用，接收端转换器需要基于模块化来设计，其易于运输、海用化、安装和回收。

发明内容

在一个实施例中，高压DC(HVDC)电力系统包括：多个发送端(SE)模块，其电串联耦合，并且分为关于电接地各自独立地进行操作的至少两组；以及多个接收端(RE)功率转换器模块，其电耦合到多个SE模块，多个RE功率转换器模块包括快速接地故障检测和控制装置，多个RE功率转换器模块包括接收端前端DC-DC转换器控制器和输出电流衰减控制。

在另一个实施例中，高压DC(HVDC)电力系统控制和保护的方法包括将多个负载耦合到接收端(RE)配电系统，该RE配电系统配置为配置成关于接地各自独立地进行操作的多个单极分配系统，多个负载的各个经过相应负载分配电缆和相应RE负载功率转换模块来耦合到RE配电系统的分支。该方法还包括检测分支中的接地故障，将跨与分支关联的负载分配电缆的导体的旁路开关闭合以使来自分支的负载电流旁路，使关联单极分配系统中的电流斜降，当单极分配系统电流接近零时断开接地故障隔离开关，以及使关联单极分配系统中的电流斜升，以在接地故障影响的分支被隔离的同时向单极分配系统中的其它负载供电。

在又一个实施例中，高压DC(HVDC)电力系统的海底接收端(RE)组件包括电串联耦合并且具有关联负载段分配保护装置的多个接收端(RE)功率转换器模块分支，对负载的各分支，各个RE功率转换器模块以三相交流(AC)电力向相应负载供电，各负载段包括快速接地故障检测系统，其中快速接地故障检测系统包括：第一电流传感器，配置成测量进入负载分配电缆的负载电流；第二电流传感器，配置成测量从负载分配电缆向下游进入RE功率转换器模块的负载电流；接地故障检测器，配置成将第一和第二电流传感器所测量的残余共模电流与阈值进行比较，并且生成接地故障命令；以及负载隔离装置，配置成基于所生成的接地故障命令来将接地故障与HVDC电力系统隔离。

附图说明

图1-13示出本文所述方法和设备的示范实施例。

图1是基于双极电流源的模块化堆叠直流(MSDC)高压直流(HVDC)系统和发送端控制方案的示意框图；

图2是基于双极电流源的模块化堆叠直流(MSDC)高压直流(HVDC)系统和发送端控制方案的另一个实施例的示意框图；

图3是按照本公开的一示例实施例的发送端控制系统、例如图1和图2所示的第一控制器或第二控制器的示意框图；

图4是配置为两个单独电流源的发送端系统的等效电路的示意图；

图5是用于基于双极电流源的模块化堆叠直流系统的接地故障检测和隔离系统的示意框图；

图6是检测和隔离系统中的接地故障的方法的流程图；

图7是示出接地故障位置、图1和图2所示系统的一部分的示意框图；

图8是来自图5所示GF检测器、分配电缆的入口上的残余共模电流的图表；

图9是来自图5所示GF检测器、接收端模块的入口上的残余共模电流的图表；

图10是示出系统上瞬时的接地故障的效果的图表；

图11是具有附加输出电流衰减控制电路的接收端前端DC-DC转换器和控制器的示意图；

图12是可存在于图1所示系统的分支中的谐振电流的图表；

图13是作为因其它相邻负载的卸载引起的电流尖峰的结果的过冲电流的图表1300。

虽然各个实施例的具体特征可在部分附图中示出而在其它附图中未示出，但是这只是为了方便起见。可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护任何附图的任何特征。

除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或更多实施例的大量系统。因此，附图不是意在包括本领域的技术人员已知的、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

通过举例而不是进行限制，以下详细描述示出本发明的实施例。考虑本发明对控制和保护各种应用中的电力系统的实施例具有一般应用。

具体来说，本发明公开包括双极系统架构、双极操作的发送端顶侧功率转换站的控制、具有电流谐振衰减的接收端功率转换器模块的控制、配电开关站旁路保护结构以及快速接地故障检测和隔离的部件。

以下描述参照附图，其中在没有相反表示的情况下，不同附图中的相同标号表示相似元件。

专利中的那些上述MSDC的整个发送端模块作为单个电流源来控制。该系统准备仅当整个系统被构建时才进行操作，由此延长构造和调试时间。任何故障可危害整个系统操作，从而降低系统可靠性。系统灵活性因单操作模式而受到限制。如上述专利所示的高阻抗接地方案引起如下情况：海底电缆需要全电压或者甚至更高绝缘能力来使接地故障保持为瞬时的。另外，接地故障因受限接地故障电流而不易于检测。

在本发明公开的简单实施例中，提出具有操作模式、例如单极和双极模式的更大灵活性的双极模块化堆叠系统架构和对应发送端控制。系统能够容许单传输电缆故障。提出开关站结构以及快速而准确的接地故障保护解决方案，其提供接地故障事件期间的穿越能力。提供一种用于健壮分配系统操作的接收端模块的有源电流衰减控制器。

图1是基于双极电流源的模块化堆叠直流(MSDC)高压直流(HVDC)系统100和发送端控制方案的示意框图。在本示例实施例中，系统100包括发送端102和接收端104。使用具有第一极性的第一电缆106以及具有相反的第二极性的第二电缆108来电耦合发送端102和接收端104。在本示例实施例中，发送端102定位在水域表面上方，以及接收端104定位在水域底部，并且因此通常在水下压力环境中进行操作。

发送端102包括发电机109以及电串联配置的多个发送端模块110。在图1的示例中，模块110通过地112电分为两组111和113。在图2所示的示例中，模块110通过低电阻导管202、非限制性地例如导线或电缆电分为两组。

发送端102包括使用模块110的相同单极12脉冲整流器/逆变器系统的两个集合。它们关于地各自独立地进行操作。电缆106、108的极性相反。在正常操作期间，流经大地的电流因对称操作而是可忽略的。对于单极系统使用双极系统包括例如当故障发生时，通过大地回路电极安装在系统的各端，接近一半的额定功率能够使用大地作为返回通路继续流动，从而工作在单极模式。

发送端模块通过接地电极的位置分为两组，并且使用第一控制器114和第二控制器116单独控制。第一控制器114和第二控制器116将两组发送端转换器110作为两个相同电流源来调节。这种控制还确保地电流始终接近零。其输出端子电压电平取决于接收端104的负载条件。组111和113的电压按照负载条件自动调整。因此，系统100不一定要求接收端104的对称负载。图2示出使用低绝缘金属回路导线而不是海水或大地来引导电流的一种备选方式。在海底区域中难以构建接地系统时，图2所示的系统更为可行。

接收端104包括按照串联配置电耦合的多个接收端模块18。在各个实施例中，各接收端模块118向单个负载、非限制性地例如电动机120供电。此外，接收端单元118包括第一级DC-DC转换器和第二级DC-AC逆变器(图1和图2中均未示出)。

图3是按照本公开的一示例实施例的发送端控制系统300、例如第一控制器114或第二控制器116(图1和图2所示)的示意框图。在本示例实施例中，发送端控制系统300包括电流和电压测量系统302和304的两个集合。两个电压传感器306和308测量电缆106和108分别与地之间的电压。实现各组111和113中的发送端(SE)模块之间的交织技术，以降低链路电流纹波。来自组111转换器和组113转换器的输出电流能够进一步交织，以完全消除大地电流。

图4是配置为两个单独电流源402和404的发送端系统102的等效电路的示意图。系统100是最初作为双极系统来调试的双极MSDC海底系统装置，但是可工作在单极模式。因此，该系统能够在只有系统的一半被构建时立即进行操作，由此将调试时间缩短一半。在单极模式下，两个海底电缆能够用作发送和返回通路，或者两个电缆能够作为发送通路来并联，并且海水或金属导线用作返回通路。

系统100的双极方案基本上作为两个并联单极进行操作。任何系统故障只能危害总负载的一半。另一半系统能够作为单极模式来保持操作。由于两个单独电力输送操作的性质，系统100甚至当海底传输电缆之一断裂时仍然能够保持有效。因此显著改进系统灵活性和可靠性。

另外，系统100准许降低传输和分配电缆以及连接器的绝缘强度，这能够保证少于总DC电压的一半，甚至在接地故障的情况下。这降低电缆和连接器上的介电应力。

图5是用于基于双极电流源的模块化堆叠直流系统、例如系统100的接地故障检测和隔离系统500的示意框图。电缆和连接器上的绝缘故障或接地故障是这种HVDC系统中因恶劣环境引起的更显著部件故障模式之一。接收故障的快速检测、故障位置的准确定位以及故障清除的简单方式是重要的。示出使用四个接收端模块118、用于系统100的接地故障(GF)检测和隔离系统500。各分支502包括由相应接收端模块118所供电的负载120。各分支由入口分配电缆504和出口分配电缆506来供电。在电缆504和506的各端，接地故障检测器电耦合到分支502。例如，电缆504和506的供电侧508包括供电侧接地故障检测器510，以及电缆504和506的负载侧512包括负载侧接地故障检测器514。另外，各分支502包括各接地故障检测器510和514的供电侧的接地故障隔离开关。具体来说，接地故障检测器510与隔离开关516关联，以及接地故障检测器514与隔离开关518关联。各分支还包括分支旁路开关519。如接地故障检测器510的展开视图520所示，各接地故障检测器510包括电流感测电路522，其中包括低通滤波器524和比较器526。比较器接收流经供电侧508的电缆504和506的电流的信号528以及表示在接地故障条件中会是显而易见的预定量的电流的阈值信号。在各个实施例中，电流感测电路522包括电流传感器532、非限制性地例如残余霍耳效应电流传感器，以检测流经电缆504和506的电流。

残余霍耳效应传感器在各负载分支502的分配电缆的入口和VSD模块118的入口中实现。GF检测器510和514将残余共模电流与阈值530进行比较，以确定接地故障的发生。GF检测器510和514能够直接识别接地故障位置，并且控制本地隔离断路器516或518来将受影响分支502的有故障部分与整个系统100隔离。在检测接地故障时，GF检测器510和514同时向旁路开关519传送跳闸信号533，以使围绕受影响分支502的电流旁路，以及向发送端102传送故障信号534，发送端102则使单极系统的有故障侧的输出电流斜降。一旦链路电流下降到低于预定极限，GF检测器510和514断开关联隔离断路器516或518，并且令发送端102再次使电流斜升。

图6是检测和隔离系统100中的接地故障的方法600的流程图。GF检测、定位和隔离的完整链能够自主地实现。因接地故障引起的生产损失由此能够在极短时隙中为最小。能够迅速检测和隔离有故障分支或者分支的部分，从而确保系统的其余部分的连续操作。在本示例实施例中，方法600包括检测602接地故障，同时闭合604分支旁路开关并且向相应发送端控制器114或116传送接地故障信号，由相应发送端控制器114或116使受影响单极中的电流斜降606，在分支中的电流减小到预定值时断开608关联隔离断路器，以及对单极上的现有负载又使受影响单极中的电流斜升610到正常操作电平。

图7是系统100的一部分的示意框图，示出如所示的分配电缆504与多个接收端模块118其中之一之间的防潮连接器上的接地故障位置702。

图8是来自分配电缆504的入口上的GF检测器510的残余共模电流的图表800。图表800包括以时间单位(秒)延伸的x轴802以及以电流单位(kA)延伸的y轴804。轨迹806示出分配电缆的入口上的GF检测器510所检测的电流。

图9是来自接收端模块118的入口上的GF检测器514的残余共模电流的图表900。图表900包括以时间单位(秒)延伸的x轴902以及以电流单位(kA)延伸的y轴904。轨迹906示出接收端模块118的入口上的GF检测器514所检测的电流。比较两个相邻GF检测器510和514的残余共模电流表明，故障位置将在分配电缆上。轨迹860示出大约900安培的尖峰，以及在大致同时，轨迹906示出仅43安培的尖峰。

图10是示出系统100上瞬时的接地故障的效果的图表1000。图表1000示出上曲线1002和下曲线1004，其中上曲线1002示出表示两个11 MW压缩机负载和两个2.5 MW泵负载的四个接收端模块118的输出功率。下曲线104示出发送端和接收端链路电流。当接地故障在t=12秒发生时，受影响发送端控制器就在接收来自关联GF检测器的故障信号之后，将链路电流减少到大约零。一旦电流下降到预定或最佳值，GF检测器立即断开隔离断路器。然后，又将链路电流控制为正常值。未受影响接收端模块118在接地故障检测和隔离过程之后又返回到正常状态。

图11是具有附加输出电流衰减控制电路1102的接收端前端DC-DC转换器1101和控制器1100的示意图。虽然调节发送端电流，但是接收端电流因来自传输和分配电缆的各种阻抗谐振以及发送端的低控制带宽而在电流尖峰和振荡方面是丰富的。至少一些已知瞬时事件、例如突然卸载能够易于触发接收端电流振荡或过冲。这些异常电流行为可使接收端模块118的任一个中的保护功能跳闸以及引起更多功率损耗。接收端前端DC-DC转换器控制器1100包括平衡调节器电路1102、功率调节器电路1104以及具有接收端电流测量电路1108的附加输出电流衰减控制电路1106。电路1108包括高通滤波器(HPF)，其降低电流信号的DC分量。其它频率信息流经调节器(Hi)，并且生成对应占空比信号dter。电流衰减控制电路1106的输出自动调整端子电压，以减弱电流振荡和尖峰。因为衰减环路仅处理非DC电流，所以它将不会影响功率调节器电路1104。

平衡调节器电路1102配置成平衡顶部电容器VdcP和底部电容器VdcN的各个两端的电压。理想地，VdcP和VdcN将相等，但是，在部件之间或者在电容器之间可存在某个差，从而产生电压差。要克服那个差，平衡调节器电路1102将两个电容器电压控制为相同。

功率调节器电路1104配置成生成脉宽调制器1110和1112的各相的占空比控制信号。将参考电压Vdc_ref与所测量DC电压Vdc进行比较，这生成对控制器Hv的误差信号输入，以生成PWM占空比。要增加控制器Hv的响应，使用前馈环路1114。

前馈环路1114接收功率信号P和所测量Vdc。功率P是负载侧功率消耗，其除以Vdc，这生成对应电流参考1116。将电流参考1116缩放预定增益因子G。来自控制器Hv的电压信号和经缩放的电流参考相结合，以生成占空比ddc。前馈环路1114帮助校正负载侧的突然变化(其能够造成功率的突然变化)。功率的突然变化能够过快地突然改变Hv控制器的占空比，以保持适当输出。

图12是谐振电流的图表1200。图表1200包括以时间单位(秒)延伸的x轴1202以及以电流单位延伸的y轴1204。轨迹1206示出没有电路1106的接收端模块118的电流，以及迹线1208示出具有电路1106的电流。

图13是作为因其它相邻负载的卸载引起的电流尖峰的结果的过冲电流的图表1300。图表1300包括以时间单位(秒)延伸的x轴1302以及以电流单位延伸的y轴1304。轨迹1306示出没有电路1106的接收端模块118的电流，以及迹线1208示出具有电路1106的电流。

控制和保护表面-海底输电和配电系统的方法和系统的上述实施例提供用于提供冗余、容错和可靠使用双极拓扑、快速动作接地故障检测和隔离系统以及电流衰减系统的节省成本并且可靠的手段。更具体来说，本文所述的双极拓扑促进将电功率从表面位置供应到恶劣海底位置。因此，本文所述的方法及系统促进以节省成本和可靠的方式来操作远程设备。

本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，以及还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则它们意在落入权利要求的范围之内。

附图标记说明

100	HVDC系统	533	跳闸信号
				102	发送端	534	故障信号
104	接收端	600	方法
				106	第一电缆	602	检测
108	第二电缆	604	闭合
				109	发电机	606	升降
110	发送端模块	608	断开
				111	组	610	斜升
112	地	702	接地故障位置
				113	组	800	图表
114	发送端控制器	802	x轴
				116	发送端控制器	804	y轴
118	接收端模块	806	轨迹
				120	负载	900	图表
202	低电阻导管	902	x轴
				300	发送端控制系统	904	y轴
302	电压测量系统	906	轨迹
				304	电压测量系统	1000	图表
306	电压传感器	1002	上曲线
				308	电压传感器	1004	下曲线
402	电流源	1100	DC-DC转换器控制器
				404	电流源	1101	DC-DC转换器
500	检测和隔离系统	1102	平衡调节器电路
				502	负载分支	1104	功率调节器电路
504	分配电缆	1106	电流阻尼控制电路
				506	出口分配电缆	1108	电流测量电路
508	供电侧	1110	脉宽调制器
				510	接地故障检测器	1112	脉宽调制器
512	负载侧	1114	前馈环路
				514	接地故障检测器	1116	电流参考
516	隔离开关	1200	图表
				518	隔离开关	1202	x轴
519	旁路开关	1204	y轴
				520	展开视图	1206	轨迹
522	电流感测电路	1208	轨迹
				524	低通滤波器	1300	图表
526	比较器	1302	x轴
				528	信号	1304	y轴
530	阈值	1306	轨迹
				532	电流传感器

Claims (9)

1.一种高压直流HVDC电力系统(100)，包括：

多个发送端SE模块(110)，其电串联耦合，并且分为关于电接地(112)各自独立地进行操作的至少两组(111，113)；以及

多个接收端RE功率转换器模块(118)，其电耦合到所述多个SE模块，所述多个RE功率转换器模块包括快速接地故障检测和控制装置(500)、接收端前端DC-DC转换器控制器(1100)和输出电流衰减控制(1106)，所述输出电流衰减控制包括接收端电流测量环路(1108)；

至少两个SE控制系统，所述至少两个SE控制系统中各自构造成调整至少两组中相应一组以促进维持零安培的地电流，其中所述快速接地故障检测和控制装置包括配置成同时向所述至少两个SE控制系统中传送故障信号的接地故障检测器。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述HVDC电力系统还包括双极配置，所述双极配置具有大地以及从所述SE模块向所述RE功率转换器模块供电的两个相反极性传输电缆(504，506)。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述HVDC电力系统还包括双极配置，所述双极配置具有低阻抗金属导线回路以及从所述SE模块向所述RE功率转换器模块供电的两个相反极性传输电缆。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述HVDC电力系统包括单极配置，所述单极配置具有从所述SE模块向所述RE功率转换器模块供电的电并联的两个传输电缆以及低阻抗金属导线回路和大地中的至少一个。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个接收端RE功率转换器模块还包括在开关站配置的各端子中实现的一个或更多接地故障检测器装置，以促进接地故障位置(702)的识别。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收端电流测量环路(1108)包括：

高通滤波器(HPF)，配置成消除电流的直流分量；以及

调节器(Hi)，配置成生成对应占空比信号(dter)，所述对应占空比信号(dter)配置成修改所述RE功率转换器模块(118)的第一级DC-DC转换器(1101)的占空比。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收端前端DC-DC转换器控制器(1110)包括电流参考电路(1116)，所述电流参考电路(1116)配置成基于经过所述转换器的电功率、跨所述转换器输出的电压和参考电压的比率来生成电流参考信号。

8.一种高压直流HVDC电力系统(100)的海底接收端RE组件(104)，包括：

多个接收端RE功率转换器模块分支(502)，其电串联耦合并且具有关联负载段分配保护装置，对负载的各分支，各RE功率转换器模块以三相交流(AC)电力向相应负载(120)供电，各负载段包括：

快速接地故障检测系统(500)，包括：

第一电流传感器(532)，配置成测量进入负载分配电缆的负载电流；

第二电流传感器(532)，配置成测量从所述负载分配电缆向下游进入RE功率转换器模块的负载电流；

接地故障检测器，配置成将所述第一电流传感器和第二电流传感器所测量的残余共模电流与阈值进行比较，并且生成接地故障命令；以及

负载隔离装置(516，519)，配置成基于所述生成的接地故障命令来将接地故障与所述HVDC电力系统隔离。

9.如权利要求8所述的海底接收端RE组件，其中，所述接地故障检测器还配置成同时向发送端SE控制器传送故障信号，所述SE控制器配置成使SE系统的出故障侧的输出电流斜降。