直流输电系统和组装该系统的方法
【专利说明】直流输电系统和组装该系统的方法
【背景技术】
[0001] 本公开的领域大体涉及用于传输直流（DC)功率给负载的系统和方法，并且更具 体地涉及具有转换器的直流输电系统，该转换器具有相对于地不需要重直流绝缘的有源交 流（AC)级和无源交流至直流转换级。
[0002] 多数基于陆地的传输系统从电源、例如发电机传输交流功率到电负载，例如马达。 任何转换为直流功率典型地是通过尽可能的靠近电负载来执行。交流输电系统比直流输电 系统更普遍，是因为降低了交流变压器和开关装置的成本并改进了其效率。然而，交流输电 系统具有不在直流输电系统中存在的与传输电缆相关的无功损耗。因此，当长距离传输功 率，在无功损耗超过较昂贵的直流变压器设备时，直流输电系统可以是更有效并节省成本 的。在海底电缆尤其如此，其中无功损耗被复合。
[0003] 高压直流（HVDC)传输系统和中压直流（MVDC)传输系统可被用于有效地长距离传 输功率。然而，已知的直流输电系统有一些效率低下，导致运营商成本增加。具体而言，已 知的直流输电系统有交流/直流整流器，诸如二极管整流器，将如从电网所接收的交流功 率，转换为直流功率。直流功率随后通过有源元件被调节，例如具有例如绝缘栅双极晶体管 (IGBT)和晶闸管的有源半导体为基础的设备的直流/直流转换器。直流功率也通过无源 元件被调节，例如，电容器、电阻器、二极管和变压器，以控制直流功率的直流电压电平。然 而，在已知的系统中，有源元件和无源元件必须很强地与地直流绝缘，以防止在直流故障事 件中损坏元件。例如，在典型的系统中，有源和无源元件是被绝缘以承受相当于约2倍的传 输电压电平的过电压条件，传输电压电平可以是在几十千伏（kV)的直流至数百千伏直流 的范围。无源元件的直流绝缘是相对便宜的，但有源直流/直流转换器的绝缘要求所有的 辅助功率元件相对于地被绝缘，包括栅极驱动器和所有传感器。此外，用于这种有源直流/ 直流转换器的冷却系统和任何其它辅助支持设备也需要相对于地的同样水平的直流绝缘。 因此，具有相对于地的直流绝缘的有源元件的尺寸、材料量和成本都很巨大。直流输电系统 的一些应用中具有有限的可用空间，例如，石油和天然气平台，目前的直流输电系统对于单 一平台来说可能过大，显著增加了资本投资和运行成本。
【发明内容】
[0004] -方面，提供了一种直流（DC)输电系统。直流输电系统被配置为产生电场，其包 括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量。直流输电系统包 括被配置为接收交流电功率的交流（AC)级。交流级包括变压器，其包括配置为彼此电磁耦 合并相互电隔离的初级绕组和次级绕组。交流级还包括至少一个交流/交流转换器，其相 对于电场的至少一个基本恒定的分量基本上没有绝缘特征。交流/交流转换器电耦合到初 级绕组的至少一个初级绕组。直流输电系统还包括交流/直流转换级，其位于交流级的下 游。交流/直流转换级包括交流/直流整流器，其配置成将交流电功率转换为直流电功率 而无需外部控制。该交流/直流整流器被耦合到次级绕组的至少一个次级绕组。
[0005] 另一方面，提供一种用于直流输电系统的传输端转换器。传输端转换器被配置为 产生电场，其包括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量。 直流输电系统包括被配置为接收交流电功率的交流（AC)级。交流级包括变压器，其包括配 置为彼此电磁耦合并互相电隔离的初级绕组和次级绕组。交流级还包括交流/交流转换 器，其相对于电场的至少一个基本恒定的分量基本上没有绝缘特征。交流/交流转换器被 电耦合到初级绕组的至少一个初级绕组。传输端转换器还包括交流/直流转换级，其位于 交流级的下游。交流/直流转换级包括交流/直流整流器，其配置为将交流电功率转换为直 流电功率而无需外部控制。该交流/直流整流器被耦合到次级绕组的至少一个次级绕组。
[0006] 又一方面，提供了一种组装传输端转换器的方法。传输端转换器被配置成接收交 流（AC)电功率，并将交流电功率转换成直流（DC)电功率。传输端转换器也被配置成产生 电场，其包括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量。该方 法包括将交流/交流转换器电耦合到变压器的多个初级绕组的至少一个初级绕组，由此至 少部分地形成交流级。交流/交流转换器与初级绕组相对于电场的至少一个基本恒定的分 量基本上没有绝缘特征。该方法还包括将变压器的次级绕组电磁耦合到初级绕组。该方法 进一步包括将交流/直流整流器电耦合到次级绕组的至少一个次级绕组，由此至少部分地 形成交流/直流转换级。该交流/直流整流器位于变压器的下游。
【附图说明】
[0007] 当参考附图读取以下的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变 得更好地理解，在整个附图中类似的字符表示类似的元件，其中：
[0008] 图1是包括直流输电系统的示范性电力系统的示意图；
[0009] 图2是示范性传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起使 用；
[0010]图3是可选的传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起使 用；
[0011] 图4是另一可选传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起 使用，其具有包括至少一个细功率转换部和至少一个粗功率转换部的多个功率转换部；
[0012] 图5是又一可选传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起 使用，其具有多个交流隔离开关；
[0013] 图6是又一可选传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起 使用，其具有包括具有短路故障模式的多个二极管的交流/直流整流器；
[0014] 图7是无源直流/直流整流器的一部分的示意图，其可与图1所示的直流输电系 统一起使用；
[0015] 图8是可选的无源直流/直流整流器的一部分的示意图，其可与图1所示的直流 输电系统一起使用；
[0016] 图9是另一可选的无源直流/直流整流器的一部分的示意图，其可与图1所示的 直流输电系统一起使用；以及
[0017] 图10是可与图1所示的直流输电系统一起使用的短路装置的示意图。
[0018] 除非另有说明，本文所提供的附图是为了说明本公开的实施例的特征。这些特征 被认为是适用于各种不同的系统，包括本公开的一个或多个实施例。因此，附图并不意味着 包括本领域普通技术人员已知的需要为本文所公开的实施例的实施中的所有常规特征。【具体实施方式】
[0019] 在以下的说明书和权利要求书中，将提及一些术语，这些术语应定义为具有以下 含义。
[0020] 单数形式"一"，"一个"，和"该"包括复数引用，除非上下文另有明确说明。
[0021] "任选的"或"任选地"是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该 描述包括其中该事件发生和不发生的情况。
[0022] 近似类的用语，如这里在整个说明书和权利要求书所使用的那样，可用于修饰任 何定量表达，这些表达可容许改变，而不引起其所相关基本功能的改变。因此，通过一个或 多个术语修饰的值，例如"大约"和"基本上"，并不限定于指定的精确值。在至少一些情况 下，近似类的用语可对应于仪器测量值的精确度。在这里和在整个说明书和权利要求书，范 围限制可组合和/或互换；这种范围是确定的，并包括包含在其中的所有子范围，除非上下 文或语言指明。
[0023] 定向类的用语，如这里在整个说明书和权利要求中所使用的那样，被单独使用，以 促进元件相互间的描述，并且不相对于任何其他参考系定义它们的取向。因此，通过如"顶" 和"底"的术语修饰的元件可以相对于外部参考系定向在任何其他方向，除非上下文或语言 另有明确说明。
[0024] 此外，参考此处所描述的主题一个"实施方式"或一个"实施例"并不意味着被解 释为排除还结合了所述特征的额外实施方式的存在。
[0025] 本文描述的实施例公开了一种直流输电系统，其从交流电源传输电功率到电负 载，例如直流马达。直流输电系统包括传输端转换器，其将交流功率转换为直流功率。具 体地，本文所描述的传输端转换器包括交流级，其包括交流/交流转换器和交流/直流转换 级，其包括通过变压器耦合到交流级的交流/直流整流器，该变压器包括彼此电磁耦合的 初级和次级绕组。这样，传输端转换器被配置为产生包括至少一个相对于时间基本恒定的 场分量和至少一个随时间变化的场分量的电场。本文所描述的传输端转换器有利于降低需 要相对于地的高电压直流绝缘的交流/直流转换级元件的数量。此外，至少一些本文所描 述的传输端转换器内的元件针对该电场的基本恒定的分量基本上没有绝缘，即它们基本上 没有到地的直流绝缘。更具体地，交流/交流转换器和变压器的初级绕组与在相同的传输 电压电平操作的直流/直流转换器相比具有到地的总绝缘量减少。所以，交流/交流转换 器和变压器与已知的直流/直流转换器相比，降低了直流绝缘的成本以及减小了占用的尺 寸。
[0026] 图1是示范性的直流输电系统100的示意图。直流输电系统100从电源102,例 如但不限于，电网或交流发电机，传输电功率到电负载104,例如但不限于，马达。直流输电 系统100包括传输端转换器106,用于从电源102接收输入交流功率112以及转换交流功 率为直流功率。直流输电系统100还包括传输电缆108用于承载直流功率。传输电缆108 为多个能够承载电流，如高压直流功率114的导电电缆。在示范性实施例中，传输电缆108 包括正极性的高电压线（未示出）和负极性的返回线（未示出）。直流输电系统100还包 括接收端转换器110。接收端转换器110将高压直流功率114转换为低压功率116,其可被 电负载104使用。在示范性实施例中，接收端转换器110包括降压变压器和逆变器（均未 示出）中的至少一个，使得低压功率116是低压直流功率和低压交流功率中的至少一个。
[0027] 在该示范性实施例中，电源102和传输端转换器106被定位在非埋植型平台。另 外，电负载104和接收端转换器110被定位在埋植型船只内，并且传输电缆108被基本上淹 没。可替代地，直流输电系统1〇〇被定位在任何具有如本文中所述有利于操作的任何配置 的地方。
[0028] 在操作中，传输端转换器106从电源102接收输入交流功率112并将输入的交流 功率112转换成用于通过传输电缆108传输的中至高压直流功率114。在该示范性实施例 中，输入交流功率112是三相功率，并且传输端转换器106将三相功率的每一相都转换为中 至高压直流功率114。中至高压直流功率114通过传输电缆108承载到接收端转换器110， 其中其被转换成低压功率116,并提供给电负载104