КОНФИГУРАЦИИ МОДУЛЬНОЙ МНОГОУРОВНЕВОЙ ПОДВОДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/36 H02J11/00 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Приоритет данной заявки заявляется согласно §119 раздела 35 Кодекса законов США по дате подачи предварительной заявки на патент США №61/119,490, поданной 3 декабря 2006 г. Ричардом С.Жангом и др.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится в целом к энергоснабжающим установкам, подающим энергию к токоприемникам, расположенным вдали от берега и под поверхностью моря, по шине передачи постоянного тока. Как принимающий конец, так и посылающий конец электрической шины передачи постоянного тока содержат модульные многоуровневые преобразователи электроэнергии с симметричной структурой. Конфигурация преобразователей принимающего конца может перестраиваться в зависимости от требований расширения участка эксплуатации, а также от типов и конфигураций указанных токоприемников.

Существует растущая промышленная необходимость в более эффективной подаче электроэнергии при пониженной стоимости и более высокой надежности/технологичности, коэффициенте полезного действия и удельной мощности от источников, расположенных на берегу или находящихся вдали от берега, к токоприемникам на дне моря или в местах, удаленных от берега, или, наоборот, при обратном направлении потока мощности в случае удаленных от берега электрогенерирующих контуров. Такая растущая необходимость обусловлена применением электрификации в различных областях, таких как подводная переработка в нефтяной и газовой промышленностях и морская ветроэнергетика.

В частности, тенденциями в подводной переработке в нефтяной и газовой промышленностях являются: (1) рост числа токоприемников, таких как электроприводы и двигатели, приводящие в действие насосы и компрессоры для подводной переработки, подводные электронные средства управления и связи, электрические устройства нагрева трубопроводов, устройства подачи электроэнергии для сепараторов/коагуляторов, (2) более высокие мощности - в диапазоне от киловатт до почти 100 МВт на проект, (3) более значительные расстояния - от десятков километров до 100~600 км и (4) более значительная глубина воды - от 1 км до 3 км.

Для обслуживания большого количества нагрузок или токоприемников, распределенных в районе под поверхностью моря и удаленных от берега на большое или малое расстояние, обычно требуется передавать электроэнергию от источников питания, расположенных на берегу или на удаленной от берега платформе, к подводным или удаленным от берега подстанциям по передающей энергию шине, а затем распределять ее между токоприемниками с помощью распределяющих энергию шин. В некоторых случаях недавно открытые месторождения нефти и газа, содержащие токоприемники электроэнергии, необходимо подключить к уже установленной близлежащей инфраструктуре для генерации/передачи/распределения энергии.

Конфигурация установок, обеспечивающих передачу и распределение электроэнергии к токоприемникам, расположенным как под водой, так и вдали от берега, очень важна, начиная от выбора переменного тока или постоянного тока для передачи и распределения электроэнергии и заканчивая выбором уровня напряжения для передачи и распределения и топологической структурой установки. Все это существенно влияет на стоимость установки, надежность/технологичность, сложность установки, производительность и удельную мощность. Например, подводные или удаленные от берега кабели для передачи электроэнергии обычно составляют преобладающую часть общей стоимости установки. По сравнению с трехфазной передачей электроэнергии переменного тока при передаче электроэнергии постоянного тока уменьшается число и вес кабелей, что обеспечивает возможность снижения стоимости материалов и установки. Более высокое напряжение при передаче/распределении электроэнергии снижает потери в кабеле и, следовательно, приводит к повышению эффективности и снижению стоимости кабеля. Однако токоприемники могут нуждаться в среднем или низком напряжении, и для преобразования напряжения передачи/распределения до уровня напряжения, необходимого токоприемнику, может потребоваться дополнительный каскад преобразования электроэнергии. Оптимальная конфигурация установки приводит к значительному уменьшению ее сложности и стоимости. Подводные соединители, такие как соединители сухого размыкания и влажного размыкания, а также способность безотказной работы оказывают огромное влияние на надежность и технологичность установки. Конфигурации установок, обеспечивающие возможность уменьшения числа подводных соединителей и безотказную работу, имеют наибольшее значение для долговременной надежной работы в подводных и морских областях.

Трехфазная передача и распределение электроэнергии переменного тока с частотой 50/60 Гц является хорошо изученной технологией. Однако она имеет непреодолимые ограничения, проявляющиеся при использовании под водой или вдали от берега при большом расстоянии и высокой мощности, или даже при использовании на коротком расстоянии, но при ограниченных запасах мощности источника питания. Из-за наличия емкостного сопротивления кабеля существует необходимость в подведении значительной реактивной мощности от источника питания и ее передаче по кабелю в дополнение к активной электроэнергии, требующейся для нагрузок. Это приводит к росту потерь в кабеле, повышению требований по номинальному току, увеличению размеров и стоимости кабелей и росту потерь напряжения по длине кабеля. Эти проблемы обостряются в случае большого расстояния и высокой передаваемой мощности при выполнении подводных нефтяных и газовых проектов. Даже при передаче/распределении электроэнергии на коротких расстояниях эти проблемы все еще существуют в тех областях применения, где источник питания имеет ограниченный запас мощности. Например, для токоприемников, которые подключены к существующей электроэнергетической инфраструктуре на удаленной от берега платформе с ограниченным запасом мощности, относительно большая величина реактивной мощности может вызвать проблемы, связанные со стабильностью энергетической установки, или превысить пределы номинальных токов источника питания.

Ограничения передачи и распределения электроэнергии переменного тока с частотой 50/60 Гц могут быть снижены путем уменьшения частоты переменного тока, например, до 16 2/3 Гц с уменьшением, таким образом, величины реактивной мощности при том же емкостном сопротивлении кабеля. Однако это решение осуществляется за счет пропорционального увеличения размера магнитных компонентов, таких как трансформаторы. При высоких мощностях увеличение размера и веса становится чрезмерным.

Линия передачи и распределения постоянного тока может существенно преодолеть возникающие при подаче электроэнергии емкостное сопротивление кабеля и проблемы, связанные с реактивной мощностью, а высокое напряжение дополнительно снизит потери при передаче и распределении электроэнергии. Существующая технология высоких напряжений постоянного тока использует простую двухуровневую конфигурацию цепи и основывается на последовательных соединениях большого количества специальных переключателей электроэнергии, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором в пластмассовом плоском корпусе и тиристоры, для обеспечения высоких допустимых напряжений при преобразовании электроэнергии. Вследствие переключения высокого напряжения с помощью двухуровневой цепи требуются большие фильтры, обеспечивающие выравнивание на входе и выходе. Такие специальные переключатели мощности (клапаны) и большие фильтры делают существующую технологию высоких напряжений постоянного тока дорогостоящей и громоздкой для применения под водой.

В альтернативной технологии постоянного тока высокого или среднего напряжения выполняют сборку шины передачи или распределения постоянного тока из некоторого количества сборочных элементов модульного преобразователя электроэнергии. Поскольку такие сборочные элементы могут быть выполнены так же, как в случае других стандартных применений приводов, то модульная многоуровневая технология постоянного тока обеспечивает возможность значительного снижения стоимости и высокую надежность. Кроме того, подавление гармоник на стороне переменного тока может быть достигнуто с помощью средств управления, предназначенных для указанных модульных преобразователей, так что имеется возможность значительного уменьшения размеров фильтров при более низкой стоимости.

Существует необходимость в обращении к конфигурациям установок, которые основаны на шине передачи постоянного тока, сформированной модульными многоуровневыми преобразователями, для передачи и распределения электроэнергии при обслуживании большого количества токоприемников. Основными целями являются создание оптимальных энергоснабжающих установок, имеющих низкую сложность и стоимость, обеспечение высокой надежности/технологичности установки, высокой производительности и удельной мощности. Указанные установки направлены на использование в таких областях применения, где одна или несколько нагрузок большой или малой мощности нуждаются в обслуживании под водой или в открытом море, на большом или малом расстоянии и при высокой или низкой мощности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративный вариант выполнения данного изобретения содержит энергоснабжающую установку, содержащую источник питания переменного тока, выполненный с возможностью подачи электроэнергии к одному или нескольким токоприемникам переменного тока через шину передачи постоянного тока, которая содержит посылающий конец и принимающий конец, причем посылающий конец присоединен к одному набору модульных преобразователей электроэнергии, выполненных с конфигурацией многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии, а принимающий конец присоединен к другому набору модульных преобразователей электроэнергии, выполненных с конфигурацией многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии, при этом конфигурация многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на принимающем конце симметрична конфигурации многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на посылающем конце.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые и другие характерные особенности, аспекты и преимущества изобретения очевидны из последующего подробного описания, при рассмотрении его совместно с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:

фиг.1 изображает упрощенную схему, показывающую подводную энергоснабжающую установку со сборочными элементами многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии, расположенными как на береговой или верхней стороне, так и на подводной стороне установки в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.2 изображает упрощенную схему, показывающую традиционный подводный модуль преобразователя электроэнергии, используемый в уровне техники для подводной распределительной сети,

фиг.3 изображает упрощенную схему, показывающую подводный модуль преобразователя электроэнергии со встроенным обходным контуром, выполняющий регулирующие функции в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения и предназначенный для подводной распределительной сети,

фиг.4 изображает схему, показывающую набор конфигураций модульных многоуровневых подводных энергоснабжающих установок в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения данного изобретения,

фиг.5 изображает пример подводной энергоснабжающей установки, в которой посылающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с многоуровневыми модульными преобразователями электроэнергии, а принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с обеспечением объединения набора токоприемников с линией передачи постоянного тока и которая соответствует конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.6 изображает подробную схему принимающего конца линии передачи постоянного тока для подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания одной или нескольких промежуточных шин распределения постоянного тока с помощью одного или нескольких преобразователей переменного тока в постоянный, соединенных с соответствующими модульными преобразователями через последовательно включенные индуктивности, и которая соответствует одной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.7 изображает подробную схему подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания одной или нескольких промежуточных шин распределения постоянного тока с помощью одного или нескольких преобразователей переменного тока в постоянный, соединенных с соответствующими модульными преобразователями через один или несколько трансформаторов гальванической развязки, и которая соответствует одной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.8 изображает подробную схему принимающего конца подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания одной или нескольких промежуточных шин распределения переменного тока с помощью одного или нескольких трансформаторов и которая соответствует одной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.9 изображает подробную схему принимающего конца подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания: 1) одной или нескольких промежуточных шин распределения постоянного тока без развязки или с развязкой через один или несколько развязывающих трансформаторов, 2) одной или нескольких промежуточных шин распределения переменного тока с помощью одного или нескольких соответствующих трансформаторов и 3) одного или нескольких токоприемников, объединенных с линией передачи постоянного тока, и которая соответствует одной или нескольким конфигурациям, указанным на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения, и

фиг.10 изображает подробную схему принимающего конца подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания шины распределения переменного тока для управляющей мощности на принимающем конце линии передачи постоянного тока с гальванической развязкой и которая соответствует одной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

Несмотря на то что на описанных выше чертежах представлены альтернативные варианты выполнения, предусмотрены также другие варианты выполнения данного изобретения, как указано в описании. Во всех случаях в данном описании представлены варианты выполнения изобретения, приведенные только в качестве примера и не являющиеся ограничивающими. Специалистами в области техники могут быть созданы многие другие модификации и варианты выполнения, которые находятся в рамках объема и идеи данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 изображает упрощенную схему, показывающую подводную энергоснабжающую установку 10 со сборочными элементами 12, 13 многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии, расположенными как на верхней/береговой стороне, так и на подводной стороне указанной установки в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Указанная подводная энергоснабжающая установка 10 содержит линию/шину (кабель) 14 передачи постоянного тока, которая может быть кабелем постоянного тока среднего напряжения или кабелем постоянного тока высокого напряжения и которая выполнена с обеспечением передачи электроэнергии от модуля 16 питания верхней или береговой стороны по меньшей мере к одному подводному модулю 18 токоприемника. Как модуль 16 питания, так и подводный модуль 18 токоприемника могут содержать один или несколько соответствующих сборочных элементов 12, 13 многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии. Каждый из указанных сборочных элементов 12, 13 содержит модульный преобразователь электроэнергии, такой как преобразователь постоянного тока в переменный, преобразователь переменного тока, преобразователь постоянного тока или преобразователь переменного тока в постоянный, являющийся обычным для многих известных электроприводов. Таким образом, модуль 16 питания и подводный модуль 18 токоприемника не требуют выполняемых на заказ преобразователей электроэнергии для обеспечения соответствия требованиям расширения участка эксплуатации и разнообразных конфигураций подводных токоприемников, таких как, например, конфигурации, требующие высоких уровней электроизоляции.

Подводная энергоснабжающая установка 10 также содержит электрогенерирующую установку 20, которая может содержать, например, генератор 22, приводимый в действие турбиной 24 для обеспечения генерации мощности переменного тока. Указанная электрогенерирующая установка 20 дополнительно содержит один или несколько модулей 16 питания, каждый из которых может содержать набор стандартных промышленных модульных преобразователей 12 электроэнергии, соединенных и выполненных вместе с генератором 22 и турбиной 24 для обеспечения генерации постоянного тока среднего напряжения или постоянного тока высокого напряжения.

Подводная энергораспределительная установка 30 содержит один или несколько модулей 18 токоприемника, каждый из которых может содержать набор стандартных промышленных модульных преобразователей 13 электроэнергии, которые соединены и все вместе выполнены на подводной стороне модуля токоприемника установки с обеспечением генерации напряжений подводной распределительной установки в ответ на энергию передачи прямого тока со средним уровнем напряжения или с высоким уровнем напряжения, создаваемую электрогенерирующей установкой 20.

Взаимные соединения между стандартными модульными многоуровневыми преобразователями 12 электроэнергии, так же как и между модульными многоуровневыми преобразователями 13 электроэнергии и другими компонентами, описанными в данном документе, могут быть легко выполнены с обеспечением генерации средних напряжений передачи постоянного тока, высоких напряжений передачи постоянного тока и требуемых напряжений подводной распределительной установки исходя из требований расширения участка эксплуатации и электрических конфигураций подводных токоприемников, а также с обеспечением оптимизации, например, согласования между согласованными или несогласованными напряжениями передачи и распределения и напряжениями подводного модуля токоприемника.

Фиг.2 изображает упрощенную схему, показывающую традиционный подводный модуль 32 преобразователя электроэнергии. Можно видеть, что указанный традиционный подводный модуль 32 преобразователя также содержит коммутационное устройство 34, которое обеспечивает изоляцию модуля 32 преобразователя в случае нарушения его работы. Для снижения напряжения передачи переменного тока на выходе указанного коммутационного устройства 34 до уровня, который пригоден для подводных токоприемников, используется трансформатор 36. Для соединения коммутационного устройства 34 с указанным трансформатором 36 также требуется подводный соединитель 38, что является особенностью, которая отрицательно влияет на надежность подводной энергораспределительной сети. Можно видеть, что традиционный модуль 32 преобразователя содержит преобразователь 40 переменного тока в постоянный и преобразователь 42 постоянного тока в переменный.

Фиг.3 изображает подводный модуль 13 преобразователя электроэнергии со встроенными функциями развязки и регулирования в соответствии с конкретными вариантами выполнения изобретения. Модуль 13 преобразователя электроэнергии может использоваться с помощью подводной энергораспределительной сети, которая содержит многоуровневые модули 13 преобразователя электроэнергии, имеющие встроенные функции развязки и регулирования и, как можно видеть, намного более простую конфигурацию, чем модуль 32 преобразователя. Модуль 13 преобразователя электроэнергии не требует, например, наличия каскада 40, преобразующего переменный ток в постоянный, так как он работает в ответ на входное напряжение постоянного тока, что приводит к повышению общей надежности установки и снижению стоимости. Можно видеть, что модуль 13 преобразователя электроэнергии также содержит прерыватель 44 постоянного тока, который может быть выполнен, например, в качестве как регулятора напряжения, так и обходного переключателя. Указанный прерыватель 44 заменяет описанное выше коммутационное устройство 34 и служит для обеспечения обхода подводного модуля 13 преобразователя во время нарушения работы модуля 12 преобразователя. Прерыватель 44 может быть выполнен с обеспечением регулирования напряжения передачи шины постоянного тока для соответствующего модульного многоуровневого преобразователя 13 электроэнергии. Таким образом, прерыватель 44 устраняет необходимость в дополнительных подводных соединителях между указанными коммутационным устройством 34 и трансформатором 36 и между трансформатором 36 и подводным преобразователем 32 с обеспечением повышения надежности установки и снижения ее стоимости, как указано выше. Модуль 13 преобразователя электроэнергии является полностью резервирующим элементом с точки зрения того, что он продолжает функционировать даже тогда, когда работает только один из двух биполярных транзисторов с изолированным затвором части входного моста модуля 13 преобразователя, в соответствии с одним из аспектов изобретения.

В модуле 13 преобразователя, так же как и в других иллюстративных вариантах выполнения модулей преобразователей, описанных в данном документе, могут использоваться дополнительные фильтрующие элементы, например, катушки индуктивности. Эти дополнительные фильтрующие элементы не показаны на чертежах и не описаны подробно, так как они не являются обязательными для понимания новых принципов, описанных в данном документе. Чертежи, описанные в данном документе в связи с конкретным вариантом выполнения изобретения, упрощены для сохранения краткости и улучшения понимания этих новых принципов.

Фиг.4 изображает высокоуровневую схему, определяющую набор конфигураций 50 подводной энергоснабжающей установки, основанных на передаче прямого тока, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения данного изобретения. Каждая из конфигураций 50, основанных на передаче прямого тока, выполнена с использованием принципов симметричного модульного многоуровневого преобразователя, подробно описанных в данном документе. Эти модульные многоуровневые преобразователи обеспечивают средства для простого изменения конфигурации подводной энергоснабжающей установки с обеспечением удовлетворения или превышения ею требований расширения участка эксплуатации и поддержки разнообразных конфигураций электрических подводных токоприемников. Подводная энергоснабжающая установка 10 может потребоваться, например, для обеспечения решений, которые могут быть применены на малых или больших расстояниях передачи, для обеспечения выполнения расходных потребностей токоприемников большой или малой мощности и/или возможности работы с несогласованными напряжениями передачи/распределения и напряжениями подводных токоприемников.

Можно видеть, что в набор конфигураций 50 модульной многоуровневой подводной энергоснабжающей установки входят: 1) распределение постоянного тока с помощью встроенной установки 52 привода с регулируемой скоростью, в которой как напряжение передачи, так и напряжение распределения являются напряжениями постоянного тока, а модульные многоуровневые преобразователи встроены в подводные токоприемники, 2) установка 54, в которой как напряжение передачи, так и напряжение распределения являются напряжениями постоянного тока, и напряжения распределения не изолированы от напряжения передачи, 3) установка 56, в которой как напряжение передачи, так и напряжение распределения являются напряжениями постоянного тока, и напряжения распределения изолированы от передающей установки (то есть гальванически развязаны с помощью трансформатора), 4) установка 58, в которой напряжение передачи является напряжением постоянного тока, а напряжение распределения является развязанным напряжением переменного тока, и 5) установка 60, в которой напряжение передачи является напряжением постоянного тока, а к напряжениям распределения относятся как напряжение постоянного тока, так и напряжение переменного тока. Напряжения передачи в каждой из конфигураций 50 являются напряжениями передачи постоянного тока, что приводит к снижению стоимости передающего кабеля 14 по сравнению со стоимостью кабеля передачи переменного тока.

Фиг.5 изображает пример подводной энергоснабжающей установки 46, в которой посылающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с многоуровневыми модульными преобразователями электроэнергии, а принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с обеспечением объединения набора токоприемников с линией передачи постоянного тока и которая соответствует одной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Подводная энергоснабжающая установка 46 подходит для использования в случае, когда напряжение передачи/распределения по существу соответствует общим напряжениям потребителей, в соответствии с одним аспектом изобретения. Можно видеть, что конфигурация модульного многоуровневого преобразователя электроэнергии на подводной стороне симметрична конфигурации модульного многоуровневого преобразователя электроэнергии на береговой или верхней стороне установки 46.

Фиг.6 изображает подробную схему принимающего конца линии передачи постоянного тока для подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями 55 электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания одной или нескольких промежуточных шин 57 распределения постоянного тока с помощью одного или нескольких преобразователей 59 переменного тока в постоянный, соединенных с соответствующими модульными преобразователями 55 через последовательно включенные индуктивности 61, и которая соответствует одной конфигурации 54, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Указанные шины 57 распределения постоянного тока могут быть выполнены с использованием, например, радиальной или кольцевой структуры для обеспечения подачи энергии постоянного тока к одному или нескольким токоприемникам 63.

Фиг.7 изображает подробную схему посылающего и принимающего концов подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями 62 электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания одной или нескольких промежуточных шин 69 распределения постоянного тока для подачи электроэнергии постоянного тока к одному или нескольким токоприемникам 67 с помощью одного или нескольких преобразователей 71 переменного тока в постоянный, соединенных с соответствующими модульными преобразователями 62 через один или несколько трансформаторов 65 гальванической развязки, и которая соответствует одной конфигурации 56, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Конфигурация 56 установки подходит для использования в случае, когда общее напряжение передачи постоянного тока по существу не согласовано с общим напряжением подводного токоприемника. В этом случае напряжение в передающем каскаде снижается до напряжения распределительной установки с помощью развязывающих трансформаторов 65. Развязывающие трансформаторы 65 могут быть низкочастотными трансформаторами, трансформаторами средней частоты, высокочастотными трансформаторами или их сочетаниями в соответствии с конкретными вариантами выполнения изобретения. Низкими частотами могут быть, например, 16,7 Гц, 50 Гц или 60 Гц. Средние частоты могут лежать в диапазоне приблизительно между 200 Гц и 1 кГц. Высокие частоты могут лежать в диапазоне приблизительно между 5 кГц и 20 кГц. Однако данное изобретение не ограничено таким образом, и следует понимать, что и другие варианты выполнения, реализованные в соответствии с описанными в данном документе принципами, могут обеспечить применимые решения путем использования развязывающих трансформаторов, выполненных с обеспечением работы на любой одной или нескольких частотах в диапазоне приблизительно между 10 Гц и 20 кГц.

Электрогенерирующая установка 20, изображенная на фиг.1, подходит для использования в каждой из модульных многоуровневых электроснабжающих установок, которые описаны в данном документе и в которых электроэнергия может предоставляться, например, электрическим генератором 22, приводимым в действие турбиной 24. В соответствии с одним вариантом выполнения модуль 16 токоприемника береговой или верхней стороны содержит набор сборочных элементов 64 модульных выпрямителей переменного тока в постоянный, причем каждый выпрямитель 64 реагирует на пониженное напряжение генератора, переданное трансформатором, таким как трансформатор 66 с несколькими выходными обмотками. Каждый сборочный элемент 64 выпрямителя может быть, например, двухуровневым или трехуровневым выпрямителем, несмотря на то что для простоты изображен только двухуровневый выпрямитель. Каждый сборочный элемент 64 выпрямителя включен с обеспечением получения выходного сигнала, сдвинутого по фазе во времени. Каждый из указанных трансформаторов 66 работает с обеспечением получения выходного сигнала, пространственно сдвинутого по фазе относительно выходных сигналов оставшегося трансформатора. В сочетании эти сдвиги по фазе во времени и сдвиги по фазе в пространстве преимущественно действуют с обеспечением подавления гармонических составляющих, которые в противном случае появляются в напряжении передачи, напряжении распределения и/или в напряжении (напряжениях) токоприемников. Модуль 16 токоприемника верхней или береговой стороны может также содержать набор модулей 44 прерывателя, которые выполнены с обеспечением действия в качестве переключателей обходного контура, так что каждый модуль 44 прерывателя может обеспечить обход для соответствующего ему выпрямителя 64, если это необходимо вследствие нарушения работы указанного соответствующего выпрямителя 64.

Подводная часть конфигурации 56 модульной многоуровневой подводной установки подачи для энергии постоянного тока содержит набор модульных преобразователей 62 постоянного тока, выполненных с многоуровневой конфигурацией. Каждый модульный преобразователь 62 в случае нарушения его работы может быть обойден с помощью модуля 44 прерывателя. Можно видеть, что конфигурация модульного многоуровневого преобразователя на подводной стороне шины/линии 14 передачи постоянного тока симметрична конфигурации модульного многоуровневого преобразователя на береговой/верхней стороне указанной шины/линии 14.

Фиг.8 изображает подробную схему принимающего конца подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями 72 электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания одной или нескольких промежуточных шин 74 распределения переменного тока с помощью одного или нескольких трансформаторов 65 и которая соответствует одной конфигурации, обозначенной на фиг.4 номером 58 позиции, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Можно видеть, что каждый подводный токоприемник 68 имеет собственный привод 70 с регулируемой скоростью. Подводный модуль 18 токоприемника в одной конфигурации 58 содержит набор сборочных элементов 72 модульного преобразователя постоянного тока в переменный, которые соединены вместе с обеспечением генерации по меньшей мере одного напряжения переменного тока. Трансформаторы 65 обеспечивают развязку между принимающим концом 18 линии передачи постоянного тока и подводными токоприемниками 68, приводимыми в действие с помощью соответствующих приводов 70 с регулируемой скоростью.

Подводные трансформаторы 65 содержат набор трехфазных обмоток на первичной стороне и переключатели выходных обмоток на вторичной стороне в соответствии с конкретными аспектами изобретения. Эта особенность обеспечивает значительную гибкость по сравнению с известными подводными распределительными установками, поскольку переключателям выходных обмоток не приходится работать под нагрузкой и обеспечивать механизм, подстраивающий выходное напряжение (выходные напряжения) в зависимости от количества работающих последовательно включенных передающих модулей и в зависимости от количества подключенных подводных токоприемников 68. Подводные трансформаторы 65 могут быть включены параллельно или последовательно или соединены с помощью переключателя, например, для обеспечения перехода от параллельного соединения к последовательному и возможности работы с различными выходными напряжениями.

Фиг.9 изображает подробную схему принимающего конца подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями 76 электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания: 1) одной или нескольких промежуточных шин 77 распределения постоянного тока без развязки или с развязкой через один или несколько развязывающих трансформаторов 65, 2) одной или нескольких промежуточных шин 79 распределения переменного тока с помощью одного или нескольких соответствующих трансформаторов 65 и 3) одного или нескольких токоприемников 80, объединенных с линией передачи постоянного тока, и которая соответствует смешанной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

Конфигурация 60 установки содержит набор сборочных элементов 76 модульного преобразователя электроэнергии, которые могут быть объединены с обеспечением создания части 82 преобразователя постоянного тока в переменный модульного многоуровневого подводного модуля токоприемника и части 84 преобразователя постоянного тока модульного многоуровневого подводного модуля токоприемника. Преобразователи 76 постоянного тока в переменный могут быть выполнены вместе с элементом 61 индуктивности и выпрямительным устройством 78 для обеспечения генерации электроэнергии постоянного тока среднего или высокого напряжения для набора приводов 86 постоянного тока с регулируемой скоростью. Указанные преобразователи 76 также могут быть выполнены с обеспечением непосредственной генерации энергии переменного тока среднего или высокого напряжения для набора приводов 88 переменного тока с регулируемой скоростью. Часть 84 модульного преобразователя постоянного тока со встроенным трансформатором 65 может действовать в качестве ответвителя постоянного тока с обеспечением снижения высокого напряжения постоянного тока до уровня низкого напряжения постоянного тока, подходящего для использования с соответствующими подводными токоприемниками.

Фиг.10 изображает подробную схему принимающего конца подводной энергоснабжающей установки, в которой принимающий конец линии передачи постоянного тока выполнен с модульными многоуровневыми преобразователями 76 электроэнергии для обеспечения приема напряжения передачи постоянного тока и с обеспечением создания шины 92 распределения переменного тока для управляющей мощности на принимающем конце линии передачи постоянного тока с гальванической развязкой 65 и которая соответствует по меньшей мере одной конфигурации, указанной на фиг.4, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

Для всех подводных установок необходимы устройства управления. Подводные устройства управления могут состоять из дюжин или сотен маломощных потребителей, например, исполнительных механизмов с электроприводом, предназначенных для физического смещения клапанов. Передача энергии на дальние расстояния к подводным устройствам управления является сложным процессом, поскольку указанные токоприемники обычно требуют постоянного напряжения подводной электрической шины. Конфигурация многоуровневых преобразователей, изображенная на фиг.10, предлагает решение, обеспечивающее подачу управляющей мощности на расстояния более сотен километров надежным способом. Снабжаемые энергией токоприемники в целом являются низковольтными/маломощными (не обязательно токоприемниками с механическим приводом), и может иметься большое количество маломощных подводных токоприемников, обычно выполненных с возможностью питания переменным током, например, 400 В, 60 Гц.

В кратком описании, приведенном в данном документе, было описано несколько вариантов выполнения подводных энергоснабжающих установок. В этих вариантах выполнения подводных энергоснабжающих установок используются сборочные элементы модульных преобразователей электроэнергии, которые легко объединяются и выполняются на основе требований расширения участка эксплуатации и конфигураций токоприемников. Каждый вариант выполнения подводной энергоснабжающей установки может содержать шину/линию передачи постоянного тока, выполненную с обеспечением переноса электроэнергии от источника питания верхней или береговой стороны по меньшей мере к одному подводному модулю токоприемника. Электрогенерирующая установка, содержащая набор модульных преобразователей электроэнергии, которые объединены друг с другом и выполнены вместе с расположенным на верхней или береговой стороне источником питания, используется для обеспечения генерации электроэнергии постоянного тока среднего или высокого напряжения, которая переносится по шине/линии передачи постоянного тока. Подводная энергоснабжающая установка, содержащая набор модульных преобразователей электроэнергии, которые объединены друг с другом и выполнены вместе на подводной стороне токоприемника установки, генерирует требуемые напряжения подводной распределительной установки в ответ на энергию передачи постоянного тока среднего или высокого напряжения. Конфигурация многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на подводной стороне подводной энергоснабжающей установки симметрична конфигурации многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на береговой/верхней стороне подводной энергоснабжающей установки.

Несмотря на то что в данном документе изображены и описаны лишь некоторые характерные особенности изобретения, специалист в данной области техники может создать множество модификаций и изменений. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения покрывает все такие модификации и изменения, как находящиеся в рамках идеи изобретения.

Перечень элементов

(10) Подводная энергоснабжающая установка

(12) Модульный преобразователь электроэнергии

(13) Модульный преобразователь электроэнергии

(14) Линия/шина/кабель передачи постоянного тока

(16) Расположенный на берегу модуль питания

(18) Подводный модуль токоприемника

(20) Электрогенерирующая установка

(22) Генератор

(24) Турбина

(30) Подводная энергораспределительная установка

(32) Традиционный модуль подводного преобразователя электроэнергии

(34) Традиционный модуль подводного коммутационного устройства

(36) Трансформатор

(40) Традиционный преобразователь переменного тока в постоянный ток модуля подводного преобразователя электроэнергии

(42) Традиционный преобразователь постоянного тока в переменный ток модуля подводного преобразователя электроэнергии

(44) Прерыватель постоянного тока

(46) Подводная энергораспределительная установка

(50) Конфигурации подводной энергораспределительной установки, основанные на передаче постоянного тока

(52) Распределение постоянного тока с помощью встроенного привода с регулируемой скоростью

(54) Установка, в которой как напряжение передачи, так и напряжение распределения являются напряжениями постоянного тока, и напряжения распределения не изолированы от напряжения передачи

(55) Модульный многоуровневый преобразователь (модульные многоуровневые преобразователи) электроэнергии

(56) Установка, в которой как напряжение передачи, так и напряжение распределения являются напряжениями постоянного тока, и напряжения распределения изолированы от передающей установки

(57) Промежуточная шина (промежуточные шины) постоянного тока

(58) Установка, в которой напряжение передачи является напряжением постоянного тока, а напряжение распределения является развязанным напряжением переменного тока

(59) Преобразователь (преобразователи) переменного тока в постоянный ток

(60) Установка, в которой напряжение передачи является напряжением постоянного тока, а к напряжениям распределения относятся как напряжения постоянного тока, так и напряжения переменного тока

(61) Последовательно включенная (включенные) индуктивность (индуктивности)

(62) Модульный многоуровневый преобразователь (модульные многоуровневые преобразователи) электроэнергии

(63) Токоприемник(-и)

(64) Сборочные элементы модульного выпрямителя переменного тока в постоянный

(65) Развязывающий трансформатор (развязывающие трансформаторы)

(66) Трансформатор(-ы) с несколькими выходными обмотками

(67) Токоприемник(-и)

(68) Подводный токоприемник (подводные токоприемники)

(69) Промежуточная шина (промежуточные шины) распределения постоянного тока

(70) Привод(-ы) подводного токоприемника с регулируемой скоростью

(71) Преобразователь (преобразователи) переменного тока в постоянный

(72) Модульный многоуровневый преобразователь (модульные многоуровневые преобразователи) электроэнергии

(74) Промежуточная шина (промежуточные шины) распределения переменного тока

(76) Модульный многоуровневый преобразователь (модульные многоуровневые преобразователи) электроэнергии

(77) Промежуточная шина (промежуточные шины) распределения постоянного тока

(78) Выпрямительное устройство (выпрямительные устройства)

(79) Промежуточная шина (промежуточные шины) распределения переменного тока

(80) Токоприемник(-и)

(82) Преобразователь (преобразователи) постоянного тока в переменный

(84) Преобразователь (преобразователи) постоянного тока

(86) Привод(-ы) постоянного тока с регулируемой скоростью

(88) Привод(-ы) переменного тока с регулируемой скоростью

(92) Шина распределения переменного тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в энергоснабжающих установках, подающих энергию токоприемникам, расположенным вдали от берега и под поверхностью моря. Техническим результатом является повышение эффективности подачи электроэнергии, надежности/технологичности, коэффициента полезного действия и удельной мощности. Подводная энергоснабжающая установка (10) содержит набор сборочных элементов (12), (13) модульных преобразователей электроэнергии, которые расположены как на стороне источника (20) питания, так и на стороне подводного токоприемника (30), объединены и взаимосвязаны с обеспечением удовлетворения требованиям расширения участка эксплуатации и конфигураций токоприемников. Указанная энергоснабжающая установка (10) содержит линию/шину (14) передачи, которая выполнена с возможностью переноса электроэнергии постоянного тока высокого или среднего напряжения от расположенных на берегу средств обеспечения или расположенного на верхней стороне источника (20) питания к набору подводных модулей (18) токоприемника. Конфигурация многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на подводной стороне подводной энергоснабжающей установки (10) симметрична конфигурации многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на береговой/верхней стороне подводной энергоснабжающей установки (10). 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Энергоснабжающая установка (10), содержащая источник (20) питания переменного тока, выполненный с возможностью подачи электроэнергии к одному или нескольким токоприемникам переменного тока через шину (14) передачи постоянного тока, которая содержит посылающий конец и принимающий конец, причем посылающий конец присоединен к одному набору модульных преобразователей (12) электроэнергии, выполненных с конфигурацией многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии, а принимающий конец присоединен к другому набору модульных преобразователей (13) электроэнергии, выполненных с конфигурацией многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии, при этом конфигурация указанного многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на принимающем конце симметрична конфигурации указанного многоуровневого модульного преобразователя электроэнергии на посылающем конце.

2. Энергоснабжающая установка (10) по п.1, в которой один или несколько токоприемников переменного тока непосредственно присоединены к одному или нескольким соответствующим модульным преобразователям на принимающем конце.

3. Энергоснабжающая установка (10) по п.1, в которой один или несколько токоприемников переменного тока присоединены к одному или нескольким соответствующим модульным преобразователям (13) на принимающем конце с помощью по меньшей мере одного трансформатора.

4. Энергоснабжающая установка (10) по п.1, в которой конфигурация указанного модульного преобразователя электроэнергии на принимающем конце шины (14) передачи постоянного тока содержит каскад преобразования постоянного тока, выполненный с возможностью создания промежуточной шины распределения постоянного тока.

5. Энергоснабжающая установка (10) по п.4, в которой конфигурация указанного модульного преобразователя электроэнергии на принимающем конце шины (14) передачи постоянного тока дополнительно содержит каскад преобразования постоянного тока в переменный ток, выполненный с возможностью создания шины переменного тока.

6. Энергоснабжающая установка (10) по п.5, дополнительно содержащая каскад преобразования переменного тока в постоянный ток, присоединенный к выходу переменного тока указанного каскада преобразования постоянного тока в переменный ток.

7. Энергоснабжающая установка (10) по п.4, в которой указанный набор многоуровневых модульных преобразователей (13) электроэнергии на принимающем конце шины (14) передачи постоянного тока дополнительно содержит один или несколько преобразователей постоянного тока в переменный ток, присоединенных к промежуточной шине распределения постоянного тока и выполненных с возможностью приведения в действие одного или нескольких подводных токоприемников.

8. Энергоснабжающая установка (10) по п.1, в которой принимающий конец содержит:
- набор отделенных промежуточных шин распределения постоянного тока, каждая из которых содержит модульный преобразователь постоянного тока в переменный ток, выполненный вместе с соответствующим трансформатором и соответствующим выпрямляющим устройством для обеспечения создания соответствующей промежуточной шины постоянного тока, и
- промежуточную шину распределения переменного тока, содержащую один или несколько модульных преобразователей постоянного тока в переменный и соответствующие трансформаторы, выполненные с возможностью совместного создания промежуточной шины распределения переменного тока.

9. Энергоснабжающая установка (10) по п.1, в которой по меньшей мере один модульный преобразователь (13) на принимающем конце выполнен в качестве как преобразователя электроэнергии, так и встроенного привода с регулируемой скоростью для обеспечения управления соответствующим подводным токоприемником.

10. Энергоснабжающая установка (10) по п.1, в которой указанные многоуровневые модульные преобразователи (13) электроэнергии на принимающем конце выполнены для обеспечения возможности работы как с подводными токоприемниками постоянного тока среднего или высокого напряжения, так и с подводными токоприемниками переменного тока среднего или высокого напряжения.