СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК H02J3/36 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию систем передачи и распределения электроэнергии, а в частности к созданию систем передачи и распределения электроэнергии для подводных энергосистем и подводных электрических нагрузок.

Следует иметь в виду, что любая сделанная здесь ссылка на "подводное" средство означает ссылку на те компоненты системы передачи и распределения электроэнергии, которые полностью или частично расположены в любом водном пространстве, в том числе в океанах, морях, озерах, водоемах, реках и других водных источниках. Аналогично, любая сделанная здесь ссылка на "береговое" средство необязательно означает ссылку на те компоненты, которые должны быть расположены на физической земле, а также включает в себя компоненты, которые расположены на прибрежных и плавучих платформах, на нефтяных или газовых морских буровых установках, а также на других стационарных и подвижных морских судах и т.п.

Предпосылки к созданию изобретения

Стандартная подводная система передачи и распределения электроэнергии типично представляет собой ас систему (систему переменного тока) с расположенным на суше повышающим трансформатором, ас передающим кабелем, с одним или несколькими подводными понижающими трансформаторами, а также с автоматическими выключателями и преобразователями частоты для энергоснабжения подводных электрических нагрузок, таких как компрессоры и насосы. Такие стандартные подводные системы передачи и распределения электроэнергии хорошо работают при относительно коротких расстояниях от берега (например, 10-20 км) и когда полная номинальная мощность находится в некоторых заданных пределах.

При более значительных расстояниях от берега ас передающий кабель генерирует значительный реактивный ток за счет его высокой емкости. Например, кабель из сшитого полиэтилена под напряжением 132 кВ может генерировать реактивный ток до 1000 kVAR/км. Это значительно снижает возможность передачи активной мощности ас передающего кабеля, когда расстояние от берега увеличивается до 100 км или больше. Тогда становится необходим шунтирующий реактор или некоторый вид компенсатора статического напряжения, для компенсации реактивной мощности и контроля стабильности напряжения.

Когда ас передающие кабели больше не годятся, тогда используют линии электропередачи высокого напряжения на постоянном токе (HVDC) для прибрежных применений. DC передающие кабели (передающие кабели постоянного тока) являются менее дорогими потому, что они могут надежно работать при более высоком токе для данной степени изоляции и количества меди. Таким образом, dc передающий кабель может передавать больше мощности при одинаковых затратах на кабель. Потери в dc передающем кабеле также меньше за счет отсутствия зарядных токов в главном проводнике и индуцированных токов в экранирующей оболочке. Кроме того, также отсутствует резонанс между dc передающим кабелем и стандартным ас оборудованием, которое связано с ас сетью (с сетью переменного тока) или с электроэнергетической системой.

В качестве примера имеющейся в продаже HVDC системы передачи электроэнергии можно привести HVDC LIGHT систему, выпускаемую фирмой ABB Ltd, Цюрих, Швейцария, которую уже используют для передачи dc мощности (мощности постоянного тока) от прибрежной электростанции в местечке Коллснес в Норвегии на нефтяную и газовую платформу Troll А. В этой системе используют VSC преобразователи (регулируемые преобразователи) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для развязки управления активной и реактивной мощностями. Однако высокие потери на переключение для применений с высокой мощностью означают, что частота переключения VSC преобразователя должна быть ограниченной. В HVDC LIGHT системе также необходимо использовать физически большие и дорогие ас фильтры и трансформатор, работающий на частоте напряжения сети питания (на сетевой частоте). Физический размер наземных компонентов может быть существенным недостатком в тех ситуациях, когда имеются практические ограничения размера преобразовательной подстанции.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система передачи и распределения электроэнергии, которая содержит: первичный dc передающий кабель;

первичный подводный силовой распределительный блок (SPDU), имеющий DC/DC преобразовательный модуль, подключенный между первичным dc передающим кабелем и первичной dc распределительной сетью; вторичный SPDU, имеющий DC/DC преобразовательный модуль, подключенный между первичной dc распределительной сетью и вторичной dc распределительной сетью; и одну или несколько подводных электрических нагрузок, подключенных ко вторичной dc распределительной сети, возможно, при помощи подходящего силового преобразователя.

Такая система передачи и распределения электроэнергии позволяет обеспечивать экономичное решение проблемы передачи электроэнергии от наземной ас питающей электрической сети к подводным электрическим нагрузкам, таким как насосы, компрессоры и т.п. Она будет особенно полезна для использования при добыче нефти и газа, когда минеральные запасы находятся, например, на глубоководных участках, удаленных от берега или континентального шельфа.

Береговой AC/DC преобразовательный модуль преимущественно действует как активный входной каскад для системы передачи и распределения электроэнергии, для ее подключения к ас питающей электрической сети. Поэтому AC/DC преобразовательный модуль подключен между ас питающей электрической сетью и первичным dc передающим кабелем. Во многих ситуациях ас питающая электрическая сеть представляет собой обычную трехфазную электрическую сеть, работающую под напряжением 132-400 кВ, с частотой 50/60 Гц, однако это также может быть специально предназначенная электрическая сеть для снабжения энергией только системы передачи и распределения электроэнергии. Береговой AC/DC преобразовательный модуль преимущественно подключен к ас питающей электрической сети при помощи подходящего предохранительного распределительного устройства, которое содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления. Береговой AC/DC преобразовательный модуль может иметь любую подходящую конструкцию или топологию, например, с использованием стандартного выпрямителя с использованием тиристоров, так что это может быть LCC преобразователь или VSC HVDC преобразователь.

Первичный dc передающий кабель передает высокое напряжение (HV) или среднее напряжение (MV) на первичный SPDU, то есть он является HVDC или MVDC передающим кабелем. Рабочие параметры системы передачи и распределения электроэнергии зависят в некоторой степени от характеристик первичного dc передающего кабеля, который может иметь любую подходящую конструкцию для подводного использования.

DC/DC преобразовательный модуль первичного SPDU преимущественно работает как понижающий преобразователь и может быть сконфигурирован для подачи энергии в первичную dc распределительную сеть, с любым подходящим уровнем напряжения распределения. Первичная dc распределительная сеть может быть выполнена в виде подходящей шины или распределительного щита, например, имеющего пару dc магистралей. Подводные электрические нагрузки могут быть подключены к первичной dc распределительной сети непосредственно или при помощи любого подходящего силового преобразователя. В случае dc электрических нагрузок силовым преобразователем тогда может быть DC/DC преобразовательный узел, имеющий любую подходящую конструкцию или топологию. В случае ас электрических нагрузок силовым преобразователем тогда может быть DC/AC преобразовательный узел, имеющий любую подходящую конструкцию или топологию. Каждый силовой преобразователь может быть подключен к первичной dc распределительной сети при помощи разгруженного переключателя.

Система передачи и распределения электроэнергии может иметь любое подходящее число вторичных SPDU, подключенных параллельно к первичной dc распределительной сети. Каждый вторичный SPDU содержит DC/DC преобразовательный модуль, который преимущественно работает как понижающий преобразователь и может быть сконфигурирован для подачи энергии в связанную с ним вторичную dc распределительную сеть, с любьм подходящим уровнем напряжения распределения. Вторичные dc распределительные сети могут быть выполнены, например, в виде подходящей шины или в виде распределительного щита, например, имеющего пару dc магистралей. Вторичные dc распределительные сети могут иметь различные напряжения распределения, в зависимости от требований к функционированию или от напряжений подводных электрических нагрузок.

DC/DC преобразовательный модуль каждого вторичного SPDU может быть подключен к первичной dc распределительной сети первичного SPDU при помощи вторичного dc передающего кабеля и объединенного с ним подводного автоматического выключателя. Это позволяет размещать вторичные SPDU ближе к подводным электрическим нагрузкам и подключать их к первичному SPDU гибким и надежным образом. Вторичный dc передающий кабель (кабели) может иметь любую подходящую конструкцию для подводного использования и может передавать подходящее напряжение (типично, напряжение распределения первичной dc распределительной сети) от первичного SPDU к соответствующему вторичному SPDU.

DC/DC преобразовательные модули, которые используют в системе передачи и распределения электроэнергии, имеют встроенную защиту от перегрузки и короткого замыкания, что объясняется использованием выключаемых с управлением по затвору полупроводниковых устройств в DC/AC преобразовательных блоках (см. ниже). Это означает, что подводные автоматические выключатели, которые используют для подключения вторичных dc передающих кабелей к первичной dc распределительной сети, могут быть выполнены в виде физически компактных разгруженных переключателей, вместо законченных dc автоматических выключателей.

DC/DC преобразовательные модули могут получать питание от источника напряжения или от источник тока и могут иметь любую подходящую конструкцию или топологию. DC/DC преобразовательные модули преимущественно представляют собой резонансные DC/DC преобразовательные модули. Обычно является предпочтительным, чтобы DC/DC преобразовательные модули имели группы взаимосвязанных DC/DC преобразовательных узлов в последовательно-параллельной схеме подключения. Типично, все DC/DC преобразовательные узлы имеют одинаковую топологию, так что DC/DC преобразовательные модули преимущественно могут быть выполнены в виде модульной системы, в том, что касается сборки, технического обслуживания и ремонта. Модульная система позволяет легко согласовывать DC/DC преобразовательные модули с требуемыми напряжением и номинальной мощностью системы передачи и распределения электроэнергии и дополнительно повышать избыточность и, следовательно, надежность системы в целом.

Каждый из взаимосвязанных DC/DC преобразовательных узлов преимущественно содержит трансформатор, DC/AC преобразовательный блок, подключенный к первичной обмотке трансформатора (возможно через резонансный колебательный LC-контур), и AC/DC преобразовательный блок, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора. Трансформатор обеспечивает гальваническую изоляцию и может быть трансформатором средней частоты или высокой частоты, например, однофазного или трехфазного типа. Трансформатор обычно является намного более физически компактным, чем трансформатор сетевой частоты той же самой номинальной мощности. Если используют трансформатор средней частоты, то тогда DC/DC преобразовательный модуль будет иметь очень высокую удельную мощность за счет его рабочей частоты около 1-20 кГц.

DC/AC и AC/DC преобразовательные блоки также могут иметь подходящую топологию, например, могут быть выполнены в виде стандартных мостов или полумостов с использованием любых подходящих силовых полупроводниковых переключающих устройств, таких как IGBT или обычные диодные мосты, которые обеспечивают, например, пассивное выпрямление.

DC входные клеммы DC/AC преобразовательных блоков преимущественно соединены последовательно.

В случае наличия DC/DC преобразовательного модуля для первичного SPDU первый DC/AC преобразовательный блок в группе последовательного соединения тогда преимущественно имеет первую dc клемму, соединенную с первой dc магистралью первичного dc передающего кабеля, и вторую dc клемму, соединенную с первой dc клеммой следующего DC/AC преобразовательного блока в группе. Каждый DC/AC преобразователь, кроме последнего DC/AC преобразовательного блока в группе последовательного соединения, преимущественно имеет вторую dc клемму, соединенную с первой dc клеммой следующего DC/AC преобразовательного блока в группе, а последний DC/AC преобразовательный блок в группе имеет вторую dc клемму, соединенную со второй dc магистралью первичного dc передающего кабеля.

В случае наличия DC/DC преобразовательного модуля для каждого вторичного SPDU первый DC/AC преобразовательный блок в группе последовательного соединения тогда преимущественно имеет первую dc клемму, соединенную с первой dc магистралью первичной dc распределительной сети, и вторую dc клемму, соединенную с первой dc клеммой следующего DC/AC преобразовательного блока в группе. Каждый DC/AC преобразовательный блок, кроме последнего DC/AC преобразовательного блока в группе последовательного соединения, преимущественно имеет вторую dc клемму, соединенную с первой dc клеммой следующего DC/AC преобразовательного блока в группе, а последний DC/AC преобразовательный блок в группе имеет вторую dc клемму, соединенную со второй dc магистралью первичной dc распределительной сети.

Первая dc клемма первого DC/AC преобразовательного блока в группе последовательного соединения может быть непосредственно соединена с первой dc магистралью первичной dc распределительной сети, а вторая dc клемма последнего DC/AC преобразовательного блока в группе может быть непосредственно соединена со второй dc магистралью первичной dc распределительной сети, однако эти соединения преимущественно являются косвенными соединениями, которые выполняют при помощи вторичного dc передающего кабеля и связанного с ним подводного автоматического выключателя. Более конкретно, первая dc клемма первого DC/AC преобразовательного блока в группе последовательного соединения может быть соединена с первой dc магистралью вторичного dc передающего кабеля, а вторая dc клемма последнего DC/AC преобразовательного блока в группе может быть соединена со второй dc магистралью вторичного dc передающего кабеля.

DC выходные клеммы AC/DC преобразовательных блоков могут быть соединены параллельно.

В случае наличия DC/DC преобразовательного модуля для первичного SPDU каждый AC/DC преобразовательный блок в группе тогда преимущественно имеет первую dc клемму, соединенную с первой dc магистралью первичной dc распределительной сети, и вторую dc клемму, соединенную со второй dc магистралью первичной dc распределительной сети.

В случае наличия DC/DC преобразовательного модуля для каждого вторичного SPDU каждый AC/DC преобразовательный блок в группе тогда преимущественно имеет первую dc клемму, соединенную с первой dc магистралью соответствующей вторичной dc распределительной сети, и вторую dc клемму, соединенную со второй dc магистралью соответствующей вторичной dc распределительной сети.

Первичный и вторичный SPDU являются физически компактными, эффективными и обладают преимуществами, возникающими за счет использования модульной топологии. Они могут работать при различных уровнях напряжения и при различных номинальная мощностях. Что является наиболее важным, не требуются преобразовательные трансформаторы частоты напряжения сети питания или ас фильтры.

Подводными электрическими нагрузками могут быть насосы, компрессоры и т.п., которые могут быть подключены ко вторичной dc распределительной сети непосредственно или при помощи любого подходящего силового преобразователя. В случае наличия dc электрических нагрузок силовым преобразователем тогда может быть DC/DC преобразовательный узел, имеющий любую подходящую конструкцию или топологию. В случае наличия ас электрических нагрузок силовым преобразователем тогда может быть DC/AC преобразовательный узел, имеющий любую подходящую конструкцию или топологию. Каждый силовой преобразователь может быть подключен ко вторичной dc распределительной сети при помощи разгруженного переключателя.

Все электрические соединения между компонентами системы передачи и распределения электроэнергии преимущественно выполнены с использованием известных мокрых сопрягаемых соединителей или разрывных концевых головок. Когда это требуется, соответствующие дополнительные компоненты могут быть выполнены в виде законченных блоков и расположены в водонепроницаемом кожухе, который заполнен, например, твердым изоляционным материалом или жидким диэлектриком.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана блок-схема системы передачи и распределения электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показана схема соединения DC/DC преобразовательных блоков каждого DC/DC преобразовательного модуля.

На фиг.3 показана блок-схема топологии DC/DC преобразовательных блоков каждого DC/DC преобразовательного модуля.

Подробное описание изобретения

Теперь со ссылкой на фиг.1 будет описана система передача и распределения электроэнергии, которая годится для использования с подводными электрическими нагрузками и энергосистемами.

Для удобства любая ссылка здесь на AC/DC и DC/AC преобразовательные блоки сделана в направлении потока мощности от береговой ас питающей электрической сети к подводным электрическим нагрузкам. Другими словами, DC/AC преобразовательный блок преобразует dc входную мощность в ас выходную мощность, a AC/DC преобразовательный блок (или модуль) преобразует ас входную мощность в dc выходную мощность, для направления потока мощности от ас питающей электрической сети к подводным электрическим нагрузкам.

Береговой AC/DC преобразовательный модуль 2 подключен к ас питающей электрической сети 4 при помощи предохранительного распределительного устройства 6. AC/DC преобразовательный модуль 2 преобразует ас мощность от ас питающей электрической сети 4 в dc мощность и подает ее в подводный dc передающий кабель (или "tieback") 8. DC передающий кабель 8 может иметь любую подходящую конструкцию и может иметь напряжение передачи 50 кВ.

Первичный подводный силовой распределительный блок (SPDU) 10 работает как центральный энергоблок системы распределения электроэнергии и подключен к подводному концу dc передающего кабеля 8 при помощи мокрого сопрягаемого соединителя 12 или разрывной концевой головки. Первичный SPDU 10 содержит DC/DC преобразовательный модуль 14 и первичную dc распределительную сеть 16, которые расположены внутри водонепроницаемого кожуха, который позволяет выдерживать соответствующие подводные давления. В этом кожухе также находятся соответствующие схемы управления и оборудование (не показаны), которые необходимы для нормальной работы первичного SPDU 10.

DC/DC преобразовательный модуль 14 действует как понижающий преобразователь и подает dc мощность в первичную dc распределительную сеть 16, которая в этом примере имеет напряжение распределения 10-20 кВ.

Группы вторичных SPDU подключены в параллель к первичному SPDU. Несмотря на то что на фиг.1 показаны только два вторичных SPDU 18а и 18b, легко можно понять, что любое их подходящее число может быть подключено к первичному SPDU 10 в пределах номинальной мощности и с использованием дополнительных автоматических выключателей и dc передающих кабелей (см. ниже), позволяющих осуществить такие подключения.

Каждый вторичный SPDU 18а и 18b содержит соответственно DC/DC преобразовательный модуль 20а и 20b и вторичную dc распределительную сеть (или шину) 22а и 22b, которые расположены внутри водонепроницаемого кожуха, который позволяет выдерживать соответствующие подводные давления. В этом кожухе также находятся соответствующие схемы управления и оборудование (не показаны), которые необходимы для нормальной работы вторичных SPDU 18а и 18b. DC/DC преобразовательные модули 20а и 20b действуют как понижающие преобразователи и подают dc мощность во вторичные dc распределительные сети 22а и 22b, которые в этом примере имеют соответствующие напряжения распределения 1-5 кВ dc и 5-10 кВ dc.

Каждый вторичный SPDU 18а и 18b подключен к первичному SPDU 10 при помощи dc передающего кабеля 24 и соответствующего автоматического выключателя 26. Каждый автоматический выключатель 26 содержит компактный разгруженный переключатель 28, расположенный внутри водонепроницаемого кожуха, который позволяет выдерживать соответствующие подводные давления. В этом кожухе также находятся соответствующие схемы управления и оборудование (не показаны), которые необходимы для нормальной работы автоматического выключателя 26.

DC передающие кабели 24 подключены ко вторичным SPDU и к автоматическим выключателям 26 при помощи мокрых сопрягаемых соединителей 12. Автоматические выключатели 26 также подключены к первичному SPDU 10 при помощи мокрых сопрягаемых соединителей 12.

Насосная нагрузка 1 подключена ко вторичной dc распределительной сети 22а при помощи силового преобразователя 30. Силовой преобразователь 30 содержит DC/AC преобразовательный узел 32 и разгруженный переключатель 34, расположенные внутри водонепроницаемого кожуха, который позволяет выдерживать соответствующие подводные давления. В этом кожухе также находятся соответствующие схемы управления и оборудование (не показаны), которые необходимы для нормальной работы силового преобразователя 30. Силовой преобразователь 30 подключен к насосной нагрузке и ко вторичному SPDU 18а при помощи мокрых сопрягаемых соединителей 12.

Два дополнительных силовых преобразователя 36 и 38 также подключены ко вторичной dc распределительной сети 22а при помощи мокрых сопрягаемых соединителей 12. Силовой преобразователь 36 содержит DC/DC преобразовательный узел 40 и образует регулируемый dc источник питания, к которому может быть подключена соответствующая dc электрическая нагрузка. Силовой преобразователь 38 содержит DC/AC преобразовательный узел 42 и образует регулируемый ас источник питания, к которому может быть подключена соответствующая ас электрическая нагрузка.

Три независимые компрессорные нагрузки подключены ко вторичной dc распределительной сети 22b при помощи силовых преобразователей 44. Каждый силовой преобразователь 44 содержит DC/AC преобразовательный узел 46 и разгруженный переключатель 48, расположенные внутри водонепроницаемого кожуха, который позволяет выдерживать соответствующие подводные давления. В этом кожухе также находятся соответствующие схемы управления и оборудование (не показаны), которые необходимы для нормальной работы силовых преобразовательных блоков 44. Силовые преобразователи 44 подключены к компрессорным нагрузкам и ко вторичным SPDU 18b при помощи мокрых сопрягаемых соединителей 12.

Таким образом, мокрые сопрягаемые соединители 12 обеспечивают безопасное и надежное электрическое соединение между следующими компонентами системы передачи и распределения электроэнергии:

- dc передающим кабелем 8 и dc входными клеммами DC/DC преобразовательного модуля 14 первичного SPDU 10;

- первичной dc распределительной сетью (или шиной) 16 и разгруженными переключателями 28 автоматических выключателей 26;

- разгруженными переключателями 28 автоматических выключателей 26 и dc передающими кабелями 24;

- dc передающими кабелями 24 и dc входными клеммами DC/DC преобразовательных модулей 20а и 20b вторичных SPDU 18а и 18b;

- вторичными dc распределительными сетями 22а и 22b и разгруженными переключателями 34 и 48, связанными с силовыми преобразователями 30, 36, 38 и 44;

- dc выходными клеммами DC/DC преобразовательного узла 40 и dc источником питания, ас клеммами DC/AC преобразовательного узла 42 и ас источником питания, и ас выходными клеммами DC/AC преобразовательных узлов 32, 42 и 46 и ас электрическими нагрузками (например, насосной нагрузкой и компрессорными нагрузками).

Далее со ссылкой на фиг.2 и 3 будут описаны более подробно DC/DC преобразовательные модули 14,20а и 20b.

Каждый DC/DC преобразовательный модуль содержит группы DC/DC преобразовательных узлов 50. Каждый DC/DC преобразовательный узел 50 содержит стандартный мостовой DC/AC преобразовательный блок 52, в котором использованы подходящие силовые полупроводниковые переключающие приборы Sp1…Sp4, и диодный мост 54, который работает как пассивный выпрямитель. DC/AC и AC/DC преобразовательные блоки 52 и 54 предусмотрены на каждой стороне трансформатора 56 средней или высокой частоты, который обеспечивает гальваническую изоляцию. DC/DC преобразовательный модуль обычно сконфигурирован для однонаправленного потока мощности (то есть от ас питающей электрической сети к подводным электрическим нагрузкам), и поэтому нет требований к AC/DC преобразовательному блоку 54 обеспечивать функцию инвертора.

Каждый DC/DC преобразовательный узел 50 может быть переключаемым при нулевом напряжении (ZVS) резонансным преобразователем или переключаемым при нулевом токе (ZCS) резонансным преобразователем, например, типа параллельного резонанса.

Каждый DC/DC преобразовательный узел 50 содержит первую пару dc клемм 58а и 58b и вторую пару dc клемм 60а и 60b. Первая пара dc клемм 58а и 58b представляет собой dc клеммы каждого DC/AC преобразовательного блока 52, в то время как вторая пара dc клемм 60а и 60b представляет собой dc клеммы каждого AC/DC преобразовательного блока 54. АС клеммы каждого DC/AC преобразовательного блока 52 соединены с резонансным колебательным LC-контуром 55, который, в свою очередь, подключен соответственно к первичной обмотке трансформатора 56. АС клеммы каждого AC/DC преобразовательного блока 54 подключены соответственно ко вторичной обмотке трансформатора 56.

DC/DC преобразовательные узлы 50 каждого DC/DC преобразовательного модуля соединены друг с другом так, как это описано далее более подробно. Несмотря на то что на фиг.2 показаны восемь DC/DC преобразовательных узлов 50 (то есть n=8), легко можно понять, что DC/DC преобразовательные модули могут иметь любое подходящее число DC/DC преобразовательных узлов, в зависимости от конструктивных требований.

DC входы DC/AC преобразовательных блоков 52 соединены последовательно (или каскадно).

Первая dc клемма 58а первого DC/AC преобразовательного блока 52 представляет собой первую dc входную клемму 62а DC/DC преобразовательного модуля и подключена к первой dc магистрали DC1.

За исключением DC/AC преобразовательного блока 52_n, который является частью последнего DC/DC преобразовательного узла 50_n, вторая dc клемма 58b каждого DC/AC преобразовательного блока 52 соединена последовательно с первой dc клеммой 58а DC/AC преобразовательного блока, который является частью следующего DC/DC преобразовательного узла в группе. Другими словами, вторая dc клемма 58b₁ DC/AC преобразовательного блока 52₁, который является частью первого DC/DC преобразовательного узла 50₁, последовательно подключена к первой dc клемме 58а₂ DC/AC преобразовательного блока 52₂, который является частью второго DC/DC преобразовательного узла 50₂ в группе, вторая dc клемма 58b₂ DC/AC преобразовательного блока 52₂, который является частью второго DC/DC преобразователя 50₂, последовательно подключена к первой dc клемме 58а₃ DC/AC преобразовательного блока 52₃, который является частью третьего DC/DC преобразовательного узла 50₃ в группе, и т.д. Вторая dc клемма 58b_(n-1) DC/AC преобразовательного блока 52_(n-1), который является частью предпоследнего DC/DC преобразовательного узла 50_(n-1) в группе, подключена к первой dc клемме 58a_n DC/AC преобразовательного блока 52_n, который является частью последнего DC/DC преобразовательного узла 50_n в группе.

Вторая dc клемма 58b_n DC/AC преобразовательного блока 52_n, который является частью последнего DC/DC преобразовательного узла 50_n в группе, представляет собой вторую dc выходную клемму 62b DC/DC преобразовательного модуля и подключена ко второй dc магистрали DC2.

DC выходные клеммы AC/DC преобразовательных блоков 54 включены параллельно.

Первые dc клеммы 60a₁, 60а₂…60а_n AC/DC преобразовательных блоков 54₁, 54₂…54_n соединены параллельно и образуют первую dc выходную клемму 64а DC/DC преобразовательного модуля. Вторые dc клеммы 60b₁, 60b₂…60b_n AC/DC преобразовательных блоков 54₁, 54₂…54_n соединены параллельно и образуют вторую dc выходную клемму 64b DC/DC преобразовательного модуля. Первая dc выходная клемма 64а подключен к третьей dc магистрали DC3, а вторая dc выходная клемма 64b подключена к четвертой dc магистрали DC4.

В случае наличия DC/DC преобразовательного модуля 14 для первичного SPDU 10 первая и вторая dc магистрали DC1 и DC2 тогда представляют собой dc магистрали dc передающего кабеля 8, а третья и четвертая dc магистрали DC3 и DC4 представляют собой dc магистрали первичной dc распределительной сети 16.

В случае наличия DC/DC преобразовательного модуля 20а и 20b для каждого вторичного SPDU 18а и 18b первая и вторая dc магистрали DC1 и DC2 тогда представляют собой dc магистрали соответствующего dc передающего кабеля 24 (которые, в свою очередь, подключены при помощи соответствующих автоматических выключателей 26 к dc магистралям первичной dc распределительной сети 16), а третья и четвертая dc магистрали DC3 и DC4 представляют собой dc магистрали соответствующей вторичной dc распределительной сети 22а и 22b.

В примере, показанном на фиг.1, заданная номинальная мощность составляет до 250 МВт, при dc передающем кабеле 8 длиной до 200 км. Первичный и вторичный SPDU могут быть погружены на глубину до 3000 м. Максимально допустимая нагрузка каждого вторичного SPDU доходит до 30 МВт. Само собой разумеется, что возможные и другие практические схемы построения.

При работе высокое напряжение (HV) или среднее напряжение (MV), подводимое при помощи dc передающего кабеля 8, понижается при помощи DC/DC преобразовательного модуля 14 первичного SPDU 10 до первого напряжения распределения (10-20 кВ), которое затем подается на вторичные SPDU 18а и 18b через первичную dc распределительную сеть 16. Вторичные SPDU подключены к первичной dc распределительной сети 16 при помощи dc передающих кабелей 25 и соответствующих автоматических выключателей 26. Первое напряжение распределения, подводимое при помощи dc передающих кабелей 24, понижается при помощи DC/DC преобразовательных модулей 20а и 20b, связанных с соответствующими вторичными SPDU, до соответствующих вторых напряжений распределения (1-5 кВ и 5-10 кВ), и подается на группы подводных электрических нагрузок через вторичные dc распределительные сети 22а и 22b. Заявленная система передача и распределения электроэнергии имеет преимущества по передаче по сравнению со стандартной линией электропередачи высокого напряжения на постоянном токе (HVDC), и при этом она сохраняет гибкость ас систем электропередачи, потому что в ней используют группы взаимосвязанных DC/DC преобразовательных узлов 50, которые работают как dc трансформаторы. За счет использования оптимизированной последовательно-параллельной комбинации DC/DC преобразовательных преобразовательного узла 50 система передачи и распределения электроэнергии легко может быть согласована с любым требуемым напряжением и с любой номинальной мощностью.

В случае короткого замыкания в одной из подводных электрических нагрузок срабатывает разгруженный переключатель, предусмотренный в соответствующем силовом преобразователе, который отключает эту нагрузку и позволяет дальше использовать систему передачи и распределения электроэнергии. Специфическая электрическая нагрузка или регулируемый источник питания также могут быть избирательно отключены для проведения технического обслуживания или ремонта. Аналогично, в случае короткого замыкания в одном из вторичных SPDLJ срабатывает разгруженный переключатель, предусмотренный в соответствующем автоматическом выключателе 26, который отключает вторичный SPDU от первичного SPDU 10, при этом энергия продолжает распределяться в остальные вторичные SPDU. Собственная ограничительная способность по току DC/DC преобразовательных узлов 50 способствует размыканию и отключению системы при любых авариях в dc сети.

В изобретении предлагается система передачи и распределения электроэнергии, которая подходит для питания подводных электрических нагрузок. Система содержит первичный dc передающий кабель (8), который может быть подключен к береговому AC/DC преобразовательному модулю (2). Подводный конец кабеля (8) подключен к первичному подводному силовому распределительному блоку (10), который содержит DC/DC преобразовательный модуль (14), имеющий модульную топологию с группами взаимосвязанных DC/DC преобразовательных узлов, и первичную dc распределительную сеть (16). Вторичные dc передающие кабели (24) и связанные с ними автоматические выключатели (26) обеспечивают подключение первичного подводного силового распределительного блока (10) ко вторичным подводным силовым распределительным блокам (18а, 18b). Каждый подводный силовой распределительный блок (18а, 18b) содержит DC/DC преобразовательный модуль (20а), имеющий модульную топологию с группами взаимосвязанных DC/DC преобразовательных узлов. Соответствующие вторичные dc распределительные сети (22а, 22b) используют для подачи энергии на одну или несколько подводных электрических нагрузок. Технический результат - возможность уменьшения размера наземных компонентов. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система передачи и распределения электроэнергии, которая содержит:
первичный dc передающий кабель (8);
первичный подводный силовой распределительный блок (10), имеющий DC/DC преобразовательный модуль (14), подключенный между первичным dc передающим кабелем (8) и первичной dc распределительной сетью (16);
вторичный подводный силовой распределительный блок (18а), имеющий DC/DC преобразовательный модуль (20а), подключенный между первичной dc распределительной сетью (16) и вторичной dc распределительной сетью (22а); и
одну или несколько подводных электрических нагрузок, подключенных ко вторичной dc распределительной сети (22а).

2. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, в которой DC/DC преобразовательный модуль (14) первичного подводного силового распределительного блока (10) представляет собой понижающий преобразователь.

3. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1 или 2, в которой DC/DC преобразовательный модуль (20а) вторичного подводного силового распределительного блока (18а) представляет собой понижающий преобразователь.

4. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, которая дополнительно содержит множество вторичных подводных силовых распределительных блоков (18а, 18b), каждый из которых подает энергию в связанную с ним вторичную dc распределительную сеть (22а, 22b).

5. Система передачи и распределения электроэнергии по п.4, в которой каждая вторичная dc распределительная сеть (22а, 22b) имеет различное напряжение распределения.

6. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, в которой DC/DC преобразовательный модуль (20а) одного или каждого вторичного подводного силового распределительного блока (18а) подключен к первичной dc распределительной сети (16) при помощи вторичного dc передающего кабеля (24) и связанного с ним подводного автоматического выключателя (26).

7. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, которая дополнительно содержит береговой AC/DC преобразовательный модуль (2), подключенный между ас питающей электрической сетью (4) и первичным dc передающим кабелем (8).

8. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, в которой DC/DC преобразовательные модули (14, 20а) представляют собой резонансные DC/DC преобразовательные модули.

9. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, в которой первичный dc передающий кабель (8) представляет собой HVDC передающий кабель.

10. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, в которой каждая подводная электрическая нагрузка, в частности насосная нагрузка 1, подключена к вторичной dc распределительной сети (22а) при помощи силового преобразователя (32) и связанного с ним подводного автоматического выключателя (34).

11. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, которая дополнительно содержит одну или несколько подводных электрических нагрузок, каждая из которых подключена к первичной dc распределительной сети (16) при помощи силового преобразователя и связанного с ним подводного автоматического выключателя.

12. Система передачи и распределения электроэнергии по п.1, в которой все электрические соединения между компонентами выполнены с использованием мокрых сопрягаемых соединителей (12) или разрывных концевых головок.