直流輸電系統和組裝該系統的方法
【專利說明】直流輸電系統和組裝該系統的方法
【背景技術】
[0001] 本公開的領域大體涉及用于傳輸直流（DC)功率給負載的系統和方法，并且更具 體地涉及具有轉換器的直流輸電系統，該轉換器具有相對于地不需要重直流絕緣的有源交 流（AC)級和無源交流至直流轉換級。
[0002] 多數基于陸地的傳輸系統從電源、例如發電機傳輸交流功率到電負載，例如馬達。 任何轉換為直流功率典型地是通過盡可能的靠近電負載來執行。交流輸電系統比直流輸電 系統更普遍，是因為降低了交流變壓器和開關裝置的成本并改進了其效率。然而，交流輸電 系統具有不在直流輸電系統中存在的與傳輸電纜相關的無功損耗。因此，當長距離傳輸功 率，在無功損耗超過較昂貴的直流變壓器設備時，直流輸電系統可以是更有效并節省成本 的。在海底電纜尤其如此，其中無功損耗被復合。
[0003] 高壓直流（HVDC)傳輸系統和中壓直流（MVDC)傳輸系統可被用于有效地長距離傳 輸功率。然而，已知的直流輸電系統有一些效率低下，導致運營商成本增加。具體而言，已 知的直流輸電系統有交流/直流整流器，諸如二極管整流器，將如從電網所接收的交流功 率，轉換為直流功率。直流功率隨后通過有源元件被調節，例如具有例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)和晶閘管的有源半導體為基礎的設備的直流/直流轉換器。直流功率也通過無源 元件被調節，例如，電容器、電阻器、二極管和變壓器，以控制直流功率的直流電壓電平。然 而，在已知的系統中，有源元件和無源元件必須很強地與地直流絕緣，以防止在直流故障事 件中損壞元件。例如，在典型的系統中，有源和無源元件是被絕緣以承受相當于約2倍的傳 輸電壓電平的過電壓條件，傳輸電壓電平可以是在幾十千伏（kV)的直流至數百千伏直流 的范圍。無源元件的直流絕緣是相對便宜的，但有源直流/直流轉換器的絕緣要求所有的 輔助功率元件相對于地被絕緣，包括柵極驅動器和所有傳感器。此外，用于這種有源直流/ 直流轉換器的冷卻系統和任何其它輔助支持設備也需要相對于地的同樣水平的直流絕緣。 因此，具有相對于地的直流絕緣的有源元件的尺寸、材料量和成本都很巨大。直流輸電系統 的一些應用中具有有限的可用空間，例如，石油和天然氣平臺，目前的直流輸電系統對于單 一平臺來說可能過大，顯著增加了資本投資和運行成本。
【發明內容】
[0004] -方面，提供了一種直流（DC)輸電系統。直流輸電系統被配置為產生電場，其包 括至少一個相對于時間基本恒定的分量以及至少一個隨時間變化的分量。直流輸電系統包 括被配置為接收交流電功率的交流（AC)級。交流級包括變壓器，其包括配置為彼此電磁耦 合并相互電隔離的初級繞組和次級繞組。交流級還包括至少一個交流/交流轉換器，其相 對于電場的至少一個基本恒定的分量基本上沒有絕緣特征。交流/交流轉換器電耦合到初 級繞組的至少一個初級繞組。直流輸電系統還包括交流/直流轉換級，其位于交流級的下 游。交流/直流轉換級包括交流/直流整流器，其配置成將交流電功率轉換為直流電功率 而無需外部控制。該交流/直流整流器被耦合到次級繞組的至少一個次級繞組。
[0005] 另一方面，提供一種用于直流輸電系統的傳輸端轉換器。傳輸端轉換器被配置為 產生電場，其包括至少一個相對于時間基本恒定的分量以及至少一個隨時間變化的分量。 直流輸電系統包括被配置為接收交流電功率的交流（AC)級。交流級包括變壓器，其包括配 置為彼此電磁耦合并互相電隔離的初級繞組和次級繞組。交流級還包括交流/交流轉換 器，其相對于電場的至少一個基本恒定的分量基本上沒有絕緣特征。交流/交流轉換器被 電耦合到初級繞組的至少一個初級繞組。傳輸端轉換器還包括交流/直流轉換級，其位于 交流級的下游。交流/直流轉換級包括交流/直流整流器，其配置為將交流電功率轉換為直 流電功率而無需外部控制。該交流/直流整流器被耦合到次級繞組的至少一個次級繞組。
[0006] 又一方面，提供了一種組裝傳輸端轉換器的方法。傳輸端轉換器被配置成接收交 流（AC)電功率，并將交流電功率轉換成直流（DC)電功率。傳輸端轉換器也被配置成產生 電場，其包括至少一個相對于時間基本恒定的分量以及至少一個隨時間變化的分量。該方 法包括將交流/交流轉換器電耦合到變壓器的多個初級繞組的至少一個初級繞組，由此至 少部分地形成交流級。交流/交流轉換器與初級繞組相對于電場的至少一個基本恒定的分 量基本上沒有絕緣特征。該方法還包括將變壓器的次級繞組電磁耦合到初級繞組。該方法 進一步包括將交流/直流整流器電耦合到次級繞組的至少一個次級繞組，由此至少部分地 形成交流/直流轉換級。該交流/直流整流器位于變壓器的下游。
【附圖說明】
[0007] 當參考附圖讀取以下的詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優點將變 得更好地理解，在整個附圖中類似的字符表示類似的元件，其中：
[0008] 圖1是包括直流輸電系統的示范性電力系統的示意圖；
[0009] 圖2是示范性傳輸端轉換器的示意圖，其可以與圖1所示的直流輸電系統一起使 用；
[0010]圖3是可選的傳輸端轉換器的示意圖，其可以與圖1所示的直流輸電系統一起使 用；
[0011] 圖4是另一可選傳輸端轉換器的示意圖，其可以與圖1所示的直流輸電系統一起 使用，其具有包括至少一個細功率轉換部和至少一個粗功率轉換部的多個功率轉換部；
[0012] 圖5是又一可選傳輸端轉換器的示意圖，其可以與圖1所示的直流輸電系統一起 使用，其具有多個交流隔離開關；
[0013] 圖6是又一可選傳輸端轉換器的示意圖，其可以與圖1所示的直流輸電系統一起 使用，其具有包括具有短路故障模式的多個二極管的交流/直流整流器；
[0014] 圖7是無源直流/直流整流器的一部分的示意圖，其可與圖1所示的直流輸電系 統一起使用；
[0015] 圖8是可選的無源直流/直流整流器的一部分的示意圖，其可與圖1所示的直流 輸電系統一起使用；
[0016] 圖9是另一可選的無源直流/直流整流器的一部分的示意圖，其可與圖1所示的 直流輸電系統一起使用；以及
[0017] 圖10是可與圖1所示的直流輸電系統一起使用的短路裝置的示意圖。
[0018] 除非另有說明，本文所提供的附圖是為了說明本公開的實施例的特征。這些特征 被認為是適用于各種不同的系統，包括本公開的一個或多個實施例。因此，附圖并不意味著 包括本領域普通技術人員已知的需要為本文所公開的實施例的實施中的所有常規特征。【具體實施方式】
[0019] 在以下的說明書和權利要求書中，將提及一些術語，這些術語應定義為具有以下 含義。
[0020] 單數形式"一"，"一個"，和"該"包括復數引用，除非上下文另有明確說明。
[0021] "任選的"或"任選地"是指隨后描述的事件或情況可能發生或可能不發生，并且該 描述包括其中該事件發生和不發生的情況。
[0022] 近似類的用語，如這里在整個說明書和權利要求書所使用的那樣，可用于修飾任 何定量表達，這些表達可容許改變，而不引起其所相關基本功能的改變。因此，通過一個或 多個術語修飾的值，例如"大約"和"基本上"，并不限定于指定的精確值。在至少一些情況 下，近似類的用語可對應于儀器測量值的精確度。在這里和在整個說明書和權利要求書，范 圍限制可組合和/或互換；這種范圍是確定的，并包括包含在其中的所有子范圍，除非上下 文或語言指明。
[0023] 定向類的用語，如這里在整個說明書和權利要求中所使用的那樣，被單獨使用，以 促進元件相互間的描述，并且不相對于任何其他參考系定義它們的取向。因此，通過如"頂" 和"底"的術語修飾的元件可以相對于外部參考系定向在任何其他方向，除非上下文或語言 另有明確說明。
[0024] 此外，參考此處所描述的主題一個"實施方式"或一個"實施例"并不意味著被解 釋為排除還結合了所述特征的額外實施方式的存在。
[0025] 本文描述的實施例公開了一種直流輸電系統，其從交流電源傳輸電功率到電負 載，例如直流馬達。直流輸電系統包括傳輸端轉換器，其將交流功率轉換為直流功率。具 體地，本文所描述的傳輸端轉換器包括交流級，其包括交流/交流轉換器和交流/直流轉換 級，其包括通過變壓器耦合到交流級的交流/直流整流器，該變壓器包括彼此電磁耦合的 初級和次級繞組。這樣，傳輸端轉換器被配置為產生包括至少一個相對于時間基本恒定的 場分量和至少一個隨時間變化的場分量的電場。本文所描述的傳輸端轉換器有利于降低需 要相對于地的高電壓直流絕緣的交流/直流轉換級元件的數量。此外，至少一些本文所描 述的傳輸端轉換器內的元件針對該電場的基本恒定的分量基本上沒有絕緣，即它們基本上 沒有到地的直流絕緣。更具體地，交流/交流轉換器和變壓器的初級繞組與在相同的傳輸 電壓電平操作的直流/直流轉換器相比具有到地的總絕緣量減少。所以，交流/交流轉換 器和變壓器與已知的直流/直流轉換器相比，降低了直流絕緣的成本以及減小了占用的尺 寸。
[0026] 圖1是示范性的直流輸電系統100的示意圖。直流輸電系統100從電源102,例 如但不限于，電網或交流發電機，傳輸電功率到電負載104,例如但不限于，馬達。直流輸電 系統100包括傳輸端轉換器106,用于從電源102接收輸入交流功率112以及轉換交流功 率為直流功率。直流輸電系統100還包括傳輸電纜108用于承載直流功率。傳輸電纜108 為多個能夠承載電流，如高壓直流功率114的導電電纜。在示范性實施例中，傳輸電纜108 包括正極性的高電壓線（未示出）和負極性的返回線（未示出）。直流輸電系統100還包 括接收端轉換器110。接收端轉換器110將高壓直流功率114轉換為低壓功率116,其可被 電負載104使用。在示范性實施例中，接收端轉換器110包括降壓變壓器和逆變器（均未 示出）中的至少一個，使得低壓功率116是低壓直流功率和低壓交流功率中的至少一個。
[0027] 在該示范性實施例中，電源102和傳輸端轉換器106被定位在非埋植型平臺。另 外，電負載104和接收端轉換器110被定位在埋植型船只內，并且傳輸電纜108被基本上淹 沒。可替代地，直流輸電系統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，傳輸端轉換器106從電源102接收輸入交流功率112并將輸入的交流 功率112轉換成用于通過傳輸電纜108傳輸的中至高壓直流功率114。在該示范性實施例 中，輸入交流功率112是三相功率，并且傳輸端轉換器106將三相功率的每一相都轉換為中 至高壓直流功率114。中至高壓直流功率114通過傳輸電纜108承載到接收端轉換器110， 其中其被轉換成低壓功率116,并提供給電負載104