(57)【要約】【課題】システムコスト及び複雑さを小さく、システムの信頼度／保全性を高く、効率及びパワー密度を大きくする。【解決手段】海面下パワー伝達システム（１０）は、パワーソース（２０）側と海面下負荷側（３０）の各々に、サイト拡張要件及び電気負荷トポロジーを満たすように積重ねられかつ相互接続された複数のモジュール型パワー変換器ビルディングブロック（１２）、（１３）を含み、オンショア公益ソースまたはトップ側パワーソース（２０）から複数の海面下負荷モジュール（１８）までＨＶＤＣまたはＭＶＤＣパワーを伝達するように構成されたシステムＤＣ送電リンク／バス（１４）を備える。海面下パワー伝達システム（１０）の海面下側の積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーは、海面下パワー伝達システム（１０）のオンショア／トップ側の積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーと対称である。【選択図】図１
2010136615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ送電バス（１４）を介して１つまたは複数のＡＣ負荷にパワーを伝達するように構成されたＡＣパワーソース（２０）を備えたパワー伝達システム（１０）であって、該ＤＣ送電バス（１４）は、積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーで構成された複数のモジュール型パワー変換器（１２）に結合されている送電端と、積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーで構成された複数のモジュール型パワー変換器（１３）に結合されている受信端と、を備えており、受信端の積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーは送電端の積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーと対称であるパワー伝達システム（１０）。
【請求項２】
１つまたは複数の対応する受信端モジュール型変換器に１つまたは複数のＡＣ負荷が直接接続されている、請求項１に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項３】
１つまたは複数の対応する受信端モジュール型変換器（１３）に少なくとも１つの変成器を介して１つまたは複数のＡＣ負荷が接続されている、請求項１に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項４】
ＤＣ送電バス（１４）の受信端におけるモジュール型パワー変換器トポロジーは、中間ＤＣ配電バスを提供するように構成されたＤＣ対ＤＣ変換段を備える、請求項１に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項５】
ＤＣ送電バス（１４）の受信端におけるモジュール型パワー変換器トポロジーはさらに、ＡＣバスを提供するように構成されたＤＣ対ＡＣ変換段を備える、請求項４に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項６】
前記ＤＣ対ＡＣ変換段のＡＣ出力に結合されたＡＣ対ＤＣ変換段をさらに備える請求項５に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項７】
ＤＣ送電バス（１４）の受信端における複数の積重ねモジュール型パワー変換器（１３）はさらに、中間ＤＣ配電バスに結合されると共に１つまたは複数の海面下負荷を駆動するように構成された１つまたは複数のＤＣ対ＡＣ変換器を備える、請求項４に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項８】
前記受信端は、
対応する中間ＤＣ配電バスを提供するためにその各々が対応する変成器及び対応する整流器機構を伴うように構成されたモジュール型ＤＣ／ＡＣ変換器を備えた複数の分離型中間ＤＣ配電バスと、
中間ＡＣ配電バスを提供するように一体に構成された１つまたは複数のモジュール型ＤＣ／ＡＣ変換器及び対応する変成器を備えた中間ＡＣ配電バスと、
を備えている、請求項１に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項９】
少なくとも１つの受信端モジュール型変換器（１３）は、対応する海面下負荷を制御するようにパワー変換器として及び組み込まれた可変速駆動装置としての両方として構成されている、請求項１に記載のパワー伝達システム（１０）。
【請求項１０】
受信端積重ねモジュール型パワー変換器（１３）は中間電圧（ＭＶ）ＤＣまたは高電圧（ＨＶ）ＤＣ海面下負荷とＭＶＡＣまたはＨＶＡＣ海面下負荷との両者を収容するように構成されている、請求項１に記載のパワー伝達システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には、直流（ＤＣ）送電バスを介したオフショア及び海面下電気負荷に対する電力伝達システムに関する。ＤＣ送電バスの受信端と送電端のそれぞれは、構造が対称であるモジュール積重ね型（ｍｏｄｕｌａｒ  ｓｔａｃｋｅｄ）パワー変換器を備える。受信端変換器は、サイト拡張要件に基づきかつ負荷のタイプ及び構成に基づいて再構成可能である。
【背景技術】
【０００２】
オンショアやオフショアのプラットフォームから海底や遠隔のオフショア箇所にある電気負荷まで、あるいはオフショア発電タイバックのためにパワー逆流方向のこの反対方向で、より低コストでかつより高い信頼度／保全性（ｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ）、効率及びパワー密度をもったより効率のよいパワー伝達に対する産業上の要求が大きくなりつつある。この大きくなりつつある要求は、オイル及びガス産業向けの海面下処理やオフショアでの風力発電などの様々な用途における電化の趨勢によって後押しされている。
【０００３】
具体的にオイル及びガス産業向けの海面下処理の場合、この趨勢は、（１）海面下処理のためのポンプ及びコンプレッサを駆動する電気的駆動装置及びモータ、海面下の制御及び通信電子回路、電気的なパイプライン加熱、セパレータ／コアレッサー用の電源などの電気負荷が増加し、（２）パワーが大きくなり（１プロジェクトあたり数キロワットから１００ＭＷに至るレンジ）、（３）距離が長くなり（数１０キロメートルから１００〜６００ｋｍまで）、かつ（４）水深がより深くなる（１ｋｍから３ｋｍまで）傾向にある。
【０００４】
海面下やオフショア箇所のある領域内に短い距離や長い距離にわたって分布させた多くの数の電気負荷に対応するために典型的には、オンショアやオフショアプラットフォームのパワーソースから海面下やオフショアのパワーサブステーションまで送電バスを介して電力を送電し、次いでさらに配電バスを介してこうした電気負荷に電力を配電する必要がある。幾つかのケースでは、電気負荷を伴う新たに発見されたオイル及びガス埋蔵箇所を、隣接するすでに設営済みの発電／送電／配電インフラストラクチャまでタイバックさせる必要がある。
【０００５】
これら海面下やオフショアの負荷までパワーを効率よく送電し配電するためのシステムアーキテクチャ（交流（ＡＣ）や直流（ＤＣ）の送電及び配電の選択に始まり、送電及び配電のための電圧レベルの選択、システムトポロジーアーキテクチャに至るまで）が非常に重要である。これらは、システムコスト、信頼度／保全性、システムの複雑さ、効率及びパワー密度に大きな影響を及ぼす。例えば、送電用のオフショアケーブルや海面下のケーブルは典型的には、全体のシステムコストの主要な部分を形成している。３相ＡＣ送電と比較すると、ＤＣ送電ではケーブルの本数及び重量が軽減されるため、材料及び据え付けコストを削減できる可能性がある。送電／配電のための電圧を高くすると、ケーブル損失が低減され、したがって効率が高くなると共にケーブルコストが低くなる。しかし電気負荷は、中間的な電圧または低い電圧を必要とすることがあり、かつ送電／配電電圧を必要な負荷電圧レベルに変換するために追加のパワー変換段が必要となることになる。最適なシステムアーキテクチャによればシステムの複雑さ及びコストが大幅に低減される。ウェットメイト（ｗｅｔ−ｍａｔｅ）コネクタやドライメイト（ｄｒｙ−ｍａｔｅ）コネクタなどの海面下コネクタ並びに欠陥のある素子をバイパスすることによる耐故障性動作能力は、システム信頼度及び保全性に大きな影響力を有する。海面下コネクタの数の削減を可能にしかつ耐故障性動作能力を提供できるシステムアーキテクチャは、海面下やオフショア用途における長期的な高信頼性動作にとって最重要のものである。
【０００６】
３相５０／６０ＨｚのＡＣ送電及び配電は、成熟したテクノロジーとなっている。しかし、長距離かつ高パワーの海面下やオフショア用途において、また短距離であるがパワーソースの容量マージンが限定されている用途であっても、これには本来的な限界がある。ケーブル容量に由来して、かなりの量の無効電力をパワーソースから供給してケーブルにより伝達する必要があり、これに負荷が必要とする有効電力が加わる。このため、ケーブル損失が大きくなり、電流定格が大きくなりより大型でより高価なケーブルとなり、かつケーブルに沿った電圧損失が大きくなる。これらの問題は、オイル及びガスの海面下プロジェクト向けの長距離かつ高パワーの送電では悪化する。短距離送電／配電の場合であっても、パワーソースの容量マージンに限界があるような用途ではこうした問題が依然として存在する。例えば、容量マージンに制限があるオフショアプラットフォーム上の既存のパワーインフラストラクチャに対してタイバックされた電気負荷では、無効電力がかなり大きな量になりパワーシステムの安定性問題が惹起されたり、パワーソースの電流定格限界を超えることがある。
【０００７】
５０／６０ＨｚのＡＣ送電及び配電に関する限界は、ＡＣ周波数を例えば１６  ２／３Ｈｚまで低下させて、同じケーブル容量における無効電力量を低減することによって緩和させることができる。しかしこの解決法は、変成器などの磁気構成要素のサイズが比例して増大するという犠牲の元で得られる。高パワーレベルでは、そのサイズ及び重量による不利益は過大なものとなる。
【０００８】
直流（ＤＣ）送電及び配電によって基本的には、パワー伝達に関するケーブル容量及び無効電力の問題を克服することが可能であり、かつ高電圧によればさらに送電及び配電の損失が低減される。既存の高電圧直流テクノロジーは単純な２レベル回路トポロジーを用いると共に、パワー変換のための高電圧能力を提供するように圧接型（ｐｒｅｓｓ−ｐａｃｋ）のＩＧＢＴやサイリスタなど特殊なパワースイッチを多数直列接続させることに依拠している。２レベル回路を備えた高電圧切り替えに由来して、入力及び出力を平滑化するために大型のフィルタが必要となる。これら特殊なパワースイッチ（バルブ）や大型のフィルタによって、既存の高電圧直流テクノロジーは海面下用途において高コストで大サイズの解決法となる。
【０００９】
代替的な高電圧または中間電圧の直流テクノロジーは、多数のモジュール型パワー変換器ビルディングブロックを用いたＤＣ送電または配電バススタックを形成する。これらのビルディングブロックは標準的な別の駆動用途のものと同様に製作することが可能であり、この積重ねモジュール型ＤＣテクノロジーによればコストのかなりの削減や信頼度の向上を提供できる可能性がある。さらに、これらのモジュール型変換器のための制御手段によってＡＣ側での高調波消去を実現することができ、これによってフィルタをより低いコストでかなり小型とすることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第３９６８４１９号
【特許文献２】米国特許第２００８／００３７１９０  Ａ１号
【特許文献３】米国特許第６６７０７２１  Ｂ１号
【特許文献４】米国特許第４０１９１１５号
【特許文献５】米国特許第４８３７６７１号
【特許文献６】特開２０００−２４５０６６号
【特許文献７】特開平１１−０８９２３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
複数の電気負荷に対応した送電及び配電用のモジュール積重ね型変換器により形成されたＤＣ送電バスに基づいたシステムアーキテクチャに対処することが必要とされている。主たる目的は、システムコスト及び複雑さが小さく、システムの信頼度／保全性が高く、効率及びパワー密度が大きい最適なパワー伝達システムを達成することにある。その対象は、海面下またはオフショア箇所において長い距離や短い距離でかつ高パワーや低パワーで単一または複数の電気負荷を機能させるような用途である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の例示的な実施形態は、ＤＣ送電バスを介して１つまたは複数のＡＣ負荷にパワーを伝達するように構成されたＡＣパワーソースを含むパワー伝達システムを備えており、該ＤＣ送電バスは、積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーの形で構成された複数のモジュール型パワー変換器に結合された送電端と積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーの形で構成された複数のモジュール型パワー変換器に結合された受信端とを備え、受信端における積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーは送電端における積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーと対称である。
【００１３】
本発明に関する上述の特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通じて同じ符号が同じ部品を表している添付の図面と関連して取り上げた以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムのオンショアまたはトップ側と海面下側の両方の側に積重ねモジュール型パワー変換器ビルディングブロックを備えた海面下パワー伝達システムの簡略図である。
【図２】海面下配電網の技術分野で周知の従来の海面下パワー変換器モジュールを表した簡略図である。
【図３】海面下配電網に関する本発明の一実施形態によるバイパス及び調節機能を組み込んだ海面下パワー変換器モジュールを表した簡略図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態に従った複数のモジュール積重ね型海面下パワー伝達システムトポロジーを規定している図である。
【図５】ＤＣ送電線の送電端が積重ねモジュール型パワー変換器によって実現されると共に、ＤＣ送電線の受信端が複数の負荷をＤＣ送電線に組み込むように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による例示的な海面下パワー伝達システムの図である。
【図６】その受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、直列接続インダクタンスを通して対応するモジュール型変換器に接続された１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を通る１つまたは複数の中間ＤＣ配電バスを提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システム向けのＤＣ送電線の受信端の詳細図である。
【図７】ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、１つまたは複数のガルバニック分離変成器を通して対応するモジュール型変換器に接続された１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器を通る１つまたは複数の中間ＤＣ配電バスを提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの詳細図である。
【図８】ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、１つまたは複数の変成器を通る１つまたは複数の中間ＡＣ配電バスを提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの受信端の詳細図である。
【図９】ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、１）１つまたは複数の分離変成器を通した分離を備えないまたは備えた１つまたは複数の中間ＤＣ配電バスと、２）１つまたは複数の対応する変成器を通る１つまたは複数の中間ＡＣ配電バスと、３）ＤＣ送電線に組み込まれた１つまたは複数の負荷と、を提供するように構成され、かつ図４で規定された１つまたは複数のトポロジーに対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの受信端の詳細図である。
【図１０】ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、ガルバニック分離を備えたＤＣ送電線の受信端における制御パワーのためのＡＣ配電バスを提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの受信端の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上で規定した図面は代替的な実施形態を列挙しているが、検討において記載しているように本発明の別の実施形態も企図される。すべてのケースについて本開示における本発明の実施形態の提示は、説明のためであって限定ではない。当業者であれば本発明の原理の趣旨及び精神の域内にあるような別の多くの修正形態や実施形態を考案することが可能である。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムのトップ側／オンショア側と海面下側の両方の側に積重ねモジュール型パワー変換器ビルディングブロック１２、１３を備えた海面下パワー伝達システム１０の簡略図である。海面下パワー伝達システム１０は、中間電圧直流（ＭＶＤＣ）または高電圧直流（ＨＶＤＣ）ケーブルとし得るシステムＤＣ送電リンク／バス（ケーブル）１４を含んでおり、この送電ＤＣバス１４は、トップ側またはオンショアパワーモジュール１６から少なくとも１つの海面下負荷モジュール１８までパワーを伝達するように構成されている。パワーモジュール１６と海面下負荷モジュール１８の両者はそれぞれ、１つまたは複数のそれぞれの積重ねモジュール型パワー変換器ビルディングブロック１２、１３を含むことがある。各モジュール型パワー変換器ビルディングブロック１２、１３は、周知の多くのタイプのモータ駆動装置によく見られるようなＤＣ対ＡＣインバータ、ＡＣ対ＡＣ変換器、ＤＣ対ＤＣ変換器、ＡＣ対ＤＣインバータなどのモジュール型パワー変換器を備えており、したがってパワーモジュール１６及び海面下負荷モジュール１８は、サイト拡張要件並びに多様な海面下電気負荷トポロジー（例えば、高電圧分離レベルを要求するようなトポロジー）を満足させるためにカスタマイズ式のパワー変換器を必要としない。
【００１７】
海面下パワー伝達システム１０はさらに、例えばＡＣパワーを発生させるためにタービン２４を介して駆動される発電機２２を含むことがある発電システム２０を備える。発電システム２０はさらに、少なくとも１つのパワーモジュール１６を備えており、その各々は、中間電圧直流（ＭＶＤＣ）または高電圧直流（ＨＶＤＣ）パワーを発生させるために積重ねられると共に発電機２２及びタービン２４と一緒に構成された複数の産業標準モジュール型パワー変換器１２を備えることがある。
【００１８】
海面下配電システム３０は、少なくとも１つの海面下負荷モジュール１８を備えており、その各々は、発電システム２０を介して発生させた中間電圧ＤＣ送電または高電圧ＤＣ送電のパワーレベルに応答して海面下配電システム電圧を発生させるようにシステムの海面下負荷モジュール側において積重ねられると共に一体に構成された複数の産業標準モジュール型パワー変換器１３を備えることがある。
【００１９】
標準モジュール積重ね型パワー変換器１２の間、並びにモジュール積重ね型パワー変換器１３と本明細書に記載した別の構成要素の間の相互接続は、サイト拡張要件及び海面下電気負荷トポロジーに基づいてＭＶＤＣ送電電圧、ＨＶＤＣ送電電圧及び所望の海面下配電システム電圧を発生させ、かつ例えば整合または不整合の送電及び配電電圧と海面下負荷モジュール電圧の間のマッチングを最適化するように容易に構成することができる。
【００２０】
図２は、従来の海面下パワー変換器モジュール３２を表した簡略図である。従来の海面下パワー変換器モジュール３２は、変換器モジュール３２の障害発生時に変換器モジュール３２を分離するように動作する開閉装置３４も含むことが理解できよう。開閉装置３４の出力位置のＡＣ送電電圧を海面下負荷にとって有用なレベルまで低下させるために変成器３６が利用される。さらに、海面下配電網の信頼度に悪影響を及ぼすフィーチャである変成器３６に開閉装置３４を接続するために海面下コネクタ３８も必要となる。従来の変換器モジュール３２は、ＡＣ対ＤＣインバータ４０及びＤＣ対ＡＣインバータ４２を含むことが理解できよう。
【００２１】
図３は、本発明の具体的な実施形態によるバイパス及び調節機能を組み込んだ海面下パワー変換器モジュール１３を表している。バイパス及び調節機能を組み込んだ積重ねパワー変換器モジュール１３を含む海面下配電網を介して利用されることがあるパワー変換器モジュール１３は、変換器モジュール３２と比べてさらに単純なアーキテクチャを有することが理解できよう。パワー変換器モジュール１３はＤＣ入力電圧に応答して動作するために、例えばＡＣ対ＤＣ変換段４０を必要とせず、このため全体のシステム信頼度が向上しコストが削減されることになる。パワー変換器モジュール１３は、例えば電圧調節器とバイパススイッチの両方として構成し得るＤＣチョッパ素子４４も備えることが理解できよう。チョッパ素子４４は上述の開閉装置３４に代わるものであり、変換器モジュール１２の障害の際に海面下変換器モジュール１３をバイパスする役割を果たす。チョッパ素子４４は、対応するモジュール積重ね型パワー変換器１３向けのＤＣバス送電電圧を調節するように構成されることがある。したがってチョッパ素子４４によれば、開閉装置３４と変成器３６の間並びに変成器３６と海面下変換器３２の間の追加的な海面下コネクタを不要とすることができ、上で述べたようなシステム信頼度の向上及びシステムコストの削減が得られる。パワー変換器モジュール１３は、本発明の一態様による変換器モジュール１３の入力ブリッジ部分の２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のうちの一方だけが動作可能状態にある場合であってもその機能が継続されるという点で完全にリダンダント（ｒｅｄｕｎｄａｎｔ）である。
【００２２】
変換器モジュール１３並びに本明細書に記載した別の例示的な変換器モジュールの実施形態は追加的なフィルタ素子（例えば、インダクタ）を利用することがある。これらの追加的なフィルタ素子は、本明細書に記載した新規原理の理解にとって必須ではないため、図面に表しておらずまたさらに詳細に説明していない。本発明の具体的な実施形態に関連して本明細書に記載した図面は簡略性を保持しかつこれらの新規原理の理解が高められるように簡略化してある。
【００２３】
図４は、本発明の例示的な実施形態に従った複数のＤＣ送電ベースの海面下パワー伝達システムトポロジー５０を規定している高レベル図である。ＤＣ送電ベースのトポロジー５０のそれぞれは、本明細書でさらに詳細に説明するモジュール積重ね型変換器の対称性概念によって実現される。これらのモジュール積重ね型変換器によれば、海面下パワー伝達システムがサイト拡張要件を満たすかこれを上回ると共に多様な海面下電気負荷トポロジーに対応できるようにシステムを容易に再構成するための手段が提供される。海面下パワー伝達システム１０は例えば、高パワーや低パワーの負荷消費側要件に対応し、かつ／または送電／配電電圧と海面下負荷電圧の不整合に対応するように短い送電距離や長い送電距離にわたる実現可能な解決法を提供するために必要となることがある。
【００２４】
複数のモジュール積重ね型海面下パワー伝達システムトポロジー５０は、１）送電電圧と配電電圧の両方がＤＣ電圧でありかつモジュール積重ね型変換器が海面下負荷内に組み込まれているような可変速駆動システム５２を組み込んだＤＣ配電と、２）送電電圧と配電電圧の両方がＤＣ電圧でありかつ配電電圧が送電電圧から分離されていないようなシステム５４と、３）送電電圧と配電電圧の両方がＤＣ電圧でありかつ配電電圧が送電システムから分離（すなわち、変成器を介したガルバニック分離）されているようなシステム５６と、４）送電電圧がＤＣ電圧でありかつ配電電圧が分離されたＡＣ電圧であるようなシステム５８と、５）送電電圧がＤＣ電圧でありかつ配電電圧がＤＣ電圧とＡＣ電圧の両方を含むようなシステム６０と、を含むことが理解できよう。トポロジー５０のそれぞれにおける送電電圧は、ＡＣ送電電圧ケーブルコストと比較して送電ケーブル１４のコストが削減されることになるようなＤＣ送電電圧である。
【００２５】
図５は、ＤＣ送電線の送電端が積重ねモジュール型パワー変換器によって実現されると共に、ＤＣ送電線の受信端が複数の負荷をＤＣ送電線に組み込むように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による例示的な海面下パワー伝達システム４６の図である。海面下パワー伝達システム４６は、本発明の一態様に従って送電／配電電圧が総消費側電圧と実質的に整合するような利用に適している。海面下側のモジュール積重ね型パワー変換器トポロジーはシステム４６のオンショア側またはトップ側のモジュール積重ね型パワー変換器トポロジーと対称であることが理解できよう。
【００２６】
図６は、その受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器５５によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、直列接続インダクタンス６１を通して対応するモジュール型変換器５５に接続された１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器５９を通る１つまたは複数の中間ＤＣ配電バス５７を提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジー５４に対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システム向けのＤＣ送電線の受信端の詳細図である。ＤＣ配電バス５７は、例えば１つまたは複数の電気負荷６３にＤＣパワーを伝達するように放射状構造やリング構造を用いて構成されることがある。
【００２７】
図７は、ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器６２によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、１つまたは複数のガルバニック分離変成器６５を通して対応するモジュール型変換器６２に接続された１つまたは複数のＡＣ−ＤＣ変換器７１を通して１つまたは複数の電気負荷６７にＤＣパワーを伝達するための１つまたは複数の中間ＤＣ配電バス６９を提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジー５６に対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの送電及び受信端の詳細図である。システムトポロジー５６は、総ＤＣ送電電圧が総海面下負荷電圧と実質的に整合しない場合の利用に適している。このケースでは、送電段の電圧を分離変成器６５によって配電システムの電圧まで逓降させている。分離変成器６５は本発明の具体的な実施形態に従って、低周波数変成器、中間周波数変成器、高周波数変成器、あるいはこれらの組み合わせとすることがある。低周波数は例えば、１６．７Ｈｚ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚとすることがある。中間周波数は、約２００Ｈｚ〜約１ｋＨｚの間の周波数レンジとすることがある。高周波数は、約５ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚの間の周波数レンジとすることがある。しかし本発明はこれらに限定されるものではなく、本明細書に記載した原理に従って実現させた別の実施形態によっても約１０Ｈｚと約２０ｋＨｚの間の周波数レンジにある１つまたは複数の任意の周波数で動作するように構成された分離変成器を用いることによって実現可能な解決法を提供し得ることを理解されたい。
【００２８】
図１に表した発電システム２０は、電力が例えばタービン２４を介して駆動された発電機２２によりもたらされ得るような本明細書に記載したモジュール積重ね型パワー伝達システムのそれぞれにおける使用に適している。一実施形態では、そのオンショア側またはトップ側負荷モジュール１６は、その各々がポリゴン型変成器６６などの変成器を介した低減発電機信号に応答するような複数のモジュール型ＡＣ対ＤＣ整流器ビルディングブロック６４を備える。各整流器ビルディングブロック６４は例えば、２レベル整流器とすることや３レベル整流器とすることができるが、簡明にするため２レベル整流器のみを図示している。各整流器ビルディングブロック６４は、タイミング位相シフトされた出力信号が得られるような方式で切り替えられる。各ポリゴン型変成器６６は残りの変成器出力信号に対して空間位相シフトされた出力信号が得られるような方式で動作する。これらタイミング位相シフトと空間位相シフトは一緒になって高調波成分を相殺するように動作するので有利であり、これがないと送電電圧、配電電圧及び／または負荷電圧（複数のこともある）に高調波成分が出現することになる。トップ側またはオンショア負荷モジュール１６はさらに、バイパススイッチとして動作するように構成されている、その各々が対応する整流器６４の障害に起因して必要に応じてその対応する整流器６４に関するバイパスを提供できるような複数のチョッパモジュール４４を備えることがある。
【００２９】
モジュール積重ね型海面下ＤＣパワー伝達システムトポロジー５６の海面下部分は、複数のモジュール型ＤＣ対ＤＣ変換器６２を積重ねトポロジーの形で含む。さらに、障害時にはチョッパモジュール４４を介して各モジュール型変換器６２をバイパスすることが可能である。ＤＣ送電バス／リンク１４の海面下側にあるモジュール積重ね型変換器トポロジーは、ＤＣ送電バス／リンク１４のオンショア／トップ側にあるモジュール積重ね型変換器トポロジーと対称であることが理解できよう。
【００３０】
図８は、ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器７２によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、１つまたは複数の変成器６５を通る１つまたは複数の中間ＡＣ配電バス７４を提供するように構成され、かつ図４で規定された１つのトポロジー５８に対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの受信端の詳細図である。各海面下負荷６８はそれ自身の可変速駆動装置７０を有することが理解できよう。あるトポロジー５８の海面下負荷モジュール１８は、少なくとも１つのＡＣ電圧を発生させるように互いに積重ねられた複数のモジュール型ＤＣ対ＡＣ変換器ビルディングブロック７２を備える。変成器６５は、ＤＣ送電１８の受信端と対応する可変速駆動装置７０を介して駆動される海面下負荷６８との間の分離を提供する。
【００３１】
海面下変成器６５は、本発明の具体的な態様に応じて、１次側の複数の３相巻き線と、２次側のタップ変更器と、を備える。この特徴によれば、タップ変更器が負荷下で動作する必要がなくかつ動作時の直列接続送電モジュールの数に応じかつ接続されている海面下負荷６８の数に応じて出力電圧（複数のこともある）を適応させる機構を提供できるため、周知の海面下配電システムと比べてかなりの柔軟性が提供される。海面下変成器６５は、並列接続とすることや直列接続とすること、あるいは例えば様々な出力電圧に対応できるように並列から直列へ接続を変更するための切り替えスイッチによって接続することが可能である。
【００３２】
図９は、ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器７６によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、１）１つまたは複数の分離変成器６５を通した分離を備えないまたは備えた１つまたは複数の中間ＤＣ配電バス７７と、２）１つまたは複数の対応する変成器６５を通る１つまたは複数の中間ＡＣ配電バス７９と、３）ＤＣ送電線に組み込まれた１つまたは複数の負荷８０と、を提供するように構成され、かつ図４で規定された混合トポロジー６０に対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの受信端の詳細図である。
【００３３】
システムトポロジー６０は、モジュール積重ね型海面下負荷モジュールのＤＣ対ＡＣインバータ部分８２とモジュール積重ね型海面下負荷モジュールのＤＣ対ＤＣ変換器部分８４とを提供するように積重ね得る複数のモジュール型パワー変換器ビルディングブロック７６を含む。ＤＣ対ＡＣインバータ７６は、複数の可変速ＤＣ駆動装置８６向けのＭＶＤＣまたはＨＶＤＣパワーを発生させるためにインダクタ素子６１及び整流器機構７８を備えるように構成されることがある。ＤＣ対ＡＣインバータ７６はさらに、複数の可変速ＡＣ駆動装置８８向けのＭＶＡＣまたはＨＶＡＣパワーを直接発生させるように構成されることがある。変成器６５が組み込まれたモジュール型ＤＣ対ＤＣ変換器部分８４は、高いＤＣ電圧を対応する海面下負荷での使用に適した低ＤＣ電圧レベルまで低下させるためのＤＣカプラーの役割をすることがある。
【００３４】
図１０は、ＤＣ送電線の受信端が、モジュール積重ね型パワー変換器７６によってＤＣ送電電圧を受け取るように実現されると共に、ガルバニック分離６５を備えたＤＣ送電線の受信端における制御パワーのためのＡＣ配電バス９２を提供するように構成され、かつ図４で規定された少なくとも１つのトポロジーに対応している本発明の一実施形態による海面下パワー伝達システムの受信端の詳細図である。
【００３５】
すべての海面下据え付けでは制御システムが必要である。海面下制御システムは、数十または数百の低パワーの消費側機器（例えば、バルブを物理的に変位させるための電気駆動式のアクチュエータ）からなることがある。長距離に及ぶ海面下制御システム向けの送電では、これらの負荷が典型的には一定の海面下バスバー（ｂｕｓ  ｂａｒ）電圧を要求するために困難となる。図１０に表した積重ね変換器トポロジーによって、制御パワーを数百キロメートルにわたって高信頼性に供給するための１つの解決法が提供される。供給を受ける負荷は一般に、低電圧／低パワーであり（モータ駆動された負荷ではなくてよく）、また典型的にはあるＡＣ供給電圧（例えば、４００Ｖ、６０Ｈｚ）向けに設計された数多くの低パワー海面下消費側機器を存在させることがある。
【００３６】
本明細書において、要約説明の形で海面下パワー伝達システムの幾つかの実施形態を記載してきた。これら海面下パワー伝達システムの実施形態は、サイト拡張要件及び電気負荷トポロジーに基づいて容易に積重ねて構成されるモジュール型パワー変換器ビルディングブロックを利用している。海面下パワー伝達システムの各実施形態は、トップ側またはオンショアパワーソースから少なくとも１つの海面下負荷モジュールにパワーを伝達するように構成されたシステムＤＣ送電バス／リンクを備えることがある。ＤＣ送電バス／リンクを介して移行させる中間電圧直流（ＭＶＤＣ）または高電圧直流（ＨＶＤＣ）パワーを発生させるためには、積重ねられると共にトップ側またはオンショアパワーソースを伴うように構成された複数のモジュール型パワー変換器を備えた発電システムが利用される。このＭＶＤＣまたはＨＶＤＣ送電パワーに応答してシステムの海面下負荷側において積重ねられて一体に構成された複数のモジュール型パワー変換器を備えた海面下パワー伝達システムによって所望の海面下配電システム電圧を発生させている。海面下パワー伝達システムの海面下側にある積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーは、海面下パワー伝達システムのオンショア／トップ側にある積重ねモジュール型パワー変換器トポロジーと対称である。
【００３７】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３８】
１０  海面下パワー伝達システム
１２  モジュール型パワー変換器
１３  モジュール型パワー変換器
１４  ＤＣ送電リンク／バス／ケーブル
１６  オンショアパワーモジュール
１８  海面下負荷モジュール
２０  発電システム
２２  発電機
２４  タービン
３０  海面下配電システム
３２  従来の海面下パワー変換器モジュール
３４  従来の海面下パワー変換器モジュール開閉装置
３６  変成器
４０  従来の海面下パワー変換器モジュールＡＣ対ＤＣインバータ
４２  従来の海面下パワー変換器モジュールＤＣ対ＡＣインバータ
４４  ＤＣチョッパ
４６  海面下パワー伝達システム
５０  ＤＣ送電ベースの海面下パワー伝達システムトポロジー
５２  内蔵可変速駆動システムによるＤＣ配電
５４  送電電圧と配電電圧の両方がＤＣ電圧でありかつ配電電圧が送電電圧から分離されていないようなシステム
５５  モジュール積重ね型パワー変換器
５６  送電電圧と配電電圧の両方がＤＣ電圧でありかつ配電電圧が送電システムから分離されているようなシステム
５７  中間ＤＣ配電バス
５８  送電電圧がＤＣ電圧でありかつ配電電圧が分離されたＡＣ電圧であるようなシステム
５９  ＡＣ対ＤＣ変換器
６０  送電電圧がＤＣ電圧でありかつ配電電圧がＤＣ電圧とＡＣ電圧の両方を含むようなシステム
６１  直列接続インダクタンス
６２  モジュール積重ね型パワー変換器
６３  電気負荷
６４  モジュール型ＡＣ対ＤＣ整流器ビルディングブロック
６５  分離変成器
６６  ポリゴン型変成器
６７  電気負荷
６８  海面下負荷
６９  中間ＤＣ配電バス
７０  海面下負荷可変速駆動装置
７１  ＡＣ対ＤＣ変換器
７２  モジュール積重ね型パワー変換器
７４  中間ＡＣ配電バス
７６  モジュール積重ね型パワー変換器
７７  中間ＤＣ配電バス
７８  整流器機構
７９  中間ＡＣ配電バス
８０  負荷
８２  ＤＣ対ＡＣインバータ
８４  ＤＣ対ＤＣ変換器
８６  可変速ＤＣ駆動装置
８８  可変速ＡＣ駆動装置
９２  ＡＣ配電バス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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