那么，在如此苛刻的应用中，电力电子工程师在设计电源解决方案时应该考虑哪些因素呢？
用于水下应用的通用底座框架，带有 ROV 互连功能（来源：PRBX/Shutterstock/Vismar UK）
海底电气架构：
通常，海底设施通过长距离高压输电电缆从岸上或平台接收电力，输送至浮式或水下变电站。在变电站，电压被本地降压为交流电（300至900伏交流电）或直流电（400至1500伏直流电），为本地设备供电，并最终降至更低的直流电压以满足最终应用的需求。这似乎是一种标准做法，就像陆上工业应用中的电网和电子设备一样。然而，当最终设备位于海底，且涉及石油、天然气或其他敏感设备时，其质量和安全要求会显著提高。
海底电网包含开关、降压变压器、配电装置以及监控设备等组件，为包括泵、压缩机、注水系统和安全控制器在内的各种设备供电。为了提高效率和安全性，这些电气组件可以安装在海底的公共底座上（图 1），并使用专用连接器进行互连。这些连接器能够处理用于信号的低电压和用于供电的高压，并能承受静水压力和水下连接。此外，为了确保安全并保证不间断运行，本地网络由不间断电源 (UPS) 提供备用电源，UPS 也可能位于海底。
所有网络组件均可回收，其设计和制造均考虑了正常和突发运行情况。然而，由于它们通常部署在人类作业极限以下的深度，因此可能需要遥控潜水器 (ROV) 的介入，并且已针对此进行了相应的设计。
设计用于安装在加压气瓶内的电源（图片来源：PRBX/VB120-5）
水下电源有何特别之处？
海底电源主要分为两大类：
• 集装箱式独立电源单元 (SC-PSU)
SC-PSU 专为承受极高压力而设计。它们采用深水连接器和可拆卸底盘，方便水下机器人 (ROV) 操作。SC-PSU 的设计需要丰富的深水设备设计经验，通常由供应海底变压器和变电站的同一家公司设计和制造。
• 集成电源单元 (E-PSU)
E-PSU 集成于最终的加压设备中，不暴露于高压环境，也不与液体元件接触。E-PSU 更类似于工业电源，但具有极高的可靠性，并具备专为满足水下作业需求而定制的功能。
集成电源单元 (E-PSU) 概览。
从事水下电源设计的电力电子工程师通常这样描述他们的工作：“为地球上最严苛的环境之一设计一款极其可靠、智能且高度稳健的电源，因为在这样的环境中，任何故障都是不可接受的。” 这很好地概括了设计人员在开发深海电源解决方案时面临的挑战，因为人类通常只能借助水下机器人 (ROV) 才能进入深海区域。
正如引言中所述，水下应用范围广泛，不同的电源应用领域适用不同的标准和最佳实践。然而，所有应用都遵循一个共同的方法：进行风险分析，以正确评估技术和运行安全性。
在与设备制造商合作的过程中，计算电力负载是电源系统设计中首要考虑的任务之一。工程师必须估算所有水下耗电设备的电力负载，以便选择合适的电源。每个本地负载都可以分为几个不同的类别，例如：关键负载、必要负载和非必要负载：
• 关键负载：断电是否会危及人员安全或对平台/船舶/海底设备造成严重损坏？
• 必要负载：断电是否会导致油气产量下降或损失，或者，在跨大陆电缆的情况下，导致通信中断？
• 非必要负载：断电是否不会影响安全或生产？
根据终端设备和风险等级，可以考虑不同的技术，例如冗余电源解决方案、自动负载平衡或切换到不间断电源 (UPS) 的应急电源。在所有情况下，电源都必须能够与中央监控系统通信，该系统通过最新的数字控制和预测算法实现高水平的运行安全性。
随着某些海底油气设备从全液压运行过渡到混合运行（例如，电子监控和控制的电动阀），电源必须集成在加压缸内。此外，在设计用于传输电缆（例如信号中继器）的电源时，空间至关重要，电源设计人员必须考虑可用空间，以使电源形状符合最终应用需求（图 02）。
由于水下作业电源的紧凑性和高度集成性，设计时另一个重要的考虑因素是集成系统内的电磁兼容性。在最终设备设计阶段会进行广泛的互操作性测试，这有时可能需要采用不同的拓扑结构，例如具有主动相移的多相电路，以降低电磁干扰。
在水下应用中，使用寿命和可靠性至关重要。电源的设计必须具有高安全裕度，并尽可能降低每个组件的电应力和热应力（图 03）。组件的选择是设计的重要组成部分，它会影响拓扑结构和构造方式的选择。例如，选择合适的开关晶体管，并设计主板以利于传导散热。
不同标准的设计考量。
大多数电源设计人员都熟悉工业、医疗、交通或国防应用领域的通用标准，但对于海底油气应用等特定领域，他们必须考虑美国石油学会 (API) 制定的特定标准。如图 4 所示，该标准涵盖多个特定领域和电源，以符合《海底生产和处理控制系统标准》(API 17F) 的不同章节。该标准包含特定测试以及通信协议。此外
，关于海底连接器，我们列出了 ISO-13628 标准中的两种类型。这些标准为从设计阶段到退役和废弃的完整海底生产系统的开发制定了通用要求和全球建议。该标准不仅适用于连接器，并且通常用作 API 标准的补充。
适用于海底油气应用的AMI和ISO标准示例（图片来源：PRBX）
海底应用的可持续能源。
大多数海底应用都通过长距离电力电缆从岸上供电，或通过高压输电电缆从平台供电，这些电缆通常长10到100公里。然而，一些应用需要远程能源解决方案。通常情况下，可以在油田上方部署配备传统发电机的船舶或浮式平台，但考虑到环境和可持续性，这并非最佳方案。因此，海底工程界已开始探索替代方案。
在全球众多项目中，海底可再生能源发电（RSP）是最引人注目且最有前景的项目之一。它旨在解决以下问题：如何将绿色技术结合起来，为海底设备提供可靠、持续的低碳电力和通信，从而为脐带电缆提供一种经济高效的未来替代方案？苏格兰海洋能源公司Mocean Energy是海洋能源领域的先驱（该公司开发了Blue X，这是一款长20米、重38吨、功率10千瓦的波浪能转换器（图5）），该公司与一群专注于水下储能和能源管理的合作伙伴共同开发了一项商业计划，将波浪能、太阳能和储能技术相结合，为石油和天然气项目的水下设备供电（图6）。这是一个很好的例子，表明波浪能与太阳能和电池技术相结合，可以为水下应用提供一种可靠且经济高效的替代方案，取代昂贵的脐带电缆。
海洋能源公司的 Blue X 波浪能转换器 (WEC) - （图片来源：PRBX / 由海洋能源公司提供 - Colin Keldie - EMEC）
总之，
海底电力电子通常被视为一个小众领域，但对于深海电力解决方案设计师而言，这是一个绝佳的机会，可以探索一系列引人入胜的应用，这些应用需要先进的技术、极高的可靠性和真正的创新。此外，诸如海底可再生能源发电（RSP）等新兴理念的出现，也使我们的工作充满激情和动力，不断突破电源技术的界限，进行更深层次的探索。
波浪能转换器可为一系列水下应用提供可再生能源——（图片来源：PRBX / 由 Mocean Energy 提供）
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作者：Patrick Le Fèvre，PRBX，营销和传播总监
参考资料：
POWERBOX (PRBX)：
https://www.prbx.com/
海洋能源：
https://www.mocean.energy/
美国石油学会 (API)
https://www.api.org/
国际标准化组织
https://www.iso.org/home.html
