CN103368416B - 潜航器长距离直流馈电系统 - Google Patents

Abstract

潜航器长距离直流馈电系统，包括水面交流电源、水面高压直流柜、高压直流馈电电缆、水下电源变换器；水面交流电源连接所述高压直流柜，所述高压直流柜通过直流馈电电缆连接所述水下电源变换器；所述高压直流柜内部安装有高频PWM交流斩波器、三相三绕组变压器、三相整流桥、平波电抗器和滤波电容器；高频PWM交流斩波器连接三相三绕组变压器，三相三绕组变压器连接三相整流桥，三相整流桥连接平波电抗器以及滤波电容器。本发明系统为潜航器馈送电能，减小长距离馈线的线径以减小馈线的水下阻力，减轻水下潜航器端的电源变换器的体积与重量以减轻潜航体的总重量，排除了长距离馈线的分布阻抗参数的影响，提高了电能的传输效率。

Description

潜航器长距离直流馈电系统

技术领域

本发明一种潜航器长距离直流馈电系统，属于轻型直流输电技术领域。

背景技术

潜航器（水下行走机器人）在海洋安全、水下排爆、海底石油开采等深水无人作业领域有着十分广阔的应用前景。潜航器所需的全部电源由水面基站通过长距离脐带电缆馈送。为了减小潜航器在水下运动的阻力，要求所采用的馈电电缆的线径尽可能小，水下变换器的体积尽可能小、重量尽可能轻。为了扩大潜航器在水下的运动半径，要求所采用的馈电电缆的长度尽可能大。但是，细小的线径和较长的电缆长度将造成电缆的损耗非常严重，传输效率很低，能够传输到水下潜航器的功率受到很大限制。为了减小水下电源变换器的重量和体积以减小潜航体的重量和体积，水下变化器的拓扑结构和工作方式成为关键问题。

国内进行潜航体技术研发的主要是一些军工科研单位。在潜航体馈电技术方面，目前最先进的技术是采用中频高压交流传输方案，该方案先将水面基站的低压交流电源整流后得到直流电，再将所得到的直流电逆变为400Hz交流电，经过升压变压器后变为中频高压交流电，通过脐带电缆传输到水下。水下变换器采用中频降压变压器和整流电路获得低压直流电供潜航体使用。该方案采用高压传输以减小线缆的传输电流和损耗，采用400Hz中频以减小水下电源变换器的重量和体积。但该方案存在严重不足。第一，因采用400Hz中频交流传输电力，脐带电缆的分布感抗相对于工频增加到了8倍，分布容抗相对于工频降低到了1/8。分布感抗的增大进一步使线路的压降增大，分布容抗的降低使线路无功电流加大，结果，线路能够传输到末端的有功功率大大减少，线缆的无功损耗增大很多。第二，末端经过降压变压器后，采用的是三相桥式整流电路，使得脐带电缆上电流的谐波THD可以达到300%-500%，电流的峰值可以达到基波的十倍以上，且谐波电流最低次为5倍频即2kHz，产生趋肤效应严重，进一步加重线缆发热。第三、水面基站因采用不控整流和逆变变频电路，所产生的交流谐波严重污染水面交流电源，多数情况下该电源为三相市电电网，使得水面仪器设备受干扰严重，甚至波及到附近的其它电气设备。因此，电源传输技术是潜航体技术的一大瓶颈，该瓶颈将潜航体技术应用限制在已有的小功率、浅水、近海范围。

发明内容

为了克服已有的高压中频交流馈电技术的瓶颈效应，本发明提供一种潜航器长距离直流馈电系统，以提高传输效率与传输功率，扩大潜航器的应用范围，将潜航器技术推向深海和远海。

本发明采取的技术方案为：潜航器长距离直流馈电系统，包括水面交流电源、水面高压直流柜、直流馈电电缆、水下电源变换器；水面交流电源连接所述高压直流柜，所述高压直流柜通过直流馈电电缆连接所述水下电源变换器；所述高压直流柜内部安装有高频PWM交流斩波器、三相三绕组变压器、三相整流桥、平波电抗器和滤波电容器；

高频PWM交流斩波器连接三相三绕组变压器，三相三绕组变压器连接三相整流桥，三相整流桥连接平波电抗器以及滤波电容器；

所述高频PWM交流斩波器为三相Buck型脉宽调制AC/AC交流斩波器，每相分别连接有两个全控型半导体电子开关，经过三相LC滤波器后输出交流，所述高频PWM交流斩波器采用改变占空比方式调节斩波器的输出电压；

所述三相三绕组变压器、三相整流桥、平波电抗器、滤波电容器构成十二脉波整流器；

所述三相三绕组变压器原边为三角型连接、两个副边绕组一个为三角型连接、另一个为星形连接，并分别连接到三相整流桥；

所述三相整流桥直流负端与所述三相整流桥直流正端相连，串联输出直流电压，所述三相整流桥直流正端与所述三相整流桥直流负端分别与平波电抗器相连；所述的平波电抗器与滤波电容器相连。

所述水下电源变换器为三电平Buck式DC/DC高频变换器。

所述水下电源变换器安装在潜航器内，用于将高压直流电变换为低压直流电供潜航器用。

所述直流馈电电缆两端分别与高压直流柜、所述水下电源变换器连接。

所述直流馈电电缆长度≥2Km。

    本发明一种潜航器长距离直流馈电系统的优点是：

1、本发明采用直流传输方案，克服了已有的高压中频交流馈电技术的瓶颈效应，不存在交流传输受脐带电缆分布参数的影响问题，提高了传输效率与传输功率，解决了电缆直径要求与损耗发热之间的矛盾，扩大了潜航体的应用范围，将潜航体技术推向深海和远海。

2、本发明采用高频工作方式，水下电源变换器功率密度高于已有的中频传输方案，体积与重量均远小于中频传输。

    3、本发明的水下电源变换器采用DC/DC高频变换器，不存在已有的中频交流传输方案中水下整流器的谐波在线缆上的谐波损耗问题，大大减轻线缆发热问题，提高了电能传输的质量与效率。

4、本发明中，水面高压直流柜中的高频PWM交流斩波器与三相12脉波整流器协调作用，可将其输出直流电压保持在4000V，有利于脐带电缆和水下电源变换器的安全运行。

5、本发明的水面高压直流柜中，高频PWM交流斩波器通过改变占空比方式调节输出电压，降低了对整流电路电力电子器件的控制要求，采用不控开关管即可满足要求，省去了可控电力电子开关的复杂控制电路，妥善解决了控制要求、高压绝缘隔离、器件选型困难等问题。

6、本发明的水面高压直流柜中，采用三相12脉波整流器，在解决器件选型问题的同时，降低了输入电流中的谐波含量，大大减小了对水面低压交流电源和岸基设备的干扰和影响。

7、本发明的所述水下电源变换器为三电平Buck式DC/DC高频变换器，采用交错控制方式工作，精确控制输出低压直流，降低了IGBT电压应力，减小了滤波器体积。

8、本发明中，水面设备的柜式结构方便现场使用，水下设备的管式结构确保抗压与防水，且本发明可以推广应用到其它中短距离直流电力传输中去，如：直流微电网、近海岛屿直流输电等场合，市场应用前景广阔，经济效益很乐观。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明潜航器长距离直流馈电系统的结构示意图。

图2为本发明双向交流斩波器原理图。

图3为本发明位于水下的电源变换器结构框图。

图4为本发明位于水下变换器中的三电平Buck式DC/DC高频变换器原理图。

具体实施方式

如图1所示，潜航器长距离直流馈电系统包括：水面交流电源1、水面高压直流柜3、高压直流馈电电缆4、水下电源变换器5；水面交流电源1连接所述高压直流柜3，所述高压直流柜3通过直流馈电电缆4连接所述水下电源变换器5；所述高压直流柜3内部安装有高频PWM交流斩波器6、三相三绕组变压器7、三相整流桥8、平波电抗器10和滤波电容器9；高频PWM交流斩波器6连接三相三绕组变压器7，三相三绕组变压器7连接三相整流桥8，三相整流桥8连接平波电抗器10以及滤波电容器9；所述高频PWM交流斩波器6为三相Buck型脉宽调制AC/AC交流斩波器，每相分别连接有两个全控型半导体电子开关，经过三相LC滤波器后输出交流。所述高频PWM交流斩波器6采用改变占空比方式调节高压直流柜3的直流输出电压；

所述三相三绕组变压器7、三相整流桥8、平波电抗器10、滤波电容器9构成十二脉波整流器；

所述三相三绕组变压器7原边为三角型连接、两个副边绕组一个为三角型连接、另一个为星形连接，并分别连接到三相整流桥8；所述三相整流桥8直流负端与所述三相整流桥8直流正端相连，串联输出高压直流电压，所述三相整流桥8直流正端与所述三相整流桥8直流负端分别与平波电抗器10相连；所述的平波电抗器10与滤波电容器9相连。

所述水下电源变换器5为三电平Buck式DC/DC高频变换器以及辅助电源电路。

所述水下电源变换器5安装在潜航器2内，用于将高压直流电变换为低压直流电供潜航器用。

所述直流馈电电缆4两端分别与高压直流柜3、所述水下电源变换器5连接。

所述直流馈电电缆4长度≥2km。

实施例：

如图1所示，整个潜航器长距离直流馈电系统由水面高压直流柜3、高压直流馈电电缆4和水下电源变换器5三大部分组成。高压直流馈电电缆4为脐带电缆。其中，水面高压直流柜3又包括高频PWM交流斩波器6、三相三绕组变压器7、三相整流桥8的上整流桥与下整流桥、平波电抗器9、滤波电容器等。如图3所示，水下电源变换器5为三电平Buck式DC/DC高频变换器，输入为直流馈电线4所提供的高压直流，输出低压直流，连接负载。

水面交流电源1经过经过高频PWM交流斩波器6进行调控后，施加到三相三绕组变压器7的原边，三相三绕组变压器7的两个副边分别连接到串联型12脉波整流器的上整流桥和下整流桥，并经过平波电抗器10和滤波电容器9，得到高压直流电。长距离脐带电缆将高压直流电传输到水下电源变换器5中；在潜航体中的水下电源变换器5再将电缆传输的高压直流电变换为低压直流电供给潜航体使用。

所述高频PWM交流斩波器6的原理图如图2所示，双向交流斩波器为三相Buck型脉宽调制AC/AC交流变换器，每相分别连接两个全控型开关管，即a相中的Q₁与Q₄，b相中的Q₂与Q₅，c相中的Q₃与Q₆。各开关管的通断状态由三相输入相电压的大小来确定，即相电压最低的一相所对应的两个开关管保持导通状态，其它两相中的开关管互补通断。例如：在a相电压低于b、c相电压的1/3个基波周期中，根据以上控制规律可得，a相中的Q₁和Q₄一直处于导通状态，b、c相中的Q₂与Q₅、Q₃与Q₆则在PWM脉冲的控制下互补通断，此时，b、c相电路可看作两个单相交流斩波器的组合。图2中的L₁、L₂、L₃和C₁、C₂、C₃组成三相LC滤波器，滤除斩波电路所得电压中的高频谐波，以提高交流斩波器的输出电压质量，减小谐波对水面低压交流电源的影响。对于整个AC/AC交流变换器而言，改变PWM脉冲的占空比，可以调节斩波器的输出电压。

所述三相三绕组变压器7为升压变压器，原边绕组为三角型连接，两副边绕组分别采用三角型连接和星形连接，副边绕组的输出线电压有效值相等，但因连接方式的不同，使得副边两绕组的输出电压相位相差30°

所述三相整流桥的上整流桥负端与下整流桥的正端相连，串联输出高压直流。

所述电缆为脐带电缆，长度不小于2km。

所述水下电源变换器5采用交错控制方式工作，精确控制输出低压直流，降低了IGBT电压应力，减小了滤波器体积。水下潜航体上的直流变换器采用BUCK三电平直流变换的结构方案，不需要隔离变压器，且开关交错控制方式减小了输出滤波电路参数，以使整个电源变换器部件的重量和体积进一步降低，同时也有利于高频高压半导体开关器件的选型。

所述水下电源变换器为三电平Buck式DC/DC高频变换器如图4所示，其功能是将脐带电缆送入的高压直流电变换为潜航体所需的低压直流电。其中C_d1和C_d2为两个分压电容，其电压均为输入电压的一半Uin/2， V1和V2为单管IGBT，D1、D2为续流二极管，电感Lf和电容Cf组成LC滤波电路，最后输出低压直流。两个功率开关V1、V2交错工作，导通信号相差180°。一个高频周期内该直流变换器可分为四个阶段，即:①V1导通、V2关断，此时电容Cd1经开关V1、LC滤波器及二极管D2向负载供电，A、B两点间电压UAB为Uin/2；②开关V1、V2关断，滤波电感Lf保证了输出电流的连续，二极管D1、D2导通续流，此时UAB为零；③V1关断、V2导通，则电容C_d1经二极管D1、LC滤波器及开关V2向负载供电，此时AB两点电压UAB为Uin/2；④此阶段与②情况相同，开关V1、V2关断，二极管D1、D2导通续流，此时UAB为零。由上可知，该电路结构简单，不采用变压器，且在一个开关周期内，输出电压脉动两次使得滤波电路能够采用更小参数，从而减小了变换器的体积和重量，并且功率开关IGBT电压应力减小为输出电压的一半，利于器件选型。

所述辅助电源电路则主要用于水下变换器的运行所需的电源。

本发明所述的潜航器长距离直流馈电系统传输功率大于40kW。

工作原理：

从水面低压交流电源来的三相低压电，经过水面高压直流柜中的双向高频PWM交流斩波器的调节，再经过十二脉波整流器，得到稳定的高压直流电压输出。对双向高频PWM交流斩波器的控制采用直流高压的反馈控制，即通过检测到的直流高压输出与设定的参考值进行比较，得到误差后通过调节器改变PWM信号占空比，使输出高压直流稳定在期望值上。

采用直流传输避免了交流馈电方式分布参数的影响，降低了开关损耗，提高了传输效率，在末端所需功率相同的情况下，与高压中频传输方案相比，电缆线径可更小，电缆长度可更长，增大了潜航器的水下运动半径。脐带电缆的末端与水下电源变换器相连接。水下电源变换器是直流馈电系统的关键之一，对其要求是可靠、体积小、对移动端其它设备的电磁干扰要小。综合考虑，选择三电平Buck式DC/DC高频变换器，它将线路全部直流电压分裂为两部分，各部分为全部电压的一半，可以采用耐压较低的IGBT，并留有电压裕量。

本发明潜航器长距离直流馈电系统采用高压直流传输和高频变换器，不仅减小了潜航体的体积与重量，而且克服了已有的高压中频交流馈电技术的瓶颈效应，解决了电缆的直径与损耗发热之间、电缆长度与分布阻抗的影响之间、传输功率要求与潜航体负重之间等一直制约着潜航器技术发展的众多矛盾，扩大了潜航体的应用范围，将潜航体技术推向了深海和远海。

Claims (5)

1.潜航器长距离直流馈电系统，包括水面交流电源（1）、水面高压直流柜（3）、直流馈电电缆（4）、水下电源变换器（5）；水面交流电源（1）连接所述高压直流柜（3），所述高压直流柜（3）通过直流馈电电缆（4）连接所述水下电源变换器（5）；其特征在于，所述高压直流柜（3）内部安装有高频PWM交流斩波器（6）、三相三绕组变压器（7）、三相整流桥（8）、平波电抗器（10）和滤波电容器（9）；高频PWM交流斩波器（6）连接三相三绕组变压器（7），三相三绕组变压器（7）连接三相整流桥（8），三相整流桥（8）连接平波电抗器（10）以及滤波电容器（9）；所述高频PWM交流斩波器（6）为三相Buck型脉宽调制AC/AC交流斩波器，每相分别连接有两个全控型半导体电子开关，经过三相LC滤波器后输出交流，所述高频PWM交流斩波器（6）采用改变占空比方式调节斩波器的输出电压；所述三相三绕组变压器（7）、三相整流桥（8）、平波电抗器（10）、滤波电容器（9）构成十二脉波整流器；

所述三相三绕组变压器（7）原边为三角型连接、两个副边绕组一个为三角型连接、另一个为星形连接，并分别连接到三相整流桥（8）；

所述三相整流桥（8）包括上整流桥和下整流桥，其中，上整流桥的直流负端连接下整流桥的直流正端，上整流桥和下整流桥串联输出直流电压；

所述上整流桥的直流正端和下整流桥的直流负端分别与平波电抗器（10）的两个输入端相连；所述平波电抗器（10）的两个输出端子分别与滤波电容器（9）的两个端子相连。

2.根据权利要求1所述的潜航器长距离直流馈电系统，其特征在于，所述水下电源变换器（5）为三电平Buck式DC/DC高频变换器。

3.根据权利要求1所述的潜航器长距离直流馈电系统，其特征在于，所述水下电源变换器（5）安装在潜航器（2）内，用于将高压直流电变换为低压直流电供潜航器用。

4.根据权利要求1所述的潜航器长距离直流馈电系统，其特征在于，所述直流馈电电缆（4）两端分别与高压直流柜（3）、所述水下电源变换器（5）连接。

5.根据权利要求1所述的潜航器长距离直流馈电系统，其特征在于，所述直流馈电电缆（4）长度≥2Km。