CN107645160A - 一种远距离海底高压直流供电系统 - Google Patents

Abstract

一种远距离海底高压直流供电系统，包括岸基电源变换设备和水下电源变换设备；所述岸基电源变换设备包括多绕组变压器和整流降压模块，所述多绕组变压器的输入端接交流电，多绕组变压器的各个二次绕组分别连接多个整流降压模块的交流输入端，各个整流降压模块的直流输出端之间串联连接，串联后形成直流电输出，与水下电源变换设备连接；所述水下电源变换设备由多个输入串联、输出并联的降压隔离模块组成；降压隔离模块的输出端连接用电负载。本发明具有开关频率高、软开关技术、体积小、效率高、动态响应快、恒压恒流调节、可智能适应长距离传输线缆寄生参数变化、智能化故障自动退出、自动均压均流等优点，特别适用于远距离直流输电。

Description

一种远距离海底高压直流供电系统

技术领域

本发明涉及一种供电系统，特别是一种远距离海底高压直流供电系统。

背景技术

传统的高压直流输电通常采用换流变压器升压，然后通过换流站整流为高压直流电压，经传输线缆输送到远端，在远端通过高压逆变器逆变为三相交流电，再经换流变压器后接入电网，这种供电常用于国家公共电网的远距离供电。对于远距离供电，由于线路本身存在阻抗，导致在输电线路上会存在一定的电压降，该压降会产生损耗，导致电能损失。因此，远距离供电通常需要将供电电压升高，采用高压输电。

另外，传统方案需要配置庞大的工频隔离变压器、工频整流调压装置。其典型缺点在于工频变压器体积庞大、工频整流调压装置的动态响应速度慢，不能满足当远距离终端负载变化时需要根据负载变化情况对输出进行快速调节的要求，从而不能实现在终端负载出现故障时进行恒压恒流故障模式运行的功能，而且工频变压器噪音大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种开关频率高，采用软开关技术，体积小，效率高，动态响应快，恒压恒流调节，可智能适应长距离传输线缆寄生参数变化、可智能化故障自动退出的远距离海底高压直流供电系统。

本发明的技术方案是：一种远距离海底高压直流供电系统，包括岸基电源变换设备和水下电源变换设备；所述岸基电源变换设备包括多绕组变压器和整流降压模块，所述多绕组变压器的输入端接交流电，多绕组变压器的各个二次绕组分别连接多个整流降压模块的交流输入端，各个整流降压模块的直流输出端之间串联连接，串联后形成直流电输出，与水下电源变换设备连接；所述水下电源变换设备由多个输入串联、输出并联的降压隔离模块组成；降压隔离模块的输出端连接用电负载。

上述技术方案具有以下优点：（1）将多绕组变压器的二次侧设计为多套绕组，分别与后级各整流降压模块的输入端连接，各整流降压模块的输出串联，形成高压直流电压输出，且输出电压均压；（2）各降压隔离模块输入串联，用于实现高压输入；输出并联，实现大电流输出；且各降压隔离模块具有输入串联自动均压，输出并联自动均流特性。

进一步，所述多绕组变压器的各个二次绕组之间的匝数比相同。

进一步，所述整流降压模块包括依次连接的滤波电路、整流电路、预充电电路、三电平斩波降压电路和第一故障旁路电路。

进一步，所述预充电电路包括预充电电阻和预充电晶闸管，预充电电阻与预充电晶闸管并联连接，预充电电路与整流电路、第一三电平斩波降压电路之间串联连接。

进一步，所述第一三电平斩波降压电路包括多个输入电容、多个输入电阻、开关管VT1、VT2、降压电感L1、L2、电流传感器BC1、输出电容和输出电阻；所述输入电容与电阻并联连接；开关管VT1和开关管VT2均包括两个相连接的开关管，开关管VT1的一端连接输入电容的一端，开关管VT1的另一端连接开关管VT2的一端，开关管VT2的另一端连接输入电容的另一端；且开关管VT1与其中一组输入电容和输入电阻组成并联电路，开关管VT2与其中一组输入电容和输入电阻组成并联电路；降压电感L1的一端连接于开关管VT1的两个开关管之间，降压电感L2的一端连接于开关管VT2的两个开关管之间；降压电感L1的另一端连接电流传感器BC1的一端；电流传感器BC1的另一端与降压电感L2的另一端之间连接输出电容和输出电阻的并联电路。

进一步，所述第一故障旁路电路为旁路二极管，旁路二极管的正极连接第一三电平斩波降压电路电压输出端的负极，旁路二极管D1的负极连接第一三电平斩波降压电路电压输出端的正极。

进一步，所述降压隔离模块包括依次连接的滤波电路、第二故障旁路电路、第二三电平斩波降压电路和软开关谐振高频隔离电路。

进一步，所述第二故障旁路电路包括开关管VT3和电阻，开关管VT3与电阻串联，该串联电路的两端连接于滤波电路与第二三电平斩波降压电路之间。

进一步，所述软开关谐振高频隔离电路包括开关管VT6、电阻、电容Cr1、电流互感器TA1、谐振高频变压器T1、高频整流模块、输出电容和电流传感器；所述开关管VT6与第二三电平斩波降压电路并联连接；开关管VT6包括两个相连接的开关管，电容Cr1的一端连接于开关管VT6的两个开关管之间；电容Cr1的另一端连接谐振高频变压器T1的原边侧一端；电流互感器TA1的一端连接开关管VT6，电流互感器TA1的另一端连接谐振高频变压器T1的原边侧另一端；谐振高频变压器T1的副边侧连接整流模块；整流模块、输出电容、电阻之间并联连接，该并联电路与用电负载之间设有电流传感器BC3。

进一步，所述各个整流降压模块的结构相同，各个降压隔离模块的结构也相同。

本发明的有益效果：

（1）岸基电源变换设备完成隔离升压+整流稳压的功能：其将输入的交流电压通过多绕组变压器升压到较高的电压，然后经数个输出串联的整流降压模块输出高压直流电压；

（2）水下电源变换设备由包含数个输入串联、输出并联的斩降压隔离模块组成，实现将来自岸基电源变换设备的高压直流电压隔离变换为较低的直流电压输出，给用电负载供电；

（3）本发明相对于工频方案，具有如下突出优点：

a. 高频化，小体积：海底用电设备的体积设置紧凑，而工频隔离方案由于工作频率低，体积大，不能适用于海底用电设备小体积的要求；

b. 快速动态响应特性：采用高频控制技术，可以对用电负载的变化进行快速响应，维持负载端的输出电压恒定；而传统的工频隔离方案动态响应慢，不能对用电负载的变化进行快速响应；

c. 低损耗，高效率：采用软开关技术，系统效率达到95%以上，优于工频供电系统；

d. 在各种异常情况下，岸基电源可以进行恒压，恒流保护输出，可靠性高；

e. 本供电系统冗余度高，在单个模块故障时可以自动退出，不影响系统供电；

f. 采用自动均压、均流控制技术，保证串联应用的均压特性和并联应用的均流特性；

g. 岸基电源变换设备采用自适应的闭环控制算法，可智能适应长距离传输线缆寄生参数变化，在各种工况下保持输出高压稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例岸基电源变换设备的结构示意图；

图3是本发明实施例水下电源变换设备的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

一种远距离海底高压直流供电系统，包括岸基电源变换设备和水下电源变换设备。其中，岸基电源变换设备将三相交流输入电压隔离变换为高压直流电压通过海缆输送至水下电源变换设备。水下电源变换设备通过三电平斩波降压电路和软开关谐振高频隔离电路后变换为直流负载需要的低压直流电压，输出电压可以根据负载需求智能化调节。各个串并联的子模块都是完全相同的模块，并且具有故障时自动退出的典型功能特征，该功能特征可以满足当其中一个子模块或多个子模块出现故障时不影响剩余正常模块的继续运行，有效的解决了传统多模块串联应用时，当一个子模块出现故障导致系统停止运行的问题，保证了供电的可靠性和持续性。

下面为本发明岸基电源变换设备的一个优选实施方式：

如图1和图2所示：岸基电源变换设备为高压直流电源变换设备，用于完成隔离和整流升压的功能。

岸基电源变换设备包括三相多绕组变压器和整流降压模块。本实施例中，三相多绕组变压器包括一次绕组和八个二次绕组，一次绕组的输入端连接三相交流电，八个二次绕组分别连接八个整流降压模块UP1~UP8。通过将三相多绕组变压器二次侧的三相交流电压通过整流降压模块整流和降压后变换为直流电压输出。各个整流降压模块UP1~UP8的输出端串联，串联之后形成高压直流输出。另外，上述的八个二次绕组的匝数比相同。

本实施例中，整流降压模块包括EMI滤波器Z1和Z2、熔断器FU1~FU3、三相整流桥VD1~VD3、预充电电路、三电平斩波降压电路和旁路二极管D1。EMI滤波器Z1的输入端连接三相多绕组变压器的二次绕组，输出端分别经熔断器FU1连接三相整流桥VD1，经熔断器FU2连接三相整流桥VD2，经熔断器FU3连接三相整流桥VD3。其中，三相整流桥VD1~VD3将三相多绕组变压器二次绕组的三相交流电压整流为直流电压；预充电电路完成预充电功能；三电平斩波降压电路将三相整流之后的直流电压斩波降压为稳定可调的直流电压输出。

预充电电路包括预充电电阻R1和预充电晶闸管SCR。预充电电阻R1与预充电晶闸管SCR并联连接，预充电电路与三相整流桥VD1~VD3、三电平斩波降压电路之间串联连接。

三电平斩波降压电路包括输入电容C30、C1~C12，开关管VT1、VT2，降压电感L1、L2，电流传感器BC1，输出电容C13~C15，电阻R2~R5。其中，预充电晶闸管SCR一端的主电极连接三相整流桥VD1、VD2和VD3，另一端的主电极连接输入电容C30与电阻R2的并联电路的一端。输入电容C1~C6的各电容之间并联连接，输入电容C7~C12的各电容之间并联连接，而输入电容C1~C6整体与输入电容C7~C12整体之间串联连接，整体串联后的电路与输入电容C30并联连接。电阻R3连接于输入电容C1~C6的各电容的两端，电阻R4连接于输入电容C7~C12的各电容的两端。开关管VT1包括两个相连接的开关管，两个开关管的一端连接输入电容C1~C6的一端，两个开关管的另一端连接于输入电容C1~C6整体与输入电容C7~C12整体之间。降压电感L1的一端连接于开关管VT1的两个开关管之间。同理，开关管VT2也包括两个相连接的开关管，这两个开关管的一端连接于输入电容C1~C6整体与输入电容C7~C12整体之间，这两个开关管的另一端连接输入电容C7~C12的一端。降压电感L2的一端连接于开关管VT2的两个开关管之间。降压电感L1的另一端连接电流传感器BC1的一端。电流传感器BC1的另一端与降压电感L2的另一端之间连接有输出电容C13、C14、C15、电阻R5的并联电路，即输出电容C13、C14、C15、电阻R5之间并联连接。

三电平斩波降压电路的输出端并联连接旁路二极管D1和EMI滤波器Z2，旁路二极管D1与三电平斩波降压电路的输出端反并联连接，即旁路二极管D1的正极连接三电平斩波降压电路电压输出端的负极，旁路二极管D1的负极连接三电平斩波降压电路电压输出端的正极。EMI滤波器Z2的两端输出高压直流电压，经海缆连接水下电源变换设备。

本实施例中，整流降压模块具有模块故障后的智能化自动旁路退出功能，具体原理如下：

整流降压模块输出端的旁路二极管D1实现当该模块故障时，自动旁路该故障模块的功能，不影响整个串联系统的继续运行。自动旁路故障模块的工作原理为：旁路二极管D1与整流降压模块的输出端反并联连接，整流降压模块正常时，旁路二极管D1是反向截止的，不参与工作。当整流降压模块故障时，旁路二极管D1自动导通续流，故障模块被旁路二极管D1旁路，实现故障隔离。

本实施例中的岸基电源变换设备具有以下特性：

（1）三相多绕组变压器的二次侧设计多套绕组，分别与后级各整流降压模块的输入端连接，各整流降压模块UP1~UP8的输出是串联的，通过多个输出串联的三电平斩波降压电路形成高压直流电压输出。

（2）具有串联自动均压特性：

a. 由于三相多绕组变压器二次侧绕组的匝数比是相同的，所以各二次绕组的输出电压是相等的，即整流降压模块的输入电压是相等的；

b. 各斩波降压电路的开关管VT1、VT2的驱动脉冲由同一个控制单元产生，所以各串联模块的开关管VT1、VT2的开通和关断是同步的，各串联模块的开关管VT1、VT2开通的占空比是相同的，所以各串联模块的输出电压是相等的，即输出电压是均压的。

（3）具有模块故障后智能化故障自动旁路功能：通过输出端的旁路二极管D1实现故障模块旁路功能。

（4）采用独特的控制策略，即控制电路通过对输出电压和电流进行实时采集，经电路调理后送入控制芯片，控制芯片根据采集到的输出电压和电流数值，实时调节开关管的占空比，从而实现具有恒压恒流输出的功能。

（5）采用独特的控制策略和控制算法，具有智能适应长距离海缆寄生参数变化的功能，可以保证水下电源变换设备的输入电压的稳定和可控。控制策略和控制算法即：岸基电源变换设备同时采集岸基电源变换设备自身的输出电压和输出电流，还采集水下电源变换设备的输入电压和输入电流，采集到的自身输出电压和水下电源变换设备的输入电压和输入电流用作控制参量，通过滤波、比较、微分、小信号变换等运算之后，实时调节岸基电源变换设备整流降压模块开关管的占空比，从而实现水下电源变换设备的输入电压稳定和可控。

（6）高频特性：三电平斩波降压电路采用高频控制，可以实现快速动态调节特性，并可以最大程度减小体积，降低噪音。

下面为本发明水下电源变换设备的一个优选实施方式：

如图3所示：水下电源变换设备由输入串联输出并联的降压隔离模块UP9~UP16组成，实现将海缆输送来的高压直流电压隔离变换为较低的直流电压输出，给负载设备供电。每个降压隔离模块均由EMI滤波器Z3和Z4、故障旁路电路、三电平斩波降压电路和软开关谐振高频隔离电路构成，8个降压隔离模块完全相同。三电平斩波降压电路将输入的高压直流电压斩波降压为较低的电压，软开关谐振高频隔离电路将三电平斩波降压电路输出的电压高频隔离变换为负载需要的直流电压输出，给负载供电。

其中，故障旁路电路包括开关管VT3和电阻R6，开关管VT3包括两个相连接的开关管。开关管VT3与电阻R6串联，该串联电路的两端与EMI滤波器Z3连接。故障旁路电路与三电平斩波降压电路并联连接。

三电平斩波降压电路包括输入电容C40、C16、C17、电阻R7~R10、开关管VT4、VT5、降压电感L3、L4、电流传感器BC2以及输出电容C18。

输入电容C16、C17之间串联连接，电阻R8、R9之间串联连接，且电阻R8、R9的串联电路、输入电容C16、C17的串联电路、输入电容C40以及电阻R7之间并联连接。其中，输入电容C16由六个并联连接的电容构成，输入电容C17也由六个并联连接的电容构成。开关管VT4包括两个相连接的开关管，开关管VT4的一端连接输入电容C16的一端，另一端连接于输入电容C16与C17之间。开关管VT5也包括两个相连接的开关管，开关管VT5的一端连接于输入电容C16与C17之间，连接输入电容C17的一端。降压电感L3的一端连接于开关管VT4的两个开关管之间，降压电感L4的一端连接于开关管VT5的两个开关管之间。降压电感L3的另一端连接电流传感器BC2的一端。电流传感器BC2的另一端与降压电感L4的另一端之间连接有输出电容C18。输出电容C18由六个并联连接的电容构成。输出电容C18与电阻R10并联连接。三电平斩波降压电路与后级的软开关谐振高频隔离电路相连接。

软开关谐振高频隔离电路包括开关管VT6、电阻R11~R12、场效应管Q1、电容Cr1、电流互感器TA1、谐振高频变压器T1、高频整流二极管VD4~VD5、输出电容C19、C20、电流传感器BC3。

其中，电阻R11的一端与场效应管Q1的漏极串联连接，场效应管Q1为耗尽型N-MOS场效应管。电阻R11与场效应管Q1的串联电路与开关管VT6并联连接，即开关管VT6的一端连接电阻R11的另一端，开关管VT6的另一端连接场效应管Q1的源极，并且穿过电流互感器TA1。开关管VT6包括两个相连接的开关管，电容Cr1的一端连接于开关管VT6的两个开关管之间，电容Cr1的另一端连接谐振高频变压器T1的原边侧一端。谐振高频变压器T1的原边侧另一端穿过电流互感器TA1后接到开关管VT6的一端。谐振高频变压器T1的副边侧连接高频整流二极管VD4和VD5，高频整流二极管VD4和VD5均包括两个二极管，谐振高频变压器T1的副边侧连接于高频整流二极管VD4的两个二极管之间以及高频整流二极管VD5的两个二极管之间。高频整流二极管VD4、高频整流二极管VD5、电阻R12、输出电容C19以及输出电容C20之间并联连接。其中，输出电容C19和C20均由三个并联连接的电容构成。

输出电容C20的一端连接电流传感器BC3的一端，电流传感器BC3的另一端连接EMI滤波器Z4的一端，输出电容C20的另一端连接EMI滤波器Z4的另一端。EMI滤波器Z4的输出端连接用电负载。

本实施例中，故障旁路电路具有模块故障后的智能化自动旁路退出功能，具体原理如下：

故障旁路电路实现当该模块故障时，自动旁路该故障模块的功能，不影响整个串联系统的继续运行。具体原理为：开关管VT3与电阻R6串联之后并联在降压隔离模块的输入端。降压隔离模块正常时，开关管VT3是关断的，该旁路支路不参与工作。当降压模块故障时，开关管VT3导通，将输入端的电压传递到下一个串联模块，故障模块停止工作，故障模块被开关管VT3和电阻R6旁路，实现故障隔离。

本实施例中的水下电源变换设备具有以下特性：

（1）各降压隔离模块输入串联，用于实现高压输入；输出并联，实现大电流输出；且各降压隔离模块具有输入串联自动均压，输出并联自动均流特性：

每个降压隔离模块的开关管VT4、VT5的驱动脉冲由同一个控制单元产生；同时开关管VT6的驱动脉冲由同一个控制单元产生，所以降压隔离模块的工作状态是一致同步的。由此同步特性，再加上各降压隔离模块的输入串联，输出并联的工作方式，所以在工作过程中，即使存在参数差异，各降压隔离模块的输入串联均压，输出并联均流也可以在工作过程中自动调节实现，不需要额外的控制干预。

（2）具有模块故障后智能化故障自动旁路功能：通过输入端的开关管VT3和电阻R6实现故障模块旁路功能。

（3）高频隔离软开关技术：采用高频软开关控制技术，损耗小，效率高，无噪音，可以最大程度减小体积；并且可以实现快速动态调节特性。

（4）恒压恒流输出调节功能：隔离降压电路采集输出电压和输出电流，将输出电压和输出电流作为控制参量，实时调节开关管VT4、VT5的占空比，从而可以在各出现种异常情况时进行恒压恒流保护输出，可靠性高。

如图1所示：根据前述的电路拓扑结构，本实施例的三相交流电输入为380V，各个整流降压模块的输出电压为DC1250V，通过10KV的高压海缆连接各个水下电源变换设备，各个降压隔离模块最终输出DC600V，用于为用电负载供电。

综上所述，本发明具有开关频率高、软开关技术、体积小、效率高、动态响应快、恒压恒流调节、智能适应长距离传输线缆寄生参数变化、智能化故障自动退出功能、自动均压均流等优点，完全解决了传统工频系统体积大、动态响应特性慢、不能恒压恒流运行、噪音大等问题，是现有的工频系统所无法比拟的。本发明将较低的三相交流电压变换为高压直流电压输送到水下电源变换设备，通过电源变换设备变换为较低的低压直流输出，给用电负载供电。本发明特别适用于远距离直流输电应用，如地面电源给海底设备远距离供电的应用、远海石油钻井平台远距离供电的应用等。

Claims (10)

1.一种远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，包括岸基电源变换设备和水下电源变换设备；所述岸基电源变换设备包括多绕组变压器和整流降压模块，所述多绕组变压器的输入端接交流电，多绕组变压器的各个二次绕组分别连接多个整流降压模块的交流输入端，各个整流降压模块的直流输出端之间串联连接，串联后形成直流电输出，与水下电源变换设备连接；所述水下电源变换设备由多个输入串联、输出并联的降压隔离模块组成；降压隔离模块的输出端连接用电负载。

2.根据权利要求1所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述多绕组变压器的各个二次绕组之间的匝数比相同。

3.根据权利要求1所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述整流降压模块包括依次连接的滤波电路、整流电路、预充电电路、三电平斩波降压电路和第一故障旁路电路。

4.根据权利要求3所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述预充电电路包括预充电电阻和预充电晶闸管，预充电电阻与预充电晶闸管并联连接，预充电电路与整流电路、第一三电平斩波降压电路之间串联连接。

5.根据权利要求3所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述第一三电平斩波降压电路包括多个输入电容、多个输入电阻、开关管VT1、VT2、降压电感L1、L2、电流传感器BC1、输出电容和输出电阻；所述输入电容与电阻并联连接；开关管VT1和开关管VT2均包括两个相连接的开关管，开关管VT1的一端连接输入电容的一端，开关管VT1的另一端连接开关管VT2的一端，开关管VT2的另一端连接输入电容的另一端；且开关管VT1与其中一组输入电容和输入电阻组成并联电路，开关管VT2与其中一组输入电容和输入电阻组成并联电路；降压电感L1的一端连接于开关管VT1的两个开关管之间，降压电感L2的一端连接于开关管VT2的两个开关管之间；降压电感L1的另一端连接电流传感器BC1的一端；电流传感器BC1的另一端与降压电感L2的另一端之间连接输出电容和输出电阻的并联电路。

6.根据权利要求3所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述第一故障旁路电路为旁路二极管，旁路二极管的正极连接第一三电平斩波降压电路电压输出端的负极，旁路二极管D1的负极连接第一三电平斩波降压电路电压输出端的正极。

7.根据权利要求1~6任一项所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述降压隔离模块包括依次连接的滤波电路、第二故障旁路电路、第二三电平斩波降压电路和软开关谐振高频隔离电路。

8.根据权利要求7所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述第二故障旁路电路包括开关管VT3和电阻，开关管VT3与电阻串联，该串联电路的两端连接于滤波电路与第二三电平斩波降压电路之间。

9.根据权利要求7所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述软开关谐振高频隔离电路包括开关管VT6、电阻、电容Cr1、电流互感器TA1、谐振高频变压器T1、高频整流模块、输出电容和电流传感器；所述开关管VT6与第二三电平斩波降压电路并联连接；开关管VT6包括两个相连接的开关管，电容Cr1的一端连接于开关管VT6的两个开关管之间；电容Cr1的另一端连接谐振高频变压器T1的原边侧一端；电流互感器TA1的一端连接开关管VT6，电流互感器TA1的另一端连接谐振高频变压器T1的原边侧另一端；谐振高频变压器T1的副边侧连接整流模块；整流模块、输出电容、电阻之间并联连接，该并联电路与用电负载之间设有电流传感器BC3。

10.根据权利要求1~6任一项所述的远距离海底高压直流供电系统，其特征在于，所述各个整流降压模块的结构相同，各个降压隔离模块的结构也相同。