CN111490533B - 一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，包括相互独立的直流变换舱和平衡负载舱；直流变换舱内设置主功率变换电路和恒功率电路，平衡负载内设置平衡负载电路；主功率变换电路输出端与恒功率电路的输入端相连，所述恒功率电路的输出端与平衡负载舱相连；主功率变换电路用于接收岸基站通过海缆提供的电能，将恒流转换为恒压并为科学仪器用电负载供电；恒功率电路用于在科学仪器用电负载发生负载切换时，控制水下电源的恒功率输出；平衡负载电路用于将直流变换舱的冗余电能转换成热能并进行耗散。本发明采用灌封充油和陶瓷垫片实现水下电源输入端口的高共模电压隔离和散热，更加适用于多海底主基站、长距离的大型恒流供电网络。

Description

一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源

技术领域

本发明属于海底观测网技术领域，具体涉及一种适用于长距离、多节点恒流供电海底观测网主基站的大功率高压水下电源，特别涉及一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源。

背景技术

海底观测网的高压直流供电网络主要由岸基高压电源(PFE)、海缆、多个海底主基站的水下高压转换电源(以下简称水下电源)三部分组成：岸基高压电源相当于一次变电设备，将市电变换为高压直流电；长距离海缆作为高压直流输电设备将电能传输至海底主基站；水下电源相当于二次变电设备，将高压直流电能转换为科学仪器设备所需的恒压供电。

目前海底观测网络的供电类型分为恒压型和恒流型。恒压供电网络为并联网络，具有扩展性能强、转换效率高等特点，但对于渔业破坏风险高或地质复杂的海域，一旦海缆绝缘层破损或海底主基站短路故障将引发整个系统供电崩溃。恒流供电网络为串联网络，具有抗短路故障能力强、故障定位简单、可靠性高、鲁棒性好等特点，为提高恒流供电网络的电压稳定性，水下电源通常采用恒定功率方式。

在参考文献[1](中国专利：“一种适用于海底恒流供电网络的水下恒流恒压转换装置”，ZL201610089978.9)中，水下电源采用多个数十瓦的模块串联输入转换为数百瓦功率并联输出。对于功耗需求低的专用监测网络水下电源数百瓦功率输出即可满足需求；对于综合型海底观测网络，由于主干海缆长度可达上千公里，连接科学仪器众多，所需水下电源的功率可高达数千瓦。而高功率的水下电源必然面临着高压隔离、可靠性低、散热难等系列问题。

发明内容

本发明的目的在于针对恒流供电型海底观测网络高压大功率的需求，提供了一种耐高压、散热好、高可靠的大功率水下电源。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，所述水下电源包括相互独立的直流变换舱和平衡负载舱；其中，所述直流变换舱内设置主功率变换电路和恒功率电路，所述平衡负载内设置平衡负载电路；所述主功率变换电路输出端与恒功率电路的输入端相连，所述恒功率电路的输出端与平衡负载舱相连；所述主功率变换电路用于接收岸基站通过海缆提供的电能，将恒流转换为恒压并为科学仪器用电负载供电；所述恒功率电路用于在科学仪器用电负载发生负载切换时，控制水下电源的恒功率输出；所述平衡负载电路用于将直流变换舱的冗余电能转换成热能并进行耗散。

作为上述装置的一种改进，所述直流变换舱上设置两个输入端口、一个输出端口和一个平衡负载端口；所述两个输入端口分别与电源两端的海缆相连，所述输出端口与科学仪器用电负载相连，所述平衡负载端口与平衡负载舱相连。

作为上述装置的一种改进，所述主功率变换电路输出端口、恒功率电路输入端口与和直流变换舱的输出端口并联。

作为上述装置的一种改进，所述主功率变换电路包含一个主控单元及多个功率单元；多个功率单元之间采用输入串联输出并联的连接方式；每个功率单元包括串联的隔离直流变换电路和采样电路；所述主控单元的一端分别与每个隔离直流变换电路的控制端相连，另一端分别与每个采样电路相连；

所述主控单元由运放电路及控制芯片组成；所述主控单元用于产生PWM开关管信号，控制每个隔离直流变换电路输出恒定电压；

所述隔离直流变换电路包括：隔离变压器和功率器件；所述隔离变压器采用独立油封式变压器；所述功率器件为发热器件；

所述采样电路由霍尔传感器或采样电阻实现，用于采集隔离直流变换电路输出的低压信号。

作为上述装置的一种改进，所述直流变换舱内设置固定框架，并填充绝缘散热油；在所述功率器件与固定框架之间填充陶瓷材料，保证水下电源输入端口与所述直流变换舱的舱体外壳之间满足20kV以上的隔离电压。

作为上述装置的一种改进，每个功率单元的输入端口安装旁路继电器，用于当功率单元发生故障时，将该功率单元从整个电路中切除。

作为上述装置的一种改进，所述恒功率电路包含信号采集单元、恒功率控制单元以及功率变换单元；

所述信号采集单元，用于采集主功率变换电路的输出电流，将电流信号输入恒功率控制单元；

所述恒功率控制单元，用于根据电流信号调整脉冲宽度调制占空比，控制所述功率变换单元上所传输的功率，从而控制主功率变换电路输出端口的总电流恒定；

所述功率变换单元，用于通过开关器件，将恒功率电路消耗的整体功率斩波调整至所传输的功率。

作为上述装置的一种改进，所述平衡负载电路为多个电阻串并联组成的矩阵结构电路。

作为上述装置的一种改进，所述直流变换舱内还设置过压过流保护电路，位于所述水下电源的总输入侧和主功率变换电路之间，所述过压过流保护电路用于防止海缆短路产生的瞬间过压、浪涌电流冲击和地磁感应电流冲击。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明提出的高共模耐压隔离、散热技术包括两个方面：第一是直流变换舱内部充绝缘散热油，并在功率器件与固定支架间填充高导热高耐压的陶瓷材料，保证水下电源输入端口与机壳(海水地)之间满足20kV以上的隔离电压；第二是主功率变换电路中变压器为独立油封式，采用油浸设计，保证变压器原副边及机壳(海水地)之间满足20kV以上的隔离电压；解决了大功率恒流供电网络中存在的高对地共模电压对水下电源的耐压需求；

2、为解决海底观测网用电设备功率波动剧烈、长距离海缆分布参数大等因素引起的负载突变对水下电源的电压电流冲击问题，本发明采用了恒功率控制方式；恒功率电路并联在水下电源输出侧，与科学仪器用电负载共同消耗负载功率；当科学仪器用电负载发生负载切换时，恒功率电路动态调整自身的耗散功率，通过PI控制总输出电流恒定，进而使水下电源总体输出功率恒定；水下电源的输出功率恒定，则在恒流供电网络中满足海底主基站上端口电压及对地电压恒定，海缆上各点对地电压恒定，避免负载端功率变化时对海缆及主基站造成电压电流冲击，保证水下供电网络电压电流稳定性的同时降低负载突变导致供电网络崩溃的风险；

3、为了避免恒功率方案中的冗余功率对水下电源产生热影响，本发明设计平衡负载电路作为独立设备连接在水下直流变换舱体之外，保证最大效率与海水进行热交换，避免冗余热量影响水下电源内部器件的低温运行环境，延长水下电源寿命。

附图说明

图1为恒流供电型海底观测网的连接示意图；

图2为本发明的适用于恒流供电型海底观测网络的水下电源的结构图；

图3为本发明的直流变换舱内部结构示意图；

图4为本发明的平衡负载舱内部结构示意图；

图5为本发明的独立油封变压器示意图；

图6为本发明的过压过流保护电路示意图；

图7为本发明的隔离直流变换电路拓扑图；

图8为本发明的功率变换单元拓扑图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述。

海底观测网恒流水下供电网络如图1所示，多个水下电源分散布设，每个水下电源之间均由长距离海缆相连，总体功率高，靠近岸端PFE的水下电源及线缆上存在万伏级对地电压。

本发明的一种适用于恒流供电型海底观测网络的水下电源如图2所示，由两个独立的直流变换舱和平衡负载舱组成，直流变换舱内如图3所示，包含过压过流保护电路、主功率变换电路及恒功率电路，完成水下电源的功率变换、控制及保护功能。如图4所示，平衡负载舱包含平衡负载电路，能够独立进行高效冗余功率耗散，避免热量堆积。平衡负载舱与直流变换舱独立进行散热处理，平衡负载舱不对直流变换舱内的电路产生热传导。

所述主功率变换电路将恒流输入转换为恒压输出，为水下电源中的关键功率部件。主功率变换电路由一个主控单元及多个功率单元构成，为提高水下电源的可靠性，功率单元采用冗余设计，多个功率单元之间相互备份。

功率单元的输入与输出之间存在的万伏级隔离电压由隔离变压器承担电压隔离功能。为降低隔离变压器体积，并保证高寿命运行，本发明设计了一种独立油封式变压器方案。如图5所示，独立油封式变压器采用油浸式变压器设计，实现小体积高隔离电压的设计需求。油箱中变压器个数由功率单元个数及电路拓扑决定。设计独立油箱将浸油后的变压器及变压器油密封安装，在保证变压器绝缘能力的同时，避免变压器油与舱体内其他材料发生溶解等化学反应。独立油封式变压器实现变压器绕组与直流变换舱的舱体外壳(海水地)之间满足20kV以上的隔离电压，同时满足水下密封舱体小型化的限制要求。

恒功率电路通过功率调节实现水下电源输出功率恒定，避免用电设备负载功率大幅变化时，对供电网络产生冲击。恒功率电路包含信号采集单元、恒功率控制单元以及功率变换单元三个部分：信号采集单元用于采集主功率变换电路的输出电流，所测信号送给恒功率控制单元；恒功率控制单元根据采样电路所得电流信号调整脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)占空比，控制功率变换单元上所传输的功率；功率变换单元通过开关器件斩波控制恒功率电路上消耗的整体功率，可采用但不限于全桥电路、谐振型电路、多电平电路、Buck电路、Boost电路等实现。

恒功率电路与科学仪器用电负载采用等电位设计，从根本上解决了现有的恒功率方案中的高共模电压隔离问题。非隔离式恒功率电路并联接在主功率变换电路的输出侧，随用电负载的实时功率状态对水下电源的输出功率进行调整，保证水下电源的总输出功率恒定。由于恒功率电路不承担共模隔离电压，大大降低了对绝缘空间的要求，有效降低了电源水密舱体的尺寸要求。

平衡负载电路将恒功率模式下未被用电负载消耗掉的冗余功率转化为热能进行耗散，其电学特性可以等效为功率电阻，为多个电阻串并联组成的矩阵结构。

平衡负载舱采用独立水密舱体进行热能耗散，与水下直流变换舱相互独立，避免冗余功率在耗散过程中提升水下电源中其他器件的运行温度，保证了水下电源的低温运行环境及长运行寿命。

水下电源由于维修成本高，须满足长期高可靠的需求，本发明设计过压过流保护电路，采用浪涌防护、备份冗余、故障旁路三种方式实现：

浪涌防护：过压过流保护电路位于水下电源的总输入侧，用于防止海缆短路产生的瞬间过压、浪涌电流冲击、地磁感应电流冲击以及反向浪涌冲击。如图6所示，过压过流保护电路由压敏电阻、放电管、TVS、晶闸管、熔断器和继电器等浪涌保护器件实现，形成可靠耐受不同冲击能量的多级保护。可以根据器件自身的保护速度及动作阈值设计多级保护，对应不同的电压电流浪涌等级采取不同的保护措施。

冗余备份：主功率变换电路包含多个功率单元，功率单元之间冗余备份，允许其中任意一半数量的功率单元损坏后，仍能满足水下电源的正常运行。

故障旁路：主功率变换电路内部包含输出继电器，输出继电器为高压大电流继电器，在输出侧故障时切断与输出侧的电气连接；所述主功率变换电路内部包含主控单元，主控单元在功率单元发生故障时控制对应故障功率单元旁路保护，避免二次损坏发生。

本发明的具体技术方案为：

本发明的一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，包括两个舱体，一个是直流变换舱，一个是平衡负载舱，直流变换舱共有三类端口：2个输入端口、一个输出端口和一个平衡负载端口。其中直流变换舱两个输入端口分别与电源两端的海缆相连，直流变换舱输出端口与科学仪器用电负载相连，直流变换舱平衡负载端口与平衡负载舱相连。直流变换舱为水下电源的主体，具备完整的电能转换功能；平衡负载舱内部可等效为纯阻负载，消耗水下电源中的冗余功率。

直流变换舱内部结构如图3所示，直流变换舱内设置绝缘固定框架，其内部器件安装在固定框架上，舱内填充绝缘散热油，而且，直流变换舱的舱体与固定框架电位相同。

水下电源在电路结构上包括过压过流保护电路、主功率变换电路、恒功率电路及平衡负载电路四部分，过压过流保护电路用于防止海缆短路产生的瞬间过压、浪涌电流冲击、地磁感应电流冲击以及反向浪涌冲击；主功率变换电路用于将高压恒流输入变换为低压恒压输出；恒功率电路为水下电源负载之一，通过动态调控使水下电源的输出功率恒定；平衡负载电路为纯阻负载，消耗冗余功率。其中过压过流保护电路、主功率变换电路及恒功率电路位于电源舱内，平衡负载电路位于平衡负载舱内。

过压过流保护电路的一端与直流变换舱的2个输入端口相连，另一端与主功率变换电路相连；主功率变换电路包括三个端口，一个端口与过压过流保护电路相连，一个端口与电源舱输出端口相连，一个端口与恒功率电路相连；恒功率电路包括两个端口，一个端口与主功率变换电路相连，另一个端口与电源舱平衡负载端口相连。

主功率变换电路包括一个主控单元及多个功率单元。每个功率单元均由隔离直流变换电路和采样电路组成。

主控单元由运放电路及控制芯片搭建，产生PWM开关管信号，控制隔离直流变换电路恒压输出，主控单元一端与每个采样电路相连，另一端与每个隔离直流变换电路控制端相连，主控单元控制每个隔离直流变换电路恒压输出。

隔离直流变换电路将恒流输入转换为恒压输出，隔离直流变换电路输入端为主功率变换电路输入端，输出端为主功率变换电路输出端，控制端与主控单元相连。

采样电路由霍尔传感器或高精度采样电阻实现，采样电路一端与隔离直流变换电路输出侧相连，另一端与主控单元相连。

如图3所示，功率单元之间采用输入串联输出并联的连接方式，降低了各个功率单元内的元器件电压应力，满足高电压的耐压需求。多个功率单元之间存在冗余备份，每个功率单元的输入端口安装旁路继电器，当功率单元发生故障时，旁路继电器动作将故障切除，不影响其他功率单元的运行。在功率设计上满足其中任意一半数量的功率单元损坏后，水下电源仍然正常运行。

隔离直流变换电路将恒流输入转换为恒压输出，通过独立油封式变压器满足高共模电压的隔离需求，根据实际运行功率及输入电压选用但不限于全桥变换拓扑、谐振型软开关拓扑、多电平变换拓扑、正激拓扑、反激拓扑等隔离型变换拓扑，图7以全桥变换拓扑示意。隔离直流变换电路输入端口与输出端口之间满足20kV以上的隔离电压，此处隔离电压通过高绝缘隔离变压器及结构件绝缘设计实现。隔离变压器采用独立油封式变压器，独立油封式变压器采用油浸式变压器设计，实现小体积高隔离电压的设计需求。设计独立油箱将将浸油后的变压器及变压器油密封安装，在保证变压器绝缘能力的同时，避免变压器油与舱体内其他材料发生溶解等化学反应。独立油封式变压器实现变压器绕组与直流变换舱的舱体(海水地)之间满足20kV以上的隔离电压，同时满足水下密封舱体小型化的限制要求。

在隔离直流变换电路的功率器件为水下电源中的高功率发热器件，其与直流变换舱的外壳之间存在的万伏级隔离电压，高功率发热器件的单个开关管的发热功率在7W，开关管上的散热面积仅有300mm²，因此散热密度非常大，容易造成热量堆积，令功率器件运行温度过高，进而降低功率器件的使用寿命。采用高导热高耐压陶瓷材料紧贴在功率器件与固定框架之间，并在舱体内充油帮助散热，能够在保证功率器件高效散热通道的基础上，满足万伏级高耐压的需求。

恒功率电路的内部结构如图3所示，包含信号采集单元、恒功率控制单元以及功率变换单元三个部分。信号采集单元采集主功率变换电路输出侧电流信号，一端与主功率变换电路输出侧相连，另一端与恒功率控制单元相连；恒功率控制单元控制功率变换单元上传输的总功率，一端与信号采集单元相连，另一端与功率变换单元相连；功率变换单元完成冗余功率变换，输入侧与恒功率电路输入侧相连，功率变换单元输出侧与恒功率电路输出侧相连，功率变换单元控制侧与恒功率控制单元相连。

恒功率电路控制水下电源的恒功率输出，恒功率电路输入端与主功率变换电路输出端相连，在水下电源负载切换时动态调整恒功率电路上的耗散功率，使水下电源总体输出功率恒定。

与现有技术相比，本发明中的恒功率电路并联在水下电源的输出端，不需要进行隔离设计，且端口电压等级低，能够选择开关性能更优的低压开关管。

信号采集单元用于采集主功率变换电路的输出电流，采用电流霍尔实现，所得电流信号送给恒功率控制单元。恒功率控制单元根据采样电路所得电流信号调整PWM占空比，控制功率变换单元上所传输的功率，通过运放电路、比较电路及PWM控制电路等电路实现。功率变换单元的作用是通过开关器件斩波控制恒功率电路上消耗的整体功率，可采用但不限于Buck电路、Boost电路、全桥电路、谐振型电路、多电平电路等实现，图8以Buck拓扑进行示意。

恒功率电路上的功率调整策略如下：

如图3所示，假设水下电源输出端口电压为V_o，负载端消耗功率为P_o，则负载端电流I_po＝P_o/V_o。恒功率电路输入端口与主功率变换电路输出端口、水下电源输出端口并联，因此恒功率电路输入端口电压为V_o。恒功率电路输入端口电流为I_fo，则主功率变换电路输出端口总电流I_o＝I_po+I_fo。

恒功率电路控制主功率变换电路输出端口总电流I_o恒定，主功率变换电路控制输出端口电压恒定，因此水下电源整体的输出功率恒定，水下电源工作在恒功率模式。此时水下电源输入电压及电流恒定，在恒流供电网络中满足海底主基站上端口电压及对地电压恒定，海缆上各点对地电压恒定，避免负载端功率P_o变化时对海缆及主基站造成电压电流冲击。

平衡负载电路如图4所示，其电学特性可以等效为电阻，为多个电阻串并联组成的矩阵结构，它的作用是将冗余电能转换成热能并进行耗散，需要保证良好的散热能力及长时间运行的寿命。

本发明的水下电源启动过程如下：

1、海缆上缓慢建立供电电流，缆上电流从0A上升至额定电流；

2、水下电源主功率变换电路控制输出端电压稳定在375V；

3、水下电源恒功率电路控制I_o从0A缓慢上升至额定值，同时，水下电源输入端口电压从0V缓慢上升至额定值；

4、对科学仪器用电负载端口正常供电。

本发明的创新点在于：

1、采用灌封充油和陶瓷垫片实现水下电源输入端口的高共模电压隔离和散热，更加适用于多海底主基站、长距离的大型恒流供电网络。

2、非隔离式恒功率电路与传统并联在输入侧的高电压隔离恒功率模块相比，大大缩小了绝缘体积，降低了水密舱的体积要求及结构上的绝缘难度。

3、平衡负载电路作为独立设备连接在水下直流变换舱体之外，避免冗余热量影响水下电源内部器件的低温运行环境，保证了水下电源长期可靠运行寿命。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，其特征在于，所述水下电源包括相互独立的直流变换舱和平衡负载舱；其中，所述直流变换舱内设置主功率变换电路和恒功率电路，所述平衡负载内设置平衡负载电路；所述主功率变换电路输出端与恒功率电路的输入端相连，所述恒功率电路的输出端与平衡负载舱相连；所述主功率变换电路用于接收岸基站通过海缆提供的电能，将恒流转换为恒压并为科学仪器用电负载供电；所述恒功率电路用于在科学仪器用电负载发生负载切换时，控制水下电源的恒功率输出；所述平衡负载电路用于将直流变换舱的冗余电能转换成热能并进行耗散；

所述主功率变换电路包含一个主控单元及多个功率单元；多个功率单元之间采用输入串联输出并联的连接方式；每个功率单元包括串联的隔离直流变换电路和采样电路；所述主控单元的一端分别与每个隔离直流变换电路的控制端相连，另一端分别与每个采样电路相连；

所述主控单元由运放电路及控制芯片组成；所述主控单元用于产生PWM开关信号，控制每个隔离直流变换电路输出恒定电压；

所述隔离直流变换电路包括：隔离变压器和功率器件；所述隔离变压器采用独立油封式变压器；所述功率器件为发热器件；

所述采样电路由霍尔传感器或采样电阻实现，用于采集隔离直流变换电路输出的低压信号；

所述直流变换舱内设置固定框架，并填充绝缘散热油；在所述功率器件与固定框架之间填充陶瓷材料，保证水下电源输入端口与所述直流变换舱的舱体外壳之间满足20kV以上的隔离电压；

所述恒功率电路包含信号采集单元、恒功率控制单元以及功率变换单元；

所述信号采集单元，用于采集主功率变换电路的输出电流，将电流信号输入恒功率控制单元；

所述恒功率控制单元，用于根据电流信号调整脉冲宽度调制占空比，控制所述功率变换单元上所传输的功率，从而控制主功率变换电路输出端口的总电流恒定；

所述功率变换单元，用于通过开关器件，将恒功率电路消耗的整体功率斩波调整至所传输的功率。

2.根据权利要求1所述的适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，其特征在于，所述直流变换舱上设置两个输入端口、一个输出端口和一个平衡负载端口；所述两个输入端口分别与电源两端的海缆相连，所述输出端口与科学仪器用电负载相连，所述平衡负载端口与平衡负载舱相连。

3.根据权利要求2所述的适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，其特征在于，所述主功率变换电路输出端口、恒功率电路输入端口与直流变换舱的输出端口并联。

4.根据权利要求1所述的适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，其特征在于，每个功率单元的输入端口安装旁路继电器，用于当功率单元发生故障时，将该功率单元从整个电路中切除。

5.根据权利要求1-4之一所述的适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，其特征在于，所述平衡负载电路为多个电阻串并联组成的矩阵结构电路。

6.根据权利要求1所述的适用于恒流供电型海底观测网的水下电源，其特征在于，所述直流变换舱内还设置过压过流保护电路，位于所述水下电源的总输入侧和主功率变换电路之间，所述过压过流保护电路用于防止海缆短路产生的瞬间过压、浪涌电流冲击和地磁感应电流冲击。

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