CN111740604A - 用于海底供电的直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海底供电的直流变换器及其控制方法，包括旁路部分，高频开关部分，变压器部分，整流部分，滤波部分；旁路部分包括一个输入电感和多个相同的旁路电路；高频开关部分包括多个相同的高频开关电路；变压器部分包括多个相同的高频变压器；整流部分包括多个相同整流电路组；所述滤波部分包括多个相同的滤波电路，所述滤波电路与所述的串联输出的整流电路组一一对应连接。本发明自动冗余投切及自适应调压控制方法可以实现快速自动投切以及输入电压自适应等功能，特别适用于海底供电场合。

Description

用于海底供电的直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术，特别是一种用于海底供电的直流变换器及其控制方法。

背景技术

海洋观测网是是海洋探测与开发的重要保障，对于海洋科学研究、环境监测、资源探测及灾害防治等具有重要意义，而中压直流远供电源系统是海底观测网电能供给的保障。中压直流远供电源系统中的海底电源部分需要承受宽输入电压范围且电压等级高的同时，对可靠性以及体积的要求很高。受单个功率器件的电压等级限制，采用器件串联虽然能简单的解决高压的问题，但是可靠性大大降低。目前比较常用的方案是采用多模块串并联组合的方式来解决高压大功率需求与单个功率器件限制的矛盾，但是单个模块内部开关部分一般采用谐振式桥式结构，这种结构存在功率器件多，有桥臂直通可能，且增加的谐振电路会进一步增大体积等缺点，而且调压范围受开关频率限制。如果输入端旁路冗余功能缺乏或者采用体积大的机械直流断路器，会降低海底电源的可靠性或者增大整个装置的体积。如何在体积限制的条件下，提高海底电源的可靠性以及增大输入电压适应范围，是目前海底电源的技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于海底供电的直流变换器及其控制方法，提高变换器电压等级和功率等级，使变换器输出电压稳定可调。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于海底供电的直流变换器，包括N个级联的功率模块；所述功率模块包括依次连接的旁路模块、高频开关模块、变压器模块、整流模块和滤波模块；所述旁路模块包括输入电感和n个均与所述输入电感连接的结构相同的旁路单元，n个所述旁路单元串联形成串联支路，该串联支路两端各接一防反二极管，两个防反二极管输出接所述高频开关模块；所述高频开关模块包括n个结构相同的高频开关电路，n个所述高频开关电路的输入端串联；其中n≥2。

所述旁路单元包括至少一个常通型晶体管。采用常通型电力电子功率器件作为旁路开关，相比于机械式直流断路器或者继电器，该旁路开关具有响应速度快、可靠性高、在控制掉电或者控制信号丢失时能够自然导通实现旁路、还可兼具调压功能等优点。

所述高频开关电路采用双管正激电路或者单端正激电路，可以提高开关频率而且不需要考虑死区时间问题，不会出现直通现象。

所述变压器模块原边、副边分别有n个绕组；原边n个绕组分别对应与n个高频开关电路输出端连接；副边n个绕组分别对应与n个整流模块连接。采用多绕组变压器方便集成，且可以提高输入电压适应范围。

所述n个整流模块输出端均与滤波模块连接，所述滤波模块采用LC低通滤波电路。多个整流电路共用一个滤波电路可以使用交错控制等方法输出纹波，降低滤波电路体积。

本发明还提供了一种上述直流变换器的控制方法，该方法包括：

1)实时采样每个功率模块输入电压和接收由所有功率模块的状态代码组成的向量F[N]，计算应该投入的功率模块数，并更新由所有功率模块的模式代码组成的向量M[N]；

2)根据自适应调压控制，确定应该投入的功率模块的运行模式，并更新M[N]；

3)根据步骤2)更新后的M[N]中的模式代码，向各功率模块发送对应的指令，并实时接收由所有功率模块的状态代码组成的向量F[N]；

4)返回步骤1)，循环直到收到来自上位机的停机指令或者系统遇到必须停机的故障。

步骤1)中，还包括：

实时采样各个功率模块的输入电压，计算总输入电压Vs，根据F[N]统计正在运行的功率模块数R，计算应该投入的功率模块数k，所述应该投入的功率模块数k为满足当有一个正在运行的功率模块故障旁路后，其他功率模块输入电压不会过压时投入的最少模块数；比较R和k，实现功率模块的自动冗余投切。这样计算出来的应该投入模块数k能够使得变换器实时处于冗余运行状态，提高变换器的故障穿越能力和可靠性。

功率模块的自动冗余投切的具体实现过程包括：当R<k时，投入备用功率模块，使得R＝k，并更新M[N]；当备用功率模块数m少于应该补充的投入的功率模块数(k-R)时，对所述直流变换器进行降压处理，或停止所述直流变换器运行；当R≥k时，不进行旁路或者投入功率模块的操作，更新M[N]。变换器只有在实际运行模块数小于应该投入运行模块数时才进行冗余切换，防止模块频繁投入或切除，提高变换器的稳定性。

步骤2)中，更新M[N]的具体实现过程包括：

计算R个即将运行的功率模块的平均输入电压Vavg；比较Vavg与V1的大小，当Vavg大于V1时，所有将要投入运行的功率模块运行在单自由度调压模式，否则运行在双自由度调压模式；若当前时刻处于单自由度调压模式，则比较Vavg和V1，当Vavg小于V1时，由单自由度调压模式转换为双自由度调压模式，否则保持调压模式不变；若当前时刻处于双自由度调压模式，则比较Vavg与V2的大小，当Vavg大于V2时，由双自由度调压模式转换为单自由度调压模式，否则保持调压模式不变；确定了所有即将运行的功率模块的调压模式后，更新M[N]；其中，V1＜V2。双自由度调压模式能够进一步提升变换器输入电压适应能力；选取V1＜V2能够起到滞回比较的作用，防止功率模块在当自由度调压模式与双自由度调压模式之间频繁的切换。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明采用常通型电力电子功率器件作为旁路开关，设计了一种非机械式电子开关，相比于机械式直流断路器或者继电器，该旁路开关具有响应速度快、可靠性高、在控制掉电或者控制信号丢失时能够自然导通实现旁路、还可兼具调压功能等优点。可以快速有效的切除功率模块，提高变换器的冗余性和可靠性，也可以切换至升压调节运行方式，拓展变换器宽输入电压适应能力。

(2)本发明中的高频开关电路采用双管正激或者单端正激拓扑结构，相比于桥式结构，不需要考虑死区，简化了驱动电路，避免了桥臂直通短路的可能，大大提高模块的可靠性。该开关电路开关频率可以很高同时还带有软开关无源辅助电路，能够让开关器件工作在软开关状态，减小无源器件体积，降低损耗，提高了功率密度。

(3)本发明中的变压器为多绕组变压器，原边n个绕组可以连接n个所述高频开关电路，提高整个模块的电压等级和功率等级，降低了控制系统的复杂度和体积；副边n个绕组连接n个所述整流电路，可以进一步提高模块的输入电压适应范围。

(4)结合自动冗余投切及自适应调压控制方法，可以充分利用所述直流变换器电路结构上的优点。根据输入电压等级，可自动投切相应数目的功率模块，也可将旁路电路切换至升压调节模式，适应海底电源宽范围输入电压的特点；当模块处于旁路备份、故障或者掉电时，旁路电路处于自动常闭合状态，使变换器的可靠性和输入电压适应能力大幅提升。上述多重高可靠保障以及宽输入电压适应范围的直流变换器非常适用于海底供电的场合。

附图说明

图1为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器的基本工作原理图。

图2为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器中功率模块电路原理图。

图3为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器当N＝2且n＝2时的电路原理图。

图4为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器所采用的自动冗余投切与自适应调压控制框图。

图5为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器所采用的自动冗余投切与自适应调压控制策略流程图。

图6为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器所采用的自动冗余投切控制策略流程图。

图7为本发明的一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器所采用的自适应调压控制策略流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括旁路部分1，高频开关部分2，变压器部分3，整流部分4以及滤波部分5，整个变换器有N个功率模块，(N为大于等于2的自然数)，其中：

旁路部分1、高频开关部分2、变压器部分3、整流部分4以及滤波部分5依次连接。

旁路部分1包含N个相同的旁路电路，N个旁路电路在输入端串联之后通过与输入电压源并联。所述旁路电路可以是非机械式电子开关或者电力电子开关电路。

高频开关部分2包含N个相同的高频开关电路，所述高频开关电路为双端输入四端输出电路，该输入端口与所述旁路开关一一对应连接。

本实施例中，单个功率模块中的高频开关电路与旁路电路连接。所述高频开关电路可以是双端正激电路或者单端正激电路。

变压器部分3包含N个相同的高频变压器，高频变压器为高隔离单相2n绕组高频变压器，该高频变压器的原边n个绕组与所述高频开关电路的n路输出分别连接。

本实施例中，单个功率模块中的高频变压器与高频开关电路连接.。

整流部分4包含N个整流电路组，所述整流电路组由n个相同的整流电路组成。

本实施例中，单个功率模块中的整流电路组与高频变压器连接。.

滤波部分5包含N个相同的滤波电路，所述滤波电路可以是电感电容组成的低通滤波电路。

本实例中，单个功率模块中的滤波电路与整流电路连接，N个滤波电路在输出端并联给负载供电。

功率模块包含一个旁路电路、一个高频开关电路、一个高频变压器、一个整流电路组以及一个滤波电路。

图2为本发明中基于图1的功率模块电路原理图。

如图2所示，旁路电路包含电感Lin、n个结型场效应晶体管(JFET)J1到Jn，二极管DB1和DB2，n个JFET串联，构成主旁路开关；DB1和DB2为防反二极管，防止当主旁路开关闭合时，后端能量回流，DB1与DB2对称接于主旁路开关两端，DB1阳极与J1漏级以及电感一端连接，电感另一端与DB2阴极和Jn的源级的连接点作为该旁路电路的输入端。DB1的阴极和DB2的阳极引出作为旁路电路的输出端。

如图2所示，高频开关电路由n个相同的双管正激电路在输入端串联组成，Cin1到Cinn分别为这n个双管正激电路的输入电容，n个电容串联之后接在旁路电路的输出端。每个双管正激电路有两个主开关管(金属-氧化物-半导体场效应晶体管，MOSFET)。Q1的源级以及Q2的漏级引出接高频变压器绕组P1,Q2n-1的源级以及Q2n的漏级引出接高频变压器绕组Pn.每个双管正激电路有两个磁芯复位二极管Dc1与Dc2。每个双管正激电路有由Ds1、Ds2、Ls1与Cs1组成的软开关(soft-switching)辅助电路。本专利中所描述的高频开关电路所用到的功率半导体器件不限于MOSFET,还可以为绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控半导体器件。

如图2所示，高频变压器T有2n个绕组，原、副边各n个。原边n个绕组P1-Pn分别接n个双管正激电路的交流输出，副边n个绕组S1-Sn分别接后面的n个整流电路。

如图2所示，整流电路组由n个整流电路输出串联组成，每个整流电路有两个二极管，分别为整流二极管与续流二极管。整流二极管与续流二极管的阳极接对应的变压器副边绕组，n个整流电路的续流二极管串联输出之后接后面的滤波电路。

如图2所示，滤波电路可以是由电感Lf和Cf组成的LC低通滤波电路。

图3为本发明一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器基于图1和图2且N＝2且n＝2时的电路原理图。

如图3所示，本实施例中，N＝2即功率模块数为2。模块1和模块2输入串联且输出并联给负载供电。模块1由旁路电路101、高频开关电路201、高频变压器301、整流电路组401以及滤波电路501组成；模块2由旁路电路102、高频开关电路202、高频变压器302、整流电路组402以及滤波电路502组成。

如图3所示，本实施例中，n＝2即表示每个功率模块有2个旁路单元、2个高频开关电路、2个整流电路。

模块数N和n可以是大于等于2的自然数，可以按照图1和图3的组合方式构成不同结构的变换器。

如图4所示，为本发明一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器所采用的一种自动冗余投切及自适应调压控制策略原理框图。

如图4所示，所述自动冗余投切及自适应调压控制策略，具体包括：实时采集各个模块的输入电压v_inx以及各个模块运行状态F(x)(n个模块的运行状态组成向量F[n])，主控制器根据自动冗余投切及自适应调压控制策略，得到每一个模块的运行模式M(x)(M[n]是由n个模块的模式代码组成，基本的模式有旁路、投入以及调压模式等)并发送给所有模块，每个模块根据相应的运行模式指令以及输入电压前馈控制得到一个占空比d_boost，用来控制所述旁路电路中旁路开关。同时，实时采集变换器输出电压Vo，并对其进行闭环控制得到一个占空比dm,将该占空比作为主占空比送到每个模块，用来控制所述高频开关电路的高频开关器件。每个模块都有两个自由度可以用来进行调压，当输入电压低到一定值时，两个自由度都发挥作用来保持输出电压稳定；当电压回升到一定值时，占空比d_boost降到0，只需主占空比dm来进行调压。

如图5所示，为本发明一种用于海底供电的高可靠组合式直流变换器所采用的自动冗余投切及自适应调压控制策略流程图。

如图5所示，所述自动冗余投切及自适应调压控制策略，具体包括：在变换器控制电上电之后，进行变换器系统自查，主要获取各个功率模块的状态，统计可用模块数i和不可用模块数j，确定模块输入最小值Vs_min(该值可以由功率模块输入过流值以及额定功率得到)、模块输入最大值(该值由电路可承受电压决定)、模块自适应调压转换电压V1和V2(V1为单自由度控制转换为双自由度控制的门槛值，该值由后级高频开关电路最大占空比决定；V2为双自由度控制转换为单自由度控制的门槛值，且V2>V1)。根据每个模块的额定输入电压Vs_nom计算变换器可以承受的总的输入电压Vin_max。等变换器一切准备就绪，给上位机或者岸上电源发送准备就绪信号以及Vin_max，通知上位机或者岸上电源，变换器准备就绪以及变换器的状态。然后将所有可用功率模块的旁路开关打开，等待输入电压上升并稳定后，进入主循环：

1)实时采样每个模块输入电压，根据自动冗余及其容错原则计算应该投入的模块数，并更新向量M[n]。这一步就决定n个模块中哪些模块需要被投入，哪些模块需要被旁路。

2)根据自适应调压控制策略，确定被投入模块应该运行在哪种调压模式下，调压模式有单自由度调压和双自由度调压，更新M[n]。

3)根据M[n]中模式代码，给各个模块发送对应的指令，系统正式运行，并实时接收向量F[n]，F[n]是由n个模块的状态代码组成，主要状态包括旁路状态、正常运行状态以及故障等。

4)回到步骤1)，循环直到收到来自上位机的停机指令或者系统遇到必须停机的故障。

如图6所示，为自动冗余投切控制策略流程图，具体包括：实时采样各个模块输入电压并计算总输入电压Vs，根据运行状态向量F[n]统计正在运行模块数R，然后根据容错原则计算应该投入模块数k，所述容错原则为投入最少的模块数k应满足当有一个正在运行的模块故障旁路后，其他模块输入电压不会过压，即Vs/(k-1)<Vs_max,从而能让系统有时间进行冗余切换。对R和k进行比较，出现的两种比较结果代表的含义和相应措施为：

1)当R<k，即正在运行的模块数比应该投入的模块数少，此时应该投入备用模块使得R＝k，不然就会使得系统处于无冗余状态，当备用模块数m少于应该补充的投入的模块数(k-R)时，系统处于无冗余状态，此时应该反馈给上位机或者岸基电源，建议降压或者停止运行。当备用模块数够用时，导致R<k的原因包含三种：一是系统还没开始运行，正在运行模块数R为0，这是根据自动冗余投切策略进行输入电压自适应。二是有模块故障自动旁路，但不一定会导致正在运行的模块数比计算出来的应该投入模块数少，因为模块故障之前总的输入电压Vs可能降低导致应该投入的模块数比上一个控制周期计算的也减少了。所以当发生模块故障自动旁路之后，应该根据R与k的关系来确定是否投入备用模块。三是总的输入电压Vs增加了，导致应该投入的模块数比上一个控制周期计算的增加了。投入备用模块之后，更新m，然后更新M[n]。

2)当R≥k，不进行旁路或者投入操作，只更新M[n]。此时包含两种情况：R＝k，即系统总的输入电压Vs没有增加至使得k改变，且无模块故障旁路；R>k，总的输入电压Vs降低使得k比上一控制周期计算的减少了，此时不进行模块旁路切除，因为如果在电压降低和增加时都要进行模块切除和投入，将会导致在某些电压点，系统不停的投入和切除模块，因此Vs降低的情况导致的问题可由自适应调压控制策略解决。

如图7所示，为自适应调压控制策略流程图。具体包括：实时采样各个模块输入电压并计算总输入电压Vs，计算R个即将运行的模块的平均输入电压Vavg。在系统运行前的初始配置阶段，比较Vavg与V1的大小，当Vavg大于V1时，所有将要投入运行模块运行在单自由度调压模式，否则运行在双自由度调压模式。在系统运行过程中，如果当前处于单自由度调压模式，则比较Vavg和V1，当Vavg小于V1时，由单自由度调压模式转换为双自由度调压模式，否则保持调压模式不变；如果当前处于双自由度调压模式，则比较Vavg与V2的大小，当Vavg大于V2时，由双自由度调压模式转换为单自由度调压模式，否则保持调压模式不变。所述设定值V1小于设定值V2，有效防止旁路电路升压占空比在双自由度调压与单自由度调压模式中反复切换。确定了所有即将运行的模块的调压模式后，更新M[n]。

Claims (9)

1.一种用于海底供电的直流变换器，其特征在于，包括N个级联的功率模块；所述功率模块包括依次连接的旁路模块、高频开关模块、变压器模块、整流模块和滤波模块；所述旁路模块包括输入电感和n个结构相同的旁路单元以及两个防反二极管，n个所述旁路单元串联形成串联支路，该串联支路两端各接一防反二极管，两个防反二极管输出接所述高频开关模块；所述高频开关模块包括n个结构相同的高频开关电路，n个所述高频开关电路的输入端串联；其中n≥2。

2.根据权利要求1所述的用于海底供电的直流变换器，其特征在于，所述旁路单元包括至少一个常通型晶体管。

3.根据权利要求1所述的用于海底供电的直流变换器，其特征在于，所述高频开关电路采用双管正激电路或者单端正激电路。

4.根据权利要求1所述的用于海底供电的直流变换器，其特征在于，所述变压器模块原边、副边分别有n个绕组；原边n个绕组分别对应与n个高频开关电路输出端连接；副边n个绕组分别对应与n个整流模块连接。

5.根据权利要求4所述的用于海底供电的直流变换器，其特征在于，所述n个整流模块输出端均与滤波模块连接，所述滤波模块采用LC低通滤波电路。

6.一种权利要求1～5之一所述直流变换器的控制方法，其特征在于，

该方法包括：

1)实时采样每个功率模块输入电压和接收由所有功率模块的状态代码组成的向量F[N]，计算应该投入的功率模块数，并更新由所有功率模块的模式代码组成的向量M[N]；

2)根据自适应调压控制方法，确定应该投入的功率模块的运行模式，并更新所述向量M[N]；

3)根据步骤2)更新后的M[N]中的模式代码，向各功率模块发送对应的指令；

4)返回步骤1)，循环直到收到来自上位机的停机指令或者系统遇到必须停机的故障。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中，还包括：实时采样各个功率模块的输入电压，计算总输入电压Vs，根据F[N]统计正在运行的功率模块数R，计算应该投入的功率模块数k，所述应该投入的功率模块数k为满足当有一个正在运行的功率模块故障旁路后，其他功率模块输入电压不会过压时投入的最少模块数；比较R和k，实现功率模块的自动冗余投切。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，功率模块的自动冗余投切的具体实现过程包括：当R<k时，投入备用功率模块，使得R＝k，并更新M[N]；当备用功率模块数m少于应该补充的投入的功率模块数(k-R)时，对所述直流变换器进行降压处理，或停止所述直流变换器运行；当R≥k时，不进行旁路或者投入功率模块的操作，更新M[N]。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中，更新M[N]的具体实现过程包括：计算R个即将运行的功率模块的平均输入电压Vavg；比较Vavg与V1的大小，当Vavg大于V1时，所有将要投入运行的功率模块运行在单自由度调压模式，否则运行在双自由度调压模式；若当前时刻处于单自由度调压模式，则比较Vavg和V1，当Vavg小于V1时，由单自由度调压模式转换为双自由度调压模式，否则保持调压模式不变；若当前时刻处于双自由度调压模式，则比较Vavg与V2的大小，当Vavg大于V2时，由双自由度调压模式转换为单自由度调压模式，否则保持调压模式不变；确定了所有即将运行的功率模块的调压模式后，更新M[N]；其中，V1＜V2。

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