CN114825971B - 适用于海底电源的可扩展辅助电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于海底电源的可扩展辅助电源系统及其控制方法，只用一根高绝缘母线连接所有的高压侧辅电单元和低压侧辅电单元，实现了各个辅电单元的相互绝缘。本发明中，各个辅电单元结构相同，且采用单母线连接的方式使得本发明的辅电系统可扩展性很高，可以适用于不同电压等级和功率等级的海底电源以及其他相似结构的中压直流变换器中。本发明可以通过取电电路从海底电源内部本地取电，然后转换为功率模块控制单元和总体控制单元所需的辅电，无需外部供电或者控制。相比于从中压直流输入海缆上取电的方式的辅电系统，本发明结构简单，可靠性高。

Description

适用于海底电源的可扩展辅助电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及隔离辅助电源技术，特别是一种适用于海底电源的可扩展辅助电源系统及其控制方法。

背景技术

随着海底观测网的发展，需要可靠性高的海底电源为海底观测网提供电能保障。目前海底电源比较常见的方案是采用模块化组合式结构，其面临的一个难题是，由于海底电源是放在海底，与海岸上的联系是通过一根传输中压直流和光通信信号的光电复合海缆，没有额外的辅助电源线路给海底电源中控制电路供电，所以海底电源需要经历一个黑启动的过程。同时，模块化组合式的海底电源的功率模块需要相互独立相互隔离的辅助电源。一个常规的方案是设计另外一个小功率的中压直流变换器从光电复合海缆上直接取中压直流电，再转换为需要的低压直流辅助电源电压，然后再通过多个高压隔离变压器输出多路相互隔离的辅助电源。该方案需要额外的中压直流变换器，无异于再增加一个小型的海底电源作为辅助电源，技术难度大。如果辅助电源故障，或者某一路辅电出现故障导致整个辅助电源系统故障，则海底电源就无法启动或者正常工作，可靠性低。而且当海底电源功率模块数目变化时，该辅助电源需要进行扩容和参数修改，输出数目可扩展性低。

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，提供一种适用于海底电源的可扩展辅助电源系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于海底电源的可扩展辅助电源系统，包括：

N个高压侧辅电单元，每个高压侧辅电单元与一功率模块控制单元连接；

N个功率模块，每个功率模块对应与一功率模块控制单元连接；

所有的功率模块输出侧均接低压侧辅电单元，所有的高压侧辅电单元均通过一根交流母线接所述低压侧辅电单元；

每个所述高压侧辅电单元与一输入电容并联；

N个所述输入电容串联；

其中，所述高压侧辅电单元与所述低压侧辅电单元结构相同；

所述高压侧辅电单元包括依次连接的取电电路、全桥变换器、谐振电路；所述谐振电路与第一变压器原边连接；所述第一变压器副边接交流母线；所述交流母线与第二变压器副边连接，所述第二变压器原边接相位跟随电路。

本发明只用一根高绝缘母线连接所有的高压侧辅电单元和低压侧辅电单元，实现了各个辅电单元的相互绝缘。本发明中，各个辅电单元结构相同，且采用单母线连接的方式使得本发明的辅电系统可扩展性很高，可以适用于不同电压等级和功率等级的海底电源以及其他相似结构的中压直流变换器中。本发明可以通过取电电路从海底电源内部本地取电，然后转换为功率模块控制单元和总体控制单元所需的辅电，无需外部供电或者控制。相比于从中压直流输入海缆上取电的方式的辅电系统，本发明结构简单，可靠性高。

本发明中，所述取电电路通过防反二极管与所述全桥变换器连接；所述防反二极管两端与控制电路连接；所述控制电路接所述相位跟随电路。防反二极管可以防止取电电路故障时，对交流母线及全桥变换器产生不利影响。

本发明中，为了进一步提高辅助电源系统的可靠性，当所述取电电路输出电压低于设定值时，判定所述取电电路失效，然后控制双向变换器(即全桥变换器)输入功率。

所述高压侧辅电单元控制过程包括：

若在设定的时间T内，所述交流母线上无电流，则判定所有的高压侧辅电单元未启动，将自激振荡产生的PWM信号作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线输出功率，先启动采用自激振荡输出功率的高压侧辅电单元；

若在设定的时间T内，所述交流母线上有电流，选择检测到的交流母线电流相位作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线输出功率；

判断取电电路是否持续输出电压，若是，则控制双向变换器输出功率；否则，控制双向变换器输入功率。

本发明控制过程可以在所有高压侧辅电单元没有相互通信的情况下，完成自启动并保持所有的辅电单元在交流母线上同频率同相位，保证了辅电系统的稳定。

同时本发明的控制过程可以转换双向变换器传输功率方向，实现所有辅电单元之间的相互备份。

本发明控制过程配合本发明的辅电单元电路结构，可以实现多个功能，而无需复杂的电路和控制逻辑。

所述低压侧辅电单元控制过程包括：

检测交流母线上的电流，若交流母线上有电流，则判定所述低压侧辅电单元启动；

判断取电电路是否持续输出电压，若是，则控制双向变换器输出功率；否则，控制双向变换器输入功率。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种上述可扩展辅助电源系统的控制方法，包括以下步骤：

当设定的时间T内检测到交流母线上存在电流时，将检测到的交流母线电流相位作为PWM信号来源；否则，将自激振荡产生的开关信号作为PWM信号来源；

将所述PWM信号以及取电电路的输出电压经过滤波、电平转换操作，得到全桥逆变器的驱动信号；

或者，

将检测到的交流母线电流相位作为PWM信号来源；

将所述PWM信号以及取电电路的输出电压经过滤波、电平转换操作，得到全桥逆变器的驱动信号。

本发明中，所有辅电单元(高压侧辅电单元及低压侧辅电单元)均包括一个功率可以双向传输的双向变换器，本发明的控制方法可以实现海底电源的黑启动以及各个辅电单元之间的相互冗余备份，提高了辅电系统的供电持续性和可靠性。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明从海底电源内部本地取电，然后转换为功率模块控制单元和总体控制单元所需的辅电，无需外部供电或者控制。相比于从中压直流输入海缆上取电的方式的辅电系统，本发明结构简单，可靠性高，可扩展性强；

(2)本发明只用一根高绝缘母线连接所有的高压侧辅电单元和低压侧辅电单元，就实现了各个辅电单元相互绝缘。所有辅电单元包括一个功率可以双向传输的双向变换器，可以实现海底电源的黑启动以及各个辅电单元之间的相互冗余备份，提高了辅电系统的供电持续性和可靠性；

(3)本发明采用模块化设计，各个辅电单元结构相同，而且采用单母线连接的方式使得本方案的辅电系统可扩展性很高，可以适用在不同电压等级和功率等级的海底电源以及其他相似结构的中压直流变换器中。

附图说明

图1为本发明实施例的适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统基本原理框图；

图2为本发明实施例适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统中高压侧辅电单元电路原理框图；

图3为本发明实施例适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统中低压侧辅电单元电路原理框图；

图4为本发明实施例适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统中高压侧辅电单元控制原理框图；

图5为本发明实施例适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统中低压侧辅电单元控制原理框图；

图6为本发明实施例适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统中高压侧辅电单元控制流程图；

图7为本发明实施例适用于海底电源的可扩展高可靠辅助电源系统中低压侧辅电单元控制流程图。

具体实施方式

本发明实施例适用于海底电源的可扩展辅助电源系统如图1所示。该辅助电源系统包含N个高压侧辅电单元，一个低压侧辅电单元，一路交流母线(即图1中的高频交流母线)。N为采用模块化结构的海底电源中的功率模块数目，N可以根据海底电源电压等级和功率等级任意修改。辅助电源系统的电能都来源于海底电源，不需要任何外部电能和控制。高压侧辅电单元和低压侧辅电单元结构相同都包括一个本地取电电路和双向功率变换器。一路交流母线为一根高耐压绝缘导线，连接所有高压侧辅电单元和低压辅电单元。

如图1所示，每个高压侧辅电单元包括一个输入端口，一个输出端口和一个双向端口；其中输入端口连接功率模块的输入电容Cin，输出端口连接功率模块控制单元辅电，双向端口连接交流母线。

如图1所示，低压侧辅电单元包括一个输入端口，一个输出端口和一个双向端口；其中输入端口连接海底电源输出，输出端口连接低压侧总体控制单元辅电，双向端口连接交流母线。

如图1所示，交流母线连接所有的高压侧辅电单元和低压侧辅电单元。

如图2所示，高压侧辅电单元包括本地取电电路，全桥变换器，两个变压器，谐振电路，相位跟随电路以及控制电路。其中本地取电电路可以采用DC-DC变换模块。

如图2所示，本地取电电路(即取电电路)输出通过一个防反二极管D连接到控制单元辅电母线，防反二极管D的作用是在本地取电电路发生短路故障时防止控制单元母线电容向本地取电电路放电而短路，从而隔离本地取电电路的故障，使其不会影响控制单元母线和全桥变换器。

如图2所示，控制单元母线电容连接双向变换器，本实施例中，双向变换器为全控型电力电子器件构成的全桥变换器。

如图2所示，双向变换器连接谐振电路，谐振电路由电感和电容组成。

如图2所示，变压器T1，T2连接在交流母线上，T1可以实现辅电单元与交流母线之间的双向功率传输。T2可以感应交流母线上的电流Iac，并输出与Iac同相位或者有固定相位关系的电压信号。

如图2所示，相位跟随电路连接T2，检测T2输出的电压信号并转换为与Iac相位相关的信号。

如图2所示，控制电路采集控制单元辅电母线电压和Iac相位，通过相应的控制策略，产生双向变换器需要的驱动信号G1-G4。

如图3所示和图2所示，低压侧辅电单元电路结构与高压侧辅电单元的电路结构一样。

高压侧辅电单元的本地取电电路的输入为海底电源功率模块输入电容电压，输出为海底电源功率模块控制单元辅电；所述高压侧辅电单元的双向功率变换器通过交流母线，实现高压侧辅电单元与交流母线上其他辅电单元之间的双向功率传输。低压侧辅电单元的本地取电电路的输入为海底电源的输出电压，输出为海底电源总体控制单元辅电。低压侧辅电单元的双向功率变换器通过交流母线，实现低压侧辅电单元与交流母线上其他辅电单元之间的双向功率传输。

高压侧辅电单元的双向功率变换电路包括全桥变换器，两个变压器，谐振电路，相位跟随电路以及高压侧辅电单元控制电路。全桥变换器和其中一个变压器可以实现功率双向传输。谐振电路由电感和电容组成，本实施例中，谐振电路为一个电感和两个电容组成的LC-C谐振电路。相位跟随电路通过所述另外一个变压器获取交流母线上的电流相位。

高压侧辅电单元控制电路的控制策略包括：1)海底电源上电之后，本地取电电路启动，控制电路上电；2)通过相位跟随电路检测到的信号判断交流母线上是否有电流；3)如果在设定的时间T以内，母线上没有电流，则认为所有高压侧辅电单元还没有启动，然后选择自激振荡产生的PWM作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线输出功率，采用自激振荡输出功率的辅电单元为第一个启动的辅电单元，有且只有一个这样的辅电单元；4)如果在规定时间T以内，检测到母线上有电流，则认为已经有其他高压侧辅电单元启动并输出功率，然后选择检测到的母线电流相位作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线上输出功率；5)启动之后，持续检测本地取电电路输出电压：6)如果本地取电电路输出电压持续存在，控制双向变换器继续输出功率；7)如果本地取电电路输出电压低于一定值，控制双向变换器输入功率，以维持功率模块控制单元所需的辅电。

低压侧辅电单元的双向功率变换电路包括全桥变换器，两个变压器，谐振电路，相位跟随电路以及低压侧辅电单元控制电路。

低压侧辅电单元控制电路的控制策略包括：1)上电启动之后检测交流母线上的电流，低压侧辅电单元能启动说明交流母线上肯定已经有电流；2)持续检测本地取电电路输出电压；3)如果本地取电电路输出电压持续存在，控制双向变换器输出功率；4)如果本地取电电路输出电压低于一定值，控制双向变换器输入功率以维持低压侧总体控制单元所需的辅电。

如图4所示，高压侧辅电单元控制电路输入信号为母线电路Iac相位，本地取电电路输出电压VL_j(j为功率模块编号，1≤j≤N)，输出信号为双向变换器的驱动信号G1-G4。

如图4所示，Iac相位通过触发与锁存电路，其输出可以表征母线上有无电流。当在延时电路设定的时间T以内检测到了母线电流，则或逻辑电路就输出选通信号为1，选择PWM来源为Iac相位。如果在T时间以内没有检测到母线电流，则或逻辑电路就输出选通信号为0，选择PWM来源为自激振荡产生的开关信号。

如图4所示，选定PWM来源之后，选择的信号经过信号处理电路，信号处理主要包括滤波，电平转换等操作。本发明实施例中，滤波操作可以采用滤波电路实现，例如滤波电路为低通RC滤波；电平转换操作可以电平转换电路实现，电平转换电路采用电平转换集成芯片。将经过处理的PWM信号直接送到驱动电路。

如图4所示，本发明实施例根据PWM信号输出四路驱动信号，控制双向变换器的工作。

如图4所示，通过检测本地取电电路输出电压VL_j来判断本地取电电路有没有正常工作，当VL_j低于特定值时，就认为本地取电电路失效，则控制双向变换器输入功率，来维持高压辅电单元中辅电母线的电压。当VL_j维持在稳定值时，则控制双向变换器输出功率，可以为交流母线上其他辅电单元提供功率。

如图5所示，信号处理电路和驱动电路与图4中的功能一样，主要是少了PWM信号来源选择部分。对于低压侧辅电单元，不需要通过自激振荡产生脉冲信号。

如图5所示，通过检测本地取电电路输出电压VL_0来判断本地取电电路有没有正常工作。当VL_0低于特定值时，就认为本地取电电路失效，或者海底电源还没有完全启动，输出电压Vo没有达到本地取电电路启动条件，此时控制双向变换器输入功率，来维持高压辅电单元中辅电母线的电压。当VL_0维持在稳定值，说明海底电源已经启动并且本地取电电路正常工作，此时控制双向变换器输出功率，可以为交流母线上其他辅电单元提供功率。

如图6所示，高压侧辅电单元控制流程包括启动过程和输入或者输出功率过程。因为刚开始上电，交流母线上是没有电流的，需要各个高压侧辅电单元进行竞争。哪个辅电单元第一个上电就自激振荡产生PWM，输出功率，然后母线上就会有电流。其他辅电单元都以检测到的交流母线电流相位为参考，产生PWM。具体流程包括：1)海底电源上电之后，本地取电电路启动，控制电路上电；2)通过相位跟随电路检测到的信号判断交流母线上是否有电流；3)如果在设定的时间T以内，母线上没有电流，则认为所有高压侧辅电单元还没有启动，然后选择自激振荡产生的PWM作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线上输出功率，采用自激振荡输出功率的辅电单元第一个启动，有且只有一个这样的辅电单元；4)如果在规定时间T以内，检测到母线上有电流，则认为已经有其他高压侧辅电单元启动并输出功率，然后选择检测到的母线电流相位作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线上输出功率；5)启动之后，持续检测本地取电电路输出电压：6)如果本地取电电路输出电压持续存在，控制双向变换器继续输出功率；7)如果本地取电电路输出电压低于一定值，控制双向变换器输入功率，以维持功率模块控制单元所需的辅电。

如图7所示，低压侧辅电单元控制流程包括：1)上电启动之后检测交流母线上的电流，低压侧辅电单元能启动说明交流母线上肯定已经有电流；2)持续检测本地取电电路输出电压；3)如果本地取电电路输出电压持续存在，控制双向变换器输出功率；4)如果本地取电电路输出电压低于一定值，控制双向变换器输入功率以维持低压侧总体控制单元所需的辅电。

Claims (3)

1.一种适用于海底电源的可扩展辅助电源系统，其特征在于，包括：

N个高压侧辅电单元，每个高压侧辅电单元与一功率模块控制单元连接；

N个功率模块，每个功率模块对应与一功率模块控制单元连接；

所有的功率模块输出侧均接低压侧辅电单元，所有的高压侧辅电单元均通过一根交流母线接所述低压侧辅电单元；

每个所述高压侧辅电单元与一输入电容并联；

N个所述输入电容串联；

其中，所述高压侧辅电单元与所述低压侧辅电单元结构相同；

所述高压侧辅电单元包括依次连接的取电电路、全桥变换器、谐振电路；所述谐振电路与第一变压器原边连接；所述第一变压器副边接所述交流母线；所述交流母线与第二变压器副边连接，所述第二变压器原边接相位跟随电路；

所述取电电路通过防反二极管与所述全桥变换器连接；所述防反二极管两端与控制电路连接；所述控制电路接所述相位跟随电路；

所述高压侧辅电单元控制过程包括：

若在设定的时间T内，所述交流母线上无电流，则判定所有的高压侧辅电单元未启动，将自激振荡产生的PWM信号作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线输出功率，先启动采用自激振荡输出功率的高压侧辅电单元；

若在设定的时间T内，所述交流母线上有电流，选择检测到的交流母线电流相位作为全桥变换器的驱动信号来源，并向交流母线输出功率；

判断取电电路是否持续输出电压，若是，则控制全桥变换器输出功率；否则，控制全桥变换器输入功率；

所述低压侧辅电单元控制过程包括：

检测交流母线上的电流，若交流母线上有电流，则判定所述低压侧辅电单元启动；

判断取电电路是否持续输出电压，若是，则控制全桥变换器输出功率；否则，控制全桥变换器输入功率。

2.根据权利要求1所述的适用于海底电源的可扩展辅助电源系统，其特征在于，当所述取电电路输出电压低于设定值时，判定所述取电电路失效，控制所述全桥变换器输入功率。

3.一种权利要求1或2所述可扩展辅助电源系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当设定的时间T内检测到交流母线上存在电流时，将检测到的交流母线电流相位作为PWM信号来源；否则，将自激振荡产生的开关信号作为PWM信号来源；

将所述PWM信号以及取电电路的输出电压经过滤波、电平转换操作，得到全桥逆变器的驱动信号；

或者，

将检测到的交流母线电流相位作为PWM信号来源；

将所述PWM信号以及取电电路的输出电压经过滤波、电平转换操作，得到全桥逆变器的驱动信号。

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