CN107093894B - 一种适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，包括主功率变换模块、模拟负载模块、通信控制模块以及过压过流保护模块；其中，主功率变换模块用于将高压直流恒流输入变换为低压恒压输出，模拟负载模块用于保证水下恒流恒压转换装置的恒功率输出，模拟负载模块与主功率变换模块并联，当主功率变换模块输出故障时，由控制模拟负载模块实现恒功率输出；通信控制模块用于岸基站对水下恒流恒压转换装置进行远程控制，远程控制包括：调整输出功率、监控水下供电状态信息；过压过流保护模块用于防止旁路供电中海缆短路产生的瞬间过压、涌浪电流冲击、地磁感应电流冲击以及反向浪涌冲击。
Description
技术领域
本发明涉及水下远程高压直流恒流的供配电***领域，尤其涉及一种适用于海底观测网络远距离高压直流恒流供电***的长期高可靠工作的水下恒流恒压转换装置。
背景技术
海底观测***通常是指由岸基站、光电复合缆、水下主节点以及水下监测设备组成的能够对海底区域进行长期实时探测、传输数据、采集分析样品以及进行原位实验的自动网络***，是国际海洋届公认的人类探测海洋的第三个观测平台。海底观测***的水下供配电***是海底观测网络的重要构成，面临着海底维护成本高昂、水下节点分散、供电传输距离长、传输功率连续、工作环境差等不利因素，还面临着单个主节点或海缆出现短路故障等挑战。
目前，水下远程供配电方式主要包括三种类型：交流供电、直流恒压供电、直流恒流供电。其中：
(1)交流(AC)供电：岸基站采用类似于陆地常规电网的交流供电技术，通过多芯铜导体海缆将电能传输到水下节点的电源转换装置，电源转换装置采用交流-交流或交流-直流方式进行电能转换提供给水下监测仪器。交流供电方式在陆网短距离广泛使用，但对于百公里级甚至千公里的远距离输电，供电线路产生的电容电流将严重限制交流电缆的输送距离；而且交流供电通常采用较粗的多芯铜导体，造价高、施工难度大；交流供电还存在同步运行稳定性问题，因此交流供电方式限于近岸、短距离的海底观测网络应用。
(2)直流恒压(CV)供电：岸基站采用高压直流电源恒压供电，以海水为正极、海缆铜导体为负极构成供电回路，以恒定电压方式将高压直流电传输到水下电源转换装置，后者将直流高电压降低至中低压，供监测仪器使用；直流恒压供电方式下各节点呈并联模式取电，具有输电功率大、转换效率高、扩展性能强等优点，加拿大的NEPTUNE、美国的OOI海底观测网络均采用直流恒压供电方式。但该供电方式存在短路故障的致命缺点，即一旦发生海缆短路或水下节点短路，整个供电***瘫痪崩溃。我国海域海底大陆架面积大、分布广，渔业作业非常频繁且不规范，发生短路故障几率高，因此采用直流恒压供电方式将导致***维护成本非常高昂。
(3)直流恒流(CC)供电：岸基站采用高压直流电源恒流供电，同样以海水为正极、海缆铜导体为负极构成供电回路，以恒定电流方式将高压直流电传输到水下电源转换装置，后者进行电能变换为恒定低电压，供给观测仪器使用。水下直流恒流供电方式广泛应用于海底通信领域，为水下中继放大器和分支器供电使用，通常单个中继放大器或分支器的设备功耗不大于50W。海底观测网领域采用直流恒流供电方式以日本DONET海底地震监测网络为代表，该网络采用高压直流恒流供电，水下电能转换装置采用恒流-恒流、恒流-恒压二级变换装置实现485W功率输出。相对于直流恒压转换而言，恒流供电方式存在通常供电功率偏小、扩展性稍差等不足，但随着水下监测设备逐步小型化、低功率的发展趋势，对供电功率需要逐步降低，单个节点数百W功率可满足绝大多数仪器设备的功耗要求。而且，相对于直流恒压方式，直流恒流供电方式各节点呈串联取电模式，具有如下优点：
●鲁棒性高。恒流供电具有天然的抵抗短路故障的能力，因其为串联方式连接，一旦发生短路故障，***将以短路故障点为海水回路接地点，仍可继续为***正常供电，提高***运行效率，降低***维护成本。
●易于海缆故障定位。根据恒流馈电回路的直流阻抗即可较容易判定故障大致位置，同样可降低***维护成本。
因此直流恒流供电方式应成为我国建设大规模海底观测网络供电方式重要选择。
海底观测网直流恒流供电***主要包括两类设备：岸基恒流馈电设备(PFE)和水下恒流恒压转换装置(CC/CV)，PFE实现市电恒压到高压恒流转换功能；水下恒流恒压装置是主节点的主要构成部分，实现高压恒流输入到低压恒压输出转换功能，相对于岸基PFE设备，水下设备由于维护成本昂贵，对设备可靠性提出很高的要求，通常提出需要满足使用寿命超过25年。
对于功率数十W的需求，现有海底通信领域采用串联稳压电路实现取电，该技术方案原理简单、可靠，因此在海底中继器的供电电路广泛使用；而对于功率数百W的需求，采用串联稳压方式原理可行，但常见的大功率稳压管通常不超过10W，随着功率增大，一方面串联所需稳压管数量增加其可靠性下降，另一方面电能转换装置处于水下密闭腔体中，无论采用充油或传导散热，数百W的散热对稳压管都将带来极大隐患，且随着输出功率加大，供电载荷的突变也将严重影响供电***的可靠性。目前陆上恒流-恒压转换装置通常采用PWM高频开关、DC-DC并联谐振方案，但现有方案通常为低压恒流供电环境，不同于海底观测网远程高压直流供电环境，且陆上装置未充分考虑高可靠性、高压隔离、***冗余、供电回路稳定性、故障隔离与控制、以及水下散热等功能。日本DONET海底地震监测网络中的水下电能转换装置采用高压恒流-低压恒流(CC/CC)、低压恒流-低压恒压(CC/CV)两级变换输出方式，由于涉及其商业机密，仅给出简单框图，缺少具体内容描述。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的陆上恒流-恒压转换装置不适应海洋环境的缺陷，从而提供一种可实现长期高可靠工作适用于海底观测网络负高压(-10kV)直流恒流供电***的恒流(1A)转恒压(输出电压小于72V、功率数百W)的电能转换装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，包括主功率变换模块、模拟负载模块、通信控制模块以及过压过流保护模块；其中，
所述主功率变换模块用于将高压直流恒流输入变换为低压恒压输出，所述模拟负载模块用于保证水下恒流恒压转换装置的恒功率输出，所述模拟负载模块与主功率变换模块并联，当主功率变换模块输出故障时，由控制模拟负载模块实现恒功率输出；所述通信控制模块用于岸基站对水下恒流恒压转换装置进行远程控制，所述远程控制包括：调整输出功率、监控水下供电状态信息；所述过压过流保护模块用于防止旁路供电中海缆短路产生的瞬间过压、涌浪电流冲击、地磁感应电流冲击以及反向浪涌冲击。
上述技术方案中，所述主功率变换模块有多个，多个主功率变换模块之间串联。
上述技术方案中，所述主功率变换模块进一步包括：开关电路、变压器、电压反馈电路、整流电路、LC滤波电路以及稳压输出电路；其中，所述开关电路一端与通信控制模块相连，另一端则连接到变压器上，所述整流电路的一端连接到变压器，另一端与LC滤波电路相连，稳压输出电路与LC滤波电路相连；所述电压反馈电路的一端与通信控制模块相连，另一端与LC滤波电路并联。
上述技术方案中，所述主功率变换模块中的电压反馈电路采用霍尔传感器实现。
上述技术方案中，所述主功率变换模块中的开关电路选择有快速过流关断功能的UC1526实现。
上述技术方案中，所述模拟负载模块进一步包括电压取样电路、主电路以及负载电阻；其中，电压取样电路、主电路、负载电阻三者并联。
上述技术方案中，所述通信控制模块进一步包括：通信单元、水下控制单元及辅助电源；其中，所述通信单元用于将所接收到的控制命令实现光电转换，并将转换后的控制命令发送给水下控制单元；所述辅助电源至少有两个，为通信单元、水下控制单元提供电能，所述水下控制单元至少有两个，分别对所述主功率变换模块、模拟负载模块进行控制。
上述技术方案中，所述辅助电源悬浮在海缆输入端，选用1N3317B型高功率稳压管，由多路稳压二极管构成稳压电源。
上述技术方案中，通信控制模块中的通信单元采用双冗余热备份工作模式，采用FPGA自动选择通信链路实现。
本发明的优点在于：
(1)结构简单：采用电路结构简单的推挽电路替代数量众多的稳压管分离器件电路，实现数百W功率恒流恒压(CC/CV)一级变换方式，充分考虑高压隔离设计，简单可靠；
(2)***供电稳定：恒流恒压装置为恒功率输出，可有效应对供电负荷突变，确保整个网络供电***稳定，提高***可靠性性；
(3)冗余可靠：采用多个模块串联冗余设计构成，提高电能转换装置的可靠性；
(4)故障隔离：采用远程双工通信实现恒流恒压电能装置远程监控，可进行远程故障隔离、切换，提高供电网络的灵活性和可靠性；
(5)充分保护：充分考虑过流、过压以及电磁干扰保护机制。
附图说明
图1是水下恒压恒流转换装置在远程海底观测***中的应用方式示意图；
图2是水下恒压恒流转换装置***框图；
图3是水下恒流恒压电源主功率变换模块结构图；
图4是主功率变换模块的PPCB电路原理图；
图5是水下恒流恒压电源的模拟负载结构图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
在对本发明的水下恒流恒压转换装置做详细说明之前，首先对该装置在远程海底观测***中的应用方式进行说明。如图1所示，在远程海底观测***的供电***中，包括：岸基恒流馈电设备(PFE)、海缆、分支器、水下恒压恒流转换装置(CC/CV)；该供电***采用双端供电的方式，所述岸基恒流馈电设备有两套，分别位于供电***的两端，该设备用于将三相交流380VAC转换为10kV负高压、1A恒流输出；其中任一岸基恒流馈电设备通过海缆与分支器连接；所述分支器有多个，多个分支器之间通过海缆串联；每个分支器上连接有一水下恒压恒流转换装置，单个水下恒压恒流转换装置可提供300W@72VDC电能输出，为外接监测设备提供电能。
本发明的水下恒流恒压转换装置适用于负高压(-10kV)直流恒流(1A)供电输入，低压恒压(72VDC)、300W输出功率。图2为本发明的水下恒流恒压转换装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括：主功率变换模块、模拟负载模块、通信控制模块以及过压过流保护模块；其中，所述主功率变换模块用于将高压直流恒流输入变换为低压恒压输出，所述模拟负载模块用于保证水下恒流恒压转换装置的恒功率输出，所述模拟负载模块与主功率变换模块并联，当主功率变换模块输出故障时，由控制模拟负载模块实现恒功率输出；所述通信控制模块用于岸基站对水下恒流恒压转换装置进行远程控制，所述远程控制包括：调整输出功率、监控水下供电状态信息；所述过压过流保护模块用于防止旁路供电中海缆短路产生的瞬间过压、涌浪电流冲击、地磁感应电流(GIC)冲击以及反向浪涌冲击。
下面对本发明中的模块做进一步的说明。
所述主功率变换模块进一步包括：开关电路、变压器、电压反馈电路、整流电路、LC滤波电路以及稳压输出电路；其中，所述开关电路一端与通信控制模块相连，另一端则连接到变压器上，所述整流电路的一端连接到变压器，另一端与LC滤波电路相连，稳压输出电路与LC滤波电路相连；所述电压反馈电路的一端与通信控制模块相连，另一端与LC滤波电路并联。高压直流恒流输入在所述主功率变换模块中经整流、LC滤波、线性稳压后转变为直流恒压输出，输出纹波小于200mV，以满足监测仪器负载的低纹波需求。
作为一种优选实现方式，在一个实施例中，所述主功率变换模块中的电压反馈电路采用霍尔传感器实现，以保证电压高精度采集，同时隔离电压15kV。
作为一种优选实现方式，在一个实施例中，所述主功率变换模块中的开关电路选择有快速过流关断功能的UC1526实现。
图5是水下恒流恒压电源的模拟负载模块框图。如图所示，模拟负载模块包括电压取样电路、主电路以及负载电阻；其中，电压取样电路、主电路、负载电阻三者并联。电压取样电路将输入电压通过光耦进行隔离，变为光信号，再转换为电压取样信号，由图2中通信控制模块实现对模拟负载的闭环控制。模拟负载模块的主电路类似于主功率变换单元，同样采用推挽电路实现，同样采用多组串联模式。负载电阻采用体积小、功率大的陶瓷封装功率电阻，采用热传导方式实现热量传导散热。
所述通信控制模块进一步包括：通信单元、水下控制单元及辅助电源；其中，所述通信单元用于将所接收到的控制命令实现光电转换，并将转换后的控制命令发送给水下控制单元；所述辅助电源至少有两个，为通信单元、水下控制单元提供电能，所述水下控制单元至少有两个，分别对所述主功率变换模块、模拟负载模块进行控制。
辅助电源悬浮在海缆输入端，选用1N3317B型高功率稳压管，由多路稳压二极管构成稳压电源。
通信控制模块中的通信单元采用双冗余热备份工作模式，采用FPGA自动选择通信链路，以保证水下恒流恒压电源与岸基直接通讯正常。
过压过流保护模块独立工作，其用于检测主节点进出线两端电压，当远高于正常值时，认为水下恒流恒压转换装置开路，该过压过流保护模块中的短路装置自动短路，保证电流通过，不影响其他主节点的正常运行。
为便于描述，在图2所示的实施例中，所述主功率变换模块仅有一个，在其他实施例中，所述主功率变换模块可以有多个。如图3所示的实施例中，所述主功率变换模块有四个(在图2中采用PPCB表示主功率变换模块)，这些模块串联连接，既可增加输出功率，同时实现冗余输出，即使单个PPCB发生故障，其输入电流可被短路，输出电流通过二极管输出到其他正常工作的PPCB，从而提高***输出稳定性。
图4是主功率变换模块的电路原理图，如图所示，该电路中的拓扑电路为推挽电路，具有结构简单、成熟可靠的特点；本发明采用恒流恒压(CC/CV)一级转换，简化电路复杂度、提高可靠性。电路中的输出变压器采用高绝缘设计，保证输出变压器的输入输出隔离电压高于10kV，高压变压器采用多个UF型大功率铁氧体材料拼装结构，选用铁氧体材料为工作频率较高的PC50。输入端C3选用高耐压(不低于400VAC)、大容量(不小于1uF)的电容，抑制供电回路中的电压尖峰，提高隔离变压器的稳定性。
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 (7)
1.一种适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，包括主功率变换模块、模拟负载模块、通信控制模块以及过压过流保护模块；其中，
所述主功率变换模块用于将高压直流恒流输入变换为低压恒压输出，所述模拟负载模块用于保证水下恒流恒压转换装置的恒功率输出，所述模拟负载模块与主功率变换模块并联，当主功率变换模块输出故障时，由控制模拟负载模块实现恒功率输出；所述通信控制模块用于岸基站对水下恒流恒压转换装置进行远程控制，所述远程控制包括：调整输出功率、监控水下供电状态信息；所述过压过流保护模块用于防止旁路供电中海缆短路产生的瞬间过压、涌浪电流冲击、地磁感应电流冲击以及反向浪涌冲击；
所述主功率变换模块进一步包括：开关电路、变压器、电压反馈电路、整流电路、LC滤波电路以及稳压输出电路；其中，所述开关电路一端与通信控制模块相连，另一端则连接到变压器上，所述整流电路的一端连接到变压器，另一端与LC滤波电路相连，稳压输出电路与LC滤波电路相连；所述电压反馈电路的一端与通信控制模块相连，另一端与LC滤波电路并联；
所述模拟负载模块进一步包括电压取样电路、主电路以及负载电阻；其中，电压取样电路、主电路、负载电阻三者并联；模拟负载模块的主电路采用推挽电路实现。
2.根据权利要求1所述的适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，所述主功率变换模块有多个，多个主功率变换模块之间串联。
3.根据权利要求1所述的适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，所述主功率变换模块中的电压反馈电路采用霍尔传感器实现。
4.根据权利要求1所述的适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，所述主功率变换模块中的开关电路选择有快速过流关断功能的UC1526实现。
5.根据权利要求1或2所述的适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，所述通信控制模块进一步包括：通信单元、水下控制单元及辅助电源；其中，所述通信单元用于将所接收到的控制命令实现光电转换，并将转换后的控制命令发送给水下控制单元；所述辅助电源至少有两个，为通信单元、水下控制单元提供电能，所述水下控制单元至少有两个，分别对所述主功率变换模块、模拟负载模块进行控制。
6.根据权利要求5所述的适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，所述辅助电源悬浮在海缆输入端，选用1N3317B型高功率稳压管，由多路稳压二极管构成稳压电源。
7.根据权利要求5所述的适用于海底恒流供电***的水下恒流恒压转换装置，其特征在于，通信控制模块中的通信单元采用双冗余热备份工作模式，采用FPGA自动选择通信链路实现。
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