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        基于恒流源遠(yuǎn)程供電技術(shù)的應(yīng)用研究

        2021-07-26 05:57:42解佳鵬康勇
        聲學(xué)與電子工程 2021年2期
        關(guān)鍵詞:岸基恒流源恒流

        解佳鵬 康勇

        (第七一五研究所,杭州,310023)

        伴隨人類對海洋探索的不斷加深,大量的科學(xué)探測儀器及傳感器安裝在海洋底部,這些儀器及傳感器運(yùn)行需要的電能從陸地岸基通過光電復(fù)合電纜輸送,因此遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程供電是海底監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要保證。

        遠(yuǎn)程供電技術(shù)包括交流供電技術(shù)、直流(恒壓)供電技術(shù)以及直流恒流供電技術(shù)。交流供電技術(shù)在陸地上應(yīng)用廣泛,且技術(shù)完善。但交流供電產(chǎn)生的諧波干擾難以去除,產(chǎn)生大量的無功功率,降低電纜的輸送容量,增加了遠(yuǎn)程供電的成本[1]。直流(恒壓)供電在傳輸過程中不需要依靠無功功率,電能輸送容量大,且干擾易濾除。但直流供電的最大缺點(diǎn)就是對短路故障極其敏感,短路一旦出現(xiàn),整個供電系統(tǒng)及水下監(jiān)測系統(tǒng)將陷入癱瘓,且故障不易定位[2]。隨著供電距離增加,水下各節(jié)點(diǎn)處的電壓越來越低,導(dǎo)致水下各節(jié)點(diǎn)取電模塊工作的輸入電壓范圍不一致,取電模塊的通用性差。恒流源采用全橋變換拓?fù)?,次級多路輸出級?lián)可實現(xiàn)寬電壓恒流輸出,I/V 模塊采用控制電容充電時間的方法,可實現(xiàn)電流與電壓的轉(zhuǎn)換。恒流供電技術(shù)在傳輸電能過程中,流過各節(jié)點(diǎn)的電流相等,各節(jié)點(diǎn)兩端的電壓將取決于其負(fù)載的大小,水下節(jié)點(diǎn)電源的通用性強(qiáng),且抗故障能力更強(qiáng),更容易實現(xiàn)故障定位[3]。

        1 恒流供電系統(tǒng)設(shè)計

        1.1 系統(tǒng)組成

        恒流供電系統(tǒng)通常由岸基恒流源、光電復(fù)合電纜、I/V 轉(zhuǎn)換模塊、DC/DC 模塊等部分構(gòu)成,如圖1 所示。其中岸基恒流源將岸基電能轉(zhuǎn)換成恒定電流,通過光電復(fù)合電纜為水下系統(tǒng)供電。I/V 轉(zhuǎn)換模塊是將岸基輸出的恒定電流轉(zhuǎn)換成恒定電壓,主要完成從恒流母線上取電,轉(zhuǎn)換成電壓源,經(jīng)過DC/DC 模塊,變換成水下終端使用的電壓。

        圖1 恒流供電系統(tǒng)的組成

        1.2 恒流源供電技術(shù)

        恒流源輸入采用三相交流380 V,在水下負(fù)載功率恒定的情況下,輸出電流及電壓取決于光電復(fù)合電纜的芯線粗細(xì)及絕緣特性:恒流源輸出電流越大,需要電纜芯線越粗(減小電纜上的損耗及壓降);輸出電流越小,電壓越高,則對電纜的絕緣要求越高。結(jié)合現(xiàn)有光電復(fù)合電纜絕緣特性,將輸出電流設(shè)計為1.5 A,輸出電壓為200~2000 V 之間。

        組成水下供電系統(tǒng)后,單個岸基恒流源帶多個水下I/V 節(jié)點(diǎn)工作。流過每個水下節(jié)點(diǎn)的電流相等,每個水下I/V 節(jié)點(diǎn)處的輸入電壓取決于其帶載功率的大小。若節(jié)點(diǎn)的帶載功率相近,則節(jié)點(diǎn)兩端的電壓相近,這與恒壓供電系統(tǒng)大不相同。

        對于高壓交/直流恒壓供電系統(tǒng),短路故障將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的停運(yùn),需要在水下節(jié)點(diǎn)中安裝復(fù)雜的保護(hù)電路[4],且故障定位算法復(fù)雜。恒流供電系統(tǒng)在短路處將連接海水,短路位置至兩臺岸基恒流源變?yōu)閮蓚€新的獨(dú)立遠(yuǎn)供系統(tǒng)(圖2),兩臺冗余備份的岸基恒流源將分別為兩個獨(dú)立遠(yuǎn)供系統(tǒng)重新提供電能,因此具有較強(qiáng)的抗短路能力,同時可根據(jù)岸基恒流源的電壓定位出故障點(diǎn)。

        圖2 短路模式下的恒流供電系統(tǒng)

        2 岸基恒流源設(shè)計

        恒流源原理框圖如圖3 所示,由AC/DC 單元、DC/DC 變換、控制模塊及采樣模塊組成。AC/DC單元采用三相橋式不可控整流,經(jīng)過無源三相PFC輸出電壓約為530 V 左右。DC/DC 單元采用調(diào)壓范圍較寬的全橋變換電路,全橋電路通過調(diào)節(jié)占空比可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。全橋變換將直流變換成高頻交流信號,經(jīng)過隔離變壓器后變換成相互隔離的高頻交流信號,如圖4 所示。隨后進(jìn)行整流濾波,變成4 組相互隔離的DC 電源,串聯(lián)起來組成高壓輸出直流母線,最高可輸出2000 V 電壓,同時也降低了次級整流管的耐壓要求。

        圖3 恒流源組成框圖

        圖4 DC/DC 單元

        在電源輸出端進(jìn)行電壓及電流采樣,用電壓及電流霍爾器件即可將高壓信號及電流信號轉(zhuǎn)換為直流小信號,同時隔離控制電路與功率電路。直流小信號通過調(diào)理電路后送入控制電路的AD。

        恒流源對輸出電流進(jìn)行反饋控制,如圖5 所示。采樣回來的電流與設(shè)定的電流進(jìn)行比較,經(jīng)過PI 環(huán)后,與三角波比較,調(diào)節(jié)輸出PWM 信號的占空比,控制全橋變換器功率管的通斷,調(diào)節(jié)全橋變換器的輸出電壓,進(jìn)而保持輸出電流恒定。負(fù)載R變大時,輸出電壓不變,輸出電流減小,占空比增大,輸出電壓升高,達(dá)到控制輸出電流恒定的目的。但恒流源存在開路及負(fù)載R超出額定值的狀況,因此需要做過壓保護(hù),保護(hù)功率器件不損壞。

        圖5 恒流源控制原理圖

        3 I/V 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

        I/V 轉(zhuǎn)換模塊由兩級變換組成:第一級將恒定電流轉(zhuǎn)換為電壓;第二級實現(xiàn)DC/DC 變換,將輸出與輸入隔離,同時將電壓變換為恒定的電壓。DC/DC 變換電路比較成熟,本文不作介紹。

        第一級電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓,利用了電容的特性,如下式:

        式中,ci為電容的電流,U c為電容兩端的電壓,C為電容的容值。經(jīng)過積分后可以得出電容兩端的電壓:

        因此可以通過控制恒流流入電容的時間來控制電容兩端的電壓。第一級的原理框圖如圖6 所示,電路由開關(guān)管、二極管、電容、電壓采樣、過壓保護(hù)、控制回路及開關(guān)的驅(qū)動回路組成。

        圖6 I/V 變換電路原理圖

        開關(guān)管S1 關(guān)斷時,電流流過二極管D1,給輸出電容C1 充電,同時給后級電源模塊供電,C1電壓上升,S1 開關(guān)管導(dǎo)通,電流旁路,C1 為后級DC/DC 提供能量。在S1 開通及關(guān)斷時間恒定的情況下,電容的容量決定了I/V 模塊輸出電壓的大小。

        控制電路實現(xiàn)輸出電壓在Udown~Uup的范圍內(nèi),當(dāng)輸出電壓超出Uup設(shè)定值時,控制電路輸出高電平,S1 導(dǎo)通,電流旁路;當(dāng)輸出電壓低于Udown時,控制電路輸出低電平,S1 關(guān)斷,電流流過二極管給電容充電。電容上電壓的波形及控制電路輸出波形如圖7 所示。

        圖7 電壓波形及控制波形

        保護(hù)電路主要進(jìn)行過壓保護(hù),即防止電容上電壓過高損壞電容及功率管,同時也要為電流提供旁路,如圖8 所示。當(dāng)輸入電壓大于TVS 瞬態(tài)抑制二極管D1 上的電壓時,并聯(lián)在輸入兩端的可控硅導(dǎo)通,將輸入電壓鉗位,同時電流從可控硅中流過,形成旁路,根據(jù)可控硅的特性,當(dāng)過壓消失時,需要斷電重啟I/V 模塊才可以正常工作。除此之外在電容兩端增加TVS 瞬態(tài)抑制二極管進(jìn)行過壓保護(hù)。

        圖8 過壓保護(hù)電路

        4 恒流供電系統(tǒng)的測試

        將設(shè)計的恒流源及I/V 模塊進(jìn)行試驗室測試。光電復(fù)合電纜用等效電阻替代,濕端采用兩個I/V模塊節(jié)點(diǎn)串聯(lián),如圖9 所示搭建平臺。恒流源輸出電流1.5 A,I/V 模塊輸出電壓24 V,對I/V 模塊輸出帶不同功率的負(fù)載,用三用表測量輸入兩端的電壓,結(jié)果如表1 所示??梢钥闯?,輸入電壓取決于I/V 模塊帶載功率,隨著功率增大輸入電壓升高。用示波器測試I/V 模塊輸入端的電壓如圖10所示。

        圖9 試驗室測試平臺

        表1 I/V 模塊測試數(shù)據(jù)

        圖10 I/V 模塊電壓波形

        模擬水下電纜短路,兩個I/V 模塊中間將電纜短路,第一個I/V 模塊工作正常,第二個I/V 模塊不工作,根據(jù)干端恒流源的電壓降低30 V,可以定位出故障點(diǎn)。測試結(jié)果表明,恒流源可實現(xiàn)恒電流供電,水下I/V 模塊節(jié)點(diǎn)可實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換,為水下用電設(shè)備供電。當(dāng)水下短路故障時,恒流供電系統(tǒng)仍能正常工作,具有較強(qiáng)的抗短路能力,并可根據(jù)干端的電壓值定位出故障節(jié)點(diǎn)。

        5 結(jié)論

        基于恒流源的遠(yuǎn)程供電技術(shù)已在試驗室得到應(yīng)用。試驗結(jié)果驗證了恒流供電系統(tǒng)原理及可行性,為其在海底供電中應(yīng)用提供了理論和技術(shù)參考。

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