基于恒流源遠(yuǎn)程供電技術(shù)的應(yīng)用研究

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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)恒電流供電，水下I/V 模塊節(jié)點(diǎn)可實(shí)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(yàn)室得到應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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。