基于树型拓扑的缆系海底观测网供电接驳关键技术研究

摘要

传统的基于科考船、水下机器人、离线式观测设备的海洋观测手段难以满足日益增长的海洋科学研究和发展需求，缆系海底观测网因具有较强的连续电能供给能力和高带宽通信能力，可提供一种长期的、连续的、实时的、原位观测的海洋科学研究手段。为此，近十年来，欧美、日本等国家和地区相继研究和发展了缆系海底观测网。而具有辽阔海洋面积的我国的缆系海底观测网技术非常薄弱，几乎处于空白状态，大大制约了我国海洋科学事业的发展，研究缆系海底观测网关键技术具有极大的科学意义和广泛的应用前景。本文针对建设缆系海底观测网面临的电能供给的结构和方式，高低压电能变换与分配，水下电能系统散热，供电故障诊断与隔离，以及可靠性分析等几个关键核心技术和难点展开研究。
　　本文在分析海底观测网应用环境和需求上，对其供电系统的输电方式和结构展开讨论，综合考虑输电技术特点、应用功率需求、环境特点、敷设成本等多方面因素选择了负高压、直流、单极、单线的输电方式和树型扩展的输电网络结构。并对远距离输电的单节点海底观测网的供电稳定性展开研究，得出影响最大输电功率、动态稳定性的影响因素，并推导出多节点树型观测网供电系统的稳态与动态特性的分析方法。
　　针对主级接驳盒的应用需求，提出了采用基于共占空比控制策略的多模块堆叠的电能变换系统设计方案。系统分析了基于共占空比控制策略的多模块ISOS式、ISOP输出电容并联式、ISOP输出交错并联式等三种拓扑结构的均压均流稳定性特征，分析比较了各自优缺点。并基于三种拓扑结构设计开发了一套2 kV(@)2 kW和一套10 kV(@)10 kW的高中压电能变换器。为使封装在密闭腔体内的高中压电能变换器能长期稳定运行，设计了一种具有缓压功能的充油式散热结构，通过实验验证了主级接驳盒电能转换及散热系统的可行性和可靠性。
　　论文在分析传统直流电能输配电拓扑结构特点基础上，针对海底观测网的次级接驳盒中低压电能变换需求，提出了一种隔离式的模块化电能变换系统设计方案。同时设计了一套具有外廓自适应特性的散热结构，实现了中低压电能变换系统的有效散热。通过样机试验验证了次级接驳盒电能变换及散热系统可行性和可靠性。
　　可靠性是海底观测网设计的重要指标，采用可靠性框图和故障树分析方法分别对其供电系统的基本可靠性、任务可靠性和故障进行研究，建立了供电系统的可靠性框图模型和故障树模型，并基于故障树模型设计了仿真分析方法，并以中低压电能变换系统为例进行了仿真分析。同时，针对影响海底观测网电能供给系统可靠性的关键因素，提出了海底观测网电能传输故障诊断与隔离设计方案，通过在输电线上供给不同幅度的电平和极性实现故障诊断和对故障隔离的控制，有效提高了接驳盒电能供给系统的可靠性。
　　论文开发研制了基于2 kV供电和10 kV供电的两套不同的观测网供电接驳系统样机，并进行了实验室试验、浅海试验和深海试验研究。实验室环境测试验证了相应的单节点直流输电技术、高中压和中低压电能变换技术、散热方式、接驳盒供电故障诊断与隔离等关键技术的可行性，浅海试验则验证了相应技术在实际海洋环境中的实用性，而深海试验则验证了相应技术满足海底观测网组网要求和长期运行的可靠性。
　　海底观测网系统样机的成功研制以及海试充分说明了本文所研究的直流输电结构、电能变换、水下密封腔体散热、故障诊断与隔离等工程技术方面具有较强的实用性和可靠性，可为今后更深入的研究和建设长期实用性的海底观测网提供了可靠地理论依据和技术支持。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 统系海底观测网电能供给系统的研究进展

1．3 论文研究目的和意义

1．4 论文的主要研究内容

1．5 本章小结

2 树型拓扑海底观测网输电研究

2．1 引言

2．2 输电方式与系统架构研究

2．2．1 输电方式研究

2．2．2 输电系统架构研究

2．3 直流输电稳定性研究

2．3．1 单节点直流输电系统稳定性研究

2．3．2 多节点直流输电系统稳定性分析

2．4 本章小结

3 基于模块堆叠电能变换的主级接驳盒电能变换系统研究

3．1 引言

3．2 主级接驳盒电能供给的结构和应用特点

3．3 基于模块堆叠的主级接驳盒高中压电能变换研究

3．3．1 主级接驳盒高中压电能变换方式研究

3．3．2 输入串联输出串联(ISOS)结构研究

3．3．3 输入串联输出并联(ISOP)结构研究

3．3．4 多模块串并联堆叠组合研究

3．4 主级接驳盒高中压电能变换系统散热研究

3．4．1 高中压电源腔散热机理及仿真分析

3．4．2 气液结合缓压机理及仿真分析

3．4．3 气液结合缓压试验

3．5 基于模块堆叠的主级接驳盒高中压电能变换系统样机实现与试验

3．5．1 模块堆叠组合结构均压均流试验

3．5．2 主袭接驳盒商中压电能变换系统样机实现与试验

3．6 本章小结

4 基于隔离式变换结构的次接驳盒电能变换系统研究

4．1 引言

4．2 次级接驳盒电能供给系统架构

4．3 基于隔离式结构的次级接驳金中低压电能变换研究

4．3．1 次接驳盒电能供给系统的需求分析

4．3．2 次级接驳盒中低压电能变换结构研究

4．3．3 次级接驳盒中低压电能变换系统设计

4．4 次级接驳盒中低压电能变换系统散热技术研究

4．4．1 中低压电源腔体结构散热热阻分析

4．4．2 次级接驳盒中低压电源腔体端面散热研究

4．4．3 次级接驳盒中低压电源腔体壁面散热研究

4．5 次接驳盒电能变换系统样机实现与试验

4．6 本章小结

5 可靠性分析与故障诊断隔离技术研究

5．1 引言

5．2 海底观测网电能供给系统可靠性分析

5．2．1 可靠性分析前提

5．2．2 海底观测网电能供给系统可靠性模型

5．2．3 海底观测网电能供给系统可靠性量化计算

5．2．4 海底观测网电能供给系统故障树分析

5．2．5 海底观测网电能供给系统可靠性仿真研究

5．3 高压输电缆故障诊断与隔离

5．3．1 高压输电缆故障诊断与隔离方法研究

5．3．2 高压输电缆故障诊断与隔离电路研究

5．3．3 高压输电缆故障诊断与隔离模拟实验

5．4 接驳金故障诊断与隔离处理技术研究

5．4．1 过压故障及隔离处理技术研究

5．4．2 过流故障及隔离处理技术研究

5．4．3 接地故障及隔离处理技术研究

5．5 本章小结

6 系统集成与试验

6．1 引言

6．2 系统样机集成

6．2．1 主级接驳盒样机

6．2．2 次级接驳盒样机

6．2．3 主次综合接驳盒样机

6．3 系统试验研究

6．3．1 实验室试验

6．3．2 浅海试验

6．3．3 深海试验

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 论文主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历