水下高可靠中压直流变换器的研究

摘要

随着海洋观测设备及技术的不断发展，海底观测网因其能实现对海洋的全天候、长时间、原位、连续、实时和高精度观测成为当前的研发热点。接驳盒电能变换系统是海底观测网科学节点的核心，作为接驳盒电能变换系统关键环节的水下中压直流变换器，将海底电缆输入的中高压直流电变换为±375VDC供给次接驳盒，从而向各种海底负载提供多通道接口，它对可靠性、集成度、运行寿命等有很高要求。　　与美、日等国相比，我国海底观测网供电工程起步晚，水下电能变换技术尚处于初步探索阶段，亟须开展水下高可靠中压直流变换方面的研究与装置研制工作。再者，现有的海底观测网供电工程仍然延续着十几年前的技术，在功率扩展、可靠性提升及运行监测方面难以进一步突破，而随着新型功率器件与直流变换拓扑结构的发展，国内外均快速推进新一代水下高可靠电能变换技术的研发，因此开展水下高可靠中压直流变换方面的研究具有重要意义。此外，国内外在海底观测网的故障定位和隔离等方面虽已取得一定进展，但在海底观测网供电系统故障处理和保护机制方面难以跟上海底观测网的发展，亟待研究。本文主要的研究工作总结如下：　　(1)与传统移相全桥DC/DC变换器相比，电压馈电型准Z源全桥DC/DC变换器(Voltage-fed Quasi-Z-Source Full-Bridge DC/DC Converter，VQZFB)由于引入了准Z源阻抗网络，具有调压范围宽、控制自由度灵活、允许直通等特点，在水下直流变换应用中具有优势。首先分析了电压馈电型准Z源全桥DC/DC变换器的工作原理和运行特性，研究了VQZFB的通用α-β调制法，建立了其小信号模型，并从升降压范围、直流电压利用率等方面详细分析了VQZFB相比移相全桥变换器的优势;　　(2)基于电压馈电型准Z源全桥DC/DC变换器，通过输入串联输出并联组合，提出了适用于水下中压直流变换的VQZFB组合式变换器拓扑结构，分析了该变换器的可靠运行机制，并建立了小信号模型;在分析ISOP组合式变换器功率平衡约束条件的基础上，提出一种双自由度协同控制方法，通过控制VQZFB的移相角和直通角，实现变换器的输入均压和输出电压调节，从而实现了对VQZFB组合式变换器的灵活精确控制;给出了VQZFB组合式变换器的主电路参数设计依据;最后进行了仿真分析和实验验证;　　(3)结合海底观测网组网方式，分类讨论了海底观测网供电系统中可能的故障，根据不同设备层级和故障类型，设计了海底观测网供电系统自上而下的保护方案，所研究的故障分类及保护机制能根据故障类型及位置有针对性地判断、隔离故障，在节约资源的同时高效可靠地保护海底观测网，实现海底观测网的高可靠性和全寿命成本控制。

目录

声明

第1章绪论

1.1 引言

1.2 高可靠性宽输入中压直流变换器发展现状

1.2.1 多电平结构变换器

1.2.2 串并联组合式变换器

1.2.3 ISOP 组合式变换器控制策略

1.3 Z源变换器及准Z源变换器

1.4 缆系海底观测网故障处理机制研究现状

1.5 本文的研究目的和创新性

1.6 本章小结

第2章电压馈电型准Z源全桥DC/DC 变换器

2.1 电压馈电型准Z源全桥DC/DC变换器

2.1.1 拓扑结构及工作模式分析

2.1.2 VOZFB通用α-β调制法

2.1.3 VQZFB小信号模型

2.1.4 直通角电压增益Gvo-α(s)特性分析

2.2 VQZFB与传统移相全桥DC/DC变换器的比较和分析

2.2.1 升降压范围

2.2.2 直流电压利用率

2.2.3 输入端故障安全切除能力

2.2.4 输出电能质量

2.3 本章小结

第3章 VQZFB组合式变换器的研究及设计

3.1 VQZFB组合式变换器拓扑结构及小信号模型

3.1.1 VQZFB组合式变换器拓扑结构及可靠运行分析

3.1.2 VQZFB组合式变换器小信号模型

3.2 VQZFB组合式变换器控制方法

3.2.1 VQZFB组合式变换器双自由度协同控制方法

3.2.2 VQZFB组合式变换器控制参数优化

3.3 VQZFB组合式变换器主电路参数设计

3.3.1 VQZFB组合式变换器的技术指标

3.3.2 电压馈电型准Z源网络电路参数设计

3.3.3 移相全桥DC/DC变换器部分电路参数设计

3.4 仿真及实验验证

3.4.1 VQZFB组合式变换器仿真分析

3.4.2 VQZFB组合式变换器试验验证

3.5 本章小结

第4章海底观测网供电系统故障分类及保护机制

4.1海底观测网故障类型分析及系统保护技术要求

4.1.1 海缆网架故障类型及保护技术要求

4.1.2 科学节点故障类型及保护技术要求

4.1.3 接驳盒电能系统故障类型及保护技术要求

4.2 海底观测网故障分类及保护机制设计

4.2.1 故障分类的总体策略

4.2.2 各设备层级保护方案设计

4.2.3 海底观测网保护方案设计案例

4.3 本章小结

第5章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录A 攻读学位期间获得的研究成果

致谢