基于樹型拓撲的纜系海底觀測網供電接駁關鍵技術研究.pdf

1、傳統(tǒng)的基于科考船、水下機器人、離線式觀測設備的海洋觀測手段難以滿足日益增長的海洋科學研究和發(fā)展需求，纜系海底觀測網因具有較強的連續(xù)電能供給能力和高帶寬通信能力，可提供一種長期的、連續(xù)的、實時的、原位觀測的海洋科學研究手段。為此，近十年來，歐美、日本等國家和地區(qū)相繼研究和發(fā)展了纜系海底觀測網。而具有遼闊海洋面積的我國的纜系海底觀測網技術非常薄弱，幾乎處于空白狀態(tài)，大大制約了我國海洋科學事業(yè)的發(fā)展，研究纜系海底觀測網關鍵技術具有極大的科學意

2、義和廣泛的應用前景。本文針對建設纜系海底觀測網面臨的電能供給的結構和方式，高低壓電能變換與分配，水下電能系統(tǒng)散熱，供電故障診斷與隔離，以及可靠性分析等幾個關鍵核心技術和難點展開研究。
　　本文在分析海底觀測網應用環(huán)境和需求上，對其供電系統(tǒng)的輸電方式和結構展開討論，綜合考慮輸電技術特點、應用功率需求、環(huán)境特點、敷設成本等多方面因素選擇了負高壓、直流、單極、單線的輸電方式和樹型擴展的輸電網絡結構。并對遠距離輸電的單節(jié)點海底觀測網的供電

3、穩(wěn)定性展開研究，得出影響最大輸電功率、動態(tài)穩(wěn)定性的影響因素，并推導出多節(jié)點樹型觀測網供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性的分析方法。
　　針對主級接駁盒的應用需求，提出了采用基于共占空比控制策略的多模塊堆疊的電能變換系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)分析了基于共占空比控制策略的多模塊ISOS式、ISOP輸出電容并聯(lián)式、ISOP輸出交錯并聯(lián)式等三種拓撲結構的均壓均流穩(wěn)定性特征，分析比較了各自優(yōu)缺點。并基于三種拓撲結構設計開發(fā)了一套2 kV(@)2 kW和一套1

4、0 kV(@)10 kW的高中壓電能變換器。為使封裝在密閉腔體內的高中壓電能變換器能長期穩(wěn)定運行，設計了一種具有緩壓功能的充油式散熱結構，通過實驗驗證了主級接駁盒電能轉換及散熱系統(tǒng)的可行性和可靠性。
　　論文在分析傳統(tǒng)直流電能輸配電拓撲結構特點基礎上，針對海底觀測網的次級接駁盒中低壓電能變換需求，提出了一種隔離式的模塊化電能變換系統(tǒng)設計方案。同時設計了一套具有外廓自適應特性的散熱結構，實現(xiàn)了中低壓電能變換系統(tǒng)的有效散熱。通過樣機試

5、驗驗證了次級接駁盒電能變換及散熱系統(tǒng)可行性和可靠性。
　　可靠性是海底觀測網設計的重要指標，采用可靠性框圖和故障樹分析方法分別對其供電系統(tǒng)的基本可靠性、任務可靠性和故障進行研究，建立了供電系統(tǒng)的可靠性框圖模型和故障樹模型，并基于故障樹模型設計了仿真分析方法，并以中低壓電能變換系統(tǒng)為例進行了仿真分析。同時，針對影響海底觀測網電能供給系統(tǒng)可靠性的關鍵因素，提出了海底觀測網電能傳輸故障診斷與隔離設計方案，通過在輸電線上供給不同幅度的電平

6、和極性實現(xiàn)故障診斷和對故障隔離的控制，有效提高了接駁盒電能供給系統(tǒng)的可靠性。
　　論文開發(fā)研制了基于2 kV供電和10 kV供電的兩套不同的觀測網供電接駁系統(tǒng)樣機，并進行了實驗室試驗、淺海試驗和深海試驗研究。實驗室環(huán)境測試驗證了相應的單節(jié)點直流輸電技術、高中壓和中低壓電能變換技術、散熱方式、接駁盒供電故障診斷與隔離等關鍵技術的可行性，淺海試驗則驗證了相應技術在實際海洋環(huán)境中的實用性，而深海試驗則驗證了相應技術滿足海底觀測網組網要求