基于樹(shù)型拓?fù)涞睦|系海底觀測(cè)網(wǎng)供電接駁關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的基于科考船、水下機(jī)器人、離線式觀測(cè)設(shè)備的海洋觀測(cè)手段難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的海洋科學(xué)研究和發(fā)展需求，纜系海底觀測(cè)網(wǎng)因具有較強(qiáng)的連續(xù)電能供給能力和高帶寬通信能力，可提供一種長(zhǎng)期的、連續(xù)的、實(shí)時(shí)的、原位觀測(cè)的海洋科學(xué)研究手段。為此，近十年來(lái)，歐美、日本等國(guó)家和地區(qū)相繼研究和發(fā)展了纜系海底觀測(cè)網(wǎng)。而具有遼闊海洋面積的我國(guó)的纜系海底觀測(cè)網(wǎng)技術(shù)非常薄弱，幾乎處于空白狀態(tài)，大大制約了我國(guó)海洋科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，研究纜系海底觀測(cè)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)具有極大的科學(xué)意

2、義和廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)建設(shè)纜系海底觀測(cè)網(wǎng)面臨的電能供給的結(jié)構(gòu)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(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)和難點(diǎn)展開(kāi)研究。
　　本文在分析海底觀測(cè)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境和需求上，對(duì)其供電系統(tǒng)的輸電方式和結(jié)構(gòu)展開(kāi)討論，綜合考慮輸電技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用功率需求、環(huán)境特點(diǎn)、敷設(shè)成本等多方面因素選擇了負(fù)高壓、直流、單極、單線的輸電方式和樹(shù)型擴(kuò)展的輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并對(duì)遠(yuǎn)距離輸電的單節(jié)點(diǎn)海底觀測(cè)網(wǎng)的供電

3、穩(wěn)定性展開(kāi)研究，得出影響最大輸電功率、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響因素，并推導(dǎo)出多節(jié)點(diǎn)樹(shù)型觀測(cè)網(wǎng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性的分析方法。
　　針對(duì)主級(jí)接駁盒的應(yīng)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(shè)計(jì)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(cuò)并聯(lián)式等三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均壓均流穩(wěn)定性特征，分析比較了各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。并基于三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)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(nèi)的高中壓電能變換器能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種具有緩壓功能的充油式散熱結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主級(jí)接駁盒電能轉(zhuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，針對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)的次級(jí)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(shè)計(jì)方案。同時(shí)設(shè)計(jì)了一套具有外廓自適應(yīng)特性的散熱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了中低壓電能變換系統(tǒng)的有效散熱。通過(guò)樣機(jī)試

5、驗(yàn)驗(yàn)證了次級(jí)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(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，采用可靠性框圖和故障樹(shù)分析方法分別對(duì)其供電系統(tǒng)的基本可靠性、任務(wù)可靠性和故障進(jìn)行研究，建立了供電系統(tǒng)的可靠性框圖模型和故障樹(shù)模型，并基于故障樹(shù)模型設(shè)計(jì)了仿真分析方法，并以中低壓電能變換系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)，針對(duì)影響海底觀測(cè)網(wǎng)電能供給系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，提出了海底觀測(cè)網(wǎng)電能傳輸故障診斷與隔離設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在輸電線上供給不同幅度的電平

6、和極性實(shí)現(xiàn)故障診斷和對(duì)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(kāi)發(fā)研制了基于2 kV供電和10 kV供電的兩套不同的觀測(cè)網(wǎng)供電接駁系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、淺海試驗(yàn)和深海試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證了相應(yīng)的單節(jié)點(diǎn)直流輸電技術(shù)、高中壓和中低壓電能變換技術(shù)、散熱方式、接駁盒供電故障診斷與隔離等關(guān)鍵技術(shù)的可行性，淺海試驗(yàn)則驗(yàn)證了相應(yīng)技術(shù)在實(shí)際海洋環(huán)境中的實(shí)用性，而深海試驗(yàn)則驗(yàn)證了相應(yīng)技術(shù)滿(mǎn)足海底觀測(cè)網(wǎng)組網(wǎng)要求