基于恒流源远程供电技术的应用研究

解佳鹏 康勇

(第七一五研究所，杭州，310023)

伴随人类对海洋探索的不断加深，大量的科学探测仪器及传感器安装在海洋底部，这些仪器及传感器运行需要的电能从陆地岸基通过光电复合电缆输送，因此远程供电系统技术应运而生，稳定可靠的远程供电是海底监测系统稳定运行的必要保证。

远程供电技术包括交流供电技术、直流（恒压）供电技术以及直流恒流供电技术。交流供电技术在陆地上应用广泛，且技术完善。但交流供电产生的谐波干扰难以去除，产生大量的无功功率，降低电缆的输送容量，增加了远程供电的成本[1]。直流（恒压）供电在传输过程中不需要依靠无功功率，电能输送容量大，且干扰易滤除。但直流供电的最大缺点就是对短路故障极其敏感，短路一旦出现，整个供电系统及水下监测系统将陷入瘫痪，且故障不易定位[2]。随着供电距离增加，水下各节点处的电压越来越低，导致水下各节点取电模块工作的输入电压范围不一致，取电模块的通用性差。恒流源采用全桥变换拓扑，次级多路输出级联可实现宽电压恒流输出，I/V 模块采用控制电容充电时间的方法，可实现电流与电压的转换。恒流供电技术在传输电能过程中，流过各节点的电流相等，各节点两端的电压将取决于其负载的大小，水下节点电源的通用性强，且抗故障能力更强，更容易实现故障定位[3]。

1 恒流供电系统设计

1.1 系统组成

恒流供电系统通常由岸基恒流源、光电复合电缆、I/V 转换模块、DC/DC 模块等部分构成，如图1 所示。其中岸基恒流源将岸基电能转换成恒定电流，通过光电复合电缆为水下系统供电。I/V 转换模块是将岸基输出的恒定电流转换成恒定电压，主要完成从恒流母线上取电，转换成电压源，经过DC/DC 模块，变换成水下终端使用的电压。

图1 恒流供电系统的组成

1.2 恒流源供电技术

恒流源输入采用三相交流380 V，在水下负载功率恒定的情况下，输出电流及电压取决于光电复合电缆的芯线粗细及绝缘特性：恒流源输出电流越大，需要电缆芯线越粗（减小电缆上的损耗及压降）；输出电流越小，电压越高，则对电缆的绝缘要求越高。结合现有光电复合电缆绝缘特性，将输出电流设计为1.5 A，输出电压为200～2000 V 之间。

组成水下供电系统后，单个岸基恒流源带多个水下I/V 节点工作。流过每个水下节点的电流相等，每个水下I/V 节点处的输入电压取决于其带载功率的大小。若节点的带载功率相近，则节点两端的电压相近，这与恒压供电系统大不相同。

对于高压交/直流恒压供电系统，短路故障将导致整个系统的停运，需要在水下节点中安装复杂的保护电路[4]，且故障定位算法复杂。恒流供电系统在短路处将连接海水，短路位置至两台岸基恒流源变为两个新的独立远供系统（图2），两台冗余备份的岸基恒流源将分别为两个独立远供系统重新提供电能，因此具有较强的抗短路能力，同时可根据岸基恒流源的电压定位出故障点。

图2 短路模式下的恒流供电系统

2 岸基恒流源设计

恒流源原理框图如图3 所示，由AC/DC 单元、DC/DC 变换、控制模块及采样模块组成。AC/DC单元采用三相桥式不可控整流，经过无源三相PFC输出电压约为530 V 左右。DC/DC 单元采用调压范围较宽的全桥变换电路，全桥电路通过调节占空比可实现输出电压的调节。全桥变换将直流变换成高频交流信号，经过隔离变压器后变换成相互隔离的高频交流信号，如图4 所示。随后进行整流滤波，变成4 组相互隔离的DC 电源，串联起来组成高压输出直流母线，最高可输出2000 V 电压，同时也降低了次级整流管的耐压要求。

图3 恒流源组成框图

图4 DC/DC 单元

在电源输出端进行电压及电流采样，用电压及电流霍尔器件即可将高压信号及电流信号转换为直流小信号，同时隔离控制电路与功率电路。直流小信号通过调理电路后送入控制电路的AD。

恒流源对输出电流进行反馈控制，如图5 所示。采样回来的电流与设定的电流进行比较，经过PI 环后，与三角波比较，调节输出PWM 信号的占空比，控制全桥变换器功率管的通断，调节全桥变换器的输出电压，进而保持输出电流恒定。负载R变大时，输出电压不变，输出电流减小，占空比增大，输出电压升高，达到控制输出电流恒定的目的。但恒流源存在开路及负载R超出额定值的状况，因此需要做过压保护，保护功率器件不损坏。

图5 恒流源控制原理图

3 I/V 转换模块设计

I/V 转换模块由两级变换组成：第一级将恒定电流转换为电压；第二级实现DC/DC 变换，将输出与输入隔离，同时将电压变换为恒定的电压。DC/DC 变换电路比较成熟，本文不作介绍。

第一级电路将电流转换为电压，利用了电容的特性，如下式：

式中，ci为电容的电流，U c为电容两端的电压，C为电容的容值。经过积分后可以得出电容两端的电压：

因此可以通过控制恒流流入电容的时间来控制电容两端的电压。第一级的原理框图如图6 所示，电路由开关管、二极管、电容、电压采样、过压保护、控制回路及开关的驱动回路组成。

图6 I/V 变换电路原理图

开关管S1 关断时，电流流过二极管D1，给输出电容C1 充电，同时给后级电源模块供电，C1电压上升，S1 开关管导通，电流旁路，C1 为后级DC/DC 提供能量。在S1 开通及关断时间恒定的情况下，电容的容量决定了I/V 模块输出电压的大小。

控制电路实现输出电压在Udown～Uup的范围内，当输出电压超出Uup设定值时，控制电路输出高电平，S1 导通，电流旁路；当输出电压低于Udown时，控制电路输出低电平，S1 关断，电流流过二极管给电容充电。电容上电压的波形及控制电路输出波形如图7 所示。

图7 电压波形及控制波形

保护电路主要进行过压保护，即防止电容上电压过高损坏电容及功率管，同时也要为电流提供旁路，如图8 所示。当输入电压大于TVS 瞬态抑制二极管D1 上的电压时，并联在输入两端的可控硅导通，将输入电压钳位，同时电流从可控硅中流过，形成旁路，根据可控硅的特性，当过压消失时，需要断电重启I/V 模块才可以正常工作。除此之外在电容两端增加TVS 瞬态抑制二极管进行过压保护。

图8 过压保护电路

4 恒流供电系统的测试

将设计的恒流源及I/V 模块进行试验室测试。光电复合电缆用等效电阻替代，湿端采用两个I/V模块节点串联，如图9 所示搭建平台。恒流源输出电流1.5 A，I/V 模块输出电压24 V，对I/V 模块输出带不同功率的负载，用三用表测量输入两端的电压，结果如表1 所示。可以看出，输入电压取决于I/V 模块带载功率，随着功率增大输入电压升高。用示波器测试I/V 模块输入端的电压如图10所示。

图9 试验室测试平台

表1 I/V 模块测试数据

图10 I/V 模块电压波形

模拟水下电缆短路，两个I/V 模块中间将电缆短路，第一个I/V 模块工作正常，第二个I/V 模块不工作，根据干端恒流源的电压降低30 V，可以定位出故障点。测试结果表明，恒流源可实现恒电流供电，水下I/V 模块节点可实现电流到电压的转换，为水下用电设备供电。当水下短路故障时，恒流供电系统仍能正常工作，具有较强的抗短路能力，并可根据干端的电压值定位出故障节点。

5 结论

基于恒流源的远程供电技术已在试验室得到应用。试验结果验证了恒流供电系统原理及可行性，为其在海底供电中应用提供了理论和技术参考。