模块化高压变换器分布式采样电路系统的制作方法

本发明涉及高压变换器，具体涉及一种模块化高压变换器分布式采样电路系统。

背景技术：

1、目前，海洋资源有着巨大的开发潜力和研究价值，海底观测网已成为21世纪海洋研究的重要途径之一。海底供电系统是海底观测网设计的关键，而海底高压变换器作为海底观测网中的关键装置，将岸基高压电源通过数百公里的海缆传输数千伏以上的高压直流电降压变换为海底观测平台所需的数百伏中压直流电。目前海底供电高压高频变换器存在两种可行性实现方案，即多功率管串联（单级拓扑）和模块化变换器（isop）。模块化变换器有着冗余操作能力，规范的模块化操作和功率拓展的灵活性等优点。考虑海底远距离输电海缆具有大的lrc寄生参数与大动态变化特性的负载影响，以及需要长期可靠运行，因此需提高模块电源化变换器的稳定性、实时响应速度及可靠性。

2、isop模块化系统可以使得额定电压较低的开关管应用于高输入电压和低输出电压大电流场合。必须保证其输入侧均压和输出侧均流是其最基本的运行要求。而根据proceedings of the csee【中 国 电 机 工 程 学 报】于2009年发表的stabilityanalysis of input-voltage sharing for input-series output-parallel converter【输入串联输出并联变换器的输入均压稳定性分析】中通过分析 isop 系统的输入电压与等效电阻及输入电压与输入功率的关系，提出实现输入均压稳定的必要条件，并给出两个输入均压稳定判据，判断 isop 系统的输入均压稳定性。即采用输出均流控制策略不能实现输入均压稳定，而采用输入均压控制策略可以实现isop 变换器的输入均压稳定。

3、对于isop模块化变换器，现有的 isop 型直流变换器均压技术通常可以分为两类：一是自然均压方案，通过 isop 型直流变换器内部的自校正特性实现均压控制。即通过建立 isop 型模块化直流变换器小信号模型，提出了一种公共占空比控制方法以实现其输入电压和输出电流的均衡控制。在该方法中，所有模块被作用相同的占空比，依赖于变换器本身的自校正特性实现电压和电流均衡控制。该方法仅在各个模块的电路参数相差较小的情况下具有较好的均压和均流效果；当各个模块的电路参数差异较大时，该方法无法实现各模块电压和电流的均衡控制。二是通过加入均压的控制环路来完成电压的主动均衡控制，主动均压的控制方案需对高压侧输入母线电压与模块输入电压进行采样。因受限于高压输入电压高达10kv以上（高压强电侧与低压弱电控制侧隔离耐压需远大于10kv），现有10kv高耐压隔离采样电压传感器尺寸和体积的限制（目前采用的森社电子的宇波模块chv-7kv，体积大）。现有模块化高压变换器均压的控制技术均避开对各模块控制器直接高压侧电压（高压母线电压与模块输入电压）采样。例如，现有以下几种控制方法：

4、①解耦的输入电压均分控制；

5、②带有输入电压均分控制环的输出电流均分控制；

6、③交叉控制(不带有输入电压均分控制环的输出电流均分控制)；

7、④通讯总线交换占空比信息；

8、⑤高压输入电压信号总线控制。

9、然而，所有上面提到的均压控制策略都有一个共同的缺陷：由于采用高压霍尔电压传感器采样母线与输入电压（体积大，不能采用多个采样传感器），因此，只能采用集中式采样与控制。对于前三种方法，均具有集中采样控制器采样，这样系统的可靠性降低，一旦集中控制器出现异常，整个系统就会崩溃。此外，系统的功率配置不具有灵活性，无法实现模块的热插拔。对于后两种方法，都用总线来取代了集中控制器，但是依然是集中式控制，只不过是通过总线来进行模块间信息的共享，但是，一旦总线崩溃，系统将无法实现模块控制策略的均分，降低了整机系统的可靠性。

10、因此，现有技术存在的弊端是：现有均压控制策略中的模块化高压变换器由于采用高压霍尔电压传感器采样母线与输入电压，体积大，整机体积受限不能采用多个采样传感器。因此，只能采用集中式采样与控制，导致整机系统的可靠性低。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种模块化高压变换器分布式采样电路系统，以替换现有模块化高压变换器中的高压霍尔电压传感器进行高压母线电压采样，其同时支持各模块控制器直接对输入电压与整机的高压输入母线电压进行采样，从而避免了集中式采样与控制导致的系统可靠性低，同时减小整机体积。

2、本发明实施例提供一种模块化高压变换器分布式采样电路系统，所述模块化高压变换器分布式采样电路系统包括：高压输入电源、高压输入母线、高压母线分压网络及多个级联的变换模块；

3、所述高压母线分压网络的两电压端并联于所述高压输入电源正负极两端对应的所述高压输入母线之间，所述高压母线分压网络用于对所述高压输入母线的输入电压进行分压；

4、所述变换模块包括储能单元以及采样控制单元，各个所述变换模块通过所述高压母线分压网络以及串联的多个所述储能单元进行级联，所述采样控制单元用于采样对应所述高压输入母线和所述变换模块的输入电压。

5、进一步的，所述高压母线分压网络包括串联的多个分压网络支路，每个所述分压网络支路对应不同的所述变换模块，每个所述分压网络支路的第一输出端与对应的所述变换模块中的所述采样控制单元的输入端电连接。

6、进一步的，所述分压网络支路包括依次串联的第一电阻单元、第二电阻单元以及第三电阻单元，所述第一电阻单元与所述第二电阻单元的第一公共端以及所述第二电阻单元与所述第三电阻单元的第二公共端为对应所述分压网络支路的第一输出端，所述第一电阻单元、所述第二电阻单元以及所述第三电阻单元的电阻值相同。

7、进一步的，所述第一电阻单元包括并联的第一电阻以及第二电阻，所述第二电阻单元包括并联的第三电阻以及第四电阻，所述第三电阻单元包括并联的第五电阻以及第六电阻，所述第一电阻、所述第三电阻以及所述第五电阻串联，所述第二电阻、所述第四电阻以及所述第六电阻串联，所述第一公共端包括所述第一电阻与所述第三电阻的公共端以及所述第二电阻与所述第四电阻的公共端，所述第二公共端包括所述第三电阻与所述第五电阻的公共端以及所述第四电阻与所述第六电阻的公共端，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻以及所述第六电阻的电阻值相同。

8、进一步的，所述第一电阻单元包括并联的第一电阻以及第一电容，所述第二电阻单元包括并联的第二电阻以及第二电容，所述第三电阻单元包括并联的第三电阻以及第三电容，所述第一电阻、所述第二电阻以及所述第三电阻串联，所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容串联，所述第一公共端包括所述第一电阻与所述第二电阻的公共端以及所述第一电容与所述第二电容的公共端，所述第二公共端包括所述第二电阻与所述第三电阻的公共端以及所述第二电容与所述第三电容的公共端，所述第一电阻、所述第二电阻以及所述第三电阻的电阻值相同，所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容的电容值相同。

9、进一步的，所述采样控制单元包括第一差分隔离采样电路、第二差分隔离采样电路、模数转换器与隔离通信电路、高隔离dc-dc辅助供电模块以及低压侧模块控制电路，所述第一差分隔离采样电路与对应所述储能单元的两端电连接，所述第二差分隔离采样电路与对应所述分压网络支路的第一输出端电连接，所述第一差分隔离采样电路与所述模数转换器与隔离通信电路和所述高隔离dc-dc辅助供电模块分别进行电连接，所述第二差分隔离采样电路与所述模数转换器与隔离通信电路和所述高隔离dc-dc辅助供电模块分别电连接，所述模数转换器与隔离通信电路与所述低压侧模块控制电路电连接，所述低压侧模块控制电路与所述高隔离dc-dc辅助供电模块电连接。

10、进一步的，所述第一差分隔离采样电路与所述第二差分隔离采样电路具有相同的电路结构，所述第一差分隔离采样电路包括前级差分运放电路、后级差分运放电路与隔离放大器，所述前级差分运放电路输出连接于所述隔离放大器，所述隔离放大器输出连接于所述后级差分运放电路，在所述第一差分隔离采样电路中所述前级差分运放电路与对应所述储能单元的两端电连接，在所述第二差分隔离采样电路中所述前级差分运放电路与对应所述分压网络支路的第一输出端电连接。

11、进一步的，所述第一差分隔离采样电路与所述第二差分隔离采样电路通过一pi均压运算与模数转换器与隔离通信电路进行电连接。

12、进一步的，所述高压母线分压网络还包括串联的多个备用分压网络支路，每个所述备用分压网络支路对应不同的所述采样控制单元，每个所述备用分压网络支路的第一输出端与对应的所述采样控制单元的输入端电连接。

13、优选地，第二差分隔离采样电路中：前级差分运放电路输入连接于分压网络支路差分输出，用于将差分输入信号进行放大g1；前级差分运放电路输出连接于隔离放大器输入，隔离放大器用于对差分输入信号进行隔离与放大g2，并将差分输入信号差分输出连接于后级差分运放电路，再次将差分输入信号放大g3；前级差分运放电路包括两个第一差分运放反馈电阻x1、第一运算放大器、第一反馈电路以及第二反馈电路，其中一个第一差分运放反馈电阻与第一运算放大器的负端输入连接，另一个第一差分运放反馈电阻与第一运算放大器的正端输入连接，与第一运算放大器的负端输入连接的第一差分运放反馈电阻通过一个第一反馈电路与第一运算放大器的输出连接，与第一运算放大器的正端输入连接的第一差分运放反馈电阻通过一个第二反馈电路接地，第一反馈电路和第二反馈电路相同，都是包括并联的一个电容与一个第二差分运放反馈电阻y1，第一运算放大器的输出通过一个电阻与隔离放大器的vinp引脚连接，隔离放大器的vinn引脚通过一电阻接地；后级差分运放电路包括两个第三差分运放反馈电阻x2、第二运算放大器、第三反馈电路以及第四反馈电路，隔离放大器的outp引脚通过一个第三差分运放反馈电阻与第二运算放大器的正端输入连接，隔离放大器的outn引脚通过另一个第三差分运放反馈电阻与第二运算放大器的负端输入连接，与第二运算放大器的负端输入连接的第三差分运放反馈电阻通过一个第三反馈电路与第二运算放大器的输出连接，与第二运算放大器的正端输入连接的第三差分运放反馈电阻通过一个第四反馈电路接地，第四反馈电路和第三反馈电路相同，都是包括并联的一个电容与一个第四差分运放反馈电阻y2；

14、其中，g1由如下公式决定：

15、；

16、其中，为前级差分运放电路中的第二差分运放反馈电阻y1的电阻值，为前级差分运放电路中的第一差分运放反馈电阻x1的电阻值；

17、g2为隔离放大器内部放大倍数；

18、g3由如下公式决定：

19、；

20、其中，为后级差分运放电路中的第四差分运放反馈电阻y2的电阻值，为后级差分运放电路中的第三差分运放反馈电阻x2的电阻值。

21、本发明实施例中，模块化高压变换器分布式采样电路系统包括高压输入电源、高压输入母线、高压母线分压网络及多个级联的变换模块；所述高压母线分压网络的两电压端并联于所述高压输入电源正负极两端对应的所述高压输入母线之间，所述高压母线分压网络用于对所述高压输入母线的输入电压进行分压；所述变换模块包括储能单元以及采样控制单元，各个所述变换模块通过所述高压母线分压网络以及串联的多个所述储能单元进行级联，所述采样控制单元用于采样对应所述高压输入母线和所述变换模块的输入电压。通过高压母线分压网络为各个变换模块进行分压，同时通过各变换模块中采样控制单元直接对输入电压与整机的高压输入母线电压进行采样，并且能满足高耐压隔离（＞10kv隔离耐压）及强抗干扰性，使得模块之间独立，实现真正意义上的模块化，保持模块的独立性，容易实现功率拓展，提高了整机系统的可靠性，同时减小整机体积。