一种用于海底ISOP型直流变换器的容错子模块故障诊断与冗余协同控制方法

《IEEE Transactions on Power Electronics》：A Fault-Tolerant Method of Submodule Fault Diagnosis and Redundant Cooperative Control for Subsea ISOP-Type DC Converters

海底直流转换器因密封环境散热差易导致开关设备和输入电容故障，本文提出多级协同故障耐受策略，结合动态电压-电流时域特征实现实时监控与故障定位，并设计冗余旁路电路和平滑切换机制以提升可靠性，确保深海水下设备安全运行。

　　

摘要：

海底直流（DC）转换器容易发生组件故障，尤其是在开关设备和输入电容器中，这主要是由于其安装在一个密封性良好、体积较小的金属外壳内，从而严重影响了散热效果。为了提高海底输入串联输出并联（ISOP）DC转换器的可靠性，本文提出了一种多层次的协同容错策略，该策略考虑了大输入电压波动和有限的电气监测所带来的挑战。与传统固定阈值方法不同，所提出的方案利用了子模块在故障初期时的动态电压-电流时域特征进行实时监测和故障定位，从而提高了对输入电压变化的适应性。此外，还结合了基于电流限制电阻复用的冗余旁路电路来改进传统拓扑结构。当与平滑的冗余切换机制结合使用时，这种方法可以有效减轻故障转换过程中对健康模块的瞬态电气应力。这些改进共同确保了海底转换器及相关高精度深海设备的运行安全性。最后，开发了一种全面的容错控制方案，以保证故障发生后的海底DC电源系统能够可靠运行。

引言

目前，海洋资源的开发和利用使得海底科学观测网络的覆盖范围不断扩大[1]。这种扩展将观测范围从浅海区域扩展到了深海和偏远海域，电缆铺设距离从几十公里增加到了几百公里，铺设深度也从几十米增加到了几千米。因此，能源需求也从几千瓦增加到了几百千瓦[2],[3]。标准海底直流（DC）电源系统的配置如图1所示。该系统包括岸站、海底光电复合电缆、主接线箱、次级接线箱、科学观测仪器和防御设备[4]。岸站生成数十伏的直流电压，这些电压通过部署在主接线箱中的中压DC转换器转换为低电压直流电（例如375 VDC）。次级接线箱再将电压进一步降低到几十伏，从而为各种科学仪器和防御设备供电。图1.

标准海底DC电源系统的配置。