陳志鵬

（中國(guó)華電集團(tuán)物資有限公司，北京 100032）

0 引言

遙控水下機(jī)器人（remotely operated vehicle，ROV）是當(dāng)今人類探索海洋環(huán)境和開發(fā)海洋資源的有力工具之一。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，ROV 也向著工作深度越深、推進(jìn)動(dòng)力越大、作業(yè)能力越強(qiáng)的方向發(fā)展。ROV（特別是作業(yè)級(jí)ROV）所需的電源基本由船面供電裝置通過(guò)長(zhǎng)距離臍帶纜輸送，而高壓直流輸電方式具備長(zhǎng)距離傳輸電能損失小且ROV 水下電能變換設(shè)備體積小等優(yōu)勢(shì)，因此在ROV遠(yuǎn)程供電方面具有很好的應(yīng)用前景［1-4］。ROV 結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部推進(jìn)器、電動(dòng)工具等電氣部件需要采用低壓直流供電，同時(shí)受制于ROV高額維護(hù)和維修成本等因素，因此亟須一種體積小、重量輕、效率高、具備冗余功能的水下直流變換裝置［5］。

飛跨電容型多電平直流變換器［4］利用飛跨電容器使各開關(guān)器件串聯(lián)，可以降低對(duì)各開關(guān)器件的電壓應(yīng)力要求，且無(wú)須對(duì)變壓器進(jìn)行隔離，非常適合水下緊湊的應(yīng)用環(huán)境。作業(yè)級(jí)ROV要求高壓直流變換系統(tǒng)供電功率大、可靠性高，因此適合多個(gè)高壓直流變換器并聯(lián)和冗余工作。文獻(xiàn)［6］～文獻(xiàn)［10］介紹了一種輸出電壓與飛跨電容器電壓解耦的控制方式，可以在實(shí)現(xiàn)輸出電壓閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，保證各飛跨電容器的均壓控制，但未涉及多變換器并聯(lián)工作的情況。文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］提出了并聯(lián)三電平直流變換器方案，其通過(guò)限壓恒流控制策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，但對(duì)更多電平直流變換器的控制過(guò)于復(fù)雜。

本文根據(jù)作業(yè)級(jí)ROV 對(duì)高壓直流變換系統(tǒng)的要求，建立了高可靠性的多變換器并聯(lián)的系統(tǒng)拓?fù)?，設(shè)計(jì)了一種基于EtherCAT 通信總線的多電平直流降壓變換器控制方法，保證了模塊內(nèi)串聯(lián)工作器件的均壓性和并聯(lián)工作模塊的均流性，并且適用于冗余工作模式；最后給出試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 高壓直流變換系統(tǒng)

基于作業(yè)級(jí)ROV 對(duì)供電裝置的供電功率大和可靠性高的要求，水下直流變換器采用多個(gè)（本文以4個(gè)為例）直流變換模塊并聯(lián)工作的冗余結(jié)構(gòu)（圖1）。所有模塊通過(guò)開關(guān)與來(lái)自水面的高壓直流電纜相連，各模塊分別將直流高壓轉(zhuǎn)換為直流低壓，并通過(guò)開關(guān)連接至直流母線，為水下機(jī)器人內(nèi)各電氣部件提供電源。另外，各直流變換模塊通過(guò)EtherCAT 總線互相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)模塊的并聯(lián)控制。

圖1 水下直流變換系統(tǒng)并聯(lián)冗余拓?fù)銯ig.1 Parallel topology of underwater DC converter system

直流變換模塊既能組合在一起提供總功率轉(zhuǎn)換，也可以單獨(dú)運(yùn)行提供單個(gè)功率轉(zhuǎn)換。正常運(yùn)行時(shí)，N個(gè)直流變換模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，每個(gè)直流變換模塊平均負(fù)擔(dān)負(fù)載電流。當(dāng)其中某一個(gè)或k（k≤N）個(gè)直流變換模塊出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)斷開相應(yīng)的輸入和輸出開關(guān)，自行退出供電，而剩下的（N-k）個(gè)直流變換模塊繼續(xù)向負(fù)載提供電流，水下機(jī)器人根據(jù)冗余模塊數(shù)量正常工作或降額工作。即使在最極端的情況即（N-1）個(gè)直流變換模塊出現(xiàn)故障時(shí)，水下機(jī)器人仍能通過(guò)1 個(gè)模塊的供電實(shí)現(xiàn)回收。

2 高壓直流變換器拓?fù)?/h2>

水下直流降壓變換裝置各模塊采用輸入、輸出共地的多電平直流斬波（Buck）串聯(lián)拓?fù)洌▓D2）。這樣，不僅可以降低對(duì)器件的應(yīng)力要求，減小濾波器件容量，極大地提高功率密度和模塊效率，同時(shí)還滿足了水下機(jī)器人電氣系統(tǒng)水下絕緣監(jiān)測(cè)和接地保護(hù)對(duì)輸入、輸出共地的要求。

直流降壓變換器主要包括p個(gè)串聯(lián)的Buck 基本單元［13］、濾波器、Crowbar 過(guò)壓保護(hù)單元、輸入和輸出測(cè)量單元以及控制器。

Buck單元是變換器的基本單元，其由飛跨電容器Ck（k= 1， 2， …，p-1）、開關(guān)管Qt（t= 1， 2， …，p）以及二極管Dt等構(gòu)成。開關(guān)管Qt和二極管Dt交錯(cuò)互補(bǔ)導(dǎo)通。p個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通的相位依次相差2π/p，當(dāng)全部開關(guān)管的占空比d相同時(shí)，飛跨電容Ck的電壓為k×Vin/p。當(dāng)開關(guān)管Qt或二極管Dt關(guān)斷時(shí)，其所受的電壓應(yīng)力是相鄰飛跨電容器電壓VCk的差，即VDt=VQt=VCk-VC（k-1）=Vin/p。

濾波器由濾波電感器和電容器組成，用于濾除多電平Buck電路輸出電壓的高次諧波。

Crowbar 保護(hù)電路包括穩(wěn)壓二極管、電阻器和晶閘管等器件。一旦直流變換模塊輸出電壓超過(guò)限定值，穩(wěn)壓二極管就導(dǎo)通；當(dāng)輸出電壓進(jìn)一步上升超過(guò)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值和晶閘管的開啟電壓時(shí)，可控硅開啟，將輸出電壓拉低，以保護(hù)后端部件，使其不致因過(guò)壓而損壞。

控制器及輸入、輸出測(cè)量部分，根據(jù)輸入、輸出的電壓和電流等參數(shù)對(duì)直流變換模塊進(jìn)行控制和保護(hù)等。

3 基于EtherCAT 通信總線的多電平控制方法

實(shí)際應(yīng)用中，各開關(guān)管的開關(guān)特性無(wú)法完全一致，累積誤差致使各飛跨電容器電壓偏離正常范圍，過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致變換器系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作甚至直接導(dǎo)致系統(tǒng)損壞；同時(shí)多個(gè)直流降壓變換模塊并聯(lián)工作，會(huì)出現(xiàn)各模塊電流不均衡的情況。為此，本文提出了一種兼具均壓和環(huán)流控制的多電平直流降壓變換器控制方法（圖3）。

3.1 基于EtherCAT通信總線的均流控制

本系統(tǒng)采用EtherCAT 總線用于各直流變換模塊間的通信。EtherCAT 是德國(guó)Beckhoff 公司開發(fā)的一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的高速實(shí)時(shí)總線，具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活、數(shù)據(jù)傳輸高效、同步延時(shí)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了各通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性［14］。在通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)并聯(lián)的直流變換模塊都有唯一的地址，每個(gè)正常工作的模塊實(shí)時(shí)向其他模塊發(fā)送自身的輸出電流等信息，同時(shí)也接收并處理其他模塊發(fā)送的信息。各模塊分別計(jì)算所有模塊的輸出電流平均值Iavg，該值和本模塊輸出電流IO作差得到均流誤差信號(hào)。誤差信號(hào)經(jīng)均流調(diào)節(jié)器得到電壓調(diào)節(jié)信號(hào)VΔ，以對(duì)輸出電壓誤差值進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)各直流變換模塊輸出電流的均衡。

并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊通過(guò)EtherCAT 通信總線傳遞輸出電流、運(yùn)行狀態(tài)等信息。當(dāng)某模塊發(fā)生故障則會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行，同時(shí)向EtherCAT 通信總線發(fā)送故障狀態(tài)。其他模塊則會(huì)調(diào)整平均電流計(jì)算，繼續(xù)維持運(yùn)行?；贓therCAT 通信總線均流控制方法不僅具有均流精度高的優(yōu)點(diǎn)，而且適應(yīng)冗余工作模式。

具體計(jì)算流程如下：

1） 控制器實(shí)時(shí)采集輸出直流電壓值VO、輸出直流電流值IO。

2） 每個(gè)直流變換模塊向EtherCAT 通信總線發(fā)送自身的輸出電流值；同時(shí)每個(gè)直流變換模塊從EtherCAT通信總線接收其他模塊的輸出電流值，并與自身輸出電流值相加，得到直流變換系統(tǒng)總電流值Isum，繼而根據(jù)正常工作模塊數(shù)，計(jì)算得到每個(gè)模塊輸出平均電流值Iavg。

3） 每個(gè)模塊平均電流值Iavg和本模塊輸出電流IO相減，得到均流誤差信號(hào)；并經(jīng)均流調(diào)節(jié)器，得到電壓調(diào)節(jié)信號(hào)VΔ。

4） 輸出直流電壓參考值VO_ref與反饋值VO相減得到的誤差信號(hào)，并加上均流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)VΔ，再經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后輸出直流電流參考值IO_ref。

5） 輸出直流電流參考值IO_ref與反饋值IO相減得到的誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器，得到均流控制輸出信號(hào)d，該控制信號(hào)用于3.2節(jié)中的均壓控制。

3.2 基于電容電壓解耦的多電平均壓控制

將飛跨電容器電壓的采集值VCm與參考值m×Vin/p（m=1， 2， …，p-1）分別進(jìn)行比較并經(jīng)電容電壓調(diào)節(jié)器后，得到控制輸出信號(hào)um（m=1， 2 ，…，p-1）；再經(jīng)解耦計(jì)算得到各開關(guān)管的占空比dt（t=1， 2， …，p），將其輸出給直流降壓變換器，來(lái)控制多電平直流變換器的正常工作。

具體計(jì)算流程如下：

1） 控制器實(shí)時(shí)采集輸入直流電壓值Vin、各飛跨電容器的電壓值VCm（m=1， 2， …，p-1）。

2）飛跨電容電壓的采集值VCm與參考值m×Vin/p（m= 1， 2， …，p-1）分別比較后經(jīng)電容電壓調(diào)節(jié)器得到誤差信號(hào)，即控制輸出信號(hào)um（m=1， 2， …，p-1）。

3） 誤差信號(hào)向量u=［u1u2…up-1］T同解耦矩陣A1-1相乘后，即可得到1 至（p-1）個(gè)飛跨電容器均壓控制微調(diào)值Δdm（m=1， 2， …，p-1）。

5） 將3.1 節(jié)均流控制輸出值d分別與p個(gè)開關(guān)管的微調(diào)值Δdm（m=1， 2， …，p）相加，得到各開關(guān)管的占空比dt（t=1， 2， …，p），并將其輸出給直流降壓變換器，來(lái)控制多電平直流變換器的正常工作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提高壓直流變換系統(tǒng)及其控制方法的有效性，本文開發(fā)了50 kW 水下機(jī)器人用的高壓直流變換系統(tǒng)樣機(jī)。系統(tǒng)由兩臺(tái)25 kW 多電平高壓直流變換器并聯(lián)組成。高壓輸入電壓為DC 4 000 V，輸出電壓為DC 680 V。

負(fù)載采用兩并聯(lián)支路功率電阻器，每支路電阻值分別為38 Ω，可以通過(guò)支路開關(guān)投切各組負(fù)載來(lái)測(cè)試負(fù)載突變時(shí)本系統(tǒng)的控制響應(yīng)。啟動(dòng)測(cè)試時(shí)，投入一個(gè)支路電阻器，電阻值為38 Ω；運(yùn)行過(guò)程中，投入另一支路電阻器，并聯(lián)總電阻為19 Ω。

圖4 為高壓直流變換系統(tǒng)帶負(fù)載啟動(dòng)過(guò)程波形?？梢钥闯?，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程平滑，變換器內(nèi)各飛跨電容器電壓均衡，電壓偏差不超過(guò)10%；2個(gè)變換器的輸出電流基本平衡，不平衡度小于5%。

圖4 2 臺(tái)直流變換器并聯(lián)啟動(dòng)過(guò)程波形Fig.4 Waveforms of two DC converters when starting

圖5為高壓直流變換系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載電阻突然投入工況下的波形?？梢钥闯觯?fù)載投入后，輸出電壓短暫下降后再快速恢復(fù)，輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好；變換器內(nèi)各飛跨電容器電壓基本維持動(dòng)態(tài)均衡，電壓偏差不超過(guò)10%；2個(gè)變換器的輸出電流基本一致，不平衡度小于5%，具有良好的功率均衡。

圖5 2 臺(tái)直流變換器并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程波形Fig.5 Waveforms of two DC converters when running

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)作業(yè)級(jí)水下機(jī)器人供電功率大和可靠性高的要求，設(shè)計(jì)了一種基于多電平飛跨電容拓?fù)涞亩嘧儞Q器并聯(lián)冗余的系統(tǒng)；提出了一種基于EtherCAT通信總線的控制方法，同時(shí)保證了模塊內(nèi)串聯(lián)器件的均壓性及并聯(lián)模塊的均流性，并且適用于冗余工作模式。采用該方法有效提高了水下直流變換系統(tǒng)的功率擴(kuò)展和冗余運(yùn)行能力，可以為水下機(jī)器人提供穩(wěn)定可靠的供電能源。