遙控水下機器人用高壓直流變換系統及其控制策略

陳志鵬

（中國華電集團物資有限公司，北京 100032）

0 引言

遙控水下機器人（remotely operated vehicle，ROV）是當今人類探索海洋環境和開發海洋資源的有力工具之一。隨著應用領域的不斷擴大，ROV 也向著工作深度越深、推進動力越大、作業能力越強的方向發展。ROV（特別是作業級ROV）所需的電源基本由船面供電裝置通過長距離臍帶纜輸送，而高壓直流輸電方式具備長距離傳輸電能損失小且ROV 水下電能變換設備體積小等優勢，因此在ROV遠程供電方面具有很好的應用前景［1-4］。ROV 結構緊湊，內部推進器、電動工具等電氣部件需要采用低壓直流供電，同時受制于ROV高額維護和維修成本等因素，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器件串聯，可以降低對各開關器件的電壓應力要求，且無須對變壓器進行隔離，非常適合水下緊湊的應用環境。作業級ROV要求高壓直流變換系統供電功率大、可靠性高，因此適合多個高壓直流變換器并聯和冗余工作。文獻［6］～文獻［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，可以在實現輸出電壓閉環控制的基礎上，保證各飛跨電容器的均壓控制，但未涉及多變換器并聯工作的情況。文獻［11］和文獻［12］提出了并聯三電平直流變換器方案，其通過限壓恒流控制策略實現系統控制，但對更多電平直流變換器的控制過于復雜。

本文根據作業級ROV 對高壓直流變換系統的要求，建立了高可靠性的多變換器并聯的系統拓撲，設計了一種基于EtherCAT 通信總線的多電平直流降壓變換器控制方法，保證了模塊內串聯工作器件的均壓性和并聯工作模塊的均流性，并且適用于冗余工作模式；最后給出試驗結果，驗證了本方法的有效性。

1 高壓直流變換系統

基于作業級ROV 對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（本文以4個為例）直流變換模塊并聯工作的冗余結構（圖1）。所有模塊通過開關與來自水面的高壓直流電纜相連，各模塊分別將直流高壓轉換為直流低壓，并通過開關連接至直流母線，為水下機器人內各電氣部件提供電源。另外，各直流變換模塊通過EtherCAT 總線互相聯系，實現模塊的并聯控制。

圖1 水下直流變換系統并聯冗余拓撲Fig.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換，也可以單獨運行提供單個功率轉換。正常運行時，N個直流變換模塊并聯向負載供電，每個直流變換模塊平均負擔負載電流。當其中某一個或k（k≤N）個直流變換模塊出現故障時，通過斷開相應的輸入和輸出開關，自行退出供電，而剩下的（N-k）個直流變換模塊繼續向負載提供電流，水下機器人根據冗余模塊數量正常工作或降額工作。即使在最極端的情況即（N-1）個直流變換模塊出現故障時，水下機器人仍能通過1 個模塊的供電實現回收。

2 高壓直流變換器拓撲

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）串聯拓撲（圖2）。這樣，不僅可以降低對器件的應力要求，減小濾波器件容量，極大地提高功率密度和模塊效率，同時還滿足了水下機器人電氣系統水下絕緣監測和接地保護對輸入、輸出共地的要求。

直流降壓變換器主要包括p個串聯的Buck 基本單元［13］、濾波器、Crowbar 過壓保護單元、輸入和輸出測量單元以及控制器。

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）、開關管Qt（t= 1， 2， …，p）以及二極管Dt等構成。開關管Qt和二極管Dt交錯互補導通。p個開關管導通的相位依次相差2π/p，當全部開關管的占空比d相同時，飛跨電容Ck的電壓為k×Vin/p。當開關管Qt或二極管Dt關斷時，其所受的電壓應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 保護電路包括穩壓二極管、電阻器和晶閘管等器件。一旦直流變換模塊輸出電壓超過限定值，穩壓二極管就導通；當輸出電壓進一步上升超過穩壓二極管的穩壓值和晶閘管的開啟電壓時，可控硅開啟，將輸出電壓拉低，以保護后端部件，使其不致因過壓而損壞。

控制器及輸入、輸出測量部分，根據輸入、輸出的電壓和電流等參數對直流變換模塊進行控制和保護等。

3 基于EtherCAT 通信總線的多電平控制方法

實際應用中，各開關管的開關特性無法完全一致，累積誤差致使各飛跨電容器電壓偏離正常范圍，過高的電壓會導致變換器系統保護動作甚至直接導致系統損壞；同時多個直流降壓變換模塊并聯工作，會出現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

本系統采用EtherCAT 總線用于各直流變換模塊間的通信。EtherCAT 是德國Beckhoff 公司開發的一種基于標準以太網的高速實時總線，具有網絡拓撲靈活、數據傳輸高效、同步延時時間短等優點，大大提高了各通信設備數據傳輸速度和可靠性［14］。在通信網絡中，每個并聯的直流變換模塊都有唯一的地址，每個正常工作的模塊實時向其他模塊發送自身的輸出電流等信息，同時也接收并處理其他模塊發送的信息。各模塊分別計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。誤差信號經均流調節器得到電壓調節信號VΔ，以對輸出電壓誤差值進行修正，最終實現各直流變換模塊輸出電流的均衡。

并聯系統中各模塊通過EtherCAT 通信總線傳遞輸出電流、運行狀態等信息。當某模塊發生故障則會自動退出運行，同時向EtherCAT 通信總線發送故障狀態。其他模塊則會調整平均電流計算，繼續維持運行?；贓therCAT 通信總線均流控制方法不僅具有均流精度高的優點，而且適應冗余工作模式。

具體計算流程如下：

1） 控制器實時采集輸出直流電壓值VO、輸出直流電流值IO。

2） 每個直流變換模塊向EtherCAT 通信總線發送自身的輸出電流值；同時每個直流變換模塊從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，得到直流變換系統總電流值Isum，繼而根據正常工作模塊數，計算得到每個模塊輸出平均電流值Iavg。

3） 每個模塊平均電流值Iavg和本模塊輸出電流IO相減，得到均流誤差信號；并經均流調節器，得到電壓調節信號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，并加上均流調節器輸出信號VΔ，再經電壓調節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，經過電流調節器，得到均流控制輸出信號d，該控制信號用于3.2節中的均壓控制。

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）分別進行比較并經電容電壓調節器后，得到控制輸出信號um（m=1， 2 ，…，p-1）；再經解耦計算得到各開關管的占空比dt（t=1， 2， …，p），將其輸出給直流降壓變換器，來控制多電平直流變換器的正常工作。

具體計算流程如下：

1） 控制器實時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）分別比較后經電容電壓調節器得到誤差信號，即控制輸出信號um（m=1， 2， …，p-1）。

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

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

4 試驗驗證

為了驗證本文所提高壓直流變換系統及其控制方法的有效性，本文開發了50 kW 水下機器人用的高壓直流變換系統樣機。系統由兩臺25 kW 多電平高壓直流變換器并聯組成。高壓輸入電壓為DC 4 000 V，輸出電壓為DC 680 V。

負載采用兩并聯支路功率電阻器，每支路電阻值分別為38 Ω，可以通過支路開關投切各組負載來測試負載突變時本系統的控制響應。啟動測試時，投入一個支路電阻器，電阻值為38 Ω；運行過程中，投入另一支路電阻器，并聯總電阻為19 Ω。

圖4 為高壓直流變換系統帶負載啟動過程波形?？梢钥闯?，整個啟動過程平滑，變換器內各飛跨電容器電壓均衡，電壓偏差不超過10%；2個變換器的輸出電流基本平衡，不平衡度小于5%。

圖4 2 臺直流變換器并聯啟動過程波形Fig.4 Waveforms of two DC converters when starting

圖5為高壓直流變換系統運行過程中負載電阻突然投入工況下的波形?？梢钥闯?，負載投入后，輸出電壓短暫下降后再快速恢復，輸出電壓動態響應良好；變換器內各飛跨電容器電壓基本維持動態均衡，電壓偏差不超過10%；2個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 臺直流變換器并聯運行過程波形Fig.5 Waveforms of two DC converters when running

5 結束語

本文針對作業級水下機器人供電功率大和可靠性高的要求，設計了一種基于多電平飛跨電容拓撲的多變換器并聯冗余的系統；提出了一種基于EtherCAT通信總線的控制方法，同時保證了模塊內串聯器件的均壓性及并聯模塊的均流性，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的功率擴展和冗余運行能力，可以為水下機器人提供穩定可靠的供電能源。