廖津余 彭 勃 劉浩平

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲412001)

人類對(duì)海洋的探索及資源獲取已逐漸由淺海轉(zhuǎn)向深海,其中遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV）是人類認(rèn)識(shí)、開發(fā)海洋的有力工具之一，廣泛應(yīng)用于資源勘探、科學(xué)考察、水下施工、海洋救助與打撈等[1]。按功能可將ROV 分為觀察級(jí)ROV 和工作級(jí)ROV，目前在水下作業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是工作級(jí)液壓ROV[2]。

ROV 系統(tǒng)是一套完備的作業(yè)系統(tǒng)，可分為水面遙控支持系統(tǒng)和水下潛器系統(tǒng)。水面遙控支持系統(tǒng)包括布放系統(tǒng)（A 架、絞車、液壓泵站）、控制集裝箱、工具集裝箱，它們都布放在甲板上。水下潛器系統(tǒng)包括TMS（Tether Management System）和ROV 本體。A 架和絞車負(fù)責(zé)將“ROV+TMS”吊放至水中，控制集裝箱負(fù)責(zé)ROV 在水下的遠(yuǎn)程遙操作，工具集裝箱負(fù)責(zé)ROV 系統(tǒng)的維護(hù)[3]。

圖1 ROV 系統(tǒng)

水面遙控支持系統(tǒng)占用了較多珍貴的母船甲板面積，另外，ROV 的作業(yè)方式（需要母船）決定了每次執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的成本都相當(dāng)高昂，減小ROV 系統(tǒng)體積和重量有利于用更小的母船進(jìn)行作業(yè)，這意味著大幅降低作業(yè)成本，因此提高ROV 系統(tǒng)功率密度，減少體積和重量成為一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，ROV 系統(tǒng)造價(jià)高昂，一旦丟失將損失非常慘重，因此對(duì)ROV 系統(tǒng)的可靠性具有很高的要求；ROV 系統(tǒng)的用能效率也直接影響運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還直接影響供電系統(tǒng)和布放系統(tǒng)的體積和重量。

因此對(duì)于工作級(jí)ROV 系統(tǒng)，包括其供電系統(tǒng)，提高功率密度（小體積/重量）成為重要發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)還要保證高可靠性、高能效。

1 ROV 供電系統(tǒng)分析

1.1 既有ROV 供電系統(tǒng)介紹

ROV 供電系統(tǒng)是整個(gè)ROV 的動(dòng)力和控制的能量來(lái)源。深海作業(yè)使用的臍帶纜通常很長(zhǎng)，常見的包括3000 米、6000 米、甚至可達(dá)10000 米及以上[1]，為降低輸電損耗，通常將ROV 供電電壓升到3000V～4160V 左右進(jìn)行傳輸。

圖2 150HP 工作級(jí)液壓ROV 供電系統(tǒng)

以典型的150HP 工作級(jí)液壓ROV 不帶TMS 的供電系統(tǒng)為例（如圖2），來(lái)自母船的50/60Hz 三相交流電輸入配電柜（Power Distribution Unit，簡(jiǎn)稱PDU），在配電柜內(nèi)獨(dú)立出一路單相作為ROV 的控制電，動(dòng)力電(三相)和控制電（單相）在柜內(nèi)分別經(jīng)過(guò)變壓器升壓后由臍帶纜輸送給水下的ROV。ROV 一側(cè)，其主電機(jī)（中壓異步電機(jī)）直接由輸送下來(lái)的3000～4160VAC 電壓驅(qū)動(dòng)；控制電則經(jīng)過(guò)水下變壓器降壓至110VAC 后供給ROV 控制系統(tǒng)。若母船提供的是400Hz 的交流電或者380V～640V 的直流電，需要增加AC/AC 或者DC/AC 變流裝置轉(zhuǎn)成50/60Hz。上述150HP 液壓ROV 供電系統(tǒng)的參數(shù)如表1：

表1 150HP 工作級(jí)液壓ROV 配電參數(shù)

1.2 中頻化分析

中頻電源(常用400Hz)相比50Hz/60Hz 的工頻電源，其最大的優(yōu)點(diǎn)便是由于頻率的提高，可以大大減小輸出變壓器、濾波器的體積，從而大大提高功率密度[6]，這對(duì)于對(duì)體積、重量敏感的設(shè)備而言具有重要意義，因此在航空航天、軍艦、機(jī)車、雷達(dá)、聲納等設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用[5]，如民航客機(jī)的主要電源一直是3相400Hz/115V 交流電源。因此中頻化是提高ROV 系統(tǒng)功率密度非常有效的手段。

但是，中頻化也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。在開關(guān)頻率相同的情況下，400Hz 中頻輸出脈沖波頭數(shù)是50Hz 工頻的1/8，為保證輸出波形質(zhì)量(通常THDu≤5%)，需要提高開關(guān)頻率，而這又會(huì)帶來(lái)開關(guān)損耗的增加，從而降低ROV 系統(tǒng)的能效。

2 ROV 中頻供電電源研究

結(jié)合ROV 供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，本文依托某項(xiàng)目進(jìn)行ROV中頻400Hz 供電電源的研制，該中頻電源要求具備高可靠性、高功率密度、高效率，此外還具有以下應(yīng)用特點(diǎn)：

a. 直流輸入，額定容量260kVA，具備50%系統(tǒng)冗余；

b. 實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有同時(shí)給多種型號(hào)ROV 供電的工況，其中對(duì)一些重型液壓ROV 需要具備軟起動(dòng)功能。

2.1 主電路拓?fù)溲芯?/h3>

2.1.1 中頻電源既有拓?fù)浞治?/p>

目前在ROV 供電領(lǐng)域，還未有采用中頻供電的案列，中頻電源在艦船、航空航天應(yīng)用較多，在這些領(lǐng)域中的三相中頻電源主要采用了兩種拓?fù)洌? 個(gè)單相組合式拓?fù)浜腿鄻蚴酵負(fù)?。其中三相橋式拓?fù)溆挚煞譃閮呻娖酵負(fù)浜投嚯娖酵負(fù)洹?/p>

3 個(gè)單相組合式拓?fù)鋄7]，其特點(diǎn)是每相獨(dú)立，控制上完全解耦，帶不平衡負(fù)載能力強(qiáng)；但這種拓?fù)溟_關(guān)管數(shù)量是三相橋式拓?fù)涞囊槐?，且必須使用三個(gè)單相變壓器來(lái)把三個(gè)單相組合成三相，濾波器也相互獨(dú)立，這不利于緊湊設(shè)計(jì)，導(dǎo)致電源體積、重量大。

圖3 3 個(gè)單相組合式拓?fù)?/p>

三相橋式兩電平拓?fù)鋺?yīng)用成熟，開關(guān)器件數(shù)是3 個(gè)單相組合式的一半，但在中頻400Hz 下，為滿足波形質(zhì)量要求，需要較高的開關(guān)頻率（≥12kHz）[5]，這會(huì)帶來(lái)較大的損耗，使電源效率降低；若使用多重化的方式來(lái)降低開關(guān)頻率，又會(huì)使體積、重量嚴(yán)重增加。

圖4 三相橋式兩電平拓?fù)?/p>

多電平拓?fù)湎啾葍呻娖骄哂懈〉目傊C波畸變，這不僅可以減小濾波器體積，還可以用較低的開關(guān)頻率獲得等同的波形質(zhì)量，有利于降低開關(guān)損耗。但多電平拓?fù)湓黾恿碎_關(guān)管數(shù)量，電平數(shù)越多開關(guān)管數(shù)量越多，使得可靠性降低、控制復(fù)雜度增加，因而多電平拓?fù)渲袘?yīng)用最廣泛的是三電平拓?fù)?。在三電平拓?fù)渲校啾榷O管鉗位型、飛跨電容型，T 型三電平拓?fù)渚哂懈咝?、高功率密度等?yōu)勢(shì)，在光伏等新能源領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，且在一些高功率密度中頻電源設(shè)計(jì)中也被作為首選拓?fù)鋄8][9]。

圖5 T 型三電平拓?fù)?/p>

因此，在功率密度、效率、波形質(zhì)量的綜合約束下，本文選擇T 型三電平作為ROV 中頻供電電源的逆變拓?fù)?，使中頻電源在獲得高功率密度的同時(shí)不損失波形質(zhì)量和高效率。

2.1.2 主電路拓?fù)?/p>

為保證ROV 供電電源的可靠性，考慮采用多個(gè)功率組件進(jìn)行并聯(lián)實(shí)現(xiàn)冗余供電，并聯(lián)設(shè)計(jì)可降低每個(gè)功率組件的運(yùn)行負(fù)荷，較容易獲得大容量，也可降低變流器設(shè)計(jì)難度。每個(gè)功率組件由T 型三電平變流器、LC 濾波器和升壓變壓器組成，單個(gè)容量100kVA，如圖5?？紤]實(shí)現(xiàn)50%系統(tǒng)冗余，采用兩路獨(dú)立的電源輸入?？紤]液壓ROV 的軟起動(dòng)需求，電源需具備定頻定壓和軟起動(dòng)兩條三相輸出支路。主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖6。

主電路的輸入來(lái)自船舶的直流電網(wǎng)，兩路直流輸入相互獨(dú)立并配備接觸器，每一路直流輸入后級(jí)分別供給兩個(gè)功率組件，保證每路直流輸入可以同時(shí)具備定頻定壓和軟起輸出，實(shí)現(xiàn)50%的系統(tǒng)冗余，當(dāng)其中1 路發(fā)生故障時(shí)可分?jǐn)嗥浣佑|器，維持另一路的運(yùn)行。另外，將同一直流母線上的兩個(gè)變流器中性點(diǎn)相連，可以使它們的中點(diǎn)電位保持一致，提高功率組件并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均流性。

主電路的輸出端，為了發(fā)揮出并聯(lián)功率組件的最大優(yōu)勢(shì)，考慮使每個(gè)功率組件都可具備兩種輸出模式，通過(guò)輸出接觸器將每個(gè)功率組件選擇性接入軟起輸出支路或定頻定壓支路，從而使得中頻電源的輸出模式可以非常靈活地配置：

a. 每個(gè)功率組件都可配置為軟起輸出或定頻定壓輸出；

b. 軟起支路和定頻定壓支路的額定輸出頻率、額定輸出電壓都可獨(dú)立配置(不并網(wǎng))；

c. 軟起支路可選擇是否與定頻定壓支路并網(wǎng)。

電源未發(fā)生故障的情況下，根據(jù)所配置的軟起、定頻定壓功率組件數(shù)量，以及軟起支路是否與定頻定壓支路并網(wǎng)，可組合得到以下8 種輸出模式：

表2 電源輸出模式

當(dāng)中頻電源發(fā)生故障導(dǎo)致某些功率組件不可用時(shí)，重新配置軟起支路和定頻支路的功率組件數(shù)量，進(jìn)行輸出模式調(diào)整。

2.2 工作流程研究

本文ROV 中頻電源的功率組件數(shù)量多、輸出模式配置豐富，需對(duì)其工作流程、狀態(tài)遷移過(guò)程進(jìn)行研究，合理地控制中頻電源的運(yùn)行。

2.2.1 工作流程圖

將ROV 中頻電源的工作流程分為五個(gè)階段，分別為停機(jī)階段、充電階段、啟機(jī)階段、運(yùn)行階段、故障處理階段，電源狀態(tài)在這五個(gè)階段之間循環(huán)轉(zhuǎn)移。

a.停機(jī)階段：該階段主要等待用戶進(jìn)行表2 中輸出模式的設(shè)置，控制系統(tǒng)根據(jù)電源狀態(tài)判斷是否接受設(shè)置。

b.充電階段：該階段完成對(duì)直流支撐電容充電，充電完成時(shí)合相應(yīng)接觸器，為啟機(jī)做準(zhǔn)備。

圖7 停機(jī)和充電階段

c.啟機(jī)階段：該階段主要完成中頻電源的啟動(dòng)，根據(jù)所配置的輸出模式完成從停機(jī)到額定頻率、額定電壓輸出。

d.運(yùn)行階段：該階段為中頻電源正常穩(wěn)定運(yùn)行階段。

圖8 啟機(jī)和運(yùn)行階段

e.故障處理階段：控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)中頻電源狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)進(jìn)入該階段，按照故障級(jí)別進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖9 故障處理階段

2.2.2 仿真驗(yàn)證

此處著重對(duì)上述啟機(jī)過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，包括兩輸出支路獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行。為減小仿真規(guī)模，在PSIM 軟件中搭建2功率組件并聯(lián)仿真模型，如圖10。

圖11 為兩輸出支路獨(dú)立運(yùn)行的啟動(dòng)過(guò)程波形。從上至下分別為：兩輸出支路線電壓，直流支路1 上、下橋臂電壓，直流支路2 上、下橋臂電壓。從圖中可以看出，功率組件1 和2 分別輸出定頻、變頻電壓，互不影響；且由于兩功率組件中點(diǎn)相連，它們中點(diǎn)電位波動(dòng)完全一致。

圖12 為兩輸出支路并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程波形。從上至下依次為：兩輸出支路線電壓，變流器1、2 輸出電流，直流支路1上、下橋臂電壓。0～0.27s，兩功率組件輸出電壓的相位和幅值不一致。0.27～0.33s，功率組件2 以功率組件1 輸出電壓作為鎖相參考，逐漸調(diào)整電壓相位和幅值。0.33s～0.35s，兩功率組件同步成功后，閉合功率組件1 的軟起支路開關(guān)和功率組件2的定頻支路開關(guān)，完成兩輸出支路并網(wǎng)。

2.3 中點(diǎn)電位平衡控制

包括T 型三電平在內(nèi)的中點(diǎn)鉗位型三電平變流器都存在直流中點(diǎn)電位波動(dòng)的問(wèn)題，目前相關(guān)研究已比較成熟。本文考慮采用零序電壓注入法，其基本思路為：在調(diào)制波中注入零序分量來(lái)調(diào)整流入或流出直流電容中點(diǎn)的電流，從而控制中點(diǎn)電位的波動(dòng)。

主電路中由于將同一直流支路的兩個(gè)變流器中點(diǎn)相連，使這兩個(gè)變流器的中點(diǎn)電位波動(dòng)完全一樣，因此每條直流支路可以只采樣一組正負(fù)電壓值，而對(duì)該支路上的變流器的中點(diǎn)平控制是一致的。

圖13 為中點(diǎn)平衡控制仿真波形（各圖標(biāo)含義同前文所述）?？梢钥闯?，在平衡控制算法起動(dòng)前，各支撐電容電壓有較大的偏差；在0.2 時(shí)刻起動(dòng)中點(diǎn)平衡控制算法后，各支撐電容電壓偏差迅速減小到4V 以內(nèi)，有效抑制了中點(diǎn)電位波動(dòng)，同時(shí)變流器輸出電流波形畸變也有所改善。

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)ROV 系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，指出高功率密度是ROV 系統(tǒng)及其供電系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)，而中頻化可滿足這一發(fā)展需要；通過(guò)對(duì)比分析中頻電源常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出T 型三電平拓?fù)湓谥蓄l化下相比其它拓?fù)湓谛?、功率密度方面更具?yōu)勢(shì)，并以T 型三電平為基礎(chǔ)對(duì)其輸出模式、工作流程、中點(diǎn)電位平衡等進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，對(duì)樣機(jī)測(cè)試的結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的ROV 中頻供電電源在大大提高功率密度的同時(shí)，保證了供電的可靠性、波形質(zhì)量和高效率。

圖10 仿真模型

圖11 兩輸出支路獨(dú)立運(yùn)行啟動(dòng)過(guò)程

圖13 中點(diǎn)電位平衡控制