基于T 型三電平的ROV 中頻供電電源研究

廖津余 彭 勃 劉浩平

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲412001)

人類對海洋的探索及資源獲取已逐漸由淺海轉(zhuǎn)向深海,其中遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV）是人類認識、開發(fā)海洋的有力工具之一，廣泛應(yīng)用于資源勘探、科學考察、水下施工、海洋救助與打撈等[1]。按功能可將ROV 分為觀察級ROV 和工作級ROV，目前在水下作業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是工作級液壓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 架和絞車負責將“ROV+TMS”吊放至水中，控制集裝箱負責ROV 在水下的遠程遙操作，工具集裝箱負責ROV 系統(tǒng)的維護[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)的成本都相當高昂，減小ROV 系統(tǒng)體積和重量有利于用更小的母船進行作業(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重要發(fā)展趨勢。同時，ROV 系統(tǒng)造價高昂，一旦丟失將損失非常慘重，因此對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營成本，同時還直接影響供電系統(tǒng)和布放系統(tǒng)的體積和重量。

因此對于工作級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，同時還要保證高可靠性、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ROV 的動力和控制的能量來源。深海作業(yè)使用的臍帶纜通常很長，常見的包括3000 米、6000 米、甚至可達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 左右進行傳輸。

圖2 150HP 工作級液壓ROV 供電系統(tǒng)

以典型的150HP 工作級液壓ROV 不帶TMS 的供電系統(tǒng)為例（如圖2），來自母船的50/60Hz 三相交流電輸入配電柜（Power Distribution Unit，簡稱PDU），在配電柜內(nèi)獨立出一路單相作為ROV 的控制電，動力電(三相)和控制電（單相）在柜內(nèi)分別經(jīng)過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（中壓異步電機）直接由輸送下來的3000～4160VAC 電壓驅(qū)動；控制電則經(jīng)過水下變壓器降壓至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]，這對于對體積、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、機車、雷達、聲納等設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用[5]，如民航客機的主要電源一直是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，中頻化也會帶來一些問題。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，而這又會帶來開關(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，本文依托某項目進行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：

a. 直流輸入，額定容量260kVA，具備50%系統(tǒng)冗余；

b. 實際應(yīng)用中會有同時給多種型號ROV 供電的工況，其中對一些重型液壓ROV 需要具備軟起動功能。

2.1 主電路拓撲研究

2.1.1 中頻電源既有拓撲分析

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撲：3 個單相組合式拓撲和三相橋式拓撲。其中三相橋式拓撲又可分為兩電平拓撲和多電平拓撲。

3 個單相組合式拓撲[7]，其特點是每相獨立，控制上完全解耦，帶不平衡負載能力強；但這種拓撲開關(guān)管數(shù)量是三相橋式拓撲的一倍，且必須使用三個單相變壓器來把三個單相組合成三相，濾波器也相互獨立，這不利于緊湊設(shè)計，導(dǎo)致電源體積、重量大。

圖3 3 個單相組合式拓撲

三相橋式兩電平拓撲應(yīng)用成熟，開關(guān)器件數(shù)是3 個單相組合式的一半，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]，這會帶來較大的損耗，使電源效率降低；若使用多重化的方式來降低開關(guān)頻率，又會使體積、重量嚴重增加。

圖4 三相橋式兩電平拓撲

多電平拓撲相比兩電平具有更小的總諧波畸變，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。但多電平拓撲增加了開關(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，因而多電平拓撲中應(yīng)用最廣泛的是三電平拓撲。在三電平拓撲中，相比二極管鉗位型、飛跨電容型，T 型三電平拓撲具有高效率、高功率密度等優(yōu)勢，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)計中也被作為首選拓撲[8][9]。

圖5 T 型三電平拓撲

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撲，使中頻電源在獲得高功率密度的同時不損失波形質(zhì)量和高效率。

2.1.2 主電路拓撲

為保證ROV 供電電源的可靠性，考慮采用多個功率組件進行并聯(lián)實現(xiàn)冗余供電，并聯(lián)設(shè)計可降低每個功率組件的運行負荷，較容易獲得大容量，也可降低變流器設(shè)計難度。每個功率組件由T 型三電平變流器、LC 濾波器和升壓變壓器組成，單個容量100kVA，如圖5?？紤]實現(xiàn)50%系統(tǒng)冗余，采用兩路獨立的電源輸入?？紤]液壓ROV 的軟起動需求，電源需具備定頻定壓和軟起動兩條三相輸出支路。主電路拓撲設(shè)計如圖6。

主電路的輸入來自船舶的直流電網(wǎng)，兩路直流輸入相互獨立并配備接觸器，每一路直流輸入后級分別供給兩個功率組件，保證每路直流輸入可以同時具備定頻定壓和軟起輸出，實現(xiàn)50%的系統(tǒng)冗余，當其中1 路發(fā)生故障時可分斷其接觸器，維持另一路的運行。另外，將同一直流母線上的兩個變流器中性點相連，可以使它們的中點電位保持一致，提高功率組件并聯(lián)運行時的均流性。

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，考慮使每個功率組件都可具備兩種輸出模式，通過輸出接觸器將每個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

當中頻電源發(fā)生故障導(dǎo)致某些功率組件不可用時，重新配置軟起支路和定頻支路的功率組件數(shù)量，進行輸出模式調(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，需對其工作流程、狀態(tài)遷移過程進行研究，合理地控制中頻電源的運行。

2.2.1 工作流程圖

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

a.停機階段：該階段主要等待用戶進行表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：該階段完成對直流支撐電容充電，充電完成時合相應(yīng)接觸器，為啟機做準備。

圖7 停機和充電階段

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

d.運行階段：該階段為中頻電源正常穩(wěn)定運行階段。

圖8 啟機和運行階段

e.故障處理階段：控制系統(tǒng)實時檢測中頻電源狀態(tài)，發(fā)生故障時進入該階段，按照故障級別進行相應(yīng)處理。

圖9 故障處理階段

2.2.2 仿真驗證

此處著重對上述啟機過程進行仿真驗證，包括兩輸出支路獨立運行和并網(wǎng)運行。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 為兩輸出支路獨立運行的啟動過程波形。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相連，它們中點電位波動完全一致。

圖12 為兩輸出支路并網(wǎng)運行時的啟動過程波形。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 中點電位平衡控制

包括T 型三電平在內(nèi)的中點鉗位型三電平變流器都存在直流中點電位波動的問題，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調(diào)整流入或流出直流電容中點的電流，從而控制中點電位的波動。

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

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

結(jié)束語

本文針對ROV 系統(tǒng)的應(yīng)用特點，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，而中頻化可滿足這一發(fā)展需要；通過對比分析中頻電源常用拓撲結(jié)構(gòu)，指出T 型三電平拓撲在中頻化下相比其它拓撲在效率、功率密度方面更具優(yōu)勢，并以T 型三電平為基礎(chǔ)對其輸出模式、工作流程、中點電位平衡等進行了相關(guān)研究，通過仿真和試驗驗證了其可行性，對樣機測試的結(jié)果驗證了本文所提出的ROV 中頻供電電源在大大提高功率密度的同時，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 兩輸出支路獨立運行啟動過程

圖13 中點電位平衡控制