一種用于系留氣球的直流供電技術

倪 勇 武 偉 曹劍坤

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

系留氣球是一種自身不帶動力，依靠浮力升空的浮空飛行器，如圖1 所示。 它通過系留纜繩滯留在空中預定的位置，作為空中平臺，適合搭載各種載荷設備以滿足不同用途需求。 系留纜繩同時作為電力輸送電纜，將地面電能輸送至球上，系留纜繩最長可達數(shù)百萬米。

圖1 系留氣球平臺

目前，市面上系留氣球產(chǎn)品中輸配電系統(tǒng)采用的是高壓交流方案，即采用工頻或者中頻交流電進行傳輸。 高壓交流輸配電方案[1～3]在系留氣球使用場合存在以下弊端：

（1）長距離的系留供電纜繩會產(chǎn)生無功功率的損耗，在采用中頻輸電的情況下系留纜繩上的無功功率損耗更大，同時產(chǎn)生更大的壓降，降低了系留供電纜繩的輸電能力；

（2）球上配置的降壓變壓器重量約占球上電源分系統(tǒng)總重量的40%，降低了系留氣球系統(tǒng)可帶的有效載荷；

（3）需要針對電能諧波問題在地面配置有源電力濾波器進行諧波治理，增加了系統(tǒng)應用的成本，同時也降低了系統(tǒng)的可靠性。

為克服現(xiàn)有系留氣球產(chǎn)品中輸配電系統(tǒng)方案的弊端，本文提出一種適用于系留氣球的高壓直流供電技術，以提高系留氣球系統(tǒng)電能的傳輸效率，降低球上設備的重量，提高球上設備的供電品質(zhì)。

1 系留氣球高壓直流輸配電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構及工作原理

如圖2 所示，系留氣球的高壓直流輸配電系統(tǒng)包括地面部分和球上部分。

圖2 系留氣球高壓直流供電原理框圖

用于系留氣球的高壓直流輸配電系統(tǒng)中電能的傳輸方式為：電能由交流供電網(wǎng)提供，經(jīng)過地面AC/DC整流器變換為高壓直流電，經(jīng)高壓直流纜繩傳輸后分別為球上DC/DC 變換器和載荷變換器組提供電能，球上DC/DC 變換器輸出的電能通過球體設備直流母線傳輸至球上綜合配電單元，球上應急電源的輸出與球上DC/DC 變換器的輸出并聯(lián)，載荷變換器組輸出的交流和直流電能傳輸至球上綜合配電單元，球上綜合配電單元的輸出為球體設備和載荷設備提供電能。

1.2 系留氣球高壓輸配電電路拓撲

系留氣球高壓輸配電電路拓撲的地面部分將三相380 V/50 Hz 交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓調(diào)壓模塊、DC/DC升壓模塊變換為3 700～4 200 V 可調(diào)直流電， 通過系留電纜給球上部分供電。球上部分電源通過DC/DC 降壓將電壓降低并穩(wěn)壓到DC360±30V 供設備用， 拓撲整體架構如圖3 所示。

如圖4 所示，整流穩(wěn)壓調(diào)壓模塊整流部分采用三相三電平Vienna 拓撲， 此拓撲具有管子電壓應力小，無橋臂輸出電壓直通問題，控制電路簡單等優(yōu)點。 整流穩(wěn)壓調(diào)壓模塊調(diào)壓部分采用LLC 電路，在原邊實現(xiàn)ZVS 軟開關，副邊實現(xiàn)ZCS 軟開關，降低開關管和二極管損耗。 LLC 電路通過調(diào)節(jié)開關頻率，可以實時調(diào)節(jié)電路增益，實現(xiàn)補償電纜壓降的功能。

升壓模塊選擇單繞組輸出多變壓器原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)拓撲[4]，如圖5 所示。升壓模塊輸入 DC800V，輸出AC800V 高頻方波；變壓器為高頻變壓器；6 組高頻整流模塊輸出串聯(lián)，形成DC 4000V 高壓輸出。

降壓模塊方案與升壓模塊類似， 如圖6 所示，將變壓器反接，5 組LLC 模塊原邊串，副邊并。 每個模塊輸入DC 800V，經(jīng)變壓器隔離，副邊并聯(lián)，再經(jīng)全波電路整流輸出DC 360V。

圖3 高壓直流輸配電電路拓撲框圖

圖4 整流穩(wěn)壓調(diào)壓模塊

圖5 DC/DC 升壓變換拓撲

圖6 DC/DC 降壓變換拓撲

在最終負載端， 經(jīng)逆變器將360 V 直流變換為200 V/400 Hz 交流供載荷使用。

1.3 高壓直流與高壓交流輸配電對比

傳統(tǒng)系留氣球的輸配電采用高壓交流的形式，如圖7 所示，在地面端將交流電通過變壓器變換為高壓交流電，經(jīng)系留纜繩傳輸至系留氣球端，再經(jīng)過交流變壓器降壓后為球上載荷供電。

以球上供電30kW 輸配電系統(tǒng)為例，對高壓交流輸配電方案和高壓直流輸配電方案對比結果如表1所示。

表1 高壓直流與高壓交流輸配電方案對比

圖7 傳統(tǒng)高壓交流輸配電架構

通過表1 可以看出系留氣球高壓直流配電方案較傳統(tǒng)高壓交流配電方案具有明顯的重量上優(yōu)勢，由于避除了交流傳輸環(huán)節(jié)， 省去了地面有源濾波設備，同時也提高了系留電纜的電能傳輸利用率。

2 結論

針對系留氣球輸配電系統(tǒng)中傳統(tǒng)高壓交流輸配電設備重量重、 傳輸電纜電能利用率不高等問題，提出了一種適用于系留氣球的高壓直流輸配電方案。 通過與傳統(tǒng)高壓交流輸配電方案對比，高壓直流輸配電方案可降低球上設備的重量， 提高電能的傳輸效率，提高球上設備的供電品質(zhì)。