倪 勇 武 偉 曹劍坤
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088)
系留氣球是一種自身不帶動(dòng)力,依靠浮力升空的浮空飛行器,如圖1 所示。 它通過(guò)系留纜繩滯留在空中預(yù)定的位置,作為空中平臺(tái),適合搭載各種載荷設(shè)備以滿足不同用途需求。 系留纜繩同時(shí)作為電力輸送電纜,將地面電能輸送至球上,系留纜繩最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百萬(wàn)米。
圖1 系留氣球平臺(tái)
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(jìn)行傳輸。 高壓交流輸配電方案[1~3]在系留氣球使用場(chǎng)合存在以下弊端:
(1)長(zhǎng)距離的系留供電纜繩會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率的損耗,在采用中頻輸電的情況下系留纜繩上的無(wú)功功率損耗更大,同時(shí)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(duì)電能諧波問(wèn)題在地面配置有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理,增加了系統(tǒng)應(yīng)用的成本,同時(shí)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(shù),以提高系留氣球系統(tǒng)電能的傳輸效率,降低球上設(shè)備的重量,提高球上設(shè)備的供電品質(zhì)。
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(guò)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(guò)球體設(shè)備直流母線傳輸至球上綜合配電單元,球上應(yīng)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(shè)備和載荷設(shè)備提供電能。
系留氣球高壓輸配電電路拓?fù)涞牡孛娌糠謱⑷?80 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(guò)系留電纜給球上部分供電。球上部分電源通過(guò)DC/DC 降壓將電壓降低并穩(wěn)壓到DC360±30V 供設(shè)備用, 拓?fù)湔w架構(gòu)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?fù)洌?此拓?fù)渚哂泄茏与妷簯?yīng)力小,無(wú)橋臂輸出電壓直通問(wèn)題,控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 整流穩(wěn)壓調(diào)壓模塊調(diào)壓部分采用LLC 電路,在原邊實(shí)現(xiàn)ZVS 軟開關(guān),副邊實(shí)現(xiàn)ZCS 軟開關(guān),降低開關(guān)管和二極管損耗。 LLC 電路通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率,可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電路增益,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)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?fù)鋄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(gè)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?fù)淇驁D
圖4 整流穩(wěn)壓調(diào)壓模塊
圖5 DC/DC 升壓變換拓?fù)?/p>
圖6 DC/DC 降壓變換拓?fù)?/p>
在最終負(fù)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。
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(guò)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(guò)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(duì)高壓交流輸配電方案和高壓直流輸配電方案對(duì)比結(jié)果如表1所示。
表1 高壓直流與高壓交流輸配電方案對(duì)比
圖7 傳統(tǒng)高壓交流輸配電架構(gòu)
通過(guò)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(shì),由于避除了交流傳輸環(huán)節(jié), 省去了地面有源濾波設(shè)備,同時(shí)也提高了系留電纜的電能傳輸利用率。
針對(duì)系留氣球輸配電系統(tǒng)中傳統(tǒng)高壓交流輸配電設(shè)備重量重、 傳輸電纜電能利用率不高等問(wèn)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(guò)與傳統(tǒng)高壓交流輸配電方案對(duì)比,高壓直流輸配電方案可降低球上設(shè)備的重量, 提高電能的傳輸效率,提高球上設(shè)備的供電品質(zhì)。