倪 勇陳 中

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥230601）

0 引言

系留氣球是一種依靠地面錨泊固定和自身浮力駐空運(yùn)行的浮空器平臺(tái)，具有駐空時(shí)間長、覆蓋范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。系留氣球可以搭載多種載荷系統(tǒng)，從而廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域。供電系統(tǒng)是系留氣球可靠工作與安全運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括地面供電與空中供電。目前，系留氣球供電系統(tǒng)的研究主要集中在球上空中部分，針對系留纜繩提出了高壓直流供電技術(shù)[1]，針對球上供電提出了不間斷電源技術(shù)[2]，對于地面供電系統(tǒng)的研究較少。論文提出了一種基于釩液流儲(chǔ)能電站的系留氣球地面供電系統(tǒng)。

1 系留氣球傳統(tǒng)地面供電模式

系留氣球傳統(tǒng)地面供電模式如圖1中框圖所示，正常供電時(shí)，市電提供交流380 V/50 Hz電能；市電故障時(shí)，起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組作為備份電源進(jìn)行供電。供電母線所接負(fù)載主要包括：球上用電設(shè)備、氦氣回收裝置、纜繩收放裝置、地面照明空調(diào)等。用電負(fù)載總功率約為780 kW，因此，配置了2臺(tái)功率500 kW的柴油發(fā)電機(jī)組。纜繩收放裝置主要組成為電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氦氣回收裝置主要組成為壓縮機(jī)、變頻電源主要組成為電力電子器件，均會(huì)給供電母線帶來大量電力諧波，會(huì)對球上測控系統(tǒng)或地面通信系統(tǒng)造成電磁干擾，同時(shí)引起電網(wǎng)功率因數(shù)低、電能質(zhì)量差等問題。因此地面供電系統(tǒng)接入功率100 kW電力有源濾波器，提高電能質(zhì)量，防止諧波通過系留纜繩串入球上供電設(shè)備影響球上測控系統(tǒng)，或?qū)Φ孛嫱ㄓ嵲斐筛蓴_。

圖1 系留氣球傳統(tǒng)地面供電系統(tǒng)

采用柴油發(fā)電機(jī)組作為備份電源雖然技術(shù)成熟，但存在以下一些問題：（1）柴油發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，一般噪聲不低于60～75 dB，對地面執(zhí)勤人員的身心健康造成危害。（2）發(fā)電機(jī)組效率較低，工作時(shí)產(chǎn)生大量廢氣，對環(huán)境造成污染。（3）運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的高溫氣體，容易被紅外裝置監(jiān)測，增加了作為軍事裝備的隱身難度[3]。（4）發(fā)電機(jī)組投入電網(wǎng)運(yùn)行，尤其是兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)接入時(shí)，操作流程相當(dāng)復(fù)雜，據(jù)統(tǒng)計(jì)熟練專業(yè)操作人員一般需要5～10 min完成機(jī)組起動(dòng)運(yùn)行，普通操作人員往往需要反復(fù)多次才能起動(dòng)機(jī)組。當(dāng)發(fā)生惡劣天氣往往伴隨著市電斷電情況時(shí)，為防止系留氣球失控脫系，需采取應(yīng)急回收，發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)間長將大大增加了安全回收的風(fēng)險(xiǎn)，易于造成重大政治經(jīng)濟(jì)損失。

2 系留氣球新型地面供電模式

2.1 新型地面供電模式

鑒于上述分析，論文提出了一種基于釩液流儲(chǔ)能電站的系留氣球新型供電系統(tǒng)，如圖2所示。利用2臺(tái)500kW釩液流儲(chǔ)能電站代替柴油發(fā)電機(jī)組作為備份電源，解決了上述問題：（1）儲(chǔ)能電站的工作噪音極低，頻率往往不在人的聽覺范圍內(nèi)，幾乎不會(huì)對地面執(zhí)勤人員的身心健康造成傷害。（2）儲(chǔ)能電站綠色環(huán)保，對環(huán)境幾乎無損害。（3）相比柴油電站，儲(chǔ)能電站沒有高溫氣體排放，不易被紅外裝置探測發(fā)現(xiàn)。（4）儲(chǔ)能電站可以一鍵式起動(dòng)接入電網(wǎng)，啟動(dòng)時(shí)間可以達(dá)到毫秒至秒級；操作簡單，即使是非專業(yè)人員也能輕松操作。此外，儲(chǔ)能電站以熱備份模式接入電網(wǎng)，可以作為無功補(bǔ)償裝置或有源濾波器，濾除供電母線上電力諧波，從而省去傳統(tǒng)地面供電系統(tǒng)中專門配置的電力有源濾波器，節(jié)約系統(tǒng)成本。

圖2 基于釩液流儲(chǔ)能電站系留氣球地面供電系統(tǒng)

2.2 釩液流儲(chǔ)能電池

釩液流電池以不同價(jià)態(tài)的釩離子作為正負(fù)極活性物質(zhì)存儲(chǔ)于儲(chǔ)液罐中，利用電泵使電解液在電池堆棧中循環(huán)流動(dòng)，通過在電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與釋放[4]。

相比于其他電池儲(chǔ)能技術(shù)，釩液流儲(chǔ)能電池具有功率和容量獨(dú)立控制的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，電池堆棧決定電池功率，電解液儲(chǔ)液罐大小決定了電池容量。因此，當(dāng)儲(chǔ)能電站剩余電量為零時(shí)，可以通過更換電解液儲(chǔ)液罐，瞬間實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能電站的充電過程。這與柴油發(fā)電機(jī)組補(bǔ)充柴油的過程是相似的，因此，可以利用釩液流電池儲(chǔ)能電站代替柴油發(fā)電站，作為系留氣球供電系統(tǒng)的備份電源。

2.3 儲(chǔ)能電站電路結(jié)構(gòu)與控制

儲(chǔ)能電站主電路及控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，儲(chǔ)能電池通過儲(chǔ)能變換器實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔?，?chǔ)能變換器采用三相橋式電路拓?fù)?。根?jù)儲(chǔ)能電站工作狀態(tài)，采用兩種控制策略。當(dāng)市電正常時(shí)，儲(chǔ)能變換器采用PQ功率解耦控制，可以根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的充電和放電功能。當(dāng)市電故障時(shí)，儲(chǔ)能變換器采用V/F控制策略，實(shí)現(xiàn)對供電母線電壓、頻率的穩(wěn)定功能。為便于實(shí)現(xiàn)有功無功電流獨(dú)立控制，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用前饋電流解耦控制策略。

圖3 儲(chǔ)能電站電路結(jié)構(gòu)與控制

本設(shè)計(jì)中采用2臺(tái)500 kW儲(chǔ)能變換器并聯(lián)，相對于780 kW用電負(fù)載，儲(chǔ)能變換器還有220 kW的剩余功率容量，對儲(chǔ)能變換器的電流內(nèi)環(huán)控制策略進(jìn)行改進(jìn)，如圖4所示，引入諧波電流檢測與補(bǔ)償環(huán)節(jié)。諧波電流檢測與補(bǔ)償環(huán)節(jié)基于瞬時(shí)功率理論從負(fù)荷電流中檢測出諧波電流有功與無功分量ihd、ihq，將其疊加到儲(chǔ)能變換器電流控制內(nèi)環(huán)的有功無功電流指令上，從而控制儲(chǔ)能電站向供電母線注入與諧波電流幅值相等、方向相反的電流，就實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站有源濾波功能。

圖4 儲(chǔ)能電站有源濾波控制策略

3 仿真驗(yàn)證

仿真一：初始時(shí)刻，系留氣球由市電供電，用電負(fù)載共600 kW，0.1 s時(shí)刻市電故障，由儲(chǔ)能電站提供電能，仿真結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可見，儲(chǔ)能電站在一個(gè)工頻周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率從0到穩(wěn)定輸出600 kW的過渡過程。相比柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，儲(chǔ)能電站幾乎瞬時(shí)起動(dòng)，能夠快速滿足系留氣球在應(yīng)急情況下對電力供應(yīng)的需求。

圖5 儲(chǔ)能電站起動(dòng)仿真

仿真二：利用儲(chǔ)能電站提供有源濾波功能，補(bǔ)償負(fù)載諧波分量，使電網(wǎng)輸出電力諧波很小，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，提高供電質(zhì)量。仿真結(jié)果如圖6所示，負(fù)載電流中含有大量諧波；儲(chǔ)能電站檢測出諧波電流并向電網(wǎng)進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償；電網(wǎng)輸出電流波形近似為正弦波，與電壓相位基本一致，電網(wǎng)功率因數(shù)近似為1，表明由于儲(chǔ)能電站的有源濾波功能，電網(wǎng)側(cè)諧波電流大大減小。

圖6 儲(chǔ)能電站有源濾波功能

4 結(jié)語

論文提出了一種基于釩液流儲(chǔ)能電站的系留氣球新型地面供電系統(tǒng)，闡述了儲(chǔ)能電站的基本結(jié)構(gòu)與控制策略，通過仿真驗(yàn)證了儲(chǔ)能電站的快速啟動(dòng)與有源濾波功能?？梢灶A(yù)見，采用釩液流儲(chǔ)能電站作為備份電源，將大大降低對于設(shè)備操作人員的專業(yè)能力要求，同時(shí)伴隨著“綠色軍事裝備”的時(shí)代發(fā)展需求[5]，將進(jìn)一步推動(dòng)系留氣球的應(yīng)用。