臨近空間大型可移動平臺的供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

曹劍坤　吳有恒

【摘 要】本文研究臨近空間大型可移動平臺的供電系統(tǒng)方案，分析了基于太陽能電池、蓄電池、超級電容、電能傳輸母線和供電終端的供電系統(tǒng)架構(gòu)方案。文中對供電系統(tǒng)中的高壓直流電能傳輸和無線充電等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。通過對供電系統(tǒng)架構(gòu)方案及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，可滿足臨近空間大型可移動平臺的供電需求，實現(xiàn)對平臺設(shè)備的可靠供電。

【關(guān)鍵詞】臨近空間;供電系統(tǒng);高壓直流;無線充電

中圖分類號： V274文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0087-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.039

The Key Technology Research of the Power Supply System for Large Mobile Platform in Near Space

CAO Jian-kun WU You-heng

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Anhui Hefei 230088， China）

【Abstract】The power supply system of large mobile platform in near space is researched. The power supply system is based on solar cells， storage batteries， super capacitors， power transmission buses and power supply terminals. In this paper， the key technologies of the power supply system are analyzed including the HVDC power transmission and wireless charging. By the study of the power supply system architecture and its key technologies， the power supply system not only satisfy the power supply demand of large mobile platform in near space， but also realize the reliable power supply of the platform equipment.

【Key words】Near space; Power supply system; HVDC; Wireless charging

0 引言

臨近空間一般指距地面20km至100km高度內(nèi)的區(qū)域，處于目前傳統(tǒng)航空器的靜升限和在軌航天器的最低運行高度之間。由于技術(shù)限制，該區(qū)域的研究和開發(fā)程度不高。近年來，在偵察監(jiān)視、通信中繼、全球快速打擊等軍事需求的牽引下，在能源、材料、動力等技術(shù)的推動下，臨近空間已成為世界軍事強國關(guān)注和爭奪的焦點。

臨近空間大型可移動平臺位于臨近空間，可搭載飛行器、武器系統(tǒng)以及電子裝備等設(shè)備。利用該區(qū)域平均風(fēng)速小的特點，該平臺可實現(xiàn)長時駐空飛行。平臺可作為飛行器的能源補給和策略調(diào)整的空中基地。該平臺的研究有利于我國對臨近空間進行有效開發(fā)利用，滿足新一代臨近空間裝備等國家安全防務(wù)需求?？煽抗╇姾湍茉吹暮侠砼渲檬瞧脚_長時駐空飛行的必要保證。平臺的供電系統(tǒng)架構(gòu)主要包括發(fā)電，電能傳輸和設(shè)備終端供給三個部分。

本文主要針對平臺的特殊供電需求和對可再生能源的依賴，提出切實可行的供配電方案。

1 供電架構(gòu)分析

平臺供配電系統(tǒng)的特點如下：

（1）臨近空間的太陽輻射強，平臺的表面可利用面積大，適合太陽能電池的大規(guī)模使用;

（2）平臺在夜晚的能量來源主要依靠自身在白天存儲的能量;

（3）平臺設(shè)備的供電距離較遠，高壓供電模式可降低電纜重量和傳輸損耗。

根據(jù)上述特點，臨近空間大型可移動平臺的供電系統(tǒng)的能量來源主要包括：太陽能電池、儲能電池。配電采用高壓電能傳輸方式。

太陽能電池是整個臨近空間大型可移動平臺的主要能量來源。為實現(xiàn)平臺的模塊化搭建、提高供電可靠性、具備一定的抗打擊能力，方案采用多個太陽能子站的分布式組網(wǎng)。

蓄電池具有能量密度大的特點，與太陽能電池實現(xiàn)供電時間的互補。白天太陽能電池的電能一部分提供給平臺設(shè)備供電，另一部分提供給蓄電池充電。夜晚蓄電池提供給平臺設(shè)備供電。太陽能電池與蓄電池的容量需要根據(jù)平臺設(shè)備的功耗設(shè)計合理的能量管理策略。

超級電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長的特點，與蓄電池形成儲能方式的互補[1]。超級電容可瞬間釋放較大功率，適用于電磁和激光等武器系統(tǒng)的供電。為提高武器系統(tǒng)的工作效率，為單個武器系統(tǒng)配備由多個超級電容構(gòu)成的超級電容組，相應(yīng)超級電容組配置具備快速充電能力的充電裝置。

高壓電能傳輸母線將電能傳遞給每個供電終端。固定供電終端為平臺固定設(shè)備提供電能，可移動供電終端為飛行器等可移動設(shè)備提供智能化充電功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

針對臨近空間大型可移動平臺的供電關(guān)鍵技術(shù)研究主要圍繞以下兩個方面展開：（1）遠距離電能傳輸方案，（2）供電終端智能化充電技術(shù)。

2.1 高壓直流電能傳輸技術(shù)

高壓直流輸電（HVDC）是指以大功率換流站與高壓直流輸電線路將2個交流系統(tǒng)相連接進行電能傳輸。高壓直流輸電具有無感抗和容抗、無系統(tǒng)穩(wěn)定問題、調(diào)節(jié)速度快等特點。針對平臺對輸電系統(tǒng)重量的嚴格限制，基于高壓直流輸電的換流站采用基于電力電子技術(shù)的高頻功率變換器以減小體積重量[2]。

與傳統(tǒng)高壓交流輸電系統(tǒng)相比，采用高壓直流輸電具有以下顯著優(yōu)勢：

（1）傳輸線纜的通流能力增強。直流電能在傳輸電纜截面內(nèi)的電流密度分布均勻，可有效提高傳輸線纜的通流能力。

（2）提高電能品質(zhì)。隨著電力電子設(shè)備等非線性負載在平臺上的大規(guī)模使用，基于交流供電的電能諧波問題嚴重影響球上設(shè)備的供電品質(zhì)。

（3）減輕供電設(shè)備的體積重量。與低壓直流供電和采用功率變換技術(shù)的高壓交流供電相比，高壓直流供電方案的變換效率均較高。

（4）提高電能利用率。直流電能傳輸與功率因素無關(guān)，其電能傳輸?shù)睦寐什皇芄β室驍?shù)制約。

直流傳輸母線的電壓等級對系統(tǒng)供電的硬件參數(shù)設(shè)計和選型有直接影響，是供電系統(tǒng)整體效率和經(jīng)濟性的關(guān)鍵設(shè)計之一。臨近空間大型可移動平臺的供電系統(tǒng)專用性強，可根據(jù)一定負載分布下直流傳輸母線電壓降落值確定電壓等級。在選取平臺供電系統(tǒng)電壓等級時，需要綜合考慮供電系統(tǒng)總功率，直流傳輸母線末端功率需求、傳輸母線電壓降落值、供電半徑和線纜參數(shù)等因素。綜合上述因素，擬在MW等級供電功率和km等級供電半徑的條件下，直流傳輸母線選取kV電壓等級較為適宜。

平臺上的固定設(shè)備，如固定武器系統(tǒng)和平臺自身的控制設(shè)備，通常采用的是28V低壓直流供電方式。因此，固定設(shè)備的供電終端設(shè)計主要采用DC/DC變換器。為減小變換器體積重量，DC/DC變換器通常采用移相全橋方案，該方案成熟可靠，其電路拓撲如圖2所示。利用功率開關(guān)管寄生電容和變壓器漏感的匹配設(shè)計，在功率開關(guān)管開關(guān)動作時刻進行諧振工作，可實現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)。該軟開關(guān)技術(shù)可提高變換器開關(guān)頻率，減小變換器體積重量，提高工作效率。變壓器的工作頻率較高，有利于減小其體積重量。

2.2 無線充電技術(shù)

無線電能傳輸（WPT）又稱為無接觸式電能傳輸，是指通過未經(jīng)電氣（線）直接接觸的方法將電能從電源傳遞至負載的一種能量傳輸方式。目前WPT技術(shù)可分為兩大類，第一種是近場無線充電技術(shù)，第二種是遠場無線充電技術(shù)。

2.2.1 近場無線充電技術(shù)

近場無線充電技術(shù)具有方向性不敏感、傳輸效率較高、可穿越非磁性物質(zhì)的特點，適用于飛行器在臨近空間大型可移動平臺上著陸時的電能傳輸。

磁耦合諧振式無線電能傳輸利用諧振原理，可在中等距離（根據(jù)諧振線圈直徑的不同，一般為m級）實現(xiàn)較高的傳輸效率和較大的功率。電能傳輸空間仍然不受空間非磁性障礙物的影響。該方案的設(shè)備重量較輕，其對電磁環(huán)境的影響較小。

在設(shè)備供電終端需要配備電源線圈和發(fā)射線圈，設(shè)備供電終端的DC/AC變換器將高壓直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔茏鳛殡娫淳€圈的電能供給。在設(shè)備側(cè)配備接收線圈和負載線圈。此外，設(shè)備側(cè)配置AC/DC變換器將負載線圈的交流電能整流為直流電能給設(shè)備充電。電源位于電源線圈，使電源線圈與發(fā)射線圈隔離;負載位于負載線圈，使接收線圈與負載線圈隔離。發(fā)射線圈和接受線圈的自然諧振頻率設(shè)置為同一頻率。設(shè)備供電終端的電能傳輸?shù)刃щ娐啡鐖D3所示。目前采用此方案可達到的傳輸性能為：1m的距離范圍內(nèi)，傳輸效率可達90%以上，傳輸功率為百瓦等級。傳輸性能與傳輸距離指標的相關(guān)性較強，傳輸距離越近，傳輸效率和傳輸功率越高。

2.2.2 遠場無線充電技術(shù)

遠場無線充電技術(shù)主要是以微波或激光的形式實現(xiàn)能量的遠程傳輸，其應(yīng)用前景廣泛，但是目前技術(shù)不成熟[5-6]。該技術(shù)適用于飛行器在臨近空間移動平臺附近進行作戰(zhàn)任務(wù)時進行空中充電，具有不受地形影響、可進行空對空、空對地、地對地間的能量傳輸?shù)葍?yōu)點，在解決空間航天器、臨近空間飛行器、高空飛艇以及無人機能源供應(yīng)等問題方面具有巨大的應(yīng)用前景。

激光輸能技術(shù)是指在發(fā)射端將電能或其他形式的能量轉(zhuǎn)換為激光能量，經(jīng)過激光發(fā)射和跟瞄系統(tǒng)，將激光聚焦，并利用激光良好的方向性將其發(fā)射到接收端。在接收端，由專門的光電轉(zhuǎn)換裝置——激光電池，將激光能量轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)以激光形式的能量的點對點傳送。激光無線電能傳輸具有較高的能量密度，能量集中，方向強，較小的發(fā)射接收口徑等優(yōu)點，可以實現(xiàn)用較小的發(fā)射功率為較遠的距離供電，而且所需的接收和傳輸設(shè)備的質(zhì)量僅有微波的1/10左右。但該技術(shù)存在一系列限制與難點：由于傳輸距離遠，大氣湍流等因素對激光傳輸?shù)母蓴_，使得激光系統(tǒng)對航天器的跟瞄難度大，且容易損傷航天器上的非接收元件。

微波輸能是將電能以微波能量的方式進行遠距離傳輸，是無線能量傳輸?shù)囊环N實現(xiàn)方式，與感應(yīng)耦合和磁場諧振耦合等無線能量傳輸方式相比其傳輸距離遠，與激光能量傳輸相比，其傳輸效率較高。實現(xiàn)方法是在發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)換成微波向接收端進行發(fā)射，接收端的接收天線收集微波能量并轉(zhuǎn)換成電能，這種傳輸?shù)氖?、終點可以是地、空、天的任意兩兩組合。

3 結(jié)論與展望

臨近空間大型可移動平臺的建設(shè)對我國臨近空間資源的有效開發(fā)利用和國家安全防御具有重要價值。本文探討了臨近空間大型可移動平臺的供配電關(guān)鍵技術(shù)，并提出相應(yīng)解決方案，總結(jié)如下：

（1）根據(jù)臨近空間光照條件充足，平均風(fēng)速小的環(huán)境特點，考慮采用多個太陽能子站的分布式組網(wǎng)供電模式，并結(jié)合蓄電池和超級電容的互補供電，可達到高可靠性的發(fā)電。

（2）基于高壓直流電能傳輸方案，采用kV等級的直流母線電壓有利于遠距離的電能傳輸。相對交流電能傳輸?shù)膹?fù)雜性，直流電能傳輸不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，傳輸損耗也可進一步減小。

（3）平臺可移動設(shè)備的智能化安全充電可通過近場和遠場無線電能傳輸技術(shù)解決。飛行器可在平臺的固定位置停泊進行近場無線充電，也可通過在固定區(qū)域飛行進行遠場無線充電。為滿足飛行器的大功率快速充電需求，該技術(shù)的傳輸功率等級還有待提高。

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