基于釩液流儲能電站的系留氣球供電系統(tǒng)

倪 勇陳 中

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088；2.安徽建筑大學(xué)機械與電氣工程學(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行的浮空器平臺，具有駐空時間長、覆蓋范圍廣泛等優(yōu)點。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行的一項關(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，市電提供交流380 V/50 Hz電能；市電故障時，起動柴油發(fā)電機組作為備份電源進行供電。供電母線所接負載主要包括：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。用電負載總功率約為780 kW，因此，配置了2臺功率500 kW的柴油發(fā)電機組。纜繩收放裝置主要組成為電機執(zhí)行機構(gòu)、氦氣回收裝置主要組成為壓縮機、變頻電源主要組成為電力電子器件，均會給供電母線帶來大量電力諧波，會對球上測控系統(tǒng)或地面通信系統(tǒng)造成電磁干擾，同時引起電網(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)電機組正常運行時，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)電機組效率較低，工作時產(chǎn)生大量廢氣，對環(huán)境造成污染。（3）運行時產(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)電機組投入電網(wǎng)運行，尤其是兩臺機組并聯(lián)接入時，操作流程相當(dāng)復(fù)雜，據(jù)統(tǒng)計熟練專業(yè)操作人員一般需要5～10 min完成機組起動運行，普通操作人員往往需要反復(fù)多次才能起動機組。當(dāng)發(fā)生惡劣天氣往往伴隨著市電斷電情況時，為防止系留氣球失控脫系，需采取應(yīng)急回收，發(fā)電機組起動時間長將大大增加了安全回收的風(fēng)險，易于造成重大政治經(jīng)濟損失。

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能電站的系留氣球新型供電系統(tǒng)，如圖2所示。利用2臺500kW釩液流儲能電站代替柴油發(fā)電機組作為備份電源，解決了上述問題：（1）儲能電站的工作噪音極低，頻率往往不在人的聽覺范圍內(nèi)，幾乎不會對地面執(zhí)勤人員的身心健康造成傷害。（2）儲能電站綠色環(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）儲能電站可以一鍵式起動接入電網(wǎng)，啟動時間可以達到毫秒至秒級；操作簡單，即使是非專業(yè)人員也能輕松操作。此外，儲能電站以熱備份模式接入電網(wǎng)，可以作為無功補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 基于釩液流儲能電站系留氣球地面供電系統(tǒng)

2.2 釩液流儲能電池

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

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

2.3 儲能電站電路結(jié)構(gòu)與控制

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

圖3 儲能電站電路結(jié)構(gòu)與控制

本設(shè)計中采用2臺500 kW儲能變換器并聯(lián)，相對于780 kW用電負載，儲能變換器還有220 kW的剩余功率容量，對儲能變換器的電流內(nèi)環(huán)控制策略進行改進，如圖4所示，引入諧波電流檢測與補償環(huán)節(jié)。諧波電流檢測與補償環(huán)節(jié)基于瞬時功率理論從負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，就實現(xiàn)了儲能電站有源濾波功能。

圖4 儲能電站有源濾波控制策略

3 仿真驗證

仿真一：初始時刻，系留氣球由市電供電，用電負載共600 kW，0.1 s時刻市電故障，由儲能電站提供電能，仿真結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可見，儲能電站在一個工頻周期內(nèi)，實現(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)電機組啟動時間，儲能電站幾乎瞬時起動，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 儲能電站起動仿真

仿真二：利用儲能電站提供有源濾波功能，補償負載諧波分量，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，負載電流中含有大量諧波；儲能電站檢測出諧波電流并向電網(wǎng)進行諧波電流補償；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能電站的系留氣球新型地面供電系統(tǒng)，闡述了儲能電站的基本結(jié)構(gòu)與控制策略，通過仿真驗證了儲能電站的快速啟動與有源濾波功能?？梢灶A(yù)見，采用釩液流儲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，同時伴隨著“綠色軍事裝備”的時代發(fā)展需求[5]，將進一步推動系留氣球的應(yīng)用。