系留氣球多能源供電系統(tǒng)協(xié)調控制策略分析

徐金琨，李兆杰，徐國寧，杜曉偉

(1. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2. 中國科學院大學，北京 100190)

1 引言

系留氣球是一種依靠氣囊內氦氣獲得浮力，并用纜繩栓系在固定裝置上的浮空器，借助于系留纜繩、氣動升力和靜浮力，系留氣球可在空中特定高度范圍內實現長時間駐留[1]。相對于其它飛行器，系留氣球有著滯空時間長、覆蓋范圍廣、機動性能好、偵察能力強等多種優(yōu)點，廣泛應用于各個領域。

現有的系留氣球多采用系留纜繩供電方式[2]，即地面電網經過升壓變換，利用系留纜繩中的電纜將電能由地面輸送到氣球上，這種地面供電的優(yōu)勢在于供電電量充足穩(wěn)定，對于升空高度較低的系留氣球來說是一種合理可靠的供電方案，但系留氣球想要突破現有的升空高度，地面供電的方式就顯現出了許多劣勢，地面輸電線纜重量隨著升空高度的增加也不斷增加，需要增加系留氣球的體積，且?guī)в须娎|的系纜易遭受雷電危害，增加了設計難度。此外，野外實驗的地面供電條件常常無法滿足要求，高效利用風能、太陽能等可再生資源彌補地面供電的不足已成為解決系留氣球供電問題的重要研究方向。

基于以上考慮，本文提出了一種新型系留氣球供電方案，采用光伏發(fā)電、風力發(fā)電和激光輸能聯合供電，蓄電池作為儲能系統(tǒng)的多能源供電系統(tǒng)。目前，針對能源供電系統(tǒng)的仿真分析，較為常用的專業(yè)化分析軟件包括MATLAB、PSCAD、PSIM等，蘇建徽[3]、LI Zhengzhou[4]等對太陽電池的數學模型進行了分析研究，并在太陽電池的U-I特性基礎上，給出了便于工程使用的數學模型。房澤平[5]、Thongam， J.S.[6]等對風力發(fā)電的MPPT策略進行了研究并通過建立仿真模型驗證了可行性，張計科[7]、袁浩然[8]等對地面上風光互補發(fā)電系統(tǒng)建立了MATLAB仿真模型并提出了相應的控制策略。但上述仿真均在地面環(huán)境下開展，高空環(huán)境下常常無法得到地面電網的供電支持，因此需要結合高空環(huán)境特點進行多能源仿真分析，并針對此供電系統(tǒng)提出一種合適的功率控制策略，最終通過MATLAB/SIMULINK驗證了這種供電功率控制策略的可行性。

2 多能源供電系統(tǒng)結構

系留氣球多能源供電系統(tǒng)位置示意圖如圖1所示，在系留氣球上、下方分別鋪設太陽電池與激光電池，上方的太陽電池用于接收太陽光照，下方的激光電池作為激光輸能接收裝置。風力發(fā)電機采用水平軸風力發(fā)電裝置，固定于系留氣球尾部，電源控制器、鋰電池組等均置于系留氣球吊艙內部。

圖1 系留氣球多能源供電系統(tǒng)位置示意圖

風力發(fā)電部分采用風力機耦合永磁發(fā)電機，電力電子接口采用不可控整流橋和DC-DC變換器結構來實現功率變換及調節(jié)，這種方式不需要使用測風速裝置，可以簡化系統(tǒng)結構。光伏發(fā)電部分和激光輸能部分也采用DC-DC變換器來實現功率變換與調節(jié)。光伏發(fā)電子系統(tǒng)、風力發(fā)電子系統(tǒng)和激光輸能子系統(tǒng)均經直流母線并聯向負載及蓄電池供電，DC-DC變換器實現了不同能源供電的解耦，三種子系統(tǒng)可以單獨或同時向負載供電。能源系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示。

圖2 系留氣球多能源供電系統(tǒng)結構圖

3 多能源供電系統(tǒng)能量平衡

系留氣球工作包含錨泊狀態(tài)和非錨泊狀態(tài)，工作主要在非錨泊狀態(tài)下完成。在非錨泊狀態(tài)下，實現任務需要的重要保障是能源的不間斷供給，滿足整個飛行周期內的功耗需求，在能量的產生與消耗之間實現能量平衡。正常狀態(tài)下，維持系留氣球工作所需要的能量應來源于風能與太陽能轉化的電能，在白天有光照條件下，系留氣球能源系統(tǒng)利用光伏發(fā)電和風力發(fā)電以維持系留氣球正常運行并儲存冗余電能，夜間利用風力發(fā)電和蓄電池儲存的能量維持系留氣球正常工作。系留氣球的能量平衡是系留氣球在連續(xù)24小時所需能量總和小于或等于風力發(fā)電機、太陽電池一天內產生的能量[9]。

系留氣球的總功率需求為

Ptotal=Ppayload+Pcontrol+Pother

(1)

式中Ptotal為總功率需求，Ppayload為載荷功率需求，Pcontrol為飛控系統(tǒng)功率需求，Pother為風機等其它設備功率需求。

一天當中風能、太陽能在滿足系留氣球用電需求后儲存下的能量為

(2)

式中Psolar代表太陽電池的輸出功率，Pwind代表風力發(fā)電機的輸出功率。

一天之中蓄電池的供電能量為

(3)

要使系留氣球在正常天氣下連續(xù)工作，需滿足能量平衡關系式

Qstoηbat-Qbat≥0

(4)

式中ηbat為蓄電池充放電效率。根據能量平衡關系可以調整風力發(fā)電機的參數、太陽電池的表面積、蓄電池容量等，以保證系留氣球的正常工作。

4 多能源供電系統(tǒng)功率控制策略

4.1 多能源供電系統(tǒng)復合控制策略

在系留氣球多能源供電系統(tǒng)中，風速、光照、負載所需功率是隨時間變化的，因此各子系統(tǒng)存在多種組合供電模式。同時，各個子系統(tǒng)又存在著不同的運行狀態(tài)，如光伏、風力子系統(tǒng)可運行在最大功率跟蹤和負載功率狀態(tài)，蓄電池存在作為負載(儲能)和作為電源(供電)兩種性質。合理的協(xié)調控制策略可以根據實時氣象條件來控制各子系統(tǒng)的能量流動，實現系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

系留氣球多能源供電系統(tǒng)能量控制的首要原則是滿足負載需求，其次是充分利用風能和太陽能，盡可能減少對激光輸能所產生電能的使用量，同時還應考慮對蓄電池的保護，避免過充和過放。其中風力發(fā)電、光伏發(fā)電的工作情況與天氣條件的關系十分密切，風力發(fā)電、光伏發(fā)電輸出的能量要與負載當前所需的能量以及蓄電池的狀態(tài)相匹配，因此能量管理單元要適時調節(jié)各子系統(tǒng)的輸出功率，以保證系統(tǒng)的功率平衡和安全供電。因此本文制定了一種復合控制策略，其流程圖如圖3所示。

圖3 復合控制策略流程圖

圖3中，PW：風力發(fā)電機輸出功率，PS：太陽電池輸出功率，PL：負載需求功率，PB：蓄電池最大充電功率，UB：蓄電池端電壓，UMAX：蓄電池端電壓上限，UMIN：蓄電池端電壓下限。

首先比較風力發(fā)電子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)的輸出功率與負載所需功率的關系，若風力發(fā)電機與光伏電池發(fā)電功率之和大于負載需求，則檢測蓄電池端電壓是否達到端電壓上限，若已達到，則說明蓄電池電量已滿，為避免蓄電池過充，風力發(fā)電、光伏發(fā)電子系統(tǒng)應轉為恒壓控制，若未達到端電壓上限，繼續(xù)判斷風力發(fā)電機與光伏電池發(fā)電功率之和是否大于負載與蓄電池最大充電功率之和，是則啟動負載功率跟蹤策略，避免蓄電池充電電流過大，否則啟動最大功率跟蹤策略，在滿足負載功率需求前提下，剩余發(fā)電功率為蓄電池充電；若風力發(fā)電機與光伏電池發(fā)電功率之和小于負載需求，則檢測蓄電池端電壓是否達到端電壓下限，若未到達下限，說明蓄電池電量充足，蓄電池放電補足負載缺失功率，若到達下限，說明蓄電池電量不足，繼續(xù)放電有過放風險，此時應開啟激光輸能補足負載缺失功率，并為蓄電池補電。

在風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于輸出功率隨著外界環(huán)境(風速、光強)的變化而變化，若想要充分利用風能和太陽能，保證系統(tǒng)的效率，則必須進行最大功率追蹤控制，使風力發(fā)電、光伏發(fā)電的輸出功率為最大功率。

4.2 光伏發(fā)電子系統(tǒng)最大功率跟蹤策略

本文采用擾動觀察法對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率跟蹤控制，以太陽電池輸出特性曲線為依據，原理圖如圖4所示。

圖4 擾動觀察法原理圖

該方法的原理：通過采集當前太陽電池的輸出電流和電壓，計算此時的輸出功率，在當前輸出電壓上增加的一個擾動量，即一個小的電壓分量，觀察擾動變化后的輸出功率，將擾動后的輸出功率與前一時刻的輸出功率作對比，若擾動后的功率變大，則表明當前擾動方向正確，若功率變小，則說明當前擾動方向不正確，應朝著相反的方向增加擾動量，直至跟蹤到最大功率點。以圖4為例，如果A點為起始工作點，測得功率PA，施加正向擾動測得B點功率PB，PB大于PA，所以需要繼續(xù)施加正向擾動。如果D為起始工作點，測得D點功率PD，施加正向擾動后測得E點功率PE，此時PE小于PD，則應施加反向擾動減小電壓，直至找到最大功率點M。工作流程圖如圖5所示。

圖5 擾動觀察法流程圖

4.3 風力發(fā)電子系統(tǒng)最大功率跟蹤策略

本文采用功率信號反饋法對風力發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率跟蹤，在已知風力機的最優(yōu)功率-轉速曲線的前提下，當風力機轉速在某一固定值時，將該轉速在理論上所對應的最大功率作為給定值，將風力發(fā)電機的輸出功率作為反饋，二者比較后的偏差經PI控制器計算生成PWM信號，通過調節(jié)DC-DC變換器的開關閉合導通時間，使風力供電系統(tǒng)輸出跟隨輸入的設定，從而沿著最優(yōu)功率-轉速曲線運行，達到最大功率控制，其控制框圖如圖6所示。

圖6 風力發(fā)電最大功率跟蹤控制框圖

最優(yōu)功率-轉速曲線如圖7所示，每個不同的風速都對應一條與該風速所對應的輸出功率曲線，每一條輸出功率曲線都存在一個最大功率點。該點所對應的轉速就是相對應風速下的最佳轉速，這些最大功率點所連成的曲線就是最優(yōu)功率-轉速曲線。

圖7 不同風速下P與ω的關系曲線

4.4 負載功率跟蹤策略

因風電、光伏、負載的變化具有隨機性，當風力發(fā)電功率和光伏發(fā)電功率大于負載與蓄電池所需時，為防止蓄電池因充電電流過大而造成損壞，應對蓄電池充電進行控制，根據負載電流與蓄電池最大可接受的電流之和，結合蓄電池端電壓，可計算負載和蓄電池最大充電功率之和，通過調節(jié)DC-DC變換器的占空比分配風力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出功率，來實現功率平衡。以陽光充足、無風的天氣情況為例，當光伏輸出功率大于當前負載功率與設定的蓄電池最大充電功率之和時，光伏子系統(tǒng)轉為負載功率跟蹤控制，此時光伏子系統(tǒng)控制框圖如圖8所示。

圖8 負載功率跟蹤控制框圖

4.5 恒壓控制策略

圖9 恒壓控制框圖

5 仿真模型

5.1 太陽電池模型

太陽電池的發(fā)電工作過程是利用可以吸收光的材料吸收光能，然后釋放電荷，將光能轉化為電能。太陽電池的工作原理是光生伏打效應。

太陽電池容易受外界因素環(huán)境溫度和光照強度的影響，實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的數學模型，一般是根據廠家提供的標準參數Uoc、Um、Isc、Im，來簡化得到常用的工程數學模型[3]

(5)

C1、C2分別為

(6)

(7)

其中，Uoc為開路電壓，Um為最大功率點電壓，Isc為短路電流，Im為最大功率點電流。

5.2 風力機模型

風力發(fā)電的工作過程是將風的動能轉變成機械能，然后再把機械能轉化為電能。

加強信息技術產業(yè)融合。信息技術既是現代高科技的核心，也是未來信息作戰(zhàn)的基本支撐，具有很強的軍民融合性。應把國防動員信息化建設納入地方數字化建設發(fā)展戰(zhàn)略，利用地方現有信息技術基礎設施，擴展國防動員指揮網，建立軍地互聯共用的指揮通信網絡;借助地方信息技術發(fā)展優(yōu)勢，通過嫁接、移植等方式，把地方信息技術、信息資源等領域的創(chuàng)新成果融合到國防動員建設中;加強情報信息中心、軍地情報協(xié)作機制建設，構建軍地互動、融合共享的大情報體系。

影響風力機輸出功率的主要因素有葉尖速比λ、槳距角β、風速v等，將槳距角和葉尖速比作為為風能利用系數Cp的自變量，可得到非線性方程如下

(8)

式中葉尖速比λ與槳距角β之間的關系為

(9)

c1～c6是風力機特性常數，c1=0.5176，c2=116，c3=0.4，c4=5，c5=21，c6=0.0068。

結合所得到的風力機功率系數，風力機實際得到的有功功率為

(10)

其中ρ為空氣密度，R為風機葉片半徑。

5.3 整體模型搭建

根據各自模塊的相應公式分別搭建了光伏電池模型和風力機模型，風力、光伏DC變換電路均采用Buck電路，激光輸能發(fā)電原理與太陽電池發(fā)電原理類似，但不同于光伏發(fā)電受光照因素影響較大，可以人為的設定其功率，在此發(fā)電系統(tǒng)模型中用理想電源替代。蓄電池采用SIMULINK自帶的蓄電池模塊，整體仿真模型如圖10所示。

圖10 整體仿真模型

6 仿真結果及分析

系留氣球主要供配電設備包括測控計算機、電源管理器、風機、防風罩風機、排氣閥、各類傳感器、球上有效載荷等。選取一種典型系留氣球系統(tǒng)進行分析：其峰值負載功率為3200W，但風機、排氣閥、有效載荷等設備并不是長期運行，根據實驗數據，平均負荷為600W。

在MATLAB仿真電路中，選取風力發(fā)電子系統(tǒng)額定功率為1kW，風輪直徑3.2m，額定風速8m/s，啟動風速3m/s，額定轉速360r/min，發(fā)電機轉動慣量0.42kg·m2，定子繞組電阻0.55Ω，電感0.008H，轉子磁通0.48Wb，極對數為8。單個太陽電池組件開路電壓43.2V，短路電流6.16A，最大功率點處電壓35.6V，最大功率點處電流5.63A，最大功率約為200W，太陽電池陣列采用五個單體太陽電池組件并聯，蓄電池額定容量為200Ah，額定電壓33.6V。

6.1 最大功率跟蹤狀態(tài)仿真

通過調節(jié)風速和光照條件來模擬外界條件的變化，初始時刻，外界風速為6m/s，光照強度為1100W/m2，t=1s時風速增大為7m/s，t=1.5s時光照強度下降到800W/m2，t=2s時刻風速增大為8m/s，t=2.5s時刻光照強度回升到900W/m2，通過調節(jié)負載所需功率來模擬系留氣球設備功率變化情況，負載需求功率初始時刻為1000W，t=2s時大功率設備開啟，需求功率變?yōu)?500W，仿真結果如圖11所示。

從上圖可以看出，風力發(fā)電輸出功率與風速變化趨勢一致，光伏輸出功率與光照強度變化趨勢一致，兩個子系統(tǒng)均處于最大功率跟蹤狀態(tài)，在2s時刻之前，負載需求功率較小，風力發(fā)電與光伏發(fā)電在滿足負載要求情況下還有剩余電量，剩余電量給蓄電池充電，2s之后，有大功率負載工作，風力發(fā)電與光伏發(fā)電子系統(tǒng)輸出最大功率之和無法滿足負載需求，此時蓄電池與風力發(fā)電和光伏發(fā)電聯合供電，放電補足缺失功率。

6.2 負載跟蹤狀態(tài)仿真

初始運行時，風速為6m/s，光照強度為800W/m2，t=1s時風速變?yōu)?m/s，t=1.5s時光照強度變?yōu)?000 W/m2，t=2s時風速變?yōu)?m/s，t=2.5s時光照強度變?yōu)?100W/m2，負載初始時刻所需功率為1500W，t=2s時所需功率變?yōu)?00W。仿真結果如圖12所示。

圖12 負載功率跟蹤控制仿真

從上圖可以看出，2s之前風力子系統(tǒng)與光伏子系統(tǒng)均處于最大功率跟蹤狀態(tài)，兩個子系統(tǒng)輸出功率與天氣變化趨勢相一致，2s時刻，大功率負載關閉，此時蓄電池充電功率急劇增大，充電電流值到達設定的蓄電池最大可充電電流值，此時光伏子系統(tǒng)進入負載功率跟蹤模式，光伏輸出功率不再隨光照強度增強而增大，風電子系統(tǒng)仍處于最大跟蹤模式，當風電輸出功率增大時，光伏輸出功率自動下降，保證了蓄電池充電電流不超過最大范圍。

6.3 激光輸能開啟仿真

假定天氣條件為無風無光，為加快仿真速度將蓄電池SOC設置為10.1%，以便蓄電池在放電過程中可以快速到達臨界點，轉換運行模式，仿真結果如圖13所示。

圖13 激光輸能仿真

當長時間處于無風、無陽光、不利于可再生能源產生的糟糕天氣狀態(tài)下時，靠蓄電池放電滿足負載需求，蓄電池電量不斷下降，在1.5s左右時刻蓄電池SOC下降到10%左右，此時應開啟激光輸能，對負載進行供電，并給蓄電池充電，以避免蓄電池出現過放。

7 結論

本文主要針對系留氣球傳統(tǒng)輸電方案中，輸電線纜重量隨升空高度增加而線性增加的問題，提出了一種系留氣球風、光發(fā)電和激光輸能結合的新型多能源供電方式，充分利用清潔可再生資源，并相應提出了此供電系統(tǒng)的一種合理的功率控制策略，并通過搭建MATLAB/SIMULINK模型驗證了此策略的可行性，在不同的天氣條件下，供電系統(tǒng)可以穩(wěn)定的切換工作狀態(tài)，既滿足了負載的需求，又充分利用了可再生能源，還充分考慮到了蓄電池的保護，達到良好的功率互補效果。同時考慮到系留氣球在高空中位置較為固定的情況，采用了激光輸能這一無線輸能供電方式。這種供電系統(tǒng)的提出對突破現有系留氣球升空高度，實現超高空系留氣球駐空有較大意義。