曹劍坤　吳有恒

【摘 要】本文研究臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)的供電系統(tǒng)方案，分析了基于太陽(yáng)能電池、蓄電池、超級(jí)電容、電能傳輸母線(xiàn)和供電終端的供電系統(tǒng)架構(gòu)方案。文中對(duì)供電系統(tǒng)中的高壓直流電能傳輸和無(wú)線(xiàn)充電等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)供電系統(tǒng)架構(gòu)方案及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，可滿(mǎn)足臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)的供電需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)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(wú)線(xiàn)充電

中圖分類(lèi)號(hào)： V274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yùn)行高度之間。由于技術(shù)限制，該區(qū)域的研究和開(kāi)發(fā)程度不高。近年來(lái)，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(dòng)力等技術(shù)的推動(dòng)下，臨近空間已成為世界軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注和爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)駐空飛行。平臺(tái)可作為飛行器的能源補(bǔ)給和策略調(diào)整的空中基地。該平臺(tái)的研究有利于我國(guó)對(duì)臨近空間進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)利用，滿(mǎn)足新一代臨近空間裝備等國(guó)家安全防務(wù)需求?？煽抗╇姾湍茉吹暮侠砼渲檬瞧脚_(tái)長(zhǎng)時(shí)駐空飛行的必要保證。平臺(tái)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(gè)部分。

本文主要針對(duì)平臺(tái)的特殊供電需求和對(duì)可再生能源的依賴(lài)，提出切實(shí)可行的供配電方案。

1 供電架構(gòu)分析

平臺(tái)供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

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

（2）平臺(tái)在夜晚的能量來(lái)源主要依靠自身在白天存儲(chǔ)的能量;

（3）平臺(tái)設(shè)備的供電距離較遠(yuǎn)，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(diǎn)，臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)的供電系統(tǒng)的能量來(lái)源主要包括：太陽(yáng)能電池、儲(chǔ)能電池。配電采用高壓電能傳輸方式。

太陽(yáng)能電池是整個(gè)臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)的主要能量來(lái)源。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(gè)太陽(yáng)能子站的分布式組網(wǎng)。

蓄電池具有能量密度大的特點(diǎn)，與太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)供電時(shí)間的互補(bǔ)。白天太陽(yáng)能電池的電能一部分提供給平臺(tái)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(tái)設(shè)備供電。太陽(yáng)能電池與蓄電池的容量需要根據(jù)平臺(tái)設(shè)備的功耗設(shè)計(jì)合理的能量管理策略。

超級(jí)電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，與蓄電池形成儲(chǔ)能方式的互補(bǔ)[1]。超級(jí)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(gè)武器系統(tǒng)配備由多個(gè)超級(jí)電容構(gòu)成的超級(jí)電容組，相應(yīng)超級(jí)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(xiàn)將電能傳遞給每個(gè)供電終端。固定供電終端為平臺(tái)固定設(shè)備提供電能，可移動(dòng)供電終端為飛行器等可移動(dòng)設(shè)備提供智能化充電功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

針對(duì)臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)的供電關(guān)鍵技術(shù)研究主要圍繞以下兩個(gè)方面展開(kāi)：（1）遠(yuǎn)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(xiàn)路將2個(gè)交流系統(tǒng)相連接進(jìn)行電能傳輸。高壓直流輸電具有無(wú)感抗和容抗、無(wú)系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題、調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn)。針對(duì)平臺(tái)對(duì)輸電系統(tǒng)重量的嚴(yán)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(shì)：

（1）傳輸線(xiàn)纜的通流能力增強(qiáng)。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(xiàn)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(xiàn)性負(fù)載在平臺(tái)上的大規(guī)模使用，基于交流供電的電能諧波問(wèn)題嚴(yán)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?zé)o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(xiàn)的電壓等級(jí)對(duì)系統(tǒng)供電的硬件參數(shù)設(shè)計(jì)和選型有直接影響，是供電系統(tǒng)整體效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一。臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)的供電系統(tǒng)專(zhuān)用性強(qiáng)，可根據(jù)一定負(fù)載分布下直流傳輸母線(xiàn)電壓降落值確定電壓等級(jí)。在選取平臺(tái)供電系統(tǒng)電壓等級(jí)時(shí)，需要綜合考慮供電系統(tǒng)總功率，直流傳輸母線(xiàn)末端功率需求、傳輸母線(xiàn)電壓降落值、供電半徑和線(xiàn)纜參數(shù)等因素。綜合上述因素，擬在MW等級(jí)供電功率和km等級(jí)供電半徑的條件下，直流傳輸母線(xiàn)選取kV電壓等級(jí)較為適宜。

平臺(tái)上的固定設(shè)備，如固定武器系統(tǒng)和平臺(tái)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(jì)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?fù)淙鐖D2所示。利用功率開(kāi)關(guān)管寄生電容和變壓器漏感的匹配設(shè)計(jì)，在功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻進(jìn)行諧振工作，可實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。該軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可提高變換器開(kāi)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(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

無(wú)線(xiàn)電能傳輸（WPT）又稱(chēng)為無(wú)接觸式電能傳輸，是指通過(guò)未經(jīng)電氣（線(xiàn)）直接接觸的方法將電能從電源傳遞至負(fù)載的一種能量傳輸方式。目前WPT技術(shù)可分為兩大類(lèi)，第一種是近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，第二種是遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。

2.2.1 近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)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(diǎn)，適用于飛行器在臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)上著陸時(shí)的電能傳輸。

磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸利用諧振原理，可在中等距離（根據(jù)諧振線(xiàn)圈直徑的不同，一般為m級(jí)）實(shí)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(duì)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(xiàn)圈和發(fā)射線(xiàn)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€(xiàn)圈的電能供給。在設(shè)備側(cè)配備接收線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈。此外，設(shè)備側(cè)配置AC/DC變換器將負(fù)載線(xiàn)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(xiàn)圈，使電源線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈隔離;負(fù)載位于負(fù)載線(xiàn)圈，使接收線(xiàn)圈與負(fù)載線(xiàn)圈隔離。發(fā)射線(xiàn)圈和接受線(xiàn)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(dá)到的傳輸性能為：1m的距離范圍內(nèi)，傳輸效率可達(dá)90%以上，傳輸功率為百瓦等級(jí)。傳輸性能與傳輸距離指標(biāo)的相關(guān)性較強(qiáng)，傳輸距離越近，傳輸效率和傳輸功率越高。

2.2.2 遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)主要是以微波或激光的形式實(shí)現(xiàn)能量的遠(yuǎn)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(dòng)平臺(tái)附近進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)進(jìn)行空中充電，具有不受地形影響、可進(jìn)行空對(duì)空、空對(duì)地、地對(duì)地間的能量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在解決空間航天器、臨近空間飛行器、高空飛艇以及無(wú)人機(jī)能源供應(yīng)等問(wèn)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(guò)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(zhuān)門(mén)的光電轉(zhuǎn)換裝置——激光電池，將激光能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)以激光形式的能量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送。激光無(wú)線(xiàn)電能傳輸具有較高的能量密度，能量集中，方向強(qiáng)，較小的發(fā)射接收口徑等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)用較小的發(fā)射功率為較遠(yuǎn)的距離供電，而且所需的接收和傳輸設(shè)備的質(zhì)量?jī)H有微波的1/10左右。但該技術(shù)存在一系列限制與難點(diǎn)：由于傳輸距離遠(yuǎn)，大氣湍流等因素對(duì)激光傳輸?shù)母蓴_，使得激光系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，是無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)囊环N實(shí)現(xiàn)方式，與感應(yīng)耦合和磁場(chǎng)諧振耦合等無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式相比其傳輸距離遠(yuǎn)，與激光能量傳輸相比，其傳輸效率較高。實(shí)現(xiàn)方法是在發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)換成微波向接收端進(jìn)行發(fā)射，接收端的接收天線(xiàn)收集微波能量并轉(zhuǎn)換成電能，這種傳輸?shù)氖?、終點(diǎn)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(dòng)平臺(tái)的建設(shè)對(duì)我國(guó)臨近空間資源的有效開(kāi)發(fā)利用和國(guó)家安全防御具有重要價(jià)值。本文探討了臨近空間大型可移動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)，考慮采用多個(gè)太陽(yáng)能子站的分布式組網(wǎng)供電模式，并結(jié)合蓄電池和超級(jí)電容的互補(bǔ)供電，可達(dá)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(jí)的直流母線(xiàn)電壓有利于遠(yuǎn)距離的電能傳輸。相對(duì)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(wèn)題，傳輸損耗也可進(jìn)一步減小。

（3）平臺(tái)可移動(dòng)設(shè)備的智能化安全充電可通過(guò)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)解決。飛行器可在平臺(tái)的固定位置停泊進(jìn)行近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電，也可通過(guò)在固定區(qū)域飛行進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電。為滿(mǎn)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(jí)還有待提高。

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