临近空间大型可移动平台的供电系统关键技术研究

曹剑坤　吴有恒

【摘 要】本文研究临近空间大型可移动平台的供电系统方案，分析了基于太阳能电池、蓄电池、超级电容、电能传输母线和供电终端的供电系统架构方案。文中对供电系统中的高压直流电能传输和无线充电等关键技术进行研究。通过对供电系统架构方案及其关键技术的研究，可满足临近空间大型可移动平台的供电需求，实现对平台设备的可靠供电。

【关键词】临近空间;供电系统;高压直流;无线充电

中图分类号： V274文献标识码： A 文章编号： 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

臨近空间一般指距地面20km至100km高度内的区域，处于目前传统航空器的静升限和在轨航天器的最低运行高度之间。由于技术限制，该区域的研究和开发程度不高。近年来，在侦察监视、通信中继、全球快速打击等军事需求的牵引下，在能源、材料、动力等技术的推动下，临近空间已成为世界军事强国关注和争夺的焦点。

临近空间大型可移动平台位于临近空间，可搭载飞行器、武器系统以及电子装备等设备。利用该区域平均风速小的特点，该平台可实现长时驻空飞行。平台可作为飞行器的能源补给和策略调整的空中基地。该平台的研究有利于我国对临近空间进行有效开发利用，满足新一代临近空间装备等国家安全防务需求。可靠供电和能源的合理配置是平台长时驻空飞行的必要保证。平台的供电系统架构主要包括发电，电能传输和设备终端供给三个部分。

本文主要针对平台的特殊供电需求和对可再生能源的依赖，提出切实可行的供配电方案。

1 供电架构分析

平台供配电系统的特点如下：

（1）临近空间的太阳辐射强，平台的表面可利用面积大，适合太阳能电池的大规模使用;

（2）平台在夜晚的能量来源主要依靠自身在白天存储的能量;

（3）平台设备的供电距离较远，高压供电模式可降低电缆重量和传输损耗。

根据上述特点，临近空间大型可移动平台的供电系统的能量来源主要包括：太阳能电池、储能电池。配电采用高压电能传输方式。

太阳能电池是整个临近空间大型可移动平台的主要能量来源。为实现平台的模块化搭建、提高供电可靠性、具备一定的抗打击能力，方案采用多个太阳能子站的分布式组网。

蓄电池具有能量密度大的特点，与太阳能电池实现供电时间的互补。白天太阳能电池的电能一部分提供给平台设备供电，另一部分提供给蓄电池充电。夜晚蓄电池提供给平台设备供电。太阳能电池与蓄电池的容量需要根据平台设备的功耗设计合理的能量管理策略。

超级电容具有功率密度大、循环寿命长的特点，与蓄电池形成储能方式的互补[1]。超级电容可瞬间释放较大功率，适用于电磁和激光等武器系统的供电。为提高武器系统的工作效率，为单个武器系统配备由多个超级电容构成的超级电容组，相应超级电容组配置具备快速充电能力的充电装置。

高压电能传输母线将电能传递给每个供电终端。固定供电终端为平台固定设备提供电能，可移动供电终端为飞行器等可移动设备提供智能化充电功能。

2 关键技术分析

针对临近空间大型可移动平台的供电关键技术研究主要围绕以下两个方面展开：（1）远距离电能传输方案，（2）供电终端智能化充电技术。

2.1 高压直流电能传输技术

高压直流输电（HVDC）是指以大功率换流站与高压直流输电线路将2个交流系统相连接进行电能传输。高压直流输电具有无感抗和容抗、无系统稳定问题、调节速度快等特点。针对平台对输电系统重量的严格限制，基于高压直流输电的换流站采用基于电力电子技术的高频功率变换器以减小体积重量[2]。

与传统高压交流输电系统相比，采用高压直流输电具有以下显著优势：

（1）传输线缆的通流能力增强。直流电能在传输电缆截面内的电流密度分布均匀，可有效提高传输线缆的通流能力。

（2）提高电能品质。随着电力电子设备等非线性负载在平台上的大规模使用，基于交流供电的电能谐波问题严重影响球上设备的供电品质。

（3）减轻供电设备的体积重量。与低压直流供电和采用功率变换技术的高压交流供电相比，高压直流供电方案的变换效率均较高。

（4）提高电能利用率。直流电能传输与功率因素无关，其电能传输的利用率不受功率因数制约。

直流传输母线的电压等级对系统供电的硬件参数设计和选型有直接影响，是供电系统整体效率和经济性的关键设计之一。临近空间大型可移动平台的供电系统专用性强，可根据一定负载分布下直流传输母线电压降落值确定电压等级。在选取平台供电系统电压等级时，需要综合考虑供电系统总功率，直流传输母线末端功率需求、传输母线电压降落值、供电半径和线缆参数等因素。综合上述因素，拟在MW等级供电功率和km等级供电半径的条件下，直流传输母线选取kV电压等级较为适宜。

平台上的固定设备，如固定武器系统和平台自身的控制设备，通常采用的是28V低压直流供电方式。因此，固定设备的供电终端设计主要采用DC/DC变换器。为减小变换器体积重量，DC/DC变换器通常采用移相全桥方案，该方案成熟可靠，其电路拓扑如图2所示。利用功率开关管寄生电容和变压器漏感的匹配设计，在功率开关管开关动作时刻进行谐振工作，可实现功率开关管的软开关。该软开关技术可提高变换器开关频率，减小变换器体积重量，提高工作效率。变压器的工作频率较高，有利于减小其体积重量。

2.2 无线充电技术

无线电能传输（WPT）又称为无接触式电能传输，是指通过未经电气（线）直接接触的方法将电能从电源传递至负载的一种能量传输方式。目前WPT技术可分为两大类，第一种是近场无线充电技术，第二种是远场无线充电技术。

2.2.1 近场无线充电技术

近场无线充电技术具有方向性不敏感、传输效率较高、可穿越非磁性物质的特点，适用于飞行器在临近空间大型可移动平台上着陆时的电能传输。

磁耦合谐振式无线电能传输利用谐振原理，可在中等距离（根据谐振线圈直径的不同，一般为m级）实现较高的传输效率和较大的功率。电能传输空间仍然不受空间非磁性障碍物的影响。该方案的设备重量较轻，其对电磁环境的影响较小。

在设备供电终端需要配备电源线圈和发射线圈，设备供电终端的DC/AC变换器将高压直流电能逆变为交流电能作为电源线圈的电能供给。在设备侧配备接收线圈和负载线圈。此外，设备侧配置AC/DC变换器将负载线圈的交流电能整流为直流电能给设备充电。电源位于电源线圈，使电源线圈与发射线圈隔离;负载位于负载线圈，使接收线圈与负载线圈隔离。发射线圈和接受线圈的自然谐振频率设置为同一频率。设备供电终端的电能传输等效电路如图3所示。目前采用此方案可达到的传输性能为：1m的距离范围内，传输效率可达90%以上，传输功率为百瓦等级。传输性能与传输距离指标的相关性较强，传输距离越近，传输效率和传输功率越高。

2.2.2 远场无线充电技术

远场无线充电技术主要是以微波或激光的形式實现能量的远程传输，其应用前景广泛，但是目前技术不成熟[5-6]。该技术适用于飞行器在临近空间移动平台附近进行作战任务时进行空中充电，具有不受地形影响、可进行空对空、空对地、地对地间的能量传输等优点，在解决空间航天器、临近空间飞行器、高空飞艇以及无人机能源供应等问题方面具有巨大的应用前景。

激光输能技术是指在发射端将电能或其他形式的能量转换为激光能量，经过激光发射和跟瞄系统，将激光聚焦，并利用激光良好的方向性将其发射到接收端。在接收端，由专门的光电转换装置——激光电池，将激光能量转换为电能，实现以激光形式的能量的点对点传送。激光无线电能传输具有较高的能量密度，能量集中，方向强，较小的发射接收口径等优点，可以实现用较小的发射功率为较远的距离供电，而且所需的接收和传输设备的质量仅有微波的1/10左右。但该技术存在一系列限制与难点：由于传输距离远，大气湍流等因素对激光传输的干扰，使得激光系统对航天器的跟瞄难度大，且容易损伤航天器上的非接收元件。

微波输能是将电能以微波能量的方式进行远距离传输，是无线能量传输的一种实现方式，与感应耦合和磁场谐振耦合等无线能量传输方式相比其传输距离远，与激光能量传输相比，其传输效率较高。实现方法是在发射端将电能转换成微波向接收端进行发射，接收端的接收天线收集微波能量并转换成电能，这种传输的始、终点可以是地、空、天的任意两两组合。

3 结论与展望

临近空间大型可移动平台的建设对我国临近空间资源的有效开发利用和国家安全防御具有重要价值。本文探讨了临近空间大型可移动平台的供配电关键技术，并提出相应解决方案，总结如下：

（1）根据临近空间光照条件充足，平均风速小的环境特点，考虑采用多个太阳能子站的分布式组网供电模式，并结合蓄电池和超级电容的互补供电，可达到高可靠性的发电。

（2）基于高压直流电能传输方案，采用kV等级的直流母线电压有利于远距离的电能传输。相对交流电能传输的复杂性，直流电能传输不存在系统稳定性问题，传输损耗也可进一步减小。

（3）平台可移动设备的智能化安全充电可通过近场和远场无线电能传输技术解决。飞行器可在平台的固定位置停泊进行近场无线充电，也可通过在固定区域飞行进行远场无线充电。为满足飞行器的大功率快速充电需求，该技术的传输功率等级还有待提高。

【参考文献】

[1]李少林，姚国兴.风光互补发电蓄电池超级电容器混合储能研究[J].电力电子技术，44（2），2010：12-14.

[2]黄少坡，肖红立.系留艇高压直流输电技术的应用研究[C].2016年中国浮空器大会论文集，2016：287-292.

[3]谷宇，张东来，邢浩江.分布式空间太阳能电站与能源传输技术研究[J].电力电子技术，49（10），2015：49-51.

[4]贾要勤，杨仲庆，曹秉刚.分布式可再生能源发电系统研究[J].电力电子技术，39（4），2005：1-4.

[5]范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报，35（10），2015：2584-2600.

[6]赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报，33（3），2013：1-13.