一种用于系留气球的直流供电技术

倪 勇 武 伟 曹剑坤

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

系留气球是一种自身不带动力，依靠浮力升空的浮空飞行器，如图1 所示。 它通过系留缆绳滞留在空中预定的位置，作为空中平台，适合搭载各种载荷设备以满足不同用途需求。 系留缆绳同时作为电力输送电缆，将地面电能输送至球上，系留缆绳最长可达数百万米。

图1 系留气球平台

目前，市面上系留气球产品中输配电系统采用的是高压交流方案，即采用工频或者中频交流电进行传输。 高压交流输配电方案[1～3]在系留气球使用场合存在以下弊端：

（1）长距离的系留供电缆绳会产生无功功率的损耗，在采用中频输电的情况下系留缆绳上的无功功率损耗更大，同时产生更大的压降，降低了系留供电缆绳的输电能力；

（2）球上配置的降压变压器重量约占球上电源分系统总重量的40%，降低了系留气球系统可带的有效载荷；

（3）需要针对电能谐波问题在地面配置有源电力滤波器进行谐波治理，增加了系统应用的成本，同时也降低了系统的可靠性。

为克服现有系留气球产品中输配电系统方案的弊端，本文提出一种适用于系留气球的高压直流供电技术，以提高系留气球系统电能的传输效率，降低球上设备的重量，提高球上设备的供电品质。

1 系留气球高压直流输配电系统

1.1 系统架构及工作原理

如图2 所示，系留气球的高压直流输配电系统包括地面部分和球上部分。

图2 系留气球高压直流供电原理框图

用于系留气球的高压直流输配电系统中电能的传输方式为：电能由交流供电网提供，经过地面AC/DC整流器变换为高压直流电，经高压直流缆绳传输后分别为球上DC/DC 变换器和载荷变换器组提供电能，球上DC/DC 变换器输出的电能通过球体设备直流母线传输至球上综合配电单元，球上应急电源的输出与球上DC/DC 变换器的输出并联，载荷变换器组输出的交流和直流电能传输至球上综合配电单元，球上综合配电单元的输出为球体设备和载荷设备提供电能。

1.2 系留气球高压输配电电路拓扑

系留气球高压输配电电路拓扑的地面部分将三相380 V/50 Hz 交流电经整流稳压调压模块、DC/DC升压模块变换为3 700～4 200 V 可调直流电， 通过系留电缆给球上部分供电。球上部分电源通过DC/DC 降压将电压降低并稳压到DC360±30V 供设备用， 拓扑整体架构如图3 所示。

如图4 所示，整流稳压调压模块整流部分采用三相三电平Vienna 拓扑， 此拓扑具有管子电压应力小，无桥臂输出电压直通问题，控制电路简单等优点。 整流稳压调压模块调压部分采用LLC 电路，在原边实现ZVS 软开关，副边实现ZCS 软开关，降低开关管和二极管损耗。 LLC 电路通过调节开关频率，可以实时调节电路增益，实现补偿电缆压降的功能。

升压模块选择单绕组输出多变压器原边并联副边串联拓扑[4]，如图5 所示。升压模块输入 DC800V，输出AC800V 高频方波；变压器为高频变压器；6 组高频整流模块输出串联，形成DC 4000V 高压输出。

降压模块方案与升压模块类似， 如图6 所示，将变压器反接，5 组LLC 模块原边串，副边并。 每个模块输入DC 800V，经变压器隔离，副边并联，再经全波电路整流输出DC 360V。

图3 高压直流输配电电路拓扑框图

图4 整流稳压调压模块

图5 DC/DC 升压变换拓扑

图6 DC/DC 降压变换拓扑

在最终负载端， 经逆变器将360 V 直流变换为200 V/400 Hz 交流供载荷使用。

1.3 高压直流与高压交流输配电对比

传统系留气球的输配电采用高压交流的形式，如图7 所示，在地面端将交流电通过变压器变换为高压交流电，经系留缆绳传输至系留气球端，再经过交流变压器降压后为球上载荷供电。

以球上供电30kW 输配电系统为例，对高压交流输配电方案和高压直流输配电方案对比结果如表1所示。

表1 高压直流与高压交流输配电方案对比

图7 传统高压交流输配电架构

通过表1 可以看出系留气球高压直流配电方案较传统高压交流配电方案具有明显的重量上优势，由于避除了交流传输环节， 省去了地面有源滤波设备，同时也提高了系留电缆的电能传输利用率。

2 结论

针对系留气球输配电系统中传统高压交流输配电设备重量重、 传输电缆电能利用率不高等问题，提出了一种适用于系留气球的高压直流输配电方案。 通过与传统高压交流输配电方案对比，高压直流输配电方案可降低球上设备的重量， 提高电能的传输效率，提高球上设备的供电品质。