系留气球多能源供电系统协调控制策略分析

徐金琨，李兆杰，徐国宁，杜晓伟

(1. 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；2. 中国科学院大学，北京 100190)

1 引言

系留气球是一种依靠气囊内氦气获得浮力，并用缆绳栓系在固定装置上的浮空器，借助于系留缆绳、气动升力和静浮力，系留气球可在空中特定高度范围内实现长时间驻留[1]。相对于其它飞行器，系留气球有着滞空时间长、覆盖范围广、机动性能好、侦察能力强等多种优点，广泛应用于各个领域。

现有的系留气球多采用系留缆绳供电方式[2]，即地面电网经过升压变换，利用系留缆绳中的电缆将电能由地面输送到气球上，这种地面供电的优势在于供电电量充足稳定，对于升空高度较低的系留气球来说是一种合理可靠的供电方案，但系留气球想要突破现有的升空高度，地面供电的方式就显现出了许多劣势，地面输电线缆重量随着升空高度的增加也不断增加，需要增加系留气球的体积，且带有电缆的系缆易遭受雷电危害，增加了设计难度。此外，野外实验的地面供电条件常常无法满足要求，高效利用风能、太阳能等可再生资源弥补地面供电的不足已成为解决系留气球供电问题的重要研究方向。

基于以上考虑，本文提出了一种新型系留气球供电方案，采用光伏发电、风力发电和激光输能联合供电，蓄电池作为储能系统的多能源供电系统。目前，针对能源供电系统的仿真分析，较为常用的专业化分析软件包括MATLAB、PSCAD、PSIM等，苏建徽[3]、LI Zhengzhou[4]等对太阳电池的数学模型进行了分析研究，并在太阳电池的U-I特性基础上，给出了便于工程使用的数学模型。房泽平[5]、Thongam， J.S.[6]等对风力发电的MPPT策略进行了研究并通过建立仿真模型验证了可行性，张计科[7]、袁浩然[8]等对地面上风光互补发电系统建立了MATLAB仿真模型并提出了相应的控制策略。但上述仿真均在地面环境下开展，高空环境下常常无法得到地面电网的供电支持，因此需要结合高空环境特点进行多能源仿真分析，并针对此供电系统提出一种合适的功率控制策略，最终通过MATLAB/SIMULINK验证了这种供电功率控制策略的可行性。

2 多能源供电系统结构

系留气球多能源供电系统位置示意图如图1所示，在系留气球上、下方分别铺设太阳电池与激光电池，上方的太阳电池用于接收太阳光照，下方的激光电池作为激光输能接收装置。风力发电机采用水平轴风力发电装置，固定于系留气球尾部，电源控制器、锂电池组等均置于系留气球吊舱内部。

图1 系留气球多能源供电系统位置示意图

风力发电部分采用风力机耦合永磁发电机，电力电子接口采用不可控整流桥和DC-DC变换器结构来实现功率变换及调节，这种方式不需要使用测风速装置，可以简化系统结构。光伏发电部分和激光输能部分也采用DC-DC变换器来实现功率变换与调节。光伏发电子系统、风力发电子系统和激光输能子系统均经直流母线并联向负载及蓄电池供电，DC-DC变换器实现了不同能源供电的解耦，三种子系统可以单独或同时向负载供电。能源系统结构示意图如图2所示。

图2 系留气球多能源供电系统结构图

3 多能源供电系统能量平衡

系留气球工作包含锚泊状态和非锚泊状态，工作主要在非锚泊状态下完成。在非锚泊状态下，实现任务需要的重要保障是能源的不间断供给，满足整个飞行周期内的功耗需求，在能量的产生与消耗之间实现能量平衡。正常状态下，维持系留气球工作所需要的能量应来源于风能与太阳能转化的电能，在白天有光照条件下，系留气球能源系统利用光伏发电和风力发电以维持系留气球正常运行并储存冗余电能，夜间利用风力发电和蓄电池储存的能量维持系留气球正常工作。系留气球的能量平衡是系留气球在连续24小时所需能量总和小于或等于风力发电机、太阳电池一天内产生的能量[9]。

系留气球的总功率需求为

Ptotal=Ppayload+Pcontrol+Pother

(1)

式中Ptotal为总功率需求，Ppayload为载荷功率需求，Pcontrol为飞控系统功率需求，Pother为风机等其它设备功率需求。

一天当中风能、太阳能在满足系留气球用电需求后储存下的能量为

(2)

式中Psolar代表太阳电池的输出功率，Pwind代表风力发电机的输出功率。

一天之中蓄电池的供电能量为

(3)

要使系留气球在正常天气下连续工作，需满足能量平衡关系式

Qstoηbat-Qbat≥0

(4)

式中ηbat为蓄电池充放电效率。根据能量平衡关系可以调整风力发电机的参数、太阳电池的表面积、蓄电池容量等，以保证系留气球的正常工作。

4 多能源供电系统功率控制策略

4.1 多能源供电系统复合控制策略

在系留气球多能源供电系统中，风速、光照、负载所需功率是随时间变化的，因此各子系统存在多种组合供电模式。同时，各个子系统又存在着不同的运行状态，如光伏、风力子系统可运行在最大功率跟踪和负载功率状态，蓄电池存在作为负载(储能)和作为电源(供电)两种性质。合理的协调控制策略可以根据实时气象条件来控制各子系统的能量流动，实现系统的稳定运行。

系留气球多能源供电系统能量控制的首要原则是满足负载需求，其次是充分利用风能和太阳能，尽可能减少对激光输能所产生电能的使用量，同时还应考虑对蓄电池的保护，避免过充和过放。其中风力发电、光伏发电的工作情况与天气条件的关系十分密切，风力发电、光伏发电输出的能量要与负载当前所需的能量以及蓄电池的状态相匹配，因此能量管理单元要适时调节各子系统的输出功率，以保证系统的功率平衡和安全供电。因此本文制定了一种复合控制策略，其流程图如图3所示。

图3 复合控制策略流程图

图3中，PW：风力发电机输出功率，PS：太阳电池输出功率，PL：负载需求功率，PB：蓄电池最大充电功率，UB：蓄电池端电压，UMAX：蓄电池端电压上限，UMIN：蓄电池端电压下限。

首先比较风力发电子系统和光伏发电子系统的输出功率与负载所需功率的关系，若风力发电机与光伏电池发电功率之和大于负载需求，则检测蓄电池端电压是否达到端电压上限，若已达到，则说明蓄电池电量已满，为避免蓄电池过充，风力发电、光伏发电子系统应转为恒压控制，若未达到端电压上限，继续判断风力发电机与光伏电池发电功率之和是否大于负载与蓄电池最大充电功率之和，是则启动负载功率跟踪策略，避免蓄电池充电电流过大，否则启动最大功率跟踪策略，在满足负载功率需求前提下，剩余发电功率为蓄电池充电；若风力发电机与光伏电池发电功率之和小于负载需求，则检测蓄电池端电压是否达到端电压下限，若未到达下限，说明蓄电池电量充足，蓄电池放电补足负载缺失功率，若到达下限，说明蓄电池电量不足，继续放电有过放风险，此时应开启激光输能补足负载缺失功率，并为蓄电池补电。

在风力发电和光伏发电系统中，由于输出功率随着外界环境(风速、光强)的变化而变化，若想要充分利用风能和太阳能，保证系统的效率，则必须进行最大功率追踪控制，使风力发电、光伏发电的输出功率为最大功率。

4.2 光伏发电子系统最大功率跟踪策略

本文采用扰动观察法对光伏发电系统进行最大功率跟踪控制，以太阳电池输出特性曲线为依据，原理图如图4所示。

图4 扰动观察法原理图

该方法的原理：通过采集当前太阳电池的输出电流和电压，计算此时的输出功率，在当前输出电压上增加的一个扰动量，即一个小的电压分量，观察扰动变化后的输出功率，将扰动后的输出功率与前一时刻的输出功率作对比，若扰动后的功率变大，则表明当前扰动方向正确，若功率变小，则说明当前扰动方向不正确，应朝着相反的方向增加扰动量，直至跟踪到最大功率点。以图4为例，如果A点为起始工作点，测得功率PA，施加正向扰动测得B点功率PB，PB大于PA，所以需要继续施加正向扰动。如果D为起始工作点，测得D点功率PD，施加正向扰动后测得E点功率PE，此时PE小于PD，则应施加反向扰动减小电压，直至找到最大功率点M。工作流程图如图5所示。

图5 扰动观察法流程图

4.3 风力发电子系统最大功率跟踪策略

本文采用功率信号反馈法对风力发电系统进行最大功率跟踪，在已知风力机的最优功率-转速曲线的前提下，当风力机转速在某一固定值时，将该转速在理论上所对应的最大功率作为给定值，将风力发电机的输出功率作为反馈，二者比较后的偏差经PI控制器计算生成PWM信号，通过调节DC-DC变换器的开关闭合导通时间，使风力供电系统输出跟随输入的设定，从而沿着最优功率-转速曲线运行，达到最大功率控制，其控制框图如图6所示。

图6 风力发电最大功率跟踪控制框图

最优功率-转速曲线如图7所示，每个不同的风速都对应一条与该风速所对应的输出功率曲线，每一条输出功率曲线都存在一个最大功率点。该点所对应的转速就是相对应风速下的最佳转速，这些最大功率点所连成的曲线就是最优功率-转速曲线。

图7 不同风速下P与ω的关系曲线

4.4 负载功率跟踪策略

因风电、光伏、负载的变化具有随机性，当风力发电功率和光伏发电功率大于负载与蓄电池所需时，为防止蓄电池因充电电流过大而造成损坏，应对蓄电池充电进行控制，根据负载电流与蓄电池最大可接受的电流之和，结合蓄电池端电压，可计算负载和蓄电池最大充电功率之和，通过调节DC-DC变换器的占空比分配风力发电和光伏发电的输出功率，来实现功率平衡。以阳光充足、无风的天气情况为例，当光伏输出功率大于当前负载功率与设定的蓄电池最大充电功率之和时，光伏子系统转为负载功率跟踪控制，此时光伏子系统控制框图如图8所示。

图8 负载功率跟踪控制框图

4.5 恒压控制策略

图9 恒压控制框图

5 仿真模型

5.1 太阳电池模型

太阳电池的发电工作过程是利用可以吸收光的材料吸收光能，然后释放电荷，将光能转化为电能。太阳电池的工作原理是光生伏打效应。

太阳电池容易受外界因素环境温度和光照强度的影响，实际光伏发电系统中使用的数学模型，一般是根据厂家提供的标准参数Uoc、Um、Isc、Im，来简化得到常用的工程数学模型[3]

(5)

C1、C2分别为

(6)

(7)

其中，Uoc为开路电压，Um为最大功率点电压，Isc为短路电流，Im为最大功率点电流。

5.2 风力机模型

风力发电的工作过程是将风的动能转变成机械能，然后再把机械能转化为电能。

加强信息技术产业融合。信息技术既是现代高科技的核心，也是未来信息作战的基本支撑，具有很强的军民融合性。应把国防动员信息化建设纳入地方数字化建设发展战略，利用地方现有信息技术基础设施，扩展国防动员指挥网，建立军地互联共用的指挥通信网络;借助地方信息技术发展优势，通过嫁接、移植等方式，把地方信息技术、信息资源等领域的创新成果融合到国防动员建设中;加强情报信息中心、军地情报协作机制建设，构建军地互动、融合共享的大情报体系。

影响风力机输出功率的主要因素有叶尖速比λ、桨距角β、风速v等，将桨距角和叶尖速比作为为风能利用系数Cp的自变量，可得到非线性方程如下

(8)

式中叶尖速比λ与桨距角β之间的关系为

(9)

c1～c6是风力机特性常数，c1=0.5176，c2=116，c3=0.4，c4=5，c5=21，c6=0.0068。

结合所得到的风力机功率系数，风力机实际得到的有功功率为

(10)

其中ρ为空气密度，R为风机叶片半径。

5.3 整体模型搭建

根据各自模块的相应公式分别搭建了光伏电池模型和风力机模型，风力、光伏DC变换电路均采用Buck电路，激光输能发电原理与太阳电池发电原理类似，但不同于光伏发电受光照因素影响较大，可以人为的设定其功率，在此发电系统模型中用理想电源替代。蓄电池采用SIMULINK自带的蓄电池模块，整体仿真模型如图10所示。

图10 整体仿真模型

6 仿真结果及分析

系留气球主要供配电设备包括测控计算机、电源管理器、风机、防风罩风机、排气阀、各类传感器、球上有效载荷等。选取一种典型系留气球系统进行分析：其峰值负载功率为3200W，但风机、排气阀、有效载荷等设备并不是长期运行，根据实验数据，平均负荷为600W。

在MATLAB仿真电路中，选取风力发电子系统额定功率为1kW，风轮直径3.2m，额定风速8m/s，启动风速3m/s，额定转速360r/min，发电机转动惯量0.42kg·m2，定子绕组电阻0.55Ω，电感0.008H，转子磁通0.48Wb，极对数为8。单个太阳电池组件开路电压43.2V，短路电流6.16A，最大功率点处电压35.6V，最大功率点处电流5.63A，最大功率约为200W，太阳电池阵列采用五个单体太阳电池组件并联，蓄电池额定容量为200Ah，额定电压33.6V。

6.1 最大功率跟踪状态仿真

通过调节风速和光照条件来模拟外界条件的变化，初始时刻，外界风速为6m/s，光照强度为1100W/m2，t=1s时风速增大为7m/s，t=1.5s时光照强度下降到800W/m2，t=2s时刻风速增大为8m/s，t=2.5s时刻光照强度回升到900W/m2，通过调节负载所需功率来模拟系留气球设备功率变化情况，负载需求功率初始时刻为1000W，t=2s时大功率设备开启，需求功率变为2500W，仿真结果如图11所示。

从上图可以看出，风力发电输出功率与风速变化趋势一致，光伏输出功率与光照强度变化趋势一致，两个子系统均处于最大功率跟踪状态，在2s时刻之前，负载需求功率较小，风力发电与光伏发电在满足负载要求情况下还有剩余电量，剩余电量给蓄电池充电，2s之后，有大功率负载工作，风力发电与光伏发电子系统输出最大功率之和无法满足负载需求，此时蓄电池与风力发电和光伏发电联合供电，放电补足缺失功率。

6.2 负载跟踪状态仿真

初始运行时，风速为6m/s，光照强度为800W/m2，t=1s时风速变为7m/s，t=1.5s时光照强度变为1000 W/m2，t=2s时风速变为8m/s，t=2.5s时光照强度变为1100W/m2，负载初始时刻所需功率为1500W，t=2s时所需功率变为200W。仿真结果如图12所示。

图12 负载功率跟踪控制仿真

从上图可以看出，2s之前风力子系统与光伏子系统均处于最大功率跟踪状态，两个子系统输出功率与天气变化趋势相一致，2s时刻，大功率负载关闭，此时蓄电池充电功率急剧增大，充电电流值到达设定的蓄电池最大可充电电流值，此时光伏子系统进入负载功率跟踪模式，光伏输出功率不再随光照强度增强而增大，风电子系统仍处于最大跟踪模式，当风电输出功率增大时，光伏输出功率自动下降，保证了蓄电池充电电流不超过最大范围。

6.3 激光输能开启仿真

假定天气条件为无风无光，为加快仿真速度将蓄电池SOC设置为10.1%，以便蓄电池在放电过程中可以快速到达临界点，转换运行模式，仿真结果如图13所示。

图13 激光输能仿真

当长时间处于无风、无阳光、不利于可再生能源产生的糟糕天气状态下时，靠蓄电池放电满足负载需求，蓄电池电量不断下降，在1.5s左右时刻蓄电池SOC下降到10%左右，此时应开启激光输能，对负载进行供电，并给蓄电池充电，以避免蓄电池出现过放。

7 结论

本文主要针对系留气球传统输电方案中，输电线缆重量随升空高度增加而线性增加的问题，提出了一种系留气球风、光发电和激光输能结合的新型多能源供电方式，充分利用清洁可再生资源，并相应提出了此供电系统的一种合理的功率控制策略，并通过搭建MATLAB/SIMULINK模型验证了此策略的可行性，在不同的天气条件下，供电系统可以稳定的切换工作状态，既满足了负载的需求，又充分利用了可再生能源，还充分考虑到了蓄电池的保护，达到良好的功率互补效果。同时考虑到系留气球在高空中位置较为固定的情况，采用了激光输能这一无线输能供电方式。这种供电系统的提出对突破现有系留气球升空高度，实现超高空系留气球驻空有较大意义。