基于钒液流储能电站的系留气球供电系统

倪 勇陈 中

（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088；2.安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥230601）

0 引言

系留气球是一种依靠地面锚泊固定和自身浮力驻空运行的浮空器平台，具有驻空时间长、覆盖范围广泛等优点。系留气球可以搭载多种载荷系统，从而广泛应用于军民领域。供电系统是系留气球可靠工作与安全运行的一项关键技术，包括地面供电与空中供电。目前，系留气球供电系统的研究主要集中在球上空中部分，针对系留缆绳提出了高压直流供电技术[1]，针对球上供电提出了不间断电源技术[2]，对于地面供电系统的研究较少。论文提出了一种基于钒液流储能电站的系留气球地面供电系统。

1 系留气球传统地面供电模式

系留气球传统地面供电模式如图1中框图所示，正常供电时，市电提供交流380 V/50 Hz电能；市电故障时，起动柴油发电机组作为备份电源进行供电。供电母线所接负载主要包括：球上用电设备、氦气回收装置、缆绳收放装置、地面照明空调等。用电负载总功率约为780 kW，因此，配置了2台功率500 kW的柴油发电机组。缆绳收放装置主要组成为电机执行机构、氦气回收装置主要组成为压缩机、变频电源主要组成为电力电子器件，均会给供电母线带来大量电力谐波，会对球上测控系统或地面通信系统造成电磁干扰，同时引起电网功率因数低、电能质量差等问题。因此地面供电系统接入功率100 kW电力有源滤波器，提高电能质量，防止谐波通过系留缆绳串入球上供电设备影响球上测控系统，或对地面通讯造成干扰。

图1 系留气球传统地面供电系统

采用柴油发电机组作为备份电源虽然技术成熟，但存在以下一些问题：（1）柴油发电机组正常运行时，一般噪声不低于60～75 dB，对地面执勤人员的身心健康造成危害。（2）发电机组效率较低，工作时产生大量废气，对环境造成污染。（3）运行时产生大量的高温气体，容易被红外装置监测，增加了作为军事装备的隐身难度[3]。（4）发电机组投入电网运行，尤其是两台机组并联接入时，操作流程相当复杂，据统计熟练专业操作人员一般需要5～10 min完成机组起动运行，普通操作人员往往需要反复多次才能起动机组。当发生恶劣天气往往伴随着市电断电情况时，为防止系留气球失控脱系，需采取应急回收，发电机组起动时间长将大大增加了安全回收的风险，易于造成重大政治经济损失。

2 系留气球新型地面供电模式

2.1 新型地面供电模式

鉴于上述分析，论文提出了一种基于钒液流储能电站的系留气球新型供电系统，如图2所示。利用2台500kW钒液流储能电站代替柴油发电机组作为备份电源，解决了上述问题：（1）储能电站的工作噪音极低，频率往往不在人的听觉范围内，几乎不会对地面执勤人员的身心健康造成伤害。（2）储能电站绿色环保，对环境几乎无损害。（3）相比柴油电站，储能电站没有高温气体排放，不易被红外装置探测发现。（4）储能电站可以一键式起动接入电网，启动时间可以达到毫秒至秒级；操作简单，即使是非专业人员也能轻松操作。此外，储能电站以热备份模式接入电网，可以作为无功补偿装置或有源滤波器，滤除供电母线上电力谐波，从而省去传统地面供电系统中专门配置的电力有源滤波器，节约系统成本。

图2 基于钒液流储能电站系留气球地面供电系统

2.2 钒液流储能电池

钒液流电池以不同价态的钒离子作为正负极活性物质存储于储液罐中，利用电泵使电解液在电池堆栈中循环流动，通过在电极发生氧化还原反应，实现电能的存储与释放[4]。

相比于其他电池储能技术，钒液流储能电池具有功率和容量独立控制的独特优点，电池堆栈决定电池功率，电解液储液罐大小决定了电池容量。因此，当储能电站剩余电量为零时，可以通过更换电解液储液罐，瞬间实现电池储能电站的充电过程。这与柴油发电机组补充柴油的过程是相似的，因此，可以利用钒液流电池储能电站代替柴油发电站，作为系留气球供电系统的备份电源。

2.3 储能电站电路结构与控制

储能电站主电路及控制结构简图如图3所示，储能电池通过储能变换器实现直流转变为交流电能，储能变换器采用三相桥式电路拓扑。根据储能电站工作状态，采用两种控制策略。当市电正常时，储能变换器采用PQ功率解耦控制，可以根据控制指令实现储能电池的充电和放电功能。当市电故障时，储能变换器采用V/F控制策略，实现对供电母线电压、频率的稳定功能。为便于实现有功无功电流独立控制，内环电流环采用前馈电流解耦控制策略。

图3 储能电站电路结构与控制

本设计中采用2台500 kW储能变换器并联，相对于780 kW用电负载，储能变换器还有220 kW的剩余功率容量，对储能变换器的电流内环控制策略进行改进，如图4所示，引入谐波电流检测与补偿环节。谐波电流检测与补偿环节基于瞬时功率理论从负荷电流中检测出谐波电流有功与无功分量ihd、ihq，将其叠加到储能变换器电流控制内环的有功无功电流指令上，从而控制储能电站向供电母线注入与谐波电流幅值相等、方向相反的电流，就实现了储能电站有源滤波功能。

图4 储能电站有源滤波控制策略

3 仿真验证

仿真一：初始时刻，系留气球由市电供电，用电负载共600 kW，0.1 s时刻市电故障，由储能电站提供电能，仿真结果如图5所示。由仿真结果可见，储能电站在一个工频周期内，实现了输出功率从0到稳定输出600 kW的过渡过程。相比柴油发电机组启动时间，储能电站几乎瞬时起动，能够快速满足系留气球在应急情况下对电力供应的需求。

图5 储能电站起动仿真

仿真二：利用储能电站提供有源滤波功能，补偿负载谐波分量，使电网输出电力谐波很小，提高电网功率因数，提高供电质量。仿真结果如图6所示，负载电流中含有大量谐波；储能电站检测出谐波电流并向电网进行谐波电流补偿；电网输出电流波形近似为正弦波，与电压相位基本一致，电网功率因数近似为1，表明由于储能电站的有源滤波功能，电网侧谐波电流大大减小。

图6 储能电站有源滤波功能

4 结语

论文提出了一种基于钒液流储能电站的系留气球新型地面供电系统，阐述了储能电站的基本结构与控制策略，通过仿真验证了储能电站的快速启动与有源滤波功能。可以预见，采用钒液流储能电站作为备份电源，将大大降低对于设备操作人员的专业能力要求，同时伴随着“绿色军事装备”的时代发展需求[5]，将进一步推动系留气球的应用。