机载系统和机载发电系统及方法与流程

本发明涉及一种机载系统、一种机载发电系统和方法，并且尤其涉及一种被配置为收集风力并将其转换为电力的机载风力转换系统和方法。

背景技术：

近年来，收集风力并将其转换为电力已变得很流行。除了由顶部配备有转子驱动的发电机单元的塔架构成的基于塔架的风力发电系统之外，也构思了机载系统。这种机载系统与已知的基于塔架的风力转换系统的不同之处在于，转子驱动的发电机单元由飞行器承载，即位于机载单元上，该机载单元在空气中通过以便与风相互作用。机载单元通过承载机械负载并且还能够将飞行器电联接到地面单元的系绳而被保持到地面单元，特别是为了以发电机模式将从风力转换成的电力传输到地面单元。

在发电机单元的可靠性方面必须面对困难，发电机单元也以电动机模式用于在收集和转换风力的过程之前和之后使飞行器起飞和降落。这类似地适用于具有被电驱动的驱动单元的纯机载系统的飞行器。需要更多的容错系统和操作模式。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种机载系统，一种机载发电方法以及一种使用具有更高的容错能力的机载系统的方法、特别是与基础飞行器在机载电动机/发电机单元的电动机模式和发电机模式下进行的起飞和降落有关的方法。

该目的通过根据独立权利要求1的机载系统，并通过根据独立权利要求17的机载发电方法，并通过根据独立权利要求18的使用机载系统的方法来实现。优选实施例在各个从属权利要求中限定。

根据本发明的第一方面，提供了一种机载系统，该机载系统包括被配置为飞行器的机载单元，被配置为供应、接收和/或存储电力的电力源/库单元，以及用于将电力源/库单元电联接到机载单元或电联接在机载单元之内的联接单元。根据本发明，机载单元包括多个电动机/发电机单元，每个电动机/发电机单元具有机械地联接到其上的至少一个风收集/推进转子。联接单元被配置为将电力源/库单元与电动机/发电机单元电联接，以便在电力源/库单元与电动机/发电机单元之间传输电力。电动机/发电机单元的组及其分配的电传输路径至少在机载单元和联接单元中彼此电气和/或电流地不联接。

因此，本发明的关键方面是实现电动机/发电机单元的组及其分配的电传输路径相对于彼此的电气和/或电流分离。这确保改善了安全问题。

在将机载系统称为纯机载实体的情况下，必须通过内部装置为基础载具的驱动系统提供电力。因此，根据机载系统的优选实施例，电力源/库单元(i)至少部分地由机载单元构成和/或(ii)包括一个或多个电力存储装置和/或一个或多个太阳能转换装置或由其构成具有特别的优势。

特别地，电动机/发电机单元的相应组、电力存储装置和/或太阳能转换装置以及它们的分配的电传输路径至少在机载单元中和在联接单元中彼此电气和/或电流地不联接。

在本发明的意义上，(i)一方面电动机/发电机单元的相应组及其分配的电传输路径，以及(ii)另一方面电动机/发电机单元的相应组、电力存储装置和/或太阳能转换装置及其分配的电传输路径总体上称为组。

在任何情况下，本发明的关键方面，即电动机/发电机单元的组及其分配的电传输路径的电气和/或电流隔离在这方面也是特别有利的。

可替代地，可以配置机载系统以便与地面联接。因此，机载系统可以形成为机载发电系统。

根据本发明的该附加或替代方面，作为机载发电系统的机载系统可以包括机载单元，其(i)形成为风筝、电驱动飞机和/或电驱动直升机，并且(ii)配置为收集风力并将其转换为电力。

可以提供地面单元，该地面单元包括电力源/库单元的至少一部分或由其形成，并且被配置为分别向机载单元发送和/或从机载单元接收电力。

联接单元可以包括或可以形成为用于将机载单元机械地和电气地联接到地面单元的联接和系绳单元，并且被配置为在机载单元和地面单元之间传输电力。

根据本发明的附加或替代方面，机载单元包括多个电动机/发电机单元，每个电动机/发电机单元具有机械地联接到其的风收集/推进转子，其中，多个电动机/发电机单元的组具有分配的电传输路径。电动机/发电机组的组和它们的分配的电传输路径至少在机载单元中以及在联接和系绳单元中(但也优选地在地面单元中)相对于彼此电气和/或电流不联接、绝缘、隔离和/或分离。通过这些措施，尤其是通过电气和/或电流地不联接的电动机/发电机单元的组及其分配的电传输路径，机载发电系统的可靠性得以提高，因为发电机模式以及电动机模式下的某些故障一定程度上减少或者甚至得以避免，从而确保了基础机载单元的安全起飞和降落能力。

转子和下面的电动机/发电机单元之间的机械联接可以以不同的方式实现。例如，给定的转子可以联接至单个分配的电动机/发电机单元，或者联接至多个电动机/发电机单元。根据本发明的其他实施例，代替地，给定的电动机/发电机单元可以机械地联接至单个转子或多个转子。

可以通过各种方式实现电气和/或电流地不联接。

根据本发明的一个优选实施例，这可以通过为每个组提供传动系统并将该传动系统分配至相应组来实现，特别是以确定的和/或不同的方式。另外，这样的传动系统至少在机载单元中并且在联接单元中(特别是在联接和系绳单元中)相对于彼此电气和/或电流地不联接、绝缘、隔离和/或分离。

相应的组可以包括一个或多个电动机/发电机单元，特别是具有偶数个电动机/发电机单元。

在这种情况下，如果每个组包括相同数量的电动机/发电机单元，则将特别有利。这提供了考虑对称性方面的机会，特别是在发生不太可能的主要故障的情况下，并且在这种情况下，可以切断电动机/发电机的整个组，以保持机载单元及其飞行的平衡。

另一方面，如果相应组仅包括单个电动机/发电机单元，则也是可能的并且特别有利的。在这种情况下，每个电动机/发电机单元与任何其他电动机/发电机单元电气和/或电流不联接。

为了实现不联接，机载单元可以针对每个相应的组包括分配的电力电子转换器和/或分配的电缆组并且优选地是电缆对，特别是作为各个分配的传动系统的一部分。特别地，电缆(也可以称为线路)可以至少设置在相应的分配的电力电子转换器的联接单元侧或联接和系绳单元侧和/或连接或可连接到联接单元，连接或可连接到联接和系绳单元，且特别地连接或可连接到联接单元以及特别是联接和系绳单元的各相应的分配的电缆组或电缆对，即具有对应的不同分配。

在本发明的意义上，任何电缆都可以被称为通用电传输线路等。

根据本发明的另外的或替代的实施例，并且为了进一步增强不联接能力，联接单元以及尤其是联接和系绳单元对于每个相应的组可以包括分配的电缆组并且优选地是一对电缆，其特别是作为机载单元的相应分配的传动系统的一部分，连接或可连接在机载装置内或连接到连接机载装置和/或连接或可连接至电力源/库单元并且特别连接到地面装置，和/或分别连接或可连接到机载单元、电力源/库单元和地面单元的相应分配的电缆组或电缆对。

在这种情况下，该电缆对中的每个构件可以具有分配至其的正电极性和负电极性中的一个。

极性也可能随时间变化，因此是指交流或多相电流概念。在两个相以上的情况下，当多相电流概念的相数大于2时，可以使用概念n元组电缆来代替电缆对。

联接和系绳单元可以包括具有圆周表面的芯。

电缆对或n元组电缆可以在圆周表面对齐，使得电缆对或n元组电缆中具有分配至其的dc系统的给定极性或ac系统的相位组中之一的每个构件都可以分别以下述方式对准：(i)与(至少在操作模式下)具有相同分配的极性或相位的一对电缆中的构件直接相邻，以及(ii)与(至少在操作模式下)具有相反的分配极性或另一或不同的相位的一对电缆中的构件直接相邻。

为了进一步支持根据本发明的机载发电系统的不联接能力，特别有利的是，地面单元对于每个相应的组包括分配的电缆组并且优选地是一对电缆，其在地面单元的联接和系绳单元侧，尤其是作为各相应的分配的传动系统的一部分，连接或可连接至联接和系绳单元，和/或连接或可连接至联接和系绳单元的各相应的分配的电缆组或电缆对。

通过这些措施，沿从机载单元经由系绳和联接单元直到地面单元的整个电传输路径以及沿相反的方向，建立了不同分配的传动系统的不联接和/或隔离。

为了在不负面影响本发明的不联接能力的情况下进一步确保用于飞行器的起飞能力，特别有利的是，特别是作为各相应的分配的传动系统的一部分，地面单元针对电动机/发电机单元的每个相应组包括：

-分配的不间断电源单元，其特别在地面单元的联接单元侧或联接和系绳单元侧，和/或配置为向各各相应的分配的电缆组或电缆对供电，以在系统的电动机或推进器模式下可控制地操作相应的电动机/发电机单元，和/或

-分配的电力电子转换器，其被配置为从各相应的分配的电缆组或电缆对接收电力，转换所接收的电力并将所转换的电力馈送到诸如电阻器的电力库、电网或能量存储装置中，其特别是在与地面单元的联接单元侧或联接和系绳单元侧相对的一侧。

可优选满足的另一要求是飞行器在其飞行期间的操作稳定性。

因此，特别有利的是，根据本发明的另一优选实施例，相应的组包括电动机/发电机单元，它们相对于下面的机载单元的质心整体上对称地有助于质量和/或角动量分布。

出于安全原因，优选安装有能够选择性地切断选定的电动机/发电机单元或其组的装置。

因此，电力源/库单元以及特别地面单元，特别是作为各相应的分配的传动系统的一部分，可以相应地针对每个相应的组包括过电流切断系统以及特别熔断器系统，其被配置为：特别是在由相应的电缆传输的电流超过阈值imax的情况下，将电缆组中的电缆连接到电力源/库单元、地面单元和/或机载单元的参考或接地电位。

在这种情况下，优选的是，特别是作为各相应的分配的传动系统的一部分，相应的熔断器系统对于每个相应的组在各相应的分配的电缆组的每个电缆中包括具有串联连接在电缆组的每根电缆中的第一熔断器或熔断器元件的熔断器单元。

另外，可以提供以下中的至少一个：(i)第二熔断器元件，其与所述第一熔断器元件串联电连接并且在所述一组电缆的相应电缆中；和(ii)的第三熔断器元件，其与(a)位于电力源/库单元的一侧或第一和第二熔断器元件之间的串联节点并联并且与(b)电力源/库单元、地面单元和/或机载单元的所述参考或接地电位。

如果适用，所述第三熔断器元件与二极管元件串联连接，二者并联连接至第一和第二熔断器元件之间的串联节点，特别地，二极管元件可以相对于相应电缆的电位和正常操作条件下的参考电位或接地电位之间的电位差反向连接。

通过相应地调整所涉及的熔断器元件的定时行为，可以实现更高的可靠性。

因此并且根据本发明的另一个优选实施例，用于给定传动系统的一对电缆中的电缆的熔断器系统下方的熔断器单元的第一至第三熔断器f1至f6的相对触发或切换时间tf1…tf6满足以下条件(1)至(6)：

-对于第一电缆的第二熔断器f1:tf1≥tmin(1)

-对于第二电缆的第二熔断器f2:tf2≥tmin∧tf2≠tf1(2)

-对于第一电缆的第一熔断器f3：tf3＞max{tf1,tf2}(3)

-对于第二电缆的第一熔断器f4：tf4＞max{tf1,tf2}∧tf4≠tf3(4)

-对于第一电缆的第三熔断器f5：tf5＞max{tf3,tf4}(5)

-对于第二电缆的第三熔断器f6：tf6＞max{tf3,tf4}(6)，并且

其中，tmin表示最小延迟时间，该最小延迟时间特别是预先确定和/或固定的，以便确保熔断器仅由于短路电流而断开，该短路电路特别被由供电的不间断电源单元的相应的底层驱动。

在本发明的意义上，熔断器元件的触发或切换时间代表时间间隔，该时间间隔对于熔断器元件通过分离电连接和/或电流连接进行反应是必需的。

关于用作熔断器元件的电子熔断器(也称为电子开关)，触发和/或切换时间可以被定义为与最大电流imax有关，其中，在实际电流已经超过最大电流imax一定时间跨度之后，熔断器元件触发电气和/或电流分离，该时间跨度对应于触发或切换时间的值。

当熔断器用作熔断器元件时，触发和/或切换时间t可以被定义为与热阈值有关，该热阈值由开始熔断器的熔化以及由熔化熔断器引起的分离的熔化熔断器内的吸收功率i²t给定。

根据本发明的另一方面，提供一种机载发电方法，其中作为机载单元并具有将风力转换成电力的电力转换装置的飞行器起飞，可控地飞行成风力收集迹线，并且然后进行操作以便收集风力并将风力转换为电力，电力通过联接和系绳单元传输到飞行器或从飞行器传输，并且电动/发电机的组及其分配的电气传输路径至少在机载单元中以及在联接和系绳单元中并且优选还在地面单元中相对于彼此以电气和/或电流不联接的方式操作。

优选地，机载发电方法使用根据本发明的机载发电系统以便进行风力的收集和转换。

根据本发明的又一方面，提出了一种使用机载系统的方法，其中，作为机载单元的飞行器通过向多个电动机/发电机单元提供电力来起飞和可控制地飞行，每个电动机/发电机单元具有机械联接到其以驱动其的至少一个推进转子，所述电力通过联接单元在飞行器内传输，并且电动机/发电机单元的组及其分配的电传输路径至少在机载单元和联接单元中相对于彼此以电气和/或电流不联接的方式操作。

根据使用机载系统的方法的优选实施例，使用根据本发明的机载系统。

附图说明

将基于本发明的实施例并参考附图来描述本发明的这些和其他细节、优点和特征。

图1至图3基于形成为风筝的飞行器形式的基础机载单元的不同类型，示意性地描述了根据本发明的机载发电系统的实施例。

图4是示出根据本发明的机载发电系统的另一实施例的框图。

图5是机载发电系统的又一实施例的示意性正视图。

图6是表示可包含在根据本发明的机载发电系统的实施例中的联接和系绳单元的截面视图。

图7是根据本发明的机载发电系统的实施例的更详细的示意框图。

图8a、图8b是描述可包括在根据本发明的机载发电系统的实施例中的联接和系绳单元的截面视图。

图9示出了根据本发明的机载发电系统的实施例的等效电路，其特别着重于熔断器系统。

图10示出了描述根据本发明的机载发电系统的实施例的某些操作参数的表。

图11描绘了示意性框图，其中，根据本发明的机载发电系统的另一优选实施例，多个电动机/发电机单元被包含在电动机/发电机单元的相应组内。

图12给出了表示可包括在根据本发明的机载发电系统的实施例中的联接和系绳单元的截面视图，其特别着重于直接相邻的电缆的电位的极性的分配。

图13至图19通过等效电路和示出状态、电流和电压的曲线图说明了被配置为处理某些操作故障的不同的操作模式。

具体实施方式

在下面的实施例和本发明的技术背景中，通过参考附图1至图19详细介绍了本发明。相同或等同的元件以及作用相同或等同的元件用相同的附图标记表示。并非在每种情况下都重复对元件和部件的详细描述。

在不脱离本发明的要旨的情况下，本发明实施例的所描绘和描述的特征以及进一步的特性可以任意地分离和重新组合。

图1至图3基于形成为风筝10'的飞行器10'的形式的基础机载单元10的不同类型而示意性地描述了根据本发明的机载发电系统100的实施例。

图1至3中所示的每个机载发电系统100包括特别呈飞行器10'(例如风筝10')的形式的这样的机载单元10、也称为地面站的地面单元50和被配置为承载机械负载以及用于在机载单元10和地面单元50之间传输电力的系绳和联接单元30。

从图1至图3可以看出，机载单元10可以形成为飞行器10′，并且特别是风筝10′。风筝10′由框架13形成，框架13具有带主翼11-1和在对面或后部区域的辅助翼11-2和11-3。

主翼11-1配备有多个电动机/发电机单元12，机械联接的转子14被组装至该电动机/发电机单元。

在机载发电系统100的电动机操作模式中，系绳和联接单元30用于在方向102'上将电力从地面站50提供到风筝10'，以便操作将风筝10'上的电动机/发电机单元12用作电动机，从而将转子14用作推进器，以便例如在起飞和降落期间可控地使风筝10'飞行。

如果在起飞之后满足某些风况，则风筝10'可以被引导到某种风收集轨迹101。在已经进入这样的轨迹101之后，操作模式可以从电动机模式切换到发电机模式，在该发电机模式下，转子被风流103驱动旋转。在发电机模式中，转子14的旋转用于驱动电动机/发电机单元12作为发电机，以便由此将风力转换成可以电力，电力可由系绳和联接单元30沿方向102传递到地面站50。

图5给出了机载发电系统100的另一实施例的示意性正视图，其阐明了电动机/发电机单元12和转子14相对于风筝10'的框架13和质心13'的布置。

图4是示出根据本发明的机载发电系统100的另一实施例的框图。在此，说明与用于馈送通过风力转换而得到的电力的电网70的连接。

另外清楚的是，在风筝位置处，电力电子转换器18是有用的，以便将例如从风力获得并且可以是交流电的电力转换成合适的电压范围和极性分布，例如，用于沿着由系绳和联接单元30构成的电缆32、33传输的dc或ac方案。

另一方面，在地面站50处也可以提供电力电子转换器58，以便将通过系绳和联接单元30及其电缆32、33传输的电力转换成合适的电压范围和极性方案，例如，转换成适合于被馈送到电网70中或存储在能量存储装置(未示出)中的ac电。

图6是表示在根据本发明的机载发电系统100的实施例中可能涉及的联接和系绳单元30的截面视图。

系绳和联接单元30的最内部由用作主机械负载载体的芯31形成。在芯31的圆周表面31a上，第一电缆32和第二电缆33在图6所示的参照系xyz中指示的z方向上对齐。

电缆32和33中的每一个也基本沿z方向延伸，并且包括作为最内部的利兹线34、35，用于沿着电缆32、33传输电力。利兹线34、35被绝缘体36包围，然后是屏蔽物37(其可以接地)和作为最外部的电缆护套38。

芯31的在其圆周表面31a上具有对齐的电缆32和33的布置被系绳护套39围绕。在系绳护套39内部的剩余内空间39′可以填充有合适的填充材料。系绳和联接单元30的部件的填充材料和任何其他材料可以被选择为足够柔软，以便允许系绳和联接单元30在卷筒、绞盘等上弯曲和/或缠绕。

根据系绳和联接单元30的特定应用，利兹线34和35可被分配至不同的极性。

还可以从图8a、图8b和图12中获得关于系绳和联接单元30的截面特性的方面以及关于它们的实际尺寸的指示。

图7是根据本发明的机载发电系统100的另一实施例的更详细的示意框图。

可以看出，在图7所示的实施例中，电动机/发电机单元12的每个组16包括单个电动机/发电机单元12，该电动机/发电机单元12借助于机械联接的转子14在发电机模式下由风力驱动。在电动机模式下，每个单个电动机/发电机单元12作为推进器来驱动机械联接的转子14，例如以进行起飞、悬停和/或降落。

从图7中还可以看出，提供了不间断电源单元59，其可以用在机载发电系统100的电动机模式下，以便驱动机械联接到相应的电动机/发电机单元12的转子14，以可控地起飞、悬停和/或降落作为机载单元10的风筝10'。

图7使本发明构思变得明显，根据该构思，电动机/发电机单元12的每个组16与电动机/发电机单元12的任何其他组16电气不联接和/或电流不联接。这通过使在分配给每个组16的电缆32、33的组和对之间没有电互连来说明。

地面站50的电网侧部分被配置为在相应的连接节点57处将分配至未联接的组16的(特别是在地面站50的与联接和系绳单元30相对的一侧上位于地面站50的不间断电源单元59之后的)电缆32、33的所有分开的组结合在一起。

如在图4所示的实施例中，在图7的实施例中分别在风筝位置处和在地面站位置处提供了电力电子转换器18和58。此外，每个组16的每个传动系统17、17a、17b…17m设置有不间断电源单元59，以用于实现可控地驱动电动机/发电机单元12的电动机模式，从而特别在电网70的内部故障期间可控制地起飞、悬停和/或降落机载单元10。

图9示出了根据本发明的机载发电系统100的实施例的等效电路，其特别着重于熔断器系统60，该熔断器系统60由成对的作为过电流切断单元的熔断器单元65形成。

每个熔断器单元65将分配的电缆32、33连接到承载接地或参考电位gnd和/或风筝10′的参考电位k的线路。因此，在每个电缆32、33中，第一熔断器元件61和第二熔断器元件62串联连接。在第一熔断器元件61和第二熔断器元件62之间有连接节点。串联连接的第三熔断器元件63和二极管元件64并联连接至该连接节点，以与承载参考电位k或接地电位gnd的线路接触。

为系统100的所有传动系统17、17a、17b...17m建立了这种配置。在每种情况下，二极管元件64相对于在相应电缆32、33上的给定电位相对接地电位gnd或参考电位k的电位差而反向连接。

图10通过参数表给出了某些操作参数。

图11示出了示意框图，其中，根据本发明的机载发电系统100的另一优选实施例，多个电动机/发电机单元12被包含在多个电动机/发电机单元12的相应的组16内。

如上面已经解释的，图12是表示联接和系绳单元30的截面视图，该联接和系绳单元30可以被包括在根据本发明的机载发电系统100的实施例中，其中特别关注于直接相邻的电缆32、33的电位的极性的分配。

图13至图19借助于等效电路和曲线图来阐明，该等效电路图和曲线图示出了被配置为处理关于根据本发明的机载发电系统100和方法的某些操作故障的不同操作模式的状态、电流和电压。

下面还将详细描述本发明的这些和其他方面：

综述

本发明特别地涉及用于形成为拖动动力风筝100的机载发电系统100或机载风力发电转换系统的容错电力电子系统。

本发明公开了一种用于机载系统100'的容错电力电子系统的方法。关键思想是在机载风力发电系统100(尤其是拖动动力风筝)的系绳30中使用多条并且特别是大量的电缆，并且将转子传动系统17留在风筝的机载系统100'上电隔离的组中(即这样的风筝10'中)、系绳30中和在地面站设备50上。

电力流在地面上的每个传动系统组16的不间断电源后面是并联化的。这种方法几乎不会影响整个系统的性能，例如归因于的系绳30中的无论如何都是高最佳数量的电缆。通过这种方法，一个传动系统组16中的电气和/或功能故障仅影响相同的传动系统组16，并且两个传动系统组16之间的故障仅影响相同的两个传动系统组16。

提出了一种熔断器系统60和用于功率转换器的故障切断控制装置，通过该熔断器系统60和故障切断控制装置，两个传动系统组16之间的故障也最多导致仅一个传动系统组16的不可用。特别地，还减少了系绳中的开路故障和短路故障，总体上对系统无害，并且仍可能会出现类似多旋翼的常见着陆。因此，提出的电力电子系统设计没有单点故障。讨论了一般化和许多变型。详细地，许多电力电子拓扑以及系绳电力传输类型dc和ac都是可能的。在所有情况下，任何开路故障和短路故障最多只会导致一个转子传动系统组16不可用。

动力

除了用于将风能转换成电能的基于塔架的风力涡轮机之外，还开发了作为机载单元10的所谓的拖动动力风筝10′，以便将机载涡轮机14承载在风筝等上。在本发明的意义上，风筝10′被称为用绳系的翼，并且它们成为收集风能的有希望的替代品。

如图1至图3所示，风筝10′以八字形或圆形的侧风轨迹101飞行。所考虑的风筝10′具有板载的并且因此是机载的风力涡轮机14和发电机12以产生电力。

为了减少空气动力学损失和系绳30的质量，电力通过集成在系绳30中的电压电缆32、33传输到地面上的站50。

由于风筝10′的高速，风筝10′处的空速大约比实际风速高一个量级，从而与基于塔架的涡轮机相比，机载涡轮机14可以较小。

在风筝10′以侧风轨迹101飞行之前，发电机12和风力涡轮机14分别作为电动机和推进器操作，例如，以便执行由电动机驱动，从而为了执行垂直起飞并随后过渡到侧风飞行。当风平缓时，可以使用相反的程序降落，以进行维护或其他间歇性发电。

这样的机载风能概念被称为“侧风风筝动力”或“拖动动力”，有时也被称为“板载”、“连续发电”、“飞行发电”或“机载风力涡轮机”，在此，后者术语用于拖动动力风筝的板载风力涡轮机。

与传统的风力涡轮机相比，侧风风筝动力有望收集在更高的海拔处且更强劲、更稳定的风力下的风能。然而，该概念仅需要建造材料和成本的一小部分。因此，它有望降低电力成本(lcoe)。makanipower/google公司开发了一种额定功率为20kw的拖动动力风筝(“wing7”)，并其已被证明是自主发电以及起飞和降落。

当前，还正在开发一个完全的600kw系统(“m600”)。

总的来说，风筝动力设备设计的概念是一个困难且跨学科的挑战。许多研究调查了控制和飞行路径优化，但是只有少数研究调查了电力电子系统的设计。在本发明的意义上，拖动动力风筝的术语“电力电子系统”尤其是指具有高额定功率的所有电力电子设备，而不是指例如dc-dc转换器、供应传感器、控制电子设备等，除非另有说明。

已经表明，对于机载风力涡轮机，具有约8kv系绳电压的中压dc电力传输是最佳的。另外，已经排除了通过系绳的ac传输，因为它可能遭受高无功电流，并因此遭受由系绳的电缆的高电容所引起的损失。防止交流的另一个原因是，电缆的绝缘必须设计成承受峰值电压，该峰值电压是具有相同的功率和电流额定值的dc传输的电压的√2≈1.414倍。因此，ac电缆会更粗。

还研究了具有dc-dc转换器的中压发电机更好还是具有dc-dc转换器的低压发电机更好，并决定采用后者。

另一种方法提出了可能以谐振频率的ac传输，其中，系绳中的电缆连接至风筝上的变压器和电力电子转换器。后者进一步连接到航空dc总线，转子驱动器连接到该航空dc总线。在地面上，系绳电缆还连接到变压器、电力电子转换器，并且然后连接到电网。系绳的相当高的电容以及风筝和/或地面上的可能的附加电容器或电容以及变压器的电感以及风筝和/或地面上的可能的附加电感器或电感可以形成谐振电路。电力电子转换器可以在几千赫兹的谐振频率处产生具有ac频率的电压。当变压器根据绕组数将高系绳电压与电力电子转换器不联接时，电力电子转换器以及发电机可以具有低的额定电压。

因此，可以克服ac电力传输的缺点。

但是，在上述两种方法中，均未解决容错问题。

最终提出了若干转子和若干dc-dc转换器-替代例如风筝和地面上的单个dc-dc转换器-以通过冗余获得一定程度的容错能力。

若干转子和驱动器是一种替代方法，但是到目前为止，所采用的有关容错的唯一进一步细节是可以选择材料以实现冗余和/或容错设计。

但是，通过容错实现高可靠性被认为是非常重要的设计目标，因此，风筝(尤其是用于具有数吨风筝质量的多兆瓦系统的风筝)是最大的可信事故，其应该只有极低的发生可能性。

先前提出的系统确实具有单点故障，例如，系绳电缆中的短路，在该故障下，不可能以多轴直升机模式降落。即使例如通过高质量的制造使得获得这种故障的可能性相对较低，更可靠的解决方案是没有单点故障的电力电子系统设计。

必须注意的是，能够为用于多轴直升机降落的转子供电的多兆瓦级风筝上的电池是不可取的，因为需要如此高的功率和能量，这对于电池来说太重了。类似地，例如使用汽油发动机的混合动力解决方案可能太重和/或太复杂。

如上所述的全部缺点是本发明主题的动机的一部分：先前研究的结果被用作基础，以便以具有没有单点故障并因此具有很高的容错能力的目标扩展电力电子系统设计。

特别地，本发明的一些贡献可以总结如下：

(1)无单点故障的拖动动力风筝的电力电子系统设计的特征和问题描述。

(2)解决方案的提出和研究。

(3)通过模拟和实验进行验证。

(4)讨论来获得无任何单点故障的拖动动力风筝(除电力电子系统外)。

通用的电气互连

图4示出了作为机载单元10的拖动动力风筝10′的电力电子系统100的通用框图。

从右到左，示出以下方面：

(i)通过转子14和多相(通常是三相)电机12(即电动机/发电机)收集风力并转换成电力。旋转磁场电机(因此多相ac电力)，尤其是永磁同步电机，是优选的，因为与其他ac或dc电机相比，这些电机实现最高的功率质量比和效率。

(ii)电机由如图4中从右边第二个方框所示的电力电子转换器18控制，该电力电子转换器还可以包括其他转换器，例如dc-dc或ac-dc转换器。

(iii)来自风筝电力电子转换器18的电力通过系绳30中的电缆32、33(图4的中间方框)以传输电压传输到地面站电力电子转换器58(从左边第二方框)。

(iv)地面站电力电子转换器58将传输电压转换成电网电压，并且还可以包括电网变压器(50hz或60hz)，并且将转换后的电力供应到下面的电网70(从图4的左边第一个方框)。

动力传输是双向的。

必须注意图4的范例的通用性：它包括动力中提及的所有概念以及与已知配置的缺点有关的所有概念，以及可能的其他概念，例如具有串联连接或具有电流源dc电力传输。

子系统故障模式

在图4所示的任何方框中，都能发生故障，因此只有开路和短路这两种电气故障模式才是合理的。注意，这两种故障模式还涵盖导致这两种所述故障模式之一的其他故障模式：例如，电力电子转换器18、58中的故障使电力电子转换器18、58停止运行，因此这就像开路一样，或者例如，过电压会损坏绝缘，这由此导致短路。

有机械性质的其他可能的故障影响电力电子系统，例如转子断裂或系绳撕裂。但是，由于本发明着重于电力电子系统的容错性，因此对这些故障的关注较少，但是在下文中将讨论一些预防措施。

转子的数量和布置

在侧风飞行期间，空速通常足够高，使得通常是容错或冗余的控制表面本身就可以单独控制风筝10'。因此，即使一个或多个转子14出现故障并且不可用，通常也可以进行稳定的侧风飞行。

然而，在悬停期间，即在起飞和降落期间，转子14是唯一或最重要的致动器，风筝10′可以使用其而被保持机载并受到控制。即使转子14在侧风飞行期间而不是在悬停期间发生故障，风筝10′也需要降落/悬停到地面站进行维护。因此，对于设计容错电力电子系统时，悬停是最坏的情况，并且是唯一需要被进一步考虑的模式。

由于风筝10'在悬停期间是用绳系的多轴直升机，因此可以应用用于容错多轴直升机的所有容错措施。对于多轴直升机，转子14的数量越多，容错性越高，并且根据系统设计，甚至在控制算法中没有特殊措施的情况下是可能的。

而且，转子14的数量越多，缺少的推力和力矩的百分比越小，越小的转子盘负载引起越高的转子效率，并且因此在转子故障期间用于保持重力平衡悬停的多余电力越小。

另一个重要的设计变量是转子14相对于多轴直升机或风筝10'的质心的布置及它们的旋转方向，即顺时针或逆时针。通常的多轴直升机有稍微对称的布置，例如以如图5所示的圆形或两行，从而在每个水平轴方向上放置一个或多个转子-在图5中：+x，-x，+y，-y-与质心13'相距一定距离。

该布置和旋转方向通常被选择成使得可以通过转子14的不同角速度产生任意的三维力矩。与常规多轴直升机的不同之处在于，风筝10′是绳系的。因此，风筝10′应始终经由(小的)俯仰角拉动(轻微)在系绳30上，以使系绳始终处于张紧状态。因此，系绳30不会在地面上拖动并且可以使用系绳角度传感器。如果选择如图5所示的y型桥架30'将系绳30连接到风筝10'，则绕竖直轴的移动将受到限制(或更准确地说，如果偏航角与方位角不重合，则有恢复系绳桥架力矩)，因此，绕竖直轴的转子力矩和因此转子旋转方向可能无关紧要，并且所有转子14甚至都可以沿相同的方向旋转。

可能有许多转子数量和布置。

然而，通过以上讨论，并且为了获得至少一个转子可能发生故障的容错水平，转子14的有意义的数量为六、八或更大的偶数。而且，在对称设计中，任何转子14都有相对于质心13'点对称布置的对应转子14，如图5所示。这允许进行保守估计：如果一个转子14发生故障，则对应转子14也需要切断以平衡力矩。其余转子14的推力增加以补偿缺少的推力，从而保持悬停。该估计还允许任何两点对称的转子14可以同时故障。根据本发明，可以考虑风筝尺寸，其中至少在首先提到的转子故障情况下或在这两个转子故障情况下，过量推力和电力是可用的。

拖动动力风筝系绳

图6示出了风筝系绳30的经考虑的设计。系绳30包括：

·机械负载芯31，其由诸如dyneema之类的具有高的强度重量比的材料制成，

·电负载承载电缆32、33，其沿着系绳30以螺旋线围绕芯31布置，具有正利兹线34、负利兹线35、绝缘件36、用于控制电场并可能将风筝的框架接地的接地屏蔽件37(其可能是“半导电”)以及用于机械保护屏蔽件37/电缆32、33的护套38，和

·外护套39，用于对系绳30进行机械和天气保护。

必须注意的是，对于交流电，还需要两条电缆32、33，可论证的更好的标签可能是“火线1和2”。然而，为简单起见，在整个说明书中，“正极线和负极线”被用作同义词。

正极线32和负极线33之间的电压为传输电压，但是对于最小的绝缘宽度，传输电压“以地为中心”，即一根电缆的额定电压仅为传输电压的一半(加上安全裕度)，并且电缆相对于地的传输电压为传输电压的正二分之一或者负二分之一。在应力下，芯应变和收缩。由于电缆32、33的后者和螺旋状布置，电缆32、33可像具有低应力的弹簧一样跟随应变。假设系绳护套39在应变下足够柔。在电缆32、33之间，也可以放置光学和/或导电通信电缆。附加的应变消除层可以围绕芯31放置。

系绳的空气动力学阻力与系绳的直径成正比，但独立于气流方向，因为系绳30的横截面是圆形的，这使系绳30易于缠绕在滚筒上。

例如基于所需的额定强度、额定电压、额定电功率和额定电传输效率可以得出精确系绳尺寸的模型。

问题表述

通过上面给出的讨论，可以将容错电力电子系统设计问题表达如下：本发明的目的是提供一种电力电子系统设计(或拓扑/互连)，其中：

(r1)可以在系绳30中的电缆32、33中以中压进行双向电力传输，

(r2)停止任何部件中的短路电流以防止进一步的故障，例如起火，

(r3)在短路期间以及其缓解之后(例如通过熔断器或通过过电流切断)，所有电线32、33中的电压均保持在最大安全设计电压之内，并且

(r4)故障(开路或短路)的终止效果及其缓解措施仅会导致：

(r4-a)在电动机模式下没有转子14是不可用的，

(r4-b)在电动机模式下任何单个转子14都是不可用的，

(r4-c)在电动机模式下关于质心13'的任意两个点对称转子14是不可用的，

或者

(r4-d)如果传动系统17、17a、17b…17m的功率和推力如此大以至于在这种故障情况下仍然可以进行稳定的悬停，则在电动机模式下，任何两个转子14都是不可用的。

请注意，要求(r4-d)中最坏的情况是，远离质心13’的两个相邻转子14发生故障，即例如在图5中，最左边的两个转子14发生故障，由此，保守估计也必须切断最右边的两个转子14以平衡力矩。

因此，如果仅考虑八个转子14，则推力和电力的一半将变得不可用。然而，在拖动动力风筝设备实现中，满足要求(r4-d)所需的高推力和电力，或者反之亦然，所需的大量的转子14是不切实际的。因此，还期望的是不要求(r4-d)的解决方案。

基本思想-隔离传动系统

如图6所示，许多电缆32、33被集成到系绳30中，由此相对大量的电缆32、33是有意义的，使得系绳30具有较小的直径。提出的解决方案的关键思想是不分别将所有正极电缆32一起连接到一个单一的正电位并且将所有负极电缆33一起连接到一个单一的负电位，既不在风筝上也不在地面上这样做。

相反，如图7所示，一个电缆对是单个转子传动系统17、17a、17b…17m的一部分：在这里，仅考虑交流电网处并联电力流和直流传输的特殊情况，但在以下描述的组15中的多个电动机/发电机12的部分中概括了该概念。

在图7中，每个隔离的传动系统17、17a、17b...17m都由转子14、电机12、ac-dc转换器18，以及在低压电机的情况下可能的dc-dc转换器组成，系绳30的一对电缆中的电缆32、33连接到该dc-dc转换器。在地面站50上，在电力流并联注入交流电网70之前，每对电缆32、33都连接到其自身的不间断电源单元(ups)59和其自身的地面站电力电子转换器58。

在优选的实施例中，方框“地面站电力电子转换器接地”包括电位隔离，最实际的是通过电网频率或中频变压器来获得相对于地的恒定的系绳传输电压。显然，采用这种方法，每个转子传动系统都与所有其他的转子传动系统隔离(电绝缘)。

对于该概念，需要以下拖动动力风筝装置设计措施：

(i)系绳中的电缆数量限制为转子数量的两倍。

(ii)由于每个转子传动系统17连接到系绳30而不是单个高压总线，所以需要风筝10'上更多的电缆32、33。

(iii)将用于每个转子传动系统17的ups59安装在地面上。

但是，这些措施及其对系统性能和成本的影响，如果不能忽略的话，可以被认为是次要的：

(i)根据图10所示的表1中的参数，图8a以用于多兆瓦风筝10'的尺寸可视化了系绳30的横截面设计。图8b显示了具有相同额定值但nc＝16电缆的系绳，以考虑具有用于类似于图5的风筝的八个转子的“隔离传动系统”。如图10的表1所示，系绳直径几乎没有增加，并且系绳质量甚至减少了。

而且，可以看出，系绳30中的电缆32、33的数量在风筝动力装置的重要品质因数上仅具有低灵敏度。

(ii)风筝10′上的电缆32、33足够短，使得附加质量和复杂度很小，如果不能忽略的话。

(iii)无论如何都需要在地面单元50上的ups59，以在电网故障期间将拖动动力风筝10′悬停至地面站。利用提出的解决方案，单个ups将具有的功率和能量额定值恰好被分成较小的ups59。但是，定义ups成本的功率和能量额定值都不需要改变。注意，ups59被放置在地面上，因此它们的质量是无关紧要的，并因此可以例如由低成本和重铅酸电池组成。

熔断器系统和控制方法

利用图7中提出的解决方案，任何传动系统17内的故障仅影响相同的传动系统17，例如，机器绕组或电力电子部件中的短路，以及任意两个传动系统17之间的故障仅影响这两个传动系统17，例如，一个转子传动系统和另一个转子传动系统17的电线之间的短路。

因此，根据直接放置的熔断器61-63或任何其他过电流的切断，在最坏的情况下，只有任意两个传动系统17变得不可用。

最后，如果传动系统17的功率和推力足够大，使得即使两个远离质心的相邻转子发生故障，仍然可以进行稳定的悬停，那么就已经满足了所有的要求(r1)至(r4-d)。

但是，如在描述要解决的问题的部分中所提到的，期望可以取消要求(r4-d)。

因此，两个传动系统之间的故障至多必须导致仅单个转子14不可用，因为那两个传动系统17相对于质心13'可能不是点对称的，因此两个转子14的不可用可能因此不满足要求(r4-c)。

对于此问题，可以使用熔断器61至63或图9中所示的任何其他过流切断装置，如以下小节中所述的。

因此，仅示出了两个传动系统17a、17b和其他传动系统17m的屏蔽物，并且遵循下面在多个电动机/发电机组16的部分中描述的通用性。

基本假设

图9显示了提出的具有熔断器单元65的熔断器系统60的等效电路图以及考虑到在两个“隔离的传动系统”17a和17b内部和之间的故障，其中gnd是接地(地面)，k是风筝的框架，i1p#和i1n#是最靠近系绳30的地面上的电力电子转换器的正电流源和负电流源，i2#是最接近系绳30的风筝上的电力转换器的电流源，c#是(滤波)电容器，r#是(寄生)电阻，f#是熔断器，d#是二极管，u#是ups电压源(以电池表示)，短路故障用s#列举，开路故障用o#列举。

图9中的电路图和下一小部分中得出的熔断器系统60基于一些假设，这些假设被强调并证明如下：

假设1：最靠近系绳30的地面电力电子转换器58和风筝电力电子转换器18像与电容器并联的受控dc电流源一样起作用。

实际上，电力电子转换器18、58或电力电子转换器18、58与机器的组合具有滤波电容器和作为电流源的电感。此外，电流通过具有通常高的pwm频率的脉冲宽度调制(pwm)控制。因此，假设1是合理的。

假设2：寄生电容、寄生电感和寄生电阻很小，可以忽略不计。

对于熔断器系统60的设计，该假设是合理的，因为寄生现象主要定义了短路电流的建立时间、其稳态值以及用于开路或熔断器断开事件的临时过电压的值(但是其可以例如用缓冲来限制)。由于可以预期系绳30和接地电缆中的寄生电阻很大，因此将它们绘制在图9中。

假设3：ups59是主要的短路电流驱动器，并且短路电流明显高于地面电力电子转换器58、系绳30和风筝电力电子转换器18的额定电流。

该假设在以下条件下是真实的：(i)达到稳态，即例如在短路s2中，电容器c2a放电(在该故障中放电至额定电压的一半；以可能很高的电流放电，但仅持续很短的时间)。因此，熔断器定时必须比这种放电过程慢。(ii)ups59由具有相应的额定功率的一系列连接的电池或低压到高压的dc-dc转换器(连接到电压源，比如低压侧的电池)组成。后者可能更实用，因为需要10kv量级的高系绳电压，而单个铅酸蓄电池的电压仅约为2v，并因此将需要很长的串。而且，dc-dc转换器可以保持系绳电压(例如，ups电压)更恒定，尤其是除去短路和/或几乎独立于负载。然后，那些dc-dc转换器必须至少达到悬停(稳态)所需的额定功率，并且至少在短时间内驱动高短路电流。如果dc-dc转换器在短时间内具有足够的过载能力以驱动足够高的短路电流，则它们可以具有与转子传动系统相同的额定功率。

必须注意的是，假设3简化了熔断器系统的设计，因为可以选择熔断器61至63以比额定电流高得多的电流开路，并且短路电流主要由ups59驱动，而电网和板载电力电子设备在短路期间表现得像开路一样。

假设4：一次只有一个独立的故障。

这是用于故障分析的通常假设，并且可以通过两个独立故障(几乎)同时发生的可能性非常低(如果不可忽略)的概率，并考虑如果有故障(特别是如果随后更改的系统将具有单点故障)的话则降落并修理风筝10'来证明。这也是为什么在图9中仅绘制两个传动系统17a、17b并在以下部分中进行进一步研究的原因。注意，考虑到相关的故障，例如如果在短路故障期间熔断器断开，则产生的相关故障类似于必须满足(r1)至(r4-c)要求的开路。

考虑到的故障

图9可视化了考虑到的开路(o#)和短路故障(s#)。注意，还有可能出现数百个故障，但是这里仅研究代表性的故障，例如在ups的二极管的阴极与同一ups59的电池的阳极之间还可能有短路，但是其将具有与短路s1非常相似的效果。还请注意，它与发生故障的特定项目无关，例如s2可以靠近地面或靠近风筝，或者甚至位于地面或风筝10′上。此外，其与造成故障的原因或故障的可能性有多大无关，因为目标是满足要求(r1)至(r4-c)的系统设计，并因此即使没有单点故障，例如，使用合理的路线和地面站设计，地面s17至s22上的交叉传动系统短路也是极不可能的，甚至几乎不可能。

故障分析和导出的熔断器额定值

显然，开路故障o1至o7最多只能导致在电动机模式下只有一个传动系统不可用。特别是只有o2和o4使传动系统(a)在电动机模式下不可用，而o1和o3不起作用，而在o5至o7中，ups介入。因此，o7表示电网故障，通过电网故障，所有地面电力转换器58的电力流停止并且所有的ups59介入(在电动机模式下)。

为了减轻短路故障，可以使用图10的表2中的(相对)熔断器额定值，其中if#是通过熔断器f#的电流，imax是正常运行期间的最大预期电流(包括临时过载和安全系数，即imax明显高于额定电流)，tf#是熔断器的时间延迟，在时间延迟tf#期间满足“开路条件”时，熔断器视为断开，而tmin是最小时间延迟，其确保熔断器仅由于ups驱动的短路电流而断开(请参见假设3和下面的讨论)，例如没有熔断器由于启动过程(例如在c2#的初始充电期间)而断开。图10中所示的表2源于分析图9中的短路故障：故障s1需要ups电压源附近的熔断器f5#和f6#。但是，这些熔断器必须比所有其他熔断器慢，以隔离故障。例如，s14至s16和s18至s19需要熔断器f1#或f2#，它们均比f5#和f6#快，从而使得可以停止短路电流，但是仅电网连接断开并且ups可以介入，即传动系统在电动机模式下仍然可用。类似地，对于s2至s4、s6至s8、s10至s12，f3#或f4#必须都比f5#和f6#都快。

必须注意的是，如果两个传动系统的电压(完全)相等，则相等的电位s5、s9、s13、s17和s20之间的交叉传动系统短路可能是无害的，并且不起作用。对于不相等的电位s7和s11之间的系绳中的交叉传动系统短路(无视至另一个传动系统s6、s8、s10、s12的屏蔽物的短路，这是因为两个传动系统的屏蔽物都连接到单个地面并因此类似于s2或s3)，f3#和f4#的时序必须不同，否则两个传动系统的熔断器将在s7和s11中断开，从而使两个传动系统不可用。例如，s7将导致f3a和f4b中的短路电流较高。如果f3a比f4b更快地断开，则只有f3a断开并且传动系统(a)变得不可用(如果f3a比f4b更慢地断开，反之亦然)。类似地，对于s18和s19，f1#和f2#的时序必须不同。最后，对于s21和s22，熔断器f1#和f2#应该比f3#和f4#更快，使得ups59保持可用于转子，并且因此两个转子保持可用于电动机模式，否则一个传动系统将与ups断开，并且因此将变得不可用(但是其将符合特定的要求)。注意，在不同传动系统中处于相同位置的所有熔断器具有相等的额定值，即例如，f1a具有与f1b、f1c等相同的额定值(请参见图10的表2)。

地面转换器控制

电网电力电子转换器58，即电流源i1#，被控制如下：在正常运行期间，正电压和负电压分别被控制成它们的额定值。对于图9中的简化电路模型，该电压控制器可以只是一个p控制器，从而将风筝上的转子驱动器要求或产生的电流视为对电压反馈控制回路的干扰。

如果电压下降到比某个时间阈值更长的阈值以下，则停止相应电流源i1#的电流流动。这是为了停止驱动短路电流，例如在s14的情况中(尽管由i1pa驱动的该电流将被限制为额定电流)。

应该注意的是，对于地面转换器控制，不考虑过压切断，因为地面转换器58应始终尝试通过注入电流到电网中来降低电压。

风筝转换器控制

风筝转换器18视为被如下控制：在正常操作中，i2#会根据风筝的飞行和电力控制器的要求而简单地注入(正或负)电流。

如果电压超过高阈值，并且如果驱动器在发电机模式下运行，则电流会立即停止，以防止电压进一步升高并可能损坏。这可例如在o2故障中发生。在具有三相ac机器转换器的实际驱动器中，这是通过分别将扭矩或d电流和q电流控制为零来实现的。注意，这通常可能是高度动态的。

此外，如果(i)电压下降到比某个时间阈值长的低阈值以下，或者如果(ii)电压下降到切断阈值以下，或(iii)正极线和负极线相对于屏蔽物(如果没有寄生现象的话，即风筝框架k或接地gnd)的电压超过比某个时间阈值更长的不平衡阈值，则停止相应电流源i2#的电流流动。这是为了防止进一步驱动短路电流，例如在发电机模式期间，在s4的情况下，则会存在欠压(尽管由i2a驱动的电流将被限制为额定电流)，在s2的情况下，则会存在不平衡电压。

应该注意的是，根据阈值、电流和寄生电阻，后者在风筝转换器(a)18处不一定也是欠压，这就是为什么可能需要电压不平衡切断的原因。

在发电机模式期间，在s2的情况下，还可以找到另一种方法来停止屏蔽物中的短路电流。一种可能性也可以是将熔断器放入屏蔽物中(几何学上在图9中的f3和f4之间)，并仅将gnd连接到屏蔽物(即，将gnd连接移到图9中的f3和f4的右侧)。但是，缺点是，在s2(和其他故障)的情况下，至少一个屏蔽熔断器会断开，并因此，至少一个传动系统的正电位和负电位会浮动，这可能导致正极线和负极线相对于屏蔽物的高电压，除非考虑其他措施(例如，欧姆平衡或使用有源部件的一种有源平衡)。由于其复杂性，此处不考虑这种解决方案。

故障检测注意事项

在大多数故障情况下，故障检测很简单：大多数开路中的电力流中断。这通过地面或风筝转换器58、18明显得检测到，并且可以通过已现有的通信总线而传送给飞行控制器，以设定值和状态以安排降落。类似地，许多短路导致熔断器断开，通过该熔断器断开，相应传动系统的电力流也被中断。

只有少数故障无法检测到，除非采取其他措施。开路o1对电力流没有影响，直到需要ups59。此外，o3可以没有影响，因为存在屏蔽物电位的其他路径。其他可能未检测到的故障是相等的电位s5、s9、s13、s17和s20之间的短路。这些故障可能不会导致转子立即受到伤害或立即无法使用，但是如果它们仍然无法检测到，可能会导致其他的故障。特别地，两个屏蔽物之间的短路可以由两条相互摩擦的电缆引起，这很可能会继续、损坏屏蔽物、绝缘物并最终导致线对线或线对屏蔽物短路。此外，如果受影响的传动系统的电压不完全相等，则两条正极线或两条负极线之间的短路会导致流经屏蔽物、gnd的电流或高于通过利兹线的额定电流，这不会有其他影响，例如电磁干扰(emi)或损坏。因此，非常需要进行检测和维修，特别是因为附加故障可能导致单点故障(例如，在两个非点对称的传动系统中的两个未检测到的开路故障o1以及然后的电网故障o7)。检测此类故障的一种可能方法是电流和电压的测量(例如包括流过屏蔽物和gnd的电流)、阻抗测量或绝缘测试，所有这些都在风筝起飞之前或在飞行过程中在线进行，例如s5可以通过将地面上的测量电流(或电压)与风筝上的测量电流相关联而被检测到。但是，并非所有此类故障在飞行过程中都可以被检测到，例如s9。而且，在线检测需要传输通信信号，它本身就可能故障，并且在最坏的情况下可能导致单点故障。因此，似乎在风筝起飞之前进行系统完整性检查(例如，使用上述测试方法)或者在飞行过程中进行简单的电流和电压测量以及关联(使用该方法，如果检测到(可能)故障，则命令飞行控制器安排降落)看起来最实用。故障检测的其他研究不在本发明的范围之内，因此不再赘述。但是，由于难以检测到一些故障，因此，即使所有的电缆具有屏蔽物并且因此可能首先出现s9或o3，例如，如果系绳(30)中的两条电缆相互摩擦，也无法通过容错系统设计/故障保护设计和故障保护设计以及故障分析排除线到线短路(即它们被视为相关故障)。

对隔离的传动系统组和变型的概括

可以对所提出的解决方案进行概括，如图11所示。下面，将对此概括和变型进行说明。

风筝电力电子设备和系绳中的电缆数量

在风筝处，还可以将两个点对称的转子14，而非仅一个转子14，连接到系绳电缆对，并从而被概述为一个“隔离的(转子)传动系统组”。这是可能的，因为在描述通用熔断器系统和控制方法的部分中研究的任何故障都会导致至多仅单个传动系统的不可用，但是在要求(r4-c)的情况下，允许两个点对称的转子14故障(并且同样地，每个传动系统组只有一个转子14，点对称地转子14至少在保守的估计中无论如何都会被切断，如关于转子14的数量和布置中所提到的)。

因此，电缆的数量必须不是转子14的数量的两倍，而应等于转子14的数量或其多倍，因为如图11所示，几个电缆对可以用于单个隔离的传动系统组。注意，在八个转子14的特定情况下以及考虑到系绳设计和参数的情况下，实际上可以使用最佳数量的电缆，请参见图8和图10的表1。使用另一数量的转子14或系绳30的其他尺寸，但在一个传动系统组中使用两个点对称或中心对称的转子14，可以实现接近最佳的至少多条电缆。此外，在低压机器的情况下，可以考虑每台机器使用一个dc-dc转换器，或者考虑同一转子传动系统组16的两点或中心对称的机器使用单个dc-dc转换器。

地面电力电子设备

对地面电力电子转换器58的选择有多种可能性，其在图11中分为三个部分，其中一个方框也可以仅由电缆组成：在图7的基准设计中，“地面电力电子转换器(a)”和“(c)”仅是电缆，而“(b)”包含dc到三相ac转换器和变压器中的至少一个。

代替如在阐明基本假设的部分中提到的将dc-dc转换器仅用于ups59，将双向dc-dc转换器用于图11中的方框地面电力电子转换器(a)可能更有意义，使得ups59已经连接到低压总线。如果系绳电压远高于电网电压，则这看起来特别有意义。

代替如图7的基准设计中在ac侧使电力流并联，还可以使电力在图11中的ups59左侧的dc侧并联，即地面电力电子转换器(b)仅仅是电缆和地面电力电子转换器(c)。显然，电力流也可以在另一个dc或ac电压总线中并联。首先，地面电力电子转换器(b)将是dc-dc转换器(具有或不具有隔离，即，具有或不具有中频变压器)并且地面电力电子转换器(c)将是dc-ac转换器(具有隔离，即如果dc-dc转换器中没有隔离，则具有电网频率或中频变压器)。

对于地面电力电子设备的特定选择，只有几个要求。最终，必须满足要求(r1)至(r4-c)，如果图9中具有上述假设的等效电路图对于所选拓扑有效，则可能是这种情况。特别地，电力流必须仅在ups59的左侧并联(参见图9和11)。如果方框“地面电力电子转换器(a)”由电力电子转换器(例如dc-dc)组成，则熔断器f3#和f4#也可以算作电力电子设备硬件和软件的一部分，但具有与熔断器系统和控制方法的部分中得出的相同的切断行为。

而且，ups59具有恒定的电位并因此在“地面电力电子转换器(b)”或“(c)”中应该有隔离看起来是有意义的。

其他电力传输

除了直流传输之外，交流传输也是可行的，为此，“地面电力电子转换器(a)”可以是中压变压器和ac-dc转换器。如前一小节所述，电力电子设备仅需像图9中的等效电路图一样作用。代替熔断器断开条件的绝对值，在交流传输的情况下，有效值可能更实用。

也可以想象以一种类似的方式进行三相ac传输，即每个传动系统将使用三根系绳电缆，而不是图11中的两根。这样，机器转换器或/和dc-dc转换器可以放在地面上，因此，仅(高压)机器需要在风筝上。但是，如动力中提到的那样，三相ac传输存在许多缺点，并且如果所有转换器都放置在地面上，则系绳30中的电压频率由机器的速度来限定。除此之外，大多数传感器和飞行控制器将被放置在风筝上，而重要致动器的控制器将被放置在地面上，这将需要高度可靠且快速的实时通信。因此，这里不考虑三相传输方法。

使用所提出的方法，使用串联连接来避免dc-dc转换器，同时使用低压机器和电力电子设备来获得高系绳电压是不可能，除非每个隔离的转子传动系统组都由这种串联连接组成，并且除非任何转子传动系统组的不可用(即相对大量的转子的不可用)不会导致风筝的不可控制。如果使用非常大量的转子14，则这将是可能的。此外，如果考虑使用电流源传输而不是此处考虑的电压源dc或ac传输，则必须对熔断器系统和控制方法进行调整，因为短路电流将与额定电流一样高，并且开路会导致很高的电压。

在系绳中的电缆布置

为了减少系绳中交叉传动系统组短路s7和s11(其导致一个转子传动系统组不可用的可能性)，应将系绳中的电缆以如图12所示的模式(+–)(–+)(+–)布置。由此，短路s7和s11(极其)不可能(至少在系绳30内部，但是在地面和风筝上也具有合理的布线和措施)，而短路s5和s13更可能变为交叉传动系统组故障，但是其(可能)不会导致如在有关通用熔断器系统和控制方法的部分所述的传动系统组不可用。此外，如果将隔离材料(例如，轻质泡沫)或隔离物放置在图12中的电缆的间隙之间，则系绳30中的线到线的短路是更不可能的。

此外，应注意的是，通常应通过良好的设计、制造和质量控制可使得故障不容易发生。

制动斩波器

电网故障o7对发电机模式期间风筝的飞行控制有影响，因为在这种故障中，所有转子14都会突然停止产生推力，因此风筝的总阻力突然减小。请注意，此故障随时可能发生，包括当风筝10'以圆形侧风飞行路径向地面俯冲时。这可导致风筝突然加速，其可能对飞行控制系统构成挑战。为了减轻或消除这种影响，应在风筝10'上(例如小型号，以减轻质量)和/或在地面上(例如由于没有质量限制可能更大的版本)的每个转子传动系统组16中安装制动斩波器。特别是对于后者，全部额定功率可转化为地面热量(持续几秒钟，取决于制动电阻的额定值)，并且飞行控制器可以安排正常过渡到悬停和降落。只要机器需要地面供电，ups便介入。

如果在风筝10′上的每个传动系统组中还安装了(至少很小的)制动斩波器，则例如在故障o2期间(如果其在系绳中)在发电机模式期间切断转子14也不会那么突然。但是，如果这种故障恰好发生在转子驱动电力电子设备上，尽管总的转子阻力的突然变化很小(例如，对于8个转子，仅为1/8)，但是无论如何转子14都将立即切断。因此，仅在地面上的制动电阻看起来是最佳选择。

接地和电力电子设备拓扑结构

到目前为止，可以认为电缆屏蔽物已接地，并且系绳传输电压“以地为中心”。因此，考虑一个ups59和地面转换器58(的一部分)中的一个用于正电压，且另一个用于负电压。而且，ups59的电压被(隐含地)认为比地面转换器58的设定电压低(一点)，否则即使没有故障ups59也可以操作。这可能是不想要的操作，这也是考虑二极管64(其中，二极管也可以是如mosfet或igbt的电力电子开关的体二极管，以实现ups的充电)的原因。因此，在正常操作情况下，电位由地面转换器58限定，而在故障情况下，ups59介入，至少一个电位由该ups59限定。为避免屏蔽物(“接地回路”)上的电流，即使该风筝电力电子设备的一部分像串联连接的dc-dc转换器或多电级转换器一样由理论上或在正常操作中其电位等于屏蔽物的点组成，连接到系绳30的风筝电力电子设备也被视为未连接到屏蔽物(或风筝框架k或接地gnd)。如果在风筝电力电子设备中存在隔离，则可以自由选择隔离部件的电位。如上所述，如果系绳电位应该(近似/名义上)恒定并且如果电网电压是ac，则与电网隔离在地面电力电子转换器58的其中一个中是必须的。显然，地面电力电子设备的连接到系绳30的部分需要拓扑结构，该拓扑结构像串联连接的两个电压源(或更精确地说，是控制电压的两个电流源)一样起作用。在这里，也可能是不具有或具有隔离或多级转换器的串联连接的dc-dc转换器。无论如何，对于电力电子拓扑结构的选择的这些限制可以被评估为适度的，因为系绳30中的电压非常高(因此模块化的方法始终是常用的解决方案)。

如果代替地面电源电子设备的连接到系绳30的部分，应考虑像单个电压源那样起作用的拓扑结构，无源(欧姆)或有源的定中心也是可能的，但在有关地面转换器控制的部分中描述的切断控制必须扩展，例如具有用于电压不平衡的切断。否则，系绳30中的电位可以增加到并保持在高达其额定值的三倍(例如在s18期间)。此外，可能需要采取进一步措施来满足所有要求或限制故障情况下的电压。

也可以考虑不将屏蔽物或风筝的框架接地。但是，对于已经在机房测试原型中的测试人员的危险可能是不可接受的风险，这就是为什么这里不考虑这种方法的原因。

此外，也可以考虑没有屏蔽物的电缆。与提出的解决方案类似的方法可用于获得容错系统，可能只需对熔断器系统和转换器切断控制进行少量调整。但是，风筝框架只能高欧姆接地(这对于测试人员来说可能是不可接受的风险)，或者在系绳30中有至少一根附加接地线，并且电缆绝缘物需要更厚，或者全部电线需要被嵌入具有相似或相同介电常数的材料中以维持由系绳线中的电压施加的电场，因为电场可能不再(几乎完全地)从利兹线34、35径向。因此，这里也没有考虑使用无屏蔽物的电缆的方法。

容错熔断器

在故障分析和阐明熔断器系统及控制方法的部分中描述的容错系统设计中未明确考虑熔断器故障，因为同一时间的短路故障和熔断器故障将是同一时间的两个独立的故障，这被假设4排除。

然而，为了减小熔断器的错误断开或更糟的错误不断开的可能性，并由此进一步提高容错能力，可以选择冗余熔断器，即并联或串联的熔断器。但是，由于大多数短路电流至少会流过两个熔断器，因此，错误断开导致覆盖的开路故障中的一个并且错误不断开可能导致另一熔断器断开。后者的一个例外是s1，即在ups电压源处，使用(至少)两个串联连接的熔断器是有意义的。此外，在将所有故障以及任何熔断器故障一起考虑时，可能需要对转换器的切断控制进行调整。

ups

以上，铅酸电池被视为ups电压、电力和能量源。尽管铅酸电池坚固耐用、免维护且成本低廉—甚至对于多兆瓦的系统来说，它们仅占总成本的一小部分—但是，还可以考虑其他源，包括由其他材料(例如锂)制成的电池、超级电容器、飞轮(但必须在风筝飞行时几乎一直旋转，因为随时可能发生电网故障)、燃料电池、汽油或柴油发电机(优选是例如来自可再生源中的乙醇或生物柴油，但也需要电池，因为这样的发电机需要一些时间来启动)、燃气轮机(最好是来自可再生资源的甲烷或氢气，但也需要电池，因为燃气轮机需要一些时间来启动)或其组合。

多功能性

风筝电力电子转换器18、地面电力电子转换器58和ups59的最佳选择可能是使成本和复杂性最小化的经济决定。一个感兴趣的可能性还可能是针对不同类型的传动系统组使用不同类型的电力电子拓扑结构和ups59或它们的制造商，从而可以实现高度的多功能性并且降低常见故障或导致多个故障(例如编程错误或电磁干扰)的故障的可能性。从不同的制造商订购相同或相似的部件也可以带来经济利益，因为可以减少对一个制造商的依赖性。此外，对于电力电子转换器和机器的增量式和测试驱动式开发，可以进行实际的飞行验证和新的验证(例如，更高的效率、更轻、更高的电压)并且如果只有一个传动系统组用于新设计，而可靠且经过测试的较旧设计则用于其他传动系统，仍然可能容易出错的设计可具有低风险。

评估提出的解决方案和获得的结果

通常，考虑到系绳30中具有相对大最佳数量的电缆32、33的图8a和图8b，一旦确定了正确的熔断器和切断控制额定值，解决方案的方法就可以被视为是简单的。该简单性可以被评估为优势或者是甚至理想的。仅分析故障(尤其是两个传动系统之间的短路故障)以及用于转换器的切断控制的相关的熔断器额定值和阈值可能是单调的。实际上，相关的熔断器额定值的推导和在描述熔断器系统和控制方法的部分中描述的通用控制方法得到了大量电路仿真的有力支持。而且，精确阈值的选择可能是单调的。最初较短的熔断器时间和切断阈值时间被选择用于系统实施，这在模拟中很有效，但在实验中无效。因此，tref从初始值1ms增加到2ms。通过查看相对较慢的测量电流的建立时间，甚至该值几乎达到了验收标准。模拟值和测量值存在差异的主要原因是对寄生现象的不足评估或无视。因此，在用于真实的机载系统100'或真实的拖动动力风筝设备的实施中，寄生现象的更好的模型和测量是有益的，并且特别是对阈值的选择进行实验验证和校验是必要的。

所公开的解决方案的另一个优点是熔断器61、62、63以及对风筝10′和地面站转换器58的控制是独立的，即不需要通信或中央微控制器(它们本身可能故障)。仅为了在故障后安排降落，才需要与飞行控制器通信。然而，无论如何控制风筝10′所需的相同通信总线，即与风筝10′上的转子驱动电力电子设备的通信可以被用于该任务。

折中意见是在某些短路故障期间发生并且需要相对较厚的绝缘物的线uw,abs-max中相对较高的绝对最大电压。但是，这独立于故障缓解概念。此外，uw,abs-max仅在短路故障s21-s22中超过额定电压的两倍，并且通过研究电路仿真的实际电压，仅在很短的时间内，直到电容器在短路期间放电为止。如果考虑寄生电容，则过电压可能会更小。此外，通过合理的地面站设计和电缆布线，s21–s22是可以非常不可能或甚至几乎不可能发生的故障。因此，在实际的系统实现中，uw,abs-max-allowed可以减小。通过仿真和测量成功验证了所公开的解决方案。因此，本发明提供了可行的解决方案，可能仅需进行较小的改进并进行更详细的分析来选择精确熔断器额定值和控制阈值以用于特定系统实现。

容错板载低压总线

除了转子14之外，传感器、控制电子器件、控制表面和通信系统也需要来自低压源的电力。该功率远小于单个转子传动系统的额定功率。因此，由dc-dc电力电子转换器提供的在风筝上使用低压总线似乎是最实际的。为了通过冗余实现高容错能力而没有单点故障，应至少有两个低压总线。每个转子传动系统组可以包含一个dc-dc转换器，以提供其驱动控制电子设备并提供低压总线，该低压总线可以与另一个转子传动系统组的低压总线隔离，也可以不与之隔离。此外，可以使用分开的dc-dc转换器以仅提供低压总线。

为了减少甚至消除因为所有连接的负载被破坏的可能结果而导致的传动系统的高压短路到低压总线的可能性，可以概述许多缓解措施：

(i)应该使用隔离的dc-dc转换器，最实用的是通过中频变压器来使用。但是请注意，由于高压与低压之比很高，因此无论如何都可能需要变压器并且因此需要隔离。凭借良好的制造工艺和相当大的安全系数，高压到低压总线短路故障已经不太可能发生。

(ii)如果每个dc-dc转换器由两个连续的隔离级组成(即从高压到中压再到低压的转换)，则如果两个级的变压器绕组均被隔离以实现高压且具有适当的布线，则直到低压总线的短路故障几乎不可能发生。注意，由于相当高的电压比，这种多级方法也可能是有益的。

(iii)熔断器和其他电路保护组件(例如气体放电管)可用于保护所有的板载负载免受高压侵害。

(iv)如果每个转子传动系统组都有一个dc-dc转换器(可能有多个级)，并且每个dc-dc转换器仅提供少量的负载(例如，少量的控制表面)，则在故障情况下没有必要安全着陆，那么也就没有单点故障。另外，使用光通信总线，“隔离的传动系统组”可以在每个单个电压和电力电平上保持完全隔离。

最后，这些方法的组合也是可能的。此外，仅用于低压板载负载(不用于转子)的(相对较小的)板载电池有助于提高容错能力或实现无单点故障的系统。

没有任何单点故障的风筝

在这项研究中，提出了一种无单点故障的拖动动力风筝的电力电子系统设计方法。尽管转子(航空电子术语中的“动力设备”)对于系统非常重要，其他部件也必须起作用才能实现随时安全着陆。因此，值得研究的是，其他部件也可以被设计成使得能够获得拖动动力风筝设备设计而没有任何单点故障，并因此具有较高的容错能力，并且只有很少的碰撞事故风险。为此，可以概述以下方法：

(i)地面和风筝上的系绳芯和机械的系绳芯连接应是冗余的。例如。可以使用两根芯绳，其中一根也可以单独保持风筝(具有安全系数>1)。由于绳由大量应变组成，因此也可以使用具有合理安全系数的单根绳以及在地面和风筝上的冗余系绳连接来实现绳芯冗余。

(ii)为了限制系绳和机身的负载，应采用主动或被动的策略：风筝上的应变仪测量负载，并且当超过阈值时，升力系数减小(例如，所有襟翼均缩回或迎角减小)。机身也可以设计成在一定的负载阈值下变形，使得升力系数减小(例如，通过失速或迎角减小)，并且负载总是被动地受到限制。

(iii)为覆盖传感器故障，应通过冗余传感器或观测器方法冗余地感测飞行控制的每个重要值。

(iv)控制计算机、控制软件和通信系统应是冗余的，例如与波音和空客公司的冗余的线控飞行设计相似。

(v)除冗余转子外，其他致动器也应是冗余的，无论是在地面站上还是在风筝上。例如，用于襟副臂、方向舵和升降舵的控制表面应是冗余的。

(vi)为了确保机身的完整性而没有单点故障，还应使用冗余，例如冗余的螺钉。

(vii)为了防止、扑灭和/或隔离例如在电力电子部件中的火，应采取适当的措施。在地面站中，应采用常规措施将火扑灭，因为没有重量或体积限制。在风筝上，可以使用适当的防火墙来选择防火隔离，以免火势蔓延。使用例如基于二氧化碳的重量轻、体积小的灭火系统，还可以扑灭风筝上的火。另一种可能性可能是保持风筝内部没有氧气，而是用惰性气体(例如氮气)填充它。

最后，可以设计和建造没有任何单点故障的拖动动力风筝设备，即任何部件中的任何故障都不会导致系统故障(坠毁)。

极端情况：系绳撕裂、雷击、空中碰撞、毁坏/恐怖袭击

没有单点故障的系统可能无法容忍极端情况，或者仍然可能具有过高(或难以量化)的剩余风险，尤其是在早期开发阶段。因此，进一步减轻坠毁的可能性也是感兴趣的：

(i)也可以在风筝上安装(弹道)降落伞。缺点是降落伞的附加重量(以及附加的开发和验证)，并且尤其是可能几吨重的风筝不受控制地降落，并且在地面上的速度仍然不可忽略(对于合理的降落伞尺寸来说大约是三米/秒)。风筝不能自动重新起飞。相反，在风筝再次运行之前，需要一组技术人员、可能的起重机和维修。因此，在风筝动力设备产品中，降落伞只能被视为避免最坏情况的最后手段。但是，如果机体部件撕裂或如果多个系统同时发生故障(例如由雷击或破坏/恐怖袭击(例如黑客袭击)而引起)，降落伞还可以防止在系绳撕裂的情况下坠毁。因此，降落伞电子设备也可能由应急电池供电，并且独立于其他系统部件。

(ii)如果系绳撕裂，也可以考虑水平降落，类似于通常的飞机。但是，为此需要采取多种措施：风筝需要(小型)板载电池来为控制电子设备和控制面致动器供电(请注意，为多旋翼飞机降落的转子供电的电池不是一种选择，因为电池将会太重，如在动力部分提到的)，需要起落架，需要起落跑道，并且必须扩展控制系统以这种方式自主降落风筝。因此，水平紧急降落方法可能被评估为开发和验证工作量过大。

(iii)为了防止雷击，在适当的时间降落似乎是最实际的。为了确定“正确的时间”，不仅应该使用天气预报，而且尤其应该在风筝上和/或在靠近风筝动力设备安装位置的几个点处测量大气电场，例如使用地面上的类似于nasa的火箭发射台的电场强度计来测量。一旦超过大气电场的阈值，就按计划安排降落。这样，地面站只需要如用于建筑物的普通避雷器即可。

(iv)也可以将系统设计为承受雷击。如果在地面和风筝上的电力电子设备受到相应的保护，如果线的面积足够大，并且如果绝缘物可以承受雷击电压，那么雷电流通过导电的系绳芯(例如钢或可能是将来可用的碳纳米管)传导到地，因此该芯可能需要周围的高压绝缘层，但该高压绝缘层也可用作应变消除层或通过正极电缆和负极电缆。对于系绳中的dc传输，例如基于气体放电管的雷电压保护可以用作保护电力电子设备的一种可能性。对于系绳中的ac传输，如果选择材料进行雷电硬化设计，则变压器已经能够保护电力电子设备免受雷击电压的影响。

(v)为防止风筝与飞机发生空中碰撞，地面站必须放置在离机场足够远的地方。此外，风筝的运行空间应为禁飞区。这类似于常规的风力涡轮机或核电站。请注意，有意义的是，系绳相对较短(几百米)，以限制系绳的阻力。因此，发电风筝的飞行高度可能低于1000m，甚至可能低于500m。因此，禁飞区不会过大。如果飞机离得太近，为了进一步降低空中相撞的风险，可以使用雷达来安排降落或低空悬停。此外，风筝或地面站可发出警告信号，也可操作交通避撞系统(tcas)。

提出的方案的进一步应用

隔离的动力系统组的提出的方案也可用于其他机载风能概念，例如浮空器、具有用于多旋翼起飞和降落的转子或用于利用转子在除了垂直起飞或风力提取之外的方法之后进行攀爬的提升动力风筝(例如，发电机在地面上并连接到绞车的风筝动力系统，并且在抽水过程中产生动力的风筝动力系统，或者拉动地面上的负载(例如船舶)的风筝动力系统)、带有转子的海底风筝或者甚至是通用电动飞行器。

如果不需要或不考虑与地面的永久性动力交换，则一个隔离的传动系统组仅是板载的，即参考例如图11，“系绳”30和(部分)“地面站”50仅是电缆和车辆上的部件。可能没有电网连接70，并且可能没有“地面电力电子转换器(c)”58-3和/或可能没有“地面电力电子转换器(b)”58-1，和/或没有ups59左边的电力流并联。相应地，例如图9中的等效电路图可能需要更改。但是，可以使用前述转换器中的一些和车辆上的电力流并联(与ups左边的并联连接)，因为平衡ups59的各个储能器的能量可以是有用的。“地面电力电子转换器(c)”58-3和电网连接70可以部分地临时存在于地面单元中，以对ups59的储能器进行充电。

结论与建议

提出了一种用于拖动动力风筝的容错电力电子系统设计的方法。关键思想源自系绳横截面设计，其中大量电缆是最优用于小直径。不是将所有正极(负极)电缆并联连接到风筝和地面上，二是将它们在左边隔离(至少部分地)并仅连接到一个传动系统组，其由例如单个板载传动系统组成，或由两个点对称转子的板载传动系统组成。在地面上，将一个传动系统的电缆在电力流并联之前连接到ups。推导出熔断器系统和电力电子转换器的切断控制，但详细来说，转换器的许多功率电子拓扑结构以及系绳中的dc或ac传输都是可能的。通过概括，还概述了子系统的许多变型。此外，讨论了设计没有任何单点故障的完整的风筝动力设备的其他措施，其他的容错能力的增强以及所提出解决方案的其他应用。

为实施用于拖动动力风筝设备实现或通常用于机载系统实现提出的容错电力电子系统设计方法，可以提出以下建议：应设置具有所选拓扑结构的等效电路、系绳传输类型(dc或ac)并具有(测量的或估计的)寄生现象的电路仿真模型，并且应该仿真在所有不同位置(例如，非常靠近地面、系绳中间、非常靠近风筝)处、在电动机和发电机模式的不同变型(用于传动系统(a)和(b)的设定电流，例如ir,ir/2,0,-ir/2,-ir)中的所有的可想到的故障(至少所有代表性的故障)。由于必须研究大量情况，因此应自动执行仿真和针对要求进行检查。如果情况导致不可接受的状态，应通过查看熔断器和控件的电压、电流和状态进行详细研究，并应相应地更改熔断器额定值、控制额定值和/或部件设计额定值。当所有仿真均满足所有要求时，还应通过实验验证所有故障情况。同样，由于大量可能的故障，(至少部分地)自动化是有益的。此外，自动化的实验测试可以在生产线测试结束时或在首次现场操作之前验证设备。此外，应像通常的产品开发一样执行完全故障模式和影响分析(fmea)。

关于一些代表性故障的进一步细节

下面讨论一些代表性故障的电路仿真的详细研究。

电机模式下的短路故障s2

可以估计出在短路故障中短路故障s2具有很高的概率。此外，通过详细的研究，本发明的重要思想变得清楚。

因此，图13阐明了对短路故障s2的研究：(a)ups在不同路径41、42上驱动的短路电流和(b)在熔断器断开后的电路。

换句话说，图13a示出由传动系统17a,(a)的正极ups驱动的短路故障s2和短路电流。当电流路径41通过熔断器f3a时，它断开并停止短路电流。如图13b所示，在熔断器f3a开路时，正极线和传动系统17a(a)的屏蔽物然后被连接。因此，在电动机模式下，驱动器上的电压降低到负极地面转换器58(或ups59)的电压，该电压是额定电压的一半。由于风筝转换器18具有欠压切断阈值，例如，额定电压的70％，因此在超过切断阈值时间后它将切断。此外，由于正极线具有与屏蔽物相同的电位，所以风筝转换器18处的电压不平衡，这就是为什么它也进入不平衡状态的原因。

图14报告了电路仿真结果。故障发生在tn＝0时。传动系统(a)的正极线中的电流较高，并由传动系统17a,(a)的正极ups电压源驱动。在tn＝3时，熔断器f3a按预期断开，并停止短路电流。风筝转换器18处的电压下降到电压的一半以下。超过了欠压和电压不平衡阈值，这就是为什么风筝转换器进入欠压触发和不平衡电压触发状态的原因。驱动器仍在由负地面转换器供电的电动机模式下工作。在tn＝9时，超过欠压时间阈值，并且转换器切断。尽管转换器已经切断，但在tn＝16时也超过了不平衡时间阈值。在tn＝20时，两个驱动器的设定电流均会升高和降低几次，以研究减轻故障后的行为，但不会再发生其他故障。最终，传动系统17a,(a)在电动机模式下不可用，但传动系统17b,(b)在两种模式下仍然可用。显然，所有验收标准都得到满足。

换句话说，在图14中显示了在电动机模式下短路故障s2的仿真电压、电流和状态：

第1行：迹线14-1、14-20中的地面转换器总电压，迹线14-2、14-21中的风筝转换器总电压；

第2行：正极地面转换器的电流(迹线14-4、14-22)和负极地面转换器(迹线14-5、14-23)的电流，风筝转换器18的电流(迹线14-3、14-22a)；

第3行：以实线表示的在地面50处的正极系绳线32、33的电压(迹线14-6、14-24)和负极系绳线32、33的电压(迹线14-9、14-25)和以虚线表示的在风筝10'处的正极系绳线32、33的电压(迹线14-7、14-24a)和负极系绳线32、33的电压(迹线14-8、14-25a)；

第4行：以实线表示的在地面处的屏蔽物中的电流(迹线14-11、14-27)和正极系绳线32、33中的电流(迹线14-12、14-26)和负极系绳线32、33中的电流(迹线14-14、14-28)，以及用虚线表示的在风筝10'处的屏蔽物中的电流(14-14a，14-27a)和正极系绳线32、33中的电流(迹线14-14a，14-26a)和负极系绳线32、33中电流(迹线14-14a，14-28a)；

第5行：熔断器f1#、f2#的状态(迹线14-17)，f3#的状态(迹线14-15)，f4#的状态(迹线14-17a)，f5#的状态(迹线14-16)和f6#的状态(迹线14-16a)，其中c表示导通，ot表示导通但过流触发，并且o表示断开或过流；

第6行：风筝转换器电压过高状态，其中n表示正常，o表示过压，ut表示欠压触发，且u代表欠压；和

第7行：风筝转换器电压不平衡状态，其中n表示正常，it表示触发不平衡，且i表示不平衡。

所有电压被归一化用于额定电压，所有电流被归一化用于传动系统组16的额定电流，时间被归一化用于参考时间tref并且被转换为故障时间tfault。所有电压均相对于最近的屏蔽物给出，并且所有电流的标记在图9中是从左到右计数的。

发电机模式下的短路故障s2

通过调查两种传动系统均处于发电机模式的情况下的短路故障s2，还有助于使所建议方法的重要概念清晰明了，图13报告了仿真结果。与图14的最重要区别是，在熔断器在tn＝3断开后，传动系统(a)的风筝转换器的电压不会下降太多。在考虑了参数的情况下，它低于70％的额定电压阈值，例如风筝转换器进入欠压触发状态。但是，在使用其他寄生电阻，另一个额定电流或其他阈值的情况下，可能不是这种情况，但是由于超过了不平衡阈值，转换器将很快或稍后切断。在图15中，它是已经在欠压状态下在tn＝9时切断。如果未触发欠压，则将在tn＝16时将其切断，此时也会超过不平衡时间阈值。同样，最终，传动系统(a)变得不可用，但是传动系统(b)在两种模式下仍然可用，并且满足了所有验收标准。

电动机模式下的短路故障s7

先前研究的故障s2实际上仅影响一个传动系统(尽管短路电流也确实流过其他传动系统的屏蔽物，这会影响系绳电压和电流，请参见图14和图15)。但是，所提出的容错概念的一个重要特征是，即使两个传动系统之间发生短路，也只有一个传动系统变得不可用。图16a绘制了故障s7期间的短路电流，该短路电流由传动系统(a)的正极ups和传动系统(b)的负极ups驱动。电流路径通过熔断器f3a和f4b，但熔断器f3#比熔断器f4#更快地断开。因此，当f3a断开时，短路电流停止。如图16b所示，当熔断器f3a断开时，传动系统(a)的正极线和传动系统(b)的负极线然后被连接。如果传动系统(a)处于电动机模式，则其电压因此会降低，直到其切断为止。

图17报告了仿真结果。在tn＝0时，传动系统(a)的正极系绳线和传动系统(b)的负极系绳线中的地面上电流非常大。两个驱动器的电压均降至额定电压的一半。熔断器f3a在tn＝3时停止短路电流。由于传动系统(a)仍处于电动机模式，其电压几乎下降到零，这就是为什么在达到低压时间阈值之前将其切断的原因。另一方面，传动系统(b)的电压返回到额定电压，并且可以继续正常运行。因此，满足了所有验收标准。

应当注意，发电机模式(这里未示出)与电动机模式中的s7的差异类似于电动机和发电机模式中的s2之间的差异。

电动机模式下的短路故障s21

还值得详细研究最复杂的短路故障之一，s21。特别地，图18a绘制了短路电流，该短路电流由传动系统(a)的正极ups和传动系统(b)的负极ups驱动。电流路径通过熔断器f1a和f4b，但熔断器f1#比熔断器f4#更快地断开。因此，当f1a断开时，短路电流停止。

如图18b所示，当熔断器f1a中具有开路时，传动系统(a)的正极接地线和传动系统(b)的负极系绳线然后被连接。因此，正极地面转换器继续驱动短路电流。但是，它无法建立电压，因此它将很快进入欠压状态并切断。传动系统(b)继续正常工作，并且传动系统(a)在其ups供电的电动机模式下仍然可用。

此外，图19报告了仿真结果。在tn＝0时，当发生短路电流时，传动系统(b)的风筝转换器电压几乎下降到零，这迫使转换器进入欠压状态。当熔断器f1a在tn＝1处断开时，ups驱动的短路电流将停止，并且传动系统(b)的风筝转换器处的电压恢复额定值，这使其恢复到正常状态。但是，正极地面转换器继续驱动短路电流，这就是为什么在地面上的传动系统(b)的负极系绳线处传导两倍于额定电流的原因。但是，由于正极电网转换器的电压几乎为零，因此它已进入欠压触发状态。在tn＝8时，达到欠压时间阈值，使其进入欠压状态，并切断传动系统(a)的正极地面转换器。然而，传动系统(a)始终保持可用状态，但其ups在tn＝0时介入。此外，传动系统(b)仅从tn＝0到tn＝1期间不可用。因此，可以满足所有验收标准。

当传动系统的设定电流在tn＝20附近步进时，应注意，传动系统(a)无法保持在发电机模式，因为没有电力耗散。因此，在tn＝21和tn＝23时，电压超过过电压阈值。由于负电位与其负极地面转换器联接，负电压不会改变，相反仅正电压会改变直到阈值。因此，与无故障情况相比，正电位增加得更多。此外，传动系统(b)的正极系绳线中的电位略超过额定电压的两倍多，但在tn＝0时的故障情况中仅持续很短的时间。

还应注意的是，发电机模式(此处未显示)与电动机模式下s21的主要区别是传动系统(b)始终保持可用状态。

实际的转子速度控制器可能需要恒定的功率，而不是如仿真中恒定的dc电流。在此，对电力电子系统硬件和软件设计的三个其他要求变得很重要：

首先，风筝转换器18也应该至少在一段时间内仅以额定电压的一半继续工作。然而，无论dc-dc转换器还是ac-dc机器转换器用作最接近风筝上的系绳端子的转换器18，这似乎都不是重要的问题。对于后者，电机的标称电压必须足够小，这主要是绕组设计和绕组连接的问题。

第二，转换器18应该也能够以一半的额定电压提供全额定功率，因此至少在一段时间内以两倍的额定电流提供全额定功率，这似乎不是一个重要的问题，因为这就像暂时过载了几毫秒。

第三，对于这种情况，熔断器触发电流必须至少是额定电流的两倍再加上安全裕度，但这又是一个适度的设计约束。

其他故障

图9中绘制的所有其他故障也已在仿真中进行了详细研究，并部分自动化。还对许多故障进行了实验研究。对于所有情况，都满足所有验收标准。

除了本发明的前述描述之外，对于另外的公开，明确地参考了图1至图19的图形表示。

附图标记列表

10机载单元

10飞行器、风筝

11-1翼元件、翼

11-2翼元件、翼

11-3翼元件、翼

12电动机/发电机单元、电动机/发电机

13框架

13'质心

14转子

16电动机/发电机单元的组

17传动系统

17a传动系统

17b传动系统

…

17m传动系统

18电力电子转换器(在机载侧/位置)

30系绳和联接装置、系绳

30'桥接元件、桥接

31芯、机械负载载体

31a圆周表面

32电缆、电负载载体

33电缆、电负载载体

34利兹线、线

35利兹线、线

36绝缘体

37(接地)屏蔽物

38电缆护套

39系绳护套

39空间、填充材料

41电流路径

42电流路径

50地面单元、地面站

57连接节点

58电力电子转换器(在地面侧/位置)

58-1第一电力电子转换器(在地面侧/位置)

58-2第二电力电子转换器(在地面侧/位置)

58-3第三(统一)电力电子转换器(在地面侧/位置)

59不间断电源(ups)

60熔断器系统

61第一熔断器元件

62第二熔断器元件

63第三熔断器元件

64二极管元件

65过电流切断单元、熔断器单元

70电网

100机载发电系统、机载风力转换系统

100'机载系统

101风筝迹线

102电力传输(的方向)

102'电力传输(的方向)

103风速(的方向)

c#电容器元件、电容器

d#二极管元件、二极管

f#熔断器元件、熔断器

gnd地电位、参考电位

k风筝10′的框架/机载车辆10的电位

r#电阻器元件、电阻器