一种用于系留气球的高压直流输配电系统的制作方法

本发明属于系留气球供配电装置技术领域，具体涉及一种用于系留气球的高压直流输配电系统。

背景技术：

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：供电网电能经过地面的工频或中频升压变压器将交流电泵升至数千伏的高压交流电后，经过长距离的系留供电缆绳传输至球上，球上搭载的工频或中频降压变压器再将电能变换为低压工频、中频电压提供给球体设备和载荷设备。

上述输配电方案在系留气球使用场合存在以下3个弊端：

1)采用交流长距离输电，一方面用电设备会额外产生无功功率的需求，另一方面长距离的系留供电缆绳亦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，可占总损耗的50％，随之带来更大的压降，降低了系留供电缆绳的输电能力；

2)球上配置工频或中频降压变压器会显著增加电源分系统设备的重量，其重量约占球上电源分系统总重量的40％，系留气球自身设备的重量是关系系留气球系统规模的核心因素，如果能降低输电环节中降压变压器的重量，对提升系留气球系统的性能、性价比等方面有重要的意义；

3)采用交流供电存在电能谐波影响球上设备供电品质的问题，当传输距离较长、设备功率较大时影响尤为严重，甚至需要针对该问题在地面配置专业的谐波消除设备(有源电力滤波器)进行谐波治理，保障球上设备能够正常工作，这无疑又增加了系统应用的成本，同时也降低了系统的可靠性。

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，高压直流输电系统已应用于长距离输电场合，形成了多个国家电网示范工程，相关的电能变换技术已相对成熟。高压直流输电具有无感抗和容抗、无系统稳定问题、易限制短路电流、调节速度快等特点，易于实现地下或海底电缆输电，但其在系留气球的供配电系统中未见应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于系留气球的高压直流输配电系统，该系统可有效提高高压缆绳的输电能力，提高系统可靠性。

本发明技术方案一种用于系留气球的高压直流输配电系统包括地上供电部分和球上供配电部分；所述地上供电部分用以提供电能，包括交流供电网，所述交流供电网连接有AC/DC整流器；

所述地上供电部分和球上供配电部分通过高压直流缆绳连接，所述高压直流缆绳输入端连接AC/DC整流器输出端；

所述球上供配电部分用以对球上设备进行供配电，包括球上DC/DC变换器组、载荷变换器组和球上综合配电单元；所述球上DC/DC变换器组用以将高压直流电转换为低压直流电，该球上DC/DC变换器组的输入端与高压直流缆绳输出端连接、输出端连接有球体设备直流母线输入端；所述载荷变换器组用以将高压直流电转换为低压直流电或低压交流电，该载荷变换器组输入端与高压直流缆绳输出端连接；所述球上综合配电单元的输入端分别与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，球上综合配电单元输出端分别连接有球体设备和载荷设备，球体设备直流母线输出的电能通过球上综合配电单元配给球体设备，载荷变换器组输出的电能通过球上综合配电单元配给载荷设备。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述 AC/DC整流器包括主机、备机，所述主机和备机互为热备份，当主机不能正常工作时，自动切换为备机工作。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述 AC/DC整流器还包括控制柜，所述控制柜上设有开关控制单元和参数显示单元，控制柜分别与主机、备机连接。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述球上供配电部分还包括球上应急电源，所述球上应急电源的输出端与球体设备直流母线输入端连接，当球上DC/DC变换器组输出电能低于正常范围时，该球上应急电源通过球上综合配电单元为球体设备提供电能。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述球上应急电源为可充电蓄电池。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述球上应急电源通过充电线与球上DC/DC变换器组连接。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述球上 DC/DC变换器组包括两台互为热备份的DC/DC变换器。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述载荷变换器组为直流变换器或/和交流变换器。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述球上综合配电单元包括隔离稳压模块组、传感器组和断路器组，所述隔离稳压模块组包括至少一个隔离稳压模块，隔离稳压模块组通过断路器组连接到球体设备和载荷设备，所述传感器组与断路器组连接。

优选地，本发明所述的一种用于系留气球的高压直流输配电系统，所述隔离稳压模块组的输入端分别与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，隔离稳压模块组的输出端与断路器组输入端连接，断路器组输入端还与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，断路器组输出端分别与球体设备及载荷设备的输入端连接，断路器组还与传感器组交互连接。

本发明技术有益效果：

本发明技术方案的地面供电部分的电能变换设备无需产生无功功率，另一方面长距离的系留供电的高压直流缆绳也不存在无功功率的损耗，缆绳的传输压降减小，系留供电缆绳的输电能力得以提升；

不使用球上的工频或中频降压变压器，减轻了球上供配电设备重量，提高了系留气球系统的带载能力和性价比；

有效避免了交流电能的谐波问题，提高了球上设备的供电品质，增强了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图；

图2为本发明实施例一中用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图；

图3为本发明实施例二中用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图；

图4为本发明实施例三中用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图；

图5为本发明实施例中用于系留气球的高压直流输配电系统的球上综合配电单元连接关系示意图；

图6为本发明一种用于系留气球的高压直流输配电系统中直流电压等级与球上总供电功率的关系。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

参阅图1，本发明提供的一种用于系留气球的高压直流输配电系统包括地上供电部分和球上供配电部分；所述地上供电部分用以提供电能，具体包括交流供电网，所述交流供电网连接有AC/DC整流器对电能进行变换，AC/DC整流器输出端通过高压直流缆绳连接有球上供配电部分，AC/DC整流器包括主机、备机，所述主机和备机互为热备份，当主机不能正常工作时，自动切换为备机工作。

所述球上供配电部分包括球上DC/DC变换器组、载荷变换器组和球上综合配电单元；所述球上DC/DC变换器组用以将高压直流电转换为低压直流电，该球上DC/DC变换器组的输入端与高压直流缆绳输出端连接、输出端连接有球体设备直流母线输入端；所述载荷变换器组用以将高压直流电转换为低压直流电或低压交流电，该载荷变换器组输入端与高压直流缆绳输出端连接；所述球上综合配电单元的输入端分别与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，球上综合配电单元输出端分别连接有球体设备和载荷设备，球体设备直流母线输出的电能通过球上综合配电单元配给球体设备，载荷变换器组输出的电能通过球上综合配电单元配给载荷设备。

所述AC/DC整流器包括控制柜，所述控制柜上设有开关控制单元和参数显示单元，控制柜分别与主机、备机连接。

所述球上供配电部分还包括球上应急电源，所述球上应急电源的输出端与球体设备直流母线输入端连接，当球上DC/DC变换器组输出电能低于正常范围时，该球上应急电源通过球上综合配电单元为球体设备提供电能；该球上应急电源为可充电蓄电池，其通过充电线与球上DC/DC变换器组连接。所述球上DC/DC 变换器组包括两台互为热备份的DC/DC变换器，其中一台DC/DC变换器为主机，另一台DC/DC变换器为备机，当主机不能正常工作时，自动切换为备机工作。

所述载荷变换器组为直流变换器或/和交流变换器，具体根据球上所搭载的负载类型进行选择。

所述球上综合配电单元包括隔离稳压模块组、传感器组和断路器组，其中隔离稳压模块组中包括至少一个隔离稳压模块，隔离稳压模块组为球体设备和载荷设备中需要隔离供电的设备提供隔离电源，所述传感器组用以采集输入球体设备和载荷设备中的电压、电流及温度信息，所述断路器组用以控制球体设备和载荷设备的通断电，所述隔离稳压模块组通过断路器组连接到球体设备和载荷设备，所述传感器组与断路器组连接。

本发明中的球体设备与载荷设备可由客户定制，球上综合配电单元内各部件连接方式由具体的球体设备和载荷设备所决定，其中一种连接方式为所述隔离稳压模块组的输入端分别与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，隔离稳压模块组的输出端与断路器组输入端连接，断路器组输入端还与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，断路器组输出端分别与球体设备及载荷设备的输入端连接，断路器组还与传感器组交互连接。

本发明所述的用于系留气球的高压直流输配电系统具体工作方式如下：

电能由交流供电网提供，经地面AC/DC整流器变换为高压直流电，并通过高压直流缆绳传输为球上DC/DC变换器组和载荷变换器组提供电能；球上DC/DC变换器组输出的电能经球体设备直流母线传输至球上综合配电单元后给球体设备供电；载荷变换器组输出的电能传输给球上综合配电单元后给载荷设备供电。

球上供配电部分还设置有球上应急电源，其与球上DC/DC变换器配合工作方式为：当球上DC/DC变换器的输出电压低于下限电压时，球上应急电源为球体设备提供电能；当球上DC/DC变换器组正常工作并且球上应急电源电压低于阈值时，球上DC/DC变换器组为球上应急电源充电至上限电压。

如图2所示，为本发明实施例一中用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图，本实施例中客户的球体设备包括测控设备、风机、阀门、适航设备及环控设备，载荷设备为48V非隔离直流负载，地面供电部分的交流供电网为 380/50Hz三相电能，高压直流缆绳的电压传输电压等级为1000V，球上DC/DC 变换器组的输入端连接该高压直流缆绳，输出端连接48V球体设备直流母线输入端，载荷变换器组为DC/DC变换器，其输入端与高压直流缆绳连接，输出端输出48V直流电能，所述球上综合配电单元的输入端分别连接球体设备直流母线输出端、DC/DC变换器输出端，球上综合配电单元的输出端连接球体设备和载荷设备，球体设备直流母线输出的电能通过球上综合配电单元供给球体设备， DC/DC变换器输出的直流电能通过球上综合配电单元供给载荷设备。

由于本实施例中客户的球体设备包括测控设备、风机、阀门、适航设备及环控设备，因此球上综合配电单元中部件连接方式为：隔离稳压模块组的输入端分别与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，隔离稳压模块组的输出端与断路器组输入端连接，断路器组输入端还与球体设备直流母线输出端、载荷变换器组输出端连接，断路器组输出端分别与球体设备及载荷设备的输入端连接，断路器组还与传感器组交互连接。球体设备直流母线输出的电能经隔离稳压模块组通过断路器组输送给测控设备，球体设备直流母线输出的电能直接通过断路器组输出给风机、阀门、适航设备及环控设备，载荷变换器组输出的电能直接通过断路器组输送给载荷设备。

如图3所示，为本发明实施例二中用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图，本实施例中，用户的球体设备与实施例一相同，载荷设备包含28V非隔离直流负载和200V/400Hz三相非隔离交流负载。本实施例中，地面供电部分的交流供电网为380V/50Hz三相电能，高压直流缆绳的电压传输等级为2000V，球上DC/DC变换器组的输出端连接28V球体设备直流母线；载荷变换器组包括 DC/DC变换器和DC/AC变换器，球体设备直流母线、载荷变换器组分别通过球上综合配电单元为球体设备和载荷设备配电。

如图4所示为本发明实施例三中用于系留气球的高压直流输配电系统结构示意图，本实施例中，用户的球体设备与实施例一相同，载荷设备为200V/400Hz 非隔离三相交流负载。本实施例中，地面供电部分的交流电网为380V/50Hz三相电能，高压直流缆绳的电压传输等级为3000V，球上DC/DC变换器组的输出端连接28V球体设备直流母线，载荷变换器组为DC/AC变换器。

在具体实施例中，客户定制的载荷设备中可包含有隔离直流负载或/和隔离交流负载，此时只需要在球上综合配电单元中使用相应的隔离稳压模块组，并将电能通过隔离稳压模块组输送给负载即可。

此外，图6给出了直流电压等级与球上总供电功率间的关系：对于1kV直流电压等级的高压输电系统，球上总供电功率的适应范围为2kW至5kW，缆绳传输电流范围为2A至5A；对于2kV直流电压等级的高压输电系统，球上总供电功率的适应范围为5kW至15kW，缆绳传输电流范围为2.5A至7.5A；对于3kV 直流电压等级的高压输电系统，球上总供电功率的适应范围为15kW至30kW，缆绳传输电流范围为5A至10A；对于4kV直流电压等级的高压输电系统，球上总供电功率的适应范围为30kW至50kW，缆绳传输电流范围为7.5A至12.5A；对于5kV直流电压等级的高压输电系统，球上总供电功率的适应范围为50kW至 70kW，缆绳传输电流范围为10A至14A；对于10kV直流电压等级的高压输电系统，球上总供电功率的适应范围为70kW至100kW，缆绳传输电流范围为7A 至10A。

本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。