一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器的制作方法

本发明涉及太阳能光伏，具体为一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器。

背景技术：

1、太阳能无人机能够利用高效、清洁、绿色、环保的太阳能，可长时间留空飞行，执行高空侦察、森林火情监测、大气环境监测、地理测绘、通信中继等任务，提升我国向临近空间及远洋远海执行任务的能力。其能源系统有多种方式组成方式，典型配置有“光伏+燃料电池”、“光伏+储能”和“光伏+燃料电池+储能”三种。而近年来临近空间太阳能无人机向着“大翼展、高供用电功率、高质量比功率、长航时飞行”的趋势发展。满足轻量化的同时需要兼顾高功率供用电、长航时飞行，对无人机能源系统架构和控制方法提出了较大的挑战。此外，由于光伏能源出力特性受昼夜、天气影响大，需要与稳定持久的其他能源搭配实现混合供电，锂电池储能在能量密度和功率密度方面表现均衡，与光伏混合供电有着广泛的应用前景，光伏+锂电池储能复合供电是太阳能无人机能源系统的重要发展方向之一。

2、目前常见的能源系统架构为全集中式(光伏集中、储能集中)系统架构，这种架构拓扑简单、电能变换效率高、重量轻、成本低，然而在无人机特殊应用场景下，光伏板安装在机体的不规则表面上，同一时刻接受的光照强度不同，不同子阵间电流不同，因此，采用光伏集中架构会导致光伏mppt效率较低。此外，若干个储能电池串并联后采用统一的储能控制器(bmc)实现充放电管理，但电池刚性成组结构受单体短板效应影响，降低了电池成组效率和储能能量利用率。

3、考虑到太阳能无人机应用场景下，光伏组件受辐照程度各异，发电功率差异大，结合储能模块成组效率、安全性、柔性可赋形等因素，全分布式光储系统架构符合未来发展的趋势。但全分布式变换器多采用全功率控制，重量大、成本高、损耗大、降低了电能变换效率。此外，目前太阳能无人机的能源调度通常需要地面端人工连续干预，有着较高的运行成本。

4、最主要、最关键的技术问题：传统太阳能无人机的能源系统架构，由于光伏板安装在机体的不规则表面上，同一时刻接受的光照强度不同，不同子阵间电流不同，造成光伏mppt效率较低。若干个储能电池串并联后采用统一的储能控制器(bmc)实现充放电管理，但电池刚性成组结构受单体短板效应影响，降低了电池成组效率和储能能量利用率。现有的光伏分布式、储能集中式系统架构，虽然提高了光伏mppt效率和电池成组效率，储能能量利用率高，安全程度高，但变换器数量多，重量大，电能变换效率低。其中半主动拓扑采用储能直挂结构，难以实现柔性扩容。

5、次要问题(如果有多个，依次列出)：(1)传统柔性成组方案中，虽然在一定程度上解决了不一致性带来的利用率问题，但是电池功率会全部通过充放电控制的变换器，将造成变换器体积较大、损耗较高，开关器件要承受较高的电压应力和电流应力，方案设计成本增加。(2)传统的光储模块中变换器使用非隔离dc/dc变换器，安全系数较低，可靠性较差。

6、综上所述，兼顾全分布式光储系统架构高效优点的同时，研究高效轻量化、自持运行的系统架构、变换器拓扑和协调控制策略具有重大意义。

7、于是，有鉴于此，针对现有的结构不足予以研究改良，提出一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，该系统包括隔离dc/dc变换器、h桥补偿器、储能电池组或光伏电池组，隔离dc/dc变换器工作于谐振点，起隔离变压器作用，能量自由双向流动，隔离dc/dc变换器一端与直流母线并联，另一端与h桥补偿器串联，h桥补偿器的输出与储能电池或光伏电池串联，再与直流母线并联，隔离dc/dc变换器连接直流母线vdc的一侧作为路由器输入端，其为高压侧；后级联h桥补偿器与储能电池组或光伏电池组串联的一侧为路由器输出端，其为低压侧。

3、进一步的，电池组或模块输出端发生故障时，对隔离型dc/dc变换器和h桥补偿器电路的脉冲封锁，断开线路安全开关s，柔性可赋形接口变换器实现故障时的完全电气隔离。

4、进一步的，多个分布式子网构成能源系统，子网间通过能量路由器的子网互联接口灵活连接进行组网。

5、进一步的，子网能量路由器由柔性可赋形光伏接口、储能接口、小功率负荷接口、大功率负荷接口和子网互联接口组成。

6、进一步的，光伏单元串联形成光伏电池组，与柔性可赋形能量路由器组合形成光伏接口接入直流母线。

7、进一步的，对各储能电池组采用soc均衡控制。

8、进一步的，h1桥同一个桥臂的上下两个开关管互补导通，通过h1的桥间移相实现变换器的控制。

9、进一步的，h2桥采用同步整流的工作模式，两个开关管驱动脉冲可以由h1桥开关管的脉冲按照所示逻辑得到。

10、本发明提供了一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，具备以下有益效果：在柔性可赋形能量路由器的基础上，提出柔性可赋形能量路由技术，并形成一种适用于太阳能无人机场景的复合多能源自适应传-储-用系统架构，在此架构下柔性可赋形能量路由器可根据应用场景转变为光伏接口和储能接口，实现电压变换、电气隔离、能量双向流动的同时，满足光伏、储能和负荷的灵活接入、高效运行和轻量化；

11、光储均采用基于补偿调节的接口变换器，仅需处理补偿功率即可实现光伏mppt和储能充放电控制，减小变换损耗，实现光储高效、轻量化与柔性可赋形；

12、通过控制策略的配置，可实现光储接口互换，即插即用，提高柔性可赋形能力，提出了光-储-用自适应协调控制，既可仅依赖本地信息实现低压母线光-储-用功率的自适应路径分配和故障冗余，实现子网自持运行，也可执行上层调度通过高压接口实现灵活组网、全局优化和整机长航时自持运行；

13、分布式光储通过各自接口变换器接入低压直流母线，实现光-储-用柔性互联，电压等级选择利于提升光伏mppt效率、储能能量效率和安全性。

技术特征：

1.一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于：该系统包括隔离dc/dc变换器、h桥补偿器、储能电池组或光伏电池组，隔离dc/dc变换器工作于谐振点，起隔离变压器作用，能量自由双向流动，隔离dc/dc变换器一端与直流母线并联，另一端与h桥补偿器串联，h桥补偿器的输出与储能电池或光伏电池串联，再与直流母线并联，隔离dc/dc变换器连接直流母线vdc的一侧作为路由器输入端，其为高压侧；后级联h桥补偿器与储能电池组或光伏电池组串联的一侧为路由器输出端，其为低压侧。

2.根据权利要求1所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，电池组或模块输出端发生故障时，对隔离型dc/dc变换器和h桥补偿器电路的脉冲封锁，断开线路安全开关s，柔性可赋形接口变换器实现故障时的完全电气隔离。

3.根据权利要求1所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，多个分布式子网构成能源系统，子网间通过能量路由器的子网互联接口灵活连接进行组网。

4.根据权利要求3所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，子网能量路由器由柔性可赋形光伏接口、储能接口、小功率负荷接口、大功率负荷接口和子网互联接口组成。

5.根据权利要求1所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，光伏单元串联形成光伏电池组，与柔性可赋形能量路由器组合形成光伏接口接入直流母线。

6.根据权利要求5所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，对各储能电池组采用soc均衡控制。

7.根据权利要求1所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，h1桥同一个桥臂的上下两个开关管互补导通，通过h1的桥间移相实现变换器的控制。

8.根据权利要求7所述的一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，其特征在于，h2桥采用同步整流的工作模式，两个开关管驱动脉冲可以由h1桥开关管的脉冲按照所示逻辑得到。

技术总结
本发明公开了一种适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，该系统包括隔离DC/DC变换器、H桥补偿器、储能电池组或光伏电池组，隔离DC/DC变换器工作于谐振点，起隔离变压器作用，能量自由双向流动，隔离DC/DC变换器一端与直流母线并联，另一端与H桥补偿器串联。该适用于太阳能无人机的柔性可赋形能量路由器，在柔性可赋形能量路由器的基础上，提出柔性可赋形能量路由技术，并形成一种适用于太阳能无人机场景的复合多能源自适应传‑储‑用系统架构，在此架构下柔性可赋形能量路由器可根据应用场景转变为光伏接口和储能接口，实现电压变换、电气隔离、能量双向流动的同时，满足光伏、储能和负荷的灵活接入、高效运行和轻量化。

技术研发人员：刘海波,黎明,武钰程,逯宏坤,姚春风,张景亮
受保护的技术使用者：航天长峰朝阳电源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16