一种水空双输出无线电能传输平台及控制方法

本发明属于海上光伏供能、磁耦合谐振式无线电能传输及海洋无人系统能源补给，具体涉及一种水空双输出无线电能传输平台及控制方法。

背景技术：

1、海上光伏设施、海岛观测站、海洋牧场和近海工程装备的运行维护，通常需要无人机完成水面以上的巡检、测绘和应急投送，同时需要水下航行器完成基础结构检测、水质监测和水下目标搜索；两类装备均以蓄电池作为主要能源，若频繁返回岸基或依赖母船进行有线充电，将增加调度时间和人工保障成本，不利于形成长期少人值守的海上协同作业体系；现有无线充电装置多针对单一负载或单一传输介质设置，无人机充电支路位于水面以上，受到着陆偏差、平台横摇和风载扰动影响；水下航行器充电支路位于海水中，除停靠偏差外，还受线圈密封结构、海水电导率、温度和附着物引起的参数变化影响。

2、在海上光伏应用场景中，可依托光伏阵列输出的直流电能，于作业区域内就地构建无人装备充电平台；不同于接入公共电网的供电体系，远离岸基的漂浮式充电平台通常不具备稳定的交流电网接入条件，需在孤岛运行状态下依靠光伏输出维持直流母线电压稳定，同时可配置容量较小的缓冲蓄电池，完成直流母线预充电建立、短时功率补偿与安全停机过程；因此，该类系统的控制核心并非实现多种并网运行模式间的切换，而是在光伏出力有限且存在波动的约束条件下，保障两条无线充电支路的谐振状态、功率可控性与运行连续性。

3、lcc-s补偿网络能够在发射侧形成近似恒流特性，并可通过参数设计和输入阻抗角调节改善负载变化及耦合变化条件下的输出稳定性，适合用于存在位置偏差的无线充电场景；但是，在水空双负载共享平台系统中，仍需解决以下问题：两条lcc-s支路如何针对不同介质分别设计和辨识参数；两条支路同时工作时如何抑制交叉耦合和直流母线冲击；光伏可用功率不足时如何在无人机与水下航行器之间分配功率；以及如何在减少海上平台长距离有线通信接口的情况下实现平台、无人机和远端终端之间的低功耗状态交互。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种水空双输出无线电能传输平台及控制方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本技术提供了一种水空双输出无线电能传输平台，包括：

4、海上光伏直流供电单元，其输出端连接至孤岛直流母线；

5、缓冲储能单元，通过双向dc/dc变换器连接至所述孤岛直流母线；

6、漂浮式水空一体化充电平台，用于承载无线电能传输系统的各功能模块组件；

7、空中侧lcc-s无线电能传输通道，连接所述孤岛直流母线，用于为空中侧负载提供电能；

8、水下侧lcc-s无线电能传输通道，连接所述孤岛直流母线，用于为水下侧负载提供电能；

9、双通道协调控制器，用于根据两条通道的状态参数生成工作频率和功率调节指令，并控制两条通道以预设运行模式工作；

10、通信与状态采集单元，用于获取所述平台、空中侧负载和水下侧负载的状态信息；

11、其中，所述孤岛直流母线被配置为不接入上级电网。

12、优选地，所述海上光伏直流供电单元包括海上光伏阵列和mppt型dc/dc变换单元，所述mppt型dc/dc变换单元的输出端连接至所述孤岛直流母线。

13、优选地，所述漂浮式水空一体化充电平台包括浮体及密封控制舱、设置于水面以上的无人机停机面、设置于水面以下的水下航行器停靠结构，以及系泊定位装置；

14、所述空中侧lcc-s无线电能传输通道的发射端设置于所述无人机停机面下方，与所述无人机停机面对应布置；

15、所述水下侧lcc-s无线电能传输通道的发射端设置于所述水下航行器停靠结构处，与所述水下航行器停靠结构对应布置。

16、优选地，所述通信与状态采集单元包括lora网关与状态采集单元、无人机lora终端以及设置于水下停靠结构处的停靠通信节点；

17、所述lora网关与状态采集单元设置在水面以上，所述无人机lora终端设置于无人机上。

18、优选地，所述空中侧lcc-s无线电能传输通道包括第一全桥高频逆变器、第一发射端lcc补偿网络、第一发射线圈、第一接收线圈、第一接收端串联补偿电容、第一整流与充电调节单元以及无人机电池管理系统；

19、所述第一全桥高频逆变器的交流输出端连接所述第一发射端lcc补偿网络的输入端，所述第一发射端lcc补偿网络的输出端连接所述第一发射线圈，所述第一接收线圈与所述第一接收端串联补偿电容串联连接后接入所述第一整流与充电调节单元的输入端，所述第一整流与充电调节单元的输出端连接所述无人机电池管理系统；

20、所述水下侧lcc-s无线电能传输通道包括第二全桥高频逆变器、第二发射端lcc补偿网络、第二发射线圈、第二接收线圈、第二接收端串联补偿电容、第二整流与充电调节单元以及水下航行器电池管理系统；

21、所述第二全桥高频逆变器的交流输出端连接所述第二发射端lcc补偿网络的输入端，所述第二发射端lcc补偿网络的输出端连接所述第二发射线圈，所述第二接收线圈与所述第二接收端串联补偿电容串联连接后接入所述第二整流与充电调节单元的输入端，所述第二整流与充电调节单元的输出端连接所述水下航行器电池管理系统。

22、优选地，上述缓冲储能单元包括锂电池和双向dc/dc变换器，所述双向dc/dc变换器并联于所述孤岛直流母线，且所述缓冲储能单元的功率输出受预设瞬态补偿上限及电池状态约束；

23、所述孤岛直流母线未配置用于向公共电网送电或从公共电网受电的并网ac/dc接口。

24、优选地，所述双通道协调控制器根据第条通道的输入阻抗角，按照以下公式修正工作频率：

25、

26、其中，为第条通道修正后的工作频率，为第条通道的标称工作频率，为第条通道的频率修正系数，为第条通道的输入阻抗角，为饱和函数，和分别为第条通道的频率修正下限和上限；

27、所述双通道协调控制器还通过调节对应全桥高频逆变器的移相角控制该通道的功率。

28、优选地，对于第条通道，表示空中侧通道，表示水下侧通道，在标称角频率下，补偿参数满足：

29、

30、

31、

32、其中，为第条通道的补偿电感，为第条通道的并联补偿电容，为第条通道的串联补偿电容，为第条通道的发射线圈自感，为第条通道的接收线圈自感，为第条通道的接收端串联补偿电容；

33、并且，第条通道的发射线圈与接收线圈之间的耦合系数满足：

34、

35、其中，为第条通道的耦合系数，为第条通道的发射线圈与接收线圈之间的互感。

36、优选地，所述双通道协调控制器根据以下功率平衡关系生成控制指令：

37、

38、其中，为光伏输出功率，为缓冲储能功率，为空中侧通道的直流输入功率，为水下侧通道的直流输入功率，为平台辅助功率，为系统损耗功率；

39、所述双通道协调控制器(106)按照以下公式计算第条通道的优先级：

40、

41、其中，为第条通道对应负载的归一化电量缺口，为任务紧迫度，为归一化等待时间，为由耦合系数、输入阻抗角和实时效率确定的耦合质量指标，、、、为非负权重且其和为1；

42、当可用功率满足请求功率时按各通道请求功率给定，当可用功率不满足两个负载的请求功率时，所述双通道协调控制器按照以下公式生成第条通道的功率给定：

43、

44、其中，为第条通道的功率给定，为第条通道的请求功率，为可用功率，为第条通道的优先级，和分别为空中侧通道和水下侧通道的优先级。

45、一种应用于上述系统的一种水空双输出无线电能传输平台的控制方法，包括以下步骤：

46、控制海上光伏直流供电单元建立孤岛直流母线；

47、检测无人机着陆状态和水下航行器停靠状态，并获取对应负载的电池状态和任务状态；

48、对检测到负载的通道实施低功率激励，根据发射端电压电流和接收端反馈确定互感、输入阻抗角和耦合质量；

49、调用空中侧或水下侧lcc-s参数组，确定对应通道的标称工作频率、频率微调范围、移相范围和安全功率上限；

50、根据光伏可用功率和两个负载的充电需求生成两条通道的功率给定；

51、通过移相功率闭环和输入阻抗角频率微调分别控制两条通道，并在两条通道同时工作时执行预设的串扰抑制控制；

52、在负载完成充电或出现异常时降低并停止对应通道，并重新分配剩余功率；

53、其中，所述输入阻抗角频率微调包括：

54、当输入阻抗角位于目标区间之外时，在预设频率微调范围内修正工作频率；

55、当输入阻抗角进入目标区间后，以移相角作为主功率调节量；

56、当另一通道启动导致当前通道的线圈电流或输入阻抗角变化超过阈值时，执行预设的扰动抑制或时序切换控制；

57、周期检测孤岛直流母线电压、通道输入功率、线圈电流、线圈温度、接收端离位状态、水下绝缘状态和通信状态，出现过压、欠压、过流、过温、金属异物、离位、绝缘异常或通信超时时，对应通道按预设功率变化率降至检测功率后停止；当缓冲储能状态不足时，降低无线充电总功率。

58、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

59、本发明提出一种水空双输出无线电能传输平台及控制方法，通过孤岛直流母线架构实现了海上光伏独立供电，无需依赖岸基电网即可为水空异构装备提供持续能源补给，有效降低了海上无人装备的运维保障成本；空中侧与水下侧lcc-s通道分别针对空气介质和海水介质设置独立的谐振参数及功率控制回路，能够适配不同介质的耦合特性差异，保证了两条通道在位置偏移和负载波动工况下均能维持近谐振工作状态；双通道协调控制器结合频率微调与移相功率闭环控制，能够抑制双通道同时运行时的电磁串扰和母线冲击，并依据负载优先级动态分配有限的光伏功率，保障关键任务装备的供电需求；通信与状态采集单元通过lora链路与停靠通信节点实现平台、无人机、水下航行器及远端终端之间的低功耗信息交互，减少了海上平台长距离有线通信接口需求，提升了系统在孤岛环境下的可靠性和可维护性。