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本文引用信息
张志成, 李鹏, 左志强, 等. 临近空间太阳能飞行器能源系统控制综述[J]. 控制与决策, 2024, 39(6): 1761-1777.
2024年第6期封面文章推荐
临近空间太阳能飞行器能源系统控制综述
张志成，李鹏，左志强，王一晶，呼文韬，倪旺，刘兴江
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研究背景
临近空间太阳能飞行器是由太阳能驱动，可在海拔20-100km的临近空间飞行的高空长航时（High Altitude and Long Endurance，HALE）无人驾驶飞行器。与传统飞行器和卫星相比，其具有飞行高度高，覆盖范围广，使用成本低，可在临近空间长期驻留的优势，为网络覆盖与通信中继、资源勘探与灾害预警、凝视侦察与防空预警等领域带来颠覆性发展。临近空间太阳能飞行器的部署和应用有效填补了航空器和航天器间的空白区域，是临近空间应用的重要手段。
随着临近空间太阳能飞行器的战略意义和应用价值逐渐为人熟知，相关研究受到极大重视。世界各国持续开展太阳能飞行器研究，先后研制出几十种型号的太阳能飞行器（如表1所示），高空运行频次不断提升，呈现常态化趋势。我国高度重视临近空间的应用价值和战略地位，积极布局和开展新一代无人平台的相关研究。我国主研发的“彩虹”太阳能飞行器（如图1所示）完成了临近空间连续7天的飞行任务，标志着我国临近空间探索与应用技术已跻身世界前列。
表1 国外典型太阳能飞行器
图1 “彩虹”太阳能飞行器
然而，我国太阳能飞行器的研究相对较晚，与国际先进水平相比，在驻空时间、有效载荷等方面还存在差距。能源系统的能量管控能力和能量利用率不足已成为制约我国太阳能飞行器快速发展的瓶颈。能量管理的主要功能是实现太阳电池阵输出功率调节，储能电池组充放电管理，以及协调多个分布式发电单元的运行，为机载动力系统和有效载荷提供稳定、充足的能量。能源系统的能流控制性能和能量调度水平直接决定了临近空间飞行器的飞行高度、续航时间和有效载重。如何实现连续跨昼夜的不间断能量供给成为飞行器能源系统研究的核心问题。
本文综述集群化能源系统控制研究的发展现状、主要方法及最新成果，分析能源系统能流控制与能量调度所面临的问题与挑战，并对未来发展趋势及研究方向进行展望。
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集群化能源系统结构
为适应飞行器翼展大、载重低的特点，并满足细粒度能量管理的需求，集群化能源系统以光储一体化智能发电节点为基本单元，通过网络互联，其结构如图2所示。
能源系统由多个发电和负荷节点构成，每个发电节点包含功率等级相当的光伏电池、储能电池、DC-DC~变换器以及嵌入式控制器。为满足临近空间飞行器逐步扩大的任务需求，能源系统将朝着更大规模、更多负荷类型以及更灵活可靠的方向发展。为此，具有多母线结构的集群化能源系统在模块化重组、灵活重构组网、分区自治协调等方面具有更大优势。能源系统的模块化和网络化对分布式节点协同控制精度、节点切入切出情况下的鲁棒性以及对网络拓扑切换适应性提出更高要求。
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能源系统的控制目标与约束
控制约束方面，由于飞行器载重限制，飞行器能源系统的容量、变换器数量和种类以及电力传输线和信号传输线用量等各方面均受到严格约束，控制策略的应用条件较地面能源系统更加苛刻，制约了能流控制与能量调度的手段。此外，由于临近空间飞行器任务多样，运行工况复杂多变，能源系统运行于多物理场高度耦合、时空关联性与不确定性强、多种约束共存的复杂环境中，难以对发电、用电设备进行精细建模，传统地面直流微网的研究成果无法直接应用，亟需针对飞行器应用环境开展能量管理系统研究。
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集群化能源系统能流控制与能量调度综述
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，强化学习方法表现出极强的自学能力和处理复杂任务的能力。本质上，强化学习算法通过将能源系统的能量调度问题建模为转移概率未知的马尔科夫决策过程，通过智能体和环境的交互来获取经验，进而根据经验选取最优决策。避免了能源系统和运行环境精确模型的建立，具有更强的环境适应性和鲁棒性。目前，机器学习方法，如DQN、DDPG、TD3、SAC等，已部分解决了能量调度，储能系统管理以及成本控制等问题。然而，对太阳能飞行器集群化能源系统的应用研究鲜有成果产出。已有的模型未充分考虑飞行器能源系统结构特征，在状态集和动作集的定义、奖励函数的选取以及策略学习的目标确立上仍需与飞行器能源系统紧密联系。飞行器能源系统的智能调度应以能量平衡、能流效率提升以及延长储能电池循环寿命为目标。此外，能源系统仿真技术，包括仿真测试环境及临近空间数据集，有待于进一步完善。
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总结与展望
本文梳理了太阳能飞行器集群化能源系统的发展目标、关键问题、系统结构和模型，并综述了能源系统能流控制和能量管理领域发展的理论基础及最新成果。目前能源系统的供电能力仍是制约临近空间飞行器的主要因素。能源系统的发展需以长航时、大载重飞行需求为牵引，着重解决多种约束共存的能流控制、拓扑重构下的系统鲁棒性提升以及面向持续供能的智能调度等问题，提升能源系统电能质量和自主管控能力，为我国临近空间飞行器的发展提供有力支撑。
作者介绍
张志成，博士后，天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市智能无人集群技术与系统重点实验室副主任，从事饱和多智能体系统分布式协同控制、集群化能源系统等研究。
李鹏，博士后，天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市智能无人集群技术与系统重点实验室，从事鲁棒控制和有限频率分析等研究。
左志强，教授，博士生导师，天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市智能无人集群技术与系统重点实验室主任，从事非线性系统、鲁棒H∞控制、能源系统以及无人驾驶等研究。
王一晶，教授，博士生导师，天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市智能无人集群技术与系统重点实验室，从事切换系统以及多智能体系统控制等研究。
呼文韬，硕士，高级工程师，中国电子科技集团公司第十八研究所，主要从事飞行器能源动力系统的研究。
倪旺，博士，高级工程师，中国电子科技集团公司第十八研究所，化学与物理电源技术国家级重点实验室，主要研究方向为新型电源技术。
刘兴江，博士，研究员级高级工程师，中国电子科技集团公司第十八研究所，从事电子材料、电池材料与电池设计等研究。
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