CN106063069A - 高频双向ac电力传输 - Google Patents

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Abstract

一种方法可以涉及在配备有生成电力的风力涡轮机的系留飞行器和被配置为互连所生成的电力到配电网络中的地面站之间传送电力。电力可以使用高压、高频的AC电信号传送，并且在地面站和飞行器上的变压器可以缩放AC电压以在各自的位置使用。然后在地面站和飞行器中的转换器可以转换变换后的电压为DC。AC电压可以通过系绳以部分地基于该系绳的多个导电路径之间的内部电容的系绳的谐振频率传送。

Description

高频双向AC电力传输
技术领域
除非在本文中另外指示，否则在本部分中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。
背景技术
电力生成系统将化学能/或机械能(例如，动能)转换为用于诸如公用系统的各种应用的电能。作为一个例子，风能系统可以将风动能转换成电能。风能系统可以使用具有耦合到发电机的转子的涡轮机。入射风转动转子，转子转动轴，然后发电机可以使用轴的运动通过相对于彼此移动一个或多个绕组和/或磁体诱发通过绕组中的一个的磁通量中的振荡——由此产生绕组上的振荡电压——以生成电力。
电力传输和分配系统使用导电线网络分配电能。通常地，电能从发电站输送给能源消费者。为了有效地通过网络输送电能，这样的网络通常携带高电压交流(AC)电信号。因为导电线上传输的电力一般与电流和电压的乘积成比例，并且导电线中耗散的电力一般与电流的平方成比例。因此，对于给定的传输电力，增加电压10倍使得电流减小10倍，而耗散电力降低100倍。
此外，AC传输线路使用变压器使得在各种变电站缩放电压电平。变压器具有围绕共同的磁芯缠绕的感应耦合绕组，每个绕组的端部分别提供用于输入信号和输出信号的引线。由于电感耦合绕组中磁通量和感应电动势之间的关系，在一个绕组上(例如，使用输入引线)施加的AC电压通过该芯和另一绕组生成变化的磁通量，其接着导致另一绕组的引线两端上与磁通量成比例的电压。因为通过每个绕组的磁通量与围绕共同磁芯的每个绕组的圈数成比例，所以缩放每个绕组的匝数允许相对于输出缩放输入的AC电压。因此，使用AC电压，可以方便地在高压下长距离传输电能，并且然后在各分配点使用变压器缩放(“降低”)到较低电压。
发明内容
本文公开一种系统，其中配备风力涡轮机的用于生成电力的系留飞行器通过系绳将电力传送至被配置为连接(或互连)所生成的电力到配电网络的地面站。此外，系绳用于在诸如起飞和/或着陆操作期间，当飞行器本身不生成电力时从地面站向飞行器传送电力。可以使用高压、高频AC电信号通过系绳传送电力，并且在地面站和飞行器上的变压器可以在各自的位置缩放AC电压以供使用。AC电压可以在部分地基于该系绳的多个导电路径之间的内部电容以系绳的谐振频率通过系绳传送。
在一个方面，一种系统包括飞行器、系绳和地面站。该飞行器可包括螺旋桨、机械耦合到螺旋桨的马达-发电机、电耦合到马达-发电机的DC总线、变压器以及与电耦合到变压器的转换器。马达-发电机可被配置为交替地：(i)使用来自DC总线的能量移动螺旋桨，从而生成在飞行器上的推力；以及(ii)通过螺旋桨的运动生成电能，并且使用所生成的电能供给DC总线。系绳可以耦合到飞行器。系绳可以包括第一导电路径和第二导电路径，被配置为通过第一导电路径传导相对于第二导电路径上的电压而周期性变化的电压来传送AC电压。地面站可以经由系绳耦合到飞行器。地面站和飞行器上的DC总线可以被配置为经由系绳在彼此之间传送电力。系绳可以具有在第一导电路径和第二导电路径之间的内部系绳电容。变压器可以被配置为在通过系绳传送的AC电压和降低的AC电压之间变换。转换器可以被配置为在降低的AC电压和供给DC总线的DC电压之间进行转换。
在另一方面，公开了一种方法。该方法可以包括将电力转换为高频AC电压。该方法可以包括将高频AC电压变换为高压传输电平。该方法可以包括通过系绳传送变换后的高频AC电压到飞行器。该方法可以包括经由布置在飞行器上的变压器将高频AC电压从高压传输电平变换到更低的电压电平。该方法可以包括将由变压器变换到更低的电压电平的变换后的高频AC电压转换到DC电压。该方法可以包括从转换后的DC电压汲取电力为飞行器供电。
在另一方面，公开了一种方法。该方法可以包括由耦合到位于飞行器上的风力涡轮机的发电机生成电力。该方法可以包括将生成的电力转换为高频AC电压。该方法可以包括使用飞行器上的变压器将高频AC电压变换为高压传输电平。该方法可以包括通过系绳将变换后的高频AC电压传送到地面站。
另一方面，本公开的一些实施例提供了用于由耦合到位于飞行器上的风力涡轮机的发电机生成电力的机制。本公开的一些实施例提供了用于将生成的电力转换为高频AC电压的方法。本公开的一些实施例提供了使用飞行器上的变压器将高频AC电压变换为高压传输电平的方法。本公开的一些实施例提供通过系绳将变换后的高频AC电压传送到地面站的方法。
通过参考附图的适当部分阅读下面的详细描述，对本领域的普通技术人员，这些以及其他方面、优点和替代将变得显而易见。
附图说明
图1描绘了根据示例性实施例的机载风力涡轮机(AWT)。
图2是示出了根据示例性实施例的使用AWT的系统的部件的简化框图。
图3A是根据示例性实施例的使用AC信号将飞行器连接到地面站的简化框图。
图3B是在图3A中显示的系统中的系绳电压和电流的图形表示。
图4A是根据示例性实施例的使用AC信号经由谐振网络连接飞行器到地面站的简化框图。
图4B是根据示例性实施例的使用AC信号经由另一谐振网络连接飞行器到地面站的简化框图。
图5A是为系留飞行器供电的示例过程的流程图。
图5B是用于分配由系留飞行器上的机载风力涡轮机生成的电力的示例过程的流程图。
图6描绘了根据示例性实施例的非瞬时计算机程序产品。
具体实施方式
本文描述了示例的方法和系统。应当理解的是，“示例”一词在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中被描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不必被解释为比其他实施例或特征优选或有利。更一般地，本文所描述的实施例并不意味着是限制性的。将容易理解所公开的方法和系统的某些方面可以以各种不同的配置布置和组合，所有这些涵盖于本文中。
I.概述
实施例涉及在风能系统中使用的飞行器，如机载风力涡轮机(AWT)系统。特别是，实施例可以涉及在其中电能在配备了由螺旋桨驱动的发电机的飞行器和地面站之间传送的AWT系统。在飞行器上生成的电力可以通过在连接该飞行器和地面站的导电系绳上携带的AC电信号进行传送。
作为背景，AWT系统可包括飞行器，其沿着路径飞行同时由系绳连接到地面站。在飞行时，AWT使用耦合到发电机的转子(螺旋桨)将风能转换成电能。为生成电力，飞行器和风力运动的组合引起转子转动，其提供扭矩给轴使发电机中的磁体/绕组转动，由此生成电力。AWT也可以通过施加扭矩到螺旋桨来使用螺旋桨生成对飞行器的推力，这可以通过马达-发电机组合来执行。在一些情况下，AWT可以生成推力和/或操纵飞行器上的翼型件，以使飞行器：从地面站起飞，在海拔范围内大体沿路线飞行，并降落在地面站。在飞行时，依据所涉及的机动，AWT交替地从风动能生成电能和消耗电能向螺旋桨供电以生成推力。
当风力条件不利于发电时，飞行器可在它的地面站(或停留地)内/或上休息。一旦条件有利于发电，则地面站还可以部署(或发射)飞行器。此外，当部署了飞行器而风力不利于发电时，飞行器可以返回到地面站。
AWT由用来在AWT和地面站之间携带电能和可选地传输通信信号的系绳连接到地面站。在实践中，当AWT被用于生成电能时，如在侧风飞行中，系绳可以用于从AWT向地面站传送电能。当AWT被用于生成推力时，如在起飞和/或着陆中，系绳可用于从地面站向AWT传送电能。
在一些实施中，在这样的风力发电系统中的飞行器配备有多个AWT(即耦合到马达-发电机的多个螺旋桨)，以及各种航空电子传感器、通信系统、以及控制模块。在飞行器上的各种电子器件可以从飞行器上的DC总线接收电力，DC总线可以是具有DC电容或类似物的总线。当被用于生成推力时，各个AWT则可以从DC总线汲取电力，并且当其被用于生成电能时，各个AWT可以提供电力给DC总线。
高压、高频的AC电信号被用于经由系绳在飞行器和地面站之间传送电能。高压(例如，约5千伏)被用来降低在系绳上的传输损耗。使用AC以允许使用变压器在飞行器上来增高/降低电压。使用高频(例如，约5千赫兹)来减小位于飞行器上的变压器的尺寸和重量。一般地，因为磁化电流随着频率减小且感应电压随着频率升高，所以更高频率的AC信号需要更小的磁芯以变换与更低频率的信号相同的电量。其结果是，对于给定电力，比起在更低频率下运行的变压器，在更高频率下运行的变压器可以采用相对更小(更轻)的磁性组件。相比于在电力配电网中典型采用的AC频率(例如，约50赫兹或约60赫兹)，或甚至在一些飞机上采用的AC频率(例如，约400赫兹)，用于经由系绳传送电力的频率可以大得多，也许甚至要比这样的电网频率大一个数量级。
飞行器还包括将系绳上的AC电压转换成用于DC总线的DC电压的AC到DC转换器。转换器处理去往/来自变压器的AC信号，这允许转换器以由变压器匝数比确定的电压电平工作。AC/DC转换器可以包括两个AC端子和两个DC端子，以及相对于DC端子交替切换进入/传出AC端子的极性的开关组合。整流器和/或其他信号调节设备也可以被包含在AC/DC转换器中。类似地，地面站也可以包括缩放来自系绳的电压的变压器以及将变换后的电压转换为DC的AC/DC转换器。在地面站的AC/DC转换器接着可以与在DC电压和诸如在50Hz或60Hz的多相AC信号的适于与配电网络连接的电压之间转换的逆变器或其他模块互连。
然而，系绳表现内部电容，并且因此在系绳上驱动AC信号涉及系绳电容两端的振荡电压。这样，经由AC/DC转换开关网络连接到系绳的DC电压源对系绳电容充电。然后，一旦切换施加到系绳的极性，则来自反转电压源的极性的开关能量(例如，由于对系绳电容快速放电和再充电)被开关网络中的一个开关以与当开关打开时开关两端的电压的平方成比例地耗散。
本公开内容提供了两种不同的技术来在系绳传送AC的同时减轻开关损耗。在一个实例中，DC电流源，而不是DC电压源，被耦合至AC/DC转换器。一旦反转电流源的极性，则经由开关网络，在系绳电容中的电压缓慢升高以反映反转后的极性。系绳电容起作用以在极值之间回转电压，从而避免了突然的转变和伴随的开关损耗。
在另一示例中，系绳电容被用于创建被配置为以驱动频率振荡的谐振网络。特别地，一个或多个电感器可被耦合到系绳以创建具有至少部分地由电感器的电感和系绳电容的组合所定义的谐振振荡频率的电路。因此，系绳电容可以并入用于在飞行器和地面站之间传送能量的谐振网络。此外，系绳电容可以通过在地面站和/或飞行器上添加电容器来补充。该附加的电容器可以用来实现所期望的电容和/或降低系绳电容变化的影响。其结果是，在该系绳上的电压自然采用正弦形式，并且在AC/DC转换器上的开关网络可以被操作为实现零电压开关(ZVS)，这显著减轻开关损耗。
II.示例发电系统
A.机载风力涡轮机(AWT)
图1描绘了根据示例性实施例的AWT 100。AWT 100包括地面站110、系绳120和飞行器130。飞行器130可以连接到系绳120，系绳120可以连接到地面站110。地面站110还可以连接到用于电力的分配和/或传输的网络(例如，通常被称为“电网”的电力分配网络)。飞行器130包括耦合到发电机的螺旋桨134A-D。在飞行过程中，螺旋桨134A-D的运动由发电机转换为电能。AWT 100因此可用于生成电能。在实践中，在飞行器130上生成的电能可经由系绳120传送到地面站110，并且地面站110(和/或一个或多个中间站)可以传送电力到电力分配网络(例如，通过多相AC电压信号)。
如图1所示，系绳120可以在地面站110上的一个位置附着到地面站110，以及在飞行器130上的两个位置附着到飞行器130。然而，在其他例子中，系绳120可以在一个或多个位置附着到地面站110和/或飞行器130的任何部分。
地面站110可以用于保持和/或支持飞行器130，直到它处于操作模式为止。地面站110还可以被配置为允许重新定位飞行器130以进行部署。此外，地面站110还可以被配置为在着陆期间接收飞行器130。地面站110可以由当飞行器130在悬停飞行、向前飞行、和/或侧风飞行操作时能够保持飞行器130(通过系绳120)附着和/或锚定到地面的任何材料制成。在一些实施中，地面站110可以被配置为在陆地上使用。然而，地面站110也可在水体上实施，诸如湖泊、江河、大海或大洋。例如，在其他可能性中，地面站可能包括或可被安排在浮动的离岸平台或船上。此外，地面站110可以被配置为保持静止或相对于地面或水体的表面移动。
此外，地面站110可以包括用于调节系绳120长度的一个或多个部件(未示出)，诸如绞盘。例如，当部署飞行器130时，地面站110可以卷入/放出系绳120。在一些实施中，地面站110可以被配置为松出系绳120到预定的长度，以允许飞行器130沿预定飞行路径150飞行。此外，当飞行器130着陆时，地面站110可以被配置为卷入系绳120。
系绳120可以将飞行器130所生成的电能传送给地面站110。另外，系绳120可以传送电到飞行器130以对飞行器130供电用于起飞、着陆、悬停飞行和/或向前飞行。在一些示例中，系绳120可以具有固定长度和/或可变的长度。系绳120可以以允许传输、递送和/或驾驭由飞行器130生成的电能和/或传送电到飞行器130的任何形式和任何材料来构造。
系绳120也可以被配置为当飞行器130飞行时承受一个或多个来自飞行器130的张力。例如，系绳120可以包括被配置为当飞行器130悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行时承受飞行器130的一个或多个力的芯。芯可由高拉伸强度的纤维构造。除了高拉伸强度芯外，系绳120可以包括诸如由铝、铜和/或其他可用于传送电力的导体(碳纳米管等)组成的一个或多个导线。导线(或多个)可以是绞合的或固体的，并且可以被各种不同的屏蔽和/或绝缘体所包围。例如，承重芯可以由两个或更多的绝缘和/或屏蔽导线包围，并且护套可以可选地包围绝缘/屏蔽线和芯两者。可以使用导电线来提供飞行器和地面站之间的导电路径，并且电力可以通过在导电线上施加电信号在导电路径上传送。
飞行器130可以被配置为大体上沿着路径150飞行以生成电能。当在本公开中使用时，术语“大体上沿着”指的是精确地沿着和/或不显著影响如本文所述电能的生成的对准确沿着的或多或少(one or more)的偏离。此外，飞行器可在如本文描述的在特定飞行模式之间的转变期间离开特定的飞行路径。
对于其他的可能性，飞行器130可以包括或采取各种类型的被配置为从通过大气中的运动来生成升力的设备的形式，例如风筝、直升机、飞翼(wing)和/或飞机。飞行器130可以由形成翼型件的金属、塑料和/或其他聚合物的固体结构形成。飞行器130可以包括被配置为允许高推力对重量比的结构。可以选择材料以允许闪电硬化(lightninghardened)、冗余和/或容错设计，其能够处理在环境条件中的其他变化之中的大的和/或突然的风速和风向变化。
此外，电力生成和/或传输部件可以包括在飞行器130中(例如，发电机、电压转换器、变压器等)。这样的部件可以被配置为当飞行器130飞行时生成电能并且在系绳120上传送电能。其他材料也是可能的。
飞行路径150可在不同的实施例中呈现各种不同的形状。例如，路径150可以是大体上圆形的。并且在至少一个这样的例子中，路径150可具有约265米的半径。当在本公开中使用时，术语“大体上圆形的”指的是精确的圆形和/或不显著影响如本文描述的电能生成的对精确圆形的或多或少的偏离。路径150的其他形状可以是卵形、椭圆形、果冻豆(或肾)形、数字8形等。在某些情况下，路径150可以允许侧风飞行，其中沿路径150的飞行方向沿飞行路径150整个长度大体上垂直于风向。例如，侧风飞行可通过由具有大体与对风向较准的法线方向的路径150的轮廓定义的平面来定向路径150而实现。
如图1所示，在示例性实施例中，飞行器130可包括主翼131、前部132、转子连接器133A-B、转子134A-D、尾梁135、尾翼136和垂直稳定翼137。任何这些组件可以是促进生成升力和/或推力的任何形式的翼型件形状。
主翼131可以提供飞行器130的主升力。主翼131可包括一个或多个刚性或柔性的翼型件，并且可包括各种控制面，如小翼、护翼、舵、升降舵等。控制面可以用来在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行过程中稳定飞行器130和/或减轻飞行器130的阻力。
包括在飞行器中的主翼131和其他翼型件可由诸如碳纤维或e-玻璃的层压纤维材料和/或由诸如铝或其他金属片制造。此外，主翼131可具有8米的跨度、4平方米的面积、以及15的纵横比。在某些情况下，主翼131可具有对应于常规风力涡轮机叶片的一个或多个尺寸。前部132可包括被配置为在飞行过程中减轻飞行器130上的阻力的一个或多个部件，如鼻锥(nose)。
转子连接器133A-B可以连接转子134A-D到主翼131。转子134A-D在本文中可选地称为螺旋桨并且包括响应于风转动的多个叶片。转子134A-D由转子连接器133A-B耦合到主翼131。在一些示例中，转子连接器133A-B可以采取一个或多个外挂架(pylon)的形式或者形式上与之类似。转子连接器133A-B可以被布置为使得转子134A-D以垂直的间隔与主翼131分离(例如，转子134A可以位于主翼131的上方，转子134B可以位于其下方)。在一些示例中，相应的转子(例如，转子134A和转子134B或转子134C和转子134D)之间的垂直间隔可以是大约0.9米。
为了生成电能的目的，转子134A-D可以被配置为驱动一个或多个发电机。转子134A-D可以每个包括一个或多个叶片，例如三个叶片。并且叶片可耦合到耦合到发电机的轴。在飞行期间，叶片与大气相互作用并在轴上提供扭矩。在发电机中，旋转轴的运动被用于驱动导电绕组和磁场之间的相互作用，以便改变通过导电绕组的磁通量，从而诱发通过绕组的时变的电动势(例如，配备有在磁场内旋转的导电绕组的电枢)，从而将旋转叶片的机械能转换成电能。此外，转子134A-D也可以被配置为在飞行期间向飞行器130提供推力。例如，可以施加时变的电流到发电机内的导电绕组，其创建耦合到叶片的轴上的扭矩。使用这种布置，转子134A-D可以起到诸如螺旋桨的一个或多个推进单元的作用，并且发电机可以起到马达的作用。在另一示例中，马达-发电机可通过DC电流/电压来驱动(以及用于生成DC电流/电压)，例如在其中绕组相对于磁场旋转，并经由刷连接器连接以由DC源来驱动(或生成DC输出)的例子。虽然在此例中飞行器130配备有四个转子，但是在其他示例中，飞行器130可包括任何数量的转子，例如少于四个转子或多于四个转子。
尾梁135可以将主翼131连接到尾翼136。尾梁135可以采取飞行器130的主体和/或机身的形式，并且可任选地携带有效载荷。在示例中，尾梁135可具有大约2米的长度。尾翼136和/或垂直稳定翼137可用于稳定飞行器130和/或减轻在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间飞行器130上的阻力。例如，尾翼136和/或垂直稳定翼137可用于在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间维持飞行器130的俯仰。垂直稳定翼137可附着到尾梁135上，并且尾翼136可位于垂直稳定翼137的顶部。在一些例子中，尾翼136可具有约2米的长度和约0.45米平方的表面积。另外，尾翼136可以位于飞行器130的质心上方约1米。
虽然在上面以及根据特定实施例描述了飞行器130，但是应当理解的是，本文中所描述的方法和系统可涉及被配置为在通过系绳120连接到地面站110的同时在飞行期间生成电力的各种不同的飞行器。
B.AWT的说明性组件
图2是示出了AWT 200的组件的简化框图。AWT 200可采取AWT 100的形式或类似于AWT 100的形式。AWT 200包括地面站210、系绳220和飞行器230。地面站210、系绳220和飞行器230可以与如上结合图1描述的地面站110、系绳120和飞行器130相同或相似。
如图2所示，地面站210可以包括一个或多个处理器212、数据存储214和程序指令216。处理器212(或多个)可以包括通用处理器和/或专用处理器(例如，数字信号处理器、专用集成电路等)。处理器212(或多个)可以被配置为执行存储在数据存储214中的计算机可读程序指令216。程序指令的执行可引起地面站210提供本文所述的功能的至少一些。
在另一方面，地面站210可以包括通信系统218。通信系统218可包括一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口，其允许地面站210经由一个或多个网络通信。这样的无线接口可以根据一个或多个无线通信协议提供通信。这样的有线接口可以包括以太网接口、通用串行总线(USB)接口或类似的接口以通过导线、双绞线、同轴电缆、光链路、光纤链路或其他物理连接与有线网络进行通信。地面站210可以经由通信系统218与飞行器230、其他地面站和/或其他实体(例如，指挥中心)进行通信。
在示例性实施例中，通信系统218可以允许短程通信和远程通信两者。例如，地面站210可以被配置为充当远程支持设备(例如，飞行器230和/或其他地面站)与一个或多个数据传输网络之间的网关或代理。经这样的配置，地面站210可以操作向/从这样的远程支持设备(或多个)提供数据通信服务。
系绳220可以经由各自的支架物理地连接到地面站210和飞行器230。系绳支架可以包含可调整的组件以负责飞行器230和地面站210之间的相对运动。例如，系绳220可以经由万向架连接到飞行器230。系绳220可包括传输组件222和通信链路224。传输组件222可以被配置为从飞行器230传送电能到地面站210和/或从地面站210传送电能到飞行器230。传输组件222可包括一个或多个导体，并且可以包括屏蔽体和/或绝缘体。在一些示例中，传输组件222可包括铝和/或允许电流传导的另一材料。此外，在一些实施中，传输组件222可以围绕系绳220的承重芯(未示出)。例如，钢芯或其他高拉伸强度材料可以由铝包围。在一些示例中，传输组件222可以包括两个单独的导线，其由绝缘体和/或屏蔽体分离并且可用于传送AC和/或DC电信号。
地面站210可经由通信链路224与飞行器230通信。通信链路224可以是双向的，并且可以包括一个或多个接口。可能存在构成该通信链路224的至少一部分的一个或多个路由器、交换器和/或其他设备或网络。另外，在其中通信链路224包括用于在地面站210和飞行器230之间携带信号的通信线缆的例子中，电缆可以包括屏蔽体和/或绝缘体，以帮助减轻也包括在系绳220中的传输组件222上的可能与电力传输相关联的噪声。
飞行器230可以包括一个或多个传感器232、电力总线234、电力生成和/或转换组件236、通信系统238、控制系统248、一个或多个处理器242和在其上可以存储程序指令246的数据存储244。
电力生成/转换组件236可包括由转子驱动的一个或多个发电机，例如由转子134A-D驱动的高速、直接驱动的发电机。例如，由转子驱动的发电机(或多个)可以被配置为在11.5米每秒的风速和超出60％的容量因子下操作(例如，在特定的时间间隔期间，超过60％的时间生成电力)。发电机(或多个)可以生成从40千瓦到600兆瓦的电力。
此外，转换组件236可以被配置为转换由发电机生成的电力，以适合于在系绳220上传输(例如，经由在传输组件222上传导)。这样的转换组件可以包括例如AC至DC和/或DC至AC转换器。转换器可被用于将由发电机输出的AC电压转换成通过系绳220传送的DC电压。类似的，这样的转换器可以被用于将在系绳220传送的DC电压转换成用于驱动马达-发电机的AC电压以在转子上施加扭矩(例如，以生成推力)。此外，转换器可以将从发电机输出的AC电压转换成DC电压，并且来自每个发电机的DC电压然后可以提供给位于飞行器230的DC电力总线234。另外，电力生成/转换组件236可以包括用于在不同的DC电压之间转换的DC-DC转换器。此外，转换组件也可以包括用于缩放AC电压到不同电平的变压器。
电力总线234可提供电力到飞行器230上的电力消耗组件，诸如处理器(或多个)242、控制系统248、传感器232及通信系统238。在一些实施中，电力总线234可以包括汇流条(bus bar)或具有DC电容的类似设备，其可以经由充电系统被充电/再充电。电力总线234可以至少部分地由飞行器230中生成的电力供电：也即，电力生成组件236中的转子驱动的发电机提供的电能。来自每个发电机的电力可被转换成DC(例如，经由与每个发电机，或者可能是一对发电机相关联的整流器/变换器)，然后来自各个发电机的电力可以共同供给DC电力总线234。
作为另一示例，电力总线234可由一个或多个马达或引擎提供电能，用于或许基于备份提供电力给飞行器230。在一些实施中，一个或多个马达或发动机可通过燃料提供动力，诸如可燃燃料。燃料可以存储在飞行器230上，并经由一个或多个流体导管传递到一个或多个马达或引擎，然后在需要时经历燃烧以将燃料中的化学能转换成机械能或电能。在一些实施中，电力总线234可以全部或部分地由在地面站210中的部件实施。例如，位于地面站210上的电源可以通过在系绳220上传送电力给飞行器230上的电池充电。这样的充电系统还可以包括飞行器230和/或地面站210上的感应充电系统和/或一个/多个太阳能电池板。
飞行器230上的电力生成/转换组件236还可以包括耦合在DC电力总线234和马达-发电机之间的马达驱动。马达驱动可以被配置为从DC总线为马达-发电机汲取能量以用于移动螺旋桨从而生成飞行器230上的推力。另外，马达驱动可以被配置为向DC电力总线234提供从螺旋桨的运动经由马达-发电机生成的电能。马达驱动可以，例如，包括电压整流器(或多个)和/或逆变器(或多个)，用于AC和DC电压之间的转换。此外，马达驱动可以被配置为根据诸如由控制系统248和/或通信系统238提供的命令/控制信号进行操作，以达到飞行器230的期望的飞行路径和/或风力电力生成操作模式。
传感器232可以包括一系列不同的航空电子器件、导航和/或电力系统传感器。例如，传感器232可以包括全球定位系统(GPS)接收器，其可提供飞行器230的地理位置坐标。传感器可以另外地或替代地包括诸如加速度计和/或陀螺仪的惯性测量单元(IMU)，其可以用于确定飞行器230方向。特别是，加速度计可以测量飞行器230相对于地球的方向，而陀螺仪测量围绕轴旋转的速度，诸如飞行器230的中心线。此外，磁力计可以提供指示飞行器230相对于地球磁场的方向和/或位置的数据。作为另一示例，传感器232可以包括被配置为检测飞行器230处相对风力的一个或多个风力传感器(例如，皮托管或类似物)，和/或可用于确定飞行器230海拔的压力传感器或气压计。还可以包括其他传感器的例子，包括与电力总线234和/或电力生成/转换组件236的操作模式和/或条件相关的传感器。
控制系统248可以依照来自地面站210或中央命令站的指令和/或基于来自传感器232的输出以起到调节和/或控制飞行器230的作用。控制系统248因此可以被配置为操作调节飞行器飞行的、飞行器上的各种翼型片和其他特征(例如，结合图1所描述的飞行器130的操纵平面)。在一些情况下，控制器248可被配置为半自主地操作以使得飞行器230沿预定飞行路径飞行(例如，结合图1所描述的路径150)。控制系统248可以由全部或部分的在飞行器230的组件和/或通过与飞行器230通信的位于远处的组件来实现，诸如位于地面站210的经由通信链路224进行通信的组件。控制系统248可以由机械系统和/或硬件、固件和/或软件来实现。作为一个例子，控制系统248可以采取存储在非临时性计算机可读介质(例如，数据存储244)中的程序指令246和执行指令的处理器(或多个处理器)242的形式。
此外，正如所指出的，飞行器230可以包括通信系统238。通信系统238在功能上可以与地面站210中的通信系统218类似。依照各种无线和/或有线通信协议和/或接口，飞行器230可以经由通信系统238与地面站210、其他飞行器和/或其他的实体(例如，指挥中心)进行通信。
III.系绳上的AC电力输送
如上结合图1和图2描述的示例AWT系统由用于在AWT和地面站之间传送电能的系绳连接到地面站。在实践中，当AWT用来生成电能时，系绳可用于从AWT向地面站传送电力。而当AWT用于生成推力时，诸如起飞和/或着陆期间，系绳可用于从地面站向AWT传送电力。图3-图4提供了其中高压、高频AC电信号被用于通过系绳在飞行器和地面站之间传送电力的例子。如下面进一步描述的，飞行器和地面站的每个包括变压器以缩放系绳上的电压到高的值，并从而减轻在系绳上的传输损耗。飞行器包括将系绳上的AC电压转换到飞行器上的DC电力总线上的DC电压/从飞行器上的DC电力总线上的DC电压转换到系绳上的AC电压的AC至DC转换器。转换器处理去往/来自变压器的AC信号，以允许转换器在由变压器匝数比确定的电压电平下操作。
本公开内容提供了两种不同的技术以在减轻在AC/DC转换器的开关损耗的同时在系绳上传送AC。在一个示例中，DC电流源，而不是DC电压源，被耦合至AC/DC转换器。当电流源的极性反转时，经由转换器中的开关，系绳电容中的电压缓慢升高以反映反转后的极性。系绳电容使用系绳电容作为缓冲器充电/放电来响应于每个开关事件起到回转系绳上的电压的作用直到电流源达到平衡为止。系绳电容从而有助于避免突然的电压转换和相关的开关损耗。在电压转换的时间期间，相比正弦AC波形，在传导损耗和电压应力方面，系绳沿着系绳传送DC电流(及电力)可以实现高的系绳利用率。在另一示例中，系绳电容被用于创建被配置为以驱动频率振荡的谐振网络。例如，电感器可以耦合到系绳，以使得系绳/电感器组合具有由系绳电容和电感器二者确定的类似谐振振荡回路的谐振频率。当供以振荡电压时，系绳电压可以进行正弦振荡。
A.驱动系绳电容的电流源
图3A是根据示例性实施例的使用AC信号连接飞行器330到地面站310的系统300的简化框图。系统300包括地面站310、系绳320和飞行器330。系统300、其中的组件和其操作可类似于以上结合图1和图2所描述的任一AWT系统。
飞行器330包括AWT 340，其包括耦合到马达-发电机344的转子342。AWT 340操作以交替地生成电力和生成推力。在生成电力期间，转子342与大气相互作用，其在耦合到发电机的轴上生成扭矩，轴的旋转引起发电机中的绕组相对磁场运动，这诱发绕组上的电动势从而生成电。在生成推力期间，电流被施加到马达-发电机344中的绕组，其与磁场相互作用以将扭矩施加到轴，这然后旋转转子342从而在飞行器330上生成推力。
AWT 340耦合到空中DC总线338，其可包括一个或多个可充电电池或其他能量存储设备。在发电期间，空中DC电力总线338从AWT 340接收电力。例如，由AWT 340生成的AC电压可以被整流/转换为DC电压，然后施加到DC电力总线338。另外，在生成推力期间，DC电力总线可以输出电力到AWT 340。例如，马达-发电机344可以从DC总线338汲取电流，这将引起马达-发电机344将扭矩施加到转子342，从而生成推力。在一些示例中，来自DC总线338的被施加到马达-发电机的电流可以被转换为AC。
在一些示例中，飞行器330上可以有涡轮机，可能在整个飞行器330的翼结构上分布有多达八个螺旋桨。同样的，飞行器330也可以具有多个AC/DC转换器用于在空中DC总线338和各个马达-发电机的电压之间进行能量转换。在一些情况下，每个涡轮机可以具有单独的AC/DC转换器，其可以联合地供给空中DC总线338。在某些情况下，涡轮机组可以共享共同的AC/DC转换器，并且分组的AC/DC转换器可以然后共同地供给空中DC总线。例如，飞行器330可以包括多个外挂架，其中每个包括两个(或者更多)螺旋桨和马达-发电机，并且可以为每个外挂架提供单独的AC/DC转换器。更进一步地，一些实施例可以包括多于一个的空中DC总线(例如，所有涡轮机中的一半被连接到一个DC总线，另一半被连接到另一个DC总线)。在多个马达-发电机之间分配AC/DC转换器的各种技术还可以允许在整个飞行器上分配质量(例如，通过使每个AC/DC转换器靠近它相应的马达-发电机)。此外，该布置通过提供多个，而不是单一的一个AC/DC转换器，降低了单点故障的可能性，提高了系统300的冗余性和可靠性。
此外，飞行器330包括也可以从空中DC总线338接收电力的控制和通信电子器件346。电子器件346可包括传感器、通信系统、控制器、处理器等，被配置为协调操作以操作飞行器330起飞、在侧风飞行路线上飞行和着陆。电子器件346可包括例如如上结合图1和图2描述的航空电子器件、导航、通信和/或控制模块中的一个或多个。可以提供电压转换器、整流器和/或调节器用于调节来自DC总线338的电压以使其适合作为电子器件346的电源。此外，在一些示例中，可以提供完全分离的DC电源给飞行器330上的各种耗电电子器件346供电，诸如完全或部分的不由AWT 340生成的电力充电的可充电电池。
系绳320连接到地面站310和飞行器330。系绳320包括第一导体322和第二导体324。两个导体322、324可以被实施为以一对导线或同轴电缆，或另一种安排实施，并且可以由诸如铝的导电材料形成。系绳320还可以包括绝缘体和/或屏蔽体，以便防止两个导体322、324之间沿着系绳320的长度的电连接。
两个导体被配置为在两个导电线322、324上使用AC信号在地面站310和飞行器330之间传送电力。例如，在电力传输期间，第一导线322可以具有相对于在第二导线324上的电压的周期性变化的电压。两个导体322、324可以具有电容326，这可能是由于在系绳320上的两个导体的几何结构造成的。如图3A所示，两个导体322、324之间(并且因此，电容326两端)的电压在本文中被称为Vteth。在特定实施中，电容326的值可能取决于系绳导体322、324的特定的几何结构以及系绳320的总长度。
除了系绳320之外，从地面站310到飞行器330(或从飞行器330到地面站310)的AC电力的传输路径包括地面站310和飞行器330上的组件。
地面站310包括电流源312、双向AC/DC转换器314和变压器316。类似的，飞行器330包括变压器332、双向AC/DC转换器334和电流源336。变压器316、变压器332分别连接耦合到系绳导体322、系绳导体324的相应端部，以根据变压器316、变压器332的匝数比缩放系绳320上的电压。因此，变压器316、变压器332也可以用于产生在系绳上传送的相对高的电压，并由此减轻传输损耗。变压器316、变压器332每个连接到相应的双向AC/DC转换器314、334。转换器314、转换器334将到/从变压器316、变压器332的AC电压转换成DC电压。转换器314、转换器334然后每个连接到相应的电流源312、电流源336。电流源312、电流源336通过拉/灌电流提供DC电力的驱动源/汇电流，方向取决于电力流的方向。
转换器314、转换器334每个包括一对AC端子、一对DC端子、以及将AC端子选择性地连接到DC端子中的一个的开关网络。可以操作开关以相对于DC侧端子交替地反转AC侧端子的极性。如图3A中所示，转换器314经由节点A的端子传送/接收到/从变压器316的AC电压；转换器334经由节点B的端子传送/接收到/从变压器322的AC电压。在一些示例中，在AC/DC转换器314、334中的开关可以通过具有一个或多个晶体管、晶闸管和/或二极管等的电路来实现。
当转换AC电压为DC电压时，转换器相对于DC端子反复地反转AC端子的极性以在DC端子两端产生DC偏压。在一个示例中，进入的正弦AC电压可以在每个全周期被切换两次，使得DC端子接收半波整流电压。如上所述，通过在或接近零电压处进行切换减轻开关损耗，这降低了在开关中耗散与开关两端的电压的平方成比例的能量的开关电压的影响。因此，输入AC波形可以在或接近过零电压处切换，其在本文中被称为零电压开关(ZVS)。ZVS操作可以使用操作用于开关(例如，晶体管)的控制线的电压传感器来实施，以引起开关在电压通过零点时触发(fire)和/或通过自动感测电路，例如被配置为当电压通过零点时成为正向偏置的二极管等。在其他示例中，具有各种不同波形的AC电压可以以与AC波形频率相关的频率被切换，以在DC端子产生DC偏压。此外，电容器或另一高频滤波组件可以可选地被连接在DC电压端子两端以平滑输出电压并降低DC电压中的高频噪声。
当转换DC电压为AC电压时，转换器反复反转DC端子的极性，从而在AC端子两端产生周期性变化的电压。例如，转换器可以相对于AC端子反转DC端子的极性，然后反转回去以完成给定周期。然后所得的AC波形的频率可取决于这样的切换操作的频率。
系绳320的导电路径322、导电路径324、变压器316、变压器332、转换器314、转换器334和电流源/汇312、336组合以电耦合飞行器330中的电力生成(和消耗)组件和地面站310中的电力分配组件。组合的电连接(例如，地面站310、系绳320和/或飞行器330上的组件)因此可在本文中称为双向电力传输路径。
虽然系绳320(以及地面站310和飞行器330中的相关联的传输路径组件)允许双向电力流(即，从地面站310到飞行器330或从飞行器330到地面站)，但是下面的部分指的是其中从地面站310向飞行器330传送电力的例子。
图3B是在图3A中所示的系统的系绳电压Vteth和电流的图形表示。波形340描绘了在地面站310节点A的电流Istation。波形344描绘了在该飞行器330节点B的电流Iair。波形342描绘了系绳电压Vteth，其是系绳电容326两端的电压。
由于电流源312由转换器314反复开关以反转极性，所以电流Istation在正和负之间振荡。一旦经由转换器314反转电流源312的极性，则系绳电容326上的电压(即，Vteth)从正回转到负(或负到正)。电流方向的变化(例如，由于电流源312的极性的反转)逐渐对系绳电容326充电/放电，同时与系绳320上的电流相匹配。电压Vteth然后可从最大电压Vmax缓慢变化到最小电压-Vmax。系绳电容326可以由此在反转电流源312、电流源336极性的转变期间平滑电压。重复该循环导致例如如图3B所示的在系绳电压Vteth的上的梯形波形。这样的梯形波形可以显著减轻高频谐波。
在电压转变期间(例如，时间间隔350、时间间隔354)，系绳320可以沿着系绳320传送DC电流(及电力)，相比正弦AC波形，在传导损耗和电压应力方面实现更高的系绳利用率。在其中Vteth波形在电压(例如，间隔352、间隔356)之间斜坡变化的周期期间，电流源312、电流源336可以彼此相反，而系绳电容326在极值之间回转系绳320上的电压。
例如，在时间T1，电流源312、电流源336两者可以(经由转换器314、转换器334中的各自的开关操作)连接到共同的正极。系绳电压Vteth可以在最大电压+Vmax，并且电流源312可以以完全的系绳利用率沿着系绳320往上传送电力到电流源336(经由变压器332和转换器334)。在以时间T1开始的时间间隔350期间，飞行器330中的电流源336由接收到的电流充电，其可能接近最大容量。
在时间T2，转换器314可以反转电流源312的极性，这会引起Istation从正切换到负。然后系绳电压Vteth可以开始通过充电/放电系绳电容326从+Vmax斜坡变化至-Vmax。在时间T3，系绳电压Vteth到达-Vmax，并且机载的电流源336可以(通过转换器334的操作)反转极性。在从时间T2到时间T3的间隔352期间，电流源312、电流源336的极性可以彼此相反，并引起系绳电压Vteth从+Vmax回转到-Vmax。
在时间T3，转换器334可以反转电流源336的极性，这会引起Iair从正切换到负，并且两个电流源312、336再次连接到共同的极性。在从时间T3到时间T4的时间间隔354期间，系绳电压Vteth可以在最小电压-Vmax，并且电流源312可以以完全的系绳利用率沿系绳320向上(经由变压器332和转换器334)传送电力到电流源336。
在时间T4，转换器314可以再次反转电流源312的极性，这会引起Istation从负切换为正。系绳电压Vteth然后可以通过对系绳电容326充电/放电在时间T2到时间T3的时间间隔356期间开始从-Vmax斜坡变化至+Vmax。在时间T5，系绳电压Vteth达到+Vmax，并且机载的电流源336可以(通过转换器334的操作)反转极性，这完成周期为T0(频率为T0 -1)结果为梯形波状的AC周期。
为了从系绳320向下将电力发送回，电流源逆变器中的电流切换的顺序(即，转换器314、转换器334)被驱动以从空中DC总线338汲取电力以向地面站310供电。特别是，可以操作转换器334依照所期望的频率周期性地反转电流源336的极性。然后可以操作转换器314以响应于达到相应的最大和最小电压的系绳电压Vteth切换提供到站电流源312的电流的极性(例如，类似于上述的转换器334的操作)。结果是在系绳320上的梯形电压波形，当电压是在相应的最大值和最小值时以系绳的充分利用率由系绳320向下传送电力，并且地面站电流波形(在节点A)滞后于飞行器电流波形(在节点B)。
B.包括系绳电容的谐振网络
图4A是根据示例性实施例的经由谐振网络440使用AC信号将飞行器430连接到地面站410的系统400的简化框图。系统400包括地面站410、系绳420和飞行器430。
系统400，其中的组件和它的操作，可以类似于如上结合图1-图3描述的系统或它们的组合。例如，飞行器430包括变压器434、转换器436和空中DC总线438，其中每一个可以分别与如上结合图3A和图3B描述的变压器332、转换器334和空中DC总线336相同(或相似)。此外，虽然在图4A中未示出，但是空中DC总线438可以用于为飞行器430中的AWT和其他系统电子器件两者提供电力，并且还可以由AWT(或多个)中生成的电力充电。系绳420可以包括彼此绝缘的两个导电路径，并且在两个导电路径之间具有类似于如上结合图3A和图3B描述的系绳320的系绳电容422，其中系绳电容326在两个导电路径322、324之间呈现。同样，地面站410包括DC电压源412、转换器414和变压器416，其可以分别与如上结合图3A和图3B描述的转换器314和变压器316相同(或相似)。
然而，与图3A和图3B中的系统300不同，图4A中的系统400包括使得通过系绳420传送的AC电信号经历谐振振荡的谐振网络440。特别地，一个或多个电感器被连接到系绳，使得谐振网络440具有由系绳电容422和电感器(或多个)所定义的谐振频率。如图4A所示，一个电感器418可以连接到系绳420的在系绳420和地面站410中的变压器416之间的导电路径。此外，另一电感器432可以连接到系绳432的在系绳420和在飞行器430的变压器434之间的导电路径。
电感器(或多个)418、432和系绳电容422使得通过系绳传送的电信号振荡，由于存储在电感器418、电感器432中的能量的振荡传送到电容器422。例如，谐振网络440可以具有类似于LC谐振回路的谐振频率fres，例如fres≈(LC)-1/2，尽管其他实施例也是可能的，其中谐振频率至少部分地基于系绳电容422和电感器(或多个)418、432的电感的组合定义。此外，谐振网络440的谐振频率可以通过选择电感器(或多个)418、432的值进行调谐。
图4B是根据示例性实施例的使用AC信号经由另一谐振网络441连接飞行器430到地面站410的系统401的简化框图。在谐振网络441中，系绳电容422由与系绳电容422并行连接的附加电容器419、电容器431补充。例如，如图4B所示，在地面站410中，电容器419可以连接在系绳420的两个导电路径之间。并且在飞行器430中，电容器431可以连接在系绳420的导电路径之间。附加的电容器419、431还可以用于调谐谐振网络441的谐振频率。此外，附加的电容器419、431可以降低在系绳电容中的变化和/或不确定性的影响(例如，诸如如果附加的电容器419、431具有比系绳电容422更大的组合电容)。
由于谐振网络440(或谐振网络441)，一旦从转换器414、转换器436中的一个以谐振频率附近的频率提供AC波形，则系绳电压Vteth以正弦方式振荡。作为系绳电压Vteth的正弦波形的结果，系统400、系统401可以每个由电压源412，而不是系统300中的电流源驱动。在实践中，谐振网络440(或谐振网络441)上的谐振正弦振荡使得系绳电压Vteth循环地通过零伏(例如，当谐振网络440、谐振网络441中的能量转移到电感器418、电感器432时)。相应的变换器414、变换器436然后可以当电压过零时被驱动以操作各自的开关并从而显著减轻开关损耗。
在一些情况下，谐振网络440、谐振网络441的电抗可能引起地面站410的电压的波形(例如，在转换器414和变压器416之间)超前系绳电压Vteth。同样地，飞行器430上(例如，在变压器434和转换器436之间)的电压波形可能会滞后系绳电压Vteth。在地面站410和飞行器430的波形之间的相应滞后/超前偏移可能由各自的转换器414、转换器436所导致，以减轻开关损耗。
为了从空中DC总线438沿系绳420向下发回电力以向地面站410提供电力，可以调节地面站和飞行器的正弦波的相位和振幅。在实践中，可以依照对应于传输网络440(或传输网络441)的谐振频率的频率操作飞行器430中的转换器436以周期性地反转空中DC总线438的极性。然后可以响应于系绳电压Vteth通过零点来操作转换器414以切换供给到站电压源412的电压的极性(例如，类似于上述的转换器436的操作)。在实践中，在电力传输方向上的开关可以作为转换器414、转换器436中的一个或两者中的相移和/或幅移来实施。
IV.示例操作
图5A是用于向系留飞行器供电的示例过程500的流程图。在一些实施例中，系留飞行器可以包括安装在其上交替地从风力生成电力以及生成推力的AWT。飞行器还可以经由系绳耦合到地面站。例如，飞行器可以类似于如上结合图1-图4描述的任何飞行器。在生成推力期间，AWT可以汲取电力以引起螺旋桨旋转，这然后对飞行器提供推力。为了向螺旋桨以及或许飞行器上的其他电力消耗系统(例如，传感器、控制器、通信、导航、航空电子器件等)供电，地面站可以通过系绳向飞行器传送电力，这可以由过程500来执行。
在框502，地面站的电力可以被转换为高频AC电信号。例如，地面站可以通过与电力分配和传输网络(例如，电网)的连接接收电力。地面站可以经由例如携带多相AC电信号的线从电网接收电力。例如，可以由在约50赫兹或约60赫兹振荡以及在在电网中利用的用于传输和/或分配的电压电平(例如，240伏的AC，5千伏的AC等)的AC电信号接收电力。转换器可以通过整流/转换输入电信号到DC电压操作，然后使用AC/DC转换器(例如，逆变器)以产生所期望的频率(例如，约5千赫兹)的AC电压。转换器可以相对于AC输出端子反复反转DC电压的极性，以便在AC输出端子上提供以所希望的频率振荡的AC波形。
在框504中，来自转换器的AC电压可以转换为高压传输电平。例如，与在上述在图3和图4中描述的包括在地面站中的变压器类似的变压器可以接收来自转换器的高频AC，并且基于变压器的匝数比缩放AC到更高电压电平。来自变压器的输出是适于通过系绳传送的高压、高频的AC电信号。在一些示例中，变压器的输出可以是具有大约5千赫兹的频率和大约4千伏的AC电压的AC波形。在另一示例中，频率可超过约2千赫兹并且AC电压可能超过约2千伏。
在框506中，高压、高频的AC可以通过系绳传送到飞行器。系绳可以与上述结合图1-图4描述的耦合地面站和飞行器的任何系绳类似。系绳可包括第一导电路径和第二导电路径(例如，通过围绕应变轴承芯的多个绝缘导线)。从变压器输出的AC波形可以被施加到跨越将AC电信号传送到飞行器的多个导电路径。系绳和导电路径的电阻可以被配置为携带高压、高频的AC电信号。
此外，可以布置两个导电路径为使得，在高频处，在两个导电路径之间系绳呈现内部电容。在某些情况下，沿着系绳的两个电线的横截面和/或两个导电路径的几何形状可以被布置为实现特定的电承载需求或其他性能标准。在一些示例中，可以基于最小化系绳电阻(例如，通过增加导电路径的横截面积)和最小化系绳重量(例如，通过减小横截面积)之间的折衷来选择系绳参数。在一些示例中，可以基于最小化系绳电流(例如，通过增加传输电平电压)和最小化系绳绝缘重量的要求(例如通过降低传输电平电压)之间的折衷选择高电压(传输电平电压)。
在框508，高压、高频的AC电压可以由飞行器上的变压器变换为更低的电压。飞行器上的变压器可以被配置为缩放传输电平电压为以适合于由也在飞行器上的转换器处理的电压电平。例如，在飞行器上的变压器可具有被配置为在约4千伏(例如传输电平电压)至约1千伏(例如变换器电平电压)之间变换的匝数比。而且，因为AC电压是高频(例如，大约5千赫兹)，所以包括在飞行器中的变压器的磁性组件可以比相同的电力的更低频率(例如，60赫兹)的小得多。
在框510，从变压器输出的缩放后的高频AC可以被转换为DC，并用于为空中DC总线供电。例如，转换器可以包括被配置为相对于DC端子周期性地反转输入AC端子的极性的多个开关，使得输出DC端子具有DC偏置。在一些示例中，转换器可以利用零电压开关，通过在电压通过零点时或其附近在AC波形中进行切换。零电压开关可以帮助减轻与当在非零电压切换时在开关两端耗散的能量相关的损失。
在框512，供给到空中DC总线的电力可以由在飞行器上的系统使用。例如，可以从空中DC总线汲取电力(例如，通过施加电流到耦合到螺旋桨的一个或多个马达-发电机)来操作螺旋桨。在另一示例中，可以从空中DC总线汲取电力以为其他耗电系统电子元件供电，诸如控制器、导航、通信、传感器、航空电子器件仪器等。在一些示例中，在系留飞行器中的其他电子器件由比在系绳上传送的电压或期望驱动螺旋桨的电压更低的电压供电。这样，空中DC总线上的电压可以被转换为适当的电压以驱动电子系统。在一些示例中，另外，驱动系统电子器件的电力可以通过系绳经由单独的导电路径传送并已经是适当的DC电压以驱动系统电路。更进一步地，在一些示例中，驱动其他系统电子器件的电力可以在与驱动螺旋桨的电力分开的导体上传送，并且处于更高的DC电压(例如，最小化在单独的导体上传送的电流)。
图5B是用于分配由机载风力涡轮机上的系留飞行器生成的电力的示例过程520的流程图。在一些实施例中，系留飞行器可包括安装在其上交替地从风力生成电力和生成推力的AWT。飞行器还可以经由系绳耦合到地面站，类似于上述结合图1-图4描述的任何系统。在生成电力期间，AWT可以从螺旋桨的风致运动生成电力，其动能然后可由马达-发电机转换为电能，并且所生成的电能然后可以通过系绳被传送并经由地面站分配到配电网。
在框522中，可以使用飞行器上的风力涡轮机(或多个)生成电力。例如，飞行器可以侧风飞行操作并且飞行器和周围大气(例如，部分由于风)的相对运动可能会引起在转子/螺旋桨上的翼型件向耦合到轴的马达-发电机施加扭矩。在马达-发电机中，轴然后可以相对于彼此转动磁铁和/或绕组以诱发在马达-发电机的输出端的交流电压。
在框524，使用风力涡轮机(或多个)生成的电力可以用于供给空中DC总线。例如，风力发电机的输出可以是可以施加到空中DC总线的DC电压(或者可以被整流/变换为DC)。然后空中DC总线可以用于为飞行器上的各种系统电子器件提供电力。来自空中DC总线的电力也可以以高压、高频的AC电压通过系绳传送电力发回给地面站。
在框526，来自空中DC总线的电力可以被转换为高频AC电信号。转换器可以包括相对于AC输出端子反复反转DC电压(来自空中DC总线)的极性的多个开关，以便在AC输出端子上提供以所希望的频率振荡的AC波形。例如，所得的AC的电信号可具有约5千赫兹的频率。
在框528，从转换器输出的高频AC可以被转换为传输电平的电压。例如，变压器可以以约4千伏的电压输出AC电信号。类似于如上结合处理500中的块504和块506所讨论的折衷，可基于各种折衷来选择传输电平电压(以及相应的变压器的匝数比)，以对于其他因素降低通过系绳传送的电流。
在块530，高压、高频的AC电压可通过系绳传送到地面站。系绳可以类似于上述结合图1-图4描述的耦合地面站和飞行器的任何系绳。系绳可包括第一导电路径和第二导电路径(例如，由围绕应变轴承芯的多个绝缘导线)。从变压器输出的AC波形可以跨越多个导电路径施加，其将AC电信号传送给地面站。
在块532，通过系绳传送的高压、高频AC电压可以被转换以连接到配电网络(例如，电网)。块532可以包括将AC电压变换到更低的电压电平，然后转换为DC，再转换为适合于在电网上(例如，与电网同步的60赫兹多相波形)分配的另一AC形式。在块532的转换可以使用逆变器、变压器等必要的组合来实施。
在框534，可以将转换后的电信号提供给电网，由此分配由飞行器上的AWT生成的电力给接入电网中的电力消费者。
图6描绘了根据示例性实施例配置的计算机可读介质。在示例性实施例中，示例性系统可以包括一个或多个处理器、一种或多种形式的存储器，一个或多个输入设备/接口、一个或多个输出设备/接口、以及当由一个或多个处理器执行时引起系统执行如上所述的各种功能、任务、功能等的机器可读指令。
如上所述，在一些实施例中，所公开的技术，可以通过以机器可读的格式在非临时性计算机可读存储介质上，或在其他非临时性介质或制造的物品上编码的计算机程序指令来实施。图6是示出了示例计算机程序产品600的概念性局部视图的示意图，其包括用于执行计算设备上的计算机过程的计算机程序，其根据本文中所呈现的至少一些实施例布置，包括结合图5A和图5B示出和描述的过程。
在一个实施例中，使用信号承载介质602提供示例计算机程序产品600。信号承载介质602可包括一个或多个编程指令604，当由一个或多个处理器执行时可以提供如上对于图1-图5描述的功能或部分的功能。在一些示例中，信号承载介质602可以包括非临时性计算机可读介质606，诸如，但不限于，硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)、数字磁带、存储器等。在一些实施中，信号承载介质602可以是计算机可记录介质608，诸如，但不限于，存储器，读/写(R/W)CD、R/W DVD等。在一些实施中，信号承载介质602可以是通信介质610，诸如，但不限于，数字和/或模拟通信介质(例如，光纤电缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。因此，例如，信号承载介质602可以由通信介质610的无线形式输送。
一个或多个编程的指令604可以是，例如，计算机可执行和/或逻辑实施的指令。在一些示例中，计算装置被配置成响应于由一个或多个计算机可读介质606、计算机可记录介质608、和/或通信介质610输送到计算设备的编程指令604，提供各种操作、功能或动作。
非临时性计算机可读介质606也可以在彼此间隔较远的多个数据存储元件之间分布。执行部分或全部所存储的指令的计算设备可以是微细控制器或其他计算平台。可替代地，执行部分或全部所存储的指令的计算设备可以是位置较远的计算机系统，诸如服务器。
虽然本文已经公开了多个方面和实施例，但是对于那些熟练的技术人员，其他方面和实施例将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是为了说明的目的，而不是意在限制，真正的范围由以下权利要求指示。
在图中所示的特定布置不应被看作是限制性的。应当理解的是，其他实施例可以包括更多或更少的在给定的图中所显示的的每个元件。此外，一些示出的元件可被组合或省略。更进一步，示例性实施例可以包括未在图中示出的元件。
另外，虽然已在此公开多个方面和实施例，对于那些熟练的技术人员，其他方面和实施例将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是为了说明的目的，而不是意在限制，真正的范围和精神由以下权利要求指出。可以利用其他实施例，并且可以做出其他变化，而不脱离本文中所呈现的主题的精神或范围。将容易理解，如本文中一般描述的，并在图中所示出本公开的方面中可以在各种不同的配置中被安排、取代、组合、分离和设计，所有这些涵盖于本文中。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
飞行器，包括：螺旋桨、机械耦合到所述螺旋桨的马达-发电机、电耦合到所述马达-发电机的DC总线、变压器、以及电耦合到所述变压器的转换器，其中，所述马达-发电机被配置为交替地：(i)使用来自DC总线的能量移动螺旋桨，从而生成飞行器上的推力，以及(ii)从所述螺旋桨的运动生成电能，并且使用所产生的电能供给DC总线；
耦合到所述飞行器的系绳，其中，所述系绳包括第一导电路径和第二导电路径，被配置为通过所述第一导电路径传导相对于所述第二导电路径上的电压而周期性变化的电压以传送AC电压；以及
经由系绳耦合到所述飞行器的地面站，其中，地面站和飞行器的DC总线被配置为经由系绳在彼此之间传送电力，
其中，所述系绳具有第一导电路径和第二导电路径之间的内部系绳电容，
其中，所述变压器被配置为在通过所述系绳传送的AC电压和降低的AC电压之间进行变化，以及
其中，所述转换器被配置为在降低的AC电压和供给DC总线的DC电压之间进行转换。
2.如权利要求1所述的系统，还包括耦合到第一导电路径和第二导电路径中的至少一个的至少一个电感器，并且其中所述至少一个电感器和系绳电容组合引起通过系绳传送的AC电压以谐振频率谐振电振荡，其中，谐振频率至少部分地基于所述系绳电容和所述至少一个电感器。
3.如权利要求2所述的系统，
其中，所述通过系绳传送的AC电压以基于谐振频率的频率周期性地通过零点，以及
其中，所述转换器被配置为使用零电压开关以在降低的AC电压和DC电压之间进行转换。
4.如权利要求2所述的系统，还包括耦合在第一导电路径和第二导电路径之间与系绳电容并行的至少一个电容器，使得谐振频率基于所述系绳电容、所述至少一个电感器、以及所述至少一个电容器。
5.如权利要求2所述的系统，其中，谐振频率高于约2千赫兹。
6.如权利要求1所述的系统，还包括连接到所述转换器的电流源，以及
其中，由于第一导电路径和第二导电路径的所述系绳电容在反转电流源的极性时经由转换器充电，使得跨第一导电路径和第二导电路径的在系绳电容上充电的电压响应于给定的极性反转在正值和负值之间变化。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述转换器被配置为以超过大约2千赫兹的频率提供降低的AC电压，以及
其中，所述变压器被配置为以超过约2千伏的电压提供通过系绳传送的AC电压。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述飞行器还包括耦合在所述DC总线与马达-发电机之间的马达驱动，其中，所述马达驱动被配置为：(i)从所述DC总线汲取马达-发电机用来移动螺旋桨的能量，并从而生成推力，以及(ii)将经由马达-发电机从所述螺旋桨的运动生成的电能供给DC总线。
9.如权利要求1所述的系统，其中，地面站被配置为，(i)从配电网接收电力；(ii)将接收到的电力转换为高频AC电压；(iii)变换高频AC电压为高电压传输电平；及(iv)通过系绳传送变换后的高频AC电压到飞行器。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述地面站被配置为：(i)从飞行器接收通过系绳传送的高频AC电压；(ii)变换高频AC电压到更低的电压电平；(iii)转换变换后的高频AC电压为被配置为在配电网分配的电压；(iv)使用转换后的电压为配电网提供电力。
11.一种方法，包括：
转换电力为高频AC电压；
变换高频AC电压到高压传输电平；
通过系绳传送变换后的高频AC电压到飞行器；
经由布置在飞行器上的变压器，将高频AC电压从高压传输电平变换到更低的电压电平；
转换由变压器变换为更低的电压电平的变换后的高频AC电压为DC电压；以及
从转换后的DC电压汲取电力以驱动飞行器。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述系绳包括第一导电路径和第二导电路径，被配置为通过第一导电路径传导相对于第二导电路径的高频AC电压来传送高频AC电压，并且，其中，所述系绳具有第一导电路径和第二导电路径之间的内部系绳电容。
13.如权利要求12所述的方法，其中，通过系绳传送的高频AC电压以谐振频率振荡，其中，所述谐振频率基于系绳电容以及连接在所述变压器和系绳之间的至少一个电感器。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述将变换后的高频AC电压转换为DC电压由飞行器上的转换器执行，其中所述转换器包括被配置为反转AC引线上的极性的多个开关，在AC引线上相对于DC引线输入高频AC电压，在DC引线上提供DC电压，所述方法还包括：
当AC引线两端的电压处于或接近零时，操作所述多个开关以相对于所述DC引线反转AC引线的极性。
15.如权利要求11所述的方法，其中，从所述转换后的DC电压汲取电力包括以下至少一项：(i)向马达-发电机提供电力，以引起马达-发电机驱动飞行器上的螺旋桨，并从而生成在飞行器上的推力，或者(ii)为包括在飞行器上的控制系统提供电力。
16.一种方法，包括：
由耦合到位于飞行器上的风力涡轮机的发电机生成电力；
转换所生成的电力为高频AC电压；
使用在飞行器上的变压器，变换高频AC电压为高压传输电平；以及
通过系绳将变换后的高频AC电压传送到地面站。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述系绳包括第一导电路径和的第二导电路径，被配置为通过第一导电路径传导相对于第二导电路径的高频AC电压来传送高频AC电压，并且其中，所述系绳具有第一导电路径和第二导电路径之间的内部系绳电容。
18.如权利要求17所述的方法，其中，通过系绳传送的高频AC电压以系绳的谐振频率振荡，其中，所述谐振频率基于系绳电容以及连接在所述变压器和系绳之间的至少一个电感器。
19.如权利要求16所述的方法，还包括：
其中，所述将所生成的电力转换为高频AC电压由飞行器上的转换器执行，并且其中所述转换器包括被配置为反转AC引线上的极性的多个开关，在AC引线上相对于DC引线输出高频AC电压，在DC引线上提供与所生成的电力相关联的DC电压，所述方法还包括：
当AC引线两端的电压处于或接近零时，操作所述多个开关以相对于所述DC引线反转AC引线的极性。
20.如权利要求16所述的方法，还包括：
经由布置在地面站的变压器，将高频AC电压从高压传输电平变换到更低的电压电平；
转换由变压器变换的变换后的高频AC电压为被配置为在配电网分配的电压；以及
使用转换后的电压提供电力到配电网。
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