CN112636422A - 一种海底分布式中继充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底分布式中继充电系统及方法，该系统包括铺设在水下的网格状结构的主干供电网络，该主干供电网络从岸基远供电源获取电能；在主干供电网络的网格状结构上间隔设置有多个水下充电站，每个水下充电站从主干供电网络上获取电能并采用非接触充电方式给水下移动装备充电；水下移动装备通过主干供电网络上的各水下充电站进行中继接力充电以延长续航时间；由于水下充电站为分布式布局，水下移动装备一旦发生电能不足情况，可定位到就近的水下充电站完成电能补给，无需返航到母港或母船，可实现连续不间断作业，具有极高的隐蔽性。本发明有效解决水下移动装备的能源动力瓶颈问题，极大拓展水下装备的续航能力和部署率。

Description

一种海底分布式中继充电系统及方法
技术领域
本发明属于海底远程供电技术领域，更具体地，涉及一种海底分布式中继充电系统及方法。
背景技术
当前我国正在推动海洋强国发展战略，其中水下移动装备在海洋勘测和开发以及海底侦测与作战中有着不可替代的作用。在巨大现实需求驱动下，各种民用和军事水下移动装备得到了快速发展，例如水下潜艇、水下UUV、水下机器人等。现实需求也对这些水下移动装备提出了越来越多的功能要求，这些新型装备功能多样化，集侦测、巡航、跟踪、作战于一体。水下巡航和水下作业时间要求达到几个月或者几年，对水下可靠性和隐蔽性要求极高。然而这些水下移动装备的现有动力来源主要是动力电池。受限于现有动力电池能量密度瓶颈，水下移动装备的单次充电续航能力十分有限，大大削弱了其作业与作战效能。为了增加水下装备的续航能力和部署时间，常采取回到母港/母船、打捞上岸重新补给电能的方法。这种方式增加了两次任务的时间间隔，大大降低了水下装备的部署率和隐蔽能力。
总的来说，水下移动装备的现有能源供给模式与其能源需求之间的矛盾越来越突出，水下移动装备的现有能源补给方式不能较好满足应用需求。急需要一种可覆盖任务海域的水下电能补给系统，解决水下移动装备的能源动力瓶颈，使水下移动装备可在不回到母港/母船以及打捞回收的前提下，完成水下能量中继接力补给，极大延长执行水下任务的时间，从而有效提升水下移动装备的作业与作战效能。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种海底分布式中继充电系统及方法。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种海底分布式中继充电系统，包括铺设在水下的主干供电网络，所述主干供电网络具有由多条输电线缆构成的网格状结构，该主干供电网络从岸基远供电源获取电能；
在主干供电网络上间隔设置有多个水下充电站，每个所述水下充电站从网格状结构上获取电能，并采用非接触充电方式给水下移动装备充电；所述水下移动装备通过主干供电网络上的各水下充电站进行中继接力充电以延长续航时间。
优选的，上述海底分布式中继充电系统，所述水下充电站设置在主干供电网络的各网格节点上，使每个水下充电站可以通过多条路径从岸基远供电源获取电能。
优选的，上述海底分布式中继充电系统，所述主干供电网络与岸基远供电源之间采用直流供电方式进行电能传输。
优选的，上述海底分布式中继充电系统，所述水下充电站包括非接触充电单元、控制单元和导航通信单元；
所述非接触充电单元用于将从主干供电网络上获取的直流电转换为水下移动装备所需的交流电，并在控制单元发送的充电指令的触发下将所述交流电以非接触方式传递给水下移动装备；
所述导航通信单元用于按照一定的时间周期发出广播信号，引导需要进行电能补给的水下移动装备与非接触充电单元进行对接；
所述控制单元用于接收与非接触充电单元对接完成的水下移动装备发出的充电请求，根据所述充电请求向非接触充电单元发出所述充电指令。
优选的，上述海底分布式中继充电系统，所述非接触充电单元包括高频逆变模块、补偿网络和耦合对接装置；
所述高频逆变模块用于将主干供电网络提供的直流电逆变为水下移动装备所需频率的交流电；
所述补偿网络用于对高频逆变模块输出的所述交流电进行电压补偿与隔离；
所述耦合对接装置用于与水下移动装备上配备的非接触充电接收装置进行耦合对接，并将补偿网络输出的交流电传输到所述非接触充电接收装置。
优选的，上述海底分布式中继充电系统，所述导航通信单元包括水声定位通信模块和光学导引通信模块；
所述水声定位通信模块用于按照一定的时间周期将水下充电站自身的标识和方位广播给周围的水下移动装备，引导水下移动装备靠近距离最近的水下充电站；
当水下移动装备与水下充电站之间的距离小于预设的距离阈值时，所述光学导引通信模块用于发出声光信号，引导水下移动装备与非接触充电单元进行对接。
优选的，上述海底分布式中继充电系统，所述水下充电站还包括电压转换单元；
所述电压转换单元用于将从主干供电网络上获取的直流电转换为与高频逆变模块的输入电压等级相匹配的直流电压，并将电压转换后的直流电压提供给高频逆变模块。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于上述海底分布式中继充电系统的充电方法，该方法包括：
在主干供电网络上间隔设置的每个水下充电站按照一定的时间周期发出广播信号，引导需要进行电能补给的水下移动装备靠近距离自身最近的水下充电站并进行对接；
获取对接完成的水下移动装备发出的充电请求，响应于所述充电请求，将从主干供电网络上获取的电能以非接触方式传递给水下移动装备。
优选的，上述充电方法还包括：
水下移动装备根据自身的剩余电量、任务路径规划出需要补充电能的时间节点以及对应的航行位置；
获取各水下充电站的广播信号，根据所述广播信号确定距所述航行位置最近的水下充电站以及到达所述水下充电站的航行路径；所述广播信号中包括水下充电站自身的标识和方位；
在所述广播信号的引导下沿着所述航行路径靠近水下充电站并进行对接。
优选的，上述充电方法还包括：
当水下移动装备与水下充电站之间的距离小于预设的距离阈值时，水下充电站发出声光信号以引导水下移动装备完成对接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的海底分布式中继充电系统机方法，在任务海域的海底铺设网格状主干输电线缆并从岸基远供电源获取电能；在主干供电网络上间隔设置有大量水下充电站，每个水下充电站从网格状结构上获取电能，并采用非接触充电方式给水下移动装备充电；由于水下充电站为海底分布式布局，水下移动装备一旦发生电能不足报警情况，可定位到就近的水下充电站完成电能补给，无需返航到母港或母船，可实现连续不间断作业，具有极高的隐蔽性。该方案可有效解决水下移动装备的能源动力瓶颈问题，极大拓展水下装备的续航能力和部署率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的海底分布式中继充电系统的组成结构示意图；
图2是本发明实施例提供的水下充电站的组成结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基于上述海底分布式中继充电系统的中继接力充电方法的流程图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-岸基远供电源；2-主干供电网络；3-水下充电站；4-水下移动装备。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本实施例提供的一种海底分布式中继充电系统的组成结构示意图，如图1所示，该系统包括铺设在海底的主干供电网络2，主干供电网络2具有由多条输电线缆构成的网格状结构，该主干供电网络2从岸基远供电源1获取电能；
在主干供电网络2的网格状结构上间隔设置有多个水下充电站3，每个水下充电站3从主干供电网络2上获取电能，并采用非接触充电方式给水下移动装备4充电；水下移动装备4通过主干供电网络上的各水下充电站进行中继接力充电以延长续航时间。
本实施例中，主干供电网络2由多条主干输电线缆组成网格状网络，主干输电线缆可采用成熟的海底光缆。在任务海域的海底铺设网格状的主干供电网络，并在主干供电网络上间隔布设多个水下充电站，整个系统由岸基远供电源提供电能，水下充电站从主干输电线路取电。
在实际应用中，根据水下移动装备单次充电航行距离来规划水下充电站间隔。例如：将水下充电站的间隔距离设置为50km，即单个水下充电站与前后左右方向的水下充电站间隔均为50km。水下移动装备在规划任务海域内每航行50km，则经过一个水下充电站。由于大量水下充电站在海底呈分布式布局，水下移动装备一旦发生电能不足报警情况，可定位到就近的水下充电站完成电能补给，无需返航到母港或母船，可实现连续不间断作业，具有极高的隐蔽性。该系统可有效解决水下移动装备的能源动力瓶颈问题，极大拓展水下装备的续航能力和部署率。
水下充电站采用非接触充电方式为水下移动装备供电，具有电气安全隔离，在复杂环境下可靠性高，无需插拔操作，提高部署率、可扩展性和维修性等优势。
在一种优选的实施方式中，每个水下充电站3均设置在主干供电网络2的各网格节点上，使每个水下充电站可以通过多条路径从岸基远供电源获取电能。
本实施例中，由于主干网络为网格状结构，且水下充电站设置在网格节点上(即每个水下充电站同时连接至少两条输电线缆)，则同一水下充电站可通过多条主干供电路径从岸基远程电源获取电能。如果其中一条主干供电路径出现线路供电故障时，则可通过其他主干供电路径迂回获取电能，这种多路径冗余供电方式提高了主干网络的输电可靠性。
本实施例中，主干供电网络2与岸基远供电源1之间优选采用直流供电方式进行电能传输。
整个系统由岸基远供电源提供高压直流电，水下充电站则从输电线缆上获取高压电能，转换成中压电能，然后通过非接触充电方式给水下移动装备提供能量补给。该系统可根据需求覆盖上千公里的整个任务海域，主干输电网络采用直流高压输电方式，具有高效率和远距离传输优势。
作为一个具体的示例，岸基远供电源1的典型输出参数为10kV/2A，主干传输线缆采用海底光缆，线路损耗电阻不高于1欧姆/公里，1千公里的线路损耗功率为Ploss＝2A*2A*1000km*1Ω/km＝4kW，则主干线路的传输效率达到80％。由于采用高压小电流直流输电方式，可有效降低线路传输损耗，主干传输网络可实现千公里级高效率远距离电能传输。
水下充电站3具备水下导航定位功能，可就近导引水下移动装备4至充电位置。请参见图2，作为一个可选的实施方式，水下充电站包括电压转换单元、非接触充电单元、控制单元和导航通信单元；
其中，电压转换单元用于将从主干供电网络上获取的直流电转换为与非接触充电单元的输入电压等级相匹配的直流电压；
作为一个具体示例，岸基远供电源1传输给主干供电网络的是10kV高压直流电，电压转换单元从主干供电网络获取10kV高压直流电后将其变换为中压直流电能，例如变换到375Vdc中压直流电。
非接触充电单元主要用于将从电压转换单元输出的直流电转换为水下移动装备所需的交流电，并在控制单元发送的充电指令的触发下将所述交流电以非接触方式传递给水下移动装备；
具体而言，非接触充电单元是将电压转换单元输出的中压直流电转换成水下移动装备所需的高频交流电，当接收到控制单元发送的充电指令后，非接触充电单元将高频交流电以非接触方式传递给水下移动装备。水下移动装备上配置有非接触充电接收装置，能够将接收到的高频电能整流为直流电给携带储能电池充电。
在一个具体的示例中，非接触充电单元包括高频逆变模块、补偿网络和耦合对接装置；高频逆变模块用于将电压转换单元输出的中压直流电逆变为水下移动装备所需频率的交流电；补偿网络用于对高频逆变模块输出的交流电进行电压补偿与隔离；耦合对接装置用于与水下移动装备上配备的非接触充电接收装置进行耦合对接，并将补偿网络输出的交流电传输到非接触充电接收装置。
导航通信单元主要用于按照一定的时间周期发出广播信号，引导需要进行电能补给的水下移动装备与非接触充电单元进行对接；在一个优选的示例中，导航通信单元包括水声定位通信模块和光学导引通信模块；
其中，水声定位通信模块按照一定的时间周期将水下充电站自身的标识和方位广播给周围的水下移动装备，引导水下移动装备靠近距离最近的水下充电站；当水下移动装备与水下充电站之间的距离小于预设的距离阈值时，光学导引通信模块发出声光信号，引导水下移动装备与非接触充电单元进行对接。
具体而言，水下充电站定期对周边水域进行广播通信。在50km范围内，水下充电站将自身的编号和方位通过中近程的水声定位通信模块告知周围水下移动装备，引导水下移动装备靠近最近的水下充电站。在水下移动装备距离充电站小于100m以内时，水下充电站则切换为近距离的光学导引通信模块工作，发出声光信号，进一步精确引导水下移动装备至水下充电站进行耦合对接装置。
本实施例中，中近程的水声定位通信模块以及近距离的光学导引通信模块配合工作，在不同距离内提供定位导航和通信功能。
控制单元主要用于接收与非接触充电单元对接完成的水下移动装备发出的充电请求，根据充电请求向非接触充电单元发出充电指令。
当水下移动装备与水下充电站完成对接后，控制单元接收水下移动装备发送的充电请求，对充电站的各电能变换单元下达控制指令，非接触充电单元开始给水下移动装备充电。
充电完成后，水下充电站自动停止充电，水下移动装备离开充电站，继续执行任务。通过一个又一个的分布式水下充电站的中继接力补给，水下移动装备具备无限长时间续航能力。
图3是本实施例提供的基于上述海底分布式中继充电系统的中继接力充电方法的流程图，参见图3，该方法主要包括以下步骤：
(1)在主干供电网络上间隔设置的每个水下充电站按照一定的时间周期发出广播信号，引导需要进行电能补给的水下移动装备靠近距离自身最近的水下充电站并进行对接；
(2)水下移动装备根据自身的剩余电量、任务路径规划出需要补充电能的时间节点以及对应的航行位置；
(3)水下移动装备获取各水下充电站的广播信号，根据广播信号确定距航行位置最近的水下充电站以及到达水下充电站的航行路径；广播信号中包括水下充电站自身的编号标识和方位；
(4)在广播信号的引导下沿着航行路径靠近水下充电站并进行对接；
当水下移动装备与水下充电站之间的距离小于预设的距离阈值时，水下充电站发出声光信号以引导水下移动装备完成对接。
(5)水下充电站获取对接完成的水下移动装备发出的充电请求，响应于充电请求，将从主干供电网络上获取的电能以非接触方式传递给水下移动装备。
(6)充电完成后，水下充电站自动停止充电，水下移动装备离开水下充电站，继续执行任务。
通过一个又一个的分布式水下充电站的中继接力补给，使水下移动装备具备无限长时间续航能力，无需返航到母港或母船，可实现连续不间断作业，提高作业的隐蔽性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海底分布式中继充电系统，其特征在于，包括铺设在水下的主干供电网络，所述主干供电网络具有由多条输电线缆构成的网格状结构，该主干供电网络从岸基远供电源获取电能；
在主干供电网络的所述网格状结构上间隔设置有多个水下充电站，每个所述水下充电站从主干供电网络上获取电能，并采用非接触充电方式给水下移动装备充电；所述水下移动装备通过主干供电网络上的各水下充电站进行中继接力充电以延长续航时间。
2.如权利要求1所述的海底分布式中继充电系统，其特征在于，所述水下充电站设置在主干供电网络的各网格节点上，使每个水下充电站可以通过多条传输路径从岸基远供电源获取电能。
3.如权利要求1所述的海底分布式中继充电系统，其特征在于，所述主干供电网络与岸基远供电源之间采用直流供电方式进行电能传输。
4.如权利要求3所述的海底分布式中继充电系统，其特征在于，所述水下充电站包括非接触充电单元、控制单元和导航通信单元；
所述非接触充电单元用于将从主干供电网络上获取的直流电转换为水下移动装备所需的交流电，并在控制单元发送的充电指令的触发下将所述交流电以非接触方式传递给水下移动装备；
所述导航通信单元用于按照一定的时间周期发出广播信号，引导需要进行电能补给的水下移动装备与非接触充电单元进行对接；
所述控制单元用于获取与非接触充电单元对接的水下移动装备发出的充电请求，根据所述充电请求向非接触充电单元发出所述充电指令。
5.如权利要求4所述的海底分布式中继充电系统，其特征在于，所述非接触充电单元包括高频逆变模块、补偿网络和耦合对接装置；
所述高频逆变模块用于将主干供电网络提供的直流电逆变为水下移动装备所需频率的交流电；
所述补偿网络用于对高频逆变模块输出的所述交流电进行电压补偿与隔离；
所述耦合对接装置用于与水下移动装备上配备的非接触充电接收装置进行耦合对接，并将补偿网络输出的交流电以非接触方式传输到所述非接触充电接收装置。
6.如权利要求4所述的海底分布式中继充电系统，其特征在于，所述导航通信单元包括水声定位通信模块和光学导引通信模块；
所述水声定位通信模块用于按照一定的时间周期将水下充电站自身的标识和方位广播给周围的水下移动装备，引导水下移动装备靠近距离最近的水下充电站；
当水下移动装备与水下充电站之间的距离小于预设的距离阈值时，所述光学导引通信模块用于发出声光信号，引导水下移动装备与非接触充电单元进行对接。
7.如权利要求5所述的海底分布式中继充电系统，其特征在于，所述水下充电站还包括电压转换单元；
所述电压转换单元用于将从主干供电网络上获取的直流电转换为与高频逆变模块的输入电压等级相匹配的直流电压，并将电压转换后的直流电压提供给高频逆变模块。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的海底分布式中继充电系统的充电方法，其特征在于，包括：
在主干供电网络上间隔设置的每个水下充电站按照一定的时间周期发出广播信号，引导需要进行电能补给的水下移动装备靠近距离自身最近的水下充电站并进行对接；
获取对接的水下移动装备发出的充电请求，响应于所述充电请求，将从主干供电网络上获取的电能以非接触方式传递给水下移动装备。
9.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，还包括：
水下移动装备根据自身的剩余电量、任务路径规划出需要补充电能的时间节点以及对应的航行位置；
获取各水下充电站的广播信号，根据所述广播信号确定距所述航行位置最近的水下充电站以及到达所述水下充电站的航行路径；所述广播信号中包括水下充电站自身的标识和方位；
在所述广播信号的引导下沿着所述航行路径靠近水下充电站并进行对接。
10.如权利要求9所述的充电方法，其特征在于，还包括：
当水下移动装备与水下充电站之间的距离小于预设的距离阈值时，水下充电站发出声光信号以引导水下移动装备完成对接。
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