一种基于超导储能的新型船舶供电系统

本实用新型涉及船舶供电系统，特别是超导储能应用于船舶供电系统的应急供电系统。

背景技术：

船舶应急电源作为紧急情况下维持船用负荷安全、稳定运行的重要保障，在整个船舶供电系统中有着极为重要的作用。当主发电机出现故障时，应急电源应能通过应急配电板或充放电板对负载供电，保证重要负荷运行。随着船用设备的日趋复杂化，传统应急电源已无法满足紧急情况下负载的用电需求，尤其是在负载要求不间断运行时，无缝切换就显得十分重要。

超导磁储能装置(superconductingmagneticenergystorage，简写smes)的稳定控制作用能使船舶供电系统的稳定储备和相应的容许输送容量提高，抑制次同步谐振ssr(subsynchronousresonance)、次同步振荡sso(subsynchronousoscillation)。同时，中小型smes还具有灵活调节有功和无功功率、改善功率因数、稳定电网周波、控制电压波动、保证重要船舶设备不间断供电等多种功能，从而将大大提高船舶供电系统的供电品质。若在现代电力系统中引入基于中小型(储能10-1000mj)smes的快速响应容量的概念。在船舶供电系统合适位置布局，smes并通过现代电力电子型变流器与系统接口，组成既能储存电能(整流方式)又能取出电能(逆变方式)的快速响应器件。正常运行时改善系统供电品质，事故扰动时保证系统稳定，就能很好地解决船舶供电系统的这个弊端。

技术实现要素：

本实用新型将超导磁储能装置与现代电力电子型变流器与系统接口应用于船舶供电系统，具体技术方案如下：

一种基于超导储能的新型船舶供电系统，它的组成包括：船舶发电机组1，供电母线2，负载3，双向dc_ac装置4，高温超导储能装置5，船舶发电机组1分别与供电母线2和双向dc_ac装置4连接，供电母线2与负载3连接，双向dc_ac装置4另外两端分别与高温超导储能装置5和供电母线2连接。

所述的高温超导储能装置5的组成：超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控制器。

所述的双向dc_ac装置4的组成：emc滤波器，隔离变压器，lcl滤波器和双向dc_ac。

所述的超导线圈的形状采用环形，绕制超导磁体线圈的材料是金属化合物nb3sn。

所述的冷却系统组成：不锈钢制冷器、低温液体的分配系统、一对自动的氦液化器。

所述的变流器采用电压型变流器电路的结构。

本实用新型的技术效果：

1)超导磁储能装置以具有低损耗性、巨大储能容量和快速响应能力的超导电感磁体为储能器件，并通过灵活迅速的现代电力电子型变流器与电力系统接口。

2)它不仅能自由地进行无功功率的调节，更重要的是，能同时独立地四象限地进行有功功率和无功功率的调控，因而可以胜任改善供电质量、提高系统容量和稳定性等诸多控制任务。

3)双向dc/ac装置：在主电源跌落的两个周波内启动双向dc/ac，从而保证了负载的连续运行；由于双向dc/ac处于并网状态，通过对超导磁储能装置的充放电管理能有效延长其使用寿命；主电源因故过载时，通过恒功率放电减少主发电机过载时间。

附图说明

图1是基于超导储能的新型船舶供电系统组成图。

图2是超导磁储能装置组成框图。

图3是双向dc/ac装置拓扑结构图。

图4是电压型变流器拓扑结构图。

图中：1为发电机组，2为供电母线，3为负载，4为双向dc_ac装置，5为高温超导储能装置。

具体实施方式

1.下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。

一种基于超导储能的新型船舶供电系统，它的组成包括：船舶发电机组1，供电母线2，负载3，双向dc_ac装置4，高温超导储能装置5，船舶发电机组1分别与供电母线2和双向dc_ac装置4连接，供电母线2与负载3连接，双向dc_ac装置4另外两端分别与高温超导储能装置5和供电母线2连接。如图1所示。

所述的高温超导储能装置5的组成：超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控制器。如图2所示。

所述的双向dc_ac装置4的组成：emc滤波器，隔离变压器，lcl滤波器和双向dc_ac。如图3所示。

所述的超导线圈的形状采用环形，绕制超导磁体线圈的材料是金属化合物nb3sn。

所述的冷却系统组成：不锈钢制冷器、低温液体的分配系统、一对自动的氦液化器。

所述的变流器采用电压型变流器电路的结构。如图4所示。

2.船舶发电机组

船舶发电机组一般包括常用船舶柴油发电机组、应急船舶柴油发电机。

广泛应用于船舶电源。按功能分：普通型发电机组、自动化型发电机组、监控型发电机组、自动切换型发电机组、自动并车型发电机组。

船舶发电机组广泛应用于，可以作为主用电源，亦可作为备用电源。道康船舶双启动机组广泛应用于特殊用途船舶，采用蓄电池、压缩空气双能源启动方式，确保任何情形下，启动成功的可靠。它是四冲程。有水冷，风冷之分。

船舶发电机组可分为yz系列、226b系列、615系列、160系列、170系列、m26系列和cw200系列等，机组。各系列机组可广泛应用于各类船舶作为主电源和备用应急电源。

贯彻iso9001质量管理体系，船舶发电机组能够提供中国船级社ccs、中国渔检局zy、法国船级社bv、俄罗斯船级社rrr等船检证书。

3.供电母线

在船舶电力系统中，供电母线将配电装置中的各个载流分支回路连接在一起，起着汇集、分配和传送电能的作用。母线按外型和结构，大致分为以下三类：

硬母线：包括矩形母线、圆形母线、管形母线等。

软母线：包括铝绞线、铜绞线、钢芯铝绞线、扩径空心导线等。

封闭母线：包括共箱母线、分相母线等。

母线采用铜排或者铝排，其电流密度大，电阻小，集肤效应小，无须降容使用。电压降小也就意味着能量损耗小，节约造船的投资。而对于电缆来讲，由于电缆芯是多股细铜线，其根面积较同电流等级的母线要大。并且其“集肤效应”严重，减少了电流额定值，增加了电压降，容易发热。线路的能量损失大，容易老化。

母线由许多段组成，每一段长度既短且轻。因此，安装时只需要少数几人就能迅速完成。母线有许多标准的零件及库存，可以快速出货，节约现场工作时间。其紧密的“三明治”结构能够减少电气空间，适应船舶空间狭小的特点。对于安装电缆来讲，则是一项困难的工作。因为，单根电缆往往很重，安装工作需要很多人的协作，花较多时间才能完成。另外，受制于电缆的弯曲半径，需要更多的安装空间。

4.超导储能装置的结构

按照功能模块划分，一般smes的基本结构如图2所示。它主要由超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控制器等组成。下面分别简要介绍其组成。

4.1超导线圈

超导线圈的形状通常是环形和螺管形。小型及数十mwh的中型smes比较适合采用漏磁场小的环形线圈。螺管形线圈漏磁场较大，但其结构简单，适用于大型smes及需要现场绕制的smes。

目前，绕制超导磁体线圈的材料主要是nbti和金属化合物nb3sn。nbti的机械加工性能好，而nb3sn的临界电流、临界磁场、临界温度都优于nbti，只是机械加工较难。这两种导体均为低温超导线材，需在液氦(4k)温区工作。

虽然目前低温超导线材已基本达到了可以在小型smes上使用的水平，但必须在液氦温区下才能维持超导状态。这使超导的经济优越性受到了限制。

4.2失超保护

对于超导磁体，失超时可能出现以下3种情况：过热；高压放电；应力过载。后两种状况发生时，在一定范围内是可以自动修复的；而对于过热，其后果常常是致命性的(对磁体而言)。因此，更多的磁体保护是针对过热。防止过热，也就是要在失超时将超导磁体中的电流转移至外部消化，防止焦耳热释放在超导线上。根据不同的磁体结构，可有分段电阻保护、并联电阻保护、谐振电路保护和变压器保护等方法。各种方法有各自的优缺点。

实现超导线圈失超保护，必须要有高速、准确的失超检测器，同时还应具备除去交直流变换器等器件上产生的电磁干扰的技术。

直流断路器的作用是当失超保护动作时把超导线圈和交直流变换器分开，将线圈电流转移到保护电阻上，同时防止保护电阻产生的电压加到变换器上去。由于通电电流很大，因此需考虑采用多触点形式，同时还必须在反向电流回路中叠加的高频电流中形成零点。

此外，和通常的暂态超导磁体不同，保护电阻不能总是并联在smes系统中。因此，必须开发能保证保护电阻高速准确地投入使用的开关。为防止投入时的过电压，应当尽量减少保护电阻的电感。

4.3冷却系统

低温冷却装置由不锈钢制冷器、低温液体的分配系统、一对自动的氦液化器等3部分组成。分配系统的主要组成是：制冷器顶部的电气连接；控制氦流的低温阀箱；制冷器之间、阀箱和液化器之间的低温管；真空装置；压力过高时的安全阀；备用氦罐和冷却箱(热交换器、焦耳-汤姆逊阀和涡轮膨胀器)。这种装置通常每年只能使用6000h。必须提高到每年使用8000h，以满足电力运行的技术要求。

超导线圈的冷却方式有两种：一种是将线圈浸泡在液氦之中的浸泡冷却方式，另一种是在导体内部强制通过超临界氦流的强制冷却方式。浸泡冷却下超导稳定性好，但交流损耗大，而且耐压水平低；强制冷却的机械强度、耐压、交流损耗等方面都具有优点，但提高超导热稳定性则是其应解决的问题。

4.4变流器

由于超导磁体是直流电感器件，而三相电网提供的是三相交流电，所以超导磁体和电网之间必须有一个变流装置将二者联系起来。这个装置，称为功率调节系统pcs(powerconditioningsystem)。pcs根据不同控制而设计的目标策略，就能控制超导磁体与电网的功率交换。

本实用新型采用电压源型变流器vsc(voltagesourceconverter)如图4所示。

电压型变流器电路的结构比电流型变流器复杂，线圈的充放电需考虑电压型ac/dc变流和从支撑电容到超导电感线圈的斩波2个部分协同控制。从目前变流器应用来看，电压型比电流型更为成熟，smes大多采用电压型变流器与电网相连。

4.5控制系统

smes系统最大的优越性在于其不仅能快速地与系统进行无功交换，而且可快速地与系统进行有功交换。更重要的是，有功和无功的交换可四象限独立进行。因此，在控制器设计和控制策略的选择过程中，最关键的是smes系统的控制策略是否能使smes装置与电网良好地匹配，并根据不同的控制目标使smes装置能最大地改善电力系统的性能。可见，控制器和控制策略的好坏是smes系统性能好坏的关键。

根据控制器设计过程对系统信息提取和综合过程的不同，smes的控制策略可分为以下两类：

(1)基于系统内部和外部特征的控制方式，例如经典pid、变参数pid、局部线性化、反馈线性化、变结构控制和自适应非线性控制；

(2)综合控制方式，包括模糊控制、人工神经网络控制、遗传算法和专家控制系统。

5.双向dc/ac装置

为保证dc/ac有较好的输出波形，采用如图3所示的硬件拓扑结构。图中，lcl滤波器用于减少dc/ac对外放电时的交流纹波；而前端emc滤波器则用来减少充电时交流输入的纹波；隔离变压器除对电气设备进行有效隔离外，其变比值也直接影响电池侧最小输入电压。

双向变流器具有“同期并网”“恒功率充放电”“恒压、恒流充电”“主/被动离网”等工作方式。

当其作为船舶供电系统中的应急电源时，工作方式叙述如下：

当启动主发电机供电时，由主发电机提供维持电网的电压及频率(v/f)，此时启动双向变流器并进行

“同期并网”；由能量管理系统(ems)及电池管理系统(bms)通过变流器对电池进行“充放电”操作(当电池充满时停止浮充)；当主电源出现故障而突然停机时，双向变流器检测到电压跌落，此时主动切断并网接触器，同时建立电网电压及频率，通过应急配电板对重要负载供电(由于负载接在接触器前端，保证了负载供电的连续性)；当主电源恢复时，由ems管控，使其“同期并网”并进行负载转移。