CN111585303B - 一种基于超级电容的船舶应急混合电站 - Google Patents

一种基于超级电容的船舶应急混合电站 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超级电容的船舶应急混合电站，属于船舶应急电源技术领域；包括应急柴油发电机组、超级电容组、逆变单元和配电单元；超级电容组通过逆变单元与应急柴油发电机组并车；配电单元连接超级电容组和发电机组。本发明根据船舶应急发电机大小和最大应急负载及EMS控制设定设置一定容量超级电容器，利用超级电容的高功率密度特性，在应急大功率设备启动时，承担大部分突加负载，有效解决应急大负载启动时电网压降；可以将大设备启动方式从变频/自耦变压器等启动改为星三角甚至直接启动，有效降低建造成本；电容组实时在网，通过能量管理系统调节输入输出，平抑负载变化引起的应急电网波动，提高供电质量，保证电网稳定。

Description

一种基于超级电容的船舶应急混合电站
技术领域
本发明涉及一种基于超级电容的船舶应急混合电站，属于船舶应急电源技术领域。
背景技术
船舶应急电站是船舶的重要设备之一。目前船舶上装备的主流的船舶应急电站的配置大多为应急柴油发电机组。部分船舶，特别是大型运输船，存在应急负载设备功率相比应急电站功率过大，单个设备功率甚至超过应急电站功率50％，比如应急舵机和应急消防泵等。目前在应急柴油发电机组实际应用过程中，主要存在以下问题：1)部分应急负载功率过大，导致电网启动压降大，启动困难。2)为了保证应急大功率负载启动，必须采用变频启动等成本较高启动方案；3)应急电网容量较小，柴油发电机组响应较慢，负载波动大容易影响应急电网稳定。
目前超级电容器作为近几十年来发展起来的功率型储能元件，电容单体安全稳定，不存在爆炸或燃烧的危险。具有充放电寿命长、能够快速充放电及功率密度高等一系列优点。充电速度极快，可在极短的时间内在大电流下迅速完成充电作业；功率密度高，可在短时间内发出较大功率。相比传统电容器，有较高能量转换率和功率密度。这些特性使得超级电容在应急电网大功率设备辅助启动和电网稳定性控制方面将起到重要作用。
发明内容
本发明的目的是为解决目前在船舶应急发电机组实际应用过程中存在部分应急负载功率过大，启动困难；负载波动大影响应急电网稳定的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种基于超级电容的船舶应急混合电站，包括应急柴油发电机组、超级电容组、逆变单元和配电单元；所述超级电容组通过逆变单元与应急柴油发电机组并车；所述配电单元连接超级电容组和发电机组。
优选地，所述逆变单元设有DC/AC逆变器，DC/AC逆变器通过供电开关与应急柴油发电机组并车。
优选地，所述混合电站中设有能量管理系统EMS，通过能量管理系统EMS控制所述的逆变器供电开关。
优选地，所述超级电容组按电容组荷电状态设为过充区域，预过充区域，正常工作区域，预过放区域和过放区域；能量管理系统EMS根据荷电状态所处区域控制超级电容组充放电。
优选地，所述超级电容组处于离网状态时，能量管理系统EMS实时监控超级电容组荷电情况，自动给电容组补电。
本发明还提供一种基于超级电容的船舶应急混合电站的运行方法，包括以下步骤：
步骤1：在常规应急电站加入一定容量的超级电容组，将超级电容组经逆变器与应急柴油发电机组并联；
步骤2：在应急柴油发电机组启动时，能量管理系统EMS控制逆变器供电开关合闸，将超级电容组和应急柴油发电机组并车；
步骤3：在应急电网稳定后，应急负载启动，特别是大功率负载启动时，能量管理系统EMS控制超级电容组经逆变器向电网输出能量，分担大部分突加负载；
步骤4：在应急发电机组正常工作时，超级电容组在电网内起到“削峰填谷”作用，通过能量管理系统EMS控制，在负荷突降时充电，在负荷突加时放电，减小峰谷差值，平滑负荷，提高供电质量。
优选地，所述步骤2中供电开关与应急柴油发电机组连锁，超级电容组仅在应急柴油发电机组工作状态接入应急电网。
优选地，所述步骤3中应急大功率负载启动时，超级电容组通过逆变器输出辅助启动,控制电网压降。
优选地，所述步骤3中超级电容组逆变器容量设为满足最大功率应急负载启动。
优选地，所述步骤4中在应急发电机组正常工作时，超级电容组设为实时在网，通过能量管理系统EMS调节电容组输入输出，平抑负载变化引起的电网波动，提高供电质量。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)有效解决了大功率应急负载启动困难的问题。
2)应急发电机组仅根据电力负荷确定，无需考虑大功率设备启动引起的电站功率放大的问题。
3)大功率应急负载可以采用低成本启动方案，有效降低成本。
4)超级电容组在负载波动时能有效稳定电网，提高供电质量。
附图说明
图1为本发明应急混合电站模块组成示意图；
图2为本发明一种基于超级电容的船舶应急混合电站系统单线图；
图3为本发明电容组充放电工作流程图。
附图标记：1.超级电容屏2.应急发电机屏3.AC380V应急负载屏4.AC220V应急负载屏5.超级电容组6.DC/AC逆变器7.应急发电机8.主电网
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-3所示，本发明提供一种基于超级电容的船舶应急混合电站，包括应急柴油发电机组、超级电容组、逆变单元和配电单元；超级电容组通过逆变单元与应急柴油发电机组并车；配电单元连接超级电容组和发电机组。逆变单元设有DC/AC逆变器，DC/AC逆变器通过供电开关与应急柴油发电机组并车。混合电站设有能量管理系统EMS，通过能量管理系统EMS控制电容组逆变器供电开关。超级电容组按电容组荷电状态设为过充区域，预过充区域，正常工作区域，预过放区域和过放区域；能量管理系统EMS根据荷电状态所处区域控制超级电容组充放电。超级电容组处于离网状态时，能量管理系统EMS实时监控超级电容组荷电情况，自动给电容组补电。
一种基于超级电容的船舶应急混合电站的运行方法，包括以下步骤：
步骤1：在常规应急电站加入一定容量的超级电容组，将超级电容组经逆变器与应急柴油发电机组并联；
步骤2：在应急柴油发电机组启动时，能量管理系统控制逆变器供电开关合闸，将超级电容组和应急柴油发电机组并车；
步骤3：在应急电网稳定后，应急负载启动，特别是大功率负载启动时，能量管理系统EMS控制超级电容组经逆变器向电网输出能量，分担大部分突加负载；超级电容组短路容量较大，抗冲击能力远大于柴油发电机组。能量型超级电容一般可以按照15C(C表示充放电时电流大小的比率，即倍率)以上的放电倍率向电网短时间输出。功率型超级电容放电倍率更大，可以超过200C。能有效承载突加负载。
步骤4：在应急发电机组正常工作时，超级电容组在电网内起到“削峰填谷”作用，通过能量管理系统EMS控制，在负荷突降时充电，在负荷突加时放电，减小峰谷差值，平滑负荷，提高供电质量。
上述步骤2中供电开关与应急柴油发电机组连锁，超级电容组仅在应急柴油发电机组工作状态接入应急电网。
上述步骤3中应急大功率负载启动时，超级电容组通过逆变器输出辅助启动,控制电网压降。
上述步骤3中超级电容组逆变器容量设为满足最大功率应急负载启动。
上述步骤4中在应急发电机组正常工作时，超级电容组设置为实时在网，通过能量管理系统EMS调节电容组输入输出，平抑负载变化引起的电网波动，提高供电质量。
本发明针对常规技术方案存在的不足，设计了一种基于超级电容的船舶应急混合电站，将超级电容组与应急柴油发电机组并联工作，利用超级电容的超高功率密度在短时间内提供较大输出功率，并且负载设备启动时间较短(一般在10s以内)，需要超级电容组容量较小。非常适合辅助大功率应急负载启动。并且在应急发电机工作时，利用超级电容快速充放电特性，有效平抑应急电网波动。超级电容相比电池有较长寿命，充放电次数达数十万次，使用寿命可与整船寿命相当。
实施例
作为一个具体的实例，参见图1，混合应急电站配电板分为四屏，分别为超级电容屏1，应急发电机屏2，AC380V应急负载屏3和AC220V应急负载屏4。
系统单线参见图2，将超级电容组5和DC/AC逆变器6均布置在超级电容屏1，逆变器6将超级电容组5直流逆变成交流输出至汇流排。屏内设置一个供电开关，受能量管理系统(EMS)控制。根据船舶应急发电机大小和最大应急负载及EMS控制设定，电容组容量不超过应急发电机组容量的5％即可满足要求。例如，应急发电机组容量为100kW，电容组容量一般不超过5kWh。具体还要根据选取的超级电容种类，最大充放电倍率，最大应急负载启动特性等综合确定。
供电开关与应急发电机7连锁：
应急发电机不运行情况下，供电开关断开，超级电容组不接入电网8。
在应急发电机组启动时，能量管理系统(EMS)控制供电开关合闸，将电容组和发电机组并车。在应急电网稳定后，应急负载启动，特别是大功率负载启动时，超级电容组受EMS控制经逆变器向电网输出能量，分担大部分甚至全部突加负载。应急发电机组承担突加负载较小，整个应急电网电压降容易控制。逆变器容量根据电网容量和最大应急负载功率确定。
在应急发电机组正常工作时，由于电网容量小，负载的波动很容易影响电网稳定。此时超级电容组在电网内起到“削峰填谷”作用，通过EMS控制，电容组在负荷突降时充电，在负荷突加时放电，能有效减小峰谷差值，平滑负荷。
根据超级电容储能特性及以往研究，将荷电状态90％以上设定为过充区域，70％-90％设定为预过充区域，30％-70％设定为正常工作区域，10％-30％设定为预过放区域，10％以下为过放区域。
EMS根据电容荷电状态控制充放电：
过充区域——禁止充电
预过充区域——对负荷波动有限制充电
正常工作区域——根据电网负荷波动正常充放电
预过放区域——对负荷波动有限制放电
过放区域——禁止放电
例如某应急电网最大负载为操舵电机，额定功率为50kW，则电容组逆变器最小设置容量为50/0.8＝62.5kVA。并根据负载具体启动方式留有不同裕量。当应急舵机启动时，EMS控制电容组承担全部/大部分突加负载，完成电机启动。稳定后将负载转移至应急发电机组，电容组转入“削峰填谷”工况。主电源恢复后，电容组充满电并断开供电开关，脱离电网8。电容组脱离电网期间EMS仍实时监控其荷电状态，当低至设定值(如70％)，则控制供电开关合闸，自动给电容组充电。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于超级电容的船舶应急混合电站的运行方法，所述的一种基于超级电容的船舶应急混合电站，包括应急柴油发电机组、超级电容组、逆变单元和配电单元；所述超级电容组通过逆变单元与应急柴油发电机组并车；所述配电单元连接超级电容组和应急柴油发电机组；所述逆变单元设有DC/AC逆变器，DC/AC逆变器通过供电开关与应急柴油发电机组并车；所述混合电站中设有能量管理系统EMS，通过能量管理系统EMS控制所述的供电开关；所述超级电容组按电容组荷电状态设为过充区域，预过充区域，正常工作区域，预过放区域和过放区域；能量管理系统EMS根据荷电状态所处区域控制超级电容组充放电；所述超级电容组处于离网状态时，能量管理系统EMS实时监控超级电容组荷电情况，自动给超级电容组补电，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在常规应急电站加入一定容量的超级电容组，将超级电容组经DC/AC逆变器与应急柴油发电机组并联；
步骤2：在应急柴油发电机组启动时，能量管理系统控制供电开关合闸，将超级电容组和应急柴油发电机组并车；供电开关与应急柴油发电机组连锁，超级电容组仅在应急柴油发电机组处于工作状态时接入应急电网；
步骤3：在应急电网稳定后，应急功率负载启动，能量管理系统EMS控制超级电容组经DC/AC逆变器向电网输出能量，分担大部分突加负载；
步骤4：在应急柴油发电机组正常工作时，超级电容组在电网内起到“削峰填谷”作用，通过能量管理系统EMS控制，在负荷突降时充电，在负荷突加时放电，减小峰谷差值，平滑负荷，提高供电质量。
2.如权利要求1所述的一种基于超级电容的船舶应急混合电站的运行方法，其特征在于：所述步骤3中应急功率负载启动时，超级电容组通过DC/AC逆变器输出实现辅助启动,控制电网压降。
3.如权利要求1所述的一种基于超级电容的船舶应急混合电站的运行方法，其特征在于：所述步骤3中DC/AC逆变器容量设为满足最大功率应急功率负载启动。
4.如权利要求1所述的一种基于超级电容的船舶应急混合电站的运行方法，其特征在于：所述步骤4中在应急柴油发电机组正常工作时，超级电容组设为实时在网，通过能量管理系统EMS调节电容组输入输出，平抑负载变化引起的电网波动，提高供电质量。
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