CN211556965U - 一种基于超导储能的电动船不间断电源装置 - Google Patents

一种基于超导储能的电动船不间断电源装置 Download PDF

Info

Publication number
CN211556965U
CN211556965U CN201921425123.4U CN201921425123U CN211556965U CN 211556965 U CN211556965 U CN 211556965U CN 201921425123 U CN201921425123 U CN 201921425123U CN 211556965 U CN211556965 U CN 211556965U
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy storage
power supply
converter
superconducting
superconducting energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201921425123.4U
Other languages
English (en)
Inventor
成星辰
张晨丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201921425123.4U priority Critical patent/CN211556965U/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN211556965U publication Critical patent/CN211556965U/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本实用新型公开了一种基于超导储能的电动船不间断电源装置，它的组成包括：供电输入(1)，交直变换器(2)，高超导储能装置(3)，直交变换器(4)，转换开关(5)，供电输出(6)，其特征在于：供电输入(1)分两路，一路连接转换开关(5)，转换开关(5)连接供电输出(6)；另一路与交直变换器(2)连接，交直变换器(2)与超导储能(3)连接，直交变换器(4)分别连接超导储能(3)和转换开关(5)。本实用新型的技术效果：利用超导磁储能装置的大功率输出特性新型不间断电源系统可以瞬间向电力系统提供一个短暂的大功率补偿输出，适合电动船的需要，而常规不间断电源系统则很难提供很大的瞬态功率输出。

Description

一种基于超导储能的电动船不间断电源装置
技术领域
本实用新型涉及电动船不间断电源技术领域，具体涉及一种电动船的超导储能的不间断电源装置。
背景技术
电动船舶作为一种新型的海洋或河道运输工具，具有节省能源，安静且不会污染水体等优点，在未来将会得到广泛的应用。
随着船舶内部智能化的提高，船载精密电子控制和监控系统对其供电系统的要求也越来越高。由于船舶用供电系统相比于内陆供电系统在稳定性和抗电磁干扰方面要求较高。
目前，电动船舶上的不间断电源系统多采用常规蓄电池作为储能装置。但是，常规蓄电池普遍存在储能效率低下、充放电速度缓慢、使用年限较短、可能造成环境污染等缺陷。相比之下，超导磁储能装置则具有快速响应(ms级)、大功率(Mw级)、高效率(95％)、高储能密度 (108J/m3)、四象限控制等技术优势。
实用新型内容
将超导磁储能装置引入电动船不间断电源系统中，可以组成新型的基于超导磁储能装置的不间断电源系统。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种基于超导储能的电动船不间断电源装置，它的组成包括：供电输入1，交直变换器2，高温超导储能装置3，直交变换器4，转换开关5，供电输出6，供电输入1分两路，一路连接转换开关5，转换开关5连接供电输出6；另一路与交直变换器2连接，交直变换器2与高温超导储能装置3连接，直交变换器4分别连接超导储能3和转换开关5。
所述的高超导储能装置3，它的组成：超导线圈，制冷系统，变流器，保护系统和控制系统。
所述的超导线圈即是环状高温超导储能磁体，它的组成：环状磁体的单螺线管线圈的个数12，确定每个单螺线管线圈的尺寸，即磁体的内半径Ri、外半径B0和高度H，以及确定单个螺线管线圈中心到环形线圈中心的距离R。
所述的制冷系统，它的组成：电流引线，GM干式制冷机，一、二级制冷头，高温超导电流引线，辐射屏、铜牌、绞合线束。
所述的变流器是100MW变流器组合成为大型400MW变流器。
所述的控制系统中光控型超导开关是基于Meissner效应的激光触发变磁超导开关。
所述的交直变换器2采用改进型无桥功率因数校正结构。
所述的直交变换器4采用三相半桥逆变电路拓扑结构
本实用新型的积极技术效果：
(1)利用超导磁储能装置的快速响应特性，新型不间断电源系统可以快速补偿电动船电力系统谐波振荡、瞬间电压中断、瞬间电压下降等问题中的高频部分(ms级)和低频部分，而常规不间断系统则只能用于补偿低频部分；
(2)利用超导磁储能装置的大功率输出特性新型不间断电源系统可以瞬间向电力系统提供一个短暂的大功率补偿输出(MW级)，适合电动船的需要，而常规不间断电源系统则很难提供很大的瞬态功率输出；
(3)由于超导磁储能装置具有非常高的运行效率，新型电动船不间断电源系统的整体运行效率可以得到大大提高。
附图说明
图1是基于超导储能的电动船不间断电源装置组成图。
图2是高超导储能装置构成结构框图。
图3是环状高温超导储能磁体模型图。
图4是高温超导储能装置制冷系统原理图。
图5是变流器的结构组成图。
图6是光控型超导开关结构图。
图7是改进型无桥功率因数校正结构图。
图8是三相半桥逆变电路拓扑结构图。
图中：1为供电输入，2为交直变换器，3为高温超导储能装置，4为直交变换器，5为转换开关，6为供电输出。
具体实施方式
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。
1.基于超导储能的电动船不间断电源装置整体实施方案
一种基于超导储能的电动船不间断电源装置，它的组成包括：供电输入1，交直变换器2，超导储能3，直交变换器4，转换开关5，供电输出6，供电输入1分两路，一路连接转换开关5，转换开关5连接供电输出6；另一路与交直变换器2连接，交直变换器2与超导储能3连接，直交变换器4分别连接超导储能3和转换开关5。如图1所示。
所述的高超导储能装置3，它的组成：超导线圈，制冷系统，变流器，保护系统和控制系统。如图2所示。
所述的超导线圈即是环状高温超导储能磁体，它的组成：环状磁体的单螺线管线圈的个数12，确定每个单螺线管线圈的尺寸，即磁体的内半径Ri、外半径B0和高度H，以及确定单个螺线管线圈中心到环形线圈中心的距离R。如图3所示。
所述的制冷系统，它的组成：电流引线，GM干式制冷机，一、二级制冷头，高温超导电流引线，辐射屏、铜牌、绞合线束。如图4所示。
所述的变流器是100MW变流器组合成为大型400MW变流器。如图5所示。
所述的控制系统中光控型超导开关是基于Meissner效应的激光触发变磁超导开关。如图 6所示。
所述的交直变换器2采用改进型无桥功率因数校正结构。如图7所示。
所述的直交变换器4采用三相全桥逆变电路拓扑结构。如图8所示。
2.高超导储能装置
高超导储能装置的主要组成元件包括超导线圈、低温容器、制冷系统、变流器、控制系统、保护系统等，其构成原理如图2所示。由于超导线圈要在直流情况下运行，超导线圈必须通过整流装置由电网对其进行充电励磁，然后通过逆变装置向电网或负载供电。因此，变流器、斩波器和滤波器等电力电子装置是实现能量在超导线圈、电网及负载间转换、传输的重要部件。
3.环状高温超导储能磁体
环状高温超导储能磁体是由多个短螺线管线圈组成的，如图3所示。从图中可以看出其优化设计包括选择组成环状磁体的单螺线管线圈的个数N，确定每个单螺线管线圈的尺寸，即磁体的内半径Ri、外半径B0和高度H，以及确定单个螺线管线圈中心到环形线圈中心的距离 R。如图3所示。
4.制冷系统
它的组成：电流引线，GM干式制冷机，一、二级制冷头，高温超导电流引线，辐射屏、铜牌、绞合线束。如图4所示。
5.变流器
四个6脉冲变流器和移相变压器构成了两个12脉冲的组合。通过调节可关断晶闸管的触发角，即可使两个12脉冲变流器相角相差15°，从而产生准24脉冲的交流侧电压。与标准的 24脉冲变流器相比，这种方法免去了价格昂贵的特种变压器。虽然交流侧电压含有11、13次谐波，但其幅值约为基波的1％，容易滤除。100MW变流器模型，即可组合成为大型400MW变流器模型，如图5所示。
6.光控型超导开关
基于Meissner效应的激光触发变磁超导开关是属于光控型超导开关，与热控相比，它具有响应速率快、控制方便精确等优点。典型的装置结构示意图如图3.3-8所示。脉冲变压器的初级线圈在外、次级线圈在内，次级线圈骨架的轴向两端为YBCO超导薄膜。该超导薄膜可固定于非导磁金属圆盘上，与圆盘接触的部位涂有防止电击穿的绝缘液，圆盘则固定于初级线圈骨架内。骨架内腔区域充以液氮。激光发生器发出的激光通过分光镜分离成两路，由两侧中心孔射入超导薄膜中心。为了减少激光束与液氮的热交换而影响触发效应，在进入骨架内的区构造环氧玻璃纤维筒，只在靠近超导薄膜端留一定间隙充液氮。次级线圈的引出线与负载连接。在超导状态，虽然初级线圈有激磁电流，但薄膜的超导效应屏蔽了磁通，使外部初级线圈激磁磁场没有通过次级线圈闭合，而是绕过次级线圈闭合。当激光束照射到超导薄膜上，其热效应使超导薄膜由超导态淬变为常态，这时初级线圈的磁通将通过次级线圈，二者之间的磁通交链使次级线圈产生感应电势。
7.改进型无桥功率因数校正结构
电感有“通低频，阻高频”的特性，如果频率特别大的情况下，电感相当于断路。无桥功率因数校正结构的输出因和输入侧电源隔断而呈现一种悬浮状态，其直接后果是EMI(电磁干扰)现象特别厉害，此外，输入侧电压和电流的检测也十分困难。因为这些问题存在，本实用新型采用一种对基本无桥功率校正结构的改进型，如图7所示。
改进型无桥功率因数校正结构的工作原理：当输入侧交流电压处于上半轴时，功率开关管Q1处于由PWM开关控制的开关状态，而开关管Q2则处于关断状态，Q1通，输入电流经过输入侧升压电感，Q1然后通过D4进入电源，构成一个回路，这是一个升压电感充电的过程， Q1关断时，电流经过L、D1、C和负载和D4构成一个回路，电感处于放电状态；当输入电压为负，Q2导通，电流经过开关管Q2、D1和L构成回路，这同样是对电感充电的过程，Q2关断时，电流经过D2、C和负载、以及L构成回路，电感处于放电状态。
改进型无桥功率因数校正结构使得电流改变流通方向，输入电压大于零时，无论开关管处于何种状态，电流最终通过D3回到电源，输入电压小于零时，电流最终通过回到D4电源，避免从开关管中的二极管通过；同时由于此结构只用一个电感，减少了电感消耗；
改进型通过加入两个二极管的为高频率的信号提供阻抗很小的导通路径，由对称性可以减少EMI电磁干扰同时对输入电流的采样变得容易很多。
8.三相半桥逆变电路拓扑结构
三相全桥逆变电路拓扑结构。其中Ed为直流输入母线电压；VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、 VD6为逆变桥的功率开关管，本实用新型采用全控型IGBT功率开关管，并反并联续流二极管； T为隔离变压器，实用新型采用升压变压器，升压比为1：n；L为LC滤波电路的滤波电感； C为LC滤波电路的滤波电容；RL为负载。
最简单的控制方式是VD1和VD4同时开通和关断，VD2和VD3同时关断和开通，形成互补开通方式，则这两组开关管需要的驱动信号也为相互互补的。在前半个正弦周期，VD1和 VD4同时开通，VD2和VD3同时关断，则此时输出的正弦信号为正；在后半个正弦周期，VD2和VD3同时开通，VD1和VD4同时关断，则此时输出的正弦信号为负。这就是所谓的全桥方波逆变器。单相全桥方波逆变器所输出的电是方波交流电正，并且相位角宽为180°，其电压中的基波含量幅值由直流输入电压五所确定，且不可调。而且在输出的方波中夹杂着低次谐波，且含量较高。若在交流侧加入滤波电感和电容，即可将交流方波变成正弦交流电。如果将三个单相全桥逆变电路拓扑并联起来并加以控制，则可组成三相全桥逆变电路，如对这六个桥臂进行适当的控制则可实现三相交流弦波的产生。三相半桥逆变器拓扑结构。与三相全桥逆变拓扑
结构所不同的是在的数量上减少了一半，如图8所示。同时控制上也相对简捷、方便。因此本实用新型采用三相半桥逆变图谱结构。
本系统的逆变器是工作在硬开关工作方式下，因此，在功率开关管通断的时候管子必须同时承受高电压以及大电流。在功率开关管关断的瞬间，如果线路上有很大的寄生电感，而系统中无可靠地缓冲回路，会有较大的脉冲电流产生，较大的脉冲电流加载在期间的两端会影响器件的性能，时间久了甚至会损坏器件。实际应用中会选择RCD缓冲电路来避免这些问题，或者使用RC缓冲电路。RCD或者RC缓冲电路的优点是能够有效地保护开关管可靠的关断，还能减少线路中的寄生电感量。但也有其缺点，那就是会带来更多的电路损耗，特别是 RC中的R，即缓冲电阻，其发热比较严重时，会导致逆变器效率降低，增加成本。

Claims (8)

1.一种基于超导储能的电动船不间断电源装置，它的组成包括：供电输入(1)，交直变换器(2)，高温超导储能装置(3)，直交变换器(4)，转换开关(5)，供电输出(6)，其特征在于：供电输入(1)分两路，一路连接转换开关(5)，转换开关(5)连接供电输出(6)；另一路与交直变换器(2)连接，交直变换器(2)与高温超导储能装置(3)连接，直交变换器(4)分别连接高温超导储能装置(3)和转换开关(5)。
2.根据权利要求1所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的高温超导储能装置(3)，它的组成：超导线圈，制冷系统，变流器，保护系统和控制系统。
3.根据权利要求2所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的超导线圈即是环状高温超导储能磁体，它的组成：环状磁体的单螺线管线圈的个数12，确定每个单螺线管线圈的尺寸，即磁体的内半径Ri、外半径B0和高度H，以及确定单个螺线管线圈中心到环形线圈中心的距离R。
4.根据权利要求2所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的制冷系统，它的组成：电流引线，GM干式制冷机，一、二级制冷头，高温超导电流引线，辐射屏、铜牌、绞合线束。
5.根据权利要求2所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的变流器是100MW变流器组合成的大型400MW变流器。
6.根据权利要求2所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的控制系统中光控型超导开关是基于Meissner效应的激光触发变磁超导开关。
7.根据权利要求1所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的交直变换器(2)采用改进型无桥功率因数校正结构。
8.根据权利要求1所述基于超导储能的电动船不间断电源装置，其特征在于：所述的直交变换器(4)采用三相全桥逆变电路拓扑结构。
CN201921425123.4U 2019-08-29 2019-08-29 一种基于超导储能的电动船不间断电源装置 Expired - Fee Related CN211556965U (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201921425123.4U CN211556965U (zh) 2019-08-29 2019-08-29 一种基于超导储能的电动船不间断电源装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201921425123.4U CN211556965U (zh) 2019-08-29 2019-08-29 一种基于超导储能的电动船不间断电源装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN211556965U true CN211556965U (zh) 2020-09-22

Family

ID=72488632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201921425123.4U Expired - Fee Related CN211556965U (zh) 2019-08-29 2019-08-29 一种基于超导储能的电动船不间断电源装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN211556965U (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114038645A (zh) * 2022-01-11 2022-02-11 宁波健信核磁技术有限公司 一种气冷电流引线及超导磁体系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114038645A (zh) * 2022-01-11 2022-02-11 宁波健信核磁技术有限公司 一种气冷电流引线及超导磁体系统
CN114038645B (zh) * 2022-01-11 2022-04-12 宁波健信核磁技术有限公司 一种气冷电流引线及超导磁体系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104052079A (zh) 电能回馈型电子负载
Wen et al. Analysis and control of a four-port megawatt-level high-frequency-bus-based power electronic transformer
CN107733245A (zh) 一种高效调幅恒高频电除尘电源电路
Dong et al. A rotational control in medium-voltage modular solid-state transformer-based converter system
Fu et al. Power supply system of EAST superconducting tokamak
Itoh et al. Development of solid-state transformer for 6.6-kV single-phase grid with automatically balanced capacitor voltage
CN211556965U (zh) 一种基于超导储能的电动船不间断电源装置
Sun et al. Research on triple-port SST scheme based on the natural elimination of MMC submodule voltage fluctuation and imbalance
Teng et al. Two types of common-mode voltage suppression in medium voltage motor speed regulation system based on solid state transformer with dual DC bus
Dong et al. Passive filter topology study of single-phase ac-dc converters for DC nanogrid applications
Dao et al. Semi-modular solid-state transformers with reduced count of components based on single-stage AC/DC converters
Xu A new multilevel AC/DC topology based H-bridge alternate arm converter
Wang et al. A simple 24-pulse rectifier employing an auxiliary pulse-doubling circuit
Dang et al. A modular three-phase photovoltaic inverter with elimination of phase unbalance and reduction of second harmonic voltage ripple
da Silva Filho et al. Single-phase isolated AC–AC symmetrical full-bridge converter
Teng et al. Common high-frequency bus-based cascaded multilevel solid-state transformer with ripple and unbalance power decoupling channel
Meng et al. Variable voltage variable frequency modular multilevel AC/AC converter with high-frequency harmonics filtering capability
Zhao et al. Research on topology and control strategy of railway power regulator based on MMC
Youssef et al. Analysis and design of LCC resonant inverter for the tranportation systems applications
CN115995946A (zh) 一种串联型12脉波整流器
Poojari et al. Advance technology using solid state transformer in power grids
CN210957901U (zh) 一种基于超导储能的高压直流供电中不间断电源系统
dos Santos et al. Four-port, single-stage, multidirectional AC–AC converter for solid-state transformer applications
CN114465515A (zh) 一种避免电池微循环的储能型mmc拓扑及其控制方法
CN113224955A (zh) 低谐波高性能的五电平大功率岸电电源系统

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200922

Termination date: 20210829

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee