CN213906311U - 一种基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，它的组成包括：岸电专用变电所(1)，高压供电母线(2)，低压供电母线(3)，高压岸电箱(4)，高压移动变电箱(5)，低压岸电箱(6)，低压移动变电箱(7)，谐振充电超导储能装置(8)，其特征在于：在岸电专用变电所(1)与高压供电母线(2)以及岸电专用变电所(1)与低压供电母线(3)之间加装谐振充电超导储能装置(8)。本实用新型的积极技术效果：基于谐振充电技术的超导磁储能装置具有很高的运行效率，大型码头船舶供电系统的不间断电源系统的整体运行效率可以得到大大提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及大型码头船舶的供电系统，特别是将谐振充电超导储能技术应用于大型码头船舶供电系统。
背景技术
随着经济的快速发展，港口吞吐量不断增加，到港船舶数量越来越多。这些到港船舶停靠在码头需要燃烧大量重油(或柴油)发电，停靠船舶油料发电所产生的废气和噪声污染与城市环境保护的矛盾日益突出。建设码头船用供电系统能够为停泊在码头的大型船舶提供岸上电源，船舶到港后可关闭船上的柴油发电机，由岸上电源供电，既环保又节能。建设低碳港口、发展绿色水运，不仅关系到我国港航业良好国际形象的树立，还关系到我国交通运输行业发展方式的科学转变。
由于到港大型船舶用电功率大、船舶用电为短时断续工作制，到港船舶数量随机性大，用电负荷不确定因素较多，为了支撑船舶用电设备的正常运行，这就需要码头船舶供电系统所能携带负荷容量也越来越大，从而满足船舶不同大功率用电设备的用电。
同时作为海上运输主要交通工具的船舶向大参数、高性能、高自动化等方向迅猛发展，伴随着大量大功率、智能化机电设备和自动控制装置在船舶中的投入使用，使得船舶供电系统也变得越来越复杂，对在港作业的船舶，码头船舶供电系统的安全性、稳定性、经济性等也提出了更高的要求。
船舶岸电供电目前还未形成统一的技术规范，更谈不上使用不间断电源，为了解决大型码头船舶用电问题，提出一种解决大型码头船舶不间断供电系统技术方案。
实用新型内容
本实用新型，根据大型码头船舶供电系统的运行特点，提出如下技术方案：
一种基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，它的组成包括：岸电专用变电所1，高压供电母线2，低压供电母线3，高压岸电箱4，高压移动变电箱5，低压岸电箱6，低压移动变电箱7，谐振充电超导储能装置8，其特征在于：在岸电专用变电所1与高压供电母线2以及岸电专用变电所1与低压供电母线3之间加装谐振充电超导储能装置8。
所述的谐振充电超导储能装置8的组成：超导磁体电源，谐振充电系统，超导输出系统，超导磁体保护系统，制冷系统，磁体。
所述的谐振充电系统的组成：低内阻直流电源，驱动模块，控制核，谐振模块。
所述的谐振模块的组成：4个功率开关管T1、T2、T3和T4，以及RLC电路。
本实用新型的积极技术效果：
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。
基于谐振充电技术的超导磁储能装置具有很高的运行效率，大型码头船舶供电系统的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是基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统组成图。
图2是基于谐振充电技术的超导储能系统图。
图3是谐振充电系统图。
图4是谐振电路图。
图中：1为专用变电所，2为供电母线，3为供电母线，4为高压岸电箱，5为高压移动变电箱，6为低压岸电箱，7为低压移动变电箱，8为谐振充电超导储能装置。
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.基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统整体实施方案
一种基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，它的组成包括：岸电专用变电所1，高压供电母线2，低压供电母线3，高压岸电箱4，高压移动变电箱5，低压岸电箱6，低压移动变电箱7，谐振充电超导储能装置8，其特征在于：在岸电专用变电所1与高压供电母线2以及岸电专用变电所1与低压供电母线3之间加装谐振充电超导储能装置8。如图1所示。
所述的谐振充电超导储能装置8的组成：超导磁体电源，谐振充电系统，超导输出系统，超导磁体保护系统，制冷系统，磁体。如图2示。
所述的谐振充电系统的组成：低内阻直流电源，驱动模块，控制核，谐振模块。如图3示。
所述的谐振模块的组成：4个功率开关管T1、T2、T3和T4，以及RLC电路。如图4示。
2.船舶供电系统
1)岸上供电系统：是电力从港口变电站供应到靠近船舶的连接点。
2)电缆连接设备：是连接岸上连接点及船上受电装置间的电缆和设备。电缆连接设备必须满足快速连接和储存的要求，不使用时储存在船上、岸上或者驳船上。
3)船舶受电系统：在船上固定安装受电系统，可能包括电缆绞车、船上变压器和相关电气管理系统等。
4)高压船舶供电：在码头后方设置1座岸电专用变电所，在码头前沿岸桥高压坑内安装6.6kV-60Hz高压接电箱。每个岸电箱采用一路高压专用电缆引自岸电变电所。
5)低压船舶供电：在码头前沿设置2座移动式箱式岸电箱，箱变电源引自新安装的6.6kV高压岸电箱，箱变出线引接至靠泊船舶，实现船舶供电。
6)岸设备连接技术：船岸设备连接采用柔性连接和快速连接技术。由于码头潮位落差变化和海风大浪影响引起船舶摇摆，使船舶与码头连接的电缆受到牵扯，易发生断裂漏电事故，危及操作人员安全，因此，船岸设备连接需要采用柔性连接方式，船岸低压供电电缆连接可采用横矩弹簧式电缆卷筒控制多根多组粗电缆进行柔性自动收放；船岸高压供电电缆可采用手动电缆卷筒方式，接电收放线缆，确保接电安全可靠。由于到港大型船舶用电功率大、船舶用电为短时断续工作制，且一般接电器件质量较大，采用国标标准快速软接触的插头插座，实现快速连接，提高岸电系统与船电系统并网的效率。电缆插头和上级保护开关之间设置连锁保护，当插头插座正确连接就位后，上级保护开关方可合闸供电；当插头故障或并联插头出现较大不平衡电流时，自动切断上级保护开关，确保用电安全。
7)变电所布置：根据变电站靠近负荷中心的设计原则，同时考虑港区原有变电所的布置、船舶岸电用电负荷分布情况，进线电源电压等级等多种因素。在码头前沿线布置2座岸电移动式变电箱。岸电变电所采用一路110kV/50Hz电源进线，一层设置1台5 000k VA10kV-50Hz/6.6kV-60Hz的电源变频变压装置、直流屏，二层设置110kV电源进线柜和6.6kV高压出线柜。
8)岸电移动式变电箱：采用一路6.6kV电源进线，箱变电源引自6.6kV高压岸电箱，箱变出线引接至靠泊船舶，实现船舶供电。箱变内设置一台2 000k VA 6.6kV-60Hz/0.40kV-60Hz的变压器、6.6kV高压进线柜、0.40kV低压进线柜0.40kV低压出线柜；并在箱变的两端设置高压电缆卷盘和低压电缆卷盘。
9)岸电变电所电气设备：110kV开关设备共配置3台，选用直流电源操作的金属铠装型手车式开关柜，高压侧配电回路以真空断路器作为过电流、速断保护。6.6kV开关设备共配置12台，选用直流电源操作的金属铠装型手车式开关柜，高压侧配电回路以真空断路器作为过电流、速断保护。变频变压装置共配置1台，选用高压变频装置，输入电源为10kV/50Hz，经过输入降压、逆变、滤波和输出升压环节变换为三相6.6kV/60Hz的稳频稳压高质量电源。港口大功率供电设备安全防护要求很高，10kV侧进线采用真空断路器，6.6kV侧进线和馈线采用真空断路器，断路器采用电动操作；10kV侧和6.6kV侧继电保护装置采用微机综保装置，具备过流、短路速断、过压、过载、缺相等保护功能，确保人员和设备安全。
10)岸电移动式变电箱电气设备：110kV开关设备共配置4台，选用SF6全密闭全绝缘环网柜。0.40kV开关设备共配置8台，选用抽出式开关柜。6.6kV侧进线采用负荷开关模块，变压器馈线采用真空断路器模块，断路器采用电动操作：6.6kV侧继电保护装置选用集监控和保护为一体的微机综合数字式监控继电保护装置；0.44kV断路器选用框架断路器和塑壳断路器，具备过流、短路速断、过压、过载、缺相等保护功能，确保人员和设备安全。室外整体设备要求适应高温、高湿、高腐蚀性及大负荷冲击等恶劣使用环境，防护等级要求达到IP55。
2.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。超导磁体电源，谐振充电系统，超导输出系统，超导磁体保护系统，制冷系统，磁体。下面分别简要介绍其组成。
2.1磁体
磁体即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。
2.2保护系统
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。
2.3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。
2.4超导输出系统
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。
3.谐振充电系统
谐振充电系统的组成：低内阻直流电源，驱动模块，控制核，谐振模块。如图3示。
在任意时刻t的储能线圈电流可通过下式计算：
由以上分析可知，谐振充电电路中的储能线圈电流为幅值变化但频率不变的交变电流。这里引入一个谐振充电电路的充电时间δ概念：假定在时刻t3，储能线圈开始谐振充电，经过若干周期后，在时刻t4储能线圈瞬态电流值I(t)的峰值达到额定充电电流上限，则可以定义充电时间δ＝t4-t3。
同时，定义在充电时间tch内储能线圈的能量损耗为充电损耗Qch＝∫I2(t)Redt，可直接采用积分的方法由各个周期计算累加而来。那么，分析充电时间δ内的谐振过程，获得每一个充电周期的充电电流I(t)、充电损耗Qch(t)等理论计算公式，研究δ、I(t)、Qch(t)与各种谐振充电电路参数之间的关系，则可以完成对谐振充电技术方案的可行性分析。
基于谐振充电技术的储能线圈电流为幅值变化但频率不变的交变电流，但是，当电路进入储能运行状态时，与基于直接充电技术的储能电路相同，也是一个RL零输入响应过程。而且，其初始电流值为电路从充电状态切换至储能状态时的储能电感瞬态电流值。一般来说，可通过一定的控制电路对储能线圈电流的幅值和相位进行监测，从而获得储能线圈电流的瞬态最大值。同样的，基于谐振充电技术的电磁储能放电理论模型与前面分析的基于直接充电技术的电磁储能方案类似，同样引入负载等效电阻值R(t)、负载等效电压源U1(t)和控制系统响应时间ξ的概念。
即与电路谐振频率相同的电源分量。基频分量的峰值为
忽略电路中的功率开关损耗，可得到储能线圈的充电电流峰值为
实际装置的构成，除了以高温超导电感为核心的RLC电路外，还主要包括功率电子开关及其控制电路，低内阻直流电源。
4.谐振模块
在该谐振控制电路中，可通过控制T1和T4、T2和T3以实现正反相电源。幅值为VB、占空比为50％的正反相方波电源的电压表达式为
在此RLC电路处于谐振状态时，电源中的高频谐波分量会得到有效抑制。实际用于给储能线圈充电的是电源中的基频分量。
Claims (4)
1.一种基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，它的组成包括：岸电专用变电所(1)，高压供电母线(2)，低压供电母线(3)，高压岸电箱(4)，高压移动变电箱(5)，低压岸电箱(6)，低压移动变电箱(7)，谐振充电超导储能装置(8)，其特征在于：在岸电专用变电所(1)与高压供电母线(2)以及岸电专用变电所(1)与低压供电母线(3)之间加装谐振充电超导储能装置(8)。
2.根据权利要求1所述的基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，其特征在于：所述的谐振充电超导储能装置(8)的组成：超导磁体电源，谐振充电系统，超导输出系统，超导磁体保护系统，制冷系统，磁体。
3.根据权利要求2所述的基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，其特征在于：所述的谐振充电系统的组成：低内阻直流电源，驱动模块，控制核，谐振模块。
4.根据权利要求3所述的基于谐振充电超导储能的大型码头船舶供电系统，其特征在于：所述的谐振模块的组成：4个功率开关管T1、T2、T3和T4，以及RLC电路。
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| 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: 20210806 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |