CN214204946U

CN214204946U - 一种基于超导限流和储能装置的船舶供电系统

Info

Publication number: CN214204946U
Application number: CN202022408141.0U
Authority: CN
Inventors: 林熠丹; 韩晨
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2030-10-26

Abstract

本实用新型公开了一种基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其组成包括：发电机组(1)，高压母线(2)，分裂变压器(3)，专用负载(4)，通用负载(5)，超导限流‑储能装置(6)，超导限流‑储能装置(6)两端接在分裂变压器(3)和专用负载(4)之间，还有一端接在高压母线(2)和分裂变压器(3)之间。本实用新型的技术效果：在超导储能模式，可以用于保障船舶电网的电能质量在瞬态故障时维持不间断供电；在发生短路故障时，可以用于限制系统的短路电流，使非故障侧的电压水平基本保持不变，从而保障非故障侧的正常运行，并降低短路电流对电气设备的冲击。

Description

一种基于超导限流和储能装置的船舶供电系统

技术领域

本实用新型的涉及含大功率脉冲负荷的船舶供电系统，特别是将超导限流-储能装置应用于含大功率脉冲负荷的船舶供电系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，有特殊的脉冲负载在船舶上的应用越来越广泛，同时大功率脉冲性负荷逐渐成为研究的热点。这些脉冲性负载对系统电能质量有很大影响，甚至威胁到船舶电力系统的安全、稳定运行。

脉冲性负荷的主要参数是脉冲形状、充放电功率和充放电周期。由于功率需求的特殊性，脉冲性负荷装置通常需在配置充电储能对功率进行平滑处理之后再将负载与船舶主电网连接。脉冲性负荷的典型特点是功率变化频繁且变化幅度较大，相当于对柴油发电机组供电系统反复突增和突卸负荷，使得电网中的电流大幅度频繁变化，给整个船舶电力系统带来较大的冲击，影响供电质量。脉冲性负荷的工作周期通常为毫秒级，在不同的工作模式下运行时对柴油发电机组输出电压和频率的影响是不同的，给船舶交流电网带来的畸变呈现出周期性，畸变周期与负荷工作有关。

对于以大容量、大机组为主要特征的陆地电网而言，因其容量近似无穷大，系统惯性也非常大，脉冲性负荷功率扰动并不会使电网电压和频率发生大幅度波动；对于容量较小的船舶电网而言，由于系统惯性较小、机电调节控制器响应时间较长，船舶电力系统不能及时满足脉冲性负荷的瞬时功率需求，造成电网抵御负荷扰动的能力较差。大量试验结果表明，若脉冲负荷在工作时没有快速的充放电控制，会在几个周期内使电网母线电压发生剧烈波动，因此需采取合适措施平抑这种波动，从而减少负荷对船舶电网的冲击。脉冲性负荷的种类和功率不同，其运行的特性、对电网的影响及其解决方法也会存在差异。

本实用新型拟采用超导限流-储能装置来平抑船舶电网母线电压发生剧烈波动，从而减少负荷对船舶电网的冲击。

实用新型内容

为了解决平抑船舶电网母线电压发生剧烈波动，从而减少负荷对船舶电网的冲击。采取的技术方案如下：

一种基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其组成包括：发电机组1，高压母线2，分裂变压器3，专用负载4，通用负载5，超导限流-储能装置6，超导限流-储能装置6两端接在分裂变压器3和专用负载4之间，还有一端接在高压供电母线2和分裂变压器 3之间。

所述的超导限流-储能装置6组成：由变流器、电流调节器、超导磁体、三个串联的整流器组成，它通过超导储能装置的双向斩波器实现电压调节的功能，替代超导限流器的偏压源，二者共用一个超导线圈集成起来，它是一个两端口元件，一端口实现限流功能，另一端口实现贮能功能。

所述的超导磁体由两个同轴螺线管线圈串联而成，两个线圈的绕制方向相反，线圈材料是NbTi。

所述的超导限流器是有源式桥路型超导限流器，其组成：功率电子二极管桥路、偏置超导线圈、偏压源。

本实用新型的技术效果：

在超导储能模式，可以用于保障船舶电网的电能质量在瞬态故障时维持不间断供电；在发生短路故障时，可以用于限制系统的短路电流，使非故障侧的电压水平基本保持不变，从而保障非故障侧的正常运行，并降低短路电流对电气设备的冲击。

限流器的动作电流可以通过偏压源调节和实现、易于整定，且在故障期间，超导线圈不会失超，所以不存在动作响应和失超恢复的问题。

附图说明

图1是基于超导限流和储能装置的船舶供电系统组成图。

图2是超导限流-储能装置接入船舶供电系统图。

图3是超导限流-储能装置的电路拓扑结构图。

图4是桥路型限流器的结构结构简图。

图中：1为发电机组，2为高压母线，3为分裂变压器，4为专用负载，5为通用负载，6为超导限流-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。

一种基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其组成包括：发电机组1，高压供电母线2，分裂变压器3，专用负载4，通用负载5，超导限流-储能装置6，超导限流-储能装置6两端接在分裂变压器3和专用负载4之间，还有一端接在高压供电母线2和分裂变压器3之间。如图1所示。

所述的超导限流-储能装置6组成：由变流器、电流调节器、超导磁体、三个串联的整流器组成，它通过超导储能装置的双向斩波器实现电压调节的功能，替代超导限流器的偏压源，二者共用一个超导线圈集成起来，它是一个两端口元件，一端口实现限流功能，另一端口实现贮能功能。如图2、3所示。

所述的超导限流器是有源式桥路型超导限流器，其组成：功率电子二极管桥路、偏置超导线圈、偏压源。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.分裂变压器

分裂式绕组变压器是指每相由一个高压绕组与两个或多个电压和容量均相同的低压绕组构成的多绕组电力变压器。分裂变压器正常的电能传输仅在高、低压绕组之间进行，而在故障时则具有限制短路电流的作用。几个分支容量相同，额定电压相等或接近，可以单独运行或并联运行，可以承担相同或不同负载。当某一个低压绕组上所连接的负荷或电源发生故障时，其余低压绕组仍能正常运行。各分裂绕组之间没有电的联系，磁的耦合也相对较弱。分裂支路之间应具有较大的阻抗，而分裂路与不分裂绕组之间应具有相同的阻抗。

当分裂绕组的几个分支并联成一个总的低压绕组对高压绕组运行时，称为穿越运行，此时变压器的短路阻抗称为穿越阻抗。

当低压分裂绕组的一个分支对高压绕组运行时，称为半穿越运行，此时变压器的短路阻抗称为半穿越阻抗。

当分裂绕组的一个分支对另一个分支运行时，称为分裂运行，此时变压器的短路阻抗称为分裂阻抗。

分裂阻抗与穿越阻抗之比称为分裂系数，它是分裂变压器的基本参数之一，一般为3-4。三相双绕组双分裂变压器，每相有三个绕组：一个不分裂的高压绕组，它有两个支路，但总是并联的，实际上是一个绕组；两个相同的低压分裂绕组。故可以仿照三绕组变压器，得到由三个等值阻抗组成的等值电路。

按照分裂阻抗的定义，分裂阻抗为两个分支之间的阻抗，它等于两分支短路阻抗之和，考虑到分裂绕组各分支排列的对称性，所以各分支短路阻抗相等，等于二分之一的分裂阻抗，等于二分之一分裂系数倍的穿越阻抗。

穿越阻抗是两分支关联后对高压绕组间的阻抗，即穿越阻抗等于高压绕组的短路阻抗与分支短路阻抗的一半之和。所以有：

高压绕组的短路阻抗等于穿越阻抗减去二分之一的分支短路阻抗；而分支短路阻抗等于二分之一分裂系数倍的穿越阻抗，所以高压绕组的短路阻抗又等于一减去四分之一倍的分裂系数，再乘以穿越阻抗。

5.超导限流-储能装置

装置工作在超导储能模式，可以用于保障电力质量在瞬态故障时维持不间断供电；在发生短路故障时，可以用于限制系统的短路电流，使非故障侧的电压水平基本保持不变，从而保障非故障侧的正常运行，并降低短路电流对电气设备的冲击。

超导限流-储能装置的超导磁体由NbTi绕制，材料的临界电流为1500A(背场5T、温度4.2K)。超导磁体由两个同轴螺线管线圈串联而成，两个线圈的绕制方向相反，采用该结构可以有效地降低磁体的杂散磁场，线圈的具体参数有相关规定。超导磁体的临界电流为1200A，最大储能量达到145kJ。磁体通流1000A时，距离磁体2m远处的杂散磁场低于0.5mT。

如图3所示。系统中普通负荷由系统直接供电、敏感负荷(R)由超导限流-储能装置的变流器供电，超导限流-储能装置的直流侧由二极管整流桥维持电压稳定为敏感负荷供电。系统正常运行时，超导磁体电流保持在350A，高于负荷的运行电流，对系统的运行没有影响。超导限流-储能装置不参与运行，系统发生短路故障时，线路电流的稳态值为2500A，峰值达到4800A，公共连接点(PCC)的电压降落达到40％，如图2所示。当超导限流-储能装置参与运行时，线路电流的稳态值为340A，峰值为480A，公共连接点(PCC)的电压降落被完全补偿，此外，由于超导限流-储能装置的补偿，敏感负荷的电压一直维持稳定，如图2所示。

超导限流-储能装置由桥路型超导限流与超导储能两个单元通过互补型成模式实现的，其原理结构如图3所示。超导限流-储能装置主要由变流器、电流调节器、超导磁体、三个串联的整流器组成。它通过超导储能的双向斩波器实现电压调节的功能，替代超导限流的偏压源，二者共用一个超导线圈集成起来。它是一个两端口元件，一端口实现限流功能，另一端口实现贮能功能。在电网正常工作

桥路型超导短路故障电流限流器的概念于1983年最早提出来的，并进行了利用低温超导线圈的试验测试。这种有源式桥路型超导限流器主要由功率电子二极管桥路、偏置超导线圈、偏置源等组成。图4为桥路型限流器的主要装置结构。桥路型限流器的动作电流可以通过偏压源调节和实现、易于整定，且在故障期间，超导线圈不会失超，所以不存在动作响应和失超恢复的问题，这种模式要求功率电子器件与电路具有很高的可靠性。

Claims

1.一种基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其组成包括：发电机组(1)，高压母线(2)，分裂变压器(3)，专用负载(4)，通用负载(5)，超导限流-储能装置(6)，其特征在于：超导限流-储能装置(6)两端接在分裂变压器(3)和专用负载(4)之间，还有一端接在高压母线(2)和分裂变压器(3)之间。

2.根据权利要求1所述的基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其特征在于：所述的超导限流-储能装置(6)组成：由变流器、电流调节器、超导磁体、三个串联的整流器组成，它通过超导储能装置的双向斩波器实现电压调节的功能，替代超导限流器的偏压源，二者共用一个超导线圈集成起来，它是一个两端口元件，一端口实现限流功能，另一端口实现贮能功能。

3.根据权利要求2所述的基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其特征在于：所述的超导磁体由两个同轴螺线管线圈串联而成，两个线圈的绕制方向相反，线圈材料是NbTi。

4.根据权利要求2所述的基于超导限流和储能装置的船舶供电系统，其特征在于：所述的超导限流器是有源式桥路型超导限流器，其组成：功率电子二极管桥路、偏置超导线圈、偏压源。