现代储能技术在舰船消磁系统中的应用研究

2013-08-10聂冬朱运裕

船电技术 2013年2期

聂冬，朱运裕

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064）

0 引言

开发新能源和采取节能技术是当前重要的研究课题。现代储能技术通过储存吸纳不必要的能量损耗并高效释放，能够有效节能。在军用领域中，部分发达国家的常规潜艇很早就在原先单一的蓄电池储能基础上加装AIP系统，提高了水下续航力，降低暴露率，很好提升了潜艇的作战性能[1]。而在现代综合电力舰船中，出于对高要求的能源管理系统和新概念武器应用的需要，储能技术更是成为其中的关键技术之一。本文通过对最新储能技术进行分析研究，探讨该技术在舰船消磁系统中可行的应用方式。

1 现代储能技术概况

1.1 储能技术的分类和特性

储能技术有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能4类。物理储能主要有飞轮储能；电磁储能主要有超导储能；电化学储能主要有蓄电池储能、超级电容器储能；相变储能主要有冰蓄冷储能等[2]。下面着重介绍下飞轮储能、超导储能、蓄电池储能和超级电容器储能。

1.1.1 飞轮储能系统（FESS）

飞轮储能是一种机械储能方式，其基本原理是将电能转换成飞轮的动能并长期蓄存起来，需要时再将飞轮运动的动能转换成电能。主要由复合材料飞轮、集成发电机（电动机）、支撑轴承、电力电子及其控制系统、真空舱等组成[3]。

高温超导技术、高强度材料及电力电子和技术的进步促进了储能飞轮的发展。飞轮储能的功率密度大于5 kW/kg，能量密度超过20 kWh/kg，效率大于 90%，使用寿命可达 20年，且不受充放电次数限制，无噪声，无污染，维护方便，性能优越。缺点是体积大，充放电时间较长。

1.1.2 超导储能系统（SMES）

超导储能系统利用由超导线制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，需要时再将储存的能量送回电网。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。

超导储能技术可长期无损耗储存能量，能量释放和响应速度快（ms级），能量密度 1—10 kWh/kg，功率密度达104kW/kg，效率达96%以上，各项指标优势明显，但其成本很高，系统也较复杂，需定期维护。

1.1.3 蓄电池储能系统（BESS）

蓄电池储能系统主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电，一般由电池、直—交逆变器、控制装置和辅助设备等组成。

蓄电池储能充电后储存时间长，能量密度最大，效率也较高。缺点是充电时间长，功率小。

1.1.4 超级电容器储能系统（SCES）

超级电容器是根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸收周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，构成双电层电容。主要由多孔碳构成的电极以及电极间充填电解质溶液组成。

超级电容器储能系统历经数10年发展，电容量可达0.5—1000 F，工作电压在400 V左右，放电电流400 A以上，储能量可达30 MJ，且体积小，安装简单。缺点是耐压低，容量小，成本高。

1.2 储能技术的应用前景

将上述四种典型的储能技术及装置性能比较如表1所示[4]可知，四种储能技术结构原理及技术参数差异较大，并各有特点，因此都有其适用的应用领域。

表1 四种主要典型储能装置性能比较

（1）飞轮储能：根据其特性，主要用于不间断电源，电网调峰和频率控制。如飞轮储能装置可用于电力系统储能以实现削峰填谷的作用，即在谷值负荷时，将多余电力输入电机，使其驱动飞轮加速，保持飞轮高速转动；到出现峰值负荷时，让飞轮驱动电机作为发电机运行，使飞轮的动能变成电能供给电网。在这一过程中，由于采用变速恒频的电力电子技术，输出电能频率可保持不变[3]。该储能方式还可在风力发电系统[5]及交通工具等其他领域使用。

（2）超导储能：根据其特性，在电力系统中的应用包括：动态稳定、电压稳定、负荷均衡、频率调整、暂态稳定、输电能力提高及电能质量改善等方面[6]。虽然超导储能系统性能优越，但限于工程技术上的不成熟，成本也较高，目前还处于研制阶段。

（3）蓄电池储能：近年来，各种新型蓄电池被开发成功并在电力系统中得到应用，较多用于小型分布式发电。如NaS电池具有较高的储能效率，还具有输出脉冲功率的能力，同时可以用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节。在独立运行的风力或太阳能电站中，蓄电池储能已成为基本的装备。

（4）超级电容储能：在电力系统中多用于短时间、低容量、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合[6]。因能在充满电的浮充状态下正常工作10年以上，超级电容可以在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。已成功用于：内燃机发动机的启动电源和直流电气化铁路供电；电动车的起步、加速、爬坡电源；高压开关的分合闸操作电源及大型充磁设备中[7]。

2 储能技术在舰船消磁系统中的应用

舰船电力系统是各种作战装备有效使用的保障系统，其在舰船系统中的地位随着舰船自动化、电气化水平的不断提高而日益提高。现代储能技术以其改善电力系统特性、提供不间断电源以及在脉冲功率等方面的独特优势使之在舰船电力系统中获得广泛应用。如在舰船消磁系统中，通过采用飞轮储能或超级电容储能技术与原动机的灵活配合，很好实现了高效输出脉冲电流的功能，提高了消磁质量。

2.1 舰船消磁系统工作原理

目前舰船的消磁普遍使用外消磁的方式来完成，即由消磁船、消磁站等配备的设备和装置，在进行综合消磁时，通过缠绕于舰船外围的消磁电缆（或绕组）向消磁舰船输出大功率正负交替、逐步衰减的间歇脉冲电流（消磁工作电流），且按一定规律衰减，打乱和抵消舰船固定磁性磁场及外部磁场对舰船的感应作用，达到消磁目的[8]。舰船消磁系统基本由消磁电源、消磁控制设备和消磁绕组组成，如图1所示，间歇脉冲电流波形如图2所示。

图1 舰船消磁系统的主要组成

2.2 几种储能技术在舰船消磁系统中的应用

如上节所述，舰船在开始消磁时，消磁系统输出脉冲电流并逐渐衰减，其中尤以前五个脉冲需要的消磁电流比较大，此时要求供电系统能提供较大的电功率；而在脉冲间隙期间又几乎不需要电源系统提供电能。如果依据第一脉冲选择装机容量，电站容量必定很大，但在工作过程中使用频率很少，容易造成资源的严重浪费。如果按照消磁周期的平均功率来选取电站容量，则电站又偏小，产生的起始消磁脉冲电流不能满足对舰船消磁的需要。为了克服上述困难，人们借助飞轮装置或超级电容等储能技术，根据脉冲周期需要，在电力电子技术的调校和控制下，与原动机电源配合，进行准确的能量储存和释放，以适当的电站容量，就可达到高品质的消磁质量。

图2 舰船消磁工作电流波形图

（1）带飞轮储能的消磁系统

带飞轮储能的独立消磁电站的组成框图如图3所示。其工作原理是在原动机和发电机之间设置飞轮装置，在原动机（如柴油机）空载时带动飞轮旋转储存机械动能，在消磁时利用原动机的输出功率和飞轮储存的能量两者叠加作为发电机的原动力，从而满足此阶段消磁功率的需要。因飞轮机构体积较大，现多用于消磁船和岸基消磁电站中。

图3 带飞轮储能的独立消磁电站的组成框图

（2）带超级电容储能的消磁系统

带超级电容储能的消磁电源的组成框图如图4所示。其工作原理是超级电容模块在脉冲间歇期间通过充供模块的充电器从交流电源吸取能量，在脉冲放电期间为充供模块和直直交换模块提供能量。充供模块和直直交换模块在控制模块的控制下可分时、协调工作，在电站配置容量较小的情况下，满足消磁输出功率的需求。因超级电容体积小，多用于小型消磁电站和消磁船中。据报道，采用超级电容储能及直通式消磁技术的车载消磁站已研制成功，它既可以依托运载车在码头进行消磁作业，也可由舰船承载在海上进行消磁，机动性和适应性很强[9]。