超级电容储能技术在航行横向补给系统中的应用

翟性泉，王 琦，赵厚宽



超级电容储能技术在航行横向补给系统中的应用

翟性泉，王 琦，赵厚宽

（92117部队，北京100072）

本工作分析了航行横向补给系统的电动机再生发电问题，通过对蓄电池储能、超导线圈储能、飞轮储能和超级电容储能技术特点的对比，选用超级电容储能系统回收和利用再生电能，提出了超级电容储能系统的设计和应用方案，并对基本设计参数进行了计算。航行横向补给过程中，受到补给船和接收船距离不断变化的影响，补给装置绞车电机在电动和发电两种状态间频繁交互运行。电动机在发电状态下向变频器直流母线反馈大量再生电能，影响电网质量和设备的正常工作。由于超级电容具有功率密度高、充放电功率大、使用寿命长和工作温度范围广的优点，非常适用于电能的快速回收和释放，能够降低系统功率、减小对电网的影响、节约能源，在需要反复进行电能回收和释放的设备中具有较好的应用前景。

超级电容；储能；横向补给

航行横向干货补给过程中，通过高架索连接补给船和接受船，建立干货物资船间传送的通道，传输原理如图1所示。补给过程中，为保证传送的安全性，避免物资落入海水中，高架索需要维持一定的恒张力，一般是通过张力补偿装置提供的[1]。受海浪、风向和舰船操纵性等因素的影响，两舰船相对运动（高架索挂点距离）具有随机性，高架索的张力补偿速度和方向也具有随机性，导致系统总功

率的波动大，因此需要一个能量储存系统来平衡系统的功率，减小对船上电力负荷的影响。

某型航行横向干货补给装置中，高架索的恒张力由变频电动恒张力绞车系统提供，该绞车系统主要由绞车、减速机、变频电机、变频器和控制系统组成，为保持恒定的张力，绞车始终处于主动收索状态和被动放索状态的转换。主动收索过程中，电机工作在电动状态，电能转化为机械能，驱动绞车工作。被动放索的过程中，电机处于发电状态，产生的大量电能[2]。通常有两种方法处理发电状态下产生的电能，一是在变频器的直流母线上设置制动电阻，直接将电能转变为热能进行消耗，缺点是浪费再生能量，产生大量热能，并需采取强制散热措施；二是将电能回馈给电网，缺点是直接回馈电网，会对电网造成冲击，影响电网质量。由于船舶电网规模小，载荷波动对电网影响更大[3]。

综合考虑上述两种再生能量处理方法，本工作采用储能技术进行能量存储：在绞车被动放索阶段，将电机产生的再生能量储存起来，在主动收索阶段将电能释放出来驱动绞车工作。该方案可以降低系统的平均功率、改善电源品质、节约能源。

一般情况下，恒张力绞车一个完整的主动收索和被动放索的周期长度为几秒至十几秒[4]，电机发电状态的特点是功率高、时间短、充放电转换快。这就要求储能单元必须具有快速充电和快速放电性能，且具有较高的功率密度。

目前常用的电力储能方式主要有蓄电池储能、超导线圈储能、飞轮储能、超级电容储能。蓄电 池储能的充放电效率低，不能满足系统快速充放 电的要求；超导储能需要严格的低温温度控制， 且能量密度低，成本高；飞轮储能能量密度高、 充放电电流大，但由于有高速转动的飞轮（4万～5万r/min），在震动较大的船上使用还需要有复杂的平衡系统，且装置结构复杂[5-7]。相比之下，超级电容储能技术具有较大的应用优势：①功率密度高，超级电容功率密度达到十几千瓦每千克，是一般蓄电池的数十倍；②充放电功率大[8]，超级电容可在几秒至几十秒内完成充放电；③放电电流大，超级电容最大放电电流达一千多安，且不会造成电容损坏；④循环次数多，超级电容循环寿命可达到百万次；⑤使用寿命长，超级电容可以使用达二十年，蓄电池一般只能用两三年；⑥工作温度范围广，超级电容能够在-40～70 ℃温度内正常工作[9-10]。因此，超级电容对于航行横向补给系统是比较理想的储能方式。

1 超级电容储能系统方案

超级电容储能系统主要由变频器、PLC控制器、超级电容模组、电压电流检测电路、充电控制器和放电控制器等组成。系统工作原理如图2所示，充电控制单元为超级电容模组，对其进行预充电，使其电压等同于变频器的直流母线电压，以避免接入触点产生电弧，电压相同后超级电容模组通过断路器直接接入变频器直流母线。放电控制器在系统进行维护时，释放超级电容模组中储存的电能，将系统电压释放到低于36 V，以保障安全。变频器采用直接转矩控制（DTC）技术，通过改变励磁电流和频率来实现对电机转速和转矩的控制。

2 超级电容在补给系统中的应用

补给过程中，高架索绞车电机在电动和发电两

种状态间交互运行。变频器采用直接转矩控制（DTC）技术，控制高架索绞车保持恒转矩不变。变频器逆变单元运行在四个象限，第Ⅰ和第Ⅲ象限为电动状态[11]，电能转化为机械能，电机对外输出功率，驱动高架索绞车工作；第Ⅱ和第Ⅳ象限为发电状态，电机作为发动机，将高架索张力拉动绞车转动的机械能转化为电能，向变频器直流母线反馈 电能。

两船接近时，高架索两挂点距离减小，高架索的垂度增加，所受张力减小，张力产生的力矩小于变频器设定的绞车恒转矩，绞车收索，电机工作在电动状态，电能来自船上电网和超级电容的储能。如果变频器的直流母线电压高于设定的下限值，船舶电网和储能电容共同为电机供电；如果母线电压低于设定下限值，船上电网单独为电机供电。

两船距离增大时，高架索两挂点距离增加，高架索的垂度减小，所受的张力增加，张力产生的力矩大于变频器设定的绞车恒转矩，绞车放索，电机工作在发电状态，产生的电能回馈到变频器直流母线，并给超级电容模组充电，实现能量回收和储存。如果母线电压低于设定上限值，为超级电容充电；如果母线电压高于设定上限值，则超级电容已充满电，将通过制动电阻消耗再生电能。

另外，超级电容还起到应急电源的作用。当系统在工作中出现意外断电情况，超级电容存储的电能可供绞车系统短暂工作一段时间，将各种补给索具收回。

3 参数计算

根据负载所需的工作电压范围、最大储存能量、工作时间，可由式(1)计算所需电容模组的容量。

=2/D2（1）

式中，为功率；为持续放电时间。根据补偿系统对储能的要求，=75 kW，=60 s。

D2=2work-2min（2）

式中，work为系统工作电压；min为电容放电终止电压。

系统工作电压根据选用的变频器确定，系统中取work=680 V；电容放电终止电压根据系统特点确定，取min=360 V，所以=27.04 F。

考虑到超级电容在寿命周期内容量衰减的最大极限为30%，因此，按照30%的工程裕度设计，则储能系统的总容量应不小于35.1 F。

每支单体超级电容器的工作电压为2.7 V，在串联使用时应适当降低其工作电压，取单体超级电容器的工作电压为2.5 V，系统的最高工作电压为680 V，组成达到工作电压的串联电容器单元的个数为：=680/2.5=272支。根据总容量=35.1 F计算，串联电容单元的容量为：35.1×272=9547.2 F。每个单元采用3支单体超级电容并联，则单体电容的容量为9547.2 F/3=3182.4 F。

选用满足军标和舰船工作环境要求、单体容量为3500 F的某型号单体电容器，最大直流内阻0.3 mΩ，最大持续电流150 A。

共需要单体电容数量为272×3=816支，即采用3并272串的形式组成超级电容储能系统，系统的总容量为：总=3500×3/272=38.6 F。最大内阻为：=0.3/3×272=27.2 mΩ=0.027 Ω，最大持续电流为：=150×3=450 A。

超级电容储能系统工作中最大持续电流为=/min=75 kW/360 V=208 A；最小持续电流为=/max=75 kW/680 V=110 A。因此，上述设计的超级电容储能系统满足工作电流要求。

系统的储能为：0=2/2=0.5×38.6×6802=8.92 MJ；系统可释放能量为：=(2max-2min)/2= 0.5×38.6×(6802-3602)=6.42 MJ，而满足系统工作要求[12]1=×=75 kW×60 s=4.5 MJ。因此，方案设计满足系统补偿要求。

为了使超级电容储能系统能够长期稳定运行，需要保证单体电容间电压不发生较大差异[13]，因此系统设计有均衡电路，每3只超级电容组上并联一个均衡电路，采用限压工作原理，充电过程中，当电容器两端的电压超过均衡电路的阈值时，停止充电，使电容器工作在安全电压以下。

4 结 论

本工作对某航行横向补给系统中超级电容的应用问题进行了研究，分析了超级电容储能系统的工作过程和设计计算方法，可对超级电容在类似的、需要反复进行能量回收和释放的设备中的应用提供 参考。

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The application of supercapacitor energy storage technology in the alongside replenishment equipment

ZHAI Xingquan, WANG Qi, ZHAO Houkuan

(Unit 92117 of PLA, Beijing 100072 , China)

This paper analyzes the power re-generation of the driving electric motor in the underway replenishment system. Based on the comparison of technical characteristics of battery, superconducting coil, flywheel and Supercapacitor, the supercapacitor energy storage system was used to recoverying and utilizing of generation power. The authorw discussed the design and application of a supercapacitor energy storage system, and calculated the basic design parameters. In the underway replenishment process, the distance of the supply ship from the receiving ship is changing, The electric motor of alongside replenishment equipment is repeatedly switched between the power-driven and the power-generated mode. The motor in the power-generated state feedback large generation power to the inverter DC bus. It affects the normal work of the replenishment system and pollutes the power grid. Supercapacitor has high power density, long service life and wide operating temperature range. It is an ideal choice for recoverying and releasing power repeatedly, reducing system power, reducing pollution to the grid and energy saving.

supercapacitor; energy storage; alongside replenishment

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.04.024

TM 910.2

A

2095-4239（2016）04-558-04

2016-01-14；修改稿日期：2016-02-29。

翟性泉（1964—），男，研究员，主要研究方向为舰船补给理论与装备，E-mail：xqzhai64@sina.com；通讯联系人：王琦，工程师，研究方向为舰船海上补给装备，E-mail：wqsjz@163.com。