現代儲能技術在艦船消磁系統中的應用研究

聶冬，朱運裕

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

開發新能源和采取節能技術是當前重要的研究課題。現代儲能技術通過儲存吸納不必要的能量損耗并高效釋放，能夠有效節能。在軍用領域中，部分發達國家的常規潛艇很早就在原先單一的蓄電池儲能基礎上加裝AIP系統，提高了水下續航力，降低暴露率，很好提升了潛艇的作戰性能[1]。而在現代綜合電力艦船中，出于對高要求的能源管理系統和新概念武器應用的需要，儲能技術更是成為其中的關鍵技術之一。本文通過對最新儲能技術進行分析研究，探討該技術在艦船消磁系統中可行的應用方式。

1 現代儲能技術概況

1.1 儲能技術的分類和特性

儲能技術有物理儲能、電磁儲能、電化學儲能和相變儲能4類。物理儲能主要有飛輪儲能；電磁儲能主要有超導儲能；電化學儲能主要有蓄電池儲能、超級電容器儲能；相變儲能主要有冰蓄冷儲能等[2]。下面著重介紹下飛輪儲能、超導儲能、蓄電池儲能和超級電容器儲能。

1.1.1 飛輪儲能系統（FESS）

飛輪儲能是一種機械儲能方式，其基本原理是將電能轉換成飛輪的動能并長期蓄存起來，需要時再將飛輪運動的動能轉換成電能。主要由復合材料飛輪、集成發電機（電動機）、支撐軸承、電力電子及其控制系統、真空艙等組成[3]。

高溫超導技術、高強度材料及電力電子和技術的進步促進了儲能飛輪的發展。飛輪儲能的功率密度大于5 kW/kg，能量密度超過20 kWh/kg，效率大于 90%，使用壽命可達 20年，且不受充放電次數限制，無噪聲，無污染，維護方便，性能優越。缺點是體積大，充放電時間較長。

1.1.2 超導儲能系統（SMES）

超導儲能系統利用由超導線制成的線圈，將電網供電勵磁產生的磁場能量儲存起來，需要時再將儲存的能量送回電網。主要由超導線圈、失超保護、冷卻系統、變流器和控制器等組成。

超導儲能技術可長期無損耗儲存能量，能量釋放和響應速度快（ms級），能量密度 1—10 kWh/kg，功率密度達104kW/kg，效率達96%以上，各項指標優勢明顯，但其成本很高，系統也較復雜，需定期維護。

1.1.3 蓄電池儲能系統（BESS）

蓄電池儲能系統主要是利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電，一般由電池、直—交逆變器、控制裝置和輔助設備等組成。

蓄電池儲能充電后儲存時間長，能量密度最大，效率也較高。缺點是充電時間長，功率小。

1.1.4 超級電容器儲能系統（SCES）

超級電容器是根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸收周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，構成雙電層電容。主要由多孔碳構成的電極以及電極間充填電解質溶液組成。

超級電容器儲能系統歷經數10年發展，電容量可達0.5—1000 F，工作電壓在400 V左右，放電電流400 A以上，儲能量可達30 MJ，且體積小，安裝簡單。缺點是耐壓低，容量小，成本高。

1.2 儲能技術的應用前景

將上述四種典型的儲能技術及裝置性能比較如表1所示[4]可知，四種儲能技術結構原理及技術參數差異較大，并各有特點，因此都有其適用的應用領域。

表1 四種主要典型儲能裝置性能比較

（1）飛輪儲能：根據其特性，主要用于不間斷電源，電網調峰和頻率控制。如飛輪儲能裝置可用于電力系統儲能以實現削峰填谷的作用，即在谷值負荷時，將多余電力輸入電機，使其驅動飛輪加速，保持飛輪高速轉動；到出現峰值負荷時，讓飛輪驅動電機作為發電機運行，使飛輪的動能變成電能供給電網。在這一過程中，由于采用變速恒頻的電力電子技術，輸出電能頻率可保持不變[3]。該儲能方式還可在風力發電系統[5]及交通工具等其他領域使用。

（2）超導儲能：根據其特性，在電力系統中的應用包括：動態穩定、電壓穩定、負荷均衡、頻率調整、暫態穩定、輸電能力提高及電能質量改善等方面[6]。雖然超導儲能系統性能優越，但限于工程技術上的不成熟，成本也較高，目前還處于研制階段。

（3）蓄電池儲能：近年來，各種新型蓄電池被開發成功并在電力系統中得到應用，較多用于小型分布式發電。如NaS電池具有較高的儲能效率，還具有輸出脈沖功率的能力，同時可以用于電能質量調節和負荷的削峰填谷調節。在獨立運行的風力或太陽能電站中，蓄電池儲能已成為基本的裝備。

（4）超級電容儲能：在電力系統中多用于短時間、低容量、大功率的負載平滑和電能質量高峰值功率場合[6]。因能在充滿電的浮充狀態下正常工作10年以上，超級電容可以在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電水平。已成功用于：內燃機發動機的啟動電源和直流電氣化鐵路供電；電動車的起步、加速、爬坡電源；高壓開關的分合閘操作電源及大型充磁設備中[7]。

2 儲能技術在艦船消磁系統中的應用

艦船電力系統是各種作戰裝備有效使用的保障系統，其在艦船系統中的地位隨著艦船自動化、電氣化水平的不斷提高而日益提高。現代儲能技術以其改善電力系統特性、提供不間斷電源以及在脈沖功率等方面的獨特優勢使之在艦船電力系統中獲得廣泛應用。如在艦船消磁系統中，通過采用飛輪儲能或超級電容儲能技術與原動機的靈活配合，很好實現了高效輸出脈沖電流的功能，提高了消磁質量。

2.1 艦船消磁系統工作原理

目前艦船的消磁普遍使用外消磁的方式來完成，即由消磁船、消磁站等配備的設備和裝置，在進行綜合消磁時，通過纏繞于艦船外圍的消磁電纜（或繞組）向消磁艦船輸出大功率正負交替、逐步衰減的間歇脈沖電流（消磁工作電流），且按一定規律衰減，打亂和抵消艦船固定磁性磁場及外部磁場對艦船的感應作用，達到消磁目的[8]。艦船消磁系統基本由消磁電源、消磁控制設備和消磁繞組組成，如圖1所示，間歇脈沖電流波形如圖2所示。

圖1 艦船消磁系統的主要組成

2.2 幾種儲能技術在艦船消磁系統中的應用

如上節所述，艦船在開始消磁時，消磁系統輸出脈沖電流并逐漸衰減，其中尤以前五個脈沖需要的消磁電流比較大，此時要求供電系統能提供較大的電功率；而在脈沖間隙期間又幾乎不需要電源系統提供電能。如果依據第一脈沖選擇裝機容量，電站容量必定很大，但在工作過程中使用頻率很少，容易造成資源的嚴重浪費。如果按照消磁周期的平均功率來選取電站容量，則電站又偏小，產生的起始消磁脈沖電流不能滿足對艦船消磁的需要。為了克服上述困難，人們借助飛輪裝置或超級電容等儲能技術，根據脈沖周期需要，在電力電子技術的調校和控制下，與原動機電源配合，進行準確的能量儲存和釋放，以適當的電站容量，就可達到高品質的消磁質量。

圖2 艦船消磁工作電流波形圖

（1）帶飛輪儲能的消磁系統

帶飛輪儲能的獨立消磁電站的組成框圖如圖3所示。其工作原理是在原動機和發電機之間設置飛輪裝置，在原動機（如柴油機）空載時帶動飛輪旋轉儲存機械動能，在消磁時利用原動機的輸出功率和飛輪儲存的能量兩者疊加作為發電機的原動力，從而滿足此階段消磁功率的需要。因飛輪機構體積較大，現多用于消磁船和岸基消磁電站中。

圖3 帶飛輪儲能的獨立消磁電站的組成框圖

（2）帶超級電容儲能的消磁系統

帶超級電容儲能的消磁電源的組成框圖如圖4所示。其工作原理是超級電容模塊在脈沖間歇期間通過充供模塊的充電器從交流電源吸取能量，在脈沖放電期間為充供模塊和直直交換模塊提供能量。充供模塊和直直交換模塊在控制模塊的控制下可分時、協調工作，在電站配置容量較小的情況下，滿足消磁輸出功率的需求。因超級電容體積小，多用于小型消磁電站和消磁船中。據報道，采用超級電容儲能及直通式消磁技術的車載消磁站已研制成功，它既可以依托運載車在碼頭進行消磁作業，也可由艦船承載在海上進行消磁，機動性和適應性很強[9]。

圖4 帶超級電容儲能的消磁電源的組成框圖

3 結束語

電力系統的飛躍發展推動了對現代儲能技術的持續投入和研究，而現代儲能技術的不斷進步又促進了電力系統的加速優化和革新。本文通過闡述儲能技術在艦船消磁系統中的應用，突出介紹了該技術給艦船消磁方式帶來的變化和進步，以及今后可能的發展方向。

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[2]賈宏新，張宇，王育飛. 儲能技術在風力發電系統中的應用[J]. 可再生能源，2009，27（6）：10-12.

[3]伍嬋娟.電力儲能技術發展概述[J]. 科技信息，2010，33：772-773.

[4]范則陽. 超導磁儲能系統在艦船電力系統中的應用研究[J]. 華中科技大學碩士論文，2004:18-19.

[5]阮軍鵬，張建成，汪娟華. 飛輪儲能系統改善并網風電場穩定性的研究[J]. 電力科學與工程，2008，36（4）：91-93.

[6]李勇，劉俊勇，胡燦. 超導儲能技術在電力系統中的應用與展望[J]. 四川電力技術，2009，S1：33-37.

[7]王志勇，田樹仁，夏國明. 綠色儲能元件——超級電容的探討[J]. 低壓電器，2011，7：18-19.

[8]張鏡照，劉凱，于海寧. 艦船消磁系統和設備技術發展初探[J]. 船電技術，2006，S1：21-27.

[9]朱運裕，唐申生. 直通式消磁法對艦船燃油安全性的分析研究[J]. 船電技術，2011，31（7）：82-84.