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原文传递超导磁储能在船舶电力系统中的应用研究

论文题名：	超导磁储能在船舶电力系统中的应用研究
关键词：	船舶电力系统;超导磁储能;负荷变化量
摘要：	采用电力推进技术的船舶，其电力供应系统是一个孤立的电力系统。相比于陆地大电网，船舶电力系统的发电机组惯性较小，负荷扰动更容易引起系统频率快速变化，给船舶电力系统的稳定控制带来一定的挑战。在船舶电力系统中加入储能装置，可抑制负荷扰动引起的系统频率振荡，提高船舶电力系统的稳定性。在储能技术中，超导磁储能（SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES）因其具有功率密度高、响应速度快等特点，而在改善船舶电力系统的频率动态调整特性方面具有特殊优势。　　基于以上背景，本文搭建了含SMES的船舶电力系统仿真分析平台，针对船舶电力系统负荷发生变化时的运行特征，研究了SMES的动态补偿控制策略，提出了一种自适应分段控制策略；然后，根据船舶电力系统运行参数和动态补偿控制策略的要求，确定了SMES容量需求和技术指标要求；通过磁体优化设计，分别给出了满足SMES容量需求和技术指标要求的用线量最少、体积最小和帕累托最优磁体结构方案；最后对优化的两种结构（用线量最少和体积最小）的磁体在船舶电力系统运行的同一种工况下分别进行了交流损耗的评估。论文完成的主要研究工作如下：　　（1）分析了包括发电机、燃气轮机及其调速器、励磁机和推进电机以及螺旋桨负载在内的船舶电力系统各组件单元的数学模型与控制方法，搭建了船舶电力系统仿真平台，并且在该仿真平台中研究了船舶变速航行以及加载脉冲负荷工况下系统的动态特性。　　（2）着重对比分析了SMES在指数函数和虚拟惯性两种系统层控制策略下的功率补偿对改善系统频率稳定性的效果，结果表明指数函数有功补偿策略即时性较好，而虚拟惯量有功补偿策略的适应性较强。根据此结论提出了一种将二者优势相结合的分段控制策略。针对分段控制策略对SMES补偿功率大小判定方面的不足，同时考虑船舶变速航行时功率变化的不确定性以及系统频率的动态特性，提出一种SMES抑制电力推进系统频率振荡的自适应优化控制策略并对其补偿效果进行了验证。仿真分析结果表明，基于自适应分段控制策略，SMES能判定系统的负荷变化量，并且自适应输出船舶电力系统所需的补偿功率。　　（3）根据船舶电力系统对SMES的需求，分别以带材用线量和磁体体积作为优化目标，完成了工作温度20K、储能量不小于22MJ的环形磁体优化设计。根据优化结果，总结了磁体设计的初步思路：在一定范围内可通过减小线圈内径、增加线圈个数的方式减小磁体体积以提高空间利用率。反之，在一定范围内可通过增大线圈内径、减小线圈个数的方式减少带材用线量以降低磁体制作成本。进一步综合考量经济性和船舶空间的局限性，以互为制约关系的用线量和体积作为优化目标优化了磁体结构，提供了磁体设计时可参考的帕累托最优方案。　　（4）在推进电机启动和故障掉电的工况下，提取SMES与系统功率交换时的电流变化波形，分别对以用线量最少和以体积最小为目标设计的两种结构的磁体进行了交流损耗的评估。结果表明，在SMES与船舶电力系统功率交换的过程中，以用线量最少为目标设计的磁体比以体积最小为目标设计的磁体交流损耗更小，该结论可对磁体结构参数设计的优化方向提供一定的参考。
作者：	戴琪
专业：	电气工程
导师：	唐跃进;李敬东
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022