[發(fā)明專利]船舶制動(dòng)能量控制系統(tǒng)及能量控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510029419.4
• 申請(qǐng)日: 2015-01-21
• 公開（公告）號(hào): CN104527960B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆石;沈愛弟;王丹丹;劉彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號(hào): B63H21/17
• 分類號(hào): B63H21/17;B63J3/02
• 代理公司: 上海信好專利代理事務(wù)所(普通合伙)31249
• 代理人: 徐茂泰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制動(dòng)能量控制系統(tǒng)，具體涉及一種混合動(dòng)力船舶制動(dòng)能量控制系統(tǒng)及能量控制方法。

背景技術(shù)

船舶電力推進(jìn)變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器、電動(dòng)機(jī)和螺旋槳組成，在船舶制動(dòng)過程中，螺旋槳處于水渦輪狀態(tài)，推動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電模式，船舶和螺旋槳的能量通過逆變器傳送到直流環(huán)節(jié)，進(jìn)而在直流環(huán)節(jié)產(chǎn)生泵升電壓。通常在大多數(shù)系統(tǒng)中都是采用制動(dòng)電阻方式（阻耗式）制動(dòng)，這種方式將能量直接經(jīng)過制動(dòng)電阻以熱能形式耗散掉，造成了能源極大浪費(fèi)。

混合動(dòng)力船舶在制動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)能量，并通過逆變器回饋到供電單元的直流母線，導(dǎo)致直流母線電壓升高（泵升電壓）。直流母線電壓過高或者過低都會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成極大的威脅，為了將直流母線電壓限制在安全可靠的范圍內(nèi)，必須及時(shí)消耗或轉(zhuǎn)移直流母線上的多余能量。在工程中，通常消耗或轉(zhuǎn)移能量的途經(jīng)有以下三種方法：（1）耗散制動(dòng)：目前，在混合動(dòng)力船舶、混合動(dòng)力汽車、軌道交通、電梯及提升機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)中，大多采用接入制動(dòng)電阻將其在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的多余制動(dòng)能量以熱能的形式直接耗散掉。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，對(duì)電網(wǎng)無污染，成本低廉；缺點(diǎn)是運(yùn)行效率較低，特別是在頻繁制動(dòng)時(shí)將要消耗大量的能量且制動(dòng)電阻的容量將增大，這樣將會(huì)造成電能的極大浪費(fèi)。（2）共用直流母線：可以解決制動(dòng)時(shí)的能量消耗問題, 又能使引起母線電壓升高的能量明顯減少，逆變器反饋的能量可以彼此互相利用。逆變器能量不足的部分再由整流橋通過電網(wǎng)供電或者由動(dòng)力電池通過雙向DC/DC補(bǔ)充, 因此這種應(yīng)用方式節(jié)電率最高。制動(dòng)要求特別高時(shí), 只需要在共用母線上并上一個(gè)共用制動(dòng)單元即可。直流母線的制動(dòng)方式具有以下的特點(diǎn)：a.使用共用直流母線和共用制動(dòng)單元后, 可以大大減少整流器和制動(dòng)單元的重復(fù)配置, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 經(jīng)濟(jì)可靠；b.共用直流母線的中間直流電壓基本恒定, 電容并聯(lián)儲(chǔ)能容量大；c.各負(fù)載工作在不同狀態(tài)下, 能量回饋互補(bǔ)節(jié)約了電能, 優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；d.提高系統(tǒng)功率因素, 降低電網(wǎng)諧波電流, 提高系統(tǒng)用電效率等。（3）存儲(chǔ)制動(dòng)：近年來，隨著混合動(dòng)力船舶技術(shù)不斷創(chuàng)新、發(fā)展，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中采用了利用接在直流母線側(cè)的超級(jí)電容器或動(dòng)力電池等作為混合動(dòng)力船舶儲(chǔ)能裝置，為船舶的優(yōu)化、綜合控制起到重要作用，同時(shí)也可以存儲(chǔ)多余的制動(dòng)能量，在系統(tǒng)需要能量時(shí)釋放所存儲(chǔ)的能量。在一些軌道交通工具（如地鐵），此項(xiàng)技術(shù)已得到成熟運(yùn)用。

目前，制動(dòng)能量回收技術(shù)在船舶領(lǐng)域沒有得到應(yīng)用，因此，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)專利。在其他領(lǐng)域（軌道交通）存在相近的專利，例如日立公司的專利 CN101100170A，提出了一種將再生制動(dòng)能量回收到超級(jí)電容器中的電路和控制方法，該系統(tǒng)在列車上配備了超級(jí)電容器， 該超級(jí)電容器吸收列車的制動(dòng)能量， 為列車在中途加速過程提供所需的能量，列車進(jìn)站后，車站的充電裝置根據(jù)超級(jí)電容器剩余能量的大小決定是否對(duì)之充電。美國(guó)專利 US 20060005738A1 提出了一種車載的儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于回收再生制動(dòng)能量。該系統(tǒng)主要用于電力機(jī)車， 吸收制動(dòng)能量， 并為列車加速提供能量。 該儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以接受外部能源的充電，列車上裝備了制動(dòng)電阻來消耗儲(chǔ)能裝置無法吸收的能量。中國(guó)專利 CN101249802提出的城市軌道交通車輛制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，利用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置， 通過逆變器將超級(jí)電容器的能量提供電力， 用于車內(nèi)照明和通風(fēng)等小負(fù)荷，但此方案的逆變方案無法推廣到大負(fù)荷的應(yīng)用上。目前，有些儲(chǔ)能裝置如鎳氫電池、飛輪儲(chǔ)能裝置等充放電速度過慢， 不能滿足高速磁浮列車制動(dòng)能量存儲(chǔ)的要求。 更重要的是， 目前包括超級(jí)電容器的儲(chǔ)能裝置容量有限，不能滿足大量的制動(dòng)能量的存儲(chǔ)。同時(shí)仍然會(huì)有大量的能量被不必要地消耗掉。

總之， 當(dāng)超過存儲(chǔ)裝置容量的制動(dòng)能量出現(xiàn)時(shí)， 以上所述技術(shù)的儲(chǔ)能裝置就不具備通過直流母線向交流母線回饋和有效控制的功能， 只能通過在直流母線上外接入制動(dòng)電阻來消耗掉多余制動(dòng)能量。混合動(dòng)力船舶在制動(dòng)過程中產(chǎn)生巨大的制動(dòng)能量， 由于缺乏恰當(dāng)?shù)哪芰抗芾砼c控制方案，使得這些制動(dòng)能量被制動(dòng)單元以熱能的形式消耗在制動(dòng)電阻上， 這樣就會(huì)造成大量能量被浪費(fèi)。同樣，這些問題也存在于諸如軌道交通、軋鋼、電梯等頻繁加減速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

現(xiàn)有的混合動(dòng)力船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)大多都采用外接制動(dòng)單元，通過控制制動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電阻的投切，以熱能的形式消耗掉其產(chǎn)生的制動(dòng)能量，這樣造成系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生大量熱，可能會(huì)導(dǎo)致大功率器件燒損，同時(shí)大量的能量被直接浪費(fèi)。或者采用逆變回饋，通過雙向逆變器將多余制動(dòng)能量直接回收到交流電網(wǎng)，這樣會(huì)造成電網(wǎng)污染，進(jìn)而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容