CN105923118B - 一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，包括正转飞轮、反转飞轮、正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、系统控制器、姿态传感器、超级电容、太阳能控制器、太阳能电池板、双向逆变器、交流电源/负载、双向直流变换器、直流电源/负载。采用正反转双飞轮结构，减摇过程中，能量在两个飞轮中流动，所需外部能量极低；当船舶转向时，所产生的力矩相互抵消，因此不会引起纵摇，也不会增加行驶阻力。利用太阳能电池发电并储存在飞轮中，可以在船舶主机不起动的状态下向船舶供电，进行减摇控制；采用飞轮储能，没有二次污染，使用寿命长可达20年以上，安全可靠，传统的蓄电池作为应急电源使用寿命约在3年左右，而且锂电池有爆炸危险。
Description
技术领域
本发明涉及一种船用双飞轮储能减摇一体化控制装置，属于船舶控制技术领域。
背景技术
船舶的摇荡对船舶的舒适性、安全性以及航线的经济性都有较大的影响。通常船舶最容易发生的是横摇，而且横摇的摇摆幅度最大，对船上人员的影响也最为严重，为此陀螺进动减摇装置广泛应用在小型船舶系统当中。
陀螺减摇器工作时，首先要通过驱动电机将陀螺转子加速到极高转速，通常为了减小阻力需要在陀螺中抽真空。然后通过液压或者电动驱动系统，驱动陀螺转子轴线绕船只横轴线前后转动，从而产生横向的陀螺力矩，用以消除船体的横摇。
由于陀螺本身重量较大，既要驱动陀螺转子高速旋转，又要驱动陀螺本体绕横轴线转动，因此需要耗费大量能量，而且机械结构也非常复杂，可靠性和维护性均比较低，也增加了系统的体积和重量，同时控制系统也相对比较复杂。
陀螺减摇器的陀螺力矩是减摇的主要控制参数，如公式(1)所示：
其中M为陀螺力矩，H为陀螺自传角动量，ωb为进动角速度，J为陀螺转动惯量，ω为陀螺转速。
从公式(1)可以看出，陀螺力矩M的大小与陀螺转速ω和进动角速度ωb成正比关系。
为了得到较大的陀螺力矩首先要有较高的陀螺转速，这使得陀螺减摇器的起动时间非常长，这样才能使陀螺加速到规定的转速，而且需要消耗较大的能量，这些能量无法回收。
当陀螺转速达到额定值时，需要保持恒定转速，这样要增加陀螺减摇力矩就必须增加进动角速度，然而陀螺轴进动的角度范围有限，要增加进动角速度，就会减少进动时间，而这个时间必须大于波浪引起横摇的周期。所以如果横摇周期较长，就要降低进动角速度，因此减摇效果就会受到限制。
当船舶转向时，陀螺减摇器会产生纵摇力矩引起纵摇，这是不希望出现的效果，不仅让船上人员赶到不适，还会引起额外的行驶阻力。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置。该装置采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速非常低，不需要抽真空，机械应力较低，而且结构简单、体积小、重量轻，同时可以作为储能装置使用。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提出一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，包括正转飞轮、反转飞轮、正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、系统控制器、姿态传感器、超级电容、太阳能控制器、太阳能电池板、双向逆变器、交流电源/负载、双向直流变换器、直流电源/负载、船体。
所述正转飞轮连接正转飞轮控制器，反转飞轮连接反转飞轮控制器，姿态传感器、正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、太阳能控制器、双向逆变器、双向直流变换器均通过控制总线与系统控制器连接，太阳能电池板与太阳能控制器连接，交流电源/负载与双向逆变器，直流电源/负载与双向直流变换器连接，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器、太阳能控制器、双向逆变器、双向直流变换器均连接到超级电容所在的直流母线。
所述太阳能电池板安装于船体的上层建筑表面，系统其它部分安装于船体的内部。
当所述正转飞轮1和反转飞轮2采用交流电机驱动时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器均包括电抗器、电流传感器、功率开关、电压传感器、控制板组成。
所述功率开关组成三相桥通过电抗器向交流电机驱动的正转飞轮或反转飞轮供电，三相桥的直流侧与超级电容连接，电压传感器检测直流侧电压，电流传感器检测交流侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板，控制板输出PWM控制信号分别给功率开关，同时控制板通过控制总线受到系统控制器的控制。
当所述正转飞轮1和反转飞轮2采用开关磁阻电机驱动时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器均包括电流传感器、功率开关、电压传感器、控制板、续流二极管组成。
所述功率开关与续流二极管组成三相不对称半桥向开关磁阻电机驱动的正转飞轮或反转飞轮供电，正转飞轮或反转飞轮的电机定子绕组串联在不对称半桥之中，不对称半桥的直流侧与超级电容连接，电压传感器检测直流侧电压，电流传感器检测飞轮侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板，控制板输出PWM控制信号分别给功率开关，同时控制板通过控制总线受到系统控制器的控制。
本发明提出一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，根据使用环境的不同，船用飞轮储能与减摇一体化控制装置工作过程具体包括4个模态，实现步骤如下：
步骤A：正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮，使之达到设定的工作转速，此过程中，飞轮储存了一定的机械能，同时正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别从超级电容所在的直流母线吸收电能，此为模态1，即起动模态；
步骤B：当太阳能电池板、交流电源/负载或者直流电源/负载产生了多余电能时，分别通过太阳能控制器、双向逆变器或者双向直流变换器向超级电容所在的直流母线注入能量，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮，使工作点转速增加，将注入的电能换换为机械能储存在正转飞轮和反转飞轮中，此为模态2，即储能模态；
步骤C：当系统控制器通过姿态传感器检测到船体的姿态变化产生横摇时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮根据工作转速点进行加减速，两个飞轮的加速度和减速度相同，因此正转飞轮控制器、反转飞轮控制器所产生的减摇转矩大小相同方向也相同，减小船体的横摇幅度，其中减速飞轮输出能量，加速飞轮吸收能量，两者大体相当，正转飞轮和反转飞轮所损耗的能量从超级电容(7)所在的直流母线吸收，此为模态3，即减摇模态；
步骤D：当船舶发电装置没有开启或者故障状态时，正转飞轮控制器、反转飞轮控制器分别控制正转飞轮和反转飞轮将工作点转速降低，与此同时控制正转飞轮和反转飞轮在新的工作转速点进行加减速来进行减摇控制，由于工作点转速降低，系统的存储的机械能可以转换为电能注入超级电容所在的直流母线，再通过双向逆变器和双向直流变换器分别向交直流负载供电，此为模态4，即应急供电模态。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速非常低，不需要抽真空，机械应力较低，而且结构简单、体积小、重量轻，起动时间短。
本发明的一个效果在于，采用正反转双飞轮结构，减摇过程中，能量在两个飞轮中流动，所需外部能量极低。通过同时调节两个飞轮的工作点转速，可以吸收或者释放能量，因此即可以作为储能装置使用，也不会影响减摇效果。
本发明的一个效果在于，减摇力矩作用时间可以持续控制，因此减摇周期可以任意调节。
本发明的一个效果在于，双飞轮转向相反，转速较低，当船体转向时产生的进动力矩相互抵消，因此不会产生陀螺减摇器所引起的纵摇力矩。
本发明的一个效果在于，飞轮减摇力矩是通过飞轮加减速得到的，响应速度非常快，因此减摇效果较好。而陀螺减摇器需要机械结构驱动陀螺进动响应速度较低，影响减摇效果。
本发明的一个效果在于，飞轮减摇力矩是通过飞轮加减速得到的，响应速度非常快。
本发明的一个效果在于，采用正反转双飞轮结构，当船舶转向时，所产生的力矩相互抵消，因此不会引起纵摇，也不会增加行驶阻力。
本发明的一个效果在于，利用船体上安装的太阳能电池发电并储存在飞轮中，可以在船舶主机不起动的状态下向船舶供电，进行减摇控制。
本发明的一个效果在于，采用飞轮储能，没有二次污染，使用寿命长可达20年以上，安全可靠。传统的蓄电池作为应急电源使用寿命约在3年左右，而且锂电池有爆炸危险。
附图说明
图1是本发明中船用飞轮储能与减摇一体化控制装置拓扑图；
图2是本发明中船用飞轮储能与减摇一体化控制装置结构示意图；
图3是本发明中交流电机驱动飞轮控制器原理图；
图4是本发明中开关磁阻电机驱动飞轮控制器原理图；
附图中，各标号所代表的部件：1、正转飞轮 2、反转飞轮 3、正转飞轮控制器 4、反转飞轮控制器 5、系统控制器 6、姿态传感器 7、超级电容 8、太阳能控制器 9、太阳能电池板 10、双向逆变器 11、交流电源/负载 12、双向直流变换器 13、直流电源/负载 14、船体15、控制总线 101、电抗器 102、电流传感器 103、功率开关 104、电压传感器 105、控制板106、续流二极管。
具体实施方式
实施例：
一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，包括正转飞轮1、反转飞轮2、正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4、系统控制器5、姿态传感器6、超级电容7、太阳能控制器8、太阳能电池板9、双向逆变器10、交流电源/负载11、双向直流变换器12、直流电源/负载13、船体14，如图1所示。
所述正转飞轮1连接正转飞轮控制器3，反转飞轮2连接反转飞轮控制器4，姿态传感器6、正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4、太阳能控制器8、双向逆变器10、双向直流变换器12均通过控制总线15与系统控制器5连接，太阳能电池板9与太阳能控制器8连接，交流电源/负载11与双向逆变器10，直流电源/负载13与双向直流变换器12连接，正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4、太阳能控制器8、双向逆变器10、双向直流变换器12均连接到超级电容7所在的直流母线。
所述太阳能电池板9安装于船体14的上层建筑表面，系统其它部分安装于船体14的内部。
正转飞轮1和反转飞轮2结构完全相同，可以由永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、异步电机等驱动，通过正转飞轮控制器3和反转飞轮控制器4的控制使飞轮盘的转动方向相反。其中正转飞轮控制器3和反转飞轮控制器4结构相同，能够控制飞轮驱动电机作为电动机运行，也可以控制飞轮驱动电机作为发电机运行，实现能量的双向流动。
系统控制器5采用全数字化的嵌入式控制系统，通过数据总线例如CAN总线等对所有系统模块进行控制。
姿态传感器6安装在船体14上，主要包括加速度计、角加速度传感器、电子罗盘等，通过数字信号处理，用于检测船体14的姿态，特别是横摇状态及其变化，由系统控制器5根据减摇控制策略输出控制信号控制正转飞轮控制器3和反转飞轮控制器4。
超级电容7仅仅作为直流母线的一个支撑电容，起到能量的缓冲作用，因此可以采用较小的容量，节约系统成本。
太阳能电池板9安装在船体14的上层建筑上，可以在主机不起动的情况下向系统注入能量。通过太阳能控制器8可以对太阳能电池板9进行最大功率追踪控制，最大限度地从太阳获取能量，并存入飞轮中。
双向逆变器10能够控制能量双向流动，它连接直流母线和交流母线，既可以将交流电转化为直流电并存储到飞轮中，又可以将飞轮释放的直流电转换为交流电提供给交流负载。
双向直流变换器12能够控制能量双向流动，它连接本装置的直流母线和船载直流母线，既可以将船载直流电源输入飞轮中，又可以将飞轮释放的直流电转输出给船载直流母线，为船载直流设备供电。
本发明的一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置的一种实施方案为，所述正转飞轮1和反转飞轮2由交流电机驱动时，所对应的正转飞轮控制器3和反转飞轮控制器4包括电抗器101、电流传感器102、6个功率开关103、电压传感器104、控制板105，如图3所示。所述6个功率开关103组成三相桥通过电抗器101向正转飞轮1或反转飞轮2供电，三相桥的直流侧与超级电容7连接，电压传感器104检测直流侧电压，电流传感器102检测交流侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板105，控制板105输出PWM控制信号分别给6个功率开关103，同时控制板105通过控制总线15受到系统控制器5的控制。该飞轮控制器可以控制所有交流飞轮驱动电机，以及无刷直流电机，并且可以控制能量的双向流动，其控制算法存储在控制板105中。
本发明的一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置另外一种实施方案为，所述正转飞轮1和反转飞轮2由开关磁阻电机驱动时，此时所对应的正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4均包括电流传感器102、功率开关103、电压传感器104、控制板105、续流二极管106，如图4所示。所述6个功率开关103与6个续流二极管106组成三相不对称半桥向开关磁阻电机驱动的正转飞轮1或反转飞轮2供电，正转飞轮1或反转飞轮2的开关磁阻电机定子绕组串联在三相不对称半桥之中，三相不对称半桥的直流侧与超级电容7连接，电压传感器104检测直流侧电压，电流传感器102检测飞轮侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板105，控制板105输出PWM控制信号分别给6个功率开关103，同时控制板10通过控制总线15受到系统控制器5的控制。该控制器一共有3个不对称半桥，通过增加不对称半桥的数量可以控制任意极数和相数的开关磁阻电机，并通过控制实现能量的双向流动。
一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，所述的船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，根据使用环境的不同，船用飞轮储能与减摇一体化控制装置工作过程具体包括4个模态，实现步骤如下：
步骤A：正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4分别控制正转飞轮1和反转飞轮2，使之达到设定的工作转速，飞轮储存了一定的机械能，此过程中，正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4分别从超级电容7所在的直流母线吸收电能。此为模态1，即起动模态。
步骤B：当太阳能电池板9、交流电源/负载11或者直流电源/负载13产生了多余电能时，分别通过太阳能控制器8、双向逆变器10或者双向直流变换器12向超级电容7所在的直流母线注入能量，正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4分别控制正转飞轮1和反转飞轮2，使工作点转速增加，将注入的电能转换为机械能储存在飞轮中。此为模态2，即储能模态。
步骤C：当系统控制器5通过姿态传感器6检测到船体14的姿态变化产生横摇时，正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4分别控制正转飞轮1和反转飞轮2根据工作转速点进行加减速，两个飞轮的加速度和减速度相同，因此所正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4产生的减摇转矩大小相同方向也相同，减小船体14的横摇幅度，其中减速飞轮输出能量，加速飞轮吸收能量，两者大体相当，不足的损耗部分从直流母线吸收。此为模态3，即减摇模态。
步骤D：当船舶发电装置没有开启或者故障状态时，正转飞轮控制器3、反转飞轮控制器4分别控制正转飞轮1和反转飞轮2将工作点转速降低，与此同时控制正转飞轮1和反转飞轮2在新的工作转速点进行加减速来进行减摇控制，由于工作点转速降低，系统的存储的机械能可以转换为电能注入超级电容7所在的直流母线，再通过双向逆变器10和双向直流变换器12分别向交直流负载供电。此为模态4，即应急供电模态。
对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，包括正转飞轮(1)、反转飞轮(2)、正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、系统控制器(5)、姿态传感器(6)、超级电容(7)、太阳能控制器(8)、太阳能电池板(9)、双向逆变器(10)、交流电源/负载(11)、双向直流变换器(12)、直流电源/负载(13)、船体(14)；
所述正转飞轮(1)连接正转飞轮控制器(3)，反转飞轮(2)连接反转飞轮控制器(4)，太阳能电池板(9)与太阳能控制器(8)连接，姿态传感器(6)、正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)、双向直流变换器(12)均通过控制总线(15)与系统控制器(5)连接，交流电源/负载(11)与双向逆变器(10)连接，直流电源/负载(13)与双向直流变换器(12)连接，正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)、太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)、双向直流变换器(12)均通过直流母线连接到超级电容(7)；
所述太阳能电池板(9)安装于船体(14)的上层建筑表面，系统其它部分安装于船体(14)的内部；
所述正转飞轮(1)和反转飞轮(2)可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，实现能量的双向流动；
根据使用环境的不同，船用飞轮储能与减摇一体化控制装置工作过程具体包括4个模态，实现步骤如下：
步骤A：正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)分别控制正转飞轮(1)和反转飞轮(2)，使之达到设定的工作转速，此过程中，飞轮储存了一定的机械能，同时正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)分别从超级电容(7)所在的直流母线吸收电能，此为模态1，即起动模态；
步骤B：当太阳能电池板(9)、交流电源/负载(11)或者直流电源/负载(13)产生了多余电能时，分别通过太阳能控制器(8)、双向逆变器(10)或者双向直流变换器(12)向超级电容(7)所在的直流母线注入能量，正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)分别控制正转飞轮(1)和反转飞轮(2)，使工作点转速增加，将注入的电能转换为机械能储存在正转飞轮(1)和反转飞轮(2)中，此为模态2，即储能模态；
步骤C：当系统控制器(5)通过姿态传感器(6)检测到船体(14)的姿态变化产生横摇时，正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)分别控制正转飞轮(1)和反转飞轮(2)根据工作转速点进行加减速，并且加速度和减速度相同，因此正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)所产生的减摇转矩大小相同方向也相同，减小船体(14)的横摇幅度，其中减速飞轮输出能量，加速飞轮吸收能量，两者大体相当，正转飞轮(1)和反转飞轮(2)损耗的能量从超级电容(7)所在的直流母线吸收，此为模态3，即减摇模态；
步骤D：当船舶发电装置没有开启或者故障状态时，正转飞轮控制器(3)、反转飞轮控制器(4)分别控制正转飞轮(1)和反转飞轮(2)将工作点转速降低，与此同时控制正转飞轮(1)和反转飞轮(2)在新的工作转速点进行加减速从而进行减摇控制，由于工作点转速降低，系统的存储的机械能可以转换为电能注入超级电容(7)所在的直流母线，再通过双向逆变器(10)和双向直流变换器(12)分别向交直流负载供电，此为模态4，即应急供电模态。
2.如权利要求1所述一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，所述正转飞轮(1)和反转飞轮(2)采用交流电机驱动时，正转飞轮控制器(3)和反转飞轮控制器(4)均包括电抗器(101)、电流传感器(102)、功率开关(103)、电压传感器(104)、控制板(105)；所述功率开关(103)组成三相桥通过电抗器(101)向正转飞轮(1)或反转飞轮(2)供电，三相桥的直流侧与超级电容(7)连接，电压传感器(104)检测直流侧电压，电流传感器(102)检测交流侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板(105)，控制板(105)输出PWM控制信号分别给功率开关(103)，同时控制板(105)通过控制总线(15)受到系统控制器(5)的控制。
3.如权利要求1所述一种船用飞轮储能与减摇一体化控制装置，其特征在于，所述正转飞轮(1)和反转飞轮(2)采用开关磁阻电机驱动时，正转飞轮控制器(3)和反转飞轮控制器(4)均包括电流传感器(102)、功率开关(103)、电压传感器(104)、控制板(105)、续流二极管(106)；
所述功率开关(103)与续流二极管(106)组成三相不对称半桥向正转飞轮(1)或反转飞轮(2)供电，正转飞轮(1)或反转飞轮(2)的电机定子绕组串联在不对称半桥之中，不对称半桥的直流侧与超级电容(7)连接，电压传感器(104)检测直流侧电压，电流传感器(102)检测飞轮侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板(105)，控制板(105)输出PWM控制信号分别给功率开关(103)，同时控制板(105)通过控制总线(15)受到系统控制器(5)的控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |